喬長勝，李耀剛，王連發(fā)，琚立穎，孫飛，張文明

（1.河北聯(lián)合大學(xué)機械工程學(xué)院，河北唐山 063009；2.中煤電氣有限公司，北京 101300；3.北京航空航天大學(xué)中法工程師學(xué)院，北京 100191；4.北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院，北京 100083）

基于CATIA與ADAMS微型電動汽車前懸架優(yōu)化設(shè)計

喬長勝1，李耀剛1，王連發(fā)2，琚立穎1，孫飛3，張文明4

（1.河北聯(lián)合大學(xué)機械工程學(xué)院，河北唐山 063009；2.中煤電氣有限公司，北京 101300；3.北京航空航天大學(xué)中法工程師學(xué)院，北京 100191；4.北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院，北京 100083）

針對國內(nèi)所研制的微型電動汽車具有轉(zhuǎn)向沉重、輪胎磨損嚴(yán)重等問題，對唐山市電動汽車重點實驗室前期研制的微型觀光旅游電動汽車進(jìn)行了深入研究．在實體建模軟件CATIA中建立前麥弗遜獨立懸架虛擬樣機，并測量出各零部件的安裝空間硬點坐標(biāo)．以所測量得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在多體動力學(xué)分析軟件ADAMS中建立前麥弗遜獨立懸架系統(tǒng)．利用汽車專用Car模塊對此樣機進(jìn)行平行輪跳動實驗，得出懸架參數(shù)變化曲線，并對其進(jìn)行迭代優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)．結(jié)果表明優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)使汽車在行駛時降低了輪胎的磨損、使轉(zhuǎn)向靈活輕便、有利于電動汽車保持行駛的直線性等．

優(yōu)化設(shè)計；麥弗遜前懸架；微型電動汽車；ADAMS

0 引言

目前大部分國內(nèi)研制的純電動汽車都是在相似型號傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車底盤基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計而產(chǎn)生的，因傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車與純電動汽車在車身各類裝配零件上有很大的不同之處，所以改進(jìn)設(shè)計的純電動汽車質(zhì)心位置、車身各系統(tǒng)布置等的改變就會明顯降低電動汽車的操縱穩(wěn)定性和汽車的平順性[1-2]．要改善微型電動汽車的各方面性能，就要對其懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研制微型電動汽車專用的懸架系統(tǒng)．本文以唐山電動汽車重點實驗室前期研制的微型觀光旅游電動汽車為基礎(chǔ)，對其麥弗遜式前懸架系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化．

1 幾何模型建立

1.1 麥弗遜前懸架的CATIA模型

因零件供應(yīng)廠家技術(shù)參數(shù)的保密性，提供的各零件參數(shù)有限，所以對麥弗遜前懸架部分零件進(jìn)行了實體測量，得出其質(zhì)量特性參數(shù)與幾何外型參數(shù)．用CATIA軟件建立麥弗遜前懸架各零件：橫擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、前穩(wěn)定桿、減震器、轉(zhuǎn)向橫拉桿等物理模型[3]．分別為各零件輸入材料屬性并進(jìn)行主慣量矩的測量．把前麥弗遜懸架各部分零件在CATIA中按照總布置參數(shù)進(jìn)行組裝，用CATIA測量工具測出ADAMS建模中所需要的硬點坐標(biāo)．其麥弗遜前懸架裝配圖如圖1所示．

1.2 麥弗遜前懸架的ADAMS模型

利用上面所測量的硬點坐標(biāo)值在ADAMS/Car中建立懸架仿真所需要的模型．因此懸架系統(tǒng)縱向?qū)ΨQ，同時對部分零件進(jìn)行簡化處理，所以只需要建立縱向?qū)ΨQ面單獨一側(cè)的1/2懸架模型，另一側(cè)的模型ADAMS/Car會自動建立．建立各零件的鏈接關(guān)系如表1所示．輸入麥弗遜懸架系統(tǒng)各零件的參數(shù)，如修改彈簧文件和減震器文件使之與廠家所提供的參數(shù)一致．把前懸架模型與CAR模塊中的測試平臺（MDI-SUSPENSION-TESTRIG）和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Rack-Pinion-Steering-Subsystem）進(jìn)行裝配，所建模型如圖2所示．

