麦弗逊前悬架的刚柔耦合模型仿真及优化分析
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摘要： 在Adams/Car环境中建立某车麦弗逊前悬架的多刚体模型和刚柔耦合模型，分别对其进行双轮同向激振仿真，分析车轮定位参数的变化规律. 结果证明刚柔耦合模型和多刚体模型分析结果基本一致.针对车轮定位参数变化规律的不合理性，利用Adams/Insight对悬架部分硬点进行灵敏度分析并优化硬点坐标，使车轮定位参数在一定的范围内变化，改善悬架的性能.
关键词： Adams/Car； 刚柔耦合； 麦弗逊悬架； 定位参数
中图分类号： U463.33文献标志码： B
0引言
悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，用来缓和路面不平度产生的冲击载荷和振动，悬架性能优劣对汽车平顺性和操纵稳定性有很大影响[1].在车轮上下跳动过程中应保证前轮定位参数在合理的范围内变化，从而确保汽车的操纵稳定性、转向轻便性和减少轮胎的磨损等.传统的多刚体动力学分析，把所有构件视为刚体，忽略构件的变形，无法准确分析悬架系统的运动特性.柔性多体动力学的发展及多体动力学分析软件的出现，为复杂机械系统动力学分析提供可靠的手段，可以得到更符合实际的分析结果. [2-3]
以某型车麦弗逊前独立悬架为研究对象，考虑到运动过程中下摆臂、纵向推力杆受力变形较大，基于Adams/Car，Patran和MSC Nastran建立该车的精确刚柔耦合动力学模型，并对多刚体模型和刚柔耦合模型进行运动学特性仿真分析.利用Adams/Insight对前悬架部分硬点进行灵敏度分析并优化硬点坐标，使车轮定位参数在一定的范围内变化，改善悬架性能.
1悬架刚柔耦合多体动力学模型
样车的麦弗逊前独立悬架左右对称，由减震器、螺旋弹簧、转向节总成、下摆臂、纵向推力杆、转向横拉杆、车身及车轮等组成.车辆在运动时，作用在车轮上的力和力矩经过下摆臂、纵向推力杆和其他弹性元件等传递至车架（或承载式车身）上，从而引起下摆臂和纵向推力杆发生较大的变形，引起车轮定位参数的变化，对整车的操纵稳定性和平顺性产生影响.因此，在模型中把下摆臂和纵向推力杆作为柔性体处理.
1.1建立下摆臂和纵向推力杆总成的柔性体模型
根据样车的CATIA图纸，下摆臂一端和转向节总成通过球副连接，另一端和副车架通过旋转副连接；纵向推力杆的一端固定在下摆臂上，另一端和副车架通过旋转副连接，所以可以把下摆臂和纵向推力杆考虑成一个柔性体总成.文献[4]介绍一种通过MSC Nastran和Patran软件生成Adams/Flex所需要的柔性体模态中性文件（mnf）的一种方法.在CATIA中把下摆臂和纵向推力杆相关部件的三维模型通过stp格式导入Patran中，下摆臂、连接板等划分成SHELL单元，得到SHELL单元共4 938个，节点5 138个；纵向推力杆划分成1阶四面体SOLID单元，得到SOLID单元共105 145个，节点18 278个.定义材料和单元属性，定义下摆臂两端连接节点和纵向推力杆两端连接节点为外部节点，定义SHELL单元与SOLID单元间的连接关系，定义基于模态综合技术的MPC多点约束等，用MSC Nastran求解得到mnf文件.下摆臂和纵向推力杆总成在MSC Nastran和Patran中的有限元模型见图1.
1.2建立前悬架刚柔耦合动力学模型
对麦弗逊前悬架模型进行如下假设和简化：模型中所有部件都认为是刚性体，不发生变形；所有部件之间的连接都简化成铰链；不考虑运动时运动副内的摩擦力.从CATIA三维模型中测量得到前悬架的主要硬点坐标值，修改Adams/Car自带模版对应的硬点值，同时对下摆臂进行修改，建立纵向推力杆模型，根据厂家提供的减震器、螺旋弹簧等参数，对模型进行修改.本车理想外倾角为0.441°，理想前束角为0.05°，从而得到前悬架的悬架子系统和转向子系统，与试验台装配得到前悬架多刚体模型[5].然后把下摆臂和纵向推力杆总成的mnf文件导入刚体模型中，替换刚性下摆臂和纵向推力杆总成，最后得到前悬架刚柔耦合动力学模型，见图2.
2悬架多刚体模型和刚柔耦合模型的运动学仿真分析在Adams/Car中，对悬架多刚体模型和刚柔耦合模型分别执行双轮同向激振仿真，仿真步长设置为100，车轮上下跳动范围为-60～60 mm，分析车轮上下跳动过程中车轮定位参数的变化规律.在悬架系统的运动学分析中，评价悬架系统性能的参数主要有前轮外倾角、前轮前束、主销后倾角和主销内倾角 [6]等.仿真结果见图3，图中实线为多刚体模型仿真结果，虚线为刚柔耦合模型仿真结果.由于悬架左右对称，取左悬架参数进行分析.前轮外倾角：前轮外倾角变化对车辆的操纵稳定性有很大影响，应该尽量减小其变化范围.希望在车轮上跳时外倾角向负方向变化，在车轮下落时向正方向变化.由图3（a）可知，刚柔耦合模型前轮外倾角变化范围为-0.908 1～1.712 4°，多刚体模型前轮外倾角变化范围为-0.467 7～2.154 1°，二者都符合外倾角的变化趋势，变化范围基本一致，但是变化范围偏大，需要改进.前轮前束角：前轮前束角变化对轮胎磨损、整车直线行驶稳定性有重要影响，在车轮跳动过程中，其变化范围越小越好.由图3（b）可知，刚柔耦合模型的前束角变化范围为-1.182 2～1.487 8°，多刚体模型的前束角变化范围为-1.125 8～1.526 7°，二者变化范围基本一致，但是变化范围偏大，需要改进.
