基于Adams/Car與Adams/Insight的某重型雙前橋貨車前懸架的仿真與優(yōu)化

相 臣，杜 勇

Xiang Chen1，Du Yong2

（1．合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車學(xué)院，安徽 合肥 230009；2．合肥工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于Adams/Car與Adams/Insight的某重型雙前橋貨車前懸架的仿真與優(yōu)化

相 臣1，杜 勇2

Xiang Chen1，Du Yong2

（1．合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車學(xué)院，安徽 合肥 230009；2．合肥工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

論文主要根據(jù)CATIA模型在Adams/Car中建立某重型雙前橋貨車非獨(dú)立前懸架模型，根據(jù)所建模型對其進(jìn)行了Parallel Wheel Travel（雙輪同向跳動）的仿真試驗(yàn)，分析了其輪胎隨著試驗(yàn)臺跳動時(shí)車輪的定位參數(shù)的變化規(guī)律。并且對該懸架的部分硬點(diǎn)位置用Adams/Insight進(jìn)行了優(yōu)化處理，得到了優(yōu)化后的關(guān)系曲線，并與優(yōu)化前的曲線進(jìn)行了比較，表明所做的優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的，改良了非獨(dú)立前懸架的運(yùn)動學(xué)性能。

雙前橋非獨(dú)立懸架；硬點(diǎn)；前輪定位；Adams/Car；Adams/Insight；

0 引 言

懸架是汽車的重要總成之一，是車架與車橋（車輪）之間的一切傳力連接裝置的總稱[1]。傳遞在車輪和車架之間的所有力（包括力矩）是懸架的最主要的功用，沖擊載荷經(jīng)過懸架傳遞到車身后會得到衰減，由此來保證汽車行駛的平順性。同時(shí)，懸架還應(yīng)該具有合適的衰減振動的能力，保證汽車良好的操縱穩(wěn)定性[1]。在Adams/Car模塊中我們可以快速地建立該雙前橋非獨(dú)立前懸架的虛擬樣機(jī)模型，并且對該前懸架進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，然后進(jìn)入后處理模塊得到各種性能曲線，最后可以在Adams/Insight中對轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的部分硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行修改優(yōu)化，達(dá)到想要的懸架優(yōu)化結(jié)果。非獨(dú)立懸架一般具有較大的懸架剛度，所以一般應(yīng)用在重型貨車上。

1 重型貨車非獨(dú)立懸架的建模

根據(jù)給出的實(shí)際車輛的CATIA模型，測出雙前橋非獨(dú)立前懸架建立所需要的部分硬點(diǎn)位置坐標(biāo)，然后根據(jù)硬點(diǎn)坐標(biāo)在Adams/Car建模器（Template Builder）模塊中建立貨車雙前橋非前獨(dú)立懸架系統(tǒng)，在Adams/Car標(biāo)準(zhǔn)界面窗口中生成子系統(tǒng)與試驗(yàn)臺MID_SDI_TESTRIG進(jìn)行前懸架系統(tǒng)的裝配，如圖1。雙前橋非獨(dú)立前懸架主要包括減振器、彈性元件鋼板彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向前橋。

雙前橋非獨(dú)立前懸架的簧載載荷為4 028 N，左右車輪的輪距為2 040 mm；定義靜止時(shí)雙前橋非獨(dú)立前懸架的車輪定位參數(shù)為；主銷后傾角7°，主銷內(nèi)傾角1.7°，前輪前束角0.5°，前輪外傾角1°。雙前橋非獨(dú)立前懸架的垂直剛度為293 N·m。

2 懸架運(yùn)動特性的仿真分析

在建立好貨車雙前橋非獨(dú)立前懸架仿真模型的基礎(chǔ)上，可以在標(biāo)準(zhǔn)界窗口（Standard Interface）進(jìn)行雙輪同向跳動（Parallel Wheel Travel）的仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)中各個(gè)參數(shù)的數(shù)值輸入如圖2所示。

車輪中心跳動的上下高度設(shè)置為50 mm，仿真的類型interactive，仿真步數(shù)設(shè)置為20。仿真結(jié)束后，進(jìn)入Adams/Car后處理的模塊查看參數(shù)，如車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和車輪前束角的變化規(guī)律。

車輪前束角是汽車車輪的一個(gè)重要的定位參數(shù)，車輪有了外傾角，在滾動的時(shí)候就類似于滾錐，但是由于存在轉(zhuǎn)向橫拉桿和車橋的約束作用，車輪就會邊滾邊滑，增加輪胎的磨損，車輪的前束角可以抵消這種不良的后果[2]，如圖3所示。

汽車直線行駛，受外力的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，主銷后傾就會產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)向相反方向的力矩使車輪自動回正，從而確保汽車直線行駛穩(wěn)定性。主銷后傾角的選擇要根據(jù)車輛行駛狀況確定，如果無助力器轉(zhuǎn)向，一般不大于3°，轎車上的主銷后傾角一般為3°～10°[3]。主銷后傾角隨車輪的變化為4.5°～6.8°[2]，如圖4所示。

