汽车前轮定位参数运动特性分析及优化设计
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况 ， 曲线 基本 重合 。 各
参数 的设计结果及其 目标值见表 ２中方法 ２ 。
表 ２ 优化 结果
可 以看 出 ， 这 ２种 方 பைடு நூலகம் 中 ， 文 方 法 的 设计 在 本
结果优于经验公式的计算结果。对于设计变量 ， 内 倾角的设计值基本相同 ， 但是后倾角和外倾角的差 异较大。这主要是 由于内倾角对行驶 中前轮外倾 角值 、 车轮跳动 中前轮最大摆角值影响较小 ， 而后 倾 角 和外倾 角对 这 ２个 目标影 响较 大 。
汽车载荷 ， 外倾角测试 曲线 ； 第二线是改变后悬架 刚度 ， 外倾角测试曲线 ； 第三线是改变前悬架刚度， 外倾 角测 试 曲线 ； 下 面 的 曲线 是 改 变 轮 胎 参 数 最 时， 外倾角测试 曲线 ； 其余各曲线基本重合 。
倾角测试曲线 ； 四线为原始数据 ， 第 外倾角测试曲 线； 第五线（ 外倾角变化最小 ） 为改变后倾角时， 外 倾 角测试 曲线 。
ｂ车 轮摆 角变 化 。 ．
张
蕾
董恩 国 邢艳云
汽车前轮定位参数运动特性分…… ４ ７
２中方法 １ 。若 以经验公 式方法计算 一 其定位 ，
图５ 是仿真所得 的车轮摆角变化 曲线。图中 各曲线依次是（ 波峰处 ： 从左到右 ）第一线是减小 ： 后倾角所得的车轮摆 角曲线 ， 摆角最小 ； 最右侧 为 减小 内倾角 ， 车轮摆角曲线 ， 摆角变化最大 ； 其余情
收 稿 日期 ：０ １ ５ ９ ２ １ —０ 一Ｏ
基金项 目： 国家 自然科学基 金资助项 目（ １０ １７ ； ５ ０ ５ ６ ） 国家教育部重点研究课题 （０ ０ ４ ２９０ ）
作者简 介： ］ １７ 一）女 ， 宁铁岭人 ， 张 ￣（９５ ， 辽 天津职业技术师范大学副教授 ， 博士 ， 主要研究方 向为汽车现代设计
１２； ．。 减小外倾角 ， 外倾角变化 减小 ， 变化范 围为 ０ ８； ． 减小后倾 角 ， 。 外倾角变 化最 小， 变化 范 围为 ００ 。 以 ， ．２。所 后倾 角对 外 倾 角 的影 响很 大 。而加 大外倾角的初始值 ， 车轮跳动过程中会增加外倾角
的变化 范 围。
・
现代设计与先进制造技术 ・
机构。
在我 国 ， 多 车 型 出现 了轮胎 早 期 磨 损 严 重 、 许
前轮摆振 、 向沉重等现 象ｌ 。原 因之一 是汽 车 转 １ ｊ 前轮定位参数的选取还处于纯经验阶段 ， 一般采用 类 比法或通过大量的试验确定 ， 给设计带来一定 的 盲 目 。因此 ， 性 本文应用动力学分析软件 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ 建立某 矿 用 汽 车 的 参 数 化 仿 真 模 型 ＿ ， 析 烛 式 ２ 分 Ｊ 悬架 一 整体式转 向机构的前轮定位参数运动特性 ， 并将其集成到优化设计软件 ｉｇ ｔ 对其进行优 ｓ ｈ 中， ｉ 化 设计 研 究 。
约束条件是车轮跳动状态 ， 前轮最大摆角小于 ３。设计变量的取值范围： 。 前轮外倾角范 围为 ０～ 。
验证 了模型的正确性和有效性后 ， 对定位参数 的运动学特性进行仿真分析。
