基于ADAMS的双横臂式前悬架的仿真分析与优化.pdf

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研究与分析·机械研究与应用·基于ADAMS的双横臂式前悬架的仿真分析与优化郑超，昊晓君，路超(西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055)摘要：针对某厂家存在轿车前轮胎磨损严重的问题，利用虚拟样机技术，在ADAMS软件环境下建立了该轿车的双横臂式前独立悬架多体运动学仿真模型，计算分析了汽车运动过程中前悬架定位参数的变化规律，找出了造成轮胎磨损的主要原因，并对悬架结构进行了优化设计，得到了该轿车前轮胎磨损严重问题的解决方案。关键词：虚拟样机技术；ADAMS；双横臂式前独立悬架；优化设计中图分类号：U463．33文献标识码：A文章编号：1007—4414(2011)06—0019—03SimulationandoptimizationofthefrontdoublewishbonetypeasuspentionbasedOilADAMSZhengChao，WuXiao-jLIB。LuChao(&hodmechanicalandelectricalengineering，Xionuniversityofarchitectureandtechnology，anShanxi710055，China)Abstract：Aimingatthefrontwheelswearprobleminsomefactory，themulti-bodykinematicsmodelofthefrontdoublewish．bonetypedindependentsuspentionisestablishedbyusingvirtualprototypetechnologyintheenvironmentofADAMSsoftware．ThechangeruleofalignmentparametersoffrontsuspentioninamovingvehicleisanalysedandtheinfluencefactorofthewheelW(~arisfound．ThesolutiontothefrontwheelsWeal-problemisobtainedbyoptimizingstructuralparametersofsuspen-tion．Keywords：virtualprototypetechnology；ADAMS；frontdoublewishbonetypedindependentsuspention；optimizationdesign1前言悬架，根据其空间结构可以抽象出如图1所示的前悬悬架是汽车的重要组成部分，它把车架(或车架1／2结构示意图。身)与车轴(或车轮)弹性连接起来，其主要作用是传递作用在它们间的一切力和力矩，限定它们之间的相1．上横臂对运动，缓和由不平路面传来的冲击载荷，衰减由此2．主销引起的承载系统的振动J，从而保证汽车的平顺行3．转向节4转向拉杆驶。汽车悬架设计的好坏直接影响汽车的操纵稳定5．拉臂性、制动安全性、乘坐舒适性和动力性等汽车动力学6．下横臂7．车轮半径性能优劣，对轮胎的磨损和使用寿命也有影响，因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问题。双横臂式前独立悬架是目前汽车独立悬架中使图1双横臂式前悬架结构示意图用最多的悬架结构之一。它的优点在于设计的灵活性，可以通过合理选择空间导向杆系的铰接点的位置车轮定位参数的变化对操纵稳定性、轮胎的磨损及导向臂的长度，使得悬架具有合适的运动特性。