基于多學科設計法的汽車雙橫臂獨立懸架優化設計

趙玉霞，林建飛，鄭泉

(1.滁州職業技術學院，安徽滁州 239000；2.安徽農業大學 工學院，安徽合肥 230036)

基于多學科設計法的汽車雙橫臂獨立懸架優化設計

趙玉霞1，林建飛2，鄭泉2

(1.滁州職業技術學院，安徽滁州 239000；2.安徽農業大學 工學院，安徽合肥 230036)

提出一種基于多學科優化設計的雙橫臂獨立懸架優化設計方法。以某款汽車的雙橫臂獨立懸架為研究對象，構建主銷后傾角最小、外傾角和前束角變化量最小的多目標優化函數；集成ISIGHT和ADAMS/CAR軟件，并對其進行多學科優化設計。優化結果表明：優化后主銷后傾角相應減小2°，外傾角和前束角變化范圍均減少0.45°和0.5°。經試驗驗證，懸架轉向輕便性和綜合性能得到改善。

懸架；雙橫臂；遺傳算法；多學科優化

雙橫臂式獨立懸架廣泛應用于現代汽車上，其運動特性直接影響汽車操縱穩定性、轉向輕便性和輪胎使用壽命等[1-2]。國內外諸多學者在雙橫臂懸架優化設計方面進行了大量的研究[3-6]，文獻[7]利用多目標遺傳算法對輪胎滑移和傾角的變化進行優化，得出雙橫臂懸架輪胎滑移和外傾角的變化關系及其懸架導向桿系參數；文獻[8]采用統一目標法將多目標函數轉化為單目標函數，對前輪定位參數進行了優化。

多學科設計優化方法(multidisciplinary design optimization，MDO)作為一種新型的優化設計方法已經在多種行業得到應用，該方法是充分利用和探索系統中相互作用的協同機制來設計復雜系統和子系統的方法論，充分考慮各子系統間的耦合關系，并通過協調各子系統間的關系尋求系統級的整體最優解[9-11]。

本文以某款汽車的雙橫臂獨立懸架為研究對象，建立主銷后傾角最小、外傾角和前束角變化量最小的目標函數，基于多學科優化設計方法，集成ISIGHT、 ADAMS/CAR環境下構建雙橫臂獨立懸架多學科優化平臺，對其進行優化設計。

1 雙橫臂懸架運動特性分析

圖1 雙橫臂式獨立懸架空間結構簡圖

雙橫臂式獨立懸架空間拓撲結構如圖1所示，圖中OAB為下擺臂，繞軸線OA轉動；MNK為上擺臂，繞軸線MN轉動；K(xK,yK,zK)、B(xB,yB,zB)點分別為上下球節點，BK為主銷軸線；G(xG,yG,zG)點為車輪中心，車輪軸線GJ交BK于J(xJ,yJ,zJ)點；P(xP,yP,zP)點為輪胎接地點；轉向節臂DF交BK于F點，DF⊥BK；E、D點分別為橫拉桿內外球節點。運用空間機構運動學原理，對懸架進行運動學分析計算，為懸架運動軌跡的研究提供理論參照[12-14]。前輪定位參數表達式為：主銷內傾角α=arctan〔(yK-yB)/(zK-zB)〕，主銷后傾角β=arctan〔(xK-xB)/(zK-zB)〕，前輪外傾角γ=arctan〔(yP-yG)/(zP-zG)〕,前輪前束量Δ=arctan〔(xG-xJ)/(yG-yJ)〕。

2 雙橫臂獨立懸架多學科優化

2.1 設計變量

圖2 雙橫臂懸架運動學模型

基于ADAMS/CAR軟件建立雙橫臂懸架運動學模型如圖2所示。由于設計變量較多(6個關鍵點，總共18個設計變量)，基于靈敏度分析方法對設計變量進行分析，設計變量約束上下變動，設計響應目標為主銷后傾角、外傾角和前束角，進行512次部分迭代計算，計算結束后，得出靈敏度分析結果，如表1所示。在K模式下，利用靈敏度分析方法，在模型中依次調整每個因素并進行仿真分析，結果表明下擺臂后點(hpl_lca_rear)、上擺臂前點(hpl_uca_front)對懸架相關運動學參數的優化作用不明顯，故不予考慮。整理表1靈敏度分析結果得出對響應目標變化影響較大的硬點坐標為：下擺臂前點(hpl_lca_front)y和z坐標；下擺臂外點(hpl_lca_outer)x坐標；上擺臂外點(hpl_uca_outer)x、y和z坐標；上擺臂后點(hpl_uca_rear)y和z坐標，共4個點的8個方向坐標為設計變量。