参数 ， 曲线基本重合。 各
２ 定位 参数韵 运动学特性
２ １ 改 变汽车结构参数 时定位参数 的变化 ．
分析改变汽车结构参数对定位参数运动特性
的影响。由于在烛式悬架结构中， 主销 内倾角 、 主
销后倾角是 固定值 ， 以不需要 分析其运动学规 所 律 。仿 真 内容 主要 包括 ： 车 初 始设 定 加速 度 ， 汽 加 速度 １６ ５ ２ｓ最高车速 １ｍ／（７ｍ／ ） ； ．２ ｍ ／（ ３ ｓ４ ｋ ｈ ）减小 加 速 度 ， 速 度 １ １ｍ２ｓ（ 高 车 速 ９ ７ ｓ 加 ．５ ／ 最 ． ｍ／ （５ｍ／ ） ； ３ ｋ ｈ ） 增加 载荷 ， １ｔ 从 ７ 增加至 ３ ｔ改变前 ７； 悬架 刚度 （４Ｎ／ ｍ 降到 ４４ ｍ ； ６４ ｍ ４Ｎ／ ｍ） 改变前悬
在仿真之前 ， 需要验证模 型的正确性 和有 效
性 。首 先验 证 烛式 悬 架 的运 动 特 征 。烛 式悬 架 的
运动特点是车轮跳动过程 中主销内倾角 、 主销后倾
图 １ 参 数化仿真模型
角不发生变化。仿真车轮跳动过程中， 内倾角及后 倾角保持不变 ， 这说 明模型悬架系统的运动学特征
减小内倾角 ， 将加大车轮摆角的变化范围； 其余 因
素对此影响较小。 仿真 分 析 后 ， 仿 真 数 据 集 成 到 软 件 ｉｇｔ 将 ｓ ｈ ｉ 中， 对其进行优化设计研究。
３ 定位参数 的优化设计
以仿真分析 的结果为依据 ， 优化 目标选择为 ： 车轮跳动过程中车轮摆角最小、 车辆行驶过程 中前 轮外倾角值最接近 ０。 。 由于 前 轮 前 束 可 以 由前 轮 外 倾 角 计 算 得 出Ｌ ， 以设 计变 量 选 择 为 车轮 的 ３个 定 位 参 数 ， ３所 ］ 即主销内倾角 、 后倾角 、 前轮外倾 角。因为不 同的
位 参数 进行 了设 计研 究 。设计 结 果表 明 ： 设计 方 法优 于传 统 的经验 公式设 计 方 法。 该 关 键词 ： 定位 参数 ； 动特 性 ； 化 设计 运 优 中图分 类号 ： ４３ ４ Ｕ ６ ．２ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２ ６６ ２ １ ）７—０４ —０ １７ —１１ （０ １１ ０５ ３ 其 中悬架 类 型为烛 式 悬架 ， 向机构 为整 体式 转 向 转
效的。
图３ 是仿真所得的前束角测试 曲线。两侧车
轮 前束 角变 化趋势 相 同。 图中各 曲线 依次 是 （ 上 从
到下）第一线是 汽车重 载情 况下 ， ： 前束 角测 试 曲 线； 第二 线是 改变前 悬架 刚度 ， 前束 角测试 曲线 ； 第
三 线是 减小加 速 度 时 ， 前束 角 测试 曲线 ； 变 其 余 改
仿真模型包括转向节（ 个 ）转 向轮（ 个 ）悬 ２ 、 ４ 、 架（ 个 ）转 向梯形臂（ 个 ）转 向横拉杆 、 ４ 、 ２ 、 车桥 、 质 心等部件 。模型中， 向节与前悬架使用旋转副约 转 束； 悬架由上下两部分（ 缸筒和推杆） 组成 ， 并使用 移动副约束 ， 悬架上部分（ 缸筒） 与车辆质心使用 固 定 副 约束 ； 悬架 上 部 分 安 装 弹 簧 ， 悬架 推 杆 上 下 当
≤
图 ４ 前 轮 外 倾 角 变 化
