基于ADAMS/Car五連桿式懸架特征參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 鵬，辛 舟

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

懸架系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，其特征參數(shù)的變化對(duì)整車行駛性能的影響極大[1]。Knapczyk等[2]建立了多自由度五連桿式懸架模型，對(duì)懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了分析；郭孔輝院士[3]在《汽車操縱動(dòng)力學(xué)》一書中詳細(xì)分析了懸架特性與整車性能的關(guān)系；奉銅明[4]利用ADAMS/Insight分析多連桿式懸架，并對(duì)懸架硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化；辛運(yùn)等[5]采用模糊灰色關(guān)聯(lián)分析模型結(jié)合NSGA-Ⅱ算法對(duì)五連桿式懸架的特征參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。目前五連桿式懸架廣泛應(yīng)用于中高檔乘用車上，如奧迪A6L的前后懸架、奧迪Q5的前懸架、本田雅閣的后懸架等。

五連桿式懸架相較其他形式的懸架其最大優(yōu)點(diǎn)在于車輪跳動(dòng)時(shí)能夠較好地抑制車輪外傾角的變化，對(duì)車輪前束角和輪距變化亦具有較好的抑制作用，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)主銷后傾角的最佳定位，使汽車平穩(wěn)地行駛，且多根連桿相互作用使其具有多樣化的調(diào)校方式[6]。本文運(yùn)用ADAMS/Car建立了某車型五連桿式獨(dú)立懸架的模型，根據(jù)仿真試驗(yàn)得到懸架特征參數(shù)與車輪跳動(dòng)的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上以優(yōu)化該懸架、降低輪胎磨損程度為目的進(jìn)行研究。

1 懸架模型的建立

通常情況下，ADAMS/Car采用自下而上的建模順序，即裝配組合模型建立在子系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，子系統(tǒng)模型在模板中建立[7]。五連桿式懸架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，五連桿分別為控制臂CF、前置定位臂TK、后置定位臂AH、上臂DE和下臂BG，它們與轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)球副連接，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)副(虎克副)與副車架連接。減振器和螺旋彈簧位于后軸與后置定位臂之間。根據(jù)其結(jié)構(gòu)在ADAMS/Car中建立五連桿式懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，如圖2所示[8-9]。

圖1 五連桿式懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 懸架的特征參數(shù)

2.1 車輪外傾角

車輪外傾角的存在會(huì)造成輪胎與地面接觸位置處的內(nèi)、外側(cè)滾動(dòng)半徑不同，外側(cè)小于內(nèi)側(cè)，這不僅加快了輪胎的磨損，也使車輛的橫向穩(wěn)定性降低[10]。在汽車的設(shè)計(jì)改進(jìn)中，隨著汽車底盤各部件剛度的提高，車輪外傾角的設(shè)計(jì)值不斷減小，甚至為零，這樣可使輪胎的內(nèi)外側(cè)磨損趨于均勻，提高汽車行駛的穩(wěn)定性。

圖2 五連桿式懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

2.2 車輪前束角

汽車正常行駛時(shí)，車輪前束角會(huì)在很大程度上減輕和消除由于車輪外傾而產(chǎn)生的不良后果，驅(qū)使車輪向正前方滾動(dòng)，減小輪胎的磨損程度，但絕對(duì)值太大的正前束或后束將導(dǎo)致輪胎胎面花紋邊緣出現(xiàn)羽毛狀磨損[11]。車輪前束角與車輪外傾角配合作用，使汽車獲得更好的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。

2.3 車輪輪距

當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，由于車輪外傾角與前束角的存在，輪距肯定會(huì)發(fā)生變化，但是過(guò)大的輪距變化會(huì)加劇汽車零部件與輪胎的磨損，降低整車性能，因此為了獲得良好的行駛性能，車輪在跳動(dòng)時(shí)輪距的變化量應(yīng)盡可能小。當(dāng)輪距變化時(shí)，輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角，從而會(huì)引起相應(yīng)的側(cè)向力導(dǎo)致汽車的直線行駛能力下降[12]。因此，合適的輪距對(duì)于提高整車的行駛性能具有十分重要的意義。

3 模型驗(yàn)證及仿真試驗(yàn)

在ADAMS/Car中進(jìn)行車輪同向激振試驗(yàn)，即車輪平行跳動(dòng)試驗(yàn)，優(yōu)化目標(biāo)也源于此。仿真試驗(yàn)中車輪跳動(dòng)的范圍為-90～+90 mm，在ADAMS/PostProcessor中觀察懸架特征參數(shù)的變化。

3.1 懸架模型的驗(yàn)證

圖3與圖4分別是主銷內(nèi)傾角與主銷后傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線。

從圖3、圖4可以看出，當(dāng)車輪跳動(dòng)為零時(shí)，主銷內(nèi)傾角為10.008°，主銷后傾角為2.694°。仿真結(jié)果與原車數(shù)據(jù)的結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了依據(jù)車型原始數(shù)據(jù)創(chuàng)建的五連桿式懸架模型的正確性。

