樊紫馨，韓謹(jǐn)安，孫春江，胡艷連

基于ADAMS的前懸架仿真優(yōu)化

樊紫馨，韓謹(jǐn)安，孫春江，胡艷連

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

懸架在整車中占據(jù)著舉足輕重的地位，決定了車輛操縱穩(wěn)定性及平順性的好壞。為了使得初步設(shè)計(jì)的雙橫臂式獨(dú)立懸架性能得到提升，論文采用多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)前懸架進(jìn)行了優(yōu)化。首先在ADAMS/CAR中建立了車輛前懸架模板子系統(tǒng)，仿真出車輪定位參數(shù)變化曲線。接著在ADAMS/Insight模塊里，設(shè)計(jì)目標(biāo)選為車輪定位參數(shù)，設(shè)計(jì)變量選為前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)敏感度大小，對(duì)前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，曲線對(duì)比結(jié)果顯示優(yōu)化有效。

建模；仿真；多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化

前言

虛擬樣機(jī)的發(fā)展給機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了便利，最開始應(yīng)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)中，通過它改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念[1]。不僅節(jié)約了產(chǎn)品設(shè)計(jì)人力花費(fèi)成本，而且能夠運(yùn)用動(dòng)畫的形式表現(xiàn)物體的運(yùn)動(dòng)特征，為設(shè)計(jì)工作者帶來便利。本文就前懸架進(jìn)行仿真優(yōu)化。

1 前懸架仿真分析

1.1 ADAMS/CAR前懸架模板建立

應(yīng)用ADAMS/CAR實(shí)施模板建立總共分為4個(gè)主要步驟：（1）確定硬點(diǎn)坐標(biāo)。建立直角坐標(biāo)系后，根據(jù)空間位置，得到精確地值。（2）選擇合適的形狀部件。從軟件預(yù)先定義好的形狀部件中選擇，常用的有圓柱形，三角形，桿件等。（3）對(duì)兩兩部件之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副連接。（4）對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。懸架系統(tǒng)需要設(shè)置懸架相關(guān)參數(shù)，然后和test rig通訊器連接，建立了通訊器之后，需要對(duì)通訊器進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)是否找到了匹配的通訊器，如果出現(xiàn)問題，將不能成功建立模板，需要檢查出錯(cuò)環(huán)節(jié)[2]。

如圖1所示為前懸架的結(jié)構(gòu)簡圖和建模圖，圖中給出了前懸架右側(cè)的建模圖。懸架的橫臂與車輪連接處為球形副，橫臂與副車架是通過襯套連接，之間有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)自由度。表1所示為關(guān)鍵硬點(diǎn)參數(shù)坐標(biāo)，該坐標(biāo)參數(shù)為初次設(shè)計(jì)值。

表1 前懸架關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

字母硬點(diǎn)三維坐標(biāo)字母硬點(diǎn)三維坐標(biāo) A(0，?504，0)G(200，?215，?150) B(75，?536，0)H(?36，?215，?150) C(75，?200，?20)I(0，?536，?138) D(135，?254，78)J(?2，?465，128) E(?60，?254，78)K(45，?210，?120) F(0，?505，138)L(47，?244，?120)

1.2 前懸架仿真曲線的分析

本次試驗(yàn)設(shè)置了車輪上下跳動(dòng)步長為50 mm，上升和下降行程各30 mm，在ADAMS/Postprocessor模塊里經(jīng)過后處理，得到車輪定位參數(shù)仿真曲線。

其中車輪外傾角在車輪?30 mm～30 mm變化的幅度內(nèi)，當(dāng)車輪靜止時(shí)，外傾角為設(shè)定值?0.5°，前輪外傾角值從?1.7°～0.83°，相當(dāng)于浮動(dòng)了2.53°，浮動(dòng)值大，如圖2所示。