图 ２ 前 轮 外倾 角 变化
可 以 看 出 ： 始 参 数 的 外 倾 角 变 化 范 围 为 初
可以看出， 除载荷 、 悬架刚度外 ， 各结构参数对 外倾角的影响很小。载荷对外倾角的影响较大 ， 提 高载荷 ， 外倾角将更加偏离设 置值 ， 减小 为 ０ ９ 。 ．１ （ 原始设置， 外倾角稳定在 ０ ９ 。。所以在设计时 ．３） 要考虑载荷 、 悬架刚度 、 轮胎参数对外倾角的影响 ， 或增大外倾角的初始设置值 。
的运动学特性 ， 而且可 以在定位参数的设计 中综合 考虑悬架 、 向机构及其他结构参数的影响， 转 克服 传统经验公式的缺陷， 最大程度地优化汽车的整车
性能。
参 考文 献 ：
［ ］ 魏道高． １ 汽车前轮定 位参数研究 与展望 ［］． Ｊ 合肥工业 大学 学
．
报： 自然科 学版 ，０ ４２ （ ２ ： ９ ２０ ，７ １ ） １５ ４—１５ ７ ９ ．
表 １ 约束副 类型及 自由度
类型
数量
旋 转副
２
球副
２
移 动副
６
固定副
９
平面副 自由度
２ ８
模 型所 加 的运 动 激 励 包括 车轮 上 下 跳 动 的 激 励 及汽 车行 驶 的 激励 。所 施加 的外 力 包 括 轮 胎 阻 力 矩及 汽 车行驶 的驱 动力 。
参数。 ａ前轮外倾角变化 。 ． 图 ２是汽车加速行驶 中， 前轮外倾角的变化曲
图中各 曲线依次是 （ 波峰处 ： 从左到右）第一线是 ： 改变外倾角时 ， 外倾角测试 曲线 ； 第二线为减小 内
倾角 时 ， 角 测试 曲线 ； 三线 为减小 前束 时 ， 外倾 第 外
线。图中各 曲线依次是（ 从上到下）第一线是提高 ：
图 ５ 前 轮 摆 角 变 化
可 以看 出 ， 减小 后倾 角 ， 轮摆 角迅 速减小 ； 车 而
４ 结束 语
应用 软件建立某型的参数化仿真模 型， 并将仿真模型集成到 ｉｇ ｔ ｓ ｈ 软件 中进行基于多 ｉ 状态多 目 标的前轮定位参数优化设计 ， 这是一种科
学 的设计 方 法 。这 种 方 法 不仅 可 以分 析 定 位 参 数
。
４ ６
２ １ 年 ９ 中国制造业信息化 ０１ 月
ｂ 前束 角变化 。 ．
第４卷 ０
第 １ 期 ７
是 正确 的 。其 次 ， 证 了转 向机构 的正确 性 和有效 验
性 。仿真模型输出的内外侧车轮转角 曲线和计算 所 得 的转角 曲线 吻合 ， 以确 定仿 真模 型 的转 向机 可 构是正确和有效的。汽车在加速行驶过程中， 保持 直线行驶状态， 这说明汽车的行驶系统是正确和有
后轴使用 固定副约束 ， 其余部分的设置与前悬架相 似； 由于是 全液 压 转 向系 统 ， 在模 型 中转 向液 压 缸
由弹簧代替 ， 弹簧 的前端与车架使用 固定副约束 ， 弹簧的后端与转向臂使用旋转副约束 ； 转向梯形臂 与转 向节使 用 旋转 副 约束 ； 向梯 形臂 与转 向横 拉 转 杆使用万向节副约束 ； 测试台与轮胎使用平面副约 束 。仿真模型的全部约束和 自由度见表 １ 。
［ ］ 董恩 国， ２ 张
蕾． 于 Ａ Ａ 基 Ｄ ＭＳ的汽车转 向机构 全液压 系统
载荷影响车轮定位参数的变化 ， 以设计条件为车 所
辆 满载 状态 。
