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·基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架的優(yōu)化分析· 文章編號(hào)：1002-4581(2009)02—0022—05 基于AbAK酌雙橫臂獨(dú)立懸架酌優(yōu)化分析 朱曉霞鐘紹華 ZHU Xiao-xia，ZHONG Shao．hua (武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢430070) 摘 要：針對(duì)某一輕型車雙橫臂獨(dú)立懸架定位參數(shù)變化過大、輪胎磨損嚴(yán)重的問題，利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟 件ADAMS。建立了雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型。以前輪定位參數(shù)以及前輪的側(cè)向滑移量變化最小為優(yōu)化目標(biāo)。對(duì) 懸架系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化結(jié)果在一定程度上改善了懸架系統(tǒng)的性能．對(duì)產(chǎn)品性能提高具有一定的指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：雙橫臂獨(dú)立懸架；MSC．ADAMS；優(yōu)化設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào)：U463．33+1．02 0前言 懸架是車輛的重要組成部分，其主要任務(wù)是 傳遞車輪與車架之間的力和力矩，并緩和沖擊、 衰減振動(dòng)，對(duì)汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性等 使用性能都有很大影響。現(xiàn)代汽車懸架有多種結(jié) 構(gòu)形式，其中雙橫臂獨(dú)立懸架是輕型汽車上常用 的前懸架結(jié)構(gòu)形式，只要適當(dāng)選擇合適的上下橫 臂長度，并通過合理的布置，就可以使輪距及前 輪定位參數(shù)變化均在可接受的限定范圍內(nèi)，保證 汽車具有良好的行駛穩(wěn)定性【11。目前雙橫臂獨(dú)立 懸架已廣泛應(yīng)用在轎車的前后懸架上，部分運(yùn)動(dòng) 型轎車及賽車的后輪也采用這一懸架結(jié)構(gòu)。 以虛擬設(shè)計(jì)思想、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本 理論方法以及拓?fù)浼夹g(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)數(shù)字虛擬 環(huán)境下進(jìn)行的多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真 分析，已經(jīng)得到許多分析軟件的強(qiáng)力支持。目前 在這一領(lǐng)域，使用最多的產(chǎn)品是美國MSC公司 在多體系統(tǒng)領(lǐng)域的標(biāo)志產(chǎn)品MSC．ADAMS[21。該 軟件作為虛擬樣機(jī)技術(shù)平臺(tái)的杰出代表，已經(jīng)成 為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量的有 效工具。文中借助ADAMSNiew模塊，建立了雙 ·22· 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 橫臂獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，使用 ADAMS／Insight模塊進(jìn)行仿真及優(yōu)化，結(jié)果在一 定程度上提高了懸架性能。 1懸架仿真模型的建立 1．1物理模型的簡化 在建立懸架模型前，必須先對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行 合理的簡化。