基于ADAMS/Insight 的懸架優(yōu)化設(shè)計①

吳曉歡， 宋 珂， 章 桐

(同濟大學(xué)中德學(xué)院，上海201804)

0 引言

眾所周知，近十年來 ，由于能源枯竭、油價上漲、全球變暖，新能源汽車日益成為汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向．但是，純電動汽車因其續(xù)航里程短，燃料電池汽車因其電池技術(shù)的不成熟及其配套加氫設(shè)施的不完備，都遭遇了發(fā)展瓶頸．國內(nèi)外各大專家學(xué)者都紛紛認為帶有增程器的電動汽車有望在幾年后得到廣泛的推廣使用[1]．

增程器電動汽車通常由純電動汽車與一個輔助能源供應(yīng)裝置既增程器(range extender)構(gòu)成，增程器的類型可以多樣化，比如燃料電池、鋰電池甚至小型發(fā)動機．本課題組開發(fā)的微型小車所帶的增程器為燃料電池增程器，并且用戶可以根據(jù)行駛里程長短自行決定增程器安裝與否．

然而即使是增程器電動微型小車，底盤懸架的設(shè)計也不容忽視．在這款增程器電動微型車的開發(fā)過程中，由于最初的設(shè)計問題和實車制造過程中產(chǎn)生的偏差，導(dǎo)致實車四輪定位參數(shù)不合理，影響了車輛的行駛性能．甚至由于前輪擺振，導(dǎo)致輪轂電機損壞．

為了使實車懸架修改有科學(xué)的參考依據(jù)，本論文將根據(jù)實際懸架狀態(tài)，進行懸架建模、仿真以及優(yōu)化，最終給出合理的優(yōu)化方案．

1 雙橫臂懸架運動學(xué)模型的建立

1．1 雙橫臂懸架運動學(xué)模型的簡化分析

根據(jù)仿真目的對雙橫臂懸架進行合理的簡化[2]．由于懸架運動學(xué)分析的主要目的是找出四輪定位參數(shù)與車輪上下跳動量的關(guān)系．故將懸架簡化成一個多連桿機構(gòu)，而忽略橡膠襯套的影響．所以只要確定懸架硬點的位置，以及彈簧剛度與減震器阻尼即可進行運動學(xué)仿真．

雙橫臂懸架主要由上下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、副車架、減震器組成．上下橫臂一端通過球鉸鏈與轉(zhuǎn)向連接，另一端通過轉(zhuǎn)動副與副車架連接．減震器上端與車身相連，這里由于沒有建立車身模型，默認固結(jié)于大地，下端通過轉(zhuǎn)動副與下橫臂連接．轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過球鉸鏈與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接．轉(zhuǎn)向橫拉桿的另一端在沒有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的情況下，默認固結(jié)于大地[3]．

1．2 雙橫臂懸架運動學(xué)模型的建立

為了反映增程器電動微型小車懸架系統(tǒng)的真實狀況，懸架硬點位置通過三維坐標掃描儀掃描實車懸架確定．同時根據(jù)彈簧、減震器制造商提供的試驗數(shù)據(jù)，在ADAMA/VIEW中建立彈簧變形量－彈簧力、減震器速度－阻尼力樣條曲線，通過這些樣條曲線建立雙橫臂懸架的減震器模型．最終建立的雙橫臂懸架運動學(xué)模型如圖1．

2 雙橫臂懸架的運動學(xué)仿真分析

懸架在跳動過程中車輪定位參數(shù)發(fā)生變化的規(guī)律稱為懸架運動學(xué)特性．車輪定位參數(shù):車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷外傾角、前輪前束的值對汽車行駛性能，特別是操縱穩(wěn)定性有著重要的影響．為了反映車輪定位參數(shù)隨輪跳的變化規(guī)律，在ADAMS/CAR中進行雙側(cè)車輪平行跳動仿真．進行仿真時，根據(jù)實際車輪可能跳動的范圍，確定跳動范圍為±50mm．由于在測量懸架硬點參數(shù)時將汽車用吊臂吊起，懸架在重力作用下，實際已經(jīng)下跳10mm，因此實際的仿真的跳動范圍為－40mm～60mm，并將車輪上跳10mm時作為其初始狀態(tài)．

以下是雙橫臂懸架車輪定位參數(shù)仿真結(jié)果:

圖1 雙橫臂懸架運動學(xué)模型

圖2 車輪外傾角變化

圖3 主銷后傾角變化

2．1 車輪外傾角

由圖2可知，前懸架模型車輪外傾角變化范圍為 －6．0～1．75deg．車輪跳動時，車輪外傾角變化規(guī)律將影響汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)，而且車輪外傾角變化過大，將降低輪胎的側(cè)向附著性能，加速輪胎磨損，影響汽車極限側(cè)向加速度．一般希望車輪上下跳動50mm時，車輪外傾角變化范圍為2°左右[4]．此微型車在平衡位置時，其外傾角為 0°，基本符合設(shè)計要求，然而隨著車輪的跳動，車輪外傾角角度改變明顯偏大，不符合設(shè)計要求．

