基于ADAMS的小型森林越野车前悬架仿真研究与优化

摘 要：随着小型森林越野车在复杂地形中应用的广泛性，其前悬架系统的性能对车辆的通过性和稳定性起着决定性作用。文章以动力学仿真软件ADAMS为工具，对小型森林越野车的前悬架系统进行了深入的研究与优化。首先，通过UG软件实体建模，确定小型森林越野车前悬架各个硬点参数，然后Adamas-car构建了前悬架系统的虚拟样机模型，仿真分析车轮上下跳动参数与外倾角、主销后倾角、主销内倾角、前束角变化曲线关系，在此基础上，采用ADAMS-Insight进行优化设计，外倾角的变化量减小了1.22°，主销内倾角的变化量减小了0.7°，主销后倾角的变化量减小了8.04°，其性能均得到了一定的优化改善；前束角的变化量略有增加，增加了0.03°，通过优化前后数据对比，优化后的每项参数值都得到了一定的改善，提升了小型森林越野车的稳定性和操控性。文章的研究成果不仅提升了小型森林越野车的性能，也为类似车辆的悬架系统设计提供了理论参考和工程指导意义。

关键词：小型森林越野车 前悬架系统 曲线关系 优化设计

0 引言

随着户外探险和越野运动的兴起，小型森林越野车因其良好的机动性和适应性而受到广泛关注。前悬架系统作为越野车的重要组成部分，直接关系到车辆的稳定性、舒适性以及越野能力。传统的悬架设计多依赖于经验公式和试验修正，耗时耗力且难以达到最优设计。因此，利用现代仿真技术对小型森林越野车前悬架系统进行研究，具有重要的理论价值和实际应用意义。

1 ADAMS软件介绍及应用

1.1 ADAMS软件概述

Adams-car 是一款高效的运动学仿真软件，可以调用前期在软件中预先设置好的模型与模板进行仿真[1]。该软件的核心功能包括建模、分析和优化，支持用户创建复杂的多体动力学模型，并对模型进行详细的性能测试。ADAMS拥有丰富的库资源和强大的求解器，可以准确模拟真实世界的物理行为。

1.2 ADAMS在汽车工程中的应用

在汽车工程领域，ADAMS被用于各种类型的车辆系统的设计与分析。例如，它可以用来模拟车辆悬挂系统、传动系统、制动系统等，预测各组件在实际操作中的动态行为。此外，ADAMS还能帮助工程师评估不同设计方案的性能，从而在生产之前做出更加明智的决策。

1.3 ADAMS在小型森林越野车前悬架仿真中的适用性分析

对于小型森林越野车前悬架系统而言，由于其工作环境的复杂多变，传统的设计方法往往难以满足性能要求。ADAMS提供的高精度仿真能力使其成为理想的分析工具。通过建立准确的前悬架模型，可以模拟不同的驾驶条件，如颠簸路面、陡坡等，进而评估悬架系统的性能。利用ADAMS进行参数研究和优化设计，可以有效地指导实际的悬架系统开发，减少试错成本，缩短研发周期。

2 小型森林越野车前悬架结构的设计

2.1 前悬架系统的组成与工作原理

小型森林越野车前悬架系统主要由弹簧、减震器、连杆机构、轮毂和轮胎等部件构成。它连接车身与轮胎，起到减振、缓冲和防侧倾的作用[2]。其主要工作原理是通过这些部件的相互作用来吸收来自不平路面的冲击和振动，保证车轮与地面的有效接触，从而确保车辆的行驶稳定性和平顺性。

2.2 前悬架类型及其特点

常见的前悬架类型包括麦弗逊式、双横臂式、多连杆式等。麦弗逊式悬架结构简单、成本较低，但抗侧倾能力较弱；双横臂式悬架能提供较好的操控稳定性，但占用空间较大；多连杆式悬架则在操控性和舒适性之间取得了较好的平衡，适用于高性能越野车。

2.3 小型森林越野车前悬架设计要求

小型森林越野车前悬架的设计需满足以下基本要求：足够的强度和刚度以承受恶劣路况下的载荷冲击；良好的振动吸收能力以提高乘坐舒适性；合理的空间布局以适应紧凑型车身结构；以及优异的可靠性和维护性以保证长期稳定工作。此外，考虑到小型森林越野车的特殊使用环境，前悬架还应具备良好的通过性和适应复杂地形的能力。综合分析，本论文小型森林越野车设计为双横臂式的独立悬架，这样的设计可以使悬架的侧倾高度降低[3]。悬架的基本参数设定如表1所示。

