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·基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架的優(yōu)化分析· 文章編號：1002-4581(2009)02—0022—05 基于AbAK酌雙橫臂獨立懸架酌優(yōu)化分析 朱曉霞鐘紹華 ZHU Xiao-xia，ZHONG Shao．hua (武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070) 摘 要：針對某一輕型車雙橫臂獨立懸架定位參數(shù)變化過大、輪胎磨損嚴重的問題，利用機械系統(tǒng)動力學分析軟 件ADAMS。建立了雙橫臂獨立懸架的運動學分析模型。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。對 懸架系統(tǒng)進行了優(yōu)化計算。優(yōu)化結(jié)果在一定程度上改善了懸架系統(tǒng)的性能．對產(chǎn)品性能提高具有一定的指導意義。 關(guān)鍵詞：雙橫臂獨立懸架；MSC．ADAMS；優(yōu)化設(shè)計 中圖分類號：U463．33+1．02 0前言 懸架是車輛的重要組成部分，其主要任務是 傳遞車輪與車架之間的力和力矩，并緩和沖擊、 衰減振動，對汽車的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性等 使用性能都有很大影響?，F(xiàn)代汽車懸架有多種結(jié) 構(gòu)形式，其中雙橫臂獨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。目前雙橫臂獨立 懸架已廣泛應用在轎車的前后懸架上，部分運動 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)計思想、復雜運動學和動力學基本 理論方法以及拓撲技術(shù)為基礎(chǔ)，計算機數(shù)字虛擬 環(huán)境下進行的多體系統(tǒng)運動學和動力學的仿真 分析，已經(jīng)得到許多分析軟件的強力支持。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)域的標志產(chǎn)品MSC．ADAMS[21。該 軟件作為虛擬樣機技術(shù)平臺的杰出代表，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· 文獻標識碼：A 橫臂獨立懸架運動學分析模型，使用 ADAMS／Insight模塊進行仿真及優(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，必須先對懸架系統(tǒng)進行 合理的簡化。從汽車動力學的角度出發(fā)，對所建 的模型做如下簡化和假設(shè)：前懸架為一個多剛體 系統(tǒng)，系統(tǒng)每個剛體在各個方向的慣性力均為 零；由于某些鉸鏈在一些方向的力的約束真值比 較小，對整車動力學的影響可以忽略不計，假設(shè) Z 圖1 左側(cè)雙橫臂獨立懸架空間拓撲結(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的雙橫臂獨立懸架的優(yōu)化分析· 其為零；減振器簡化為線性彈簧，各運動副內(nèi)的 摩擦力忽略不計；輪胎簡化為剛性體【3】?？紤]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)計點的坐 標。設(shè)計點是各零件之間連接處的關(guān)鍵幾何定位 點，確定設(shè)計點就是在系統(tǒng)坐標系中給出零件之 間連接點的幾何位置。模型設(shè)計點的空間位置坐 標和相互關(guān)系是建立運動學模型的關(guān)鍵，從廠家 提供的零部件裝配圖上可以得到設(shè)計點的坐標 值。該懸架左側(cè)設(shè)計點的坐標值如表1所示。 表l懸架系統(tǒng)左側(cè)關(guān)鍵設(shè)計點的坐標值 硬點名稱 X坐標 Y坐標 z坐標 上橫臂外支點A。 60．0 320．0 13．O 上橫臂內(nèi)支點A2 395．0 395．0 43．0 下橫臂外支點B． O O 0 下橫臂內(nèi)支點B： 490．0 80．0 ．85．O 轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點C。 ．30．O loo．O ．170．0 轉(zhuǎn)向橫于i)=桿內(nèi)支點C： 435．0 180．O ．250．0 轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)支點D。 20．0 103．O 5．0 轉(zhuǎn)向節(jié)外支點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)鍵硬點的坐標參數(shù)值，在 ADAMS／View模塊中建立雙橫臂獨立懸架左側(cè) 的運動學仿真模型，如圖2所示。 圖2雙橫臂獨立懸架仿真模型 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、測試平臺等9個 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個同定副，測試平臺與大 地之間的1個移動副，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個球副、上橫臂內(nèi)支點與大地 之間以及下橫臂內(nèi)支點和大地之間的2個旋轉(zhuǎn) 副、車輪與測試平臺之間的1個點．面約束。最 后，在測試平臺與大地之間的移動副上添加一個 直線驅(qū)動。 2懸架系統(tǒng)運動學仿真分析 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，將建立一個虛擬激振臺，設(shè)置上下激振位移 為50mm，激振函數(shù)為F=50xsin(360t)，以車輪上 下跳動來計算懸架跳動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) 懸架的性能反映當車輪上下跳動時車輪定 位參數(shù)的變化，在正常車輪跳動范圍內(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動過 程中不應出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時出現(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，這樣可以抵消制動點頭時后傾角減小的趨 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回 正的作用，主銷內(nèi)傾角還使得主銷軸線與路面交 點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的雙橫臂獨立懸架的優(yōu)化分析· 向操縱輕便，同時也可減小從轉(zhuǎn)動輪傳到轉(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，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，加速了輪胎的磨損。