基于ADAMS/Insight的汽車雙橫臂前懸架仿真與優(yōu)化研究

康學(xué)忠

（重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，重慶 401120）

雙橫臂獨(dú)立懸架在乘用車上有廣泛應(yīng)用，其導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，直接影響著懸架的性能好壞以及輪胎磨損嚴(yán)重與否[1-2]。

本文以某乘用車雙橫臂前懸架為研究對(duì)象，在ADAMS/Car模塊中建立其多體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行雙輪平行跳動(dòng)試驗(yàn)，在ADAMS/Postprocessor中對(duì)前輪定位參數(shù)隨輪跳的響應(yīng)進(jìn)行研究，針對(duì)不合理的車輪定位參數(shù)，在ADAMS/Insight模塊中優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 懸架虛擬樣機(jī)模型的建立

本文調(diào)用ADAMS/Car提供的子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)中的雙橫臂懸架模板，根據(jù)已有的硬點(diǎn)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行修改[3-4]，得到虛擬樣機(jī)仿真模型，如圖1所示。建模涉及的整車參數(shù)、懸架硬點(diǎn)參數(shù)值見表1、表2。

圖1 雙橫臂懸架虛擬樣機(jī)模型

表1 某汽車整車參數(shù)

表2 前懸架左側(cè)關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)值

2 仿真結(jié)果

ADAMS/Car中雙輪平行跳動(dòng)試驗(yàn)可以獲得懸架定位參數(shù)隨輪跳變化規(guī)律，試驗(yàn)步數(shù)100，仿真模式為交互式（interactive），車輪向上跳動(dòng)量50 mm，向下跳動(dòng)量設(shè)置為-50 mm，完成仿真后，在ADAMS/Postprocessor模塊中得到懸架定位參數(shù)隨輪跳變化的曲線[3]。主要從車輪前束角、車輪外傾角、主銷后傾角以及主銷內(nèi)傾角4個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。前懸架理想的性能參數(shù)變化范圍[5-6]要求如下。

前束角隨輪跳有過大變化，會(huì)降低汽車行駛穩(wěn)定性、增大輪胎滾動(dòng)阻力、增大輪胎磨損，因此，前束要求變化率-0.5°/50 mm輪跳以內(nèi)。

外傾角應(yīng)保持在最小的變化范圍內(nèi)變化，一般理想的外傾角的變化范圍為（-2°～2°）/±50 mm輪跳，最好是在（-1°～0.5°）/50 mm上跳。

主銷后傾角，對(duì)于前置前驅(qū)車輛，其合理變化范圍為（1°～7°）/±50 mm輪跳。

主銷內(nèi)傾角，合理的變化范圍為（7°～13°）/±50 mm輪跳。

由表4可知，前束角變化范圍-0.53°～1.81°，變化量是 2.34°，超出理想范圍，需要優(yōu)化。車輪外傾角的變化范圍-1.02°～0.33°，變化量是1.35°。滿足設(shè)計(jì)要求，變化量還是較大，需要優(yōu)化。

主銷后傾角的變化范圍為5.29°～5.58°，變化量小，符合設(shè)計(jì)要求。主銷內(nèi)傾角的變化范圍為9.52°～11.08°，變化量為1.56°，變化量偏大，需要優(yōu)化。

由上述分析可知，部分懸架定位參數(shù)隨輪跳的變化規(guī)律不理想，需對(duì)該懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 雙橫臂前懸架優(yōu)化

3.1 雙橫臂懸架優(yōu)化

ADAMS/Insight模塊中有若干優(yōu)化策略（Investigation Strategy, IS）及優(yōu)化算法（DOE design type），優(yōu)化策略本文選擇二階響應(yīng)面法，優(yōu)化算法選擇D-optimal算法[6]。

在ADAMS/Insght中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：主銷偏移距、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角、前束和主銷后傾角這5個(gè)懸架定位參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，選擇對(duì)雙橫臂前懸架定位參數(shù)影響較大的12個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)值[5]作為設(shè)計(jì)變量（坐標(biāo)見表4），每個(gè)變量的擾動(dòng)范圍在-10 mm～10 mm，共進(jìn)行256次仿真。

12個(gè)因子對(duì)5個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的影響如圖2—圖6所示，選出對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響很小的3變量（hpl_lca_front.y；hpl_lca_rear.y；hpl_uca_front.y），在ADAMS/Insght優(yōu)化界面對(duì)這三個(gè)因子固定，根據(jù)靈敏度分析和重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象，選擇合適的優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表3所示。

圖2 12個(gè)因子對(duì)外傾角的靈敏度的影響程度

圖3 12個(gè)因子對(duì)后傾角的靈敏度的影響程度

圖4 12個(gè)因子對(duì)主銷內(nèi)傾角的影響程度

圖5 12個(gè)因子對(duì)主銷偏移距的影響程度

圖6 12個(gè)因子對(duì)前束角的影響程度

表3 重要硬點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果

3.2 優(yōu)化前后的結(jié)果分析

雙橫臂前懸架為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在平行輪跳試驗(yàn)中左、右車輪定位參數(shù)相同，下文將僅討論左前輪的仿真結(jié)果。

