基于ADAMS的雙橫臂式獨立懸架仿真與優(yōu)化

李江 范禪金 趙化剛

摘 要：懸架采用雙橫臂式獨立懸架結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計要點是四連桿硬點布置，只有最優(yōu)的雙橫臂布置，才能得到最優(yōu)的懸架系統(tǒng)，使整車在行駛過程中產(chǎn)生最小的輪胎磨損，提高整車的橫向穩(wěn)定性。文章在ADAMS View建立了獨立懸架參數(shù)化模型，通過設(shè)定設(shè)計變量，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)，對目標(biāo)值求最優(yōu)解，最終仿真優(yōu)化出最優(yōu)的懸架硬點布置。通過仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后的結(jié)果較初定的四連桿機(jī)構(gòu)有很大的改善。

關(guān)鍵詞：獨立懸架;四連桿;ADAMS;參數(shù)化;仿真分析

中圖分類號：U463.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-62-03

Simulation and Optimization of Double Wishbone Suspension Based on ADAMS

Li Jiang， Fan Shanjin， Zhao Huagang

（ Shaanxi Heavy Duty Automobile Co， Ltd， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： The suspension adopts a double-wishbone independent suspension structure. The main design point is the layout of the four-link mechanism. Only the optimal double-wishbone layout can obtain the optimal suspension system， which minimizes the entire vehicle during driving. Tire wear improves the lateral stability of the vehicle. In this paper， a parametric model of independent suspension is established in ADAMS View. By setting design variables， setting objective function， and finding the optimal solution to the target value， the simulation optimizes the optimal suspension hard point arrangement. The simulation results show that the optimized results are greatly improved.

Keywords： Independent suspension; Four-bar linkage; ADAMS; Parametric model; Simulation analysis

CLC NO.： U463.4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-62-03

引言

商用車車型的整車布置尺寸受國家法規(guī)的限制，基于現(xiàn)有剛性橋的結(jié)構(gòu)，不更改車輪結(jié)構(gòu)的前提下，先確定雙橫臂懸架四連桿機(jī)構(gòu)的外點，再根據(jù)車架特點，初步設(shè)定內(nèi)點坐標(biāo)。通過ADAMS建立四連桿機(jī)構(gòu)的長度作為設(shè)計變量，將輪胎上下跳動過程中的接地點距初始接地點的X向變量設(shè)置為目標(biāo)函數(shù)，對四連桿機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化并對其進(jìn)行優(yōu)化仿真，最終得出目標(biāo)函數(shù)最小值得最優(yōu)解。獲得最優(yōu)的四連桿機(jī)構(gòu)布置。

1 雙橫臂獨立懸架特點及關(guān)鍵幾何參數(shù)

1.1 雙橫臂獨立懸架特點

獨立懸架和非獨立懸架的特點如表1所示。

1.2 雙橫臂獨立懸架關(guān)鍵幾何參數(shù)及影響

目前應(yīng)用的雙橫臂獨立懸架都是非等長雙橫臂式獨立懸架。如圖1所示，只要適當(dāng)?shù)剡x擇上、下橫臂的長度、α、β、σ等角度以及c、d等尺寸，就可以獲得需要的側(cè)傾中心位置和輪距、車輪定位參數(shù)等的有利變化規(guī)律，保證有良好的性能。

確定適當(dāng)?shù)纳稀⑾聶M臂的相對長度和角度應(yīng)最先保證以下四個要求得到滿足。

（1）當(dāng)車輪隨懸架上、下跳動時，使車輪外傾角的變化應(yīng)較小，以減小輪胎的磨損和獲得良好的穩(wěn)定直線行駛能力;

（2）當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向、車身發(fā)生側(cè)傾時，盡可能避免使外側(cè)車輪出現(xiàn)正的外傾角，使內(nèi)側(cè)車輪盡可能保持與地面垂直，這有利于操縱穩(wěn)定性。

應(yīng)當(dāng)指出：（1）和（2）的要求相互矛盾，一般需要在上述兩個要求之間做適當(dāng)?shù)恼壑小?/p>

（3）使兩側(cè)車輪同步上、下跳動時輪距的變化盡可能小。但懸架壓縮、伸長時，輪距變化小就意味著懸架的側(cè)傾中心低，不利于減小轉(zhuǎn)向時的側(cè)傾角。因此，過小的輪距變化不一定總有利，有時需要有適當(dāng)?shù)妮喚嘧兓?/p>

