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1、汽車麥弗遜懸架性能仿真 汽車麥弗遜懸架性能仿真 2014/08/13 《計(jì)算機(jī)仿真雜志》2014年第六期 1懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 1．1懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性在車輛行駛中，由于路面不平或車輪垂直載荷變化，懸架導(dǎo)向桿系的運(yùn)動(dòng)及變形，車輪定位參數(shù)隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輪胎側(cè)偏特性改變;在汽車曲線行駛時(shí)懸架上的車身將發(fā)生側(cè)傾，引起汽車側(cè)傾轉(zhuǎn)向和變形轉(zhuǎn)向。因此，懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的好壞直接會(huì)影響到車輛的操穩(wěn)性、乘適性以及輪胎的使用壽命。前束角是車輪中心線與汽車縱向?qū)ΨQ軸線之間的夾角。它與

2、外傾角共同作用，保持車輪純滾動(dòng)和直線行駛，減少輪胎的異常磨損。為保持行駛的穩(wěn)定性，應(yīng)使前束角變化限在較小的范圍內(nèi)，一般要求在車輪上跳50mm時(shí)達(dá)到(－0.5，0)，即弱負(fù)前束變化，同時(shí)變化范圍越小越好。前輪外傾角是指前輪中心平面偏離鉛垂軸向外傾斜的角度。采用麥弗遜懸架的轎車一般采用負(fù)的前輪外傾角。其目的是防止汽車轉(zhuǎn)向行駛、車身發(fā)生側(cè)傾時(shí)外側(cè)車輪具有正的側(cè)傾角;外傾角的另一個(gè)重要作用是產(chǎn)生外傾推力，外傾推力對(duì)前輪能增加其不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。但外傾角應(yīng)選擇適當(dāng)，因?yàn)檫^大的外傾角會(huì)使輪胎產(chǎn)生偏磨損。主銷內(nèi)傾角是指主銷軸線與整車縱向中心平面在豎直平面內(nèi)投影的夾角，它有使車輪自動(dòng)回正的作用。主銷內(nèi)傾有利于主銷

3、內(nèi)傾偏移距的減小，從而減少轉(zhuǎn)向時(shí)需要施加給方向盤的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便靈活，同時(shí)也可減少從轉(zhuǎn)向輪傳到方向盤上的沖擊力［6］。當(dāng)前在整車開發(fā)過程中，主銷內(nèi)傾角的范圍一般選在7～13之間，并希望取較小值。主銷后傾角是主銷的軸線相對(duì)于豎直平面向后傾斜的角度。主銷后傾角的作用是在中高速行駛中保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)募哟笾麂N后傾角可以幫助轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正。但后傾角過大，則在低速轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。主銷后傾角過小，會(huì)造成直線行駛不穩(wěn)定，使車輪晃動(dòng)，加劇前輪的磨損［6］。主銷偏移距是前視圖中主銷軸線接地點(diǎn)與輪胎接地平面中心點(diǎn)之間的距離。轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，地面對(duì)輪胎的阻力力矩與主銷偏距的大小成

4、正比。所以一般希望得到比較小的主銷偏距，從而減少作用于轉(zhuǎn)向盤上的力和降低地面對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊。但主銷偏移距直接受到主銷內(nèi)傾角的影響，內(nèi)傾角越大，主銷偏距的值越小。較理想的主銷偏距范圍為－10～30mm，希望取較小值［7］。 1．2難點(diǎn)分析如果能提前選定較為合理的懸架空間幾何尺寸，如結(jié)構(gòu)參數(shù)，該汽車便可以得到好的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性。因此如何使懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)是本文要解決的關(guān)鍵問題。 2麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 2．1建模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的原車型為某小型轎車，前懸架采用左右對(duì)稱的麥弗遜懸架，主要由下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器、螺旋彈簧、橫拉桿、輪轂、副車架、車身共8個(gè)剛體組成。根據(jù)其空間結(jié)構(gòu)可以抽象出如