3 前悬架仿真模型的建立

3.1 UG12.0三维建模

根据整车基本参数和前悬架基本参数值，利用UG12.0对前悬架模型进行建立[3]。前悬架建模如图1、2、3所示。

3.2 ADAMS建立仿真模型

UG前悬架三维模型建立以后，提取前悬架的硬点参数。在悬架仿真中，硬点参数可以影响车辆的稳定性和行驶性能。硬点参数还可以影响悬架系统的自然频率，即悬架系统固有的振动频率。通过调整硬点参数，可以控制悬架系统的自然频率，从而降低车辆的震动和颠簸感[4]。利用ADAMS悬架实验测试台对前悬架左右车轮同向跳动进行仿真分析实验，使车轮在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范围内进行前悬架运动仿真分析。提取硬件参数如表２所示，ADAMS建立前悬架仿真模型如图4所示。

3.3 外倾角对前悬架性能的影响

外倾角是指车轮顶端向外倾斜的角度，使得两个车轮顶端间的距离大于两个车轮接地点之间的距离。外倾角作为车辆悬架系统的一个重要参数，对前悬架的性能有着直接的影响。它不仅关系到车辆的行驶稳定性和轮胎的磨损，还与驾驶安全息息相关。

外倾角可以有效减少驾驶员在转向时所需的力，因为外倾角的设计使得轮胎与地面的接触更加稳定，减少了侧向摩擦力，从而降低了转动方向盘所需的力量；如果外倾角没有在合理范围内，车轮将会有磨损；外倾角使得车辆的垂直载荷对轴承产生向内的分力，有助于防止车轮甩脱，提高行车安全性；外倾角设计误差太大，直接导致前轮胎在行驶时的磨损情况变严重，同时使得轴承之间的磨损加重[5]；外倾角设置不正确，可能会减少车辆在直线行驶时的稳定力矩，导致车辆容易偏离直线行驶轨迹；外倾角设计不当，可能会导致制动时车辆出现跑偏的现象，增加行车风险。ADAMS仿真分析得到上下跳行程与外倾角曲线变化图5-７所示。

通过图5可知，车轮在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范围内上下跳动时，前悬架外倾角变化范围为-5.3°～1.8°，变化量为7.1°。正确地调整外倾角，对于确保车辆的行驶性能和延长悬架系统的使用寿命至关重要。

3.4 主销后倾角对前悬架性能的影响

主销后倾角是指前悬架中，主销（即转向轴）相对于垂直线向后倾斜的角度。后倾角能使车轮在转弯后自动回正，减少驾驶员修正方向盘的频率；适当的后倾角使车辆在转弯时更稳定，提升操控精度；正确的后倾角有助于轮胎均匀磨损，延长轮胎寿命；后倾角过大或过小都会增加悬挂系统部件的异常磨损。ADAMS仿真分析得到上下跳行程与主销后倾角曲线变化图６所示。

通过图６可知，车轮在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范围内上下跳动时，主销后倾角变化范围为2.1°～10.2°，变化量为8.1°。主销后倾角是前悬架设计中的关键参数，对车辆的直线稳定性、操控性、轮胎和悬挂系统的健康都有显著影响。

3.5 主销内倾角对前悬架性能的影响

主销内倾角是指前悬架中，主销（即转向轴）相对于垂直线向内倾斜的角度。内倾角有助于保证轮胎的均匀磨损，延长轮胎使用寿命；适当的内倾角使车辆在转弯时更稳定，提升操控性能；内倾角会影响悬挂系统各部件的受力分布，不当的设置可能导致加速磨损；内倾角有助于提高车辆的直线行驶稳定性和减少方向盘的调整频率。ADAMS仿真分析得到上下跳行程与主销内倾角曲线变化图7所示。

通过图7可知，车轮在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范围内上下跳动时，主销内倾角变化范围为4.6°～11.7°，变化量为7.1°。主销内倾角是前悬架设计中的关键参数，对车辆的稳定性、操控性和悬挂系统的健康都有显著影响。

