基于靈敏度分析的某重卡車(chē)轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉多工況多目標(biāo)優(yōu)化分析

摘 要：文章為避免商用卡車(chē)轉(zhuǎn)向懸架的運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題，在工作中逐漸探索并使用多體分析軟件ADAMS car 2021，建立了某重卡前雙軸轉(zhuǎn)向及其懸架系統(tǒng)的多體模型，采用仿真手段對(duì)轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉所涉及的幾個(gè)工況進(jìn)行仿真，并建立了前一軸、前二軸運(yùn)動(dòng)干涉的參變量函數(shù)作為兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，以及與其目標(biāo)相關(guān)的變量參數(shù)，采用合適的優(yōu)化算法分析出各參變量的靈敏度數(shù)據(jù)，據(jù)此再對(duì)轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化分析，然后據(jù)分析結(jié)果向底盤(pán)部輸入了轉(zhuǎn)向懸架系統(tǒng)的最佳硬點(diǎn)布局?jǐn)?shù)據(jù)，此后經(jīng)三維軟件DUM模塊進(jìn)行了相關(guān)工況的運(yùn)動(dòng)分析和驗(yàn)證，確認(rèn)了輸入的硬點(diǎn)布置數(shù)據(jù)合理有效。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向懸架 運(yùn)動(dòng)干涉 靈敏度 Insight 優(yōu)化分析

1 緒論

一般商用卡車(chē)的轉(zhuǎn)向懸架結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置主要由轉(zhuǎn)向搖臂、直拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂等幾個(gè)重要部分組成，前懸架一般是板簧形式的懸架結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)平頭卡車(chē)結(jié)構(gòu)由于布置空間的限制，轉(zhuǎn)向直拉桿前點(diǎn)和板簧懸架的運(yùn)動(dòng)中心很難在整車(chē)ZX投影面內(nèi)重合于一點(diǎn)，當(dāng)車(chē)輛處于起伏路面或制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿后點(diǎn)（轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點(diǎn)）既繞轉(zhuǎn)向直拉桿前點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，又繞板簧懸架運(yùn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)，理論上必然會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題[4]，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，影響車(chē)輛在起伏路面的行駛穩(wěn)定性，以及制動(dòng)跑偏問(wèn)題。因此轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉分析的主要目的是使車(chē)輛在實(shí)際使用過(guò)程中，轉(zhuǎn)向直拉桿后點(diǎn)在以懸架運(yùn)動(dòng)中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與繞直拉桿前點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中干涉量最小，使車(chē)輛在高速直線(xiàn)行駛狀態(tài)具有良好的直線(xiàn)行駛穩(wěn)定性；車(chē)輛在緊急制動(dòng)時(shí)不跑偏或具有較小的跑偏量，以提升車(chē)輛的制動(dòng)安全性。

國(guó)標(biāo)《營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件》規(guī)定：總質(zhì)量大于或等12噸，最高車(chē)速大于90km/h的載貨車(chē)，應(yīng)安裝自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEBS）[5]。當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)產(chǎn)生較大跑偏量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)（AEBS）探測(cè)不到檢測(cè)目標(biāo)而失效，車(chē)輛將不滿(mǎn)足營(yíng)運(yùn)貨車(chē)安全技術(shù)條件。因此商用卡車(chē)的轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉分析和優(yōu)化，是商用卡車(chē)研發(fā)過(guò)程中一項(xiàng)十分重要而且必要的工作。下面將通過(guò)基于靈敏度數(shù)據(jù)分析的、某重卡轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉多工況多目標(biāo)的優(yōu)化分析工作論述，意在為同行提供另一種分析研究此問(wèn)題的新方法抑或參考。

前期高海龍、王昆等也于2021年也研究了基于靈敏度分析ADAMS Insight方面的優(yōu)化工作，見(jiàn)《DAMS的整車(chē)平臺(tái)硬點(diǎn)優(yōu)化方法》，但其只能按單一工況進(jìn)行優(yōu)化，且需要對(duì)每一輪優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證[2]，尋優(yōu)效率不高，甚至難于實(shí)現(xiàn)某些優(yōu)化工作。本文則在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的多工況兼顧優(yōu)化，可以直接給出最終的優(yōu)化方案，進(jìn)行一次優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證即可。