5、圖2所示的前懸架1/2結(jié)構(gòu)模型。假設(shè)除彈簧、減振器、橡膠襯套外的懸架各部件都是剛體;各運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦忽略不計(jì)。麥弗遜前懸架的硬點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示，在ADAMS中建立麥弗遜模型如圖3所示。 2．2設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)在汽車行駛過程中，當(dāng)路面凹凸不平時(shí)，輪胎和車身之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)車輪定位參數(shù)就會(huì)相應(yīng)地變動(dòng)。如果車輪定位參數(shù)變動(dòng)過大，會(huì)加劇輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件的磨損并降低整車操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性，因此，設(shè)計(jì)時(shí)的車輪定位參數(shù)變化量不能太大。該懸架性能優(yōu)化的目的是使定位參數(shù)在懸架運(yùn)動(dòng)過程中變化范圍趨向最小。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可表示為: 2．3約束變量考慮到生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的難易程度，通過改變懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

6、硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整車定位參數(shù)的優(yōu)化，從而改善懸架行駛性能的目的。將需要優(yōu)化的懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。這里將減振器上點(diǎn)和下擺臂球銷中心選為設(shè)計(jì)變量，共6個(gè)，見表2，再對(duì)這些變量參數(shù)化。 2.4免疫算法免疫算法是將人工免疫的概念及理論和遺傳算法相結(jié)合，它不僅保留了遺傳算法本身的優(yōu)良特性，還通過增加免疫算子來抑制其迭代過程中出現(xiàn)的退化現(xiàn)象，并提高免疫算法的收斂速度［8］。優(yōu)化的目標(biāo)是搜索多峰值函數(shù)的多個(gè)極值。將抗原和抗體分別對(duì)應(yīng)優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)和可行解，把抗體和抗原的親和力視為可行解與目標(biāo)函數(shù)的匹配程度;用抗體之間的親和力保證可行解的多樣性，通過計(jì)算抗體期望生存率來促進(jìn)較優(yōu)抗體

7、的遺傳和變異，用記憶細(xì)胞單元保存擇優(yōu)后的可行解來抑制相似可行解的繼續(xù)產(chǎn)生并加上搜索到全局最優(yōu)解［9］，其基本步驟如圖4所示。 2．5仿真及優(yōu)化結(jié)果分析根據(jù)實(shí)際樣車，設(shè)置車輛及懸架的相關(guān)參數(shù):輪胎半徑為317.5mm，輪胎的垂向剛度為219.16N/mm，簧載質(zhì)量為635.95kg，質(zhì)心高度為433.268mm，軸距為2700mm。車輛及懸架參數(shù)的設(shè)定如圖5所示。在Adams/View中添加免疫算法來編譯并注冊(cè)，通過ADAMS軟件編譯產(chǎn)生動(dòng)態(tài)鏈接庫(．dll)文件。利用動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)，建立Adams/View與目標(biāo)函數(shù)的鏈接，然后運(yùn)用Adams的View模塊下的“DesignEvaluatio

8、nTools”接口調(diào)用所編寫的免疫算法優(yōu)化麥弗遜模型。獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)后，進(jìn)入優(yōu)化算法的基本流程。同時(shí)利用ADAMS/Solver求解器求解目標(biāo)函數(shù)及其相關(guān)參數(shù)的值。程序根據(jù)優(yōu)化算法內(nèi)部設(shè)定的條件判斷是否終止計(jì)算。對(duì)懸架執(zhí)行平行輪跳試驗(yàn)。平行輪跳試驗(yàn)是指激勵(lì)左右車輪同步跳動(dòng)引起的懸架運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車輪遇到障礙物時(shí)、當(dāng)路面不平會(huì)上下顛簸時(shí)、當(dāng)汽車加速引起車身縱傾時(shí)、當(dāng)車身側(cè)傾時(shí)等多種運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起懸架運(yùn)動(dòng)，而平行輪跳試驗(yàn)?zāi)茌^為直觀的反映懸架運(yùn)動(dòng)特征，是分析懸架運(yùn)動(dòng)合理性的重要依據(jù)。對(duì)懸架模型執(zhí)行一個(gè)跳動(dòng)量為－50mm～50mm的動(dòng)力學(xué)仿真并繪制結(jié)果。優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。優(yōu)化結(jié)束后，提取優(yōu)化前后的