圖1 麥弗遜前懸架三維模型Fig.1 Macpherson frontsuspension 3Dmodel

圖2 麥弗遜前懸架仿真模型Fig.2 Macpherson frontsuspension simulationmodel

2 仿真結(jié)果分析

在ADAMS/Car中，通過對前懸架進(jìn)行平行輪跳動實驗，就可以在懸架垂直跳動時對其進(jìn)行運動學(xué)特性研究分析．這種分析實際上是由路面凹凸性引起車輪上下振動時懸架的運動，汽車在加減速時由汽車慣性引起車身向后或向前傾斜和汽車在轉(zhuǎn)向時車身側(cè)向傾斜引起懸架的運動等多種運動引起的懸架參數(shù)變化的分析．平行輪跳動實驗是分析懸架運動特性的基本實驗方法，主要是在轉(zhuǎn)向輪處對車輪施加一定行程的跳動量（一般取50～50mm范圍內(nèi)），通過ADAMS/Postprocessor模塊功能對懸架各參數(shù)進(jìn)行曲線圖的繪制，利用曲線圖中的數(shù)據(jù)來分析懸架主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、前輪前束、主銷后傾角等參數(shù)隨車輪上下跳動的變化關(guān)系，進(jìn)一步分析和研究懸架運動學(xué)特性對此微型電動汽車整車性能的影響．

2.1 前懸架平行輪跳仿真

表1 前懸架零件連接關(guān)系Tab.1 Frontsuspension parts connection relationship

在ADAMS/Car建立前懸架模型后，就可以對其進(jìn)行仿真和優(yōu)化了．輸入輪胎卸載半徑和質(zhì)量等參數(shù)，對懸架進(jìn)行50～50mm的平行輪跳（ParallelWheel Travel）模擬仿真[4]．仿真結(jié)束后，按F8鍵進(jìn)入ADAMS/ Postprocessor模塊繪制前懸架各參數(shù)的仿真圖形．仿真后所繪制圖形如下所示．

1）主銷內(nèi)傾角特性曲線

當(dāng)車輪受到地面外側(cè)向力作用發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)向時，主銷內(nèi)傾角可以使發(fā)生轉(zhuǎn)向的車輪自動回正．合理的主銷內(nèi)傾角可以減小主銷軸線與路面交點到車輪中心平面與地面交線的距離，使車輪在轉(zhuǎn)向時減小人作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩，即有利于提高轉(zhuǎn)向的靈敏度與輕便性，使轉(zhuǎn)向車輪傳遞到轉(zhuǎn)向盤的沖擊力減?。畠?nèi)傾角應(yīng)在一定的范圍之內(nèi)，一般在7°～13°之間[5-7]．由仿真所繪制出的圖3可知主銷內(nèi)傾角在50～50mm的平行輪跳仿真中從11.325°變化到了14.89°，變化量相對比較大．當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，過大的主銷內(nèi)傾角將使輪胎與路面之間產(chǎn)生相對過量的滑動，進(jìn)而使輪胎與路面之間的摩擦阻力增加，過大摩擦阻力使轉(zhuǎn)向變得沉重，過大的滑動加速了輪胎的磨損．所以必須進(jìn)行優(yōu)化．

2）主銷后傾角特性曲線

在汽車輪胎受到外力干擾后車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，主銷后傾角在汽車本身離心力作用下會使路面對車輪產(chǎn)生與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反的力矩，進(jìn)而使偏轉(zhuǎn)的車輪回到中間的平衡位置，保證了汽車沿著直線行駛．過大的此穩(wěn)定力矩會增大轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力．汽車設(shè)計時主銷后傾角的大小決定了汽車穩(wěn)定平衡力矩的大小，對于一般的轎車而言，主銷后傾角一般小于3°[5-7]．由仿真所繪制出的圖4可知主銷后傾角在50～50mm的平行輪跳工況仿真中從0.28°變化到了0.412°，變化量比較小且后傾角在3°以內(nèi)．