2 分析模型的建立與相關(guān)工況分析

2.1 分析模型的建立

由設(shè)計(jì)輸入的數(shù)模和參數(shù)逐一建立轉(zhuǎn)向輸入、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)、前1和2軸板簧、前1和2軸懸架、車(chē)輪等各系統(tǒng)的子模板（板簧子模板的垂向剛度，應(yīng)和板簧二維圖上所標(biāo)示的板簧夾緊剛度保持一致。分別在轉(zhuǎn)向輸入系統(tǒng)子模板中直拉桿兩端，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)子模板的直拉桿（二橋轉(zhuǎn)向直拉桿）兩端，建立兩個(gè)間距測(cè)量函數(shù)DM1和DM2備用（DM1和DM2需對(duì)輪心處于零位時(shí)進(jìn)行置零處理）。然后將各子模板生成子系統(tǒng)，再組裝成前雙軸轉(zhuǎn)向懸架的初步裝配模型，如下圖1所示，然后對(duì)懸架模型進(jìn)平行輪跳分析，在后處理查看前1、2軸零位處的輪心力，如下圖2所示，看其數(shù)值加上輪胎重量是否和設(shè)計(jì)軸荷（或?qū)嵻?chē)測(cè)試軸荷）相等；查看懸架的限位間隙、板簧剩余弧高是否和滿(mǎn)載設(shè)計(jì)值一致；如不一致就繼續(xù)調(diào)整板簧子模板和限位參數(shù)等，直至和設(shè)計(jì)（或?qū)崪y(cè)）值一致為止。

2.2 相關(guān)工況分析

優(yōu)化轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉的目的，一方面使車(chē)輛在起伏路面行駛時(shí)，減少路面激勵(lì)對(duì)方向盤(pán)的沖擊，提升操縱穩(wěn)定性能；另一方面為了提高所開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的制動(dòng)安全性，降低制動(dòng)跑偏量，使產(chǎn)品滿(mǎn)足法規(guī)及AEBS等輔助駕駛系統(tǒng)的功能使用要求，因而根據(jù)一些試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)制定了三個(gè)分析工況：1）上跳50mm；2）下跳50mm；3）0.5g制動(dòng)（或根據(jù)車(chē)輛的不同指定）等三個(gè)工況。工況分析完成后，將在軟件左側(cè)模型樹(shù)結(jié)構(gòu)analysis分項(xiàng)呈現(xiàn)三行分析結(jié)果如下圖3所示。

3 Insight優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化分析模型的建立

（1）新建優(yōu)化分析試驗(yàn)：進(jìn)入ADAMScar2021的Insight模塊，新建一個(gè)優(yōu)化分析試驗(yàn)（experiment_x1）如下圖4所示，選擇圖3所示的3個(gè)分析工況，作為優(yōu)化分析的執(zhí)行工況，確認(rèn)建立優(yōu)化分析試驗(yàn)。

（2）新建優(yōu)化分析目標(biāo)：在創(chuàng)建設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)話(huà)框，通過(guò)定義測(cè)量選項(xiàng)，選擇2.1中建立的兩個(gè)間距測(cè)量函數(shù)DM1和DM2作為優(yōu)化目標(biāo)，并把優(yōu)化方式定義為仿真過(guò)程中最小化DM1＼DM2的絕對(duì)值，完成兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的建立。

（3）定義優(yōu)化變量因子：根據(jù)優(yōu)化需要，選擇轉(zhuǎn)向系統(tǒng)子模板前軸FA1轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點(diǎn)三向坐標(biāo)，以及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)子模板二軸FA2轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點(diǎn)三向坐標(biāo)，作為優(yōu)化變量因子，如下圖6所示。如對(duì)FA1軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點(diǎn)的Z向變量進(jìn)行定義，考慮設(shè)計(jì)制作問(wèn)題，Z向采用離散值，相對(duì)初始值進(jìn)行定義，容差設(shè)置為0，調(diào)整模式設(shè)置為適度模式。（4）定義優(yōu)化計(jì)算模式，生成優(yōu)化計(jì)算工作空間：對(duì)優(yōu)化試驗(yàn)的方式、模型以及優(yōu)化試驗(yàn)的類(lèi)型，一一進(jìn)行定義，如下圖7所示，優(yōu)化試驗(yàn)類(lèi)型選擇響應(yīng)面模型，模型采用互動(dòng)式，優(yōu)化計(jì)算方法選取拉丁超立方法，然后生成優(yōu)化計(jì)算的工作空間。

3.2 優(yōu)化分析計(jì)算及優(yōu)化結(jié)果初步校驗(yàn)

（1） 優(yōu)化分析和優(yōu)化試驗(yàn)擬合狀態(tài)檢查：優(yōu)化分析模型建立完成后，執(zhí)行優(yōu)化分析計(jì)算，計(jì)算完成后，查看優(yōu)化擬合的回歸情況。如下圖8、圖9所示。首先查看兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)GS_01、GS_02中的P值都是0，標(biāo)示顯示綠色，表明擬合表達(dá)式中各項(xiàng)都有用，且都與響應(yīng)相關(guān)；R2值都大于0.9，標(biāo)示顯示綠色，表明回歸模型的平方和與原始數(shù)據(jù)的平方和之比比較接近；R2adj和R2的比值接近1，標(biāo)示顯示綠色，表明本次的優(yōu)化試驗(yàn)擬合的非常好[2]；R/V值，GS_01是92.4，GS_02是136，標(biāo)示顯示綠色，表明模型的計(jì)算值和原始數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的預(yù)測(cè)關(guān)系良好。這些優(yōu)化分析的計(jì)算輸出數(shù)據(jù)說(shuō)明本次優(yōu)化試驗(yàn)的擬過(guò)程和擬合結(jié)果較為可信。

