基于ADAMS/Insight的某越野車懸架仿真與優(yōu)化研究

孟祥瑞，陳帥，徐凱，桑振竹

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基于ADAMS/Insight的某越野車懸架仿真與優(yōu)化研究

孟祥瑞，陳帥，徐凱，桑振竹

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710000）

以ADAMS/Car車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件為基礎(chǔ)，根據(jù)多連桿獨(dú)立懸架的關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)，建立某越野車多連桿獨(dú)立后懸架的動(dòng)力學(xué)模型，并對后懸架系統(tǒng)進(jìn)行同向車輪跳動(dòng)仿真。在ADAMS/Insight中對后懸架定位參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。根據(jù)后輪定位參數(shù)的變化規(guī)律和靈敏度分析結(jié)果，選取懸架的8個(gè)關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量對懸架的定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后該車的多連桿獨(dú)立后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性得到改善。

越野車；多連桿獨(dú)立懸架；ADAMS；靈敏度分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

車輛懸架的結(jié)構(gòu)形式及其定位參數(shù)對車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性有著決定性的作用[1]。懸架性能的好壞表現(xiàn)在車輛行駛過程中，車輪發(fā)生上下跳動(dòng)時(shí)車輪的定位參數(shù)變化范圍是否在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)，以保證車輛行駛的穩(wěn)定性和舒適性。車輛后懸架的定位參數(shù)包括主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、車輪外傾角、車輪前束角以及主銷偏距[2]。通過對各參數(shù)的合理的優(yōu)化以改善汽車的操縱穩(wěn)定性。

1 建立多連桿獨(dú)立懸架模型

某型越野車后懸架為多連桿獨(dú)立懸架，根據(jù)整車的三維模型，測出建模所需的的硬點(diǎn)坐標(biāo)，如表1所示部分關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)。采用ADAMS/Car模塊建模時(shí)首先將物理模型簡化，即根據(jù)物理模型中的零件之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義各零件的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，之后只需建立左邊或右邊的1/2懸架模型，里一般系統(tǒng)自動(dòng)生成。根據(jù)建模的順序先根據(jù)硬點(diǎn)坐標(biāo)建立穩(wěn)定桿和懸架模板，然后生成子系統(tǒng)，由子系統(tǒng)生成模型。如圖1所示的多連桿獨(dú)立懸架模型。

表1 硬點(diǎn)坐標(biāo)

此次優(yōu)化的后懸架由四個(gè)桿組成的多連桿懸架，可以滿足主銷后傾角的最佳設(shè)計(jì)要求，可以大幅度的減少來自地面的前后的方向力，提高了加速和制動(dòng)時(shí)的操縱穩(wěn)定性與平順性。

2 確定多連桿懸架的優(yōu)化目標(biāo)及設(shè)計(jì)變量

2.1 多連桿懸架的仿真設(shè)計(jì)

車輛的實(shí)際行駛過程中，車輪遇到不平的路面和障礙物時(shí)都會(huì)引起車輪的上下跳動(dòng)，所以對該懸架進(jìn)行同向跳動(dòng)仿真，懸架參數(shù)的變化作為分析懸架動(dòng)態(tài)性能的重要依據(jù)[1]。根據(jù)開發(fā)的懸架的要求車輪的跳動(dòng)范圍為±100mm，其他的懸架參數(shù)設(shè)置依據(jù)建模的數(shù)據(jù)。通過仿真結(jié)果可得到車輪定位參數(shù)隨車論跳動(dòng)的變化曲線。

2.2 確定優(yōu)化目標(biāo)

在ADAMS/insight實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊中，選擇5個(gè)主要的后懸架定位參數(shù)即前束角（toe angle），車輪外傾角（camber angle），主銷后傾角（caster angle），主銷內(nèi)傾角（kingpin inclination angle），以及主銷偏距（scrub radius）作為優(yōu)化的目標(biāo)，選擇DOE命令將仿真模型導(dǎo)入到insight模塊中，然后選擇設(shè)計(jì)變量，確定實(shí)驗(yàn)方法，選擇合理的設(shè)計(jì)矩陣，進(jìn)行迭代運(yùn)算[3]。

2.3 確定優(yōu)化變量

懸架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)的變化會(huì)直接影響懸架定位參數(shù)，同時(shí)也會(huì)影響車輛的操縱性能，因此合理的選擇設(shè)計(jì)變量對優(yōu)化目標(biāo)十分重要。通過ADAMS/insight實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊，選取表1的各點(diǎn)作為變量對優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出web文件，可得到各因子對5個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的影響程度，如表2所示[4]。選取對各優(yōu)化目標(biāo)影響最大前兩個(gè)作為優(yōu)化的變量，依次為橫向拉桿外點(diǎn)Z坐標(biāo)hpl_lateral_ rod_outer.z，橫向拉桿內(nèi)點(diǎn)Z坐標(biāo)hpl_lateral_rod_inner.z，上控制臂內(nèi)點(diǎn)Z坐標(biāo)hpl_uca_inner.z ，下控制臂點(diǎn)外點(diǎn)Z坐標(biāo)hpl_uca_outer.z，下控制臂點(diǎn)內(nèi)點(diǎn)Z坐標(biāo)hpl_lca_inner.z，上控制臂外點(diǎn)Z坐標(biāo)hpl_uca_outer.z。因此對實(shí)驗(yàn)所得變量用坐標(biāo)輪換搜索的方法對懸架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以得到良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性及操縱穩(wěn)定性等。

