基于多目標約束的多連桿懸架優(yōu)化設(shè)計

張鵬，王洪新，曹昌勇

(皖西學(xué)院機械與車輛工程學(xué)院，安徽六安 237012)

0 引言

隨著汽車操縱穩(wěn)定性和舒適性要求的不斷提高，多連桿懸架作為車輛的后懸架被廣泛采用。多連桿懸架不但能提高設(shè)計自由度，還能增加對每個方向的約束控制，在滿足乘員舒適性的情況下，能更有效地提高車輛的操縱穩(wěn)定性，有效減少輪胎磨損。

懸架的運動學(xué)特性與柔性(kinematic & compliance，K&C)是保證車輛舒適性和操縱穩(wěn)定性的基礎(chǔ)[1-8]，其中懸架硬點坐標(懸架中決定懸架運動學(xué)特性的點)和部分關(guān)鍵襯套的剛度對K&C影響較大，需要在設(shè)計階段充分考慮。在懸架優(yōu)化設(shè)計時，一般先分析懸架的硬點坐標對K&C主要特性參數(shù)的影響，確定懸架的硬點坐標后，再對懸架襯套的剛度進行匹配，確保懸架滿足設(shè)計要求。

本文結(jié)合在研車輛開發(fā)過程中懸架的K&C，根據(jù)多目標約束條件和懸架布置的具體要求，分析多連桿懸架的硬點坐標和襯套剛度對K&C主要特性參數(shù)變化靈敏度的影響，并對懸架的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 多連桿懸架模型

1.1 多連桿懸架的組成

多連桿懸架模型由懸架、穩(wěn)定桿、副車架等組成。

1)懸架。懸架主要由連桿、減振器、彈簧、穩(wěn)定桿等組成，多連桿懸架單側(cè)包括1個縱臂、1個上控制臂、2個下控制臂、彈簧、減振器等。縱臂一端和轉(zhuǎn)向節(jié)焊接在一起，另一端通過彈性襯套與車身相連；上、下控制臂一端通過襯套與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，另一端通過襯套與副車架相連；減振器上端與車身相連，下端連接下控制臂；彈簧上端通過彈簧座和車身相連，下端支撐在下控制臂上。

2)橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)。該系統(tǒng)由穩(wěn)定桿及拉桿組成。

3)副車架子系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過螺栓與車身剛性相連。

1.2 懸架模型及驗證

1.2.1 建模

已知整車參數(shù)、各零部件硬點坐標、彈性元件參數(shù)等，其中懸架主要硬點坐標參數(shù)和襯套剛度如表1、2所示，坐標軸x、y、z方向如圖1所示。

表1 多連桿懸架硬點坐標 mm

表2 多連桿后懸架襯套剛度

圖1 多連桿懸架剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型

汽車運行中，前后軸的抗側(cè)傾性依靠多連桿懸架中副車架和縱臂的形變來保證，為了精確模擬副車架和縱臂在復(fù)雜運動情況下的變形情況，將其建為柔性體。采用有限元前處理軟件Hypermesh通過殼單元對副車架和縱臂三維模型進行網(wǎng)格劃分，各劃分為80 372個單元和10 118個單元，其中網(wǎng)格單元的長度均為4 mm。焊縫選用RBE2單元進行模擬，根據(jù)模態(tài)綜合法計算副車架和縱臂200 Hz內(nèi)的自由模態(tài)和約束模態(tài)，導(dǎo)出副車架和縱臂的MNF中性柔性體文件，再將其導(dǎo)入 Adams/car建立柔性體模型，與Adams/car中其他剛性體部件模型一起裝配形成多連桿懸架剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型,如圖1所示[9-13]。

1.2.2 仿真及試驗驗證

模擬車輛雙輪同向平行跳動和縱向力加載實車試驗，雙輪同向平行輪跳垂直位移為-50～50 mm，縱向力為3000 N，利用Adams/car軟件對圖1的模型進行仿真分析；同時利用汽車懸架K&C試驗臺對在開發(fā)車輛懸架進行試驗。仿真與試驗2種情況下的車輪前束角和外傾角及輪心縱向位移的變化曲線如圖2所示。

