劉文龍，鄧莉平，喬旭強，陳 瑛

(西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039)

基于ADAMS的空氣懸架建模仿真及優(yōu)化

劉文龍，鄧莉平，喬旭強，陳 瑛

(西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039)

針對目前汽車乘坐舒適度與運行平穩(wěn)性易受懸架系統(tǒng)影響的特點，采用虛擬樣機技術(shù)對車輛空氣懸架系統(tǒng)進行了研究.首先，依據(jù)某車型懸架系統(tǒng)參數(shù)建立仿真模型，然后結(jié)合試驗設(shè)計DOE分析技術(shù)對車輛懸架系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進行分析，最后采用“敏感度分析—硬點優(yōu)化—試驗驗證”的控制理論，對空氣懸架結(jié)構(gòu)的K&C特性進行優(yōu)化設(shè)計.結(jié)果表明，四輪定位參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化之后，前束角從1.37°減至0.3°；外傾角優(yōu)化后為0.012°/mm，符合(-0.003°～0.015°)/mm的設(shè)計要求；主銷內(nèi)傾角優(yōu)化后為7°～11.5°，較優(yōu)化前更好地滿足了設(shè)計要求；主銷后傾角在優(yōu)化后表現(xiàn)出輪跳工況下基本保持不變的特性.

懸架；K&C特性；優(yōu)化設(shè)計；ADAMS

隨著汽車研發(fā)技術(shù)的進步，空氣懸架系統(tǒng)被越來越多的生產(chǎn)商使用.該系統(tǒng)利用氣體壓縮受力原理實現(xiàn)充氣氣囊變剛度的作用方式,降低了由路面?zhèn)鬟f給車身的振動載荷.目前，空氣彈簧的技術(shù)尚未成熟，制造成本比普通減振器高，這給國內(nèi)許多汽車制造廠在空氣彈簧的應(yīng)用方面帶來了很大的技術(shù)難題.本研究依據(jù)某車型的空氣彈簧參數(shù)，通過建立空氣懸架模型的虛擬樣機仿真測試平臺，利用“敏感度分析—硬點優(yōu)化—試驗驗證”的控制理論，針對懸架系統(tǒng)建模硬點采用DOE試驗設(shè)計方法進行優(yōu)化，進而實現(xiàn)前空氣懸架系統(tǒng)K特性的優(yōu)化．

1 空氣懸架結(jié)構(gòu)

圖1 空氣懸架結(jié)構(gòu)Fig.1 The air suspension structure

2 空氣彈簧類型及其工作原理

2.1 空氣彈簧類型

目前，汽車上配備的空氣彈簧按照其作用原理及行駛方式的不同可分為囊式和膜式，如圖2和圖3所示.

圖2 囊式空氣彈簧Fig.2 Capsule type air spring

圖3 膜式空氣彈簧Fig.3 Diaphragm air spring

圖4 空氣彈簧工作力學(xué)模型Fig.4 Air spring working mechanics model

2.2 工作原理

空氣彈簧在工作時作為一種變剛度彈簧來衰減由路面?zhèn)鬟f給車身的振動載荷，以提高車輛運行過程中的舒適性和平穩(wěn)性.當(dāng)車輛的簧上質(zhì)量由于路面不平產(chǎn)生劇烈晃動時，空氣彈簧開始承受垂直載荷F的作用，其工作力學(xué)模型如圖4所示.

根據(jù)力的平衡條件，得到空氣彈簧的負荷特性：

F=prA，

(1)

當(dāng)空氣彈簧受到外力作用時，

(2)

式中：pa為空氣大氣壓；p0和V0為標準高度空氣彈簧內(nèi)的壓力和容積；p和V為不同高度空氣彈簧的壓力和容積；n為氣囊多變指數(shù).

加大宣傳力度，通過設(shè)置專門宣傳欄、固定宣傳標語、懸掛宣傳橫幅、利用電視廣播等多種方式，讓社會各界了解水庫確權(quán)劃界的意義、相關(guān)水利法規(guī)及政策。采取與村民和其他相關(guān)方召開座談會或進行一對一溝通等形式，營造良好的社會輿論氛圍，爭取廣大干部群眾的支持。加大執(zhí)法力度，推進執(zhí)法隊伍建設(shè)，建立完善的巡查制度，嚴厲打擊水庫管理范圍內(nèi)各種違建行為，嚴格落實各項建設(shè)項目的辦事程序和相關(guān)要求。

將式(2)代入式(1)，得空氣彈簧的彈力：

(3)

(4)

式(4)可以再次證明空氣彈簧的變剛度特性，得到空氣彈簧剛度在位移發(fā)生變化時表現(xiàn)出來的非線性特點.

表1 懸架硬點坐標值

3 空氣懸架建模與仿真

3.1 模型硬點參數(shù)

該車型后懸架的硬點參數(shù)值基于技術(shù)部門提供的三維CAD模型測量所得，表1為左側(cè)后懸架硬點坐標值.

