基于Adams/Car与Adams/Insight的某重型双前桥货车前悬架的仿真与优化

相 臣，杜 勇

Xiang Chen1，Du Yong2

（1．合肥工业大学 机械与汽车学院，安徽 合肥 230009；2．合肥工业大学 交通运输工程学院，安徽 合肥 230009）

基于Adams/Car与Adams/Insight的某重型双前桥货车前悬架的仿真与优化

相 臣1，杜 勇2

Xiang Chen1，Du Yong2

（1．合肥工业大学 机械与汽车学院，安徽 合肥 230009；2．合肥工业大学 交通运输工程学院，安徽 合肥 230009）

论文主要根据CATIA模型在Adams/Car中建立某重型双前桥货车非独立前悬架模型，根据所建模型对其进行了Parallel Wheel Travel（双轮同向跳动）的仿真试验，分析了其轮胎随着试验台跳动时车轮的定位参数的变化规律。并且对该悬架的部分硬点位置用Adams/Insight进行了优化处理，得到了优化后的关系曲线，并与优化前的曲线进行了比较，表明所做的优化设计是有效的，改良了非独立前悬架的运动学性能。

双前桥非独立悬架；硬点；前轮定位；Adams/Car；Adams/Insight；

0 引 言

悬架是汽车的重要总成之一，是车架与车桥（车轮）之间的一切传力连接装置的总称[1]。传递在车轮和车架之间的所有力（包括力矩）是悬架的最主要的功用，冲击载荷经过悬架传递到车身后会得到衰减，由此来保证汽车行驶的平顺性。同时，悬架还应该具有合适的衰减振动的能力，保证汽车良好的操纵稳定性[1]。在Adams/Car模块中我们可以快速地建立该双前桥非独立前悬架的虚拟样机模型，并且对该前悬架进行运动学分析，然后进入后处理模块得到各种性能曲线，最后可以在Adams/Insight中对转向节臂上的部分硬点坐标进行修改优化，达到想要的悬架优化结果。非独立悬架一般具有较大的悬架刚度，所以一般应用在重型货车上。

1 重型货车非独立悬架的建模

根据给出的实际车辆的CATIA模型，测出双前桥非独立前悬架建立所需要的部分硬点位置坐标，然后根据硬点坐标在Adams/Car建模器（Template Builder）模块中建立货车双前桥非前独立悬架系统，在Adams/Car标准界面窗口中生成子系统与试验台MID_SDI_TESTRIG进行前悬架系统的装配，如图1。双前桥非独立前悬架主要包括减振器、弹性元件钢板弹簧、转向节臂、转向横拉杆和转向前桥。

双前桥非独立前悬架的簧载载荷为4 028 N，左右车轮的轮距为2 040 mm；定义静止时双前桥非独立前悬架的车轮定位参数为；主销后倾角7°，主销内倾角1.7°，前轮前束角0.5°，前轮外倾角1°。双前桥非独立前悬架的垂直刚度为293 N·m。

2 悬架运动特性的仿真分析

在建立好货车双前桥非独立前悬架仿真模型的基础上，可以在标准界窗口（Standard Interface）进行双轮同向跳动（Parallel Wheel Travel）的仿真试验。试验中各个参数的数值输入如图2所示。

车轮中心跳动的上下高度设置为50 mm，仿真的类型interactive，仿真步数设置为20。仿真结束后，进入Adams/Car后处理的模块查看参数，如车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角和车轮前束角的变化规律。

车轮前束角是汽车车轮的一个重要的定位参数，车轮有了外倾角，在滚动的时候就类似于滚锥，但是由于存在转向横拉杆和车桥的约束作用，车轮就会边滚边滑，增加轮胎的磨损，车轮的前束角可以抵消这种不良的后果[2]，如图3所示。

