独立悬架转向梯形断开点位置的优化设计

２００７年２月农业机械学报第３８卷第２期

独立悬架转向梯形断开点位置的优化设计

蒋国平王国林周孔亢

【摘要】利用ＡＤＡＭＳ软件建立悬架转向机构的虚拟样机模型，系统分析转向梯形断开点对阿克曼转向特性和车轮前束角变化特性的影响，并对转向梯形断开点位置进行优化计算，同时进行试验验证。研究结果表明，该方法使转向梯形断开点的设计更为精确、清晰，提高了工作效率；优化设计后，改善了转向梯形的运动特性和车轮前束角随车轮跳动行程的变化特性。关键词：汽车麦弗逊悬架转向梯形断开点优化设计ＡＤＡＭＳ中图分类号：Ｕ４６３３３；Ｕ４６３４文献标识码：Ａ

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ＪｉａｎｇＧｕｏｐｉｎｇ１ＷａｎｇＧｕｏｌｉｎ２ＺｈｏｕＫｏｎｇｋａｎｇ２

（１爢牣牃牕牋牆牗牕牋爞牗牔牔牣牕牏牅牃牠牏牗牕爮牗牓牪牠牉牅牎牕牏牅２爥牏牃牕牋牞牣爺牕牏牤牉牜牞牏牠牪）

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ＴｈｅｍｕｌｔｉｂｏｄｙｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＭｃＰｈｅｒｓｏｎｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇ

ＡＤＡＭＳ燉Ｃａｒｓｏｆｔｗａｒｅ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｐｌｉｔｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｎＡｃｋｅｒｍａｎｓｔｅｅｒｉｎｇｌｉｎｋａｇｅａｎｄｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ

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┎┌┄┇┈Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ＭｃＰｈｅｒｓｏｎｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，Ａｃｋｅｒｍａｎｓｔｅｅｒｉｎｇｌｉｎｋａｇｅ，Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ

ｐｏｉｎｔ，Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ，ＡＤＡＭＳ收稿日期：２００６０９１１南京汽车集团技术中心企业博士后项目（项目编号：ＹＪ２００１０１）蒋国平广东交通职业技术学院汽车工程系副教授博士后，５１０６５０广州市王国林江苏大学汽车与交通工程学院教授博士后，２１２０１３镇江市周孔亢江苏大学汽车与交通工程学院教授博士生导师引言