從汽車動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)所建 的模型做如下簡化和假設(shè)：前懸架為一個(gè)多剛體 系統(tǒng)，系統(tǒng)每個(gè)剛體在各個(gè)方向的慣性力均為 零；由于某些鉸鏈在一些方向的力的約束真值比 較小，對(duì)整車動(dòng)力學(xué)的影響可以忽略不計(jì)，假設(shè) Z 圖1 左側(cè)雙橫臂獨(dú)立懸架空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖 笠I蔓室盜奎滏至QQ竺：叢Q：2 萬方數(shù)據(jù) ·基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架的優(yōu)化分析· 其為零；減振器簡化為線性彈簧，各運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的 摩擦力忽略不計(jì)；輪胎簡化為剛性體【3】。考慮到 汽車基本上為縱向?qū)ΨQ系統(tǒng)，故只需建立左邊或 右邊的1／2懸架模型即可。文中建立了左側(cè)的懸 架模型。簡化后雙橫臂獨(dú)立懸架的左側(cè)結(jié)構(gòu)如圖 l所示。 1．2仿真模型的建立 仿真模型的建立，首先需要確定設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐 標(biāo)。設(shè)計(jì)點(diǎn)是各零件之間連接處的關(guān)鍵幾何定位 點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)點(diǎn)就是在系統(tǒng)坐標(biāo)系中給出零件之 間連接點(diǎn)的幾何位置。模型設(shè)計(jì)點(diǎn)的空間位置坐 標(biāo)和相互關(guān)系是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的關(guān)鍵，從廠家 提供的零部件裝配圖上可以得到設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo) 值。該懸架左側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值如表1所示。 表l懸架系統(tǒng)左側(cè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值 硬點(diǎn)名稱 X坐標(biāo) Y坐標(biāo) z坐標(biāo) 上橫臂外支點(diǎn)A。 60．0 320．0 13．O 上橫臂內(nèi)支點(diǎn)A2 395．0 395．0 43．0 下橫臂外支點(diǎn)B． O O 0 下橫臂內(nèi)支點(diǎn)B： 490．0 80．0 ．85．O 轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點(diǎn)C。 ．30．O loo．O ．170．0 轉(zhuǎn)向橫于i)=桿內(nèi)支點(diǎn)C： 435．0 180．O ．250．0 轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)支點(diǎn)D。 20．0 103．O 5．0 轉(zhuǎn)向節(jié)外支點(diǎn)D2 ．240．0 98．0 4．O 基于上述懸架系統(tǒng)物理模型的簡化，根據(jù)表 l提供的關(guān)鍵硬點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)值，在 ADAMS／View模塊中建立雙橫臂獨(dú)立懸架左側(cè) 的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，如圖2所示。 圖2雙橫臂獨(dú)立懸架仿真模型 笠j匕寶蠱奎芝2鯉2：壘垃：至 模型中包括：上橫臂、下橫臂、主銷、拉臂、轉(zhuǎn) 向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、彈簧、測試平臺(tái)等9個(gè) 部件，主銷與拉臂之間、轉(zhuǎn)向節(jié)與主銷之間以及 車輪與轉(zhuǎn)向節(jié)之間的3個(gè)同定副，測試平臺(tái)與大 地之間的1個(gè)移動(dòng)副，上橫臂和主銷之間、下橫 臂和主銷之間、轉(zhuǎn)向拉桿和拉臂之間以及轉(zhuǎn)向拉 桿和大地之間的4個(gè)球副、上橫臂內(nèi)支點(diǎn)與大地 之間以及下橫臂內(nèi)支點(diǎn)和大地之間的2個(gè)旋轉(zhuǎn) 副、車輪與測試平臺(tái)之間的1個(gè)點(diǎn)．面約束。最 后，在測試平臺(tái)與大地之間的移動(dòng)副上添加一個(gè) 直線驅(qū)動(dòng)。 2懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析 首先，建立懸架定位參數(shù)的函數(shù)，包括主銷 內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪外傾角、前輪前柬角隨 車輪跳動(dòng)的變化函數(shù)。