汽车直线行驶，受外力的影响发生偏转时，主销后倾就会产生与车轮转向相反方向的力矩使车轮自动回正，从而确保汽车直线行驶稳定性。主销后倾角的选择要根据车辆行驶状况确定，如果无助力器转向，一般不大于3°，轿车上的主销后倾角一般为3°～10°[3]。主销后倾角随车轮的变化为4.5°～6.8°[2]，如图4所示。

车轮外倾角是通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角。如果空车时，车轮垂直于地面，满载时轮毂将受到压缩，降低寿命。前轮的外倾角是在转向节的设计中确定的。设计时使转向节轴颈的轴线与水平面成一定的角度，该角度即为前轮外倾角，一般设计为1°左右[3]（图5）。

在设计转向桥时，主销在汽车的横向平面内向内倾斜一个角度，我们称之为内倾角。主销内倾角能够产生回正力矩，在汽车低速行驶时有自动转向回正功能[3]。设计上希望车轮在跳动的过程中，前束值、外倾值、内倾值和后倾值在合理的较小范围内波动；在跳动的过程中其变化量相对较小，使悬架具有较好的运动学性能（图6）。

3 悬架定位参数的优化设计

在仿真结束后，可以进入simulate菜单栏下的DOE interface模块，应用Adams/Insight进行悬架的相关优化设计。首先，我们把车轮的4个定位参数中的主销后倾角设定为优化的目标，Design Objective’s value设置为Maximum absolute value during simulation，即将主销后倾角的最大绝对值设置为优化目标。优化目标创建完成后，选择DOE Interface界面，进入Export导出装配到Insight界面，以转向三角臂的3个硬点为要考虑的影响最大后倾角的潜在影响因素，将每一个硬点沿着3个坐标轴的跳动范围设置为（-5，5），单位设置为mm，创建experiment。接下来创建工作矩阵，将Design Type设置为 Fractional Factorial，Model设置为 Linear，Objective设置为Screening。工作矩阵创建完成后，就可以创建设计空间（Create Design Space），然后接着创建工作空间（Create Work Space）。工作空间创建完成之后，就可以进行试验的优化了。点击Run Simulations 按钮，系统将自动进行256次的迭代运算，得出最后的优化结果，如图7所示。

通过对比优化前、后前轮定位参数的曲线（图8～图11）得出以下的结论：前轮前束角由0.5°～0.7°变化为0.48°～0.68°；前轮前束角最大值变小；主销内倾角由0.976°～1.008°变化为0.9825°～1.012°，在合理的内倾角范围，变动范围变小，由0.032°

变化为0.027 5°。主销后倾角由5.0°～7.0°变化为2.5°～4.5°，主销后倾角明显减小；前轮外倾角由0.975°～1.01°变化为0.982 5°～1.012 5°，在合理的外倾角范围内，前轮外倾角的变化量由0.035°变化到0.03°。

由此可以看出，虽然以主销内倾角作为主要优化目标，但是其他的定位参数也得到了较好的优化，因此我们所做的优化是合理有效的。

4 结束语

1）根据CATIA模型，建立了某重型双前桥货车的非独立前悬架的虚拟模型，各个运动部件之间所加的运动副准确无误，与试验台的通讯器匹配成功。

2）模型建立后，进行了Parallel Wheel Travel（双轮同向跳动）的仿真试验，观察车轮跳动时对其车轮定位参数曲线变化规律。

3）为了提高该双前桥非独立前悬架的运动学性能，以主销后倾角为主要的优化目标，采用优化软件Adams/Insight对双前桥非独立前悬架进行了优化设计，有效地改良了该双前桥非独立前悬架。

[1]王望予，张建文，闽海涛，等. 汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004．8．

[2]魏道高．汽车前轮定位参数研究与展望[J]，合肥工业大学学报（自然科学版），2004，27（12）：1594-1598．

[3]陈家瑞，马天飞. 汽车构造（下册）[M]．北京：人民交通出版社，2005．9．

U463.33+2

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2014-04-10

1002-4581（2014）04-0032-04