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基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析文章编号10024581200902002205基于ABAK酌双横臂独立悬架酌优化分析朱晓霞钟绍华ZHUXIAOXIA，ZHONGSHAOHUA武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070摘要针对某一轻型车双横臂独立悬架定位参数变化过大、轮胎磨损严重的问题，利用机械系统动力学分析软件ADAMS。建立了双横臂独立悬架的运动学分析模型。以前轮定位参数以及前轮的侧向滑移量变化最小为优化目标。对悬架系统进行了优化计算。优化结果在一定程度上改善了悬架系统的性能对产品性能提高具有一定的指导意义。关键词双横臂独立悬架；MSCADAMS；优化设计中图分类号U463331020前言悬架是车辆的重要组成部分，其主要任务是传递车轮与车架之间的力和力矩，并缓和冲击、衰减振动，对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等使用性能都有很大影响。现代汽车悬架有多种结构形式，其中双横臂独立悬架是轻型汽车上常用的前悬架结构形式，只要适当选择合适的上下横臂长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性【11。目前双横臂独立悬架已广泛应用在轿车的前后悬架上，部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬架结构。以虚拟设计思想、复杂运动学和动力学基本理论方法以及拓扑技术为基础，计算机数字虚拟环境下进行的多体系统运动学和动力学的仿真分析，已经得到许多分析软件的强力支持。目前在这一领域，使用最多的产品是美国MSC公司在多体系统领域的标志产品MSCADAMS21。该软件作为虚拟样机技术平台的杰出代表，已经成为缩短产品开发周期、降低成本、提高质量的有效工具。文中借助ADAMSNIEW模块，建立了双22文献标识码A横臂独立悬架运动学分析模型，使用ADAMSINSIGHT模块进行仿真及优化，结果在一定程度上提高了悬架性能。1悬架仿真模型的建立11物理模型的简化在建立悬架模型前，必须先对悬架系统进行合理的简化。从汽车动力学的角度出发，对所建的模型做如下简化和假设前悬架为一个多刚体系统，系统每个刚体在各个方向的惯性力均为零；由于某些铰链在一些方向的力的约束真值比较小，对整车动力学的影响可以忽略不计，假设Z图1左侧双横臂独立悬架空间拓扑结构示意图笠I蔓室盗奎滏至QQ竺丛Q2万方数据基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析其为零；减振器简化为线性弹簧，各运动副内的摩擦力忽略不计；轮胎简化为刚性体【3】。考虑到汽车基本上为纵向对称系统，故只需建立左边或右边的12悬架模型即可。文中建立了左侧的悬架模型。简化后双横臂独立悬架的左侧结构如图L所示。12仿真模型的建立仿真模型的建立，首先需要确定设计点的坐标。设计点是各零件之间连接处的关键几何定位点，确定设计点就是在系统坐标系中给出零件之间连接点的几何位置。模型设计点的空间位置坐标和相互关系是建立运动学模型的关键，从厂家提供的零部件装配图上可以得到设计点的坐标值。该悬架左侧设计点的坐标值如表1所示。表L悬架系统左侧关键设计点的坐标值硬点名称X坐标Y坐标Z坐标上横臂外支点A。600320013O上横臂内支点A239503950430下横臂外支点BOO0下横臂内支点B490080085O转向横拉杆外支点C。30OLOOO1700转向横于I杆内支点C4350180O2500转向节内支点D。200103O50转向节外支点D224009804O基于上述悬架系统物理模型的简化，根据表L提供的关键硬点的坐标参数值，在ADAMSVIEW模块中建立双横臂独立悬架左侧的运动学仿真模型，如图2所示。图2双横臂独立悬架仿真模型笠J匕宝蛊奎芝2鲤2垒垃至模型中包括上横臂、下横臂、主销、拉臂、转向横拉杆、转向节、车轮、弹簧、测试平台等9个部件，主销与拉臂之间、转向节与主销之间以及车轮与转向节之间的3个同定副，测试平台与大地之间的1个移动副，上横臂和主销之间、下横臂和主销之间、转向拉杆和拉臂之间以及转向拉杆和大地之间的4个球副、上横臂内支点与大地之间以及下横臂内支点和大地之间的2个旋转副、车轮与测试平台之间的1个点面约束。