基于ADAMS的雙橫臂前懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

王 琳，韋 鵬，梁玉瑤

（蚌埠學(xué)院 機械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

雙橫臂懸架是大型轎車、越野車和城市SUV前懸架常采用的懸架形式。與其他懸架相比，雙橫臂獨立懸架自由度較多，若合理設(shè)計上下擺臂的長度和角度，則可以保證車輪的定位與主銷的角度更加匹配，減少由輪距引起的輪胎磨損[1-2]。為了有效改善車輛平順性和操縱穩(wěn)定性，車輪跳動和車輪定位參數(shù)的關(guān)系應(yīng)是研究的主要內(nèi)容。目前國內(nèi)對于雙橫臂獨立懸架的研究是比較活躍的，提出不少新思路、新方法，其主要分為兩種：一是空間解析幾何法，二是多剛體流體力學(xué)分析法。郭孔輝等系統(tǒng)闡述了懸架系統(tǒng)K&C特性，還從縱向力轉(zhuǎn)向、側(cè)向力轉(zhuǎn)向和干涉等方面對懸架特性進(jìn)行了分析[3]。文獻(xiàn)[4] 運用NSGA-Ⅱ算法，考慮前輪前束角和外傾角，對懸架進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。Wolfgang Matschinsky教授利用幾何圖解的理論推算了汽車在不平路面上的車輪跳動所造成的雙橫臂獨立懸架機構(gòu)的形變量，推動了懸架分析理論的發(fā)展[2]。但是以上方法均需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，工作量大，利用傳統(tǒng)多剛體動力學(xué)方法進(jìn)行分析計算所得的結(jié)果誤差較大[5]，且多數(shù)文獻(xiàn)以車輛平行跳動為研究對象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，而實際行車中雙輪平行跳動和異向跳動均存在。為了通過研究更好解決實際問題，本文以某款車的雙橫臂前懸架為研究對象，運用ADAMS/Car建模并進(jìn)行雙輪平行跳動和異向跳動試驗，結(jié)合前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角等隨輪跳行程的變化曲線，利用ADAMS/Insight模塊對懸架硬點坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到優(yōu)化前輪定位參數(shù)的目的。利用ADAMS軟件對懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，能夠有效檢驗懸架設(shè)計性能，縮短產(chǎn)品的發(fā)周期，降低設(shè)計成本[6-7]。

1 雙橫臂懸架的建模

1.1 雙橫臂懸架的結(jié)構(gòu)分析

雙橫臂懸架的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，A點為下擺臂前安裝點，B為下擺臂后安裝點，C為下擺臂外點，D為上擺臂前安裝點，E為上擺臂后安裝點，F(xiàn)為上擺臂外點，G點為車輪中心，H為車輪旋轉(zhuǎn)軸線上一點，L為轉(zhuǎn)向節(jié)臂外點，S為轉(zhuǎn)向梯形斷開點，M為車輪接地點。

圖1 雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 建立仿真模型

根據(jù)某款汽車的懸架硬點數(shù)據(jù)，通過ADAMS/Car模塊建立雙橫臂前懸架子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)，然后將所建子系統(tǒng)與仿真試驗臺裝配到一起，得到Assembly模型。建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 雙橫臂懸架模型

2 懸架模型運動學(xué)仿真分析

2.1 仿真試驗設(shè)計

為了研究前輪定位參數(shù)隨車輪跳動的變化情況，在ADAMS/Car中先后進(jìn)行平行輪跳（Parallel Travel）試驗和異向輪跳（Opposite Travel）試驗，仿真步數(shù)設(shè)置為100步，車輪上、下跳動量分別設(shè)為50 mm和-50 mm。仿真結(jié)束后，在ADAMS軟件的后處理模塊查看前輪各定位參數(shù)隨輪跳行程的變化曲線。

2.2 前輪各定位參數(shù)分析

車輪跳動時，前輪定位角變化對車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性及車輛的性能有很大影響。前輪前束角對汽車的操穩(wěn)性和輪胎磨損有重要意義，一般理想變化范圍為-0.5°～0.5°；前輪外傾角對汽車的輪胎磨損程度及均勻度有較大影響，一般理想外傾角的變化范圍為-2°～2°；主銷后傾角可以增加汽車直線行駛時的穩(wěn)定性和使前輪轉(zhuǎn)向后自動回正，一般理想變化范圍為1°～7°；主銷內(nèi)傾角的作用主要是回正前輪，一般理想變化范圍為5°～15°[8-9]。仿真試驗結(jié)束后，得到各定位參數(shù)隨輪跳的變化數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 優(yōu)化前前輪定位角變化范圍表

從表1中可以看出，主銷后傾角、前輪外傾角和主銷內(nèi)傾角基本在理想變化范圍內(nèi)；前輪前束角遠(yuǎn)超出理想變化范圍，故應(yīng)當(dāng)作為本次優(yōu)化的主要目標(biāo)。

3 懸架模型的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化目標(biāo)的確定

對雙橫臂懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析時，發(fā)現(xiàn)前輪前束角遠(yuǎn)超出理想變化范圍，前輪外傾角需要稍微修正，理論上應(yīng)該只對這兩個定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，但是考慮到各個定位參數(shù)之間存在相互影響，所以仍然需要對前束角、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角4個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.2 選擇試驗變量和優(yōu)化方法

