基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架仿真與優(yōu)化

嚴(yán)慈磊,陳晉榮,劉燕斌（.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院 ,西安70064; .湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院 汽車工程系,湖北 十堰 4400）

基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架仿真與優(yōu)化

嚴(yán)慈磊1,陳晉榮2,劉燕斌1
（1.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院 ,西安710064; 2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院 汽車工程系,湖北 十堰 442002）

摘 要：隨著汽車生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的要求也越來越高，而汽車的懸架系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性有很大的影響。本文基于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，利用MSC.ADAMS軟件對(duì)懸架進(jìn)行建模、仿真，利用ADAMS/Insight模塊對(duì)懸架各硬點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，找出對(duì)不合理定位參數(shù)影響較大的硬點(diǎn)參數(shù)，通過在互動(dòng)網(wǎng)頁中修改硬點(diǎn)坐標(biāo)值,使懸架的四個(gè)定位參數(shù)變化在合理的范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：雙橫臂獨(dú)立懸架；ADAMS；仿真；優(yōu)化

1 前言

汽車懸架系統(tǒng)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性有著非常重要的影響，尤其是車輪定位參數(shù)在汽車行駛過程中的變化規(guī)律對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響更加顯著[1]。懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)就是研究車輪上下跳動(dòng)時(shí)，定位參數(shù)對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性的影響，因此,懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究，對(duì)懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及研究其整車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能,改進(jìn)汽車的整車性能以及提高整車質(zhì)量具有重要意義。本文運(yùn)用MSC.ADAMS軟件建立懸架動(dòng)力學(xué)模型，分析其車輪上下跳動(dòng)時(shí)，對(duì)四輪定位參數(shù)的影響，通過ADAMS/INSIGHT與ADAMS/CAR聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化，使懸架的四輪定位參數(shù)在合理的范圍內(nèi)變動(dòng)[2]。

2 雙橫臂獨(dú)立懸架模型建立

2.1 雙橫臂獨(dú)立前懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在雙橫臂獨(dú)立前懸架系統(tǒng)中主要有上擺臂（UCA）、下擺臂（LCA）、轉(zhuǎn)向節(jié)（knuckle）、轉(zhuǎn)向拉桿（Tie Rod）、測(cè)試臺(tái)（Test Plane）、地面（Ground由于車身固定在地面上，因此車身和地面為一體），其中測(cè)試臺(tái)（Test Plane）一端通過平面副與轉(zhuǎn)向節(jié)（knuckle）相連，一端通過平移鉸與地面相連接，上擺臂（UCA）、下擺臂（LCA）一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)（knuckle）相連接，一端通過旋轉(zhuǎn)鉸與地面相連接，轉(zhuǎn)向拉桿（Tie Rod）一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)（knuckle）連接，一端通過萬向節(jié)與地面相連接。

2.2 雙橫臂前懸建模

在ADAMS建模過程中，懸架坐標(biāo)系采用車身坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)為前輪輪心連線中點(diǎn)，X軸向后，Y軸向右，Z軸向上。由于雙橫臂前懸架左右對(duì)稱于汽車縱向平面,因此只創(chuàng)建1/2的懸架模型，在ADAMS/CAR中建立模型如圖1所示[4]。

2.3 模型驗(yàn)證

雙橫臂前懸架中共有5個(gè)旋轉(zhuǎn)副、3個(gè)球副、6個(gè)固定副、5個(gè)移動(dòng)副、1個(gè)點(diǎn)面約束副，建立的懸架模型自由度計(jì)算如下：

DOF＝8×6-5×2-3×4-6×3-5×1-1×1＝2即1/2懸架模型有2個(gè)自由度,分別是車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)和車輪的上下跳動(dòng)。

3 懸架運(yùn)動(dòng)特性的仿真分析

車輪垂直跳動(dòng)分析是懸架性能分析中非常重要的方法。欲設(shè)計(jì)出理想的懸架結(jié)構(gòu), 必須對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性，即車輪上下跳動(dòng)時(shí)，分析車輪外傾、主銷內(nèi)傾、主銷后傾、前輪前束的變化曲線，找出變化不合理的定位參數(shù)變化曲線，通過修改各硬點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使懸架有理想的運(yùn)動(dòng)特性[5]。

3.1 車輪外傾角的變化

前輪外傾角具有提高轉(zhuǎn)向操縱輕便性和車輪工作安全性的作用，但是外傾角不宜過大，否則會(huì)使輪胎產(chǎn)生偏磨損,現(xiàn)代汽車中一般外傾角在車輪上跳時(shí)為-2.00—0.50之間較為合理。仿真結(jié)果如圖2所示，由仿真結(jié)果可以看出，車輪在垂直跳動(dòng)時(shí)，車輪外傾角的變化范圍為-1.60-0.80，需要做進(jìn)一步的優(yōu)化處理[6,7]。

