基于試驗設(shè)計的前輪定位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

王凱強，王登化

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇 常州 213023；2.江西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013； 3.江蘇省煤礦井下防爆車輛重點實驗室，江蘇 常州 213023）

1 麥弗遜懸架在ADAMS/Car 中模型的建立

本研究對象前懸是采用麥弗遜懸架，如圖1 所示主要由減震器總成，轉(zhuǎn)向器總成、副車架總成、下擺臂總成前輪胎和制動器總成組成。由在ADAMS/CAR 中自帶有麥弗遜懸架的模板，通過修改硬點和彈簧、減震器等參數(shù)可很快得到需要建的新模型如圖1。

2 前輪定位參數(shù)對煤礦輔助運輸運人車輛操縱穩(wěn)定性的影響

煤礦輔助運輸運人車輛的前輪定位角包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前輪前束角，是用來保證車輪在底盤上位置的精確而設(shè)置的，它們的大小對煤礦輔助運輸運人車輛直線行駛的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)向的輕便性有很大影響。同時，前輪定位角對車輪轉(zhuǎn)向后車輪起到自動回正和減少行駛中輪胎和轉(zhuǎn)向機件的磨損。因此，車輪定位參數(shù)對煤礦輔助運輸運人車輛的操縱穩(wěn)定性有很大的影響。

圖1 三維建模圖及模型

當(dāng)主銷內(nèi)傾角太大的時候，車輪繞主銷偏轉(zhuǎn)的時候，輪胎將會受到路面較大的摩擦力，使煤礦輔助運輸運人車輛的轉(zhuǎn)向沉重，同時也加劇了輪胎的磨損；當(dāng)主銷內(nèi)傾角太小的時候，力矩的增加會使煤礦輔助運輸運人車輛的轉(zhuǎn)向變得沉重，煤礦輔助運輸運人車輛直線行駛的穩(wěn)定性變差，駕駛員必須時刻注意把握方向盤，加大了駕駛員的精神負擔(dān)；當(dāng)車輪兩端的內(nèi)傾角不相等時，會導(dǎo)致左右輪的抗沖擊能力不等，使煤礦輔助運輸運人車輛在行駛的過程中往內(nèi)傾角小的一側(cè)跑偏。

由此可見，確定正確的前輪定位參數(shù)，對整車的性能尤其是操縱穩(wěn)定性很重要。

3 基于ADAMS/Insight 的試驗設(shè)計方法

試驗設(shè)計是通過設(shè)計試驗方案，進行合理的科學(xué)設(shè)計，用較少的試驗次數(shù)尋求試驗空間的近似最優(yōu)點，并對所得數(shù)據(jù)進行分析，確定最優(yōu)的試驗方案。試驗設(shè)計包括對試驗參數(shù)變量和試驗結(jié)果的分析，適用于參數(shù)變量很多且變量之間存在交互作用的試驗分析。

3.1 前輪定位參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

為了對原有樣車的煤礦輔助運輸運人車輛定位參數(shù)進行優(yōu)化，本文對前懸的安裝硬點進行了優(yōu)化，該微車前懸采用的是麥弗遜懸架，選取的安裝硬點包括：下擺臂和副車架的之間連接的前安裝點lca_front 和后安裝點lca_rear，輪轂和下擺臂的連接點lca_outer，輪轂和轉(zhuǎn)向橫拉桿的連接點tierod_outer，減震器的上下安裝點top_mount 和lwr_ mount，轉(zhuǎn)向橫拉桿斷開點tierod_inner，由于所考慮的點比較多，而且每個點有三個方向的坐標，因此首先必須從這些影響因素中選出靈敏度高的，為前輪定位參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計做準備。

3.1.1 初選變量

考慮到實際生產(chǎn)中改動的可能，初步選擇的設(shè)計變量的硬點有：下擺臂的三個點Lca_front、lca_rear、lca_outer、前懸減震器上端與車身的連接點top_mount 以及轉(zhuǎn)向橫拉桿上的點tierod_outer、tierod_inner，這六個點對應(yīng)為X,Y,Z坐標一共18 個設(shè)計變量，設(shè)置這18 個設(shè)計變量分別左右擴展10mm。

