基于操縱穩(wěn)定性的麥弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究

陸嘉敏 魯統(tǒng)利 沈 陽

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引言

近年來國產(chǎn)自主SUV發(fā)展迅速，麥弗遜式前懸架由于其性能良好、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、占用空間少等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于對(duì)空間要求高、對(duì)生產(chǎn)成本敏感的發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)國產(chǎn)自主SUV中。廠商往往只注重麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)簡單，但是卻沒有考慮到麥弗遜懸架中某些關(guān)鍵零部件坐標(biāo)位置的細(xì)微變動(dòng)都會(huì)對(duì)懸架性能造成較大的影響[2]，進(jìn)而會(huì)影響汽車的操縱穩(wěn)定性等一系列性能[3]。因此，在設(shè)計(jì)中如何布置懸架硬點(diǎn)位置以優(yōu)化懸架性能、提升操縱穩(wěn)定性就顯得很重要。

本文針對(duì)國內(nèi)某款SUV車的麥弗遜式前懸架性能不合理之處，基于ADAMS/CAR動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)構(gòu)建其前懸架模型，并對(duì)該懸架布置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以改善其懸架性能。最后通過建立整車動(dòng)力學(xué)模型，考察懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的影響。

1 麥弗遜式前懸架建模

1.1麥弗遜式前懸架結(jié)構(gòu)分析

麥弗遜式懸架主要由三角臂、轉(zhuǎn)向節(jié)總成、減振支柱及車輪等部件構(gòu)成[4]，如圖1所示。

圖1 麥弗遜式前懸架

根據(jù)以上實(shí)物圖抽象出麥弗遜前懸架結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。各部件的連接關(guān)系如下：下三角臂的H、I兩點(diǎn)通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與前副車架相連，靠近車輪的一個(gè)點(diǎn)G通過球副與轉(zhuǎn)向節(jié)總成的下支柱相連。轉(zhuǎn)向節(jié)總成的另外兩端，一端D通過球鉸連結(jié)轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿通過萬向節(jié)鉸與轉(zhuǎn)向齒條相連；轉(zhuǎn)向節(jié)總成的另一端C與滑動(dòng)支柱固接?；瑒?dòng)支柱上安裝著減振器，減振器上端A與車身通過萬向節(jié)鉸連接。螺旋彈簧套在減振器外部，一端固接在減振器外殼B點(diǎn)位置，另一端與減震器上端連接。

1-車身 2-螺旋彈簧 3-減振器 4-轉(zhuǎn)向節(jié)總成 5-車輪 6-轉(zhuǎn)向拉桿 7-轉(zhuǎn)向齒條 8-三角臂 9-副車架

1.2麥弗遜式前懸架模型建立

在ADAMS中建立前懸架模型首先需要知道各硬點(diǎn)位置參數(shù)。在測量硬點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，采用ISO坐標(biāo)系，以地面為XY平面，汽車中心對(duì)稱面為 XZ 平面，坐標(biāo)原點(diǎn)取兩前輪連線的中點(diǎn)位置，取垂直于地面向上為 Z 軸正方向，車身右側(cè)為 Y軸正向，以車前進(jìn)方向的反方向?yàn)?X 軸正向。測量得到麥弗遜前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

根據(jù)測量得到的硬點(diǎn)坐標(biāo)及螺旋彈簧剛度、減振器阻尼及襯套剛度等數(shù)據(jù)，通過前文對(duì)麥弗遜前懸架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，在ADAMS/CAR中建立麥弗遜式前懸架動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。

表1 模型硬點(diǎn)坐標(biāo)

圖3 麥弗遜前懸架模型

懸架模型建立完畢后，結(jié)合ADAMS中的虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)(如圖4所示)可以對(duì)懸架模型進(jìn)行輪跳試驗(yàn)仿真。

圖4 麥弗遜前懸架虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2 仿真分析

在ADAMS/CAR中對(duì)麥弗遜式前懸架進(jìn)行-50 mm到50 mm車輪上下跳動(dòng)試驗(yàn)仿真，具體設(shè)置如圖5所示。輸出的仿真結(jié)果為四個(gè)汽車前輪定位參數(shù)，車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及車輪前束角。

圖5 車輪上下跳動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

Fig.5 Experimental parameter of parallel wheel travel simulation

2.1車輪外傾角

車輪中心平面與路面垂線的夾角被稱為車輪外傾角。車輪從平衡位置起上下跳動(dòng)正負(fù)50 mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化在1°左右，車輪外傾角變化范圍太大會(huì)影響到汽車直線行駛能力并加劇車輪磨損[5]。如圖6所示，原前懸架外傾角變化范圍大于1.5°，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 車輪外傾角變化