圖2 模型仿真與試驗測試結(jié)果對比

由圖2可知：多連桿懸架剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)模型仿真結(jié)果與試驗測試結(jié)果吻合度較高，驗證了所建懸架模型的正確性。

2 K&C的影響因素分析及懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

懸架總成的K&C主要研究車輪平行跳動、車輛側(cè)傾、轉(zhuǎn)向、縱向力加載、側(cè)向力加載和回正力矩加載等幾個工況特性，每種工況下對應(yīng)多項特性參數(shù)，各項K&C特性參數(shù)的重要等級特性不完全相同。本文主要分析雙輪同向平行跳動及加載同向縱向力、同向側(cè)向力及回正力矩時懸架硬點坐標和襯套剛度對車輪前束角、車輪外傾角、輪心縱向與側(cè)向位移等懸架K&C主要特性參數(shù)的影響。

2.1 懸架硬點坐標的影響及優(yōu)化

懸架結(jié)構(gòu)的布局直接影響懸架的運動學(xué)特性指標，而懸架硬點坐標則是最重要的直接影響因素，本文從實際項目需求出發(fā)，結(jié)合布置的可行性和調(diào)整約束要求，分析可調(diào)的懸架關(guān)鍵點坐標對懸架運動學(xué)特性參數(shù)的影響，對關(guān)鍵硬點的坐標進行優(yōu)化分析[14-20]。

2.1.1 設(shè)計變量和約束條件

從車輛布置角度出發(fā)，基于布置初始值，按初始值增減一定比例得到參數(shù)的變化范圍，從而獲取硬點坐標對懸架的影響。本文借用車輛原減震器結(jié)構(gòu)和彈簧，不考慮調(diào)整彈簧硬點。選取上下控制臂的內(nèi)外點、縱臂安裝點等5個硬點的x、y、z3個方向的坐標作為設(shè)計自變量，根據(jù)工程經(jīng)驗，取變量的變化范圍為-3～3 mm。

2.1.2 雙輪同向平行跳動時懸架硬點坐標的影響

分析懸架硬點x、y、z3個方向的位移對車輪前束角與外傾角、縱向位移和側(cè)向位移等影響K&C特性的關(guān)鍵參數(shù)的影響。在Insight模塊中將車輛前束角、車輪外傾角、輪心縱向位移和側(cè)向位移的最大值(絕對值)作為分析目標，應(yīng)用試驗設(shè)計(design of experiments，DOE)靈敏度優(yōu)化方法，得到各硬點坐標對車輪前束角與外傾角、輪心縱向位移和側(cè)向位移等參數(shù)靈敏度的影響，如圖3所示。

1)圖3a)中，上控制臂內(nèi)端點z坐標對前束角靈敏度的貢獻最大，達到63%，且為正向影響(即隨著該點z坐標的增大，前束角增大)；上控制臂外端點z坐標對前束角變化的靈敏度貢獻率為22%，為負方向影響；縱臂端點z坐標對前束角是負影響效應(yīng)，貢獻率約為18%。

2)圖3b)中，上控制臂和下控制臂內(nèi)端點z坐標對外傾角靈敏度影響的貢獻率基本相同，約為14%，但二者影響方向相反。

3)圖3c)中，縱臂端點z坐標對縱向位移變化靈敏度的影響尤為明顯，貢獻率約為18%，且為正向影響。

4)圖3d)中，上控制臂內(nèi)端點z坐標對側(cè)向位移變化靈敏度的影響最突出，貢獻率約為19%，且為正向影響。

圖3 雙輪同向平行跳動時懸架硬點坐標對各參數(shù)靈敏度的影響

2.1.3 懸架硬點坐標的優(yōu)化

測試發(fā)現(xiàn)，在研車輛車輪同向平行跳動時前束角變化量、側(cè)傾轉(zhuǎn)向時的前束角變化量不滿足設(shè)計要求，因此對該車懸架的硬點坐標提出幾種改進方案,如表3所示。

表3 懸架硬點調(diào)整方案 mm

1)方案1?？v臂安裝點的坐標在x、y方向分別增加10 mm，在z軸方向減小10 mm；上、下控制臂外點坐標在z軸方向減小10 mm。但調(diào)整車身縱臂安裝點需要重新開發(fā)縱臂，否則將導(dǎo)致側(cè)傾中心高度和車輛抗點頭率不滿足要求。

