2.3 懸架運動特性仿真及優化

2.3.1 建模機理

在推出模型模板化建模方法之前，建立整車模型是一件非常耗時、復雜的工作。對于生產企業而言，要求從事計算分析的部門能夠快速建立模型，以便迅速地分析設計生產中出現的問題，這也是國內企業引入CAE分析軟件多年，卻不能與設計生產進行較好結合的原因之一。同一類型汽車有著相似的結構，對其類型的總成，零件的拓撲關系是一致的，而同一系列車型的兩個不同前懸架間的區別可能只是一些位置尺寸的差別。因此，對于一種獨立的總成，在正確建立動力學模型后，如果能利用參數化模型進行一些參數的調整，并運用在不同的車輛上，可非常有效地提高汽車動力學模型的建立效率。ADAMS/Car是一種基于模板化建模與仿真的工具，簡化了建立動力學模型的步驟，縮短了汽車建模的時間。模板化建模容許用戶運用已建好的模板構建新的模型，用戶可利用已有的模型快速生成新的模型。因此，模板化建模方式相對于傳統的建模方式是一次質的飛躍，實踐證明這種模板化建立動力學模型的方法特別適用對大型復雜機構進行虛擬樣機建模與分析。如需建立新的模板可選擇專家模式，當選擇標準模式時，只需在標準模板下進行相應的參數調整。ADAMS/Car模板有四種類型的文件，其調用關系如圖2.1所示。

2.3.2 運動學模型建立

針對所研究車輛懸架系統存在的問題，利用ADAMS軟件建立完整的懸架運動學仿真模型，為反映車輛的真實行駛工況，對左右車輪測試平臺分別創建隨機激勵。通過仿真分析揭示運動特性參數在懸架運動過程中的變化規律，指出導向機構設計的不合理性，并對導向機構存在的問題進行優化計算。

運動特性參數確定懸架的性能，反映車輪上下跳動時車輪定位參數的變化特性，若車輪運動特性在正常車輪跳動行程內，則運動參數應保持合理范圍的變化量來保證滿足設計期望的汽車行駛特性，圖2.2為懸架系統空間拓撲結構簡圖。

對懸架的運動學特性進行仿真優化，根據懸架導向機構空間主要位置點坐標如表2.1所示，建立的ADAMS運動學仿真模型，如圖2.3所示。

A-上控制臂外接點；B-下控制臂外接點；C-上控制臂內接點；D-下控制臂內接點；E-轉向節的內接點；F-轉向梯形的斷開點；G-轉向節的外接點；H-轉向拉臂的鉸點；M-減振器的上支點；N-減振器的下支點；K-車輪上接地點；K₀-地面上與K的重合點

當汽車車輪處于任一位置時，由左右車輪的對稱性，汽車前輪定位參數、輪距變化量和前輪側向滑移量可通過以下公式計算：

1）車輪外傾角α

2）車輪前束角θ

3）主銷后傾角γ

4）主銷內傾角β

5）輪距變化量ΔH

6）前輪側向滑移量δ

在式（2.27）～式（2.32）中，帶下標x、y、z的大寫字母表示為該字母在x、y、z坐標軸的坐標值。式（2.31）中表示右側車輪上與K_y對稱點的坐標，L為輪距的初始值。

針對雙橫臂式懸架，適當選擇并優化上下橫臂的長度，通過合理的布置，就可使輪距及前輪定位參數變化在可接受的限定范圍內，保證車輛具有良好的行駛穩定性。雙叉臂式懸架一般采用上下不等長叉臂（上短下長），車輪在上下運動時能自動改變外傾角，減小輪距變化，從而減小輪胎磨損，而且能自適應路面，輪胎接地面積大，貼地性能好。由于該懸架具有側傾小、可調參數多、輪胎接地面積大及抓地性能優異等優點，因此大部分越野客車、輕型客車的前懸架一般選用雙叉臂式懸架。

