基于ADAMS的雙橫臂前懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 琳，韋 鵬，梁玉瑤

（蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

雙橫臂懸架是大型轎車、越野車和城市SUV前懸架常采用的懸架形式。與其他懸架相比，雙橫臂獨(dú)立懸架自由度較多，若合理設(shè)計(jì)上下擺臂的長(zhǎng)度和角度，則可以保證車輪的定位與主銷的角度更加匹配，減少由輪距引起的輪胎磨損[1-2]。為了有效改善車輛平順性和操縱穩(wěn)定性，車輪跳動(dòng)和車輪定位參數(shù)的關(guān)系應(yīng)是研究的主要內(nèi)容。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于雙橫臂獨(dú)立懸架的研究是比較活躍的，提出不少新思路、新方法，其主要分為兩種：一是空間解析幾何法，二是多剛體流體力學(xué)分析法。郭孔輝等系統(tǒng)闡述了懸架系統(tǒng)K&C特性，還從縱向力轉(zhuǎn)向、側(cè)向力轉(zhuǎn)向和干涉等方面對(duì)懸架特性進(jìn)行了分析[3]。文獻(xiàn)[4] 運(yùn)用NSGA-Ⅱ算法，考慮前輪前束角和外傾角，對(duì)懸架進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。Wolfgang Matschinsky教授利用幾何圖解的理論推算了汽車在不平路面上的車輪跳動(dòng)所造成的雙橫臂獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)的形變量，推動(dòng)了懸架分析理論的發(fā)展[2]。但是以上方法均需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，工作量大，利用傳統(tǒng)多剛體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行分析計(jì)算所得的結(jié)果誤差較大[5]，且多數(shù)文獻(xiàn)以車輛平行跳動(dòng)為研究對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而實(shí)際行車中雙輪平行跳動(dòng)和異向跳動(dòng)均存在。為了通過研究更好解決實(shí)際問題，本文以某款車的雙橫臂前懸架為研究對(duì)象，運(yùn)用ADAMS/Car建模并進(jìn)行雙輪平行跳動(dòng)和異向跳動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)合前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角等隨輪跳行程的變化曲線，利用ADAMS/Insight模塊對(duì)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到優(yōu)化前輪定位參數(shù)的目的。利用ADAMS軟件對(duì)懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效檢驗(yàn)懸架設(shè)計(jì)性能，縮短產(chǎn)品的發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本[6-7]。

1 雙橫臂懸架的建模

1.1 雙橫臂懸架的結(jié)構(gòu)分析

雙橫臂懸架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，A點(diǎn)為下擺臂前安裝點(diǎn)，B為下擺臂后安裝點(diǎn)，C為下擺臂外點(diǎn)，D為上擺臂前安裝點(diǎn)，E為上擺臂后安裝點(diǎn)，F(xiàn)為上擺臂外點(diǎn)，G點(diǎn)為車輪中心，H為車輪旋轉(zhuǎn)軸線上一點(diǎn)，L為轉(zhuǎn)向節(jié)臂外點(diǎn)，S為轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)，M為車輪接地點(diǎn)。

圖1 雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 建立仿真模型

根據(jù)某款汽車的懸架硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過ADAMS/Car模塊建立雙橫臂前懸架子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，然后將所建子系統(tǒng)與仿真試驗(yàn)臺(tái)裝配到一起，得到Assembly模型。建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙橫臂懸架模型

2 懸架模型運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究前輪定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)的變化情況，在ADAMS/Car中先后進(jìn)行平行輪跳（Parallel Travel）試驗(yàn)和異向輪跳（Opposite Travel）試驗(yàn)，仿真步數(shù)設(shè)置為100步，車輪上、下跳動(dòng)量分別設(shè)為50 mm和-50 mm。仿真結(jié)束后，在ADAMS軟件的后處理模塊查看前輪各定位參數(shù)隨輪跳行程的變化曲線。

