基于ADAMS/Insight的雙橫臂懸架硬點(diǎn)優(yōu)化

覃紫瑩,廖抒華,陸潤(rùn)明,黎炯

(廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州 545000)

0 引言

中國(guó)大學(xué)生巴哈大賽(Baja SAE China)是由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)主辦的大學(xué)生小型越野車競(jìng)賽。根據(jù)比賽要求，參賽隊(duì)伍在一年內(nèi)按照參賽規(guī)則自行設(shè)計(jì)、制造一輛符合比賽標(biāo)準(zhǔn)的小型越野車[1]。由于設(shè)計(jì)時(shí)間的局限性，且要保證賽車的整體性能，所以對(duì)巴哈賽車設(shè)計(jì)工作者提出了極高的要求。因此在短時(shí)間內(nèi)需要一個(gè)良好的設(shè)計(jì)方法來(lái)有效地保證賽車設(shè)計(jì)質(zhì)量，以及符合賽事根本要求。本文作者針對(duì)巴哈賽車的懸架設(shè)計(jì)，探索一種快速、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法，有效提高懸架設(shè)計(jì)的工作效率，以及縮短巴哈賽車前懸架的開(kāi)發(fā)周期。

1 懸架仿真模型的建立與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

從三維模型中獲取懸架各硬點(diǎn)的坐標(biāo)，在ADAMS/Car中建立多體動(dòng)力學(xué)仿真模型。在ADAMS/Car中創(chuàng)建部件，具體如下：由部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，輪轂通過(guò)旋轉(zhuǎn)副與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)球鉸副與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接，減振器下滑柱通過(guò)萬(wàn)向副與懸架下擺臂連接，減振器上滑柱通過(guò)萬(wàn)向副與車身子系統(tǒng)連接，轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)軸套分別與上、下控制臂連接，上、下控制臂通過(guò)旋轉(zhuǎn)副與車架連接[7]，定義通信器，建立多體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 雙橫臂懸架多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

定義與前懸架系統(tǒng)分析相關(guān)的車輛參數(shù)如下：輪胎自由半徑為127 mm，輪胎徑向剛度為220 N/mm，簧上質(zhì)量為178 kg，質(zhì)心高度為440 mm，軸距為1 380 mm。此外，定義平衡位置前輪定位參數(shù)如下：前束值為1°，車輪外傾角為1°[5]。根據(jù)懸架系統(tǒng)的動(dòng)撓度的設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)量，選擇車輪上、下跳動(dòng)高度設(shè)定分別為上跳+100 mm、下跳-30 mm，修改好彈簧剛度、彈簧預(yù)載等參數(shù)后，借助ADAMS/Car模塊，對(duì)懸架仿真模型做雙輪同向激振仿真試驗(yàn)。

2 ADAMS/Insight實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)入DOE Interface操作板塊，建立目標(biāo)函數(shù)。依次將與前懸架系統(tǒng)分析相關(guān)的車輛參數(shù)建立為優(yōu)化目標(biāo)，選擇設(shè)計(jì)目標(biāo)分析的數(shù)值類型，進(jìn)行分析腳本設(shè)定以后，進(jìn)入ADAMS/Insight界面，確定相關(guān)的優(yōu)化變量和優(yōu)化目標(biāo)。由于轉(zhuǎn)向節(jié)與多個(gè)部件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副相連接，在結(jié)構(gòu)上不便輕易改動(dòng)，因此懸架上、下擺臂的外點(diǎn)不作為優(yōu)化對(duì)象，亦即固定了靜載狀態(tài)下的主銷傾角。這樣有利于減少數(shù)值迭代次數(shù)，更容易靠近設(shè)計(jì)目標(biāo)值。所以，懸架硬點(diǎn)的優(yōu)化工作主要針對(duì)上、下擺臂的前點(diǎn)和后點(diǎn)。由于雙橫臂懸架在結(jié)構(gòu)上左、右對(duì)稱，所以該試驗(yàn)取前懸架左側(cè)懸架作為分析對(duì)象，在模型中其上、下擺臂的前點(diǎn)和后點(diǎn)共4個(gè)硬點(diǎn)，包括12個(gè)不同的坐標(biāo)。另外，又由于規(guī)則對(duì)賽車前艙結(jié)構(gòu)、尺寸有明確規(guī)定，加上前艙的人機(jī)工程學(xué)要求、輕量化設(shè)計(jì)要求和制動(dòng)系統(tǒng)等的裝配需求。綜上考慮，車架橫向尺寸不便輕易改動(dòng)。即在上、下擺臂的前、后點(diǎn)12個(gè)坐標(biāo)中，Y坐標(biāo)不作為優(yōu)化的對(duì)象，僅對(duì)4個(gè)硬點(diǎn)的X、Z坐標(biāo)做優(yōu)化即可，即以此作為影響因素，分析其對(duì)車輛懸架相關(guān)參數(shù)的影響， 完成ADAMS/Insight實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]。

3 各硬點(diǎn)坐標(biāo)的影響系數(shù)