3.2 主銷內(nèi)傾角的變化

考慮到轉(zhuǎn)向輕便性和輪胎磨損等因素，主銷內(nèi)傾角設(shè)計(jì)時(shí)不宜過大，因此，一般內(nèi)傾角在70-120之間，但一些發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的汽車上，為了使汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性，其內(nèi)傾角均較大。仿真結(jié)果如圖3所示，由仿真結(jié)果可以看出，車輪在垂直跳動(dòng)時(shí)，主銷內(nèi)傾角的變化范圍為100-12.50，在合理的變化范圍內(nèi)，不需要做進(jìn)一步的優(yōu)化處理[6,7]。

3.3 主銷后傾角的變化

前輪安裝在車軸上，其旋轉(zhuǎn)平面上方略向外傾斜，這種現(xiàn)象稱為前輪外傾。一般無助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，主銷后傾角不超過30，有助力轉(zhuǎn)向時(shí)主銷后傾角一般在00-70之間。仿真結(jié)果如圖4所示，由仿真結(jié)果可以看出，車輪在垂直跳動(dòng)時(shí)，主銷后傾角的變化范圍為00-30，在合理的變化范圍內(nèi)，不需要做進(jìn)一步的優(yōu)化處理[6,7]。

3.4 前輪前束的變化

前束角是因外傾角的需要而存在的。一般情況下前輪前束角設(shè)計(jì)為當(dāng)車輪上跳時(shí)，前束角變化趨勢(shì)為由00至弱負(fù)前束變化。仿真結(jié)果如圖5所示，由仿真結(jié)果可以看出，車輪在垂直跳動(dòng)時(shí)，前輪前束的變化范圍為-10-1.50，變化范圍比較大，需要做進(jìn)一步的優(yōu)化處理[6,7]。

4 雙橫臂懸架系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)仿真結(jié)果可知，在車輪的上下運(yùn)動(dòng)中，車輪外傾角、前輪前束角變化范圍較大，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，但是考慮到對(duì)某一個(gè)定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其他定位參數(shù)也會(huì)受到影響，因此需要對(duì)各個(gè)定位參數(shù)實(shí)行多目標(biāo)優(yōu)化[8]。

4.2 懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)的靈敏度分析

懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)靈敏度分析就是找出影響懸架定位參數(shù)最顯著的硬點(diǎn)坐標(biāo)。試驗(yàn)時(shí)采用車輪在-50mm至50mm之間上下平行跳動(dòng)，下橫臂外點(diǎn)((lca-outer)、轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)(tierod-inner)、轉(zhuǎn)向拉桿外點(diǎn)(tierodouter)、上橫臂外點(diǎn)(uca-outer)一共4個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。4個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)X、Y、Z三個(gè)軸坐標(biāo)值，共12個(gè)設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化目標(biāo)分別為主銷后傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角變化范圍最小。

在ADAMS/Insight中分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的變化范圍在-5-5mm之間，即在原有基礎(chǔ)上增加或減5mm。這樣通過篩選試驗(yàn)利用線性模型擬合就可以將最靈敏的參數(shù)找出，以便在后面進(jìn)行改進(jìn)，靈敏性分析結(jié)果如圖6所示。

4.3 設(shè)計(jì)變量

由靈敏度分析圖6可以看出，hpl_tierod_inner.z、hpl_tierod_outer. z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_outer.z、hpl_uca_outer.z對(duì)車輪外傾角、前輪前束角的影響最大，通過調(diào)節(jié)hpl_tierod_inner.z、hpl_tierod_outer. z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_outer.z、hpl_uca_outer.z對(duì)懸架四輪定位參賽進(jìn)行優(yōu)化。這5個(gè)坐標(biāo)值為設(shè)計(jì)變量。設(shè)定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍為-5mm-5mm[9]。

4.4 運(yùn)行仿真，并分析仿真結(jié)果

試驗(yàn)選用5個(gè)坐標(biāo)值為設(shè)計(jì)變量，共經(jīng)過35＝243次迭代，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行擬合，ADAMS/INSIGHT提供了標(biāo)準(zhǔn)方差（ANOVA）擬合工具，通過擬合良好程度（Goodness-of-fi t）來檢查擬合的好壞，其中，擬合結(jié)果R2、R2adj用來評(píng)價(jià)擬合的好壞，R2、R2adj的值在0—1之間，R2越接近1表示擬合的效果越好R2adj略小于R2，P表示表達(dá)式中是否有有用項(xiàng)，P越小，表示表達(dá)式中有用項(xiàng)越多，R/V表示模型計(jì)算值與原始計(jì)算值之間的關(guān)系，該值越高越好，R/V大于10表示結(jié)果完全可信，其值小于4，表示優(yōu)化結(jié)果不可信。擬合結(jié)果顯示，車輪外傾角前輪前束角R2分別為0.994、0.998，R2adj、P、P/V可信度很高，符合優(yōu)化目的，優(yōu)化前后硬點(diǎn)坐標(biāo)表1所示[10]。

