基于ADAMS 的懸架車輪定位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

田棟，馬相飛，習(xí)偉博

（1.陜西汽車集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710043；2.陜西萬方汽車零部件有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著中國汽車行業(yè)的高速發(fā)展，人們對汽車的要求也越來越高，汽車乘坐舒適性就是其中重要一項要求。懸架作為評價汽車行駛平順性的一個重要部件已經(jīng)越來越被人們所重視。麥弗遜懸架以其維修簡單方便，制作成本低，結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)勢得到汽車廠商們的廣泛使用[1]。而汽車車輪定位參數(shù)的異常，尤其是車輪外傾角與前束的匹配不當(dāng)會使車輪相對地面發(fā)生側(cè)滑，加劇輪胎的磨損，影響汽車安全穩(wěn)定性[2]。且在平順性檢測方面，實車檢測所花費的成本大，需要的工期較長，一旦出現(xiàn)檢測不合格，還需要復(fù)雜的過程去改進和制造。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，運用虛擬樣機平臺和最優(yōu)設(shè)計理論相結(jié)合對懸架參數(shù)進行優(yōu)化以成為主流趨勢。

1 麥弗遜懸架模型的建立

1.1 CATIA 模型及硬點介紹

某款乘用車所用麥弗遜獨立前懸架的CATIA 結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，模型硬點來自廠家提供的CATIA 模型，彈簧剛度由廠家提供。前懸架系統(tǒng)包括：彈簧、減震器、限位塊、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、驅(qū)動軸、轉(zhuǎn)向橫拉桿、下控制臂、襯套等。減振器上支柱與車身以襯套相連，兩者之間以轉(zhuǎn)動副相連；轉(zhuǎn)向節(jié)與減振器下支柱以固定副連接；下控制臂外端以球形副與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，內(nèi)端以兩襯套與車身相連；轉(zhuǎn)向橫拉桿外端與轉(zhuǎn)向節(jié)以球形副相連，內(nèi)端以恒速副與轉(zhuǎn)向系相連。

圖1 懸架CATIA 結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 所示各硬點為前懸架建模過程中的主要硬點。其中，1 點為減震器上點，2 點為螺旋彈簧下點，3 點為減震器下點，4 點為轉(zhuǎn)向橫拉桿外球鉸的球心，5 點為車輪的輪心，6 點為下擺臂外球鉸的球心（下擺臂外點），7 點橫拉桿右點（內(nèi)點），8 點為下擺臂后襯套中心點（下擺臂后點），9 點為下擺臂前襯套軸線的中點。

1.2 ADAMS/Car 建模

部分前懸架參數(shù)分別如表1、2 所示：

表1 部分技術(shù)參數(shù)

表2 前懸架硬點參數(shù)

根據(jù)上述硬點參數(shù)對ADAMS/Car 下的麥弗遜懸架模板進行修改，建立可用的麥弗遜懸架仿真模型，如圖2 所示。

2 麥弗遜懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

2.1 多目標(biāo)優(yōu)化方法

通過大量應(yīng)用實踐發(fā)現(xiàn)實際工程優(yōu)化問題大多數(shù)屬于多目標(biāo)問題，因此對工程項目進行多目標(biāo)優(yōu)化分析逐漸成為一種研究熱點，并迅速發(fā)展成為一門新興學(xué)科。多目標(biāo)優(yōu)化分析(Multi-Objective Optimization，MOP)即對多個子目標(biāo)同時實施最優(yōu)化的問題，又稱為多準(zhǔn)則優(yōu)化問題或多性能優(yōu)化問題[3]。

圖2 麥弗遜懸架模板

多目標(biāo)優(yōu)化問題既是對多個目標(biāo)進行優(yōu)化分析，旨在使得各目標(biāo)函數(shù)協(xié)調(diào)均衡，得到一組最優(yōu)解集。多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）～（4）所示。

件，K 為等式約束的總數(shù)。

2.2 ADAMS/Insight 試驗設(shè)計系統(tǒng)

Insight 系統(tǒng)是ADAMS 軟件中的一種試驗設(shè)計及優(yōu)化系統(tǒng)，主要作用是利用某種優(yōu)化算法在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中研究模型參數(shù)與仿真結(jié)果之間的依賴關(guān)系，以提高仿真模型的質(zhì)量，降低產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高整車開發(fā)效率[4]。系統(tǒng)的主要試驗設(shè)計及優(yōu)化流程如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化流程

