麦弗逊悬架的车轮定位角分析资料.docx

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麦弗逊悬架的车轮定位角分析资料

研究生课程论文

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摘要：

悬架是汽车底盘上重要的总成，对汽车的操纵稳定性和行驶平顺性有着决定性的影响。

麦弗逊悬架结构简单、占用空间少、成本低同时又有比较好的操纵稳定性，是目前应用最为广泛的悬架。

本文拟使用ADAMS/CAR对悬架进行运动仿真分析，得到悬架车轮定位参数随车轮上下跳动的变化特性，分析悬架系统中存在的问题。

然后利用ADAMS/Insight对相关硬点参数进行灵敏度分析，找出对车轮定位参数影响较大的硬点，并据此对悬架硬点参数进行调整。

再对调整后的悬架进行仿真分析，对结果进行对比分析。

结果表明，调整后的悬架车轮外倾角、轮距变化以及主销内倾角都得到了改善，而主销后倾角和前束角的变化范围较之前变化更大了，但仍然在理想范围内，可以认为悬架的性能得到了改善。

关键词：

麦弗逊悬架，运动分析

Abstract:

Suspensionisanimportantassemblyofautomobilechassis,ithasdecisiveinfluenceondriveability,stabilityperformanceandridingcomfort.McPher--sonsuspensionhasasimplestructure,takeuplessspacecostlessandhasagooddriveability,itiswidelyusedsofar.ThispaperintendstousethesimulationsoftwareofADAMS/CARtogetvariationofwheelalignmentparametersofsuspensionwhenwheelsmoveupanddown,withtheresultwecananalysistheexistingproblemsinthesuspensionsystem.ThenuseADAMS/Insighttoanalysethesensitivityofhardpointparametersandfindthepointwhichhasabiggerinfluenceonthewheelalignmentparameters,thenadjustthepointtomakethewheelsgetabetterperformance.Dothesimulationagaintocomparetheresult.Theresultshowsthatafteradjustingofthehardpoint,thecamber,wheeltrackchangesandKingpininclinationhavebeenimproved,butthecasterandtoeanglegetabiggervariationrangewhichstillstayinidealrange,andwedeemtheperformanceofsuspensionbecomesbetter.

Keywords:

McPhersonsuspension,analysisofmovement

1.引言

麦弗逊悬架由于结构简单、占用空间少、成本低同时又有比较好的操纵稳定性，因而应用非常广泛，麦弗逊悬架多用于轿车的前悬架系统，是大多数汽车的首选悬架系统。

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。

因此有必要做好悬架的运动学分析。

在实际悬架设计中存在着大量的逆向设计问题，经常需要对已有悬架的结构参数进行调整，使得调整后的特性曲线与目标曲线比较好地符合，达到优化系统性能的目的。

但由于悬架系统结构复杂、优化参数过多，且其影响程度不同，若将所有影响因素都考虑，势必会影响优化速度和效果。

为此，常使用ADAMS/Insight软件进行灵敏度分析，了解机构的各个设计参数变化对其响应的影响程度，从而为合理选择修改参数提供依据。

2.悬架的建模

建模使用的软件为ADAMS/CAR，直接调用软件中的麦弗逊悬架模板，从网上找到某一中级轿车的前麦弗逊悬架右侧的硬点参数如表1。

表1悬架右侧硬点坐标

硬点

绝对坐标（mm）

x

y

z

驱动轴内点

941

185.25

502.35

下摆臂前支点

982

443.36

392

下摆臂外支点

954

759.36

370

下摆臂后支点

1287

424.36

399

弹簧下安装点

974.98

642.94

787.98

减振器下安装点

970.23

642.78

561.12

副车架前点

867.14

442.25

394.98

副车架后点

1466.86

422.42

394.98

转向横拉杆内支点

1123

391.36

481

转向横拉杆外支点

1078

736.36

466

上安装点

981.59

615.07

1018.03

车轮中心

976.12

797.5

479.02

在模板中可以直接修改相关硬点参数，另外悬架虽然是刚体和柔体的结合，但在这里主要考虑的是悬架的运动特性，因此对于悬架中的弹簧、减振器以及一些橡胶衬套可不必考虑。

对于车轮，设置其在不施加载荷的情况下半径为332mm。

最终的模型如下图。

图2.1.悬架模型

3.车轮定位角对汽车行驶性能影响分析

3.1主销后倾角

主销后倾角指从汽车纵向平面看主销轴线向后倾斜，不和地面垂直，主销轴线和垂线之间的夹角成为主销后倾角。

从汽车侧向观察，向后面倾斜时的角度成为正后倾角。

图3.1，主销后倾角

从上图可知主销后倾会使得注销轴线在地面上的铰点偏向前方，这样就会和轮胎接地中心产生一段距离a，这段距离叫做主销拖距。

对于主销轴线交于前方的叫做正拖距，主要影响汽车的直行稳定性和转向操纵轻便性。

当汽车直线行驶时偶然受到外力发生偏转而引起车辆转向时，由于拖距的存在而形成回正力矩，从而使车轮重新回到直行位置。

有时，轮胎会由于自身比较大的弹性而形成正的拖距，这段距离叫做轮胎拖距，由于累加原因，这时从动轮产生过大的回正力矩，从而可能会对汽车的操纵稳定性造成损害，此时，为了减小汽车的回正力矩，结构上可采用减小主销后倾角的方法，甚至采用负主销后倾，以用来减小汽车的回正力矩。