圖4 主銷內(nèi)傾角變化

圖5 車輪前束角變化

2．2 主銷后傾角

由圖3可知，平衡位置時，主銷后傾角的初始值為1．8°，與一般認為的合理范圍2～3deg接近，基本符合設(shè)計要求．在整個車輪的跳動范圍內(nèi)，主銷后傾角的變化范圍為－1．0～4．0deg，與設(shè)計要求的 －1 ～1．5deg/50mm[4]的設(shè)計要求相比，明顯偏大．過大的主銷后傾角變化范圍將引起轉(zhuǎn)向操縱沉重，車輪擺振，直線行駛能力降低．

2．3 主銷內(nèi)傾角

由圖4可知，主銷內(nèi)傾角在平衡位置為11．5°，在車輪的跳動范圍內(nèi)，變化范圍為10deg～17．5deg．主銷內(nèi)傾角較大，有利于增強車輛低速回正性能，但過大的主銷內(nèi)傾角將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向操縱沉重，輪胎磨損加快．并且過大的變化范圍也使得汽車穩(wěn)定直線行駛能力變差．

圖6 ADAMS/Insight優(yōu)化設(shè)計交互式網(wǎng)頁

圖7 車輪前束角優(yōu)化前后對比

圖8 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比

圖9 主銷后傾角優(yōu)化前后對比

2．4 車輪前束角

由圖5可知，車輪前束角在平衡位置為0．25°，與設(shè)計要求基本符合，但在車輪跳動范圍內(nèi)，變化范圍為 －2．0 ～1．5deg，與推薦的 0．5deg/50mm[4]的變化范圍相比，明顯偏大，且在車輪下落的過程中，向負值變化，這使得車輛在轉(zhuǎn)彎時有過多轉(zhuǎn)向的趨勢，非常不利于車輛的操縱穩(wěn)定性．此外，前束角變化過大，將加速輪胎磨損，使車輪左右搖擺不定．

從以上對雙橫臂懸架的仿真分析得出以下推論:

1)從仿真結(jié)果看，該車的四個車輪定位參數(shù)都存在隨車輪上下跳動，變化范圍過大的問題．這將影響車輛行駛性能，與實際的駕駛體驗是一致的．

2)車輪擺振現(xiàn)象主要是因為受到四輪定位參數(shù)特別是前輪前束設(shè)置不當，輪胎磨損不均以及轉(zhuǎn)向連接系統(tǒng)等因素的影響[6]．經(jīng)排查轉(zhuǎn)向連接系統(tǒng)沒有問題，故推測原因主要是四輪定位參數(shù)設(shè)置不當，以及因此而造成的輪胎磨損不均．

圖10 車輪外傾角優(yōu)化前后對比

3 雙橫臂懸架系統(tǒng)的優(yōu)化

3．1 優(yōu)化目標的確定

根據(jù)分析結(jié)果，本次優(yōu)化主要針對車輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷外傾角的不良變化規(guī)律．在車輛設(shè)計時，一般希望車輪前束角在車輛上下跳動時幾乎不變，或僅發(fā)生微小變化，且車輪前束角變化過大是導(dǎo)致車輪擺振的重要原因之一，故將車輪前束角變化范圍作為主要優(yōu)化目標，同時使其它三項車輪定位參數(shù)變化范圍盡可能小．

3．2 優(yōu)化變量的選擇

由于增程器微型電動車已經(jīng)試制完成，從懸架改制的簡易性和可行性出發(fā)，本次優(yōu)化選取上下橫臂前后硬點以及轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向器連接點的坐標值作為優(yōu)化變量．

5個硬點在X，Y，Z三個方向上共有15個坐標值，如果對所有坐標值進行優(yōu)化，所需的迭代次數(shù)非常之多．故先利用ADAMS/Insight對15個坐標變量對優(yōu)化目標的影響進行分析，選取影響較大的坐標變量作為優(yōu)化變量．分析結(jié)果列于表1，并用☆表示坐標變量對相應(yīng)的優(yōu)化目標的影響大?。?/p>

表1 各硬點坐標對車輪定位參數(shù)影響程度總結(jié)表

3．3 多因素、多目標的車輪定位參數(shù)優(yōu)化

ADAMS/Insight是ADAMS中的一個模塊，用戶可以快速分析多個設(shè)計變量、實驗，細化系統(tǒng)直至達到系統(tǒng)最優(yōu)性能．為了比較系統(tǒng)的不同設(shè)計，可以將ADAMS的輸入?yún)?shù)化，將這些參數(shù)變成“因子”，用ADAMS/Insight設(shè)計復(fù)雜的實驗方案，測量機械系統(tǒng)的性能[5]．它可以提供一系列的統(tǒng)計工具，來分析試驗結(jié)果以更好的改進和細化模型．在ADAMS/Insight中，用戶可以對車輪定位參數(shù)的一項或多項進行優(yōu)化，使之達到理想值．本文通過對懸架的部分硬點進行改變而達到優(yōu)化車輪定位參數(shù)的目的．