3 優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)的選取

前懸架中對樣車操縱穩(wěn)定性影響較大的參數(shù)主要包括前輪前束角、外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角等。車輪在行駛時，左右車輪載荷回發(fā)生變化，由于懸架導(dǎo)向機構(gòu)的運動和變形，外傾角隨之變化，伴隨著輪胎切向力等因素，改變輪胎的側(cè)傾剛度和外傾側(cè)向力。懸架在曲線行駛時也會發(fā)生側(cè)傾，車廂側(cè)傾時，前懸架導(dǎo)向桿系和轉(zhuǎn)向桿系的變形使前輪平面會發(fā)生繞主銷的小角度轉(zhuǎn)動，這種轉(zhuǎn)動成為側(cè)傾轉(zhuǎn)向。前束角在車輛車輪跳動時最理想的變化趨勢是盡可能小的變化甚至不變，因為前束角的設(shè)計是為了防止輪胎側(cè)偏導(dǎo)致的磨損和行駛阻力增大，并且維持車輛直線行駛穩(wěn)定性。對麥弗遜式前懸架模型進行雙輪平行跳動試驗，結(jié)果如圖4～7 所示[5,6]。

圖4 車輪外傾角

圖5 汽車前束角

圖6 主銷后傾角

圖7 主銷內(nèi)傾角

圖4 所示為左右車輪同向跳動試驗外傾角變化曲線，向下跳動時外傾角向正外傾變化，雖然有減弱趨勢，但是變化值較大接近1.57°。上跳過程較為理想，變化值接近-1.42°。外傾角還有優(yōu)化空間，優(yōu)化方向是使車輪上下跳動時外傾角變化減小。圖5 所示為左右車輪同向跳動試驗前束角變化曲線，在車輪上下跳動時，前束角變化范圍-1°—0.5°/100mm，變化趨勢較為理想，直線穩(wěn)定性較好。圖6 所示為左右車輪同向跳動試驗主銷后傾角變化曲線，在車輪跳動時，主銷后傾角變化較小，變化數(shù)值在3.15°到4.05°之間，比較合理，處在設(shè)計要求之間，基本符合設(shè)計要求。圖7 所示為左右車輪同向跳動試驗主銷內(nèi)傾角變化曲線，當(dāng)車輪上下跳動時，主銷內(nèi)傾角變化幅度10.5°～15°之間，變化較大，不在理想范圍內(nèi)，有較大優(yōu)化空間。

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計，通常需要對模型中出現(xiàn)的參數(shù)進行反復(fù)迭代修改。為節(jié)省優(yōu)化時間、降低成本，本文采用伴隨矩陣變量法進行靈敏度分析。由于文章只是對懸架進行了單純的運動學(xué)分析，因此對于質(zhì)量和受力不予考慮。因此，本文對硬點坐標(biāo)進行分析優(yōu)化時，對前軸載荷影響不予考慮[7]。通過靈敏度分析結(jié)果，本次選取下控制臂外支點X、Y、Z 方向，下控制臂后支點Y、Z 方向，下控制臂前支點Y、Z 方向及減震器上安裝點X、Y、Z 三個方向。

4 結(jié)果及分析

根據(jù)硬點優(yōu)化結(jié)果，修改懸架硬點坐標(biāo)，再次進行車輪同向跳動試驗，結(jié)果對比如圖8～11 所示。

圖8 車輪外傾角優(yōu)化前后對比

圖10 主銷后傾角優(yōu)化前后對比

圖11 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比

優(yōu)化后得出的結(jié)論為：通過對部分硬點參數(shù)坐標(biāo)進行修改，懸架車輪定位參數(shù)得到了優(yōu)化，車輪后傾角和外傾角變化不明顯，主銷內(nèi)傾角和前束角優(yōu)化效果顯著，其中，汽車前束角范圍由-1°～0.5°減小到-0.6°～0.2°，汽車主銷內(nèi)傾角變化范圍由10.5°～14.5°減小到9.5°～13.5°，使設(shè)計目標(biāo)得到進一步優(yōu)化。

5 結(jié)語

本文在ADAMS 中建立了麥弗遜懸架仿真分析模型，通過進行雙輪同向跳動實驗仿真分析，結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化方法，對懸架各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行最優(yōu)試驗分析，優(yōu)化后得出的結(jié)論為：通過對部分硬點參數(shù)坐標(biāo)進行修改，懸架車輪定位參數(shù)得到了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果對比未優(yōu)化前效果顯著，進而使得汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性得到了較大改善。