表1 ADAMS/CAR優(yōu)化前后硬點(diǎn)比較

4.5 雙橫臂前懸架優(yōu)化前后仿真結(jié)果的比較

利用優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架模型進(jìn)行修改，并再一次對(duì)懸架做進(jìn)行仿真試驗(yàn)，優(yōu)化前后的定位參數(shù)變化曲線如圖7所示。

從優(yōu)化仿真圖8虛線可以看出，車輪外傾角由優(yōu)化前的-1.60-0.80變化為1.450-0.50，主銷內(nèi)傾角的變化范圍由優(yōu)化前的100-12.50變化9.50-11.750，主銷后傾角的變化范圍由原來的00-30變化為現(xiàn)在的1.50-5.50，前輪前束角的變化范圍由優(yōu)化前的-10-1.50變化為現(xiàn)在的-0.750-1.20。通過各個(gè)定位參數(shù)的仿真曲線可以看出，車輪外傾角、前輪前束角不僅達(dá)到了優(yōu)化目的，主銷后傾和前輪前束的變化范圍也有所減小，達(dá)到了優(yōu)化目的。

5 總結(jié)

本文以雙橫臂懸架為研究對(duì)象，采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法和虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)利用MSC公司的ADAMS軟件，建立雙橫臂式前獨(dú)立懸架虛擬樣機(jī)仿真分析模型并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析懸架主要定位參數(shù)隨車輪上下跳動(dòng)的變化特性，利用ADAMS自帶的優(yōu)化模塊ADAMS/INSIGHT對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具體內(nèi)容如下：

（1）本文首先對(duì)懸架動(dòng)力性做了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，分析了雙橫臂獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)拓展圖，以此為基礎(chǔ)在ADAMS/CAR中建立了雙橫臂獨(dú)立懸架模型。

（2）在ADAMS/CAR模塊中并對(duì)建好的模型進(jìn)行仿真,通過分析四輪定位參數(shù)的變化曲線發(fā)現(xiàn)，車輪外傾角、前輪前束角的變化范圍不合理，需要進(jìn)行優(yōu)化。

（3）在ADAMS/Insight中分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，找出對(duì)四個(gè)定位參數(shù)影響最靈敏的設(shè)計(jì)硬點(diǎn)，通過靈敏度分析最終確定hpl_ tierod_inner.z、hpl_tierod_outer.z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_ outer.z、hpl_uca_outer.z這5個(gè)坐標(biāo)值為優(yōu)化變量并利用ADAMS/ Insight進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角變化范圍為1.450-0.50，前輪前束角的變化范圍為-0.750-1.20，達(dá)到合理要求，同時(shí)其他參數(shù)也得到進(jìn)一步優(yōu)化。

（4）優(yōu)化完成后，重新繪制出輪外傾，主銷后傾、主銷內(nèi)傾、前輪前束隨車輪上下跳動(dòng)的變化曲線，并與優(yōu)化前進(jìn)行對(duì)比分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡維.四輪定位參數(shù)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[2]邱翠榕,徐志軍.多剛體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].北京汽車,2007,04:40-43.

[3]陳家瑞.汽車構(gòu)造(第4版)[M].北京:人民交通出版社,200.

[4]劉虹,王其東,湯傳玲.基于ADAMS雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真[J].機(jī)械與電子,2006:61-63.

[5] 于海波. Kinematic characterization and optimization of vehicle front-suspension design based on ADAMS [J]. Journal of Chongqing University(English Edition),2008,01:35-40.

[6]莊嚴(yán).汽車四輪定位原理及檢測(cè)技術(shù)研究[D].昆明理工大學(xué),2006.

[7]樊海林.在用汽車四輪定位參數(shù)變化對(duì)操縱穩(wěn)定性影響研究[D].重慶交通大學(xué),2008.

[8]吳曉歡,宋珂,章桐.基于ADAMS/Insight的懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012:33-37.

[9]李瑜婷,趙治國(guó),章桐.基于ADAMS的雙橫臂懸架性能多目標(biāo)優(yōu)化研究[J].中國(guó)制造業(yè)信息化,2009.

[10]Motoyama K, Yamanaka T. A study of suspension design using optimization technique and DOE [C]. In: 2000 International ADAMS User Conference, Orlando, Florida, June 19-21, 2000. Florida: Mechanical Dynamics Inc., 2000: 11-13.

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)慈磊（1991-），男，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，車輛工程專業(yè)。