某和使用寿命影响较大，因此悬架机构必须具有合理的轿车前悬架采用双横臂式前独立悬架，厂家反映该车前轮定位参数及其变化规律，即在正常的车轮跳动行的前轮胎磨损非常严重，为解决此问题，考虑到双横程内，让车轮定位参数变化量保持在合理的范围之臂式前独立悬架的空间结构比较复杂，其运动特性亦内，才能保证汽车操纵的稳定性和轮胎的使用寿不易观察，本文以虚拟样机技术为基础，以机械系统命]。由图1可以得出双横臂式前独立悬架前轮的动力学仿真分析软件ADAMS软件为平台，建立该轿定位参数，它们可以表达为：车的双横臂式前独立悬架虚拟样机仿真分析模型，对车轮外倾角：其进行仿真分析与优化。=arctan[(XF一G)／(zF-yG)J2前悬架模型的建立主销后倾角JB：2．1确定理论模型fl=arctan[(DB)／(yD-yB)]该轿车的前悬架为左右对称的双横臂式前独立收稿日期：2011-09-25作者简介：郑超(1987一)，男，湖北麻城人，在读硕士，研究方向：数字化开发与制造。·19· 砥穷与分析·机械研究与应用·主销内倾角：3前悬架运动学仿真分析=arctan[(XB-XD)／(YD一，，B)j对悬架的运动学分析是对悬架的导向机构进行车轮前束角s：研究，主要研究在车轮与车身之间在垂直方向上发生占=arctan【ZE-ZF)／(xF-XE)J相对运动时，悬架导向机构如何引导和约束车轮的运前轮接地点侧向(方向)滑移量：动、车轮定位及影响转向运动的一些悬架参数的运动中：F，)，F，F，G，YG，戈D，yD，D，XB，YB，ZB，E，ZE学特性。在这里仅对当汽车车轮上下跳动时，车轮定分别为F点、G点、D点、B点、E点的坐标；6=G一Go，位参数的变化规律进行仿真分析。此处选择悬架轮G。表示静态时G点的坐标，G表示任意时刻G点跳典型工况，即令轮胎中心在轿车行驶时前悬架的主的坐标。要跳动方向(y方向)上、下跳动的距离为一100～+2．2确定悬架模型关键点的坐标100ram。下面为某轿车运用ADAMS机械系统动力轿车前悬架模型关键点的空间坐标和相关参数学仿真软件进行仿真分析的结果。是在ADAMS中建立虚拟样机仿真分析模型的关键，3．1主销后倾角随车轮跳动的变化特性根据该轿车的原有数据：主销长度330ram，主销内倾主销后倾角应当保证车轮具有合适的回正力矩，角10。，主销后倾角2．5。，上横臂长350ram，上横臂在一般要求主销后倾角变化不宜过大(0。一3。)，且主汽车横向平面的倾角1l。，上横臂轴水平斜置角一5。，销后倾角随车轮上跳有增大的趋势。图3为主销后下横臂长500mm，下横臂在汽车横向平面的倾角9．倾角随车轮跳动的变化特性曲线，从图中可以看出，5。，下横臂轴水平斜置角10。，车轮前束角0．2。。由该轿车的后倾角在2．537。～2．552。之间变化，而且这些数据可计算出空载情况下悬架一侧设计点的空在车轮上跳时有增大的趋势，符合要求。间坐标(悬架结构是左右对称的)，见表1。表1悬架机构左侧设计点的空间坐标图3主销后倾角随车轮跳动变化曲线3．2主销内倾角随车轮跳动的变化特性良好的操作稳定性一般要求主销内倾角有随车轮下跳动而增大的趋势。图4为主销内倾角随车轮跳动变化特性曲线，从图中可以看出，该轿车的内倾2．3建立虚拟样机仿真分析模型角在9．92。～l1．69。之间变化，而且在车轮下跳时有根据以上双横臂式前独立悬架的关键点的坐标增大的趋势，符合要求。和相关参数，在ADAMS／VIEW中建立该轿车的虚拟样机仿真分析模型J，如图2。上横臂的一端处简化、＼＼：_⋯_为一个转动铰链与大地相连，另一端通过球铰与转向节相连；下横臂的连接方式同上横臂；转向拉杆一端一。＼＼．．．．一一．一．．一．．．．—通过万向节与转向机构相连，另一端通过球铰与转向节相连；转向节与车轮轮轴固定连接。整个悬架置于测试试验台上，它们之间添加点一面约束副，在测试图4主销内倾角随车轮跳动变化曲线试验台和大地之间添加铅直移动副。