表1 懸架關鍵點靈敏度分析表

2.2 目標函數

懸架系統運動關系復雜、子系統之間相互影響，單純基于某一項性能的優化往往會導致另一項性能的降低[15-16]。因此，在要求主銷后傾角減小的同時，需滿足前束角和外傾角的變化量最小，此時主銷后傾角、前束角和外傾角的多目標優化問題，使用以下公式進行優化：

F1(Xβ)=min{Xβi},X1∈Xβ，

(1)

(2)

(3)

F(X)=ω1F1(Xβ)+ω2F2(XΔ)+ω3F3(Xγ)，

(4)

式中：n為仿真迭代總次數，n=256；Xβ、XΔ、Xγ分別為主銷后傾角、前束角和外傾角仿真計算值；X1、X2、X3分別為設計狀態下主銷后傾角、前束角和外傾角初值，X1=5.3、X2=0.1、X3=-1.0；F1(Xβ)、F2(XΔ)、F3(Xγ)分別為主銷后傾角、前束角和外傾角對應目標函數，設計狀態下邊界條件為0≤F1(Xβ)≤10、-1.0≤F2(XΔ)≤10、-3.0≤F3(Xγ)≤-0.5；F(X)為多目標優化函數，定義為F(X)函數值越小越好；ω1、ω2、ω3為權重系數，通過引入層次分析法理論[17-19]，在遺傳算法的編碼過程中對各變量進行權重賦值，使得對多目標優化函數影響較大的目標函數賦予較大的權重，從而更好地發揮各組成部分的作用，通過賦值計算得出ω1=0.4，ω2=ω3=0.3為最優權重系數。

3 多學科優化設計

圖3 ISIGHT集成ADAMS/CAR

利用多目標遺傳算法對相關硬點空間坐標進行多學科優化，以雙橫臂獨立懸架模型為輸入，在ISIGHT軟件中集成ADAMS對輸入進行解析，創建設計變量之間的映射關系，經ADAMS求解器計算分析并生成輸出文件，再經ISIGHT解析完成一次循環[20-22]，如圖3所示。優化前后設計變量對比如表2所示，優化前后主銷后傾角、前輪外傾角、前束角變化如圖4所示。

表2 硬點坐標參數優化前后對比

a)主銷后傾角隨輪跳變化曲線 b)前束角隨輪跳變化曲線 c)前輪外傾角隨輪跳變化曲線圖4 懸架優化前后運動特性對比

由表2可知：下擺臂前點右移10 mm,下移10 mm,下擺臂外點后移10 mm,上擺臂外點前移10 mm,左移10 mm,下移10 mm;上擺臂后點右移10 mm,下移10 mm。

優化結果表明：優化后主銷后傾角變小，外傾角和前束量變化范圍較優化前都有所改善。優化前前輪外傾角變化范圍-2.1°～-0.6°，變化量1.5°；優化后變化范圍-0.8°～-1.85°，變化量1.05°，變化量減小了0.45°；優化前前束角變化范圍-0.15°～0.75°，變化量0.9°；優化后變化范圍0°～0.4°，變化量0.4°，變化量減小了0.5°，在輪跳過程中，一般要求前束量變化范圍越小越好；為避免轉向沉重，汽車主銷后傾角不宜過大，優化后主銷后傾角相應減小了2°，變化范圍在2.2°～4.0°。經K&C試驗臺驗證，如圖5所示，主銷后傾角滿足設計需求，懸架轉向輕便性得到了有效提高。

a)主銷后傾角隨輪跳變化曲線 b)前束角隨輪跳變化曲線 c)外傾角隨輪跳變化曲線圖5 雙橫臂懸架K&C試驗數據圖

4 結語

構建了基于多學科優化設計方法的雙橫臂式獨立懸架多目標優化模型，集成ISIGHT和ADAMS軟件對其進行優化設計；優化后主銷后傾角變小，前束角變化量和外傾角變化量減小并經試驗驗證，提高轉向輕便性的同時改善了懸架綜合性能，實現了預期目標。

[1]陳家瑞.汽車構造(下冊)[M].北京：機械工業出版社,2006.