2.2主銷后傾角

主銷軸線和地面垂線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角被稱為主銷后傾角。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)汽車，合理的主銷后傾角一般在0°到3°。過大的主銷后傾角會(huì)增加轉(zhuǎn)向力矩，影響轉(zhuǎn)向輕便性[6]。如圖7所示，原前懸架主銷后傾角最大值超過了3°，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 主銷后傾角變化

2.3主銷內(nèi)傾角

主銷軸線與地面垂線在汽車橫向平面的夾角被稱為主銷內(nèi)傾角。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)汽車，主銷內(nèi)傾角合理范圍在 8°到13°。與主銷后傾角類似，過大的主銷內(nèi)傾角會(huì)使得轉(zhuǎn)向力矩變大，使汽車轉(zhuǎn)向輕便性變差[7]。如圖8所示，該前懸架最大值超過了13°，需要進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 主銷內(nèi)傾角變化

2.4車輪前束角

車輪中心平面與路面垂線的夾角被稱為車輪前束角。前束角在車輪上跳的過程中應(yīng)為零或者處于較小的負(fù)值區(qū)域，這種變化能夠使汽車具有合理的不足轉(zhuǎn)向特性[8]。如圖9所示，該前懸架的車輪前束角隨輪跳變化范圍大于0.5°，存在一定的改進(jìn)空間。

圖9 車輪前束角變化

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)在車輪上下跳動(dòng)過程中該懸架定位參數(shù)存在的缺陷，采用ADAMS/Car中的Insight模塊對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以改善懸架定位參數(shù)。

3.1確定優(yōu)化目標(biāo)

在ADAMS/Insight中，將外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角和前輪前束角四個(gè)懸架定位參數(shù)設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)，在車輪進(jìn)行-50 mm到50 mm上下跳動(dòng)時(shí)，使得優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到優(yōu)化設(shè)定范圍。綜合前文的分析，優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化設(shè)定如表2所示。

3.2確定設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量需要選取那些對(duì)前輪定位參數(shù)影響較大的硬點(diǎn)。選取的設(shè)計(jì)變量有減振支柱安裝下點(diǎn)C、三角臂外襯套中心G、三角臂前襯套中心H、三角臂后襯套中心I、轉(zhuǎn)向拉桿外點(diǎn)E及轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)D共六個(gè)硬點(diǎn)18個(gè)坐標(biāo)值(每個(gè)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向坐標(biāo))進(jìn)行優(yōu)化。約束條件的設(shè)置需考慮前置前驅(qū)車型中發(fā)動(dòng)機(jī)位置與前懸架布置結(jié)構(gòu)，懸架上硬點(diǎn)坐標(biāo)的變化范圍不能太大，因此，在各部件互不干涉的前提下，本文設(shè)定每個(gè)坐標(biāo)變化范圍為-10 mm到10 mm。

表2 優(yōu)化目標(biāo)與優(yōu)化范圍設(shè)置

3.3確定優(yōu)化算法

本文選取ADAMS/Insight中計(jì)算速度最快的篩選法(DOE Screening)，同時(shí)選擇優(yōu)化類型為析因設(shè)計(jì)(Fractional Factorial)，進(jìn)行迭代運(yùn)算。

3.4確定優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)1024次實(shí)驗(yàn)迭代后，ADAMS/Insight給出了計(jì)算完畢的工作矩陣。從中可以得到符合優(yōu)化要求的硬點(diǎn)坐標(biāo)，如表3所示。

表3 優(yōu)化后模型硬點(diǎn)坐標(biāo)

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1車輪外傾角

如圖10所示，優(yōu)化后，車輪從平衡位置起上下跳動(dòng)正負(fù)50 mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化幅度減小，變化范圍在1°左右，滿足要求。

4.2主銷后傾角

如圖11所示，優(yōu)化后，主銷后傾角變化范圍在1.6°到2.6°之間，滿足0°到3°的要求。

圖10 車輪外傾角優(yōu)化前后對(duì)比

圖11 主銷后傾角優(yōu)化前后對(duì)比

4.3主銷內(nèi)傾角

如圖12所示，優(yōu)化后，主銷內(nèi)傾角變化范圍在11.3°到12.9°之間，滿足8°到13°的要求。

圖12 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對(duì)比

Fig.12 Kingpin incline angle compared before and after optimization

4.4車輪前束角

如圖13所示，優(yōu)化后，車輪前束角變化范圍在0.25°到-0.12°之間，變化范圍收窄，較原車輪前束角有了一定的優(yōu)化。

圖13 車輪前束角優(yōu)化前后對(duì)比

5 優(yōu)化前后操縱穩(wěn)定性對(duì)比

5.1操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真

為了驗(yàn)證麥弗遜前懸架參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的影響效果，建立了前懸架優(yōu)化前后的整車動(dòng)力學(xué)模型(如圖14所示)，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)工況下的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真，考察麥弗遜式前懸架性能優(yōu)化對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的改善情況。

