基于ADAMS/CAA的某轿车悬架优化设计

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表时间:2007-06-29 人气:1

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1 引言

在工程应用领域，机械系统的计算机仿真技术变得日益重要。这种应用在于仿真软件能够使用计算机代码和方程准确的模拟真实的机械系统，避免了传统的产品开发过程中零部件和样机的反复制造、试验等过程，同时硬件建设成本的降低节省了大量的时间和财力，为产品迅速占领市场赢得了更多的机会。鉴于仿真软件带来的上述优点，其应用正在变得越来越广泛。在众多的软件中，汽车工业中广泛应用的ADAMS则是非常具有代表性的一个运动学与动力学仿真软件，广泛应用于悬架和整车设计开发。本文将运用CAR模块就国产某车的前悬架进行仿真分析。

2 模型分析

悬架的结构特点对操纵稳定性和平顺性的影响至关重要。麦弗逊悬架左右对称于汽车纵向平面，由车身1、减震器上体3、转向节总成4（包括减震器下体、轮毂轴、制动底板等）、转向横拉杆5、转向器齿条6、下摆臂7及车轮总成8组成，具体结构见图1与表1。各刚体之间的连接关系如下：减震器上端3与车身1的连接点用球铰约束；转向节总成4与减震器上体3用圆柱铰约束，只能沿轴线移动和转动；下摆臂一端通过转动铰F和G与车身相连（其中一个为虚约束），另一端通过球铰F与转向节总成相连；转向横拉杆一端通过球铰B与转向节总成相连，另一端通过球铰H与转向齿条相连。在进行运动分析时，转向齿条通过固定副与车身相连，车轮总成和转向节总成也通过固定副相连，车身相对地面不动。

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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DOF=6x7-m=3

也就是说，1/2前悬架有3个自由度，它们分别是：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。

应用ADAMS/CAR对悬架系统进行建模原理相对比较简单，模型原理与实际的系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块已预先对建模过程进行了处理，产品设计人员只需建立左边或右边的1/2悬架模型，另一半将会根据对称性自动生成。

3 仿真分析与验证

CAR模块是ADAMS软件包中的一个专业化模块，主要用于对轿车（包括整车及各个总成）的动态仿真与分析。对于悬架系统来说，ADAMS/CAR在仿真结束后，可自动计算出38种悬架特性，根据这些常规的悬架特性，用户又可定义出更多的悬架特性，产品设计人员完全可以通过这些特性曲线来对悬架进行综合性能的评价和分析。

在建立这个模型前，必须先对悬架系统进行合理简化。从汽车动力学的角度出发，有人提出如下假设。假设一：前悬架系统各个刚体（车轮除外）相对于整车而言，其质量是微不足道的，在建模过程中可以忽略不计。这样前悬架系统每个刚体在各个方向的惯性力均为零。由于每个刚体具有位移和速度，因而称其为悬架准动力学模型。假设二：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，也假设其为零。例如球铰在三个方面的力矩约束均为零。由于将悬架系统视为无质量的传力杆系机构，因而计算出的各刚体的内力和内力矩更接近实际状况，并可以将仿真工况扩大到极限运动和危险运动等大运动范围的仿真。

所建立的虚拟样机模型如图2所示。在本次仿真分析中，将建立一个虚拟激振台，设置上下激振位移为50mm，以左右车轮同步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。

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3.1 前轮定位角

外倾角：外倾角变化曲线，变化范围为-0.1°～1.5°/50mm。车轮跳动时的外倾角变化对车辆的稳态响应特性等有很大影响，所以应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化。为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势，一般希望车轮从满载位置起上下跳动40mm的范围内，车轮外倾角变化在1度左右。

前束角：设计时希望在车轮跳动时前束角不变或变化幅度较小。前束变化的较理想特性值为：前轮上跳时，为零至负前束（-0.5/50mm），图中前轮上跳时的变化范围为0～-1.9°/50mm，不满足设计要求。

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主销后倾角：主销后倾角对转向时的车轮外倾角变化影响较大。若主销后倾角设计较大，则外侧转向轮的外倾角会向负方向变化。当前轮主销后倾角较大时，需增加前轮转向所必须的横向力，以抵消外倾推力，这样不仅转向弱，而且最大横向加速度也会增大。一般认为合理的主销后倾角为2°～3°。图示主销后倾角变化曲线，变化范围在3°附近，偏大。

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