山西中北大學(xué)　郝辰杰　呂彩琴　董家廣

半掛牽引車板簧前懸架正交優(yōu)化設(shè)計(jì)

山西中北大學(xué)郝辰杰呂彩琴董家廣

本論文針對(duì)某半掛牽引車板簧前懸架分析中存在前束角、外傾角變化范圍較大而導(dǎo)致整車行駛穩(wěn)定性較差的問題，提出了正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先，在Adams/Car中建立某掛車牽引車前懸架模型，并運(yùn)用全因子試驗(yàn)進(jìn)行懸架設(shè)計(jì)硬點(diǎn)參數(shù)的靈敏度分析。然后，利用靈敏度結(jié)果做正交試驗(yàn)，通過正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。最后，對(duì)優(yōu)化前后前懸架的前束角、外傾角變化范圍進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，該優(yōu)化算法簡(jiǎn)單快捷地提高了整車的操縱穩(wěn)定性。

板簧前懸架；前束角；外傾角；正交優(yōu)化

1　前言

在汽車底盤開發(fā)過程中，需要優(yōu)化懸架定位參數(shù)與車輪跳動(dòng)之間的關(guān)系，從而使汽車達(dá)到良好的操縱穩(wěn)定性和平順性。目前，該工作主要是由國(guó)外公司來完成，導(dǎo)致其成本過高、周期過長(zhǎng)。鑒于此，本文運(yùn)用Adams/Car建立某半掛車前懸架的精確模型，利用正交試驗(yàn)對(duì)該懸架的定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為國(guó)內(nèi)懸架調(diào)校工作提供了軟件調(diào)校指導(dǎo)。

2　前懸架參數(shù)的分析

2.1前懸架模型的建立

2.1.1板簧懸架子系統(tǒng)的建立

（1）前懸架硬點(diǎn)、部件及幾何形狀的建立

硬點(diǎn)的位置可以用來確定大部分部件及其連接點(diǎn)的位置。創(chuàng)建好硬點(diǎn)后就可以在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建部件，并進(jìn)一步創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的幾何形狀。在模板中，需要確定各部件的約束條件。具體的前懸架結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)如圖1所示。

圖1　前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)

（2）鋼板彈簧的建立

此車型前懸板簧平衡位置等效剛度是330N/mm，弧高為130mm，板簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑是2972mm。為保證板簧剛?cè)峄旌咸匦?，建模時(shí)將其做成離散柔性連接體。

2.1.2懸架的裝配

將建立好的前懸架模型、鋼板彈簧模型、轉(zhuǎn)向系模型、輪胎模型等生成子系統(tǒng)，再通過相應(yīng)的通訊接口進(jìn)行裝配，最終在前懸架試驗(yàn)臺(tái)上得到前懸架仿真模型，如圖2所示。

圖2　前懸架仿真模型

2.2前懸架運(yùn)動(dòng)特性分析

車輪前束角對(duì)車輛的行駛穩(wěn)定性具有重要影響，是汽車懸架的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。圖3為車輪前束角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線，其變化范圍是1.07°～-1.18°，變化范圍較大，需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3　優(yōu)化前前束角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

車輪上跳及下跳時(shí)的外傾變化對(duì)車輛直行穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性等有很大影響。一般上跳時(shí)車身外傾角為-0.02°～0.05°。圖4為車輪外傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線，其變化范圍為-0.075°～0.05°，需進(jìn)一步優(yōu)化。2.3定位參數(shù)靈敏度分析

圖4　優(yōu)化前外傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

由上文的分析結(jié)果把前輪前束角作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)目標(biāo)值選擇為最大值根據(jù)懸架的實(shí)際結(jié)構(gòu)，考慮到設(shè)計(jì)時(shí)方便修改的情況，選取lower kingpin axis（主銷下點(diǎn)）、upper kingpin axis（主銷上點(diǎn)）wheel center（輪胎輪心）、tie rod arm（轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)）、leafspring front axle（板簧和前軸的連接點(diǎn)）共5個(gè)硬點(diǎn)，15個(gè)參數(shù)作為影響因子?？紤]到影響因子較多，不利于數(shù)學(xué)建模，先對(duì)所有因子通過全因子敏感度檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5　全因子敏感度檢測(cè)

綜合敏感度分析，本文所用優(yōu)化模型的影響因子中upper kingpin axis.x、lower kingpin axis.x、upper kingpin axis.y，upper kingpinaxis.z，lowerkingpinaxis.z leafspring front axle.x、tie rod arm.x對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響較大，故而選定這7個(gè)因素為優(yōu)化因子。

3　數(shù)學(xué)模型的建立

在進(jìn)行試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)時(shí)，假如使用全因子試驗(yàn)，其試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到了27=128次這會(huì)使得優(yōu)化迭代過程繁多。如果使用全因子正交試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)為L(zhǎng)8（27）這樣大大降低了試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間?，F(xiàn)也將初始因子的變化范圍設(shè)定為±1%，對(duì)懸架原始的硬點(diǎn)坐標(biāo)做正交優(yōu)化，其中正交試驗(yàn)如表1所示，由正交試驗(yàn)得出各硬點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

4　優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證

將最終優(yōu)化硬點(diǎn)值重新帶入Adams中，得到前束角和外傾角優(yōu)化前后的對(duì)比，如圖6、圖7和表3所示。

表1　正交優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6　優(yōu)化前后前束角變化曲線對(duì)比圖

圖7　優(yōu)化前后外傾角變化曲線對(duì)比圖

表2　正交試驗(yàn)改進(jìn)前后硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

表3　優(yōu)化前后目標(biāo)變量變化對(duì)比（°）

表3為前束角和外傾角優(yōu)化前后的變化范圍及幅度對(duì)比。由圖6、圖7和表3可知，經(jīng)過正交優(yōu)化后，前束角和外傾角的變化量均有所減小。總之，通過對(duì)前懸架的優(yōu)化，整車的操縱穩(wěn)定性能得到很大的改善。

5　結(jié)論

本文針對(duì)某掛車分析中前束角和外傾角變化范圍較大的問題，提出了正交優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化算法既優(yōu)于一般曲面響應(yīng)優(yōu)化的多次迭代修改，又能達(dá)到好的優(yōu)化結(jié)果，起到了兼顧有效性和實(shí)用性的目的，具有一定的理論和工程實(shí)際意義。

［1］張守元，沈磊，付小龍.基于Adams的某商務(wù)車前懸架K&C性能分析及優(yōu)化計(jì).2009中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，SAE-C2009C242.

［2］張寶珍，阿米爾，肖思俊等.基于區(qū)間不確定性的前懸架多目標(biāo)可靠性優(yōu)化［J］.汽車工程，2015，（6）：707-713.

［3］劉波.汽車懸架彈簧的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.商用汽車，2007，（7）：112-114.

郝辰杰，1988年出生，山西忻州人，碩士研究生，研究方向：整車設(shè)計(jì)。