某车型麦弗逊前悬架运动特性优化

摘 要：为了研究前期悬架硬点的布置是否具有较好的运动学性能，以某车型为例，运用adams/car软件建立该车型麦弗逊前悬架的精确动力学模型，并进行平行轮跳仿真分析，得出悬架的定位参数及轮距随轮跳的变化关系。选择分析中变化较大的前束角、外倾角和轮距为优化目标，运用adams/isight进行硬点坐标对定位参数的敏感度分析，确定优化变量。设定优化变量的合理范围，通过多次迭代计算，得到优化结果。发现优化目标的变化范围都明显减小，提高了悬架的运动特性，达到硬点优化效果。

关键词：麦弗逊悬架 定位参数 轮距 优化 adams/car adams/isight

悬架系统是组成汽车关键部件之一，由导向元件、弹性元件和减振器和稳定杆组成，主要功能是把轮胎受到地面的冲击力和力矩能可靠地传递到车身[1]；缓和地面传给车身的冲击；减小振动；控制车轮定位参数在合理范围内变化。其性能的好坏直接影响整车操作稳定性和平顺性。

在汽车悬架开发前期，悬架硬点的布置是底盘开发的关键，与悬架的运动学性能和底盘耐久有直接的关系，直接影响整车的操作稳定性、平顺性和安全性。本文以某车型前麦弗逊悬架为例，采用动力学软件adams/car建立前悬架的精确动力学模型，并分析出悬架定位参数与轮跳的关系，并通过adams/insight分析各硬点坐标对悬架定位参数的敏感度分析，为定位参数的优化选择合理设计变量提供理论依据，最后通过adams/insight对悬架的硬点参数进行优化设计。

1 麦弗逊前悬架动力学模型的建立

根据底盘布置的硬点，利用adams/car建立构建麦弗逊前悬架装配总成的3个子系统：麦弗逊独立悬架、齿轮齿条式转向传动系统和稳定杆组件系统。

1.1 麦弗逊悬架子系统

麦弗逊悬架是[2]由弹簧、减振器、缓冲块、转向节、轮胎、下控制臂、转向拉杆、球销和橡胶衬套构成，下控制臂的外端通过球销与转向节连接，下控制臂的内端通过转动副和前后衬套与车身（副车架）连接，减振器上部通过胡克副和衬套与车身连接，减振器下部与转向节固连，减振器上部与减振器下部通过柱面副连接，转向拉杆外端与转向节通过球销连接，转向拉杆内端与转向连接轴通过胡克副连接，前弹簧连接在减振器上部与转向节部件之间，减振器、弹簧、衬套的属性文件都来源于实测数据。

1.2 齿轮齿条式转向子系统

齿轮齿条式转向子系统是由方向盘、转向管柱、中间轴、转向轴和转向齿条组成，方向盘与转向管柱通过固定副连接，并与车身通过转动副连接，转向管柱与车身通过柱面副连接，中间轴与转向管柱和转向轴通过胡克副连接，转向轴与转向齿条通过齿轮副连接。

1.3 稳定杆组件系统

稳定杆组件系统是由稳定杆、稳定杆衬套、稳定杆拉杆和球销组成，稳定杆通过稳定杆衬套连接车身（副车架），稳定杆拉杆两端通过球销分别与稳定杆和减振器支柱总成（下控制臂）连接，本文采用的稳定杆是柔性件[3]，柔性体与外界连接需要通过哑物体连接。

根据上述三个子系统中零部件的运动关系和约束类型，分别创建3个子系统，各系统间通过通讯器建立连接关系，最后和一个悬架实验台装配在一起，得到麦弗逊前悬架动力学模型，如图1。

2 麦弗逊前悬架运动特性仿真分析

为了得到精确悬架模型，使分析的结果更能反映实际情况，在进行运动特性仿真分析之前，首选要对悬架进行静载调平衡，具体如下：根据预估的簧下质量调整悬架的簧下质量，然后通过空载载荷调整弹簧的预载和衬套的预载，使悬架处在平衡状态[4]，即空载状态。然后通过平行轮跳仿真，设置上下轮跳的位移为50mm，仿真结束后，通过后处理获得前束角、外倾角、主销后倾角、主销内倾角和轮距随轮跳的变化曲线。

2.1 前束角

前束角的变化对车辆直线行驶稳定性有很大影响，前束角的设计是为了匹配外倾角的变化，减少直线行驶轮胎所受的侧向力，减少轮胎的过度磨损，对于前驱车的前轮[5]，取一定的负前束，以使汽车在行驶时保持车轮直线运动，减少轮胎磨损和滚动阻力。为了满足车辆在转弯行驶时不足转向特性的需要，前束常设计成车轮上跳成零至弱负前束变化，一般来说变化量越小越好，图2为前束角随轮跳的变化曲线，前束变化范围为0.39°～-0.47°，变化较大，需要进一步优化。

车轮外倾角多车辆弯道行驶特性有很大影响，当车辆转弯时，车轮随车身发生侧倾，外侧车轮相对于地面向正的外倾角变化，从而减少外侧轮胎与路面的接触面积，不利于提供转弯时所需的侧向力，为了消除这一影响，一般希望车轮上跳时，外侧车轮有一定的负外倾变化，以保证车轮与地面充分接触。在上下跳动±50mm范围内[6]，外倾角的变化在2°以内，图3为外倾角随轮跳的变化曲线，外倾角变化范围为1.87°～-0.31°，变化略高，需要优化。