在ADAMS/Insight模塊中，對剛才篩選出來的8個坐標變量進行分析，設(shè)定每個坐標變量的變化范圍為±20mm．ADAMS/Insight對8個坐標變量進行迭代計算，由于計算量及其龐大，所以本文只進行128次的部分迭代工作．

迭代結(jié)束后，ADAMS/Insight自動將優(yōu)化結(jié)果保存在交互式網(wǎng)頁中．如圖6所示．下表是懸架優(yōu)化前后硬點坐標．

表2 懸架優(yōu)化前后硬點坐標

調(diào)整原雙橫臂懸架模型的硬點參數(shù)，再次進行仿真，并將仿真結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果對比．

由圖7可知，優(yōu)化后前束角隨車輪上下跳動從優(yōu)化前的－2．0～1．5deg到只有微小改變．這不僅減輕了車輪的擺振現(xiàn)象，改善車輛直線行駛穩(wěn)定性，而且減輕了輪胎的磨損．由圖8可知，主銷內(nèi)傾角從優(yōu)化前的10～17．5deg改變?yōu)閮?yōu)化后的11．7～14．7deg，變化范圍明顯減少．

由圖9可知，主銷后傾角從優(yōu)化前的－1．0～4．0deg，改變?yōu)閮?yōu)化后的0 ～2．5deg，雖然沒有達到理想的理想的2～3deg，但考慮到微型小車的行駛速度通常較低，對高速回正性能要求不高，而主銷后傾角主要對高速回正性能有貢獻，并且較小的主銷后傾角有利于改善轉(zhuǎn)向操縱沉重，減輕輪胎磨損，所以優(yōu)化結(jié)果還能接受．車輪外傾角從優(yōu)化前的 －6．0 ～1．75deg，改變?yōu)閮?yōu)化后的 －3．5 ～0．25deg．在車輪上跳50mm時，外傾角的改變只有0．25°，滿足設(shè)計要求，在車輪下跳超過30mm時，外傾角變化超過設(shè)計要求．這是因為ADAMS/Insight為了兼顧其它三項優(yōu)化目標而放棄外傾角部分優(yōu)化利益的緣故．

總體來看，此次優(yōu)化大大改善了主優(yōu)化目標車輪前束角隨輪跳的變化范圍，與此同時其它優(yōu)化目標也得到了相應(yīng)的改善．因此此次優(yōu)化是成功的，有效的．

4 實車懸架的改制

基于ADAMS/Insight的優(yōu)化結(jié)果，對實車懸架進行改制，改制成功后的實車如圖11所示．并且試驗表明，該車前輪擺振現(xiàn)象基本消除，轉(zhuǎn)向沉重得到有效改善，整車操縱穩(wěn)定性較優(yōu)化前大大提高．

圖11 改制后的增程器電動微型小車

5 結(jié)論

(1)基于ADAMS/CAR建立的懸架運動學(xué)模型較好的反映了實車懸架的真實狀態(tài)，為下一步的分析、優(yōu)化工作奠定了良好的基礎(chǔ)，并且大大節(jié)約了時間．

(2)四輪定位參數(shù)設(shè)置不當是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要原因．本文基于ADAMS/Insight通過調(diào)整懸架關(guān)鍵硬點的位置對四輪定位參數(shù)進行了優(yōu)化，取得了滿意的效果．

(3)基于優(yōu)化結(jié)果對實車進行改制，改制后的實車操縱穩(wěn)定性明顯改善，前輪擺振基本消除，證明了基于ADAMS/Insight的懸架優(yōu)化的可行性．

[1] 尤寅，宋珂，尹東曉．帶Range－Extender純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計[J]．北京汽車，2010(6)．

[2] 李軍．MSC．ADAMS技術(shù)與工程分析實例[M]．北京:中國水利水電出版社，2008．

[3] 管欣，等．應(yīng)用于汽車輛實時動力學(xué)仿真的懸架模型[J]．汽車工程，2003，5．

[4] 劉進偉、吳志新．基于ADAMS/CAR的某轎車懸架的優(yōu)化設(shè)計[J]．輕型汽車設(shè)計，2006，8．

[5] Using ADAMS Insight with ADAMS Car[EB/OL]．MSC．Software Corporation，2004．

[6] 靳建平．汽車前輪擺頭原因及排除[J]．實用汽車技術(shù)，2008，6．