在保證相關(guān)定位參數(shù)在理想范圍內(nèi)的前提下，對所有參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，根據(jù)影響程度，本次實驗中選取下擺臂前安裝點Z坐標(biāo)（Lca_front.z）、下擺臂后安裝點的Z坐標(biāo)（Lca_rear.z）、轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點的Z坐標(biāo)（Tierod_inner.z）、轉(zhuǎn)向拉桿外點的Z坐標(biāo)（Tierod_outer.z）、上擺臂前安裝點Y/Z坐標(biāo)（Uca_front.y/z）、上擺臂外點的X/Z坐標(biāo)（Uca_outer.x/z）、上擺臂后安裝點Z坐標(biāo)（Uca_rear.z）共計9個靈敏度影響較大的坐標(biāo)值作為試驗變量。

首先采用ADAMS/Insight模塊對各硬點坐標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析，然后對部分硬點坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，最后采用DOE Screening(2 Level)研究策略和Full Factorial設(shè)計方法，通過512次迭代計算，完成優(yōu)化過程。

ADAMS/Insight模塊有自帶的方差統(tǒng)計工具可以實現(xiàn)對模型的擬合，通常用R2和R2adj共同評估模型的可靠程度。R2一般在0～1之間進(jìn)行取值，其數(shù)值越高表示模型的可靠程度越好，但還是要結(jié)合R2adj來共同評估。P表示擬合式中的有用項，P越小表示有用項越多。R/V表示計算值與原始值之間的比值，其數(shù)值越大表明優(yōu)化情況越好[10]。評估模型可靠程度的各項指標(biāo)值如表2所示，從表2中可以看出此模型的可靠程度高，符合要求。

根據(jù)ADAMS/Insight導(dǎo)出的各試驗變量對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度圖如圖3至圖6所示。

由于車輪各定位參數(shù)相互影響，利用ADAMS/View和ADAMS/Insight聯(lián)合仿真進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，如表3所示。

表2 擬合可靠程度指標(biāo)值

表3 硬點坐標(biāo)值優(yōu)化前后對比

圖3 主銷后傾角的影響程度圖

圖4 主銷內(nèi)傾角的影響程度圖

圖5 前輪外傾角的影響程度圖

圖6 前輪前束角的影響程度圖

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在ADAMS/Car中對模型的硬點坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，然后再進(jìn)行平行跳動試驗和異向跳動試驗，得到前輪各定位角數(shù)值隨輪跳的變化曲線并與優(yōu)化前的變化曲線進(jìn)行對比，見圖7至圖14。

圖7 平行跳動前輪外傾角優(yōu)化前后對比圖

圖8 平行跳動前輪前束角優(yōu)化前后對比圖

圖9 平行跳動主銷后傾角優(yōu)化前后對比圖

圖10 平行跳動主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比圖

圖11 異向跳動前輪前束角優(yōu)化前后對比圖

將圖7至圖14中各定位角優(yōu)化前后隨輪跳行程變化范圍進(jìn)行整理，其中實線為優(yōu)化前的變化范圍，虛線為優(yōu)化后的，得到如表4所示結(jié)果。

圖12 異向跳動前輪外傾角優(yōu)化前后對比圖

圖13 異向跳動主銷后傾角優(yōu)化前后對比圖

圖14 平行跳動主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比圖

從表4中可以看出，優(yōu)化前后前輪前束角無論是平行跳動試驗還是異向跳動試驗，其變化范圍都有了明顯減少，其中平行跳動試驗變化量從2.09°減少到0.65°，減少了68.9%；異向跳動試驗變化量從2.07°減少到0.63°，減少了69.5%。同時優(yōu)化后的前束角變化范圍達(dá)到了-0.5°～0.5°的理想變化范圍，滿足優(yōu)化要求。對于前輪外傾角的優(yōu)化，在滿足理想變化范圍-2°～2°的前提下將跳動量為0時的外傾角進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了預(yù)期效果。

同時外傾角在平行跳動試驗和異向跳動試驗中的變化量均從1.67°減少到0.72°，減少了56.8%。主銷后傾角優(yōu)化前后隨輪跳行程的變化量減少最明顯，主銷后傾的變化量在平行跳動試驗和異向跳動試驗中均減少83%，提高了汽車直線行駛的穩(wěn)定性。對主銷內(nèi)傾角的優(yōu)化效果不明顯，這是因為ADAMS/Insight為了兼顧其他幾項參數(shù)的優(yōu)化而放棄了該參數(shù)利益，但是其變化范圍仍然處于5°～15°的理想變化范圍。綜上所述可知，前輪前束角、前輪外傾角和主銷后傾角均取得良好優(yōu)化效果，且4個前輪定位角均處于理想變化范圍。從優(yōu)化結(jié)果看，優(yōu)化后雙輪平行跳動和異向跳動定位參數(shù)變化范圍及變動量區(qū)分度不高，但優(yōu)化后懸架運動學(xué)性能得到改善，可以有效改善汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，減少輪胎的磨損。

表4 優(yōu)化前后前輪定位角變化的對比

4 結(jié)語

（1）根據(jù)所選雙橫臂懸架的參數(shù)，利用ADAMS/Car模塊建模并進(jìn)行仿真試驗，通過ADAMS/Insight模塊對懸架相關(guān)硬點進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后懸架的運動學(xué)性能得到一定程度提升，達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化效果。

（2）與4輪定位等傳統(tǒng)優(yōu)化方法相比，采用基于ADAMS軟件的優(yōu)化設(shè)計方法，能夠適應(yīng)車輛復(fù)雜運行工況，并進(jìn)行有效優(yōu)化設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，對車輛產(chǎn)品研發(fā)有著重要意義。

（3）利用ADAMS/Car模塊先后進(jìn)行平行跳動試驗和異向跳動試驗，更加符合汽車實際運行工況，增加了仿真優(yōu)化試驗結(jié)果的可靠性，具有現(xiàn)實意義。