3.1.2 目標函數(shù)的確定

通過查閱國外大量同類車型的資料, 取該車在滿載時的理想設(shè)計定位角參數(shù)為：前輪外傾角取車輪外傾角,主銷內(nèi)傾角, 主銷內(nèi)傾角，前輪前束角。 由于車輪的四個定位參數(shù)存在著交互的作用，單獨對一個參數(shù)的優(yōu)化往往會引起其他參數(shù)質(zhì)量的變差，因此本文中對這個多目標優(yōu)化問題建立了如(1)式的目標函數(shù)：

式中：obj1 表示的是車輪跳動過程中各參數(shù)的波動量。

為研究政府補助對于機構(gòu)投資者跟進行為的影響，本文構(gòu)建了模型 （9），并按業(yè)績狀況對模型 （9）進行了分組回歸。

車輪在上下跳動中會對輪胎產(chǎn)生一定的磨損，因此在優(yōu)化懸架參數(shù)的時候，必須將這一點考慮進去，在這里可以建立如（2）式的目標函數(shù)，其中Track。是理想的輪距變化量。

式中：obj2 表示與理想輪距變化量的差值，Track表示平跳過程中輪距的變化量。

最終建立的目標函數(shù)為：

其中ki為權(quán)系數(shù)，根據(jù)各目標的重要性而定，本文中k1=k2=1，視兩個目標同樣重要。

3.2 靈敏度的分析

圖2 靈敏度分析

通過在ADAMS/Car 中所建的麥弗遜懸架模型，進行懸架的臺架試驗，對兩輪同向跳動激勵仿真，上跳行程和回跳行程分別為50mm 和-50mm。在ADAMS/Insight 中對上述18 個坐標設(shè)置成變量，分別對前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角和前輪前束經(jīng)行靈敏度的分析，在靈敏度的篩選試驗中，采用64 次試驗，可以保證將所有的可能情況實現(xiàn)，以下分別為所有變量對車輪定位角變化的靈敏度分析圖2-圖3 所示。

3.3 正交實驗設(shè)計

通過在ADAMS/Insight 所得到的靈敏度分析結(jié)果，結(jié)合實際工程中結(jié)構(gòu)改動的可能，最終我們選取了Lca_front_y、Lca_front_z、lca_outer_y、lca_outer_z 這四個坐標作為進一步優(yōu)化中的設(shè)計變量，這四個設(shè)計變量依次定義為設(shè)計變量A、B、C、D。不考慮這四個設(shè)計變量之間的交互作用，所以先初步將每個設(shè)計變量設(shè)置成三水平，再建立四因素三水平的正交試驗表。

將優(yōu)化后的結(jié)果數(shù)據(jù)代入ADAMS/Car 中，進行懸架臺架試驗，可以得到優(yōu)化后的前輪定位參數(shù)和輪距隨輪跳距離的變化，與優(yōu)化前的曲線對比如圖3 所示（其中實線為優(yōu)化前，虛線為優(yōu)化后）：

圖3 優(yōu)化對比曲線

4 優(yōu)化結(jié)果的分析

從圖3 及表1 中可以得之，車輪在上下跳動的過程中， 四個定位角的變化在一定程度上得到了改善，變化趨勢都有所減少，這樣就提高了車輪在跳動過程中懸架的性能。其中主銷內(nèi)傾角的變化較大，更加貼近理想的設(shè)計值，而且在車輪的整個跳動過程中，輪距橫向滑移量最大值從17.5mm 減小為15.4mm，一定程度上緩解了車輪跳動中對輪胎的磨損，這些優(yōu)化將對該車的總體操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生積極的影響。

表1 優(yōu)化前后前懸架車輪定位參數(shù)和輪距側(cè)向滑移量結(jié)果對照表

5 結(jié)語

通過在ADAMS/Car 中所建的麥弗遜懸架模型，使用DOE Screening 進行了多個設(shè)計變量的靈敏度分析，利用正交試驗設(shè)計的方法對現(xiàn)有的微車前懸數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化。結(jié)果證明，該試驗使四個定位角及輪胎橫向滑移量更貼近設(shè)計值，減少了輪胎的磨損，增加了車輛的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。同時，也證明了這種試驗方法具有很好的優(yōu)化性和靈活性，可以在實際的生產(chǎn)設(shè)計中予以借鑒和推廣。