浅谈汽车悬架系统建模与仿真

浅谈汽车悬架系统建模与仿真

周磊

周磊

安徽江淮汽车集团股份有限公司安徽合肥230601

摘要：汽车悬架系统较为复杂，而且多种构件组成，构件与构件之间的相互配合运转也较为复杂，因此使用传统的方式来对汽车悬架的特性进行分析便面临着诸多困难。本篇文章从悬架运动学和动力学仿真来分析汽车悬架特性的研究中所发挥的重要作用，并且就汽车悬架系统的设计开发进行探讨。

关键词：汽车悬架系统；建模；仿真

本篇文章以国内某品牌汽车自主生产的SUV汽车前悬架为例，通过ADAMS/CAR建立前悬架三维实体模型，前悬架相关数据参数，包括构件的质量、转动惯量等参数，来确定前悬架的几何定位参数、减震器、扭杆等参数，依据这些数据来确定运动学和动力学仿真模型的建立。

1.前悬架模型建立

利用ADAMS/CAR建立仿真模型时，建模顺序自下而上，最后得到前悬架模型，通过装配试验来确定模型建立的正确与否。

利用ADAMS/CAR软件建立仿真模型时要确保各个零部件关键点的位置要准确，这样才能确保建立的仿真模型的准确性。通过对比汽车理零件的设计图纸以及三维实体模型的实际测量，获得前悬架中零件关键的位置。设计图纸上可以查询悬架零件的质量，在多体系统的运动中，在运动过程中具有某种联系并且具有相同的运动轨迹而且固定在一起的部件可以看做是一个运动部件。一个运动部件具有同样的质心和转动惯量。获取运动部件的质心和转动惯量的参数可以通过称重和计算或者试验获取。利用CAD技术来完成部件实体模型，将构件的材料密度等参数输入既可以获得部件的质量、质心和转动惯量。

2.悬架系统的仿真结果分析

利用ADAMS/CAR软件可对悬架系统进行分析，通过对车轮的垂直跳动来分析出前束角、车轮外倾角、后倾角及主销内倾角的参数变化。在轮胎的接地点施加侧向力、回正力矩来测量前束角和车轮侧偏角的参数变化。

2.1车辆悬架仿真实验

建立好悬架仿真模型之后，接下来就可以对其进行分析，悬架转向系统仿真分析的过程大体包括：打开悬架数学模型，然后设置好轴距、驱动力分配等悬架参数，之后进行仿真实验，根据实验结果绘制试验曲线图。

2.2悬架仿真结果分析

通过建立悬架仿真模型对其进行动力学和弹性动力学分析，通过对车辆左右侧的车轮同时进行上下跳动的位移，进行双轮同向激振的仿真试验。

2.2.1车轮外倾角结果分析

车轮的外倾角是车轮中心的平面与地面的垂线所形成的的夹角大小，在汽车工程手册中对于车轮外倾角的推荐中，在上调中外倾角变化范围在正负一度范围内合理选择悬架设计参数。

在该试验中，车轮在上跳过程中出现了外倾角的数值变化，外倾角由正值变向负值，当车轮处于-50mm时，外倾角大小为0.2°，当车轮在50mm时，车轮外倾角为-1.77°。通过对结果进行分析可以看出在上跳过程中车轮外倾角的数值变化范围超过了推荐的数值范围，变化过大，因此该设计需要改进。

2.2.2主销后倾角和后倾拖矩

主销后倾角和主销后倾拖矩是为了保证汽车在行驶过程中能够保证有足够的侧向力回正力矩，从而保证汽车能够保持直线行驶。主销后倾角数值越大那么主销后倾拖矩也就越大，从而回正力矩的力臂越大，结果就是回正力矩也就越大。通常来讲，四轮车的主销后倾角一般为3-10°足有，后倾拖矩数值大小一般为0-30mm。该次仿真实验中，仿真结果显示主销后倾角随车轮跳动量变化范围在4.2°-5.3°之间，这个范围在允许的范围内，因此符合悬架设计要求。

在主销后倾拖矩进行仿真试验时，实验结果可以看出来，随着车轮的上跳，主销后倾拖矩逐渐变大，而且变化范围在10.26mm-22.04mm之间，随着后倾拖矩的增大，回正力矩的力臂变大，而回正力矩也随之变大，不过回正力矩的数值变化范围仍然在规定范围之内，因此可以视为符合设计要求。

2.2.2主销内倾角及横向偏移距分析

主销内倾角的作用也是保证汽车在行驶过程中车轮自动回正，其作用效应是利用汽车本身的重力使得车轮回复到原来的中间位置。主销内倾角和主销横向偏置距有关系，主销内倾会减小横向偏置距的大小，从而使得驾驶员在转向时使用的作用力减小，也就是转向更加方便，也减小了转向轮传递过来的冲击力。

在实际设计汽车的时候，主销内倾角的范围大致在7-13°之间，数值最好取小一点，主销横向偏移距数值范围在-10-30mm之间，数值也是越小越好。通过对主销内倾角和横向偏移距进行仿真分析后得出的结果为，随着车轮的上跳，主销内倾角的增加幅度比较大，数值为10.6°-14.72°，这个范围已经超过了设计要求的标准范围，因此汽车悬架的主销内倾角需要改进。

对主销横向偏移距的仿真分析结果表明，前悬架的主销横向偏移距范围在13.87-23.35mm范围内，符合设计要求的范围，因此不必改进。

2.2.3汽车前束

车轮上跳时，汽车前轮前束值设计成零值或者负值。设计值在零附近为了保值汽车直行的时候路面的平整度改变而引起的前束变化，保证汽车保持直行方向的稳定。负前束则是为了保证当车辆因为装载物品而引起车高的变化时，也能够保证转向的平稳。

在汽车设计时，前束在±50mm范围内，变化角度值为-0.5°-0.5°，对前束变化的仿真试验分析可以得知，车轮上跳时，前束值变向负值，但是车轮上跳位于-50mm时，前束角是0.75°，在50mm时，前束角是-0.94°，这种变化范围较大，不符合设计要去。

通过以上仿真结果分析可以看出，该型号的悬架各个参数和性能基本符合设计要去，不过车轮外倾角、主销内倾角及前束参数等需要改进设计。

3.悬架定位参数的优化

对于悬架定位参数的优化，采用ADAMS/Insight软件来完成，通过对上面几项参数进行优化使之达到理想的数值。在对悬架参数进行优化前，首先需要对能够影响定位参数的悬架硬点位置进行参数化分析，得到硬点坐标对于悬架参数的影响，并且找到能够准确反应参数变化的硬点坐标，然后再将这些硬点坐标作为设计变量对参数进行优化。

小结

通过动态仿真模型来对汽车悬架甚至是整车产品进行研究分析，多体系统动力学相关软件也为悬架动力的分析提供了优良的工具，通过利用ADAMS软件对汽车悬架或者整车设计进行指导分析，会有效的提高汽车设计研发周期，降低研发成本。

参考文献

[1]赵海宾，赵巍.汽车悬架系统建模与仿真研究[J].汽车实用技术，2016（2）：117-120

[2]陈黎卿.基于ADAMS双横臂扭杆独立悬架操纵稳定性分析[J].合肥工业大学学报，2005（3）：28-53

[3]中国汽车工程学会组织翻译和审定.汽车工程手册，第二版.北京理工大学出版社，2004,4:73-121