利用ADAMS/CAR搭建后懸架仿真模型，各部件的質(zhì)量與慣性參數(shù)通過在三維CAD模型中使用測量命令得到.根據(jù)參數(shù)在模板建模器(Template builder)模式下建立懸架子系統(tǒng)，再與試驗臺裝配，得到的懸架仿真模型如圖5所示.

建模時忽略汽車配備的電子和液壓元件，將車身底盤簡化為剛體，懸架部分也做了部分簡化.為了保證空氣懸架系統(tǒng)仿真的真實性，下控制臂結(jié)構(gòu)利用有限元分析方法進行柔性化處理，最終組成柔性下控制臂的剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，其他各運動部分均通過襯套實現(xiàn)彈性連接.

3.2 仿真分析

把專家模塊中建立的子系統(tǒng)模型進行靜載平衡調(diào)節(jié)后，在測試平臺上進行平行輪跳的試驗分析，仿真工況設(shè)置如圖6所示.

圖5 懸架仿真模型Fig.5 The simulation model of suspension

圖6 仿真工況設(shè)置Fig.6 The simulation conditions

平行輪跳仿真結(jié)束后，調(diào)入虛擬樣機技術(shù)設(shè)計時所建立的平行輪跳特性文件，針對平行輪跳中懸架系統(tǒng)中的四輪定位參數(shù)分別進行分析，結(jié)果如圖7至圖10中實線所示.由這4個圖可以看出，仿真結(jié)果中4個參數(shù)的變化量均較大，需要進行優(yōu)化.

圖7 車輪前束角變化曲線 圖8 車輪外傾角變化曲線 圖9 主銷內(nèi)傾角變化曲線 圖10 主銷后傾角變化曲線 Fig.7 The curves of Fig.8 The curves of Fig.9 The curves of Fig.10 The curves of wheel toe angle wheel camber angle kingpin inclination angle kingpin caster angle

4 懸架性能參數(shù)的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化參數(shù)的設(shè)定及仿真

采用ADAMS虛擬樣機技術(shù)對空氣懸架系統(tǒng)進行仿真，選擇空氣懸架系統(tǒng)中車輪前束角作為設(shè)計的目標函數(shù).

選擇空氣懸架下控制臂左右兩側(cè)的前內(nèi)點、后內(nèi)點、外側(cè)點共6個硬點的坐標值為設(shè)計變量，在優(yōu)化過程中，設(shè)置6個硬點的坐標優(yōu)化值為-10～10 mm.優(yōu)化變量設(shè)置完成之后，在調(diào)入的DOE菜單中創(chuàng)建優(yōu)化目標函數(shù)，然后進入Insight交互式優(yōu)化設(shè)置頁面，利用變量因素和目標函數(shù)之間的關(guān)系選擇試驗設(shè)計中的兩水平優(yōu)化設(shè)計方法，對空氣懸架系統(tǒng)進行迭代計算.通過多次的迭代仿真得到模型試驗中最優(yōu)的硬點坐標值，用優(yōu)化后所用的變量因素對應(yīng)的最優(yōu)目標函數(shù)組成新的空氣懸架系統(tǒng)模型，再次按照同一種運行設(shè)置方式進行平行輪跳試驗，得出優(yōu)化后空氣懸架模型的仿真結(jié)果.

表2 主要硬點調(diào)整值

4.2 優(yōu)化前后的對比

采用虛擬樣機的交互式用戶界面技術(shù)，基于ADAMS/CAR建立了一個汽車空氣懸架動態(tài)性能仿真分析試驗平臺，利用快速的DOE試驗設(shè)計方法進行迭代分析，最終得到合理的懸架設(shè)計參數(shù)中主要硬點的調(diào)整，如表2所示.將優(yōu)化后的硬點坐標進行回代，得到圖7至圖10所示的四輪定位參數(shù)優(yōu)化后的性能分析結(jié)果.

4.2.1 車輪外傾角和前束角

車輛在曲線行駛時，車身在離心力作用下會發(fā)生較大的外傾現(xiàn)象，合理的外傾角設(shè)計可以在最大程度上消除該情況下車輪側(cè)偏的特性；選擇合適的前束角可以減緩由于車輪外傾角引起的向外運動特性，使車輛在直線行駛方向上得到補償，大大減少車輪因發(fā)生較大外傾而產(chǎn)生的輪胎磨耗量.在四輪定位參數(shù)的設(shè)計中，一般要求車輪前束角和外傾角的設(shè)計滿足在輪跳工況發(fā)生時其變化范圍最小的原則.從圖7和圖8可以看出，在輪跳試驗工況中，優(yōu)化前后前束角的變化量分別為1.37°和0.3°，由優(yōu)化結(jié)果可知優(yōu)化后前束角的變化在一定范圍內(nèi)得到了控制；外傾角的變化量優(yōu)化前為-1.73°～2.2°，整個輪跳試驗工況中變化量為3.93°，外傾角特性值變化幅度為0.032°/mm，明顯超出了(-0.003°～0.015°)/mm的設(shè)計要求.優(yōu)化后，外傾角的變化量為-0.35°～1.13°，外傾角特性值的變化幅度為0.012°/mm，在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，達到了性能優(yōu)化的目的.

