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1、汽車(chē)麥弗遜懸架性能仿真汽車(chē)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11懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性在車(chē)輛行駛中，由于路面不平或車(chē)輪垂直載荷變化，懸架導(dǎo)向桿系的運(yùn)動(dòng)及變形，車(chē)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(chē)曲線行駛時(shí)懸架上的車(chē)身將發(fā)生側(cè)傾，引起汽車(chē)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(chē)輛的操穩(wěn)性、乘適性以及輪胎的使用壽命。前束角是車(chē)輪中心線與汽車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)軸線之間的夾角。它與外傾角共同作用，保持車(chē)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(chē)輪上跳50mm

2、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(chē)一般采用負(fù)的前輪外傾角。其目的是防止汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛、車(chē)身發(fā)生側(cè)傾時(shí)外側(cè)車(chē)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^(guò)大的外傾角會(huì)使輪胎產(chǎn)生偏磨損。主銷(xiāo)內(nèi)傾角是指主銷(xiāo)軸線與整車(chē)縱向中心平面在豎直平面內(nèi)投影的夾角，它有使車(chē)輪自動(dòng)回正的作用。主銷(xiāo)內(nèi)傾有利于主銷(xiāo)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(pán)的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便靈活，同時(shí)也可減少?gòu)霓D(zhuǎn)向輪傳到方向盤(pán)上的沖擊力6。當(dāng)前在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主

3、銷(xiāo)內(nèi)傾角的范圍一般選在713之間，并希望取較小值。主銷(xiāo)后傾角是主銷(xiāo)的軸線相對(duì)于豎直平面向后傾斜的角度。主銷(xiāo)后傾角的作用是在中高速行駛中保持汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)募哟笾麂N(xiāo)后傾角可以幫助轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正。但后傾角過(guò)大，則在低速轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。主銷(xiāo)后傾角過(guò)小，會(huì)造成直線行駛不穩(wěn)定，使車(chē)輪晃動(dòng)，加劇前輪的磨損6。主銷(xiāo)偏移距是前視圖中主銷(xiāo)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(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，地面對(duì)輪胎的阻力力矩與主銷(xiāo)偏距的大小成正比。所以一般希望得到比較小的主銷(xiāo)偏距，從而減少作用于轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力和降低地面對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊。但主銷(xiāo)偏移距直接受到主銷(xiāo)內(nèi)傾角的影響，內(nèi)傾角越大，主銷(xiāo)偏距

4、的值越小。較理想的主銷(xiāo)偏距范圍為1030mm，希望取較小值7。12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(chē)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(wèn)題。2麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化21建模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的原車(chē)型為某小型轎車(chē)，前懸架采用左右對(duì)稱(chēng)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(chē)架、車(chē)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

5、圖3所示。22設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)在汽車(chē)行駛過(guò)程中，當(dāng)路面凹凸不平時(shí)，輪胎和車(chē)身之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)車(chē)輪定位參數(shù)就會(huì)相應(yīng)地變動(dòng)。如果車(chē)輪定位參數(shù)變動(dòng)過(guò)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(chē)操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性，因此，設(shè)計(jì)時(shí)的車(chē)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(guò)程中變化范圍趨向最小。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可表示為:23約束變量考慮到生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)的難易程度，通過(guò)改變懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)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(xiāo)中心選為設(shè)計(jì)變量，共6個(gè)，見(jiàn)表2，再對(duì)這些

6、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(guò)增加免疫算子來(lái)抑制其迭代過(guò)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(wèn)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(guò)計(jì)算抗體期望生存率來(lái)促進(jìn)較優(yōu)抗體的遺傳和變異，用記憶細(xì)胞單元保存擇優(yōu)后的可行解來(lái)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。25仿真及優(yōu)化結(jié)果分析根據(jù)實(shí)際樣車(chē)，設(shè)置車(chē)輛及懸架的相關(guān)參數(shù):輪胎半徑為31

7、7.5mm，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(chē)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(lái)編譯并注冊(cè)，通過(guò)ADAMS軟件編譯產(chǎn)生動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(dll)文件。利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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“DesignEvaluationTools”接口調(diào)用所編寫(xiě)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

8、。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(chē)輪同步跳動(dòng)引起的懸架運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車(chē)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(chē)加速引起車(chē)身縱傾時(shí)、當(dāng)車(chē)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50mm50mm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)化前后的曲線圖進(jìn)行對(duì)比。其車(chē)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(chē)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

9、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(chē)的前輪外傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖7所示，該車(chē)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(chē)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(chē)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(xiāo)內(nèi)傾角KingpinInclinationAngle該車(chē)的主銷(xiāo)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(xiāo)內(nèi)傾角略有增大，但仍在合理范圍內(nèi)。4)主銷(xiāo)后傾角CasterAngle該車(chē)的主銷(xiāo)后傾角優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖9所示，主銷(xiāo)后

10、傾角比優(yōu)化前小，有利于提高低速轉(zhuǎn)向輕便性。5)主銷(xiāo)偏置距Scrubadius該車(chē)的主銷(xiāo)偏移距優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖10所示，主銷(xiāo)偏置距在跳動(dòng)過(guò)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(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)偏置距也有一定的優(yōu)化效果，提高了車(chē)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(chē)驗(yàn)證為了進(jìn)一步說(shuō)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(chē)輛進(jìn)行KC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(chē)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KC臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4，從表中可以看出仿真值與試驗(yàn)值

11、雖存在一定的誤差，但從對(duì)比結(jié)果來(lái)看總體差值在10%以?xún)?nèi)，這說(shuō)明仿真模型還是具有很高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)于同類(lèi)型的懸架開(kāi)發(fā)工作，可將此仿真模型作為懸架開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)工具并在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的整車(chē)參數(shù)進(jìn)行懸架參數(shù)調(diào)整。3結(jié)束語(yǔ)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(chē)前麥弗遜懸架的仿真模型，通過(guò)分析該懸架定位參數(shù)隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化情況，優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)如前束角、前輪外傾角、主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)偏置距等隨車(chē)輪上下跳動(dòng)的變化特性，并對(duì)前束角、主銷(xiāo)后傾角及主銷(xiāo)偏置距進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行實(shí)車(chē)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(chē)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(kāi)展的研究工作，但提出的優(yōu)化方法和思路，對(duì)其它類(lèi)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(chē)控股集團(tuán)有限公司汽車(chē)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備故障檢測(cè)