基于ADAMS/Insight 的懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)①

吳曉歡， 宋 珂， 章 桐

(同濟(jì)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(jià)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(dòng)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(rèn)為帶有增程器的電動(dòng)汽車有望在幾年后得到廣泛的推廣使用[1]．

增程器電動(dòng)汽車通常由純電動(dòng)汽車與一個(gè)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(dòng)機(jī)．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(dòng)微型小車，底盤懸架的設(shè)計(jì)也不容忽視．在這款增程器電動(dòng)微型車的開發(fā)過程中，由于最初的設(shè)計(jì)問題和實(shí)車制造過程中產(chǎn)生的偏差，導(dǎo)致實(shí)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(jī)損壞．

為了使實(shí)車懸架修改有科學(xué)的參考依據(jù)，本論文將根據(jù)實(shí)際懸架狀態(tài)，進(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

1．1 雙橫臂懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的簡化分析

根據(jù)仿真目的對(duì)雙橫臂懸架進(jìn)行合理的簡化[2]．由于懸架運(yùn)動(dòng)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(dòng)量的關(guān)系．故將懸架簡化成一個(gè)多連桿機(jī)構(gòu)，而忽略橡膠襯套的影響．所以只要確定懸架硬點(diǎn)的位置，以及彈簧剛度與減震器阻尼即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(rèn)固結(jié)于大地，下端通過轉(zhuǎn)動(dòng)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(rèn)固結(jié)于大地[3]．

1．2 雙橫臂懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

為了反映增程器電動(dòng)微型小車懸架系統(tǒng)的真實(shí)狀況，懸架硬點(diǎn)位置通過三維坐標(biāo)掃描儀掃描實(shí)車懸架確定．同時(shí)根據(jù)彈簧、減震器制造商提供的試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖1．

2 雙橫臂懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

懸架在跳動(dòng)過程中車輪定位參數(shù)發(fā)生變化的規(guī)律稱為懸架運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jìn)行雙側(cè)車輪平行跳動(dòng)仿真．進(jìn)行仿真時(shí)，根據(jù)實(shí)際車輪可能跳動(dòng)的范圍，確定跳動(dòng)范圍為±50mm．由于在測量懸架硬點(diǎn)參數(shù)時(shí)將汽車用吊臂吊起，懸架在重力作用下，實(shí)際已經(jīng)下跳10mm，因此實(shí)際的仿真的跳動(dòng)范圍為－40mm～60mm，并將車輪上跳10mm時(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(dòng)50mm時(shí)，車輪外傾角變化范圍為2°左右[4]．此微型車在平衡位置時(shí)，其外傾角為 0°，基本符合設(shè)計(jì)要求，然而隨著車輪的跳動(dòng)，車輪外傾角角度改變明顯偏大，不符合設(shè)計(jì)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(shí)，主銷后傾角的初始值為1．8°，與一般認(rèn)為的合理范圍2～3deg接近，基本符合設(shè)計(jì)要求．在整個(gè)車輪的跳動(dòng)范圍內(nèi)，主銷后傾角的變化范圍為－1．0～4．0deg，與設(shè)計(jì)要求的 －1 ～1．5deg/50mm[4]的設(shè)計(jì)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(dòng)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(qiáng)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(jì)交互式網(wǎng)頁

圖7 車輪前束角優(yōu)化前后對(duì)比

圖8 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對(duì)比

圖9 主銷后傾角優(yōu)化前后對(duì)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(jì)要求基本符合，但在車輪跳動(dòng)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(fù)值變化，這使得車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)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(duì)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(gè)車輪定位參數(shù)都存在隨車輪上下跳動(dòng)，變化范圍過大的問題．這將影響車輛行駛性能，與實(shí)際的駕駛體驗(yàn)是一致的．

2)車輪擺振現(xiàn)象主要是因?yàn)槭艿剿妮喍ㄎ粎?shù)特別是前輪前束設(shè)置不當(dāng)，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(dāng)，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(duì)比

