趙玉霞，林建飛，鄭泉

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學院，安徽滁州 239000；2.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，安徽合肥 230036)

基于多學科設計法的汽車雙橫臂獨立懸架優(yōu)化設計

趙玉霞1，林建飛2，鄭泉2

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學院，安徽滁州 239000；2.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，安徽合肥 230036)

提出一種基于多學科優(yōu)化設計的雙橫臂獨立懸架優(yōu)化設計方法。以某款汽車的雙橫臂獨立懸架為研究對象，構(gòu)建主銷后傾角最小、外傾角和前束角變化量最小的多目標優(yōu)化函數(shù)；集成ISIGHT和ADAMS/CAR軟件，并對其進行多學科優(yōu)化設計。優(yōu)化結(jié)果表明：優(yōu)化后主銷后傾角相應減小2°，外傾角和前束角變化范圍均減少0.45°和0.5°。經(jīng)試驗驗證，懸架轉(zhuǎn)向輕便性和綜合性能得到改善。

懸架；雙橫臂；遺傳算法；多學科優(yōu)化

雙橫臂式獨立懸架廣泛應用于現(xiàn)代汽車上，其運動特性直接影響汽車操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性和輪胎使用壽命等[1-2]。國內(nèi)外諸多學者在雙橫臂懸架優(yōu)化設計方面進行了大量的研究[3-6]，文獻[7]利用多目標遺傳算法對輪胎滑移和傾角的變化進行優(yōu)化，得出雙橫臂懸架輪胎滑移和外傾角的變化關(guān)系及其懸架導向桿系參數(shù)；文獻[8]采用統(tǒng)一目標法將多目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù)，對前輪定位參數(shù)進行了優(yōu)化。

多學科設計優(yōu)化方法(multidisciplinary design optimization，MDO)作為一種新型的優(yōu)化設計方法已經(jīng)在多種行業(yè)得到應用，該方法是充分利用和探索系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機制來設計復雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論，充分考慮各子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系，并通過協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)間的關(guān)系尋求系統(tǒng)級的整體最優(yōu)解[9-11]。

本文以某款汽車的雙橫臂獨立懸架為研究對象，建立主銷后傾角最小、外傾角和前束角變化量最小的目標函數(shù)，基于多學科優(yōu)化設計方法，集成ISIGHT、 ADAMS/CAR環(huán)境下構(gòu)建雙橫臂獨立懸架多學科優(yōu)化平臺，對其進行優(yōu)化設計。

1 雙橫臂懸架運動特性分析

圖1 雙橫臂式獨立懸架空間結(jié)構(gòu)簡圖

雙橫臂式獨立懸架空間拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中OAB為下擺臂，繞軸線OA轉(zhuǎn)動；MNK為上擺臂，繞軸線MN轉(zhuǎn)動；K(xK,yK,zK)、B(xB,yB,zB)點分別為上下球節(jié)點，BK為主銷軸線；G(xG,yG,zG)點為車輪中心，車輪軸線GJ交BK于J(xJ,yJ,zJ)點；P(xP,yP,zP)點為輪胎接地點；轉(zhuǎn)向節(jié)臂DF交BK于F點，DF⊥BK；E、D點分別為橫拉桿內(nèi)外球節(jié)點。運用空間機構(gòu)運動學原理，對懸架進行運動學分析計算，為懸架運動軌跡的研究提供理論參照[12-14]。前輪定位參數(shù)表達式為：主銷內(nèi)傾角α=arctan〔(yK-yB)/(zK-zB)〕，主銷后傾角β=arctan〔(xK-xB)/(zK-zB)〕，前輪外傾角γ=arctan〔(yP-yG)/(zP-zG)〕,前輪前束量Δ=arctan〔(xG-xJ)/(yG-yJ)〕。

2 雙橫臂獨立懸架多學科優(yōu)化

2.1 設計變量

圖2 雙橫臂懸架運動學模型

基于ADAMS/CAR軟件建立雙橫臂懸架運動學模型如圖2所示。由于設計變量較多(6個關(guān)鍵點，總共18個設計變量)，基于靈敏度分析方法對設計變量進行分析，設計變量約束上下變動，設計響應目標為主銷后傾角、外傾角和前束角，進行512次部分迭代計算，計算結(jié)束后，得出靈敏度分析結(jié)果，如表1所示。在K模式下，利用靈敏度分析方法，在模型中依次調(diào)整每個因素并進行仿真分析，結(jié)果表明下擺臂后點(hpl_lca_rear)、上擺臂前點(hpl_uca_front)對懸架相關(guān)運動學參數(shù)的優(yōu)化作用不明顯，故不予考慮。整理表1靈敏度分析結(jié)果得出對響應目標變化影響較大的硬點坐標為：下擺臂前點(hpl_lca_front)y和z坐標；下擺臂外點(hpl_lca_outer)x坐標；上擺臂外點(hpl_uca_outer)x、y和z坐標；上擺臂后點(hpl_uca_rear)y和z坐標，共4個點的8個方向坐標為設計變量。

表1 懸架關(guān)鍵點靈敏度分析表

2.2 目標函數(shù)

懸架系統(tǒng)運動關(guān)系復雜、子系統(tǒng)之間相互影響，單純基于某一項性能的優(yōu)化往往會導致另一項性能的降低[15-16]。因此，在要求主銷后傾角減小的同時，需滿足前束角和外傾角的變化量最小，此時主銷后傾角、前束角和外傾角的多目標優(yōu)化問題，使用以下公式進行優(yōu)化：

