当麦弗逊前悬架的虚拟设计及优化

麦弗逊前悬架的虚拟设计及优化

麦弗逊式独立悬架具有结构简单、维修方便等众多优点，但是由于主销轴线位于减震器上支点和下摆臂外支点的连线上，当悬架变形时，主销轴线也随之改变，车轮定位参数和轮距也都会相应发生改变，变化量可能会很大，直接影响到整车的操纵稳定性和对轮胎的磨损。在与一家公司合作开发一款电动高尔夫球车的项目中，前悬架采用麦弗逊式独立悬架，并且厂家准备自制零部件。为了节约成本和缩短开发周期，在具体零件设计前首先做好悬架的虚拟设计及运动学分析。

一、建立模型

（一）总体建模方案

前悬架准备设计成转向器为齿轮齿条传动式的麦弗逊式独立悬架。该高尔夫球车的一些设计要求:该车采用18″轮胎，宽210mm，直径是457.2mm，轮毂直径220mm，相比一般的轿车宽径比偏大；前轮距850mm；负载较小，乘坐2成年人预计总质量为550kg；车速较低，最高车速25km/h。应用多体运动学分析方法，首先抽象出如图1所示的运动学仿真系统模型。

麦弗逊悬架左右对称于汽车纵向平面，由下摆臂、转向节总成（包括减震器下体、轮毂轴）、转向横拉杆、减震器上体、转向器齿条、车轮总成及车身组成。各刚体之间的连接关系如下:减震器上端与车身的球铰链A接，下摆臂一端（简化为一点）通过转动副C与车身相连，另一端通过球铰B与转向节总成相连，AB的连线构成主销轴线。转向节总成与减震器上体用圆柱副约束，只能沿轴线移动和转动。转向横拉杆一端通过球铰D与转向节总成相连，另一端通过球铰E与转向齿条相连。运动分析时，转向齿条与车身固定，车轮总成和转向节总成也通过固定副F相连，车身相对地面不动。由于运动学无需考虑受力问题，因此不考虑减震器的阻尼和弹簧的刚度，假设车轮不转动，车轮为刚性体。

（二）模型关键点的预定

先确定设计的目标参数:主销内倾角8.5°，主销后倾角2.5°，车轮外倾角1.5°。由前轮前束角和车轮外倾角的理想关系式ε≈C/2D和C=2DΦL/Φr+4αLα[1]，根据设计参数计算出前轮前束角约为0.5°。在虚拟杜邦鸿基新材料首条生产线试产设计阶段，这些参数不必完全准确，可以通过后续的优化设计来调整。用CAD软件预设计一些关键点的空间坐标（由于悬架的对称性，只设计右半悬架的参数）。坐标系采取ADAMS/VIEW建模中默认的坐标系。参见表1。

（三）建立仿真模型

依据表1点的位置，在ADAMS/VIEW模块中建立该车麦弗逊前悬架系统的多刚体运动学分析模型，由于对称，只建立右半悬架模型。如图2所示。

二、模型的仿真分析

进行双侧车轮平行跳动仿真来分析主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角、前轮前束角以及车轮侧滑量的变化规律。

在ADAMS中分别设置所需测量参数的测量函数。以Ground和测试平台之间的移动副为驱动副，创建驱动，驱动函数为:Disp（time）=40×sin（360d×time），即测试车轮跳动的范围为±40mm。以车轮的跳动量为X轴绘制悬架特性曲线如图3：

由图中可以看出:主销内倾角的变化为6.665°到10.351°，变化量为2.706°，较为正常；主销后倾角从2.311°到2.725°，随悬架压缩而轻微增加，状态比较理想；车轮外倾角从3.600°变化到0.303°，变化量为3.297°，略微偏大；前轮前束角变化比较大，从-4.568°变化到1.723°，变化量达到6.291°；车轮滑移量从下跳40mm的19.35mm到上跳40mm的-9.235mm，变化量较大，特别是轮胎下跳时的变化过大。

由此得到的分析结果是:（1）主销内倾角和主销后倾角的变化状态较为正常说明了模型的建立是大致成功的；（2）车轮的偏移量过大，行驶时车轮轮距变化较大，将会导致轮胎严重磨损；（3）前束角变化的不合理，进一步加大轮胎的磨损，以及影响到操纵性能。

提出优化目标:保证主销后倾角的理想状态、适当减小主销内倾角和车轮外倾角的变化量的前提下，改善前轮前束角的变化状态，控制车轮的滑移量。

三、优化设计

分析上面提出来的问题和参考以前的研究[2]，进一步缩小问题的范围，主要通过调节摆臂铰点C的高度和拉杆铰点E的位置来解决问题。将这2点的坐标参数化，设计相关的变量，使用ADAMS/Insight模块强大的分析能力，评价各因素对车轮定位参数和车轮侧滑的影响程度，见表2。

由表2可以看到，摆臂铰点C的高度很重要，并且需要减小，而且所引起的前轮前束角变化增大可以通过调整拉杆铰点E的Y坐标来优化。经过分析优化和一些相关的调整后，得到表3所列的关键点的新坐标。

再重新做车轮平行跳动仿真，得到如图4的悬架特性图。由图中可以看到优化的结果都达到了要求，证明了优该计划适用于利用夹层构造或芯子试样来测试其剪切应力和剪切弹性模量；实验类型分为压向剪切和拉向剪切化过程的正确性。由图中可以看出:（1）主销后倾角继续保持理想的变化状态，主销内倾角从7.069°变化到9.481°，变化量减小到了2.422°；（2）前轮前束角的变化状态改善明显，车轮的外倾角得到了优化，见图5；（3）车轮侧滑量明显减小了，从-2.65mm变化到12.72mm，结合前轮前束角的优化，可以较好地改善轮胎的磨损状况。

四、结论

通过ADAMS的建模和运动学仿真分析，较好地完成了具体零部件设计前的虚拟设计和优化下降采购零部件本钱过程，缩短了高尔夫球车的开发周期，改善了悬架的性能，较好地控制了定位参数的变化范围和避免了轮胎的严重磨损。此虚拟设计的平台参数化以后，为后续相关产品的设计工作打下了基础。

在悬架布置的优化分析过程中得出以下结论:（1）摆臂和车身的链接铰点的高度对于各定位参数的影响都比较大，应重点考虑；（2）转向拉杆的布置只对前轮前束有影响，对其他的参数影响不大。

许多学者尝试采取“Z钉扎”方法固定或通过“3维编制”复合材料层的碳纤维束以增强结合性能参考文献

[1]魏道高.前轮定位参数的研究与展望[J].合肥工业大学学报，2004

[2]王国林.车轮跳动对定位参数影响的试验分析[J].农业机械学报，2005（7）(end)