車輪所受的垂直力、縱向力、側向力及回正力矩對汽車的平順性、操縱穩定性與安全性起重要作用。輪胎模型對于車輛動力學仿真技術的發展及仿真計算結果有著很大的影響，輪胎模型精度必須與車輛模型精度相匹配。建模中采用的輪胎模型，首先要充分考慮與分析截止頻率和仿真時間等問題，它由Magic Formula公式與剛性圈理論兩者綜合而成的SWIFT（Short Wavelength Intermediate Frequency Tyre）輪胎模型。其中，Magic Formula公式主要側重考慮側向力和回正力矩，分析截止頻率為60Hz，剛性圈理論主要側重考慮縱向力和垂直力。輪胎模型示意如圖2.4所示，本書所建懸架、輪胎及轉向系模型如圖2.5、圖2.6所示。

2.3.3 運動學仿真

對左、右車輪分別施加隨機位移激勵，這樣能夠確保其真實有效地模擬出通過不平路面時的實際行駛工況。同時，在測試平臺和地面間移動副上創建驅動，要考慮車輪上下最大跳動量。具體的隨機激勵產生步驟如下：

1）首先，轉換實測的左右車輪空間路面不平度為某一車速下的時間路面不平度。

2）其次，應用樣條函數CUBSPL擬合為時間-隨機位移激勵。

3）再次，得出驅動左右車輪的時間-位移曲線，如圖2.7、圖2.8所示。

4）最后，仿真分析出輪距、4個前輪定位參數以及車輪上下跳動變化時前輪側向滑移量的特性曲線，如圖2.9～圖2.14。

從仿真結果來看，車輪外傾角、前束角、主銷后傾角和主銷內傾角各參數隨車輪上下跳動變化較小，均在設計的目標范圍內（見表2.2）。側向滑移量與輪距有較大的變化量：側向滑移量變化范圍為-6.99～16.48mm，輪距變化范圍為1849.97～1896.98mm。輪胎的側偏角是由輪距變化引起的，側偏角產生側向力輸入。當汽車側傾時，兩側車輪可能有相同方向的橫向滑移，不能抵消由輪距變化引起的側向力，就會降低車輛的操縱穩定性。這不僅會使汽車的行駛安全性、直線行駛穩定性與轉向輕便性受到影響，還會導致輪胎早期磨損和降低使用壽命。

2.3.4 運動特性參數優化

ADAMS軟件為用戶提供了強大的參數優化分析功能，用戶可通過參數化建立模型，對模型的設計變量取不同的參數值進行仿真，然后根據返回的仿真結果進行參數化分析，進而對各參數進行優化分析。在優化過程中，程序能自動地調整設計變量，以獲得最小的目標函數值。為減輕輪胎的磨損同時提高汽車的操縱穩定性，定義輪距及車輪側向滑移量為目標函數。選取上、下橫臂及轉向節內外接點坐標為設計變量，當滿足設計變量在允許的范圍變化時，ADAMS能自動地選擇設計變量，使目標函數獲得最小值。

式中，|ΔH|=|DY（L_Wheel.MAR_K，R_Wheel.MAR_K′）-L|

|δ|=|DY（Wheel.MAR_K，Ground.MAR_K₀）|

L_Wheel.MAR_K與R_Wheel.MAR_K′分別表示左右車輪上的K和K′兩點在y坐標軸上的坐標值；Wheel.MAR_K為左側車輪K點在y坐標軸上坐標值；Ground.MAR_K₀為地面上K₀點在y坐標軸上坐標值；DY為位移函數。

懸架導向機構的結構尺寸和空間位置影響運動特性參數，選取設計變量為左右車輪上、下橫臂及轉向節內外接點，約束設計變量的坐標值在一定的取值范圍內：

式中，i為各接點（左右車輪的上、下控制臂與轉向節內外）。

表2.2為前輪定位參數變化值與設計值的仿真對比結果，圖2.15中a～f為懸架系統的運動特性參數優化前后對比結果。

從上述優化仿真結果可以看出，前輪定位參數的車輪外傾角、前束角、主銷后傾角及主銷內傾角在優化前后的變化量較小。前輪側向滑移量和輪距變化較大，前輪的側向滑移量數值由16.48mm減小到2.23mm，前輪滑移量的減小能夠降低輪胎磨損，以保證汽車直線行駛的穩定性。輪距的變化數值從1858.46mm增加到1866.74mm，滿足汽車輪距變化量的設計要求，當車輪上下跳時，車輪輪距適當地增加，有利于提高車輛的操縱穩定性。