[2]余志生.汽車理論[M].3版.北京：機械工業出版社,2005.

[3]MAHMOOD-KALEIBAR M,JAVANSHIR I,ADSADI K,et al.Optimization of suspension system of off-road vehicle for vehicle performance improvement[J].Journal of Central South University of Technology,2013,20(4):902-910.

[4]陳黎卿,王啟瑞,陳無畏,等.基于ADAMS的雙橫臂扭桿獨立懸架操縱穩定性分析[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2005,28(4):341-345. CHEN Liqing,WANG Qirui,CHEN Wuwei,et al.Analysis of handling stability of torsion-bar double wishbone independent suspension based on ADAMS software[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2005,28(4):341-345.

[5]胡芳,陳無畏.基于非線性模型的汽車空氣懸架系統模糊控制研究[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2005,28(7):772-777. HU Fang,CHEN Wuwei.Fuzzy control research on automotive air suspension system based on the non-linear model[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science),2005,28(7):772-777.

[6]胡艷云，干年妃，劉良.某轎車的雙橫臂獨立懸架優化設計[J].計算機仿真，2015，32(1)：174-178,214. HU Yanyun,GAN Nianfei,LIU Liang.Optimization of double wishbone suspension for car[J].Computer Simulation,2015,32(1):174-178，214.

[7]莫旭輝,鐘志華,韓旭,等.基于多目標優化的菱形車雙橫臂懸架運動學分析[J].中國機械工程,2009(3):374-377. MO Xuhui,ZHONG Zhihua,HAN Xu,et al.Kinematics analysis of double wishbone suspension based on multi-objective optimizaton[J].China Mechanical Engineering,2009(3):374-377.

[8]李瑜婷,趙治國,章桐.基于ADAMS的雙橫臂懸架性能多目標優化研究[J].機械設計與制造工程,2009,38(17):30-34. LI Yuting，ZHAO Zhiguo,ZHANG Tong.The ADAMS-based multi-objects optimization of double beams vehicle suspension[J].Machine Design and Manufacturing Engineering,2009,38(17):30-34.

[9]王平,鄭松林,吳光強.基于協同優化和多目標遺傳算法的車身結構多學科優化設計[J].機械工程學報,2011,47(2):102-108. WANG Ping,ZHENG Songlin,WU Guangqiang.Multi-disciplinary design optimization of vehicle body structure based on collaborative optimization and multi-objective genetic algorithm[J].Journal of Mechanical Engineering,2011,47(2):102-108.

[9]姜武華.多學科優化方法在汽車底盤設計中的應用研究[D].合肥：合肥工業大學,2014. JIANG Wuhua.Application of multi-discipline design optimization in automotive chassis[D].Heifei:Hefei University of Technology,2014.

[11]趙婷.汽車轉向與懸架集成系統多學科設計方法研究[D].南京：南京航空航天大學,2014. ZHAO Ting.Multidisciplinary design method research of automotive steering and suspension integrated system[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2014.

[12]楊紅強,翁建生.雙橫臂獨立懸架的仿真與優化研究[J].機械科學與技術,2011,30(10):1683-1687. YANG Hongqiang,WENG Jiansheng.Simulation and optimization of the double wishbone suspension[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2011,30(10):1683-1687.

[13]陳黎卿,陳無畏,何欽章.雙橫臂扭桿獨立懸架多目標遺傳優化設計[J].中國機械工程,2007,18(17):2122-2125. CHEN Liqing,CHEN Wuwei,HE Qinzhang.Multi-objective heredity optimization design of torsion-bar wishbone suspension[J].China Mechanical Engineering,2007,18(17):2122-2125.