3.6 前束角对前悬架性能的影响

前束角，也称为前束量，是车辆前悬架系统的一个重要参数。是指当从车辆正上方俯视时，车轮轴线与车辆纵向中心线的夹角。正前束有助于提高车辆的直线行驶稳定性。当前束设置正确时，车辆在直线行驶时轮胎之间互不干涉，减少了侧向滑动的可能性，从而提高了高速行驶的稳定性；过大或过小的前束都会导致转向特性变差，如过度转向或不足转向，影响驾驶的安全性和舒适性；负前束虽然能增加车辆在湿滑路面的操控性，但会加速轮胎内侧的磨损，要根据车辆的具体行驶环境进行优化调整；不适当的前束设置会增加悬挂系统和轮胎的不正常磨损，导致悬挂系统部件如球头、连杆等提前老化，增加维修成本；当前束设置不当时，可能会导致制动时轮胎的异常磨损，影响制动效果和安全性；不合理的前束设置可能导致行驶中车辆抖动，尤其在高速行驶时更为明显，影响驾驶体验和乘坐舒适度。ADAMS仿真分析得到上下跳行程与前束角曲线变化图8所示。

通过图8可知，车轮在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范围内上下跳动时，主销内倾角变化范围为0.37°～0.95°，变化量为0.58°。前束角作为前悬架系统中的一个关键参数，其设置直接影响到车辆的行驶稳定性、转向特性、轮胎磨损、悬挂系统耐久性、制动性能以及驾驶舒适性。因此，在车辆维护和调整时，应给予前束角足够的关注，并在必要时进行精确的测量和调整，以保证车辆的最佳性能和安全性。

4 ADAMS-Insight优化设计

ADAMS-Insight提供了一个强大的工具平台，使得工程技术人员能够通过参数化设计和多目标拓扑优化来精细化前悬架的设计。以车轮定位参数为设计目标，选择前悬架硬点坐标作为设计变量，根据敏感度大小进行优化，确保设计目标在合理的范围内变化，以提高车辆的行驶稳定性和减少轮胎磨损。对选定的设计变量进行多次迭代试验，每次迭代都根据设定的变化值范围进行调整。通过ADAMS/Insight模块的回归分析方法，估计一个响应对另一个的影响，并细化改进模型。优化前后对比参数变化量如表3所示。

通过迭代优化后，外倾角的变化量减小了1.22°，主销内倾角的变化量减小了0.7°，主销后倾角的变化量减小了8.04°，其性能均得到了一定的优化改善；前束角的变化量略有增加，增加了0.03°，对前悬架系统的影响较小。总之，优化后的每项参数值都得到了一定的改善，提升了小型森林越野车的稳定性和操控性。

5 结论

本文利用ADAMS软件建立了小型森林越野车前悬架的仿真模型，并通过一系列仿真实验对其性能进行了分析和优化。实验结果表明，经过优化的前悬架系统在提高行驶稳定性和平顺性方面取得了显著成效。虽然存在一些局限，如模型未能完全考虑温度变化对材料特性的影响，以及长期负载下悬架组件疲劳损伤的累积效应。未来的研究可以在这些方面进行深入探讨，进一步完善模型的逼真度和预测能力。但本文提供的方法和技术路线为小型森林越野车的前悬架系统设计提供了有效的参考和指导。未来研究将继续在这一基础上深化，以期达到更高的设计优化水平。

基金项目：2021年广西生态工程职业技术学院校级课题：基于小型森林越野车的前悬架仿真研究与优化（2021KY06）；2022年广西教育厅中青年教师科研基础能力提升项目：基于ANSYS动力电池的水冷散热器仿真分析与优化（2022KY1229）；2023年广西教育厅中青年教师科研基础能力提升项目：新能源汽车动力电池检查与维修关键技术与工艺研究（2023KY1268）；2023年广西职业教育教学改革研究项目：“标准引领、监测追踪、协同创新”的高职计算机类人才培养质量评价体系构建的研究与实践（GXGZJG2023B105）。

参考文献：

[1]程金润，朱祎杰，秦宇晖，解瑞雪.巴哈赛车的悬架优化设计及操稳性分析[J].汽车实用技术，2022，47（04）：60-63.

[2]张计军，潘汉平，谭宜松，冯文健，康明龙.汽车悬架技术发展趋势概述[J].内燃机与配件，2023（24）：123-125.

[3]费庆通.新时期汽车维修技术特点及改善对策[J].湖北农机化，2020（2）：105.

[4]侯逸飞，李嘉诚，胡誉缤，刘学渊.基于ADAMS的巴哈赛车悬架系统仿真设计及优化[J].内燃机与配件，2023（16）：10-13.

[5]么鸣涛，曹锋，曲劲松，等.基于ADAMS-Car的汽车建模与仿真研究[J].汽车实用技术，2020（5）：138-142.