1 引言
在工程應(yīng)用領(lǐng)域，機械系統(tǒng)的計算機仿真技術(shù)變得日益重要。這種應(yīng)用在于仿真軟件能夠使用計算機代碼和方程準確的模擬真實的機械系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程中零部件和樣機的反復(fù)制造、試驗等過程，同時硬件建設(shè)成本的降低節(jié)省了大量的時間和財力，為產(chǎn)品迅速占領(lǐng)市場贏得了更多的機會。鑒于仿真軟件帶來的上述優(yōu)點，其應(yīng)用正在變得越來越廣泛。在眾多的軟件中，汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用的ADAMS則是非常具有代表性的一個運動學(xué)與動力學(xué)仿真軟件，廣泛應(yīng)用于懸架和整車設(shè)計開發(fā)。本文將運用CAR模塊就國產(chǎn)某車的前懸架進行仿真分析。
2 模型分析
懸架的結(jié)構(gòu)特點對操縱穩(wěn)定性和平順性的影響至關(guān)重要。麥弗遜懸架左右對稱于汽車縱向平面，由車身1、減震器上體3、轉(zhuǎn)向節(jié)總成4（包括減震器下體、輪轂軸、制動底板等）、轉(zhuǎn)向橫拉桿5、轉(zhuǎn)向器齒條6、下擺臂7及車輪總成8組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1與表1。各剛體之間的連接關(guān)系如下：減震器上端3與車身1的連接點用球鉸約束；轉(zhuǎn)向節(jié)總成4與減震器上體3用圓柱鉸約束，只能沿軸線移動和轉(zhuǎn)動；下擺臂一端通過轉(zhuǎn)動鉸F和G與車身相連（其中一個為虛約束），另一端通過球鉸F與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連；轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸B與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，另一端通過球鉸H與轉(zhuǎn)向齒條相連。在進行運動分析時，轉(zhuǎn)向齒條通過固定副與車身相連，車輪總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成也通過固定副相連，車身相對地面不動。
1／2前麥弗遜懸架約束方程數(shù)目為：
m=6x1 5x3 4x3 3x2=39
1／2懸架自由度DOF=6x7-m=3
也就是說，1/2前懸架有3個自由度，它們分別是：車輪繞著車軸的轉(zhuǎn)動、車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動和車輪的上下跳動。
應(yīng)用ADAMS/CAR對懸架系統(tǒng)進行建模原理相對比較簡單，模型原理與實際的系統(tǒng)相一致?？紤]到汽車基本上為一縱向?qū)ΨQ系統(tǒng)，軟件模塊已預(yù)先對建模過程進行了處理，產(chǎn)品設(shè)計人員只需建立左邊或右邊的1/2懸架模型，另一半將會根據(jù)對稱性自動生成。
3 仿真分析與驗證
CAR模塊是ADAMS軟件包中的一個專業(yè)化模塊，主要用于對轎車（包括整車及各個總成）的動態(tài)仿真與分析。對于懸架系統(tǒng)來說，ADAMS/CAR在仿真結(jié)束后，可自動計算出38種懸架特性，根據(jù)這些常規(guī)的懸架特性，用戶又可定義出更多的懸架特性，產(chǎn)品設(shè)計人員完全可以通過這些特性曲線來對懸架進行綜合性能的評價和分析。
在建立這個模型前，必須先對懸架系統(tǒng)進行合理簡化。從汽車動力學(xué)的角度出發(fā)，有人提出如下假設(shè)。假設(shè)一：前懸架系統(tǒng)各個剛體（車輪除外）相對于整車而言，其質(zhì)量是微不足道的，在建模過程中可以忽略不計。這樣前懸架系統(tǒng)每個剛體在各個方向的慣性力均為零。由于每個剛體具有位移和速度，因而稱其為懸架準動力學(xué)模型。假設(shè)二：由于某些鉸鏈在一些方向的力的約束真值比較小，對整車動力學(xué)的影響可以忽略不計，也假設(shè)其為零。例如球鉸在三個方面的力矩約束均為零。由于將懸架系統(tǒng)視為無質(zhì)量的傳力桿系機構(gòu)，因而計算出的各剛體的內(nèi)力和內(nèi)力矩更接近實際狀況，并可以將仿真工況擴大到極限運動和危險運動等大運動范圍的仿真。