2.2 前輪各定位參數(shù)分析

車輪跳動(dòng)時(shí)，前輪定位角變化對(duì)車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性及車輛的性能有很大影響。前輪前束角對(duì)汽車的操穩(wěn)性和輪胎磨損有重要意義，一般理想變化范圍為-0.5°～0.5°；前輪外傾角對(duì)汽車的輪胎磨損程度及均勻度有較大影響，一般理想外傾角的變化范圍為-2°～2°；主銷后傾角可以增加汽車直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性和使前輪轉(zhuǎn)向后自動(dòng)回正，一般理想變化范圍為1°～7°；主銷內(nèi)傾角的作用主要是回正前輪，一般理想變化范圍為5°～15°[8-9]。仿真試驗(yàn)結(jié)束后，得到各定位參數(shù)隨輪跳的變化數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 優(yōu)化前前輪定位角變化范圍表

從表1中可以看出，主銷后傾角、前輪外傾角和主銷內(nèi)傾角基本在理想變化范圍內(nèi)；前輪前束角遠(yuǎn)超出理想變化范圍，故應(yīng)當(dāng)作為本次優(yōu)化的主要目標(biāo)。

3 懸架模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化目標(biāo)的確定

對(duì)雙橫臂懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)前輪前束角遠(yuǎn)超出理想變化范圍，前輪外傾角需要稍微修正，理論上應(yīng)該只對(duì)這兩個(gè)定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是考慮到各個(gè)定位參數(shù)之間存在相互影響，所以仍然需要對(duì)前束角、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角4個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 選擇試驗(yàn)變量和優(yōu)化方法

在保證相關(guān)定位參數(shù)在理想范圍內(nèi)的前提下，對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，根據(jù)影響程度，本次實(shí)驗(yàn)中選取下擺臂前安裝點(diǎn)Z坐標(biāo)（Lca_front.z）、下擺臂后安裝點(diǎn)的Z坐標(biāo)（Lca_rear.z）、轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)的Z坐標(biāo)（Tierod_inner.z）、轉(zhuǎn)向拉桿外點(diǎn)的Z坐標(biāo)（Tierod_outer.z）、上擺臂前安裝點(diǎn)Y/Z坐標(biāo)（Uca_front.y/z）、上擺臂外點(diǎn)的X/Z坐標(biāo)（Uca_outer.x/z）、上擺臂后安裝點(diǎn)Z坐標(biāo)（Uca_rear.z）共計(jì)9個(gè)靈敏度影響較大的坐標(biāo)值作為試驗(yàn)變量。

首先采用ADAMS/Insight模塊對(duì)各硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析，然后對(duì)部分硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，最后采用DOE Screening(2 Level)研究策略和Full Factorial設(shè)計(jì)方法，通過512次迭代計(jì)算，完成優(yōu)化過程。

ADAMS/Insight模塊有自帶的方差統(tǒng)計(jì)工具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的擬合，通常用R2和R2adj共同評(píng)估模型的可靠程度。R2一般在0～1之間進(jìn)行取值，其數(shù)值越高表示模型的可靠程度越好，但還是要結(jié)合R2adj來共同評(píng)估。P表示擬合式中的有用項(xiàng)，P越小表示有用項(xiàng)越多。R/V表示計(jì)算值與原始值之間的比值，其數(shù)值越大表明優(yōu)化情況越好[10]。評(píng)估模型可靠程度的各項(xiàng)指標(biāo)值如表2所示，從表2中可以看出此模型的可靠程度高，符合要求。

根據(jù)ADAMS/Insight導(dǎo)出的各試驗(yàn)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響程度圖如圖3至圖6所示。

由于車輪各定位參數(shù)相互影響，利用ADAMS/View和ADAMS/Insight聯(lián)合仿真進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，如表3所示。