2)方案2。該方案調(diào)整的硬點較多，調(diào)整范圍較大，由于縱臂端點受限于車身安裝結(jié)構(gòu)形式和姿態(tài)，此方案需要重新調(diào)整設(shè)計。

3)方案3。綜合考慮多目標約束條件，調(diào)整上下控制臂外點，重新開發(fā)設(shè)計轉(zhuǎn)向節(jié)，此方案零部件改動量較小。

綜合考慮多目標限制后，盡量減少零部件的結(jié)構(gòu)變化，以降低研發(fā)費用[21-25]。最終該車輛后懸架硬點選擇折中優(yōu)化方案3，即z向降低上控制臂外端點10 mm，z向抬高下控制臂內(nèi)端點10 mm。

2.2 襯套剛度的影響及優(yōu)化

2.2.1 設(shè)計變量及約束條件

以輪心位置、車輪前束角變化，并綜合車輪回轉(zhuǎn)力矩和前束角的變化關(guān)系為目標約束條件，參考車輛懸架襯套設(shè)計原始值，通過比例進行定義縮放，控制襯套剛度為0.85～1.15倍的初始值，分析懸架襯套剛度對懸架K&C特性參數(shù)的影響。

2.2.2 不同加載方式下襯套剛度的影響

在縱向力及側(cè)向力作用下，分析上下控制臂襯套、縱臂襯套、副車架襯套、穩(wěn)定桿襯套剛度對車輪前束角和輪心位移的影響?；贏DAMS軟件，通過修改襯套的剛度參數(shù)設(shè)置，分析其對車輪前束角靈敏度、輪心位置靈敏度的影響，應(yīng)用DOE方法獲取方案矩陣，得到各個襯套剛度對K&C參數(shù)靈敏度的影響結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同加載方式下襯套剛度對各參數(shù)靈敏度的影響

由圖4可知：縱臂襯套x向剛度對K&C特性參數(shù)的影響最大。隨著縱臂襯套x向剛度變化量的增大，在同向縱向力與同向側(cè)向力加載工況下，輪心位移及前束角的變化最明顯?；卣丶虞d時，縱臂襯套x向剛度變化時，前束角的變化較硬點坐標優(yōu)化前有明顯改善；同向側(cè)向力加載時上控制臂、副車架襯套x向剛度對K&C特性參數(shù)變化靈敏度的影響較小。

2.2.3 襯套剛度優(yōu)化

懸架硬點坐標確定后，測試發(fā)現(xiàn)，車輛輪心位置隨著縱向力變化和側(cè)向力變化的程度不滿足設(shè)計要求，因此對襯套剛度進行調(diào)整，根據(jù)襯套剛度對K&C參數(shù)變化靈敏度的分析結(jié)果，結(jié)合DOE分析方法，得到襯套剛度優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 懸架襯套剛度 kN·mm-1

3 懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后性能參數(shù)對比

利用硬點坐標和襯套剛度對K&C主要特性參數(shù)靈敏度影響的分析結(jié)果，在懸架K&C、整車操縱穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本等多目標的基礎(chǔ)上有所取舍，以保證優(yōu)化后各項性能參數(shù)達到設(shè)計要求。優(yōu)化前后較為重要的幾個K&C特性參數(shù)的仿真數(shù)據(jù)如表5所示。

通過硬點坐標和襯套剛度的優(yōu)化，雙輪平行跳動時的前束角變化、車輛側(cè)傾時前束角變化、懸架側(cè)傾中心高度、縱向力作用時的輪心位移變化以及側(cè)向力作用下的輪心位移變化都滿足設(shè)計要求。

表5 優(yōu)化前后部分K&C指標結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文對多連桿懸架硬點坐標和襯套剛度對K&C主要特性參數(shù)靈敏度的影響進行分析，以K&C滿足設(shè)計要求為約束條件，對懸架各硬點坐標和襯套剛度進行優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后懸架的K&C主要指標均滿足設(shè)計要求，懸架的各項性能更趨合理，為后期整車性能的達標提供了基礎(chǔ)。