3 雙橫臂懸架系統(tǒng)的優(yōu)化

3．1 優(yōu)化目標(biāo)的確定

根據(jù)分析結(jié)果，本次優(yōu)化主要針對(duì)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(jì)時(shí)，一般希望車輪前束角在車輛上下跳動(dòng)時(shí)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(biāo)，同時(shí)使其它三項(xiàng)車輪定位參數(shù)變化范圍盡可能?。?/p>

3．2 優(yōu)化變量的選擇

由于增程器微型電動(dòng)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(diǎn)以及轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向器連接點(diǎn)的坐標(biāo)值作為優(yōu)化變量．

5個(gè)硬點(diǎn)在X，Y，Z三個(gè)方向上共有15個(gè)坐標(biāo)值，如果對(duì)所有坐標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，所需的迭代次數(shù)非常之多．故先利用ADAMS/Insight對(duì)15個(gè)坐標(biāo)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響進(jìn)行分析，選取影響較大的坐標(biāo)變量作為優(yōu)化變量．分析結(jié)果列于表1，并用☆表示坐標(biāo)變量對(duì)相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)的影響大?。?/p>

表1 各硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)車輪定位參數(shù)影響程度總結(jié)表

3．3 多因素、多目標(biāo)的車輪定位參數(shù)優(yōu)化

ADAMS/Insight是ADAMS中的一個(gè)模塊，用戶可以快速分析多個(gè)設(shè)計(jì)變量、實(shí)驗(yàn)，細(xì)化系統(tǒng)直至達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)性能．為了比較系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)，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(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方案，測量機(jī)械系統(tǒng)的性能[5]．它可以提供一系列的統(tǒng)計(jì)工具，來分析試驗(yàn)結(jié)果以更好的改進(jìn)和細(xì)化模型．在ADAMS/Insight中，用戶可以對(duì)車輪定位參數(shù)的一項(xiàng)或多項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，使之達(dá)到理想值．本文通過對(duì)懸架的部分硬點(diǎn)進(jìn)行改變而達(dá)到優(yōu)化車輪定位參數(shù)的目的．

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

迭代結(jié)束后，ADAMS/Insight自動(dòng)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(diǎn)坐標(biāo)．

表2 懸架優(yōu)化前后硬點(diǎn)坐標(biāo)

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

由圖7可知，優(yōu)化后前束角隨車輪上下跳動(dòng)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(dá)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(duì)高速回正性能要求不高，而主銷后傾角主要對(duì)高速回正性能有貢獻(xiàn)，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(shí)，外傾角的改變只有0．25°，滿足設(shè)計(jì)要求，在車輪下跳超過30mm時(shí)，外傾角變化超過設(shè)計(jì)要求．這是因?yàn)锳DAMS/Insight為了兼顧其它三項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)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(biāo)車輪前束角隨輪跳的變化范圍，與此同時(shí)其它優(yōu)化目標(biāo)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(shí)車懸架的改制

基于ADAMS/Insight的優(yōu)化結(jié)果，對(duì)實(shí)車懸架進(jìn)行改制，改制成功后的實(shí)車如圖11所示．并且試驗(yàn)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(dòng)微型小車

5 結(jié)論

(1)基于ADAMS/CAR建立的懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型較好的反映了實(shí)車懸架的真實(shí)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(shí)間．

(2)四輪定位參數(shù)設(shè)置不當(dāng)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(diǎn)的位置對(duì)四輪定位參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，取得了滿意的效果．

(3)基于優(yōu)化結(jié)果對(duì)實(shí)車進(jìn)行改制，改制后的實(shí)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(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．北京汽車，2010(6)．

[2] 李軍．MSC．ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)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(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真的懸架模型[J]．汽車工程，2003，5．

[4] 劉進(jìn)偉、吳志新．基于ADAMS/CAR的某轎車懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．輕型汽車設(shè)計(jì)，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(shí)用汽車技術(shù)，2008，6．