最后，在测试平台与大地之间的移动副上添加一个直线驱动。2悬架系统运动学仿真分析首先，建立悬架定位参数的函数，包括主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角、前轮前柬角随车轮跳动的变化函数。此外，为测量轮距变化以及车轮磨损量，建立车轮侧向滑移量函数，通过侧移量的大小来反映车轮的磨损量。在本次仿真中，将建立一个虚拟激振台，设置上下激振位移为50MM，激振函数为F50XSIN360T，以车轮上下跳动来计算悬架跳动过程中主要性能参数的变化规律。2I车轮定位参数悬架的性能反映当车轮上下跳动时车轮定位参数的变化，在正常车轮跳动范围内，让车轮定位参数变化量保持在合理的范围内，能保证汽车具有良好的操作稳定性和平顺性。主销后倾角主销后倾角能形成回正的稳定力矩，使车轮回复到原来的中间位置，保证了汽车稳定的直线行驶【4】。后倾角在车轮上下运动过程中不应出现大的变化，以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象，使操纵性能变差。另外，要求后倾角具有随车轮上跳而增加的趋势，这样可以抵消制动点头时后倾角减小的趋势。现在一般采用的Y不超过2030。主销内倾角主销内倾角也有使车轮自动回正的作用，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而可以减少转向时驾驶员加在转向盘上的力，使转23万方数据基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析向操纵轻便，同时也可减小从转动轮传到转向盘上的冲击力。但是主销内倾角不易过大，否则，在转向时，车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与地面间将产生较大的滑动，加速了轮胎的磨损。实际设计时，大致范围为7013051，希望取较小数值。前轮外倾角为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷，安装车轮时预先使车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾。同时，车轮有了外倾角也可以与拱形路面相适应。但是外倾角不易过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。一般希望车轮上下跳动50MRN的范围内，外倾角的变化在LOT61左右。前束角车轮前束角的作用主要是减少汽车前进中因前轮外倾和纵向阻力致使前轮前端向外滚开所造成的不良后果。对于汽车前轮，车轮上跳时的前束角多设计成零至弱负前束的变化。而在前轮驱动的汽车中，考虑到在制动等非驱动工况下，负前束会导致行驶稳定性恶化，一般也取一定的正前柬。比前束角取值更重要的是在汽车行驶过程中要保持前束角不变，这样有利于减少轮胎磨损和滚动阻力，保持行驶稳定性，图3为前轮定位参数随车轮跳动变化曲线图。姣毯艘辞控图3前轮定位参数随车轮跳动变化曲线图22轮距变化在独立悬架的设计中，对轮距变化的要求应尽量小，一是可以减少轮胎磨损，二是轮距变化时，使轮胎产生侧偏角，从而产生侧向力输入，使操纵稳定性发生变化，轮距变化小，车辆的操纵稳定性变化就小。一般要求车轮跳动50MRN时，轮距变化为10TURN10MM。图4中所示，车轮跳动时，在50RNM处，车轮侧移量为8235MM；24董嘲篓嚣溘义、。、K车轮跳动量RAM图4前轮侧滑量随车轮跳动变化曲线图在50MM处，车轮侧移量为4948MM。可见，该悬架的轮距变化在合理范围内。3悬架系统优化分析31设计变量根据悬架的空间布置及约束情况，确定设计变量为各关键设计点的坐标值，即TXI飘2345678【戈9，ZLO，ZLL，戈12，戈13，戈14，石15JAH4IY4K4知4母4，BH，BIY，1【曰K，曰H，B2Y，曰2Z，X，X，C五J32目标函数在整车运动过程中，车轮定位参数变动过大，会加剧轮胎以及转向机件的磨损并降低整车操纵性能和其他相关性能。原则上，车轮定位参数的变化量不能太大，所以文中选择车轮的4项定位参数变化量最小为目标函数。另外，如果单纯以车轮定位参数变化量最小为目标函数，虽然优化结果达到理想的要求，但如果轮距变化过大也不是我们所期望的，除了上述4个目标函数外，再把轮距变化作为目标函数。所以文中双横臂独立悬架优化目标函数为2UEL一，足，尼，R，尼J，式中，只为主销后倾角随车轮跳动的变化函数；F1ARCTANLAKBKA1，一BL，J疋为主销内倾角随车轮跳动的变化函数；F2ARCTANAHB1。