9、曲線圖進(jìn)行對(duì)比。其車輛的定位參數(shù)變化特特曲線如圖6～圖10所示。1)前束角ToeAngle該車的前束角優(yōu)化前后的對(duì)比圖如6所示，圖中前輪跳動(dòng)時(shí)前束角的變化量由0.82變?yōu)?.39縮減了52.4%，前束角變化量減小可改善輪胎的磨損情況，提高輪胎使用壽命。2)前輪外傾角CamberAngle該車的前輪外傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖7所示，該車前懸架外傾角在空載到滿載范圍內(nèi)呈現(xiàn)減小(內(nèi)傾)的趨勢(shì)，隨后外傾角有增大趨勢(shì)，但是在整個(gè)車輪跳動(dòng)范圍內(nèi)外傾角變化較小，這種設(shè)計(jì)有利于減少直線行駛時(shí)輪胎的磨損和增加汽車直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的模擬值與前束角變化特性相適應(yīng)。3)主銷內(nèi)傾角KingpinInclinat

10、ionAngle該車的主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖8所示，本次優(yōu)化中主要為了優(yōu)化偏置距，所以主銷內(nèi)傾角略有增大，但仍在合理范圍內(nèi)。4)主銷后傾角CasterAngle該車的主銷后傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖9所示，主銷后傾角比優(yōu)化前小，有利于提高低速轉(zhuǎn)向輕便性。5)主銷偏置距ScrubＲadius該車的主銷偏移距優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖10所示，主銷偏置距在跳動(dòng)過程中縮小，使轉(zhuǎn)向更省力，取得了明顯的優(yōu)化效果。從以上對(duì)比曲線中可以看出，用免疫算法優(yōu)化后，前束角的變化趨勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，主銷后傾角和主銷偏置距也有一定的優(yōu)化效果，提高了車輛的操作穩(wěn)定性同時(shí)減少了輪胎的磨損，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。 2.6實(shí)車驗(yàn)證為了進(jìn)一步

11、說明免疫算法優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的可信型，將懸架優(yōu)化后的車輛進(jìn)行K＆C臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，其試驗(yàn)臺(tái)主要由中心平臺(tái)、4個(gè)車輪平臺(tái)、測(cè)量系統(tǒng)和慣性系統(tǒng)組成，如圖11所示。仿真結(jié)果與K＆C臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4，從表中可以看出仿真值與試驗(yàn)值雖存在一定的誤差，但從對(duì)比結(jié)果來看總體差值在10%以內(nèi)，這說明仿真模型還是具有很高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)于同類型的懸架開發(fā)工作，可將此仿真模型作為懸架開發(fā)的基礎(chǔ)工具并在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的整車參數(shù)進(jìn)行懸架參數(shù)調(diào)整。 3結(jié)束語 本文針對(duì)以往一些算法的不足，提出了一種基于免疫算法的麥弗遜懸架優(yōu)化方法。根據(jù)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理建立其結(jié)構(gòu)模型，然后利用Adams/Car建立某轎車前麥弗遜懸架

12、的仿真模型，通過分析該懸架定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)的變化情況，優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定車輛運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)如前束角、前輪外傾角、主銷后傾角和主銷偏置距等隨車輪上下跳動(dòng)的變化特性，并對(duì)前束角、主銷后傾角及主銷偏置距進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行實(shí)車臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)使各車輪定位參數(shù)及變化范圍達(dá)到了比較理想的效果。盡管本文是以麥弗遜懸架為對(duì)象開展的研究工作，但提出的優(yōu)化方法和思路，對(duì)其它類型的懸架優(yōu)化同樣具有指導(dǎo)意義。 作者：李翔晟陳江英高治凌單位：中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院眾泰汽車控股集團(tuán)有限公司汽車工程研究院 上一個(gè)文章： 勘探協(xié)同研究云平臺(tái)的設(shè)計(jì)下一個(gè)文章： 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)