F1(Xβ)=min{Xβi},X1∈Xβ，

(1)

(2)

(3)

F(X)=ω1F1(Xβ)+ω2F2(XΔ)+ω3F3(Xγ)，

(4)

式中：n為仿真迭代總次數(shù)，n=256；Xβ、XΔ、Xγ分別為主銷后傾角、前束角和外傾角仿真計算值；X1、X2、X3分別為設計狀態(tài)下主銷后傾角、前束角和外傾角初值，X1=5.3、X2=0.1、X3=-1.0；F1(Xβ)、F2(XΔ)、F3(Xγ)分別為主銷后傾角、前束角和外傾角對應目標函數(shù)，設計狀態(tài)下邊界條件為0≤F1(Xβ)≤10、-1.0≤F2(XΔ)≤10、-3.0≤F3(Xγ)≤-0.5；F(X)為多目標優(yōu)化函數(shù)，定義為F(X)函數(shù)值越小越好；ω1、ω2、ω3為權(quán)重系數(shù)，通過引入層次分析法理論[17-19]，在遺傳算法的編碼過程中對各變量進行權(quán)重賦值，使得對多目標優(yōu)化函數(shù)影響較大的目標函數(shù)賦予較大的權(quán)重，從而更好地發(fā)揮各組成部分的作用，通過賦值計算得出ω1=0.4，ω2=ω3=0.3為最優(yōu)權(quán)重系數(shù)。

3 多學科優(yōu)化設計

圖3 ISIGHT集成ADAMS/CAR

利用多目標遺傳算法對相關(guān)硬點空間坐標進行多學科優(yōu)化，以雙橫臂獨立懸架模型為輸入，在ISIGHT軟件中集成ADAMS對輸入進行解析，創(chuàng)建設計變量之間的映射關(guān)系，經(jīng)ADAMS求解器計算分析并生成輸出文件，再經(jīng)ISIGHT解析完成一次循環(huán)[20-22]，如圖3所示。優(yōu)化前后設計變量對比如表2所示，優(yōu)化前后主銷后傾角、前輪外傾角、前束角變化如圖4所示。

表2 硬點坐標參數(shù)優(yōu)化前后對比

a)主銷后傾角隨輪跳變化曲線 b)前束角隨輪跳變化曲線 c)前輪外傾角隨輪跳變化曲線圖4 懸架優(yōu)化前后運動特性對比

由表2可知：下擺臂前點右移10 mm,下移10 mm,下擺臂外點后移10 mm,上擺臂外點前移10 mm,左移10 mm,下移10 mm;上擺臂后點右移10 mm,下移10 mm。

優(yōu)化結(jié)果表明：優(yōu)化后主銷后傾角變小，外傾角和前束量變化范圍較優(yōu)化前都有所改善。優(yōu)化前前輪外傾角變化范圍-2.1°～-0.6°，變化量1.5°；優(yōu)化后變化范圍-0.8°～-1.85°，變化量1.05°，變化量減小了0.45°；優(yōu)化前前束角變化范圍-0.15°～0.75°，變化量0.9°；優(yōu)化后變化范圍0°～0.4°，變化量0.4°，變化量減小了0.5°，在輪跳過程中，一般要求前束量變化范圍越小越好；為避免轉(zhuǎn)向沉重，汽車主銷后傾角不宜過大，優(yōu)化后主銷后傾角相應減小了2°，變化范圍在2.2°～4.0°。經(jīng)K&C試驗臺驗證，如圖5所示，主銷后傾角滿足設計需求，懸架轉(zhuǎn)向輕便性得到了有效提高。

a)主銷后傾角隨輪跳變化曲線 b)前束角隨輪跳變化曲線 c)外傾角隨輪跳變化曲線圖5 雙橫臂懸架K&C試驗數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)語

構(gòu)建了基于多學科優(yōu)化設計方法的雙橫臂式獨立懸架多目標優(yōu)化模型，集成ISIGHT和ADAMS軟件對其進行優(yōu)化設計；優(yōu)化后主銷后傾角變小，前束角變化量和外傾角變化量減小并經(jīng)試驗驗證，提高轉(zhuǎn)向輕便性的同時改善了懸架綜合性能，實現(xiàn)了預期目標。

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(責任編輯：郎偉鋒)

Optimization Design of Double-wishbone Independent Suspension of Car Based on MDO

ZHAOYuxia1,LINJianfei2,ZHENGQuan2

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege,Chuzhou239000,China； 2.CollegeofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China.)

An optimum design method of the double wishbone independent suspension based on the multidisciplinary design optimization (MDO) is presented.By taking the double wishbone independent suspension of a car model as the research subject,the multi-objective optimization functions of the minimum caster,camber and toe angle change is constructed and the multidisciplinary design optimization is made based on the integrated ISIGHT and ADAMS / CAR software.The optimization results show that the optimized caster angle decreases by 2° correspondingly,and the range of camber and toe angles decreases by 0.45° and 0.5° respectively.The experiments verify that the steering portability and overall performance of suspension are improved.

suspension；double-wishbone；genetic algorithm；MDO

2016-09-09

安徽省高校自然科學重點項目(KJ2015A305)

趙玉霞(1965—)，女，安徽淮北人，講師，主要研究方向為機械設計，E-mail: 362770001@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.003

U463.33

A

1672-0032(2016)04-0012-06