此外，為測量輪距變化以 及車輪磨損量，建立車輪側(cè)向滑移量函數(shù)，通過 側(cè)移量的大小來反映車輪的磨損量。在本次仿真 中，將建立一個(gè)虛擬激振臺(tái)，設(shè)置上下激振位移 為50mm，激振函數(shù)為F=50xsin(360t)，以車輪上 下跳動(dòng)來計(jì)算懸架跳動(dòng)過程中主要性能參數(shù)的 變化規(guī)律。 2．I車輪定位參數(shù) 懸架的性能反映當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)車輪定 位參數(shù)的變化，在正常車輪跳動(dòng)范圍內(nèi)，讓車輪 定位參數(shù)變化量保持在合理的范圍內(nèi)，能保證汽 車具有良好的操作穩(wěn)定性和平順性。 主銷后傾角：主銷后傾角能形成回正的穩(wěn)定 力矩，使車輪回復(fù)到原來的中間位置，保證了汽 車穩(wěn)定的直線行駛【4】。后傾角在車輪上下運(yùn)動(dòng)過 程中不應(yīng)出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時(shí)出現(xiàn) 回正力矩過大或過小的現(xiàn)象，使操縱性能變差。 另外，要求后傾角具有隨車輪上跳而增加的趨 勢，這樣可以抵消制動(dòng)點(diǎn)頭時(shí)后傾角減小的趨 勢?，F(xiàn)在一般采用的y不超過20～30。 主銷內(nèi)傾角：主銷內(nèi)傾角也有使車輪自動(dòng)回 正的作用，主銷內(nèi)傾角還使得主銷軸線與路面交 點(diǎn)到車輪中心平面與地面交線的距離減小，從而 可以減少轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤上的力，使轉(zhuǎn) ·23· 萬方數(shù)據(jù) ·基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架的優(yōu)化分析· 向操縱輕便，同時(shí)也可減小從轉(zhuǎn)動(dòng)輪傳到轉(zhuǎn)向盤 上的沖擊力。但是主銷內(nèi)傾角不易過大，否則，在 轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪繞主銷偏轉(zhuǎn)的過程中，輪胎與地面 間將產(chǎn)生較大的滑動(dòng)，加速了輪胎的磨損。實(shí)際 設(shè)計(jì)時(shí)，大致范圍為70 130[51，希望取較小數(shù)值。 前輪外傾角：為了使輪胎磨損均勻和減輕輪 轂外軸承的負(fù)荷，安裝車輪時(shí)預(yù)先使車輪有一定 的外傾角，以防止車輪內(nèi)傾。同時(shí)，車輪有了外傾 角也可以與拱形路面相適應(yīng)。但是外傾角不易過 大，否則也會(huì)使輪胎產(chǎn)生偏磨損。一般希望車輪 上下跳動(dòng)50mrn的范圍內(nèi)，外傾角的變化在lot61 左右。 前束角：車輪前束角的作用主要是減少汽車 前進(jìn)中因前輪外傾和縱向阻力致使前輪前端向 外滾開所造成的不良后果。對(duì)于汽車前輪，車輪 上跳時(shí)的前束角多設(shè)計(jì)成零至弱負(fù)前束的變化。 而在前輪驅(qū)動(dòng)的汽車中，考慮到在制動(dòng)等非驅(qū)動(dòng) 工況下，負(fù)前束會(huì)導(dǎo)致行駛穩(wěn)定性惡化，一般也 取一定的正前柬。比前束角取值更重要的是在汽 車行駛過程中要保持前束角不變，這樣有利于減 少輪胎磨損和滾動(dòng)阻力，保持行駛穩(wěn)定性，圖3 為前輪定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)變化曲線圖。 。 ＼ 姣 毯 艘 辭 控 圖3前輪定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)變化曲線圖 2．2輪距變化 在獨(dú)立懸架的設(shè)計(jì)中，對(duì)輪距變化的要求應(yīng) 盡量小，一是可以減少輪胎磨損，二是輪距變化 時(shí)，使輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角，從而產(chǎn)生側(cè)向力輸入，使 操縱穩(wěn)定性發(fā)生變化，輪距變化小，車輛的操縱 穩(wěn)定性變化就小。一般要求車輪跳動(dòng)±50mrn時(shí)， 輪距變化為．10turn-+10mm。圖4中所示，車輪 跳動(dòng)時(shí)，在．50rnm處，車輪側(cè)移量為8．