3）前輪外傾角特性曲線

合理的外傾角將減小汽車滿載狀態(tài)時車輪過大內(nèi)傾，進(jìn)而減少輪胎的偏磨損和提高輪轂緊固螺母的壽命[5-7]．由仿真繪制的圖5可知設(shè)計時原外傾角為1°，前輪外傾角在50～0 mm的平行輪跳工況仿真中從2.60°變化到了1°，變化了1.6°；在0～50mm的平行輪跳工況仿真中從1°變化到了0.2°，變化了1.2°．考慮到直線行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性能，希望外傾角在車輪下落時增大，在車輪上跳時減小，所以變化量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍1°～2°/50mm內(nèi)．

4）前輪前束角特性曲線

正的車輪前束角可以抵消汽車在縱向力作用下前束變化過大．合理的前束角有利于保證汽車車輪行駛的直線性，減小輪胎的磨損和降低輪胎滾動阻力[5-7]．由仿真繪制的圖6可知前輪前束角在50～50mm的平行輪跳工況仿真中從3.4°變化到了2.8°，變化量相對比較大．過大的前束角會增加輪胎的磨損．所以應(yīng)對其進(jìn)行優(yōu)化．

2.2 前懸架各參數(shù)優(yōu)化

通過對懸架特性分析，得出對此麥弗遜前懸架特性影響較大的幾個硬點位置如橫擺臂外點（lower-control-arm-outer）、內(nèi)點（lower-control-arm-inner）、轉(zhuǎn)向橫拉桿外點（tie rod-outer）、內(nèi)點（tie rod-inner），并且使這12個空間坐標(biāo)值分別在20～20mm范圍內(nèi)的變化，來進(jìn)行迭代優(yōu)化[6]．為了減少工作量，減少迭代時間，在ADAMS/Insight進(jìn)行了256次迭代．迭代完成后，進(jìn)入ADAMS/Insight的工作界面，對Design Variables中各參數(shù)進(jìn)行一定程度的微量調(diào)整，把這12個空間坐標(biāo)值組合折中，使Design Objectives中楔形塊與黑三角對齊，最終獲得所需要的懸架各個參數(shù)．圖7為ADAMS/Insight的工作界面．

圖3 主銷內(nèi)傾角特性曲線Fig.3 The frontwheelkingpin inclination angle characteristic curve

圖4 主銷后傾角特性曲線Fig.4 The frontwheel casterangle characteristic curve

圖5 前輪外傾角特性曲線Fig.5 The frontwheelcamberangle characteristic curve

圖6 前輪前束角特性曲線Fig.6 The frontwheel toeangle characteristic curve

優(yōu)化前與優(yōu)化后12個硬點坐標(biāo)值變化對比如表2所示．

利用優(yōu)化后的硬點坐標(biāo)值來修改原ADAMS模型硬點坐標(biāo)，并進(jìn)行相同的平行輪跳工況仿真分析．進(jìn)入ADAMS/Postprocessor模塊，把原仿真圖形加入到修改硬點后的仿真圖形中，繪制優(yōu)化前、后所生成的參數(shù)曲線對比圖，如圖8～圖11所示（其中實線為優(yōu)化前參數(shù)變化曲線，虛線為優(yōu)化后參數(shù)變化曲線）．

1）優(yōu)化主銷內(nèi)傾角的特性曲線

由圖8可看出，優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角隨著車輪在

50～50mm跳動時，其值從9.63°上升到12.53°，此變化范圍相比于優(yōu)化之前大大減少，即此合理的主銷內(nèi)傾角使轉(zhuǎn)向盤輕便靈活，減少了輪胎的滾動摩擦阻力從而減少了所需的驅(qū)動力矩，提高了此微型電動汽車行駛的經(jīng)濟性能．

2）優(yōu)化主銷后傾角的特性曲線

由圖9可以看出，相比于優(yōu)化前較大的主銷后傾角，優(yōu)化后其值從2.04°到2.40°，角度有了相對的增大．在標(biāo)準(zhǔn)范圍0°～3°內(nèi)，稍大的主銷后傾角可以提供更大的穩(wěn)定平衡力矩，使其車輪在外力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)時更容易回到中間平衡位置，更有利于電動汽車沿著直線行駛．

圖7 工作界面Fig.7 Work Space

表2 優(yōu)化前后硬點坐標(biāo)對比Tab.2 The com parison of the optim ized and notoptim ized hard points

圖8 主銷內(nèi)傾角的優(yōu)化Fig.8 The optimization of frontwheel kingpin inclination angle