實際 設(shè)計時，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 轂外軸承的負荷，安裝車輪時預先使車輪有一定 的外傾角，以防止車輪內(nèi)傾。同時，車輪有了外傾 角也可以與拱形路面相適應。但是外傾角不易過 大，否則也會使輪胎產(chǎn)生偏磨損。一般希望車輪 上下跳動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。對于汽車前輪，車輪 上跳時的前束角多設(shè)計成零至弱負前束的變化。 而在前輪驅(qū)動的汽車中，考慮到在制動等非驅(qū)動 工況下，負前束會導致行駛穩(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)隨車輪跳動變化曲線圖。 。 ＼ 姣 毯 艘 辭 控 圖3前輪定位參數(shù)隨車輪跳動變化曲線圖 2．2輪距變化 在獨立懸架的設(shè)計中，對輪距變化的要求應 盡量小，一是可以減少輪胎磨損，二是輪距變化 時，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±50mrn時， 輪距變化為．10turn-+10mm。圖4中所示，車輪 跳動時，在．50rnm處，車輪側(cè)移量為8．235mm； ·24· 董 嘲 簍 囂 溘 ‘義． ＼ 、 ＼ 、、 、 ＼ 、、 。、■ 》、 ～ 、k 車輪跳動量／ram 圖4前輪側(cè)滑量隨車輪跳動變化曲線圖 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)計變量 根據(jù)懸架的空間布置及約束情況，確定設(shè)計 變量為各關(guān)鍵設(shè)計點的坐標值，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目標函數(shù) 在整車運動過程中，車輪定位參數(shù)變動過 大，會加劇輪胎以及轉(zhuǎn)向機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 定位參數(shù)變化量最小為目標函數(shù)。另外，如果單 純以車輪定位參數(shù)變化量最小為目標函數(shù)，雖然 優(yōu)化結(jié)果達到理想的要求，但如果輪距變化過大 也不是我們所期望的，除了上述4個目標函數(shù) 外，再把輪距變化作為目標函數(shù)。所以文中雙橫 臂獨立懸架優(yōu)化目標函數(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的變化函數(shù)； 萬方數(shù)據(jù) ·基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架的優(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。 該目標函數(shù)要求懸架的4個定位參數(shù)和輪 距隨車輪跳動的變化量盡可能小。 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)計點的坐標值在有限的空間內(nèi) 變化，并設(shè)定每個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)計復雜的 試驗方案，用來測定機械系統(tǒng)的性能，可以進行 單目標或多目標優(yōu)化。在該模塊，文中對雙橫臂 模型的上橫臂外支點A。、內(nèi)支點A2、下橫臂的外 支點B。、內(nèi)支點B：以及轉(zhuǎn)向橫拉桿的內(nèi)支點C： 等五個坐標點的15個坐標值進行分析，根據(jù)約 束條件設(shè)定的范圍，選取4項前輪定位參數(shù)和輪 距變化為優(yōu)化目標，進行64次迭代計算，通過試 驗篩選，找出一個最優(yōu)的試驗結(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)向時車輪 與地面的滑動，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 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)計要 求；前輪前束角的變化范圍有所減小，這將對車 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)對比如表2。 (2)在車輪跳動一50mm處，側(cè)滑量由原來的 8．235mm變?yōu)?．634mm；在車輪跳動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 車輪跳動量／mm 圖5優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角對比圖 一 ， 一 院J 化 后 拳 化 }釃 車輪跳動掇／mm 圖6優(yōu)化前后主銷后傾角對比圖 ·25· 萬方數(shù)據(jù) g 鑫 謄 鑫 圖7優(yōu)化前后前輪外傾角對比圖 圖8優(yōu)化前后前輪前束角對比圖 圖9優(yōu)化前后前輪側(cè)滑量對比圖 結(jié) 論 》芎又獻 [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)動力學[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．7． 一… 曼竺商雙橫臂獨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的雙橫臂獨立懸架建模與 仿真[J]·吉林大學學報(工學版)(34)：554．558． …’一”’ 樅!??竺，．鐘紹華．基于蚴㈣的雙橫臂獨立懸架 的優(yōu)化設(shè)計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： 武漢理工大學汽車工程學院,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(6條) 1.陳家瑞 汽車構(gòu)造 1994 2.石博強 ADAMS基礎(chǔ)與工程范例教程 2007 3.喻凡.林逸 汽車系統(tǒng)動力學 2005 4.魏道高 雙橫臂獨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 基于ADAMS/CAR的雙橫臂獨立懸架建模與仿真[期刊論文]-吉林大學學報(工學版) 6.明巧紅.鐘紹華 基于ADAMS/CAR的雙橫臂獨立懸架的優(yōu)化設(shè)計[期刊論文]-專用汽車 2008 相似文獻(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研究 -拖拉機與農(nóng)用運 輸車2010,37(2) 以某車雙橫臂獨立懸架的下控制臂為研究對象,基于有限元模態(tài)分析、多體動力學和疲勞分析等相關(guān)理論,綜合運用MSC.Nastran,MSC.Adams及 MSC.Patran(Fatigue)軟件對其進行疲勞壽命集成化虛擬試驗仿真研究,在較短的時間內(nèi)預知該零部件的疲勞壽命和危險部位等信息.研究表明,該方法可 以作為汽車設(shè)計和試驗的有效手段. 本文鏈接： 授權(quán)使用：黑龍江工程學院(hljgcxy)，授權(quán)號：a3d0c41e-3043-4159-9139-9e9a01316e2a 下載時間：2011年3月2日