所建立的虛擬樣機模型如圖2所示。在本次仿真分析中，將建立一個虛擬激振臺，設(shè)置上下激振位移為50mm，以左右車輪同步上下跳動來計算懸架跳動過程中主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。
3.1 前輪定位角
外傾角：外傾角變化曲線，變化范圍為-0.1°～1.5°/50mm。車輪跳動時的外傾角變化對車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性等有很大影響，所以應(yīng)盡量減少車輪相對車身跳動時的外傾角變化。為防止車輪出現(xiàn)過大的不足轉(zhuǎn)向或過度轉(zhuǎn)向趨勢，一般希望車輪從滿載位置起上下跳動40mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化在1度左右。
前束角：設(shè)計時希望在車輪跳動時前束角不變或變化幅度較小。前束變化的較理想特性值為：前輪上跳時，為零至負前束（-0.5/50mm），圖中前輪上跳時的變化范圍為0～-1.9°/50mm，不滿足設(shè)計要求。
主銷后傾角：主銷后傾角對轉(zhuǎn)向時的車輪外傾角變化影響較大。若主銷后傾角設(shè)計較大，則外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的外傾角會向負方向變化。當前輪主銷后傾角較大時，需增加前輪轉(zhuǎn)向所必須的橫向力，以抵消外傾推力，這樣不僅轉(zhuǎn)向弱，而且最大橫向加速度也會增大。一般認為合理的主銷后傾角為2°～3°。圖示主銷后傾角變化曲線，變化范圍在3°附近，偏大。
3.2 懸架剛度與側(cè)傾角剛度
懸架剛度：圖4為懸架剛度變化曲線。隨著車輪的由下往上跳動，懸架剛度變化不大。
側(cè)傾角剛度：圖5為側(cè)傾角剛度變化曲線。從圖中可以看出，壓縮時側(cè)傾剛度變化不大。
基本滿足設(shè)計要求。
3.3 車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角、輪距變化量
車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角：圖6為轉(zhuǎn)角變化曲線，左、右車輪變化相反。在車輪跳動過程中，方向盤固定，由于轉(zhuǎn)向拉桿的作用，左右車輪會產(chǎn)生繞主銷的轉(zhuǎn)動，從而使左右車輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)向角。一般要求將該轉(zhuǎn)角控制在一定的范圍內(nèi)，否則不僅影響汽車的操縱穩(wěn)定性，而且會加劇輪胎的磨損。圖上可以看出轉(zhuǎn)向角過大。
輪距變化量：圖7為左右車輪輪距變化量。跳動時，車輪繞瞬時中心擺動，左右輪之間的距離必然產(chǎn)生變化。輪距的變化一方面影響汽車的操縱穩(wěn)定性。另一方面，由于輪胎的橫向滑移，導(dǎo)致輪胎的磨損，降低了輪胎的使用壽命。設(shè)計時應(yīng)盡量控制輪距變化量，一般轎車的輪距變化應(yīng)在-5mm/50mm～5mm/50mm之間，圖中輪距變化量為-8mm/50mm～8mm/50mm，偏大。
點／抬頭變化量：點／抬頭性能影響乘坐舒適性，是懸架設(shè)計中的一項重要指標。從圖8和圖9中可以看出抗點頭／抗抬頭效應(yīng)較好，滿足設(shè)計要求。
從上述懸架特性參數(shù)的仿真結(jié)果大至可以得出以下結(jié)論：
車輪某些定位參數(shù)在車輪上下跳動過程中變化偏大，這些會加大了輪胎的磨損：（2）懸架剛度和側(cè)傾角剛度在車輪上跳時降低不是很明顯。（3）抗點頭／抗抬頭效應(yīng)較好。
4 優(yōu)化設(shè)計