设计 ［］ 液压 与气动 ， ｏ （ １ ： — ． Ｊ． ２ ５ １ ）４ ６ ０ ［ ］ 魏道高 ， ３ 陈雪琴 ． 车辆前 轮前束值 与外 倾角合 理 匹配算法 的
参数 的设计结果及其 目标值见表 ２中方法 ２ 。
表 ２ 优化 结果
可 以看 出 ， 这 ２种 方 பைடு நூலகம் 中 ， 文 方 法 的 设计 在 本
结果优于经验公式的计算结果。对于设计变量 ， 内 倾角的设计值基本相同 ， 但是后倾角和外倾角的差 异较大。这主要是 由于内倾角对行驶 中前轮外倾 角值 、 车轮跳动 中前轮最大摆角值影响较小 ， 而后 倾 角 和外倾 角对 这 ２个 目标影 响较 大 。
汽车载荷 ， 外倾角测试 曲线 ； 第二线是改变后悬架 刚度 ， 外倾角测试曲线 ； 第三线是改变前悬架刚度， 外倾 角测 试 曲线 ； 下 面 的 曲线 是 改 变 轮 胎 参 数 最 时， 外倾角测试 曲线 ； 其余各曲线基本重合 。
倾角测试曲线 ； 四线为原始数据 ， 第 外倾角测试曲 线； 第五线（ 外倾角变化最小 ） 为改变后倾角时， 外 倾 角测试 曲线 。
ｂ车 轮摆 角变 化 。 ．
张
蕾
董恩 国 邢艳云
汽车前轮定位参数运动特性分…… ４ ７
２中方法 １ 。若 以经验公 式方法计算 一 其定位 ，
图５ 是仿真所得 的车轮摆角变化 曲线。图中 各曲线依次是（ 波峰处 ： 从左到右 ）第一线是减小 ： 后倾角所得的车轮摆 角曲线 ， 摆角最小 ； 最右侧 为 减小 内倾角 ， 车轮摆角曲线 ， 摆角变化最大 ； 其余情
收 稿 日期 ：０ １ ５ ９ ２ １ —０ 一Ｏ
基金项 目： 国家 自然科学基 金资助项 目（ １０ １７ ； ５ ０ ５ ６ ） 国家教育部重点研究课题 （０ ０ ４ ２９０ ）
作者简 介： ］ １７ 一）女 ， 宁铁岭人 ， 张 ￣（９５ ， 辽 天津职业技术师范大学副教授 ， 博士 ， 主要研究方 向为汽车现代设计
１２； ．。 减小外倾角 ， 外倾角变化 减小 ， 变化范 围为 ０ ８； ． 减小后倾 角 ， 。 外倾角变 化最 小， 变化 范 围为 ００ 。 以 ， ．２。所 后倾 角对 外 倾 角 的影 响很 大 。而加 大外倾角的初始值 ， 车轮跳动过程中会增加外倾角
的变化 范 围。
・
现代设计与先进制造技术 ・
机构。
在我 国 ， 多 车 型 出现 了轮胎 早 期 磨 损 严 重 、 许
前轮摆振 、 向沉重等现 象ｌ 。原 因之一 是汽 车 转 １ ｊ 前轮定位参数的选取还处于纯经验阶段 ， 一般采用 类 比法或通过大量的试验确定 ， 给设计带来一定 的 盲 目 。因此 ， 性 本文应用动力学分析软件 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ 建立某 矿 用 汽 车 的 参 数 化 仿 真 模 型 ＿ ， 析 烛 式 ２ 分 Ｊ 悬架 一 整体式转 向机构的前轮定位参数运动特性 ， 并将其集成到优化设计软件 ｉｇ ｔ 对其进行优 ｓ ｈ 中， ｉ 化 设计 研 究 。
约束条件是车轮跳动状态 ， 前轮最大摆角小于 ３。设计变量的取值范围： 。 前轮外倾角范 围为 ０～ 。
验证 了模型的正确性和有效性后 ， 对定位参数 的运动学特性进行仿真分析。
参数 ， 曲线基本重合。 各
２ 定位 参数韵 运动学特性
