基于靈敏度分析的某重卡車轉(zhuǎn)向懸架運動干涉多工況多目標優(yōu)化分析

摘 要：文章為避免商用卡車轉(zhuǎn)向懸架的運動干涉問題，在工作中逐漸探索并使用多體分析軟件ADAMS car 2021，建立了某重卡前雙軸轉(zhuǎn)向及其懸架系統(tǒng)的多體模型，采用仿真手段對轉(zhuǎn)向懸架運動干涉所涉及的幾個工況進行仿真，并建立了前一軸、前二軸運動干涉的參變量函數(shù)作為兩個優(yōu)化目標，以及與其目標相關(guān)的變量參數(shù)，采用合適的優(yōu)化算法分析出各參變量的靈敏度數(shù)據(jù)，據(jù)此再對轉(zhuǎn)向懸架運動干涉問題進行了進一步的優(yōu)化分析，然后據(jù)分析結(jié)果向底盤部輸入了轉(zhuǎn)向懸架系統(tǒng)的最佳硬點布局數(shù)據(jù)，此后經(jīng)三維軟件DUM模塊進行了相關(guān)工況的運動分析和驗證，確認了輸入的硬點布置數(shù)據(jù)合理有效。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向懸架 運動干涉 靈敏度 Insight 優(yōu)化分析

1 緒論

一般商用卡車的轉(zhuǎn)向懸架結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)向傳動裝置主要由轉(zhuǎn)向搖臂、直拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂等幾個重要部分組成，前懸架一般是板簧形式的懸架結(jié)構(gòu)。國內(nèi)平頭卡車結(jié)構(gòu)由于布置空間的限制，轉(zhuǎn)向直拉桿前點和板簧懸架的運動中心很難在整車ZX投影面內(nèi)重合于一點，當車輛處于起伏路面或制動時，轉(zhuǎn)向直拉桿后點（轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點）既繞轉(zhuǎn)向直拉桿前點旋轉(zhuǎn)，又繞板簧懸架運動中心旋轉(zhuǎn)，理論上必然會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向懸架運動干涉問題[4]，導致轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，影響車輛在起伏路面的行駛穩(wěn)定性，以及制動跑偏問題。因此轉(zhuǎn)向懸架運動干涉分析的主要目的是使車輛在實際使用過程中，轉(zhuǎn)向直拉桿后點在以懸架運動中心的旋轉(zhuǎn)運動與繞直拉桿前點的旋轉(zhuǎn)運動過程中干涉量最小，使車輛在高速直線行駛狀態(tài)具有良好的直線行駛穩(wěn)定性；車輛在緊急制動時不跑偏或具有較小的跑偏量，以提升車輛的制動安全性。

國標《營運貨車安全技術(shù)條件》規(guī)定：總質(zhì)量大于或等12噸，最高車速大于90km/h的載貨車，應安裝自動緊急制動系統(tǒng)（AEBS）[5]。當車輛制動產(chǎn)生較大跑偏量時，會導致自動緊急制動系統(tǒng)（AEBS）探測不到檢測目標而失效，車輛將不滿足營運貨車安全技術(shù)條件。因此商用卡車的轉(zhuǎn)向懸架運動干涉分析和優(yōu)化，是商用卡車研發(fā)過程中一項十分重要而且必要的工作。下面將通過基于靈敏度數(shù)據(jù)分析的、某重卡轉(zhuǎn)向懸架運動干涉多工況多目標的優(yōu)化分析工作論述，意在為同行提供另一種分析研究此問題的新方法抑或參考。

前期高海龍、王昆等也于2021年也研究了基于靈敏度分析ADAMS Insight方面的優(yōu)化工作，見《DAMS的整車平臺硬點優(yōu)化方法》，但其只能按單一工況進行優(yōu)化，且需要對每一輪優(yōu)化結(jié)果進行分析驗證[2]，尋優(yōu)效率不高，甚至難于實現(xiàn)某些優(yōu)化工作。本文則在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對優(yōu)化目標的多工況兼顧優(yōu)化，可以直接給出最終的優(yōu)化方案，進行一次優(yōu)化結(jié)果驗證即可。