主销后倾角和后倾拖距的设计是保证汽车具有合适的回正力矩，当车辆直线行驶时，车轮受到外界冲击力的作用而使其发生偏转，车轮接地点的力与到主销的力臂形成与车轮偏转的相反力矩，使车轮自动的回正，保证汽车直线行驶的稳定性，同时为了保证制动时后倾角不过小，希望后倾角随轮跳上跳而增加，但是也不能出现车轮在上下跳动过程中后倾角变化过大，这样会造成回正力矩过大或是过小，使操作稳定性变差，对于无助力转向悬架[7]，主销后倾角一般为3°～10°，图4后倾角随轮跳的变化曲线，后倾角变化范围为4.34°～5.07°，满足设计要求。

主销内倾角与主销偏移距所产生的回正力矩与侧偏力成正比，侧偏力与车速有关，车速越大，侧偏力也大，产生的回正力矩也大，相反车速低几乎不产生回正作用，为了保证低速的回正力矩，就要设置主销内倾角，主销内倾角的增大使回正力矩也成倍增大，为了减少纵向力对回正的影响，一般将主销偏移距设计比较小或是负值，同时主销内倾角有一个较大的值，在实际设计中，主销内倾角变化范围为7°～15°，图5内倾角随轮跳的变化曲线，后倾角变化范围为11.4°～14°，满足设计要求。

轮距的变化对轮胎的磨损和整车操作稳定性有重要影响，转弯时由于离心力的作用，外侧悬架将压缩，相当于车轮相对车身上跳，如果此时轮距减小，造成重心偏移，又加剧了悬架的压缩，使车轮相对车身再次上跳，结果造成车身侧倾角加大，严重时使汽车失去稳定性。所以，车轮上跳时，轮距不宜减小，应适当增加，而下跳时，轮距适当减小起到转弯时减小车身侧倾角的作用，有利于保持汽车的稳定性。为了减小轮胎与地面的侧向滑移，减小轮胎磨损[8]，希望轮距变化量要小，一般轮距变-5mm/50mm～5mm/50mm的范围内，图6轮距随轮跳的变化曲线，轮距变化范围为1396mm～1425mm，变化量达到29mm，不满足设计要求。

3 硬点对定位参数的敏感度分析

由上述仿真结果可以看出，前束角、外倾角、轮距变化较大，需要进一步对这个参数进行优化，如果通过人工调整硬点的位置来获得定位参数的合理范围，任务量太大，而且得到的结果也不一定很好，adams/insight与adams/car无缝连接，使得任务量大大减少，它可以量化各个硬点坐标对定位参数的影响程度[9]，从而为选择优化变量提供理论指导，通过对麦弗逊式独立悬架的下控制臂外、前、后点以及转向的内、外点和减振器上点6个硬点18个坐标值e7SFAz1uuX5Gnzhggl25V8W3zTX7veAXl7R1unV/vUA=进行敏感度分析[10]，假设每个坐标变化范围为-5～+5，在adams/insight进行128次迭代，得到各变量对前束角、外倾角、轮距的敏感度，表1为主要影响坐标对优化目标的灵敏度。

4 定位参数的优化

根据灵敏度的分析，确定合适的优化变量，在这里选择下摆臂的前点Z坐标和外点X坐标、转向拉杆的内点Z坐标和减振器上点Y坐标作为变量[11]，然后根据硬点空间位置的限制，选择各坐标的变化范围为±10，设置仿真过程中前束角、外倾角和轮距的绝对值最大值为优化目标，采用两水平实验方法，采用全因子设计方法经过多次反复迭代，得到优化的结果，表为优化前后硬点坐标，根据以上的优化结果，调整相应的硬点坐标，得到优化后的悬架模型，再进行一次平行轮跳仿真，与原硬点方案结果进行对比，优化前与优化后的K&C特性曲线如图7～图9所示。

由图7～图9可知，通过硬点的调整，前束角的由优化前的0.39°～-0.47°缩小到优化后的0.44°～-0.27°，变化量从0.86缩小到0.71，改善了悬架的性能，外倾角的由优化前的1.87°～-0.31°缩小到优化后的1.64°～-0.11°，变化量从2.18缩小到1.75，而且优化的结果满足外倾角的变化要求，轮距的由优化前的1396°～1425°缩小到优化后的1410～1420°，变化量从29mm缩小到10mm，优化的结果满足轮距的变化要求，由此证明达到优化的目的。

5 结论

本文通过adams/car建立该车的前麦弗逊悬架精确的动力学模型，通过平行轮跳获得悬架的定位参数和轮距与轮跳的关系，从中得到前束角、外倾角、和轮距变化较大的问题，并通过adams/isight对硬点进行灵敏度分析，确定优化变量，以变化较大的前束角、外倾角和轮距作为设计目标，经过多次反复迭代得到最终的硬点优化结果，仿真结果证明，优化的结果较好解决前束角、外倾角和轮距变化较大的问题，由于硬点布置空间受限的问题，所得到的优化结果是相对的，不是绝对的。

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