圖14 整車動(dòng)力學(xué)模型

依據(jù)國標(biāo) GB/T 6323的規(guī)定，蛇形試驗(yàn)仿真中，設(shè)置標(biāo)樁間距為 30 m，基準(zhǔn)車速為 65 km/h[9]。汽車首先直線行駛一段距離，隨后以基準(zhǔn)車速繞標(biāo)樁按如圖15所示預(yù)先設(shè)定的蛇行線路行駛。

圖15 汽車蛇形試驗(yàn)行駛線路

仿真結(jié)束后，分別輸出前懸架性能優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線、側(cè)向加速度響應(yīng)曲線、橫擺角速度響應(yīng)曲線、汽車側(cè)傾角響應(yīng)曲線，如圖16至圖19所示。

圖16 方向盤轉(zhuǎn)角對(duì)比

從響應(yīng)曲線中分別讀出平均方向盤轉(zhuǎn)角峰值、平均側(cè)向加速度峰值、平均橫擺角速度峰值和平均汽車側(cè)傾角峰值等數(shù)據(jù)，麥弗遜式前懸架優(yōu)化前后對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。

5.2蛇行試驗(yàn)仿真評(píng)分

1)平均橫擺角速度峰值ωr的評(píng)價(jià)計(jì)分值，按式5-1計(jì)算(當(dāng)其大于100分時(shí)按100分計(jì))：

圖17 側(cè)向加速度對(duì)比

Fig.17 Lateral acceleration compared before and after optimization

圖18 橫擺角速度對(duì)比

圖19 側(cè)傾角對(duì)比

指標(biāo)優(yōu)化前優(yōu)化后改變幅度平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值94.88°89.90°+5.25%平均側(cè)向加速度峰值5.73m/s25.17m/s2-9.77%平均橫擺角速度峰值18.72°/s16.85°/s-9.99%平均車身側(cè)傾角峰值2.12°1.91°-9.91%

(5-1)

式中，Nωr為平均橫擺角速度的評(píng)價(jià)計(jì)分值；

ωr60為平均橫擺角速度下限值25°/s；

ωr40為平均橫擺角速度上限值10°/s；

ωr為平均橫擺角速度峰值試驗(yàn)值。

2)平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ的評(píng)價(jià)計(jì)分值，按式5-2計(jì)算(當(dāng)其大于 100 分時(shí)按 100 分計(jì))：

(5-2)

式中，Nθ為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的評(píng)價(jià)記分值；

θ60為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下限值180°；

θ100為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角上限60°；

θ為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的峰值。

3)蛇行試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分，按式5-3計(jì)算：

(5-3)

式中，Ns為蛇行試驗(yàn)的綜合評(píng)價(jià)計(jì)分。

計(jì)算可得前懸架優(yōu)化前后蛇行試驗(yàn)仿真評(píng)價(jià)計(jì)分如表5所示：

表5 優(yōu)化前后蛇形試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)計(jì)分

3 結(jié)論

本文應(yīng)用ADAMS/Car建立了某前置前驅(qū)SUV中的麥弗遜式前懸架的模型，并對(duì)該懸架模型進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的車輪上下跳動(dòng)試驗(yàn)仿真。仿真結(jié)果表明該麥弗遜式前懸架定位參數(shù)存在較大的改進(jìn)空間。

運(yùn)用ADAMS/Car中的Insight模塊對(duì)懸架硬點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的仿真試驗(yàn)顯示前懸架的車輪外傾角、主銷后傾角、注銷內(nèi)傾角和前束角在車輪上下跳動(dòng)時(shí)的變化變得更加合理。

優(yōu)化完成后，對(duì)裝配有該前懸架的整車模型進(jìn)行了蛇行試驗(yàn)仿真，仿真結(jié)果表明前懸架的優(yōu)化提升了車輛的操縱穩(wěn)定性，也證明了懸架結(jié)構(gòu)對(duì)整車操縱穩(wěn)定性具有較大影響。因此，汽車設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)懸架時(shí)應(yīng)在充分考慮懸架性能及操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上布置各硬點(diǎn)的位置。本文可以為懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供分析思路。

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