優(yōu)化前、后懸架定位參數(shù)變化范圍如表4所示，下文具體分析。考慮懸架各定位參數(shù)之間相互影響，一個(gè)參數(shù)得到優(yōu)化的同時(shí)，其他某幾個(gè)參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)不如優(yōu)化之前好的情況。

3.2.1 外傾角

圖7為外傾角仿真結(jié)果，結(jié)合表4，分析可知，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求（見上文），優(yōu)化后外傾角變化量的減少量為0.38°，占優(yōu)化前外傾角變化量的28%，優(yōu)化效果明顯。

表4 優(yōu)化前后懸架定位參數(shù)變化范圍表

3.2.2 主銷后傾角

主銷后傾角仿真結(jié)果如圖8所示，結(jié)合表4，分析可知，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求（見上文），且優(yōu)化后后傾角變化量的減少量為0.17°，占優(yōu)化前后傾角變化量的59%，得到了良好的優(yōu)化效果。

圖7 車輪外傾角仿真結(jié)果

圖8 主銷后傾角仿真結(jié)果

3.2.3 車輪拖距

車輪拖距仿真結(jié)果如圖9所示，優(yōu)化后拖距變化量減少了2.01 mm，占優(yōu)化前拖距變化量的74%，取得了理想的優(yōu)化效果。

圖9 車輪拖距仿真結(jié)果

3.2.4 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾角仿真結(jié)果如圖10所示，結(jié)合表4，分析可知，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求（見上文），且優(yōu)化后內(nèi)傾角變化量的減少量為0.58°，占優(yōu)化前內(nèi)傾角變化量的37%，對(duì)主銷內(nèi)傾角的優(yōu)化取得了良好效果。

圖10 主銷內(nèi)傾角仿真結(jié)果

3.2.5 車輪前束角

前束角仿真結(jié)果如圖11所示，結(jié)合表4，分析可知，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求（見上文），且優(yōu)化后車輪前束角變化量的減少量為1.42°，占優(yōu)化前的前束角變化量的61%，對(duì)前輪前束角的優(yōu)化取得了良好效果，有益于提升車輛操穩(wěn)性能。

圖11 車輪前束角仿真結(jié)果

3.2.6 主銷偏移距

乘用車主銷偏距設(shè)計(jì)要求為（-18,79）mm，且主銷偏距選用負(fù)值可減小制動(dòng)跑偏。

主銷偏移距仿真結(jié)果如圖12所示，優(yōu)化后主銷偏移距變化量增加了0.02 mm，占優(yōu)化前主銷偏移距變化量的1.6%，主銷偏距優(yōu)化前后的變化量幾乎不變，優(yōu)化后主銷偏距為負(fù)值，在合理范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 主銷偏移距仿真結(jié)果

3.2.7 輪距變化量

輪胎拖距仿真結(jié)果如圖13所示，優(yōu)化后輪距變化量減少了0.8 mm，占優(yōu)化前輪距變化量的7.9%，有一定的優(yōu)化效果，提升了車輛操穩(wěn)性能且降低了輪胎磨損。

圖13 輪距仿真結(jié)果

3.2.8 轉(zhuǎn)向角

車輪轉(zhuǎn)向角仿真結(jié)果如圖14所示，結(jié)合表4，分析可知，優(yōu)化后車輪轉(zhuǎn)向角變化量的減少量為1.42°，占優(yōu)化前的轉(zhuǎn)向角變化量的61%，優(yōu)化效果顯著。

圖14 轉(zhuǎn)向角仿真結(jié)果

小結(jié)：上述優(yōu)化過程表明，優(yōu)化后，預(yù)定的懸架優(yōu)化目標(biāo)（前束角、外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷偏移距和主銷后傾角）取得優(yōu)化的同時(shí)，其他懸架定位參數(shù)（車輪拖距、輪距變化量和轉(zhuǎn)向角）也得到了優(yōu)化，懸架性能得到改善。

4 結(jié)語(yǔ)

在ADAMS/Car模塊中，通過修改標(biāo)準(zhǔn)模板中相關(guān)參數(shù)，建立某乘用車雙橫臂前獨(dú)立懸架虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行車輪平行輪跳試驗(yàn)，在ADAMS/Postprocessor中得到懸架定位參數(shù)隨輪跳的變化規(guī)律。在ADAMS/Insight模塊中，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果顯示，經(jīng)過優(yōu)化，改善了懸架定位參數(shù)，提升了懸架性能表現(xiàn)。本文研究對(duì)雙橫臂懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作具有一定的參考意義。