235mm； ·24· 董 嘲 簍 囂 溘 ‘義． ＼ 、 ＼ 、、 、 ＼ 、、 。、■ 》、 ～ 、k 車輪跳動(dòng)量／ram 圖4前輪側(cè)滑量隨車輪跳動(dòng)變化曲線圖 在+50mm處，車輪側(cè)移量為．4．948mm?？梢?，該 懸架的輪距變化在合理范圍內(nèi)。 3懸架系統(tǒng)優(yōu)化分析 3．1設(shè)計(jì)變量 根據(jù)懸架的空間布置及約束情況，確定設(shè)計(jì) 變量為各關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值，即： T x：I飄≯2∥3≯4≯5∥6≯7∥8’{ 【戈9，zlo，zll，戈12，戈13，戈14，石15 J 『A h4 iy4 k4知4母4＆，Bh，BIy，1 【曰k，曰h，B2y，曰2z，(X，(X，C五 J 3．2目標(biāo)函數(shù) 在整車運(yùn)動(dòng)過程中，車輪定位參數(shù)變動(dòng)過 大，會(huì)加劇輪胎以及轉(zhuǎn)向機(jī)件的磨損并降低整車 操縱性能和其他相關(guān)性能。原則上，車輪定位參 數(shù)的變化量不能太大，所以文中選擇車輪的4項(xiàng) 定位參數(shù)變化量最小為目標(biāo)函數(shù)。另外，如果單 純以車輪定位參數(shù)變化量最小為目標(biāo)函數(shù)，雖然 優(yōu)化結(jié)果達(dá)到理想的要求，但如果輪距變化過大 也不是我們所期望的，除了上述4個(gè)目標(biāo)函數(shù) 外，再把輪距變化作為目標(biāo)函數(shù)。所以文中雙橫 臂獨(dú)立懸架優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為 ·2uel一，足，尼，R，尼J， 式中， 只為主銷后傾角隨車輪跳動(dòng)的變化函數(shù)； F1=arctanl(A k—Bk)／(A 1，一Bl，)J 疋為主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動(dòng)的變化函數(shù)； F2-arctan[(A h—B1。)／(A l廣B1，)j 乃為前輪外傾角隨車輪跳動(dòng)的變化函數(shù)； 萬方數(shù)據(jù) ·基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架的優(yōu)化分析· F3=arctan l(Dly-D2r)／(Dh-D厶)j 日為前束角隨車輪跳動(dòng)的變化函數(shù)； F4=arctanl(Dk—D五)／(Dh—D知)j F，為車輪側(cè)滑量的變化函數(shù)，反映輪距變化。 該目標(biāo)函數(shù)要求懸架的4個(gè)定位參數(shù)和輪 距隨車輪跳動(dòng)的變化量盡可能小。 3．3約束條件 根據(jù)懸架的空間布置及約束情況，確定約束 條件為各關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值在有限的空間內(nèi) 變化，并設(shè)定每個(gè)值的變化范圍在一5～5mm之 間，即： A1。咄≤Alx≤A1。。m，Aly曲≤A1y≤AlyⅡH，Ak劬≤ Ak≤Ak nH A2。曲≤A2?！蹵2。，。，A可曲≤A巧≤A巧。。，A2：嘶≤ A2：≤A2：mⅨ Bhnm≤Bh≤BhIⅫ，Bly rnin≤Blv≤Bly。。，B1：min≤ B1：≤Bhm B2。曲≤B2。≤B2Ⅲx，BEy曲≤B2y≤B母m，B2：m≤ B2。≤B2Ⅲx C2x岫≤C2，≤C2ⅧⅨ，C2y曲≤C2y≤C2ym，C2：曲≤ C2；≤C2。。 3．4優(yōu)化仿真 利用ADAMS／Insight模塊，可以設(shè)計(jì)復(fù)雜的 試驗(yàn)方案，用來測定機(jī)械系統(tǒng)的性能，可以進(jìn)行 單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化。在該模塊，文中對(duì)雙橫臂 模型的上橫臂外支點(diǎn)A。、內(nèi)支點(diǎn)A2、下橫臂的外 支點(diǎn)B。、內(nèi)支點(diǎn)B：以及轉(zhuǎn)向橫拉桿的內(nèi)支點(diǎn)C： 等五個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的15個(gè)坐標(biāo)值進(jìn)行分析，根據(jù)約 束條件設(shè)定的范圍，選取4項(xiàng)前輪定位參數(shù)和輪 距變化為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行64次迭代計(jì)算，通過試 驗(yàn)篩選，找出一個(gè)最優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果。 