2 分析模型的建立與相關(guān)工況分析

2.1 分析模型的建立

由設(shè)計輸入的數(shù)模和參數(shù)逐一建立轉(zhuǎn)向輸入、轉(zhuǎn)向傳動、前1和2軸板簧、前1和2軸懸架、車輪等各系統(tǒng)的子模板（板簧子模板的垂向剛度，應和板簧二維圖上所標示的板簧夾緊剛度保持一致。分別在轉(zhuǎn)向輸入系統(tǒng)子模板中直拉桿兩端，轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)子模板的直拉桿（二橋轉(zhuǎn)向直拉桿）兩端，建立兩個間距測量函數(shù)DM1和DM2備用（DM1和DM2需對輪心處于零位時進行置零處理）。然后將各子模板生成子系統(tǒng)，再組裝成前雙軸轉(zhuǎn)向懸架的初步裝配模型，如下圖1所示，然后對懸架模型進平行輪跳分析，在后處理查看前1、2軸零位處的輪心力，如下圖2所示，看其數(shù)值加上輪胎重量是否和設(shè)計軸荷（或?qū)嵻嚋y試軸荷）相等；查看懸架的限位間隙、板簧剩余弧高是否和滿載設(shè)計值一致；如不一致就繼續(xù)調(diào)整板簧子模板和限位參數(shù)等，直至和設(shè)計（或?qū)崪y）值一致為止。

2.2 相關(guān)工況分析

優(yōu)化轉(zhuǎn)向懸架運動干涉的目的，一方面使車輛在起伏路面行駛時，減少路面激勵對方向盤的沖擊，提升操縱穩(wěn)定性能；另一方面為了提高所開發(fā)產(chǎn)品的制動安全性，降低制動跑偏量，使產(chǎn)品滿足法規(guī)及AEBS等輔助駕駛系統(tǒng)的功能使用要求，因而根據(jù)一些試驗測試數(shù)據(jù)制定了三個分析工況：1）上跳50mm；2）下跳50mm；3）0.5g制動（或根據(jù)車輛的不同指定）等三個工況。工況分析完成后，將在軟件左側(cè)模型樹結(jié)構(gòu)analysis分項呈現(xiàn)三行分析結(jié)果如下圖3所示。

3 Insight優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化分析模型的建立

（1）新建優(yōu)化分析試驗：進入ADAMScar2021的Insight模塊，新建一個優(yōu)化分析試驗（experiment_x1）如下圖4所示，選擇圖3所示的3個分析工況，作為優(yōu)化分析的執(zhí)行工況，確認建立優(yōu)化分析試驗。

（2）新建優(yōu)化分析目標：在創(chuàng)建設(shè)計目標對話框，通過定義測量選項，選擇2.1中建立的兩個間距測量函數(shù)DM1和DM2作為優(yōu)化目標，并把優(yōu)化方式定義為仿真過程中最小化DM1＼DM2的絕對值，完成兩個優(yōu)化目標的建立。

（3）定義優(yōu)化變量因子：根據(jù)優(yōu)化需要，選擇轉(zhuǎn)向系統(tǒng)子模板前軸FA1轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點三向坐標，以及轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)子模板二軸FA2轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點三向坐標，作為優(yōu)化變量因子，如下圖6所示。如對FA1軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂內(nèi)點的Z向變量進行定義，考慮設(shè)計制作問題，Z向采用離散值，相對初始值進行定義，容差設(shè)置為0，調(diào)整模式設(shè)置為適度模式。（4）定義優(yōu)化計算模式，生成優(yōu)化計算工作空間：對優(yōu)化試驗的方式、模型以及優(yōu)化試驗的類型，一一進行定義，如下圖7所示，優(yōu)化試驗類型選擇響應面模型，模型采用互動式，優(yōu)化計算方法選取拉丁超立方法，然后生成優(yōu)化計算的工作空間。

3.2 優(yōu)化分析計算及優(yōu)化結(jié)果初步校驗

（1） 優(yōu)化分析和優(yōu)化試驗擬合狀態(tài)檢查：優(yōu)化分析模型建立完成后，執(zhí)行優(yōu)化分析計算，計算完成后，查看優(yōu)化擬合的回歸情況。如下圖8、圖9所示。首先查看兩個優(yōu)化目標GS_01、GS_02中的P值都是0，標示顯示綠色，表明擬合表達式中各項都有用，且都與響應相關(guān)；R2值都大于0.9，標示顯示綠色，表明回歸模型的平方和與原始數(shù)據(jù)的平方和之比比較接近；R2adj和R2的比值接近1，標示顯示綠色，表明本次的優(yōu)化試驗擬合的非常好[2]；R/V值，GS_01是92.4，GS_02是136，標示顯示綠色，表明模型的計算值和原始數(shù)據(jù)點之間的預測關(guān)系良好。這些優(yōu)化分析的計算輸出數(shù)據(jù)說明本次優(yōu)化試驗的擬過程和擬合結(jié)果較為可信。