（2）確定優(yōu)化變量的靈敏度并進(jìn)行優(yōu)化分析：在確定優(yōu)化試驗(yàn)擬合計(jì)算過(guò)程可信后，導(dǎo)出分析結(jié)果的網(wǎng)頁(yè)文件，然后打開(kāi)此網(wǎng)頁(yè)文件，查看各優(yōu)化因子相較于優(yōu)化目標(biāo)既轉(zhuǎn)向懸架的運(yùn)動(dòng)干涉量GS_01和GS_02的相關(guān)性影響靈敏度值，如上圖10所示，把靈敏度值高的確定為主要的優(yōu)化變量，然后對(duì)其取值進(jìn)行調(diào)整，如下圖12所示，可以快速高效的找到滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)GS_01、GS_02要求的變量值。

（3）優(yōu)化結(jié)果初步校驗(yàn)：根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定的變量值，帶入原多體模型結(jié)構(gòu)進(jìn)兩個(gè)平跳和一個(gè)制動(dòng)工況的仿真分析，分析結(jié)果如下圖12和圖13所示，前一軸FA1的平跳工況，轉(zhuǎn)向拉桿的最大干涉量為0.56mm，小于目標(biāo)要求1mm；制動(dòng)工況最大干涉量為0.18mm，小于目標(biāo)要求0.5mm。前二軸FA2的平跳工況，轉(zhuǎn)向拉桿的最大干涉量為0.6mm，制動(dòng)工況最大干涉量為0.15mm，同樣滿(mǎn)足干涉量分別小于1mm和0.5mm的要求。說(shuō)明此次基于靈敏度的優(yōu)化仿真分析，快速有效的給出了-此型重卡基于轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題的合理硬點(diǎn)布置數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

商用卡車(chē)轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是跳動(dòng)轉(zhuǎn)向、另一個(gè)是制動(dòng)跑偏。轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題的傳統(tǒng)分析方法是運(yùn)用平面作圖法，這種方法對(duì)于跳動(dòng)轉(zhuǎn)向工況，其忽略了桿件的空間布置、板簧襯套剛度，以及板簧懸架由于吊耳作用，懸架在壓縮或伸張時(shí)其剛度的些許的變化等，分析精度較低；另外對(duì)于制動(dòng)跑偏工況，由于制動(dòng)過(guò)程中板簧S變形圖難以繪制，板簧的S變形狀態(tài)及其變形的最大位置點(diǎn)都難以確定，很難使用平面作圖法對(duì)這一工況進(jìn)行分析。此項(xiàng)工作通過(guò)多體仿真的方式進(jìn)行分析究，很好的避免了上述問(wèn)題。

上文基于靈敏度數(shù)據(jù)分析的某重卡車(chē)轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉多工況多目標(biāo)的優(yōu)化分析工作，說(shuō)明多體仿真分析和基于靈敏度的分析結(jié)合，是一種相輔相成的分析方法，再把多個(gè)工況和多個(gè)目標(biāo)集成進(jìn)行優(yōu)化仿真，可以很好的提高多體仿真優(yōu)化效率。本文主要意在為同行在轉(zhuǎn)向懸架運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題的分析方面提供另一種分析方法或參考。因此次運(yùn)用多體模型進(jìn)行的仿真優(yōu)化，集成了多工況和多目標(biāo)，以及參考參變量的靈敏度分析，讀者可以參考此法對(duì)其他多體仿真問(wèn)題，如KC仿真、操穩(wěn)平順性能進(jìn)行類(lèi)似的優(yōu)化仿真和分析，一起進(jìn)行研討和提高。

5 展望

（1）因本次仿真，車(chē)架、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系以及車(chē)橋，建模均采用的是剛體建模，還有仿真工況都是基于經(jīng)驗(yàn)算法，希望后期能通過(guò)對(duì)車(chē)輛制動(dòng)和起伏路面載荷譜的采集，修正建模方式以及施加于模型的工況算法。

（2）能通過(guò)轉(zhuǎn)向干涉臺(tái)架試驗(yàn)，快速檢測(cè)優(yōu)化仿真結(jié)果，使仿真過(guò)程更符合實(shí)際工況。

（3）望質(zhì)量和裝配部門(mén)能輸入轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系的桿系以及車(chē)橋節(jié)臂等關(guān)鍵零部件的制造和裝配誤差，把這些誤差帶入優(yōu)化仿真過(guò)程，進(jìn)一步分析研究仿真分析結(jié)果的離散度和魯棒性。

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