4.2.2 主銷內(nèi)傾角和后傾角

主銷內(nèi)傾角的設(shè)計主要是為了滿足車輛在低速行駛時的回正能力，但為了降低懸架系統(tǒng)控制臂受縱向力的敏感特性，一般在設(shè)計時應(yīng)滿足7°～13°的要求，防止內(nèi)傾角設(shè)計值不合理導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向沉重.主銷后傾角的作用體現(xiàn)在車輛行駛過程中受到路面不平順載荷沖擊產(chǎn)生轉(zhuǎn)向時，能夠引起與車輛轉(zhuǎn)向相反的力矩來滿足車輛直線行駛的需求.主銷后傾角在車輛設(shè)計時需要符合最小化變動的原則，以實現(xiàn)車輛行駛過程中具有較好的操縱穩(wěn)定性.從圖9和圖10可以看出，在平行輪跳試驗設(shè)計優(yōu)化仿真過程中，主銷內(nèi)傾角優(yōu)化后的變動量為7°～11.5°，滿足設(shè)計經(jīng)驗；優(yōu)化前后，主銷后傾角的變化量為2.78°～3.67°，在輪跳試驗工況下變化量約為1°，優(yōu)化后的主銷后傾角的變化量為0.5°.從優(yōu)化結(jié)果可以看出該定位參數(shù)在輪跳工況下基本保持不變，符合設(shè)計要求的合理變化.

5 結(jié)語

針對空氣懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式和運行特點，在試驗采集懸架硬點坐標的基礎(chǔ)上建立了懸架系統(tǒng)虛擬樣機測試平臺，通過對平行輪跳試驗結(jié)果的分析，驗證了虛擬樣機能夠?qū)崿F(xiàn)快速建模與分析的優(yōu)點.應(yīng)用DOE試驗設(shè)計方法進行仿真及優(yōu)化，對優(yōu)化前后的四輪定位參數(shù)進行對比與分析，驗證了該優(yōu)化方法的準確性和合理性.該優(yōu)化方法能夠快速調(diào)整系統(tǒng)性能參數(shù)，為進一步研究懸架系統(tǒng)提供了重要的數(shù)據(jù)參考.

[1] 錢德猛.汽車空氣懸架系統(tǒng)的參數(shù)化建模、分析及設(shè)計理論和方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2005.

[2] 陳軍．MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3] 張雁成，戴峻，候宇，等.基于ADAMS的懸架硬點優(yōu)化 [J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2012(12)：87-89.

[4] 陳昆山，周柔.基于隨機路面的空氣懸架平順性研究[J].機械設(shè)計與制造, 2012(5)：65-67.

[5] 鄭明軍,陳瀟凱,林逸,等.空氣彈簧力學(xué)模型與特性影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)機械報,2008,39(5)：10-14.

[6] 宋宇.空氣懸架車輛 ADAMS 與 MATLAB 聯(lián)合仿真研究[J].汽車技術(shù),2008(10)：40-43.

[7] 秦東晨,藍賢清,于立,等.基于彈性襯套和柔性零部件的車輪定位參數(shù)仿真試驗[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2011,32(5)：104-107.

Analysis and optimization of air suspension based on ADAMS

LIU Wenlong，DENG Liping，QIAO Xuqiang，CHEN Ying

(SchoolofAutomobileandTransportation,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

Aimed at the present vehicle ride comfort and stable operation performance characteristics of the influence of suspension system features, this paper uses the virtual prototype technology to study the vehicle air suspension system. First, a simulation model is established based on vehicle suspension system parameters. Then, the key components of vehicle suspension system with the design of experiment DOE analysis technique are analyzed. Finally, control theory of “sensitivity analysis-hard point optimization- test” is used for the air suspension K&C characteristics of structure optimization design. The results show that the four-wheel positioning parameters after optimization, the change of toe angle is from 1.37°to 0.3°which is reduced by the amount of 78%; camber angle is 0.012°/mm, meeting the design requirements range of optimization(-0.003°～0.015°)/mm; Kingpin inclination angle after optimization is in the range of change 7°～11.5°, which is better before optimization that meets the design requirements; Kingpin caster angle after optimization shows that the round jump condition in basic characteristics remains unchanged.

suspension; K&C characteristics; optimization design; ADMS

2016-06-12

西華大學(xué)創(chuàng)新基金(ycjj2016085)

劉文龍 (1989-)，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為整車性能的測試與仿真.

U260.2

A

1674-330X(2017)01-0040-04