某全地形車雙橫臂獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)優(yōu)化研究

趙萍，姜永晴，肖冰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

懸架是現(xiàn)代汽車上的重要組成部分，它把車架與車輪彈性連接起來(lái)，用于傳遞車架和車輪之間所有的力和力矩，緩和由路面不平傳遞給車身的沖擊載荷，保證車輛平順行駛。懸架一般由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減震器組成。獨(dú)立懸架由于能較好地保持車輪與路面的接觸，提高離地間隙、改善通過(guò)性，被越來(lái)越多的應(yīng)用于轎車、輕型客車和越野車上。不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架通過(guò)合理的設(shè)計(jì)擺臂參數(shù)能獲得良好的綜合性能。獨(dú)立懸架采用斷開式轉(zhuǎn)向梯形，為了使懸架與轉(zhuǎn)向梯形相匹配，主要工作就是確定斷開點(diǎn)位置。對(duì)斷開點(diǎn)位置進(jìn)行合理的優(yōu)化。作者以某全地形越野車不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架為研究對(duì)象，在ADAMS中建立轉(zhuǎn)向及懸架系統(tǒng)虛擬樣機(jī)，研究在該懸架系統(tǒng)下斷開點(diǎn)位置與車輪跳動(dòng)時(shí)前束角變化趨勢(shì)，使車輪上下跳動(dòng)時(shí)，由轉(zhuǎn)向桿系與懸架運(yùn)動(dòng)干涉所引起的前束角變化盡可能小。

1 簡(jiǎn)化模型的建立

雙橫臂獨(dú)立懸架的簡(jiǎn)化模型如下圖1所示，以前懸架一半結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，懸架結(jié)構(gòu)由上橫臂EC、下橫臂GD、主銷EG構(gòu)成，C、D點(diǎn)為銷軸連接（假定銷軸與車輛縱向平行），E、G點(diǎn)為球頭連接，OU為轉(zhuǎn)向梯形臂、UT為轉(zhuǎn)向梯形橫拉桿、兩端球頭鉸接連接、T點(diǎn)為斷開點(diǎn)。當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，懸架上下擺臂分別繞C、D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，橫拉桿UT同時(shí)繞T點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，UT同時(shí)拉動(dòng)OU，使車輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生車輪前束角α?，F(xiàn)在懸架系統(tǒng)建立前提下，建立懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向梯形的平面理論模型，利用平面作圖法，初步確定斷開點(diǎn)T位置坐標(biāo)。此方法由于忽略了主銷后傾角和上下擺臂擺動(dòng)軸線空間角度的影響，用此方法確定的斷開點(diǎn)位置具有一定參考性，但無(wú)法達(dá)到最優(yōu)，仍有優(yōu)化空間。結(jié)合ADAMS仿真軟件，建立空間仿真樣機(jī)，對(duì)斷開點(diǎn)位置做進(jìn)一步仿真優(yōu)化。

圖1 雙橫臂懸架理論簡(jiǎn)化模型

2 虛擬仿真樣機(jī)的建立

以雙橫臂懸架理論簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，在ADAMS/View中建立懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型，如下圖2所示。將車輪、輪軸、主銷和轉(zhuǎn)向梯形臂GF以固定副連接，上橫臂與主銷連接點(diǎn)B、下橫臂與主銷連接點(diǎn)C、橫拉桿與轉(zhuǎn)向梯形臂連接點(diǎn)F、斷開點(diǎn)與搖臂連接點(diǎn)E均為球形副連接，上、下橫臂與車身連接點(diǎn)A、D分別繞地面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輪胎支撐于試驗(yàn)平臺(tái)上，與平臺(tái)之間為點(diǎn)面接觸，在平臺(tái)上施加上下運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)副，模擬車輪跳動(dòng)。

圖2 虛擬樣機(jī)簡(jiǎn)化模型

以某全驅(qū)車懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對(duì)象，以平面作圖法初步確定斷開點(diǎn)坐標(biāo)為（X、Y、Z），當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，得到目標(biāo)函數(shù)與車輪跳動(dòng)量曲線圖，如下圖3所示，設(shè)定向上為正。由圖3目標(biāo)函數(shù)仿真曲線得出，在車輪上下跳動(dòng)時(shí)，優(yōu)化前的車輪前束角分別為0.14°和0.42°，仍可進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 目標(biāo)函數(shù)變化曲線

3 優(yōu)化仿真

在ADAMS/Insight中進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化分析，設(shè)置斷開點(diǎn)坐標(biāo)為變量（DV_1、DV_2、DV_3），前束角α為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)求最小值，考慮斷開點(diǎn)空間位置約束，設(shè)置相應(yīng)約束條件，進(jìn)行仿真分析。設(shè)置斷開點(diǎn)坐標(biāo)變量變化范圍，考慮到斷開點(diǎn)基礎(chǔ)坐標(biāo)為平面作圖法得到坐標(biāo)，設(shè)置坐標(biāo)變量變化范圍為百分比相對(duì)偏差±10%，對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)變量設(shè)置2個(gè)水平，共進(jìn)行9次矩陣模擬試驗(yàn)。選擇目標(biāo)函數(shù)的最小值為研究對(duì)象，通過(guò)不斷調(diào)整變量，得到最優(yōu)仿真結(jié)果。優(yōu)化后的仿真結(jié)果曲線如下圖4所示，由圖4優(yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)仿真曲線得出，當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，優(yōu)化后的車輪前束角分別減小為0.09°和0.1°。

圖4 優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)變化曲線

4 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)斷開點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，優(yōu)化仿真，使車輪上跳時(shí)前輪前束角由最大值0.14°減小為0.09°，車輪下跳時(shí)前束角最大值由0.41°減小為0.1°。優(yōu)化后的車輪前束角變化值控制在0.1°內(nèi)，滿足前束角設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在以某全地形車雙橫臂獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)完成基礎(chǔ)上，通過(guò)匹配設(shè)計(jì)斷開式轉(zhuǎn)向梯形，確定斷開點(diǎn)位置坐標(biāo)。得出了斷開式梯形設(shè)計(jì)步驟，首先進(jìn)行梯形設(shè)計(jì)理論分析，結(jié)合平面作圖法初步確定斷開點(diǎn)位置坐標(biāo)，最后在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)，優(yōu)化仿真分析。該設(shè)計(jì)方法具有一定的通用性，能很好的指導(dǎo)獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)的設(shè)計(jì)，通過(guò)該方法優(yōu)化后能得到較小的理想前束角，從而能減輕輪胎的磨損及提高轉(zhuǎn)向操縱的穩(wěn)定性。