表2 擬合可靠程度指標(biāo)值

表3 硬點(diǎn)坐標(biāo)值優(yōu)化前后對(duì)比

圖3 主銷后傾角的影響程度圖

圖4 主銷內(nèi)傾角的影響程度圖

圖5 前輪外傾角的影響程度圖

圖6 前輪前束角的影響程度圖

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在ADAMS/Car中對(duì)模型的硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，然后再進(jìn)行平行跳動(dòng)試驗(yàn)和異向跳動(dòng)試驗(yàn)，得到前輪各定位角數(shù)值隨輪跳的變化曲線并與優(yōu)化前的變化曲線進(jìn)行對(duì)比，見圖7至圖14。

圖7 平行跳動(dòng)前輪外傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖8 平行跳動(dòng)前輪前束角優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖9 平行跳動(dòng)主銷后傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖10 平行跳動(dòng)主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖11 異向跳動(dòng)前輪前束角優(yōu)化前后對(duì)比圖

將圖7至圖14中各定位角優(yōu)化前后隨輪跳行程變化范圍進(jìn)行整理，其中實(shí)線為優(yōu)化前的變化范圍，虛線為優(yōu)化后的，得到如表4所示結(jié)果。

圖12 異向跳動(dòng)前輪外傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖13 異向跳動(dòng)主銷后傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖14 平行跳動(dòng)主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖

從表4中可以看出，優(yōu)化前后前輪前束角無論是平行跳動(dòng)試驗(yàn)還是異向跳動(dòng)試驗(yàn)，其變化范圍都有了明顯減少，其中平行跳動(dòng)試驗(yàn)變化量從2.09°減少到0.65°，減少了68.9%；異向跳動(dòng)試驗(yàn)變化量從2.07°減少到0.63°，減少了69.5%。同時(shí)優(yōu)化后的前束角變化范圍達(dá)到了-0.5°～0.5°的理想變化范圍，滿足優(yōu)化要求。對(duì)于前輪外傾角的優(yōu)化，在滿足理想變化范圍-2°～2°的前提下將跳動(dòng)量為0時(shí)的外傾角進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)期效果。

同時(shí)外傾角在平行跳動(dòng)試驗(yàn)和異向跳動(dòng)試驗(yàn)中的變化量均從1.67°減少到0.72°，減少了56.8%。主銷后傾角優(yōu)化前后隨輪跳行程的變化量減少最明顯，主銷后傾的變化量在平行跳動(dòng)試驗(yàn)和異向跳動(dòng)試驗(yàn)中均減少83%，提高了汽車直線行駛的穩(wěn)定性。對(duì)主銷內(nèi)傾角的優(yōu)化效果不明顯，這是因?yàn)锳DAMS/Insight為了兼顧其他幾項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化而放棄了該參數(shù)利益，但是其變化范圍仍然處于5°～15°的理想變化范圍。綜上所述可知，前輪前束角、前輪外傾角和主銷后傾角均取得良好優(yōu)化效果，且4個(gè)前輪定位角均處于理想變化范圍。從優(yōu)化結(jié)果看，優(yōu)化后雙輪平行跳動(dòng)和異向跳動(dòng)定位參數(shù)變化范圍及變動(dòng)量區(qū)分度不高，但優(yōu)化后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)性能得到改善，可以有效改善汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，減少輪胎的磨損。

表4 優(yōu)化前后前輪定位角變化的對(duì)比

4 結(jié)語

（1）根據(jù)所選雙橫臂懸架的參數(shù)，利用ADAMS/Car模塊建模并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過ADAMS/Insight模塊對(duì)懸架相關(guān)硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能得到一定程度提升，達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化效果。

（2）與4輪定位等傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，采用基于ADAMS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠適應(yīng)車輛復(fù)雜運(yùn)行工況，并進(jìn)行有效優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，對(duì)車輛產(chǎn)品研發(fā)有著重要意義。

（3）利用ADAMS/Car模塊先后進(jìn)行平行跳動(dòng)試驗(yàn)和異向跳動(dòng)試驗(yàn)，更加符合汽車實(shí)際運(yùn)行工況，增加了仿真優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，具有現(xiàn)實(shí)意義。