摘 要：以某SUV车型为例，利用Adams/car软件进行麦弗逊悬架建模，将模型仿真结果与KC台架试验结果进行对比以验证模型的准确性。针对关键KC特性指标，利用Adams/insight模块对各硬点的灵敏度进行分析，结合灵敏度分析结果选择需要优化的目标硬点，以KC特性为目标，完成硬点优化，进一步提升悬架动力学表现。
关键词：麦弗逊悬架；动力学；Adams；灵敏度分析；KC优化
中图分类号：U467.3 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）16-159-04
Abstract： Build the MacPherson suspension model of a certain SUV in Adams/car， parallel wheel bounce test is used to compare suspensions’ kinematics characteristics between Simulation and real test result to verify the accuracy of the model.Then analysis the impact of suspension hardpoints coordinate to suspension main KC characteristics in adams/insight. According the effect result select the target hard point coordinate to finish the optimization design， which provides basis for further improvement of suspension kinematics performance.
Keywords： MacPherson Suspension； vehicle dynamics； Adams； effect analysis； KC optimization
CLC NO.： U467.3 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）16-159-04
前言
整车操纵稳定性是汽车产品设计中的关键性能，其最终表现取决于悬架系统的设计，悬架运动学特性是不可忽略的一点，通常用K&C特性来表示[1]，若设计不合理，在试制或量产阶段会导致如轮胎偏磨、过度转向、回正性能差等较大的质量问题，以上问题整改成本高、周期长。因此，在设计阶段要充分识别悬架系统各项性能指标，其关键在于KC特性设计的合理性[2]。
本文以某SUV前悬架系统设计为例，其悬架形式为麦弗逊结构，利用Adams仿真软件完成悬架系统建模[3]、并对悬架的KC特性进行分析和模型验证，考察该悬架系统弹性特性、前束、外倾、轮心侧向位移等KC变化曲线，并对各硬点的敏感度进行分析，同时结合敏感度分析结果对硬点进行优化。
1 麦弗逊悬架Adams模型建立
麦弗逊悬架由副车架、下控制臂、转向节、减震器、螺旋弹簧、转向系统、稳定杆系统组成，根据三维模型提取相关硬点，并测量弹簧、橡胶衬套、减震器的性能参数，用于建模的数模构造见图1：
1.1 E点为减振器与车身减振器座的绞接点，G点位摆臂与转向节的绞接点，EG为主销轴线，车轮绕主销轴线旋转。
1.2 采用齿轮齿条式转向器时，转向横拉杆内端接头T的运动轨迹与地面平行，相反外接头U的运动轨迹是一条圆弧线，当没有主销后倾时，U点的运动轨迹与转向节轴线EG垂直。
1.3 悬架运动过程中，减振器活塞杆在完成自身活塞运动的同时，还以E点为绞接点做万向运动。
在Adams/car中建立模型通常分为三个步骤，首先在template building 界面中建立模板，然后利用所建模板在standard building界面中建立各子系統，最后在suspension assembly中用suspension testrig将各子系统装配成一个整体的悬架系统。本文采用修改
2 Adams模型的仿真与验证
利用Adams/Car对悬架或整车性能分析时，模型的正确性显得尤为重要。需要从静态与动态两方面去验证模型的准确性。静态信息检验包括部件完整性检验、参数正确性检验、模型有效性检验。动态仿真检验包括仿真动画检验、后处理数据检验、模型校准。本文通过对模型进行双轮同跳仿真，将结果与台架实验测试数据进行对比来验证模型的准确性。
试验前先设置悬架系统的相关参数，包括轮胎模型、轮距、簧载质量、驱动力分配、制动力分配及质心高度等。点击Simulate-Suspension Analysis-Parallel Wheel Travel，行程按±50mm设置，点击Apply运行后查看分析结果，本文以弹性特性、前束、外倾、轮心侧向位移变化曲线为关注目标，将仿真结果与台架试验结果对比，结果如图3、图4、图5、图6所示，其中实线为台架试验曲线，虚线为仿真结果曲线：
实车测试与模型仿真由于制造的误差、衬套参数等因素，很难保证所有曲线完全一致。通过对比，外倾和轮距变化曲线仿真与台架结果基本吻合，弹性特性曲线与前束变化曲线吻合度较高，所有曲线的趋势完全一致。
基于上述对比结果，可以判定所建立的Adams模型准确性高，可以用于后续的优化设计。