２ １ 改 变汽车结构参数 时定位参数 的变化 ．
分析改变汽车结构参数对定位参数运动特性
的影响。由于在烛式悬架结构中， 主销 内倾角 、 主
销后倾角是 固定值 ， 以不需要 分析其运动学规 所 律 。仿 真 内容 主要 包括 ： 车 初 始设 定 加速 度 ， 汽 加 速度 １６ ５ ２ｓ最高车速 １ｍ／（７ｍ／ ） ； ．２ ｍ ／（ ３ ｓ４ ｋ ｈ ）减小 加 速 度 ， 速 度 １ １ｍ２ｓ（ 高 车 速 ９ ７ ｓ 加 ．５ ／ 最 ． ｍ／ （５ｍ／ ） ； ３ ｋ ｈ ） 增加 载荷 ， １ｔ 从 ７ 增加至 ３ ｔ改变前 ７； 悬架 刚度 （４Ｎ／ ｍ 降到 ４４ ｍ ； ６４ ｍ ４Ｎ／ ｍ） 改变前悬
在仿真之前 ， 需要验证模 型的正确性 和有 效
性 。首 先验 证 烛式 悬 架 的运 动 特 征 。烛 式悬 架 的
运动特点是车轮跳动过程 中主销内倾角 、 主销后倾
图 １ 参 数化仿真模型
角不发生变化。仿真车轮跳动过程中， 内倾角及后 倾角保持不变 ， 这说 明模型悬架系统的运动学特征
减小内倾角 ， 将加大车轮摆角的变化范围； 其余 因
素对此影响较小。 仿真 分 析 后 ， 仿 真 数 据 集 成 到 软 件 ｉｇｔ 将 ｓ ｈ ｉ 中， 对其进行优化设计研究。
３ 定位参数 的优化设计
以仿真分析 的结果为依据 ， 优化 目标选择为 ： 车轮跳动过程中车轮摆角最小、 车辆行驶过程 中前 轮外倾角值最接近 ０。 。 由于 前 轮 前 束 可 以 由前 轮 外 倾 角 计 算 得 出Ｌ ， 以设 计变 量 选 择 为 车轮 的 ３个 定 位 参 数 ， ３所 ］ 即主销内倾角 、 后倾角 、 前轮外倾 角。因为不 同的
位 参数 进行 了设 计研 究 。设计 结 果表 明 ： 设计 方 法优 于传 统 的经验 公式设 计 方 法。 该 关 键词 ： 定位 参数 ； 动特 性 ； 化 设计 运 优 中图分 类号 ： ４３ ４ Ｕ ６ ．２ 文 献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２ ６６ ２ １ ）７—０４ —０ １７ —１１ （０ １１ ０５ ３ 其 中悬架 类 型为烛 式 悬架 ， 向机构 为整 体式 转 向 转
效的。
图３ 是仿真所得的前束角测试 曲线。两侧车
轮 前束 角变 化趋势 相 同。 图中各 曲线 依次 是 （ 上 从
到下）第一线是 汽车重 载情 况下 ， ： 前束 角测 试 曲 线； 第二 线是 改变前 悬架 刚度 ， 前束 角测试 曲线 ； 第
三 线是 减小加 速 度 时 ， 前束 角 测试 曲线 ； 变 其 余 改
仿真模型包括转向节（ 个 ）转 向轮（ 个 ）悬 ２ 、 ４ 、 架（ 个 ）转 向梯形臂（ 个 ）转 向横拉杆 、 ４ 、 ２ 、 车桥 、 质 心等部件 。模型中， 向节与前悬架使用旋转副约 转 束； 悬架由上下两部分（ 缸筒和推杆） 组成 ， 并使用 移动副约束 ， 悬架上部分（ 缸筒） 与车辆质心使用 固 定 副 约束 ； 悬架 上 部 分 安 装 弹 簧 ， 悬架 推 杆 上 下 当
≤
图 ４ 前 轮 外 倾 角 变 化
图 ２ 前 轮 外倾 角 变化
可 以 看 出 ： 始 参 数 的 外 倾 角 变 化 范 围 为 初