转向梯形断开点的确定是独立悬架转向梯形设

计的难点。转向梯形断开点位置的设计，需同时考虑

转向时内外车轮转角关系应尽量符合阿克曼转向几

何条件的要求，同时使得车轮前束角在常用的跳动

行程范围内变化量最小。本文以多体系统动力学理

论为基础，利用ＡＤＡＭＳ燉Ｃａｒ建立试验样车悬架转

向系统的模型，分析转向梯形断开点对阿克曼转向

特性和车轮前束角变化特性的影响，同时利用ＡＤＡＭＳ燉Ｉｎｓｉｇｈｔ的优化设计功能对转向梯形断开

点位置进行优化计算。

转向梯形断开点的设计要求

为了确保汽车在转弯时四轮作纯滚动而不产生

滑移，必须使两转向前轮轴的延长线与后轮轴延长

线的交点作为转向中心进行转向，即所谓的阿克曼

理论转向特性。此时，转向内外轮转角应满足如下关

系［１］：ｃｏｔ犤ｏ－ｃｏｔ犤ｉ＝爦燉爧，犤ｏ为转向外轮转角，犤ｉ为

转向内轮转角，爦

为两主销中心线延长线到地面交点的距离，爧为轴距。这就是在设计转向梯形时，正

确处理内、外轮转角关系的理论依据。转向梯形机构

的主要功能是实现汽车转向时内、外轮理想的转角

关系，但现有汽车转向梯形的设计不能在整个转向

范围内与阿克曼理论完全吻合，只是尽可能与理论

转向特性相接近，转向轮转角与满足阿克曼转向关

系的理想转角之差称为阿克曼偏差。汽车转向梯形和前悬架运动干涉使车轮绕主销

旋转，改变车轮前束值，断开点位置直接决定了前束

随车轮跳动量的变化特性［２］。汽车转向梯形和悬架

干涉引起的附加转角主要表现在：一方面转向车轮

依靠前悬架导向杆系来保证车轮与车身的相对运动

关系，另一方面，转向机与转向车轮之间的传动杆件

也使车轮与车身之间有一定的相对运动关系。这两

种运动关系是由两套独立机构实现的，因此，要做到

完全一致几乎是不可能的，这种不一致的结果就造

成车身侧倾和垂直位移时运动干涉引起转向轮的附

加转角而改变车轮前束值。因此，需合理确定转向梯

形断开点，改善车轮前束角随车轮跳动行程的变化

特性。

悬架转向系统的虚拟样机模型

机械系统动力学仿真分析软件ＡＤＡＭＳ中的

Ｃａｒ专业模块［３］，是ＭＳＣ与Ａｕｄｉ、ＢＭＷ、Ｒｅｎａｕｌｔ和Ｖｏｌｖｏ等公司合作开发的整车设计软件，整合了

在汽车设计开发方面的经验，能够帮助工程师快速

建造高精度的车身、悬架系统、传动系统、发动机、转

向机构、制动系统等子系统在内的参数化虚拟汽车

模型。试验样车的前悬架采用麦弗逊支撑杆摆臂式独

立悬架，可以抽象为１４个独立刚体组成的系统：即

转向支柱、减振器、螺旋弹簧、转向横拉杆、摆臂、直

拉杆、传动轴等零部件，并对它们之间的连接形式作

了合理的抽象。其中转向支柱是最重要的构件，它包

括减振器下部的缸筒、转向节臂和轮胎支承部分等

几个实际零件，但由于它们之间没有相对运动，所以

应作为一个刚体来处理。这其中转向节臂通过球铰

与转向横拉杆连接，减振器缸筒与减振器活塞杆通

过圆柱铰连接，轮胎支承部分与驱动轮胎转动的花

键轴通过转动副相接，下端则通过一个近似理想球

铰的线弹性衬套与下摆臂连接。试验样车转向系统

采用齿轮齿条式转向器，转向传动机构为断开式转

向梯形，所建立的试验样车转向系统模型，将转向系

零部件（方向盘、转向轴、转向传动轴、转向输出轴、转向齿条、转向横拉杆）简化为刚体模型，将齿轮齿

条式转向器的运动关系简化为运动定比耦合，

方向图１转向梯形断开点的结构示意图

Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｐｌｉｔｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆＡｃｋｅｒｍａｎｓｔｅｅｒｉｎｇｌｉｎｋａｇｅ１．转向横拉杆２．断开点３．转向齿条盘与转向轴间为固定铰，转向轴与车身间为转动