（4）有利于整車布置。上、下橫臂長度及各夾角的參數(shù)確定必須滿足整車布置的需求。

2 基于ADAMS建模與仿真優(yōu)化

2.1 雙橫臂獨立懸架應(yīng)用的整車布置

商用車車型的整車布置和乘用車不同，主要受車輪結(jié)構(gòu)、整車寬度、車架等因素的影響。本次應(yīng)用的整車采用雙橫臂

式獨立懸架。整車布置的結(jié)構(gòu)骨架如圖2所示。

2.2 雙橫臂獨立懸硬點參數(shù)初值確定

根據(jù)該車型的承載選用成熟產(chǎn)品車輪結(jié)構(gòu)作為獨立懸架的車輪，設(shè)置左輪胎的中心接地點為坐標(biāo)原點O（0，0，0），根據(jù)車輪的結(jié)構(gòu)、獨立懸架結(jié)構(gòu)特點，整車質(zhì)心高度及懸架動撓度要求，建立從車輛后方看向車輛行駛方向坐標(biāo)系，X正向為向右，Y向正向為向上。由以上影響因素確定四連桿的初始坐標(biāo)值。

2.3 ADAMS View建模

根據(jù)2.2確定的參數(shù)，在ADAMS View中建立坐標(biāo)，并創(chuàng)建機(jī)構(gòu)，添加約束，建立仿真分析，給輪胎接地點施加力，力的變化STEP變化函數(shù)如公式（1）所示，建立的仿真分析模型如圖3所示。

STEP（time，0，0，8，travel）+STEP（time，8，0，24，-3travel） ?????????????????????????????????????（1）

2.4 創(chuàng)建設(shè)計變量

根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)原理，設(shè)上臂長度AB、下臂長度DC、橋上下臂鉸接距離BC和上下臂鉸接點連線的夾角σ為設(shè)計變量。在ADAMS中創(chuàng)建設(shè)計變量，DV_AB、DV_CD、DV_BC、 DV_b，并對設(shè)計變量賦予優(yōu)化范圍，可以是±偏差，也可以是最大值到最小值。

2.5 創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)

滿足1.2的（1）和（2）需要設(shè)置一個初始的車輪外傾角σ，設(shè)置了σ的變化范圍在0.5～0.8的前提下，在優(yōu)化過程中，輪距變化越小，則輪胎磨損越小，懸架操穩(wěn)性越好，所以將輪胎接地點0在運動過程中距離坐標(biāo)原點X方向的變化量設(shè)置為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)如式（2）所示。

2.6 創(chuàng)建約束方程

根據(jù)1.2中描述，需要滿足以下幾個方程：

DV_AB- DV_CD<0 ??????????????????????????（3）

0.5<σ<0.8 ??????????????????????????????????（4）

將以上方程在ADAMS中依次創(chuàng)建測量函數(shù)和約束方程。

2.7 機(jī)構(gòu)參數(shù)化

根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的模型及各硬點受整車布置的限制，將四連桿機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)參數(shù)化方程按照表2輸入到ADAMS中。

2.8 ADAMS機(jī)構(gòu)運動仿真

四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計完成后，就可以進(jìn)行仿真設(shè)置了。

以上、下橫臂長度（DV_AB/DV_CD）、車輪上、下橫臂鉸接點連線長度（DV_BC）、車輪外傾角（DV_b）為設(shè)計變量，以2.6條件（OPT_CONSTRATINT_1/2）為約束條件，以輪胎接地點X向位移量（MEA_PT2PT_）的測量值的最大值作為目標(biāo)函數(shù)求解，運動仿真設(shè)置如圖4所示，設(shè)置完成后按<開始>鍵即可進(jìn)行四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化。

2.9 ADAMS優(yōu)化計算

機(jī)構(gòu)運動仿真結(jié)果如圖5所示，四連桿長度和外傾角優(yōu)化后的結(jié)果如圖6～圖7所示。由以下可以看出，優(yōu)化后的輪距變化由15.5減小到了8mm，車輪外傾角初始值設(shè)定為0.77°。

3 結(jié)論

本文基于獨立懸架設(shè)計理論，運用ADAMS軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化四連桿，最終得到合理的四連桿獨立懸架，提高了車輛的穩(wěn)定性，減少了輪胎磨損。

文中ADAMS的優(yōu)化方法是在ADAMS View中進(jìn)行，運用參數(shù)化機(jī)構(gòu)，限定約束條件，建立運動仿真，通過ADAMS強(qiáng)大的仿真優(yōu)化計算，獲得目標(biāo)函數(shù)最小值，最終得到最優(yōu)的四連桿機(jī)構(gòu)，該方法大大縮短了設(shè)計周期，并對后續(xù)類似的四連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王霄鋒.汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015： 14-18.

[2] 趙武云，史曾錄.ADAMS 2013基礎(chǔ)與應(yīng)用實例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：234-250.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：199-224.

[4] 梁榮朝，史松源.雙橫臂獨立懸架輪距變化量的計算與分析[J].北京汽車，2016.