[14]何磊,陳辛波,黃露,等.雙橫臂獨立懸架導向機構優化仿真及參數化臺架實驗驗證[J].機械科學與技術,2015,34(2):282-286. HE Lei,CHEN Xinbo,HUANG Lu,et al.Simulation optimization of double wishbone independent suspension guide mechanism and parametric bench test[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2015,34(2):282-286.

[15]王軍,姜青松,任啟豐.基于遺傳算法的客車動力性與經濟性的優化匹配[J].山東交通學院學報,2012,20(4):5-8. WANG Jun,JIANG Qingsong,REN Qifeng.Optimal matching of coach power performance and economy based on genetic algorithm[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2012,20(4):5-8.

[16]陳林,蔣德云,李杰,等.某輕型卡車駕駛室翻轉機構的結構設計與優化[J].山東交通學院學報,2013,21(2):9-13. CHEN Lin,JIANG Deyun,LI Jie,et al.The design and optimization of the tilting mechanism for the cab of a light truck[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2013,21(2):9-13.

[17]廖紅強,邱勇,楊俠,等.對應用層次分析法確定權重系數的探討[J].機械工程師,2012(6):22-25. LIAO Hongqiang,QIU Yong,YANG Xia,et al.A Study of weight coefficient computing method based on AHP[J].Mechanical Engineer,2012(6):22-25.

[18]魏代俊,王能發.關于層次分析法中群體決策權重系數確定的探討[J].湖北民族學院學報(自然科學版),2007,25(2):146-147. WEI Daijun,WANG Nengfa.Study on the determination of weight coefficients in AHP group decision[J].Journal of Hubei University for Nationalities(Natural Sciences Edition),2007,25(2):146-147.

[19]王化吉,宗長富,管欣,等.基于模糊層次分析法的汽車操縱穩定性主觀評價指標權重確定方法[J].機械工程學報,2011,47(24):83-90. WANG Huaji,ZONG Changfu,GUAN Xin,et al.Method of determining weights of subjective evaluation indexes for car handling and stability based on fuzzy analytic hierarchy process[J].Journal of Mechanical Engineering,2011,47(24):83-90.

[20]李仕鋒,黃雪嬌,曹源文.基于ADAMS/Car的客車平順性仿真研究[J].山東交通學院學報,2011,19(4):8-11. LI Shifeng,HUANG Xuejiao,CAO Yuanwen.Design of simulation system for estimation of vehicle manipulation stability[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2011,19(4):8-11.

[21]常媛媛,段業廣,雍文亮,等.基于ISIGHT的重型汽車空氣懸架系統多目標優化設計[J].山東交通學院學報,2013,21(3):20-25. CHANG Yuanyuan,DUAN Yeguang,YONG Wenliang,et al.Multi-objective optimization design of air suspension system for heavy vehicle based on ISIGHT[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2013,21(3):20-25.

[22]程賢福,劉艷軍,林彧群.汽車雙橫臂懸架參數穩健優化設計[J].機械科學與技術,2016(9):1421-1425. CHENG Xianfu,LIU Yanjun,LIN Yuqun.Robust optimization design of double wishbone suspension system for automotive[J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2016(9):1421-1425.

(責任編輯：郎偉鋒)

Optimization Design of Double-wishbone Independent Suspension of Car Based on MDO

ZHAOYuxia1,LINJianfei2,ZHENGQuan2

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege,Chuzhou239000,China； 2.CollegeofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China.)

An optimum design method of the double wishbone independent suspension based on the multidisciplinary design optimization (MDO) is presented.By taking the double wishbone independent suspension of a car model as the research subject,the multi-objective optimization functions of the minimum caster,camber and toe angle change is constructed and the multidisciplinary design optimization is made based on the integrated ISIGHT and ADAMS / CAR software.The optimization results show that the optimized caster angle decreases by 2° correspondingly,and the range of camber and toe angles decreases by 0.45° and 0.5° respectively.The experiments verify that the steering portability and overall performance of suspension are improved.

suspension；double-wishbone；genetic algorithm；MDO

2016-09-09

安徽省高校自然科學重點項目(KJ2015A305)

趙玉霞(1965—)，女，安徽淮北人，講師，主要研究方向為機械設計，E-mail: 362770001@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.003

U463.33

A

1672-0032(2016)04-0012-06