利用 style="FONT-FAMILY: 宋體; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">模塊，對車輪定位參數(shù)中的某項或是多項進行優(yōu)化，使定位參數(shù)達到一個理想值。對麥弗遜懸架的下?lián)u臂前點（lcafront）、后點（lca_rear），轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點（tierodinner）、外點（tierod outer），下?lián)u臂球頭銷（Icaouter）等五個坐標點的15個坐標值（每個點有X、Y、Z三個方向坐標）進行分析，設(shè)定每個坐標值的變動范圍在-l0mm～l0mm之間。對于15個坐標值Insight將進行215次迭代解算，由于計算量過大，實際上只進行了64次的部分迭代。進行完迭代解算后就可以得到相關(guān)的分析數(shù)據(jù)。表2列出了硬點變化對定位參數(shù)的影響。
從表2中可以看出影響比較大的一些參數(shù)，如
對它們進行必要的調(diào)整。具體的改動見表3：
調(diào)整這些硬點參數(shù)后，得到修改后的模型，再一次進行仿真分析，得到的曲線與原來曲線的比較圖。以下是優(yōu)化前與優(yōu)化后車輪定位參數(shù)的比較圖（實線為優(yōu)化后的曲線，虛線為優(yōu)化前的曲線）：
車輪外傾角優(yōu)化前后對比。從圖10可以看出，優(yōu)化后車輪外傾角的變化范圍是-0.5°～2.1°，比優(yōu)化前的范圍還要大一點，這是因為Insight為了兼顧其他幾項定位參數(shù)的優(yōu)化而放棄了外傾角部分利益的緣故。
主銷后傾角優(yōu)化前后對比。如圖11所示，主銷后傾角為正值時有抑制制動時的點頭作用，但太大時會使車輪支撐處反力矩過大，易造成車輪擺振或轉(zhuǎn)向盤上力的變化。優(yōu)化后，主銷后傾角的變化范圍在1.8°～2.8°之間，大大小于優(yōu)化前的變化范圍，而且完全滿足要求2°～3°的設(shè)計要求。
車輪前束角優(yōu)化剪后對比。如圖12所示，優(yōu)化后，前束角的變化量比之前相比大大減小，這將對車輛直線行駛的穩(wěn)定性有顯著提高。
主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比。如圖13所示，主銷內(nèi)傾角可以使汽車轉(zhuǎn)向回正、轉(zhuǎn)向操作輕便，在車輪跳動時，主銷內(nèi)傾角變化較大，將會使轉(zhuǎn)向沉重，加速輪胎磨損。優(yōu)化后，主銷內(nèi)傾角的平均值比原先小了1.5°左右，這將減小轉(zhuǎn)向時車輪與地面的滑動，減緩輪胎磨損。從以上優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化時選擇的5個坐標點的改變對車輪外傾角、主銷后傾角以及車輪轉(zhuǎn)向角影響較大。
5 結(jié)論
如果懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計不當，將會大大影響汽車產(chǎn)品的使用性能（如轉(zhuǎn)向沉重、擺振、輪胎偏磨、影響輪胎使用壽命等）。采用ADAMS／CAR對懸架的布置進行了建模與分析，并且運用,通過對模型的硬點坐標、彈性參數(shù)進行多次修改迭代，對模型的某項或是多項性能指標進行優(yōu)化，系統(tǒng)會自動找出一個最優(yōu)結(jié)果通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)來滿足設(shè)計要求。但是由于受到車身布置的限制，對硬點坐標的改變只能局限在一定的小范圍內(nèi)，所以得到的最優(yōu)值也只是一個相對值，而非絕對的最優(yōu)結(jié)果。本文解決了車輪跳動過程中輪胎磨損嚴重、定位參數(shù)變化過大等問題。同時也說明了轉(zhuǎn)向橫拉桿對前輪前束有較大影響。在開發(fā)新車或在原來已有的車型基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計時，在實際樣件、樣車制造出來之前，完全可以利用ADAMS/CAR提供的動態(tài)仿真環(huán)境，對懸架甚至整車的一些主要性能進行事先預(yù)測、評估，這樣可以大大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。
