基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化研究

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-29 原文发表:2007-06-29 人气:15

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提要：针对厂家反映的汽车前轮磨损严重的问题，以多体系统动力学理论为基础，应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的Car 专业模块建立该皮卡车麦弗逊式前悬架多体系统模型，并采用ADAMS/Insight 模块进行性能分析，找出磨损严重的原因，同时进一步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案，较好地解决了轮胎磨损的问题。
关键词：汽车CAD；ADAMS；麦弗逊悬架；多体动力学

0 引言

麦弗逊独立悬架具有结构简单、非簧载质量小、发动机及转向系易于布置、适合于同多种形式的弹簧相匹配以及能实现车身高度的自动调节等优点。但是，由于主销轴线位置在减振器与车身连接铰链中心和横摆臂与转向节连接铰链中心的连线上，因此当悬架在变形时，主销轴线也随之改变，前轮定位参数和轮距也都会相应改变，且变化量可能很大。因此，如果悬架结构设计不当，就会大大影响汽车产品的使用性能(如转向沉重、摆振、轮胎偏磨、影响轮胎使用寿命等)[1]。某客货两用皮卡车的前悬采用的是麦弗逊悬架，厂家反映存在该悬架轮胎磨损非常严重，为解决此问题，我们借助ADAMS/Car 专业模块，构建该悬架的电子样机模型，使用ADAMS/Insight 试验设计与分析模块进行虚拟试验，并进行了优化设计。

机械系统动力学仿真分析软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSystem）中的 Car 专业模块是MSC 与Audi、BMW、Renault、和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，整合了他们在汽车设计、开发方面的经验，能够帮助工程师快速建造高精度的包括车身、悬架系统、传动系统、引擎、转向机构、制动系统等子系统在内的参数化虚拟汽车模型。ADAMS/Insight 功能扩展模块是ADAMS 基于网页的试验设计与分析模块，能对仿真进行实验设计，使用户可以更精确地对设计进行量化研究，应用ADAMS/Insight，我们可以很方便地进行一系列的仿真试验，从而精确地预测所设计的复杂的机械系统在各种工作条件下的性能，并对试验结果提供专业化的统计结果[2]。

1 建立模型

1.1 模型分析

根据实际悬架系统结构抽象出如图1所示的前左悬架系统分析模型，悬架右侧和左侧对称。由于Car 建立模型只需要输入单侧模型的参数会自动地建立另一边的模型。因此，这里建模过程只涉及到左边悬架。根据实际悬架及转向系统的结构。可以抽象出如图2所示的运动学仿真系统模型。

图1 麦弗逊悬架结构示意图

图2 悬架运动学仿真模型

麦弗逊独立悬架左悬架部分由下摆臂、转向节总成（包括减振器下体、轮毂轴、制动底板等）、转向横拉杆、减振器上体、转向器齿条、车轮总成、车身共7 个刚体组成。减振器上体用万向节铰A 与车身相连，转向节总成与减振器上体用圆柱铰B约束，相对减振器上半部分可以进行轴向移动和转动；下摆臂一端通过转动铰F,G 与车身相连（其中一个为虚约束），可相对车身上下摆动，另一端通过球铰E 与转向节总成相接；转向横拉杆一端通过球铰C 与转向节总成相连，另一端通过万向节铰H 与转向齿条相连；转向齿条通过移动铰I 与车身相连，可相对车身左右移动；车轮总成和转向节总成通过转动铰链D 相连，进行运动学分析时，车身与地面是固定在一起的[3]。

1/2 前麦弗逊悬架约束方程数目为：m=6x1 5x3 4x3 3x2=39
1/2 悬架自由度为：DOF=6x7-m=3

其中1/2 悬架有3 个自由度，分别是车轮绕着车轴的转动、车轮绕主销的转动和车轮的上下跳动。

1.2 模型关键点的获取

模型关键点的空间位置坐标和相关参数是建立ADAMS 运动学模型的关键，由于厂家未能提供零部件装配图，因此我们使用三坐标仪进行测绘。在测量该皮卡车前悬架零部件的空间位置和参数时，我们采用ISO坐标制，以地面为XY 平面，汽车中心对称面为XZ 平面，通过前轮轮心连线，垂直另外两平面的面为YZ 平面，取竖直向上为Z 轴正向，车身右侧为Y 轴正向，以车前进方向的反方向为X 轴正向。于是我们得到如表1所示的左侧悬架空间参数表。

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