主销后倾角：车轮在受到路面不平度影响发生偏转时，合理的主销后倾角可以产生稳定的力矩使车轮自动回正.一般不希望主销后倾角变化范围过大，以免在载荷发生变化时出现过大或过小的回正力矩，严重影响整车的操纵稳定性.在车轮上跳过程中，希望主销后倾角有增加趋势.由图3（c）可知，刚柔耦合模型的主销后倾角变化范围为3.619 9～5.305 9°，满足设计要求；多刚体模型的主销后倾角变化范围为3.665 4～5.302 3°，比刚柔耦合模型稍微小一点，满足设计要求.
主销内倾角：在车轮跳动时，主销内倾角增加可以提高汽车的转向轻便性.但是主销内倾角过大，在转向时会加大轮胎与地面的摩擦，加剧轮胎磨损，使转向困难.一般认为主销内倾角的合理变化范围为7～13°.[2]由图3（d）可知，刚柔耦合模型的主销内倾角变化范围为6.857 3～10.388 3°，基本符合设计要求；多刚体模型的主销内倾角变化范围为6.856 7～10.388 0°，与刚柔耦合模型基本一致.
3悬架优化及分析
汽车行驶时，由于路面不平引起车轮相对车身的上下跳动，从而使车轮的定位参数在一定范围内变化.如果这些参数变化范围过大，会加速轮胎的磨损，降低整车的操纵稳定性和平顺性.所以，应该尽可能减小车轮的定位参数变化量.
DOE（Design of Experiments） [7]试验设计方法，通过制定合理的试验方案，利用数理统计工具安排实验和分析模型与数据，以得到理想结果以及科学结论.结合Adams/Insight的DOE分析，可以更好的了解悬架硬点坐标对车轮定位参数变化规律的影响，降低试验成本，缩短试验周期.
通过前文分析可知，该车前轮外倾角、前轮前束角变化范围偏大，主销后倾角变化在设计范围内，主销内倾角变化基本符合设计要求.在优化前轮外倾角、前轮前束角的同时，希望主销后倾角、主销内倾角不至于变化过大.
3.1灵敏度分析
为有效地进行参数的优化设计与修改， 需研究设计变量对优化目标的灵敏度[8].结合Adams/Insight的DOE分析，以悬架左侧前轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角和主销内倾角最大绝对值等的最小为优化目标，以该悬架的减振器下支点（strut_lwr_mount）、转向横拉杆内支点（tierod_inner）、转向横拉杆外支点（tierod_outer）、下摆臂前支点（lca_front）、下摆臂外支点（lca_outer）和纵向推力杆外支点（lca_rear）等6个硬点坐标的x，y和z值为设计变量，进行灵敏度分析，确定影响目标变量的主要因素，然后进行下一步优化.
在Adams/Car中对多刚体模型运行一次双轮同向激振仿真，仿真步长设置为100，车轮上下跳动范围为-60～60 mm.仿真完成后，把悬架左侧前轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角和主销内倾角最大绝对值等的最小设为优化目标；把前文提到的6个硬点，共18个坐标值设为设计变量，选定其变化范围为-5～5 mm；采用两水平方法、线性模型和部分因素实验方法等进行分析.由于计算量太大，采用64次随机试验，尽可能计算所有可能情况，同时节省计算时间.
计算得到灵敏度结果见图4.Effect[8]指设计变量坐标值变化引起目标函数值变化的情况，表示目标函数值变化后的值与原值的比值，通过Effect%可以得到对目标函数值影响最大的设计变量，正号表示设计变量坐标值与目标函数值变化趋势相同，负号表示设计变量坐标值与目标函数值变化趋势相反.图4（a）中，lca_front.z，lca_outer.z，strut_lwr_mount.y，lca_front.y和tierod_inner.z对外倾角的影响在前五位，前三位的影响值比后面的大很多；图4（b）中，lca_front.z，tierod_inner.z，tierod_outer.z，lca_outer.z和lca_outer.y对前束角的影响在前五位；图4（c）中，lca_outer.x，lca_front.z，lca_rear.z，lca_outer.z和lca_front.y对主销后倾角的影响在前五位，前三位的影响值比后面的大很多；图4（d）中，lca_outer.y，lca_front.z，lca_rear.z，lca_front.y和lca_front.x对主销内倾角的影响在前五位，前两位的影响值比后面大很多.为避免过多的改变悬架的结构，选取lca_front.z，lca_outer.z，lca_outer.x，tierod_inner.z，tierod_outer.z和lca_rear.z共6个坐标值为下一步分析的设计变量.
4结束语
通过多体动力学软件Adams/Car和有限元分析软件MSC Nastran和Patran，建立某车麦弗逊前悬架的精确多刚体动力学模型和刚柔耦合动力学模型，结果证明刚柔耦合动力学模型和多刚体动力学模型分析结果基本一致.借助Adams/Insight软件以前轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角和主销内倾角等为优化目标，悬架硬点为优化变量，进行优化设计，得到的优化结果能在一定程度上提高悬架的性能.通过Adams/Car及MSC Nastran和Patran，Adams/Insight的联合仿真运用，可以快速、高效的建立模型和进行优化分析，节省开发时间，提高开发效率，为悬架的设计提供参考.
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