AL广B1，J乃为前轮外倾角随车轮跳动的变化函数；万方数据基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析F3ARCTANLDLYD2RDHD厶J日为前束角随车轮跳动的变化函数；F4ARCTANLDKD五DHD知JF，为车轮侧滑量的变化函数，反映轮距变化。该目标函数要求悬架的4个定位参数和轮距随车轮跳动的变化量尽可能小。33约束条件根据悬架的空间布置及约束情况，确定约束条件为各关键设计点的坐标值在有限的空间内变化，并设定每个值的变化范围在一55MM之间，即A1。咄ALXA1。M，ALY曲A1YALYH，AK劬AKAKNHA2。曲A2。A2。，。，A可曲A巧A巧。，A2嘶A2A2MBHNMBHBHI，BLYRNINBLVBLY。，B1MINB1BHMB2。曲B2。B2X，BEY曲B2YB母M，B2MB2。B2XC2X岫C2，C2，C2Y曲C2YC2YM，C2曲C2；C2。34优化仿真利用ADAMSINSIGHT模块，可以设计复杂的试验方案，用来测定机械系统的性能，可以进行单目标或多目标优化。在该模块，文中对双横臂模型的上横臂外支点A。、内支点A2、下横臂的外支点B。、内支点B以及转向横拉杆的内支点C等五个坐标点的15个坐标值进行分析，根据约束条件设定的范围，选取4项前轮定位参数和轮距变化为优化目标，进行64次迭代计算，通过试验筛选，找出一个最优的试验结果。35优化结果分析在ADAMSPOSTPROCESSOR模块中分析可知1在车轮上下跳动50MM的范围内，主销内倾角的变化均值有所减小，这将减小转向时车轮与地面的滑动，减缓轮胎磨损；优化后的主销后倾角的范围比优化前的数值稍大，这是由于INSIGHT为了兼顾其他几项定位参数而放弃主销后倾角部分利益的缘故，但是优化后的结果依然符合设计要求；前轮外倾角优化后的范围比优化前的变化幅度减小了20，变化范围小于1。，满足设计要求；前轮前束角的变化范围有所减小，这将对车辆直线行驶的稳定性有一定的提高。优化结果如图5图9所示。优化前后数据对比如表2。2在车轮跳动一50MM处，侧滑量由原来的8235MM变为7634MM；在车轮跳动50MM处，侧滑量由原来的4948MM变为一4366MM，车轮的侧移量由原来的13183MM减小到12000MM，所以优化后轮胎的磨损有一定程度的改善。表2优化前后数据对比优化前优化后前轮定位参数变化范围变化量变化范围变化量主销后倾角2317232500082542550009主销内倾角10441129085699511081126前轮外倾角O2841338105404341270842前束角008028303650073O260334O疆娶霍窿州。援娶U娶器士H车轮跳动量MM图5优化前后主销内倾角对比图一，一院J化后拳化酾车轮跳动掇MM图6优化前后主销后倾角对比图25万方数据G鑫誊鑫图7优化前后前轮外倾角对比图图8优化前后前轮前束角对比图图9优化前后前轮侧滑量对比图结论芎又献1陈家瑞汽车构造M北京人民交通出版种1Q。D。鼢2要登加惝基础与工程范例教程M北京；国铁道出版社，20079圭3J喻凡，林逸汽车系统动力学M北京机械工业出版社，20057一曼竺商双横臂独立悬架的前轮主销内倾角算法研究J3汽车工程，200527431433。“，亡古F；拦第基于ADAMSCAR的双横臂独立悬架建模与仿真J吉林大学学报工学版34554558一”枞竺，钟绍华基于蚴的双横臂独立悬架的优化设计FJ专用汽车，2008，10一。5收稿日期200蠢五丽。蹬长溜辩涩万方数据基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析作者朱晓霞，钟绍华作者单位武汉理工大学汽车工程学院,湖北,武汉,430070刊名北京汽车英文刊名BEIJINGAUTOMOTIVEENGINEERING年，卷期2009，2被引用次数1次参考文献6条1陈家瑞汽车构造19942石博强ADAMS基础与工程范例教程20073喻凡林逸汽车系统动力学20054魏道高双横臂独立悬架的前轮主销内倾角算法研究期刊论文汽车工程2005275宋传学基于ADAMS/CAR的双横臂独立悬架建模与仿真期刊论文吉林大学学报工学版6明巧红钟绍华基于ADAMS/CAR的双横臂独立悬架的优化设计期刊论文专用汽车2008相似文献1条1期刊论文龙建云夏长高LONGJIANYUNXIACHANGGAO汽车零部件疲劳寿命虚拟试验研究拖拉机与农用运输车2010,372以某车双横臂独