可以看出， 除载荷 、 悬架刚度外 ， 各结构参数对 外倾角的影响很小。载荷对外倾角的影响较大 ， 提 高载荷 ， 外倾角将更加偏离设 置值 ， 减小 为 ０ ９ 。 ．１ （ 原始设置， 外倾角稳定在 ０ ９ 。。所以在设计时 ．３） 要考虑载荷 、 悬架刚度 、 轮胎参数对外倾角的影响 ， 或增大外倾角的初始设置值 。
的运动学特性 ， 而且可 以在定位参数的设计 中综合 考虑悬架 、 向机构及其他结构参数的影响， 转 克服 传统经验公式的缺陷， 最大程度地优化汽车的整车
性能。
参 考文 献 ：
［ ］ 魏道高． １ 汽车前轮定 位参数研究 与展望 ［］． Ｊ 合肥工业 大学 学
．
报： 自然科 学版 ，０ ４２ （ ２ ： ９ ２０ ，７ １ ） １５ ４—１５ ７ ９ ．
表 １ 约束副 类型及 自由度
类型
数量
旋 转副
２
球副
２
移 动副
６
固定副
９
平面副 自由度
２ ８
模 型所 加 的运 动 激 励 包括 车轮 上 下 跳 动 的 激 励 及汽 车行 驶 的 激励 。所 施加 的外 力 包 括 轮 胎 阻 力 矩及 汽 车行驶 的驱 动力 。
参数。 ａ前轮外倾角变化 。 ． 图 ２是汽车加速行驶 中， 前轮外倾角的变化曲
图中各 曲线依次是 （ 波峰处 ： 从左到右）第一线是 ： 改变外倾角时 ， 外倾角测试 曲线 ； 第二线为减小 内
倾角 时 ， 角 测试 曲线 ； 三线 为减小 前束 时 ， 外倾 第 外
线。图中各 曲线依次是（ 从上到下）第一线是提高 ：
图 ５ 前 轮 摆 角 变 化
可 以看 出 ， 减小 后倾 角 ， 轮摆 角迅 速减小 ； 车 而
４ 结束 语
应用 软件建立某型的参数化仿真模 型， 并将仿真模型集成到 ｉｇ ｔ ｓ ｈ 软件 中进行基于多 ｉ 状态多 目 标的前轮定位参数优化设计 ， 这是一种科
学 的设计 方 法 。这 种 方 法 不仅 可 以分 析 定 位 参 数
。
４ ６
２ １ 年 ９ 中国制造业信息化 ０１ 月
ｂ 前束 角变化 。 ．
第４卷 ０
第 １ 期 ７
是 正确 的 。其 次 ， 证 了转 向机构 的正确 性 和有效 验
性 。仿真模型输出的内外侧车轮转角 曲线和计算 所 得 的转角 曲线 吻合 ， 以确 定仿 真模 型 的转 向机 可 构是正确和有效的。汽车在加速行驶过程中， 保持 直线行驶状态， 这说明汽车的行驶系统是正确和有
后轴使用 固定副约束 ， 其余部分的设置与前悬架相 似； 由于是 全液 压 转 向系 统 ， 在模 型 中转 向液 压 缸
由弹簧代替 ， 弹簧 的前端与车架使用 固定副约束 ， 弹簧的后端与转向臂使用旋转副约束 ； 转向梯形臂 与转 向节使 用 旋转 副 约束 ； 向梯 形臂 与转 向横 拉 转 杆使用万向节副约束 ； 测试台与轮胎使用平面副约 束 。仿真模型的全部约束和 自由度见表 １ 。
［ ］ 董恩 国， ２ 张
蕾． 于 Ａ Ａ 基 Ｄ ＭＳ的汽车转 向机构 全液压 系统
载荷影响车轮定位参数的变化 ， 以设计条件为车 所
辆 满载 状态 。
设计 ［］ 液压 与气动 ， ｏ （ １ ： — ． Ｊ． ２ ５ １ ）４ ６ ０ ［ ］ 魏道高 ， ３ 陈雪琴 ． 车辆前 轮前束值 与外 倾角合 理 匹配算法 的