至此双横臂式前独立悬架虚拟样机建模完成。3．3前轮外倾角随车轮跳动的变化特性从保证操作稳定性方面看，要求前轮外倾角有随车轮下跳动而减小的趋势；从保证轮胎的侧偏性能方面看，要求前轮外倾角有随车轮上跳动而减小的趋势。图5为前轮外倾角随车轮跳动的变化特性曲线，图2双横臂前独立悬架虚拟样机模型从图中可以看出，该轿车的前轮外倾角在一0．66。一·2O· 研究与分析·机械研究与应用·1．07。之间变化，而且有在车轮上跳、下跳时均减小的架其他结构参数，保证简单设计的原则[51，以车轮上趋势，符合要求。下跳动+100ram为基本工况，选择前轮侧向滑移量的绝对值最小作为目标函数，以上横臂长度、上横臂在汽车横向平面内的倾角，下横臂长度、下横臂在汽车横向平面内的倾角为设计变量进行优化分析设计，得到基于多体动力学分析的结构参数优化设计方案。经过优化设计后，上横臂长度、上横臂在汽车横向平面内的倾角，下横臂长度、下横臂在汽车横向平面内图5前轮外倾角随车轮跳动变化曲线的倾角的结果分别为300mm、15。、500ram、9。，前轮侧向滑移量由初始的21．2813mm下降到优化后的8．3．4前轮前束角随车轮跳动的变化特性7973mm。图8为优化前后前轮侧向滑移量随车轮跳为了保证汽车的操作稳定性，要求前轮前束角具动变化特性曲线。与原悬架相比，前轮侧向滑移量得有随车轮上跳动而减小的趋势。图6为前轮前束角到了显著的改善，大大降低了前轮胎的磨损情况。随车轮跳动的变化曲线，前束角在一0．49。一0．20。之间变化，而且有在车轮上跳时减小的趋势，符合要求。肇{15差匿0藿-5图8优化前后前轮侧向滑移量随轮跳变化曲线图6前轮前束角随车轮跳动变化曲线5结论本文基于虚拟样机技术，用ADAMS软件建立了3．5前轮侧向滑移量随车轮跳动的变化特性汽车双横臂式前独立悬架的仿真分析模型，对其进行为了减少轮胎的磨损和避免产生侧偏角而引起运动学仿真分析，将仿真结果与用解析法计算的结果的侧向力输入，即保证轿车的操作稳定性，对轮胎的进行对比，验证了虚拟样机仿真模型的正确性，可靠侧向滑移量的要求是尽可能地小。图7为前轮侧向性。通过对该悬架系统的仿真分析，比较直观、准确滑移量随车轮跳动的变化特性曲线，前轮侧向滑移量的揭示了该轿车悬架的不足之处，通过对悬架的结构在一7．6—21．2mm之间变化，显然变化很大。该车行参数进行优化设计，较好地解决了该轿车行驶过程中驶时，车轮轮距变化较大，必然会导致轮胎磨损严重。轮胎磨损严重的问题，改善了汽车的操作稳定性。这种情况刚好和本轿车实际使用过程中产生的问题运用ADAMS仿真软件进行机械系统的仿真分相符合。因此，前轮侧向滑移量过大是造成前轮胎磨析具有直观、准确、实用性强等特点，对汽车悬架以及损严重的重要原因。整车的开发或改造具有指导作用，大大缩短了开发周期，降低了开发成本。参考文献：[1]王海峰．基于ADAMS的某车型前悬架的建模与分析[J]．机械研究与应用，2008，21(5)：85-88．[2]余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2009．图7前轮侧向滑移量随车轮跳动变化曲线[3]黄虎，刘新田．前双横臂独立悬架运动对车轮定位参数的影响[J]．上海工程技术大学学报，2008(3)：1-3．[4]王国强．虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M]．西安：西4前悬架的优化设计北工业大学出版社，2002．要解决上述问题，就要对前悬架的结构进行调整[5]楮志刚，邓兆祥，胡玉梅，等．汽车前轮定位参数优化设计[J]．以改善悬架机构的运动学特性，减少轮胎的磨损。从重庆大学学报，2003，26(2)：86-89．双横臂式前独立悬架的空问结构布局出发，不改变悬·21·