铰，转向输出轴与车身之

间为转动铰，转向输出轴

与转向齿条之间为复合铰

链，齿条通过万向节铰链

与转向横拉杆连接。图１为转向梯形断开点的

结构示意图。

转向梯形断开点对

阿克曼转向特性和

车轮前束角的影响

ＡＤＡＭＳ燉Ｃａｒ提供了

强大的悬架系统仿真分析

功能，后处理文件中包括的曲线几乎涵盖了所有常

用的悬架特性，可自动计算出多种悬架特性。利用

ＡＤＡＭＳ燉Ｃａｒ软件的悬架系统分析功能，对麦弗逊

悬架的运动特性进行研究，进行转向试验和双轮同

向跳动试验，得到相关参数的特性曲线［４］。

断开点的牀方向坐标的影响

图２为断开点牀方向坐标对阿克曼转向特性

和车轮前束角的影响。断开点牀向坐标主要对阿克

曼转向特性有显著影响，断开点前移将导致最常使

用的车轮转角范围内的阿克曼偏差变大，加剧轮胎

磨损和破坏汽车操纵稳定性，断开点一定程度的后

移将有利于减小阿克曼偏差，但不宜过大，否则阿克

曼偏差会变大。断开点牀坐标对车轮前束角变化特

性影响很小。

断开点的牁方向坐标的影响

图３为断开点牁方向坐标对阿克曼转向特性

和车轮前束角的影响。断开点牁向坐标对阿克曼转

向特性影响很小。断开点牁坐标对车轮前束角变化

特性有一定的影响，主要表现在车轮下跳行程范围

内，但变化幅值不大。

断开点的牂方向坐标的影响

图４为断开点牂方向坐标对阿克曼转向特性

和车轮前束角的影响。断开点牂坐标对阿克曼转向

特性影响很小。断开点牂向坐标主要对车轮前束角

有显著影响，断开点上移将导致最常用的车轮跳动

行程内的前束角变大，断开点一定程度的下移将有

利于减小车轮前束角的变化，而且可以改变车轮前

束角的变化趋势，使车轮在上跳行程中车轮前束角

变小，有利于提高汽车操纵稳定性和降低轮胎磨损。原设计方案不合理，车轮前束角的变化特性会加剧

汽车的过度转向趋势。１３第２期蒋国平等：独立悬架转向梯形断开点位置的优化设计

图２断开点牀方向坐标对阿克曼转向特性和车轮前束角的影响

Ｆｉｇ．２Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ牀ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｐｏｉｎｔｏｎＡｃｋｅｒｍａｎａｎｇｌｅａｎｄｔｏｅａｎｇｌｅ（ａ）转向特性曲线（ｂ）车轮前束角变化特性曲线

图３断开点牁方向坐标对阿克曼转向特性和车轮前束角的影响

Ｆｉｇ．３Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ牁ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｐｏｉｎｔｏｎＡｃｋｅｒｍａｎａｎｇｌｅａｎｄｔｏｅａｎｇｌｅ（ａ）转向特性曲线（ｂ）车轮前束角变化特性曲线

图４断开点牂方向坐标对阿克曼转向特性和车轮前束角的影响

Ｆｉｇ．４Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ牂ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｐｏｉｎｔｏｎＡｃｋｅｒｍａｎａｎｇｌｅａｎｄｔｏｅａｎｇｌｅ（ａ）转向特性曲线（ｂ）车轮前束角变化特性曲线

转向梯形断开点的优化设计与试验验证

转向梯形断开点的最佳位置首先必须满足阿克曼转向特性的要求，同时应使得车轮在正常的跳动

行程范围内车轮前束角变化量最小，应根据这两个设计要求来确定设计变量、约束条件和目标函数。通过仿真分析可以看出，转向梯形断开点位置对阿克曼转向特性和车轮前束角均有影响，但影响

的程度不一样：断开点牀向坐标主要对阿克曼转向特性有显著影响，而对车轮前束角影响很小；断开点

牂向坐标主要对车轮前束角有显著影响，而对阿克曼转向特性影响很小，断开点牁向坐标对阿克曼转

向特性和车轮前束角的影响很小。因此，可对转向梯形断开点的优化设计进行简化，首先分别进行单变

量单目标的优化设计，然后再进行验算和试验验证，即可实现优化设计的目的。

转向梯形断开点的优化设计方案

断开点牀方向坐标的优化。设计变量为断开点

牀坐标，由于车身结构的限制，设定约束条件为

１１８７ｍｍ≤牀≤１４８７ｍｍ。转向梯形断开点的设

计应使阿克曼偏差在最常使用的车轮小转角范围内

尽量小，以达到汽车高速行驶时减少轮胎磨损的目

的，大多数使用工况下车轮转角小于２５°。因此，设

计目标的阿克曼偏差，要求外车轮转角在０～２５°范

围内实际曲线接近理论特性曲线，即阿克曼偏差的

最小。２３农业机械学报２００７年