如仿真数据与试验数据偏差较大时，须考虑模型数据的准确性、试验车车身姿态以及试验车加工与装配误差等问题。针对误差较大的特性曲线，通过硬点及衬套敏感性分析，确认敏感度较高的硬点及衬套，调试模型参数，找到模型与试验数据存在误差的可能原因。
3 前麦弗逊悬架KC特性优化
针对不同车型其所需要的悬架KC特性侧重点各不相同，本文以某SUV车型为例，其更侧重于整车的舒适性和轮胎耐磨损性能，因此在悬架KC特性目标设定时优先考虑保证前束变化尽可能小[4]，其梯度目标值定义为-5deg/m～0deg/ m，轮距变化尽可能小，其梯度目标值定义为±50mm行程范围内，轮距变化≤12mm，外倾变化与整车的操稳性能相关，外倾角变化较大，可以提供更大的抓地力，但在不平路面上，轮胎磨损会更加严重[5]。其目标值定义为-15deg/m～-12 deg/m。
通过图4、图5、图6仿真曲线，模型的前束变化梯度为-0.77deg/mm，轮距变化为11.5mm，外倾变化梯度为-11.7deg/ mm。
确定好优化目标后，需要对悬架的硬点进行重新设计，由于涉及的硬点较多，且每个硬点都有X、Y、Z三个方向的变量，改动单个参数不仅会改变希望优化的单项性能参数，同时也会对其它性能参数带来影响。因此，首先需要对悬架各硬点的敏感性进行分析，结合分析结果确认需要优化的目标硬点，经过反复迭代测试最终得到一个满足性能目标的硬点组合。
3.1 基于Insight的敏感度分析
进入Adams/insight模块，选择控制臂外球头点、减震器上安装点、拉杆球头外点、拉杆球头内点4个硬点的12个坐标值为分析对象，每个值得允许变化范围为±3mm。硬点的改动同时会引起其它参数的变化，因此需要将前束、外倾、轮距作为目标变量。完成变量设置后，继续完成分析矩阵设计，并生成分析空间，然后执行分析并查看分析结果，见表1、表2、表3。
敏感度分析結果显示，前束对各硬点的敏感度最高，前束的变化受制造精度的影响最大，其中各硬点中拉杆球头内、外点Z坐标、控制臂外球头点Z坐标对其敏感度最大。减震器上点和控制臂外球头点Y坐标，控制臂外球头点Z坐标和拉杆球头内、外点Z坐标对外倾和轮距变化的敏感度较高。
3.2 基于Insight的KC特性优化
基于仿真分析结果，模型的前束变化梯度为-0.77deg/ mm，轮距变化为11.5mm，外倾变化梯度为-11.7deg/mm。其轮距变化和外倾变化值在合理范围内，为增加操稳性能，外倾梯度可适当增加。其前束变化较小见图4，在上跳过程中出现了正前束变化，实车测试结果上跳时正前束变化更明显，在下跳过程中梯度较大，且为负前束变化增加了过渡转向趋势，因此优化的重点在于适当增加上跳时前束变化梯度，避免出现正前束变化，适当减小下跳是前束变化梯度。
基于敏感度分析结果，选择拉杆球头内、外点Z坐标、控制臂外球头点Z坐标、减震器上点和控制臂外球头点Y坐标五个坐标为设计变量，坐标调整范围为±3mm，优化目标为轮距变化、外倾变化、前束变化，设置分析矩阵后执行仿真，并对优化结果进行筛选，根据设定的KC目标选择合适的优化后的一组硬点坐标，基于前述的优化方向，选择的硬点坐标见表4。
基于优化后的硬点坐标，更改Adams模型中的相关硬点，进行仿真后将结果与优化前的曲线进行对比，如图7、图8、图9所示，其中实线为优化前仿真曲线，虚线优化后仿真曲线。
从曲线中可以看出，悬架上跳时前束变化梯度增加且没有出现正前束变化，可保证车辆的不足转向特性。悬架下跳时前束变化梯度减小，减小过渡转向趋势，同时减小轮胎磨损。前束变化特性曲线较优化前有明显改善，外倾和轮距变化曲线优化前后基本重合，且以上曲线均在设定的目标范围内，达成了优化目标。
图9 轮距变化优化前后仿真结果对比
4 结论
本文通过利用Adams/Car工具完成悬架系统仿真模型建立，并将仿真结果与台架结果进行对比以验证模型准确性。利用Adams/insight工具对硬点的敏感度进行了分析，基于敏感度分析结果选取设计变量，对KC特性进行了优化。从本
文的分析结果来看，基于Adams/insight能快速的选定设计变量，并能基于优化目标进行批量矩阵式迭代仿真，可以提高悬架KC特性优化效率。
悬架KC特性是一个整体系统，车轮跳动时悬架运动学特性指标的变化是悬架结构布局好坏的量化体现，而对于悬架结构布局而言，悬架关键点坐标则是最为重要的参数[6]。本文仅以双轮同跳仿真的前束、外倾、轮距变化为考核目标，如何针对多工况，多目标的整体优化仍值得进一步研究。
参考文献
[1] 高晋.基于虚拟样机技术的悬架K&C特性及其对整车影响的研究[D].吉林：吉林大学，2010.
[2] 田罗.多连杆式独立悬架参数化建模及优化设计[D].武汉理工大学， 2012.
[3] 陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008.
[4] 杨建森.悬架K&C特性对汽车操纵性的敏感性分析[D].吉林大学， 2008.
[5] 毛开楠.某轿车多连杆前后悬架优化设计与整车操纵稳定性分析[D].湖南大学， 2010.
[6] 阮五洲.基于ADAMS悬架系统分析与优化设计[D].合肥工业大学， 2008.
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