3．5優(yōu)化結(jié)果分析 在ADAMS／PostProcessor模塊中分析可知： (1)在車輪上下跳動(dòng)50mm的范圍內(nèi)，主銷內(nèi) 傾角的變化均值有所減小，這將減小轉(zhuǎn)向時(shí)車輪 與地面的滑動(dòng)，減緩輪胎磨損；優(yōu)化后的主銷后傾 角的范圍比優(yōu)化前的數(shù)值稍大，這是由于Insight 為了兼顧其他幾項(xiàng)定位參數(shù)而放棄主銷后傾角部 分利益的緣故，但是優(yōu)化后的結(jié)果依然符合設(shè)計(jì) 要求；前輪外傾角優(yōu)化后的范圍比優(yōu)化前的變化 幅度減小了20％，變化范圍小于1。，滿足設(shè)計(jì)要 求；前輪前束角的變化范圍有所減小，這將對(duì)車 輛直線行駛的穩(wěn)定性有一定的提高。優(yōu)化結(jié)果如 圖5～圖9所示。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表2。 (2)在車輪跳動(dòng)一50mm處，側(cè)滑量由原來的 8．235mm變?yōu)?．634mm；在車輪跳動(dòng)50mm處， 側(cè)滑量由原來的．4．948mm變?yōu)橐?．366mm，車輪 的側(cè)移量由原來的13．183mm減小到12．000mm， 所以優(yōu)化后輪胎的磨損有一定程度的改善。 表2優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比 優(yōu)化前 優(yōu)化后 前輪定位參數(shù) 變化范圍 變化量 變化范圍 變化量 主銷后傾角 2-317~2．325 0．008 2．54～2．55 0．009 主銷內(nèi)傾角 10．44—1 1．29 0．856 9．95～11．08 1．126 前輪外傾角 O．284～1．338 1．054 0．434～1．27 0．842 前束角 ．0．08--0．283 0．365 ．0．073~o．26 0．334 O ＼ 疆 娶 霍 ÷窿¨ 州 。 ＼ 援 娶 u娶 器 士H 車輪跳動(dòng)量／mm 圖5優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角對(duì)比圖 一 ， 一 院J 化 后 拳 化 }釃 車輪跳動(dòng)掇／mm 圖6優(yōu)化前后主銷后傾角對(duì)比圖 ·25· 萬方數(shù)據(jù) g 鑫 謄 鑫 圖7優(yōu)化前后前輪外傾角對(duì)比圖 圖8優(yōu)化前后前輪前束角對(duì)比圖 圖9優(yōu)化前后前輪側(cè)滑量對(duì)比圖 結(jié) 論 》芎又獻(xiàn) [1]陳家瑞．汽車構(gòu)造[M]．北京：人民交通出版種1 Q。d。 鼢2要登加惝基礎(chǔ)與工程范例教程[M]北京：；國鐵道出版社，2007．9． ………… 圭+[3j喻凡，林逸·汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．7． 一… 曼竺商雙橫臂獨(dú)立懸架的前輪主銷內(nèi)傾角算法研究[J3·汽車工程，2005(27)：431-433． ?！?，亡古f；攔第‘基于ADAMs／CAR的雙橫臂獨(dú)立懸架建模與 仿真[J]·吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)(34)：554．558． …’一”’ 樅!??竺，．鐘紹華．基于蚴㈣的雙橫臂獨(dú)立懸架 的優(yōu)化設(shè)計(jì)fJ]．專用汽車，2008，10． 一……。5 收稿日期：200蠢五麗 。＼蹬長溜辯澀 萬方數(shù)據(jù) 基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架的優(yōu)化分析 作者： 朱曉霞， 鐘紹華 作者單位： 武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北,武漢,430070 刊名： 北京汽車 英文刊名： BEIJING AUTOMOTIVE ENGINEERING 年，卷(期)： 2009，(2) 被引用次數(shù)： 1次 參考文獻(xiàn)(6條) 1.陳家瑞 汽車構(gòu)造 1994 2.石博強(qiáng) ADAMS基礎(chǔ)與工程范例教程 2007 3.喻凡.林逸 汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 2005 4.魏道高 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