圖9 主銷后傾角的優(yōu)化Fig.9 Theoptim ization of frontwheel caster angle

3）優(yōu)化前輪外傾角的特性曲線

由優(yōu)化繪制圖10可知，前輪外傾角在50～0 mm的平行輪跳工況仿真中從2.52°變化到了1°，變化了1.52°；在0～50mm的平行輪跳工況仿真中從1°變化到了0°，變化了1°，變化量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍1°～2°/50mm內(nèi)．優(yōu)化后的外傾角可以減少汽車在滿在狀態(tài)下車輪過大內(nèi)傾，減少輪胎偏磨損．還可以看出前輪外傾角在車輪上跳時有所減少，即保證了此微型電動汽車穩(wěn)定的直線行駛性和轉(zhuǎn)向特性．

4）優(yōu)化前輪前束角的特性曲線

由圖11可看出，優(yōu)化后的車輪前束角相比于優(yōu)化前有了很大的改變，其值從0.40°變化到0.009°，車輪在0～50 mm跳動時，變化在0.5°/50mm范圍內(nèi)．明顯減少了輪胎的磨損，降低輪胎的滾動阻力，對電動汽車的直線行駛性有了很好的保證，懸架的性能得到了很大提高．

圖10 前輪外傾角的優(yōu)化Fig.10 The optimization of frontwheelcamberangle

圖11 前輪前束角的優(yōu)化Fig.11 The optimization of frontwheel toe angle

3 結(jié)束語

通過在ADAMS/Car模塊中建立微型電動汽車麥弗遜前懸架模型，在虛擬實驗臺上進(jìn)行了50～50mm的平行輪跳動工況模擬仿真，在ADAMS/Insight中修改懸架的硬點坐標(biāo)，對懸架進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化，使其主銷后傾角，前輪外傾角等參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)變化范圍之內(nèi)，明顯減少了微型電動汽車的側(cè)滑量，減小車輪和地面的摩擦阻力，使其轉(zhuǎn)向更加靈活輕便，更有利于汽車的直線行駛，其穩(wěn)定性和平順性能都有很大的提高．采用虛擬仿真優(yōu)化實驗，迅速對實際的產(chǎn)品進(jìn)行了相應(yīng)的性能優(yōu)化，解決了微型電動汽車研制中存在的問題，很大程度上縮短了研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高了研制水平，可以為市場同類型微型電動汽車的生產(chǎn)研發(fā)提供必要的理論依據(jù)和數(shù)值參考，對實際的生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)意義．

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[責(zé)任編輯 楊屹]

The optim ization ofm icro-electric vehicle frontsuspension system based on CATIA and ADAMS

QIAO Chang-sheng1，LIYao-gang1，WANG Lian-fa2，JU Li-ying1，SUN Fei3，ZHANGWen-ming4

(1.College of Mechanical Engineering,HebeiUnited University,Hebei Tangshan 063009,China;2.China Coal Electric Company, Beijing 101300,China;3.China-France Engineering Institute,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191, China;4.College ofM echanical Engineering,University of Scienceand Technology Beijing,Beijing 100191,China)

Aimingatthe situation thatthe developed domesticm icro-electric vehiclewith steeringheavy,seriouswearof tire,we studied themicro tourism electric vehicleof Tangshan electric vehicle key laboratory.Weestablished the former M acpherson independentsuspension virtual prototype in solidmodeling softw are CATIA,thenmeasured the installation spaceof each com ponentof the hard point coordinates.Building the formerM acpherson independentsuspension system in themulti-body dynam ics analysis software ADAMSw ith themeasured data.A fter getting the change of suspension parametersby doing the parallel roundbeating experimentin the specialCarmodule,weoptim izedand im proved the structure.The resultsshow that thesuspension system optim izationof the carin the road reduced the tirewear,made thesteering more flexibleand portable and ensured theability of the car tomove in a straight lineand so on.

optimization;Macpherson frontsuspension;micro-electric vehicle;ADAMS

U463.33

A

1007-2373(2014)01-0040-05

2013-07-13

國家自然科學(xué)基金（50975076）；河北省自然科學(xué)基金（E2010000939）

喬長勝（1987-），男，碩士生．通訊作者：李耀剛（1962-），男，教授，博士，E-mail：jxlyg@heut.edu.cn．