在確定影響因素和響應(yīng)目標(biāo)的選擇后，再進(jìn)行設(shè)置相關(guān)的分析具體環(huán)境，設(shè)置完成以后，生成分析空間，接下來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算。在ADAMS/Insight模塊中選擇Display，選擇已分析的試驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)入操作頁(yè)面以后，生成分析結(jié)果，把輸出結(jié)果保存到電腦，觀察所選取的各硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架相關(guān)參數(shù)的影響系數(shù)，數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 各硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架相關(guān)參數(shù)的影響系數(shù)

4 改變硬點(diǎn)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化

獲得各硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架相關(guān)參數(shù)的影響系數(shù)以后，優(yōu)先考慮選擇影響系數(shù)較大的坐標(biāo)開(kāi)始調(diào)整，作為主要優(yōu)化因子，而對(duì)于影響系數(shù)較小的坐標(biāo)，對(duì)優(yōu)化主要起輔助調(diào)節(jié)作用。在設(shè)定的坐標(biāo)變動(dòng)區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)坐標(biāo)值，文中模型選擇的變化范圍為±10 mm，不斷調(diào)節(jié)坐標(biāo)值使響應(yīng)對(duì)象逐步達(dá)到理想目標(biāo)值以內(nèi)，硬點(diǎn)優(yōu)化前、后的坐標(biāo)如表2所示。

表2 優(yōu)化前、后的硬點(diǎn)坐標(biāo) mm

5 硬點(diǎn)優(yōu)化前、后的懸架特性曲線對(duì)比

賽車前懸架的前束角應(yīng)該保持在1°左右，其變化范圍不能太大，且應(yīng)該避免前束角在賽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生突變，這樣有利于賽車經(jīng)過(guò)各種復(fù)雜路面時(shí)前束角不會(huì)因汽車的上下跳動(dòng)而發(fā)生較大變化，還能保持良好的行駛和操縱穩(wěn)定性；轎車的車輪外傾角通常設(shè)計(jì)的具有微小的正外傾，而巴哈賽車的路況通常更為復(fù)雜，要求車輪外傾角能夠減少賽車行駛時(shí)輪胎的異常磨損和維持直線行駛的穩(wěn)定性[2]，而且其數(shù)值變化也不能太大，且當(dāng)車手坐進(jìn)賽車艙內(nèi)后，車輪外傾角應(yīng)該接近0°，這樣就保證了賽車具有良好的抓地力和側(cè)向附著力；主銷內(nèi)傾角減小了主銷偏移距，同時(shí)它的存在會(huì)給轉(zhuǎn)向輪施加一個(gè)回正力矩，變化范圍在6°～11°之內(nèi)，它使轉(zhuǎn)向更加輕便且有利于方向盤復(fù)位；主銷后傾角一般控制在0°～4°之間，它的存在使賽車在行駛過(guò)程中具有自動(dòng)回正的功能。主銷后傾角的變化會(huì)引起賽車轉(zhuǎn)向力矩的變化，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時(shí)車輪外傾角的變化，對(duì)賽車的操縱穩(wěn)定性造成惡性的影響，對(duì)輪胎也會(huì)造成不均勻的磨損[6]。所以主銷后傾角的數(shù)值不宜過(guò)大，變化范圍也不能太大；輪距的變化量不應(yīng)過(guò)大，這樣避免出現(xiàn)由于特殊路面狀況而引起的輪距突變給輪胎造成異常的磨損，從而影響賽車的行駛平順性。圖2—圖6為硬點(diǎn)優(yōu)化前、后的懸架相關(guān)特性曲線對(duì)比。

圖3 優(yōu)化前、后前束角變化對(duì)比

圖4 優(yōu)化前、后主銷內(nèi)傾角變化對(duì)比

圖5 優(yōu)化前、后主銷后傾角變化對(duì)比

圖6 優(yōu)化前、后輪距變化對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)巴哈賽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了相對(duì)應(yīng)的前懸架硬點(diǎn)優(yōu)化方法。分別應(yīng)用ADAMS/Car模塊和ADAMS/Insight模塊對(duì)懸架進(jìn)行模型建立和懸架硬點(diǎn)優(yōu)化，通過(guò)分析懸架各硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架參數(shù)的影響系數(shù)，最終選擇影響系數(shù)相對(duì)較大的硬點(diǎn)坐標(biāo)值作為優(yōu)化對(duì)象，通過(guò)這種方法有針對(duì)性地對(duì)懸架硬點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，能在短時(shí)間內(nèi)使懸架相關(guān)參數(shù)達(dá)到優(yōu)化的預(yù)期目標(biāo)，在比賽規(guī)定的有效時(shí)間內(nèi)大大提高懸架設(shè)計(jì)的工作周期，有效節(jié)約時(shí)間。試驗(yàn)表明，相比優(yōu)化前的懸架相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化后的懸架相關(guān)參數(shù)使車輪外傾角、前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角更接近于理想范圍值，前后輪距明顯減小，這有助于減少輪胎的磨損和減小滾動(dòng)阻力[3]，同時(shí)提高了賽車的行駛穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性，從而提升了賽車的整體性能。