圖3 主銷內(nèi)傾角變化曲線

圖4 主銷后傾角變化曲線

3.2 車輪的外傾角

當(dāng)車輪跳動(dòng)達(dá)到+90 mm時(shí)，外傾角為-0.702°；當(dāng)車輪跳動(dòng)達(dá)到-90 mm時(shí)，外傾角為2.573°，如圖5所示。過(guò)大的外傾角會(huì)造成左、右車輪無(wú)法垂直于地面，類似于滾錐，兩側(cè)車輪向外滾動(dòng)，加劇輪胎的磨損。

圖5 車輪外傾角的變化曲線

3.3 車輪前束角

從圖6可以看出，輪跳為-90～+90 mm時(shí)前束角的變化區(qū)間為0.059°～5.491°。絕對(duì)值較大的前束角會(huì)導(dǎo)致車輪在滾動(dòng)時(shí)邊滾邊滑，不利于汽車的安全行駛。

3.4 車輪輪距

從圖7可以看出，在車輪跳動(dòng)過(guò)程中，左右車輪輪距先減小后增大。車輪跳動(dòng)達(dá)到+90 mm時(shí)，輪距增大了8.152 mm；車輪跳動(dòng)達(dá)到-90 mm時(shí)，輪距增大了22.963 mm。為使整車具有更為良好的行駛性能，進(jìn)一步對(duì)輪距進(jìn)行了優(yōu)化。

圖6 車輪前束角變化曲線

圖7 車輪輪距變化曲線

4 優(yōu)化前后對(duì)比分析

在ADAMS/Insight中首先確定優(yōu)化的目標(biāo)，其次創(chuàng)建變量，最后對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)果，得出結(jié)論[13]。車輪在跳動(dòng)過(guò)程中，其特征參數(shù)相互作用，本文采用多參數(shù)共同優(yōu)化的方法進(jìn)行優(yōu)化，因此必須進(jìn)行多次優(yōu)化才能得到同時(shí)符合要求的結(jié)果。優(yōu)化過(guò)程中以車輪外傾角、車輪前束角及輪距為目標(biāo)，在縮小目標(biāo)值變化范圍的同時(shí)使各目標(biāo)的變化量盡可能小。以各連桿硬點(diǎn)坐標(biāo)的y，z值作為優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，將各連桿的位置不變即各連桿的硬點(diǎn)坐標(biāo)不變作為初始條件，各連桿硬點(diǎn)坐標(biāo)y，z值的變化范圍為±1%設(shè)置為邊界條件進(jìn)行優(yōu)化。圖8～圖10中實(shí)線與點(diǎn)劃線分別代表優(yōu)化前與優(yōu)化后各參數(shù)的變化曲線。

圖8 車輪外傾角變化對(duì)比曲線

從圖8可以看出，車輪上跳+90 mm時(shí)，外傾角增大了0.177°；車輪下跳-90 mm時(shí)，外傾角減小了0.393°。無(wú)論車輪是向上跳動(dòng)還是向下跳動(dòng)，外傾角的變化始終不超過(guò)0.4°，這樣可以更好地定位車輪與接地點(diǎn)的位置，有效地避免了由于車輪內(nèi)傾而造成輪胎磨損嚴(yán)重的不良后果。

圖9 車輪前束角變化對(duì)比曲線

圖10 車輪輪距變化對(duì)比曲線

從圖9可以看出，優(yōu)化前、后前束角的變化趨勢(shì)都是從正值平滑過(guò)渡到零，在相同輪跳的范圍內(nèi)，變化區(qū)間由0.059°～5.491°縮減至0.302°～4.987°。優(yōu)化后車輪前束角變化范圍的減小可使穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性更好，進(jìn)一步減小了輪胎的磨損。

從圖10可以看出，車輪輪距變化范圍由8.152～22.963 mm減小至8.913～20.950 mm，滿足懸架設(shè)計(jì)中輪距變化范圍不超過(guò)±4 mm的要求。在現(xiàn)有輪距的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，更小的輪距變化能夠消除車輪外傾附帶的風(fēng)險(xiǎn)，使汽車保持直線行駛，進(jìn)一步提高汽車的行駛穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了某車型五連桿式懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，進(jìn)行了車輪同向激振試驗(yàn)。采用多參數(shù)共同優(yōu)化的方法，在ADAMS/Insight中選取車輪外傾角、車輪前束角、輪距作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，五根連桿硬點(diǎn)坐標(biāo)的y，z值作為優(yōu)化參數(shù)，并設(shè)定合理的邊界條件對(duì)該懸架進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后懸架特征參數(shù)曲線的變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性與合理性。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，此次優(yōu)化有效地解決了輪胎異常磨損的問(wèn)題，在一定程度上體現(xiàn)了優(yōu)化后懸架良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，提高了該車型的整車行駛性能。