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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 50 xsin 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 現(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 可見 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 Aly H Ak劬 Ak Ak nH A2 曲 A2 A2 A可曲 A巧 A巧 A2 嘶 A2 A2 m Bhnm Bh BhI Bly rnin Blv Bly B1 min B1 Bhm B2 曲 B2 B2 x BEy曲 B2y B母m B2 m B2 B2 x C2x岫 C2 C2 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 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 雙橫臂獨(dú)立懸架的前輪主銷內(nèi)傾角算法研究 期刊論文 汽車工程 2005 27 5 宋傳學(xué) 基于ADAMS CAR的雙橫臂獨(dú)立懸架建模與仿真 期刊論文 吉林大學(xué)學(xué)報(bào) 工學(xué)版 6 明巧紅 鐘紹華 基于ADAMS CAR的雙橫臂獨(dú)立懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì) 期刊論文 專用汽車 2008 相似文獻(xiàn) 1條 1 期刊論文 龍建云 夏長高 LONG Jian yun XIA Chang gao 汽車零部件疲勞壽命虛擬試驗(yàn)研究 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn) 輸車2010 37 2 以某車雙橫臂獨(dú)立懸架的下控制臂為研究對(duì)象 基于有限元模態(tài)分析 多體動(dòng)力學(xué)和疲勞分析等相關(guān)理論 綜合運(yùn)用MSC Nastran MSC Adams及 MSC Patran Fatigue 軟件對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命集成化虛擬試驗(yàn)仿真研究 在較短的時(shí)間內(nèi)預(yù)知該零部件的疲勞壽命和危險(xiǎn)部位等信息 研究表明 該方法可 以作為汽車設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的有效手段 本文鏈接 授權(quán)使用 黑龍江工程學(xué)院 hljgcxy 授權(quán)號(hào) a3d0c41e 3043 4159 9139 9e9a01316e2a 下載時(shí)間 2011年3月2日