表2 設(shè)計(jì)變量與優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度

3 多連桿懸架的優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 優(yōu)化前后參數(shù)的比較

通過對上述的優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，依據(jù)表2采取調(diào)整關(guān)鍵因子的坐標(biāo)，采用坐標(biāo)輪換搜索的方法實(shí)現(xiàn)對懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。表2 各硬點(diǎn)坐標(biāo)對優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度正值表示優(yōu)化目標(biāo)與優(yōu)化變量之間是正比例的關(guān)系，負(fù)值表示反比例的關(guān)系[5]。所以經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化后，優(yōu)化前后的硬點(diǎn)坐標(biāo)如下表3所示。

表3

圖3 優(yōu)化前后車輪的主銷后傾角的變化曲線

圖4 優(yōu)化前后車輪主銷內(nèi)傾角的變化曲線

圖5 優(yōu)化前后車輪主銷偏距的變化曲線

根據(jù)優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標(biāo)，再次進(jìn)行一次平行輪跳仿真，得到優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)的仿真曲線對照圖，圖中虛線表示原模型的仿真曲線，實(shí)線表示經(jīng)過硬點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化后新模型的仿真曲線如圖所示。

3.3 優(yōu)化前后結(jié)果分析

由上圖分析可知優(yōu)化后，在車輪同向跳動(dòng)的工況下，主銷外傾角從優(yōu)化前的1.7~-4.8到優(yōu)化后的0.3~-3.5，有利于減小車輛的回正力矩，降低輪胎與路面的滑動(dòng)摩擦，提高車輛的操縱穩(wěn)定性和減小車輪的磨損；后傾角優(yōu)化后幅度減小了，有利于降低回正力矩增加操縱輕便性；主銷內(nèi)傾角的變化幅度不太明顯；主銷偏距的減小的比較明顯，有利于降低轉(zhuǎn)向時(shí)的阻力距，提高車輛的穩(wěn)定性和操縱性；優(yōu)化后前束角在車輪上跳過程中呈弱負(fù)前束變化，能夠保證汽車直線行駛是的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向時(shí)的不足轉(zhuǎn)向特性，在車輪下跳的過程中，保證了前束角的變化在1°的合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

基于ADAMS/Car車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立了某SVU多連桿后懸架模型，通過同向輪跳仿真實(shí)驗(yàn)分析模型參數(shù)變化對懸架性能參數(shù)的影響。同時(shí)在ADAMS/Insight中通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)靈敏度分析，確定8個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)為優(yōu)化變量，5個(gè)車輪定位參數(shù)為優(yōu)化目表進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明，所選定的優(yōu)化目標(biāo)得到了不同程度的改善，起變化范圍也更加的合理，并且改善了該懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，為以后的進(jìn)一步研究提供了參考。

[1] 周長城.汽車平順性與懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[2] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] 陳軍.MSC.ADAMS 技術(shù)與工程分析實(shí)例[M].水利水電出版社, 2008.10.

[4] 周萍,張劍,謝昇豪,基于ADAMS /Insight 的 FSAE 賽車前懸架優(yōu)化[J].電子技術(shù)2017(5), 28-31.

[5] 劉杰,周云波.基于 ADAMS /Insight 某型電動(dòng)車懸架仿真優(yōu)化研究[J].信息技術(shù)2017(1),116-118.

Certain Type of Off－road Vehicle Suspension Simulation and Optimization Research Based on ADAMS

Meng Xiangrui, Chen Shuai, Xu Kai, Sang Zhenzhu

( Chang'an University Automobile College, Shaanxi Xi'an 710000 )

Based on vehicle dynamics simulation software ADAMS /Car and key hard-point coordinates of the multi-link independent suspension, this paper builds an off-road vehicle dynamic model of the multi-link independent suspension and makes the wheel hop analysis for the front suspension system and the sensitivity analysis for the suspension positioning parameters with ADAMS/Insight. Based on the change of the suspension positioning parameters and the sensitivity analysis results, it selects eight key suspension hard-point coordinates as design variable. The simulation results show that the kinematic characteristics of the double wishbone independent suspension are improved after optimization.

off-road vehicle; double-wishbone suspension; ADAMS; sensitivity analysis; optimization design

B

1671-7988(2018)16-76-03

U462.3

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1671-7988(2018)16-76-03

CLC NO.: U462.3

孟祥瑞，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.027