車輪外傾角是通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角。如果空車時(shí)，車輪垂直于地面，滿載時(shí)輪轂將受到壓縮，降低壽命。前輪的外傾角是在轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)計(jì)中確定的。設(shè)計(jì)時(shí)使轉(zhuǎn)向節(jié)軸頸的軸線與水平面成一定的角度，該角度即為前輪外傾角，一般設(shè)計(jì)為1°左右[3]（圖5）。

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向橋時(shí)，主銷在汽車的橫向平面內(nèi)向內(nèi)傾斜一個(gè)角度，我們稱之為內(nèi)傾角。主銷內(nèi)傾角能夠產(chǎn)生回正力矩，在汽車低速行駛時(shí)有自動轉(zhuǎn)向回正功能[3]。設(shè)計(jì)上希望車輪在跳動的過程中，前束值、外傾值、內(nèi)傾值和后傾值在合理的較小范圍內(nèi)波動；在跳動的過程中其變化量相對較小，使懸架具有較好的運(yùn)動學(xué)性能（圖6）。

3 懸架定位參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在仿真結(jié)束后，可以進(jìn)入simulate菜單欄下的DOE interface模塊，應(yīng)用Adams/Insight進(jìn)行懸架的相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，我們把車輪的4個(gè)定位參數(shù)中的主銷后傾角設(shè)定為優(yōu)化的目標(biāo)，Design Objective’s value設(shè)置為Maximum absolute value during simulation，即將主銷后傾角的最大絕對值設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)創(chuàng)建完成后，選擇DOE Interface界面，進(jìn)入Export導(dǎo)出裝配到Insight界面，以轉(zhuǎn)向三角臂的3個(gè)硬點(diǎn)為要考慮的影響最大后傾角的潛在影響因素，將每一個(gè)硬點(diǎn)沿著3個(gè)坐標(biāo)軸的跳動范圍設(shè)置為（-5，5），單位設(shè)置為mm，創(chuàng)建experiment。接下來創(chuàng)建工作矩陣，將Design Type設(shè)置為 Fractional Factorial，Model設(shè)置為 Linear，Objective設(shè)置為Screening。工作矩陣創(chuàng)建完成后，就可以創(chuàng)建設(shè)計(jì)空間（Create Design Space），然后接著創(chuàng)建工作空間（Create Work Space）。工作空間創(chuàng)建完成之后，就可以進(jìn)行試驗(yàn)的優(yōu)化了。點(diǎn)擊Run Simulations 按鈕，系統(tǒng)將自動進(jìn)行256次的迭代運(yùn)算，得出最后的優(yōu)化結(jié)果，如圖7所示。

通過對比優(yōu)化前、后前輪定位參數(shù)的曲線（圖8～圖11）得出以下的結(jié)論：前輪前束角由0.5°～0.7°變化為0.48°～0.68°；前輪前束角最大值變??；主銷內(nèi)傾角由0.976°～1.008°變化為0.9825°～1.012°，在合理的內(nèi)傾角范圍，變動范圍變小，由0.032°

變化為0.027 5°。主銷后傾角由5.0°～7.0°變化為2.5°～4.5°，主銷后傾角明顯減??；前輪外傾角由0.975°～1.01°變化為0.982 5°～1.012 5°，在合理的外傾角范圍內(nèi)，前輪外傾角的變化量由0.035°變化到0.03°。

由此可以看出，雖然以主銷內(nèi)傾角作為主要優(yōu)化目標(biāo)，但是其他的定位參數(shù)也得到了較好的優(yōu)化，因此我們所做的優(yōu)化是合理有效的。

4 結(jié)束語

1）根據(jù)CATIA模型，建立了某重型雙前橋貨車的非獨(dú)立前懸架的虛擬模型，各個(gè)運(yùn)動部件之間所加的運(yùn)動副準(zhǔn)確無誤，與試驗(yàn)臺的通訊器匹配成功。

2）模型建立后，進(jìn)行了Parallel Wheel Travel（雙輪同向跳動）的仿真試驗(yàn)，觀察車輪跳動時(shí)對其車輪定位參數(shù)曲線變化規(guī)律。

3）為了提高該雙前橋非獨(dú)立前懸架的運(yùn)動學(xué)性能，以主銷后傾角為主要的優(yōu)化目標(biāo)，采用優(yōu)化軟件Adams/Insight對雙前橋非獨(dú)立前懸架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地改良了該雙前橋非獨(dú)立前懸架。

[1]王望予，張建文，閩海濤，等. 汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．8．

[2]魏道高．汽車前輪定位參數(shù)研究與展望[J]，合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，27（12）：1594-1598．

[3]陳家瑞，馬天飛. 汽車構(gòu)造（下冊）[M]．北京：人民交通出版社，2005．9．

U463.33+2

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2014-04-10

1002-4581（2014）04-0032-04