（2）確定優(yōu)化變量的靈敏度并進行優(yōu)化分析：在確定優(yōu)化試驗擬合計算過程可信后，導出分析結(jié)果的網(wǎng)頁文件，然后打開此網(wǎng)頁文件，查看各優(yōu)化因子相較于優(yōu)化目標既轉(zhuǎn)向懸架的運動干涉量GS_01和GS_02的相關(guān)性影響靈敏度值，如上圖10所示，把靈敏度值高的確定為主要的優(yōu)化變量，然后對其取值進行調(diào)整，如下圖12所示，可以快速高效的找到滿足優(yōu)化目標GS_01、GS_02要求的變量值。

（3）優(yōu)化結(jié)果初步校驗：根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定的變量值，帶入原多體模型結(jié)構(gòu)進兩個平跳和一個制動工況的仿真分析，分析結(jié)果如下圖12和圖13所示，前一軸FA1的平跳工況，轉(zhuǎn)向拉桿的最大干涉量為0.56mm，小于目標要求1mm；制動工況最大干涉量為0.18mm，小于目標要求0.5mm。前二軸FA2的平跳工況，轉(zhuǎn)向拉桿的最大干涉量為0.6mm，制動工況最大干涉量為0.15mm，同樣滿足干涉量分別小于1mm和0.5mm的要求。說明此次基于靈敏度的優(yōu)化仿真分析，快速有效的給出了-此型重卡基于轉(zhuǎn)向懸架運動干涉問題的合理硬點布置數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

商用卡車轉(zhuǎn)向懸架運動干涉問題主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是跳動轉(zhuǎn)向、另一個是制動跑偏。轉(zhuǎn)向懸架運動干涉問題的傳統(tǒng)分析方法是運用平面作圖法，這種方法對于跳動轉(zhuǎn)向工況，其忽略了桿件的空間布置、板簧襯套剛度，以及板簧懸架由于吊耳作用，懸架在壓縮或伸張時其剛度的些許的變化等，分析精度較低；另外對于制動跑偏工況，由于制動過程中板簧S變形圖難以繪制，板簧的S變形狀態(tài)及其變形的最大位置點都難以確定，很難使用平面作圖法對這一工況進行分析。此項工作通過多體仿真的方式進行分析究，很好的避免了上述問題。

上文基于靈敏度數(shù)據(jù)分析的某重卡車轉(zhuǎn)向懸架運動干涉多工況多目標的優(yōu)化分析工作，說明多體仿真分析和基于靈敏度的分析結(jié)合，是一種相輔相成的分析方法，再把多個工況和多個目標集成進行優(yōu)化仿真，可以很好的提高多體仿真優(yōu)化效率。本文主要意在為同行在轉(zhuǎn)向懸架運動干涉問題的分析方面提供另一種分析方法或參考。因此次運用多體模型進行的仿真優(yōu)化，集成了多工況和多目標，以及參考參變量的靈敏度分析，讀者可以參考此法對其他多體仿真問題，如KC仿真、操穩(wěn)平順性能進行類似的優(yōu)化仿真和分析，一起進行研討和提高。

5 展望

（1）因本次仿真，車架、轉(zhuǎn)向傳動系以及車橋，建模均采用的是剛體建模，還有仿真工況都是基于經(jīng)驗算法，希望后期能通過對車輛制動和起伏路面載荷譜的采集，修正建模方式以及施加于模型的工況算法。

（2）能通過轉(zhuǎn)向干涉臺架試驗，快速檢測優(yōu)化仿真結(jié)果，使仿真過程更符合實際工況。

（3）望質(zhì)量和裝配部門能輸入轉(zhuǎn)向傳動系的桿系以及車橋節(jié)臂等關(guān)鍵零部件的制造和裝配誤差，把這些誤差帶入優(yōu)化仿真過程，進一步分析研究仿真分析結(jié)果的離散度和魯棒性。

參考文獻：

[1]王彥偉，王承凱.ADAMS/Car汽車底盤動力學虛擬開發(fā)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2023.

[2]高海龍，王昆.基于ADAMS的整車平臺硬點優(yōu)化方法[M].北京：AI汽車網(wǎng)，2021.

[4]王霄峰.汽車底盤設(shè)計第2版[M].北京：清華大學出版社，2018.

[5]董金松，張浩，張紅衛(wèi)，等.JT/T1178《營運貨車安全技術(shù)條件》中華人民共和國交通運輸行業(yè)標準[R].北京：人民交通出版社股份有限公司出版，2018.