3.2主销内倾角

主销内倾角指汽车在其横向垂直平面内，主销向平面内倾斜，称为主销内倾。

主销轴线与垂线之间的夹角叫做主销内倾角，主销轴线上侧向内倾时为正，反之为负。

图3.2，主销内倾角

车速越高则主销后倾角产生的回正力矩就越大，汽车的回正作用就越明显，车辆的稳定性就越好，但是在低速时主销后倾角回正力矩很小，汽车稳定性变差，为了保证低速时汽车同样具有一定的回正作用，就有了主销内倾角的设计。

相关研究表明，高速时主销后倾角的回正作用占据主导作用，而在低速时的回正作用主要是主销内倾角来承担。

3.3车轮外倾角

从汽车正前面看，车轮中心平面是不垂直于地面的，车轮的顶端向内或向外倾斜一个角度，称为车轮外倾角。

图3.3，车轮外倾角

当车轮顶端向两侧倾斜，则称为正外倾角。

车辆直线行驶时，由于路面的不平而引起的车轮跳动使车轮外倾角发生变化，综合考虑转向性能和直行稳定性，车轮外倾角在上下跳动过程中应该有一个比较合适的变化范围。

目前，大多数乘用车都设计成轻微的正外倾角。

当汽车满载时，车桥因载荷增加发生一定变形，使车轮垂直于地面，减少轮胎台面不正常磨损。

近年来，由于悬架和车桥刚度的提高，加之路面也更为平坦，所以车轮外倾角有减小的趋势，甚至为零，可使轮胎的内、外侧磨损趋于均匀，并有利于车辆的横向稳定性。

大量时间证明，车轮外倾角理想的变化范围是上跳时外倾角变为负，下落时变为正，这样可以消除车身侧倾时外轮外倾角过分增大的不利影响。

3.4前束角

车轮前束角是指汽车纵向中心平面内，车轮平面前部向内缩拢，称为车轮前束角。

车轮中心平面和地面交线之间的夹角叫车轮前束角。

图3.4，前束角

车轮前束角为左右车轮产生侧偏滚动趋势，增加轮胎的磨损，给汽车前轮设计一个前束角，可以使汽车在直线行驶时左右车轮产生一个大小相等方向相反的初始侧偏角，侧偏角在左右轮胎上生成方向相反的侧向力，选择合适的前束角，可使产生的侧向力与车轮外倾所引起的侧倾推力相互抵消，从而减少轮胎磨损和车辆动力的消耗，提高轮胎的使用寿命和汽车的燃油经济性。

4.悬架运动仿真

运动学仿真分析主要目的是为了找出早期的悬架设计中在结构上存在的问题，并分析问题出在什么地方，为下一步的优化改进分析做准备。

在这里进行±50mm的平行轮跳动仿真，并讨论悬架主销后倾角，车轮外倾角，主销内倾角，前轮前束角和轮距的变化。

4.1主销后倾角

图4.1所示的是主销后倾角随车轮上下跳动±50mm的变化曲线。

针对该中级轿车，主销后倾角的理想设计值变化范围是：

2.08°~2.92°。

图4.1主销后倾角

由图可以看出，主销后倾角的变化范围是2.2°~2.69°，符合前置前驱的悬架设计要求。

4.2主销内倾角

如图4.2所示是车轮主销内倾角的变化曲线，在实际的设计过程中，主销内倾角比较合适的变化范围为10°~13°，并希望尽量取较小值。

图4.2主销内倾角

由上图可知，车轮跳动过程中，主销内倾角的变化范围为11.1°~13.6°，其变化范围不满足设计要求，有待在后期的优化。

4.3外倾角

如图4.3所示为车轮外倾角随车轮上下跳动的变化曲线。

为防止车轮出现严重的不足转向或者过多转向的趋势，希望在车轮上下跳动时，外倾角的变化范围在1°~2°。

图4.3外倾角

由图可知，车轮外倾角在跳动过程中的变化范围为-0.6°~0.8°，变化量为1.4°，变化范围符合设计要求。

4.4前束角

如图4.4所示为车轮前束角随车轮上下跳动时的变化曲线，如果前束角在车轮跳动过程中变化过大，会使车轮发抖，加剧轮胎的磨损。

因此，设计原则是车轮跳动时前束角变化范围越小越好，同时前轮在上跳时，前轮前束角往负的方向变化有利于车辆获得弱的不足转向特性，其中理想的前束角变化范围是-0.4°~0.3°

图4.4前束角

由图可知，在车轮跳动过程中，前轮前束角的变化范围为-0.3°~0.15°，而且在上跳过程中是往负的方向变化的，因此符合设计要求。

5.硬点灵敏度分析

悬架的比较复杂，硬点参数很多，所以首先要做的工作就是进行灵敏度分析。

参考其他相关论文，这里选择以下几个灵敏度相对较高的硬点参数进行分析：

下控制臂外支点、下控制臂前支点、下控制臂后支点、转向横拉杆内点和减振器上安装点。

每个点的x、y、z方向均进行分析，这样就有15个设计变量，设置其变化范围为±5mm，以前轮前束角、主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和轮距的变化量最小为目标函数。

在ADAMS优化实验中，通常由于实验因子较多和多个目标函数，所以要求选择恰当的实验设计策略和类型，然后自动生成设计矩阵。

本文在此选择DOEscreening（2一LEVEL）设计策略（此设计策略可以确定某个因素或某些因素对输出的影响比例）和DractionalDactorial类型（此类型普遍用于筛选重要影响因子，能够估计对系统的影响）