圖2 前輪外傾角變化曲線

車輪前束角如果規(guī)定兩輪往內(nèi)為正，兩輪向兩邊展開角度為負(fù)的話，有toe-in和toe-out兩種說法，過大和過小都會(huì)對(duì)輪胎產(chǎn)生磨損甚至破壞。在車輪?30 mm～30 mm變化的幅度內(nèi)，前束角角度從1.7°變化到了?2.0°，變化了3.7°，變化范圍大，如圖3所示。

圖3 前輪前束角角變化曲線

根據(jù)國內(nèi)的理論，過大的后傾角轉(zhuǎn)向推力增大，使得轉(zhuǎn)向過重，不便于操縱，過小的角度值，使得駕駛員沒有駕駛感，容易發(fā)飄，汽車容易跑偏。設(shè)計(jì)的主銷后傾角為0.1°，在車輪60 mm的上下跳動(dòng)中，角度值從0.062°變化到了0.162°，將近變化了0.1°，可以說在允許的變化內(nèi)，角度保持比較好，如圖4所示。主銷內(nèi)傾角在60 mm變化中，從9.4°變化到10.7°，變化了將近1.3°，變化范圍合理，如圖5所示。綜合以上情況，對(duì)前輪外傾角和前輪前束角進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 前輪主銷后傾角變化曲線

圖5 前輪主銷內(nèi)傾角角變化曲線

2 前懸架多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化

在Insight里面，可以設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的試驗(yàn)方案，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識(shí)，來細(xì)化和改進(jìn)模型，ADAMS/ Insight的回歸分析方法能夠估計(jì)一個(gè)響應(yīng)對(duì)另一個(gè)的影響，軟件里有重要的4種模型：二次模型、線性模型、交互模型、三次模型[1]。表達(dá)式為：

線性：A+BX1+CX2；

交互：A+BX1+CX2+DX1X2；

二次：A+BX1+CX2+DX1X2+EX12+FX22；

三次：A+BX1+CX2+DX1X2+EX12+FX22+GX1 X22+HX2X12+IX13+JX23。

2.1 前懸架ADAMS/Insight模塊優(yōu)化過程

（1）選定設(shè)計(jì)目標(biāo)。以車輪定位參數(shù)為目標(biāo)，使得它們?cè)诤侠淼姆秶鷥?nèi)。

（2）選定設(shè)計(jì)變量。由于本車采用雙橫臂獨(dú)立懸架，與車架的連接點(diǎn)方便移動(dòng)，初步選擇12個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)；為了簡化迭代模型，上橫臂的點(diǎn)比下橫臂的點(diǎn)對(duì)參數(shù)影響大，方向坐標(biāo)影響小，最終確定6個(gè)值，見表2。每一個(gè)變量設(shè)定了變化值范圍，它們均在?5 mm～5 mm內(nèi)變化，將會(huì)進(jìn)行26=64次迭代試驗(yàn)。

表2 前懸變量和變化范圍

變量名變化范圍/mm G. y208～218 G. z?155～?145 H. y208～218 H. z?155～?145 D. z72～82 E. z72～82

（3）仿真結(jié)束查看結(jié)果。該結(jié)果會(huì)顯示幾次試驗(yàn)的值，第一列代表各項(xiàng)的系數(shù)，P列代表該項(xiàng)是否重要，最后一列是對(duì)各項(xiàng)定義及標(biāo)準(zhǔn)差和T檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

（4）從網(wǎng)頁得到敏感度圖示。以車輪外傾角敏感度為例，6行數(shù)據(jù)代表了選取的硬點(diǎn)變量對(duì)于定位參數(shù)的敏感度的情況，設(shè)定好試驗(yàn)算法后執(zhí)行，生成的HTML網(wǎng)頁結(jié)果。車輪定位參數(shù)的敏感度見下圖。

圖6 前輪外傾角的敏感度

圖7 前輪前束角的敏感度

從得到的硬點(diǎn)坐標(biāo)的敏感值看出，車輪前束角受到的影響最大，其次是車輪外傾角。圖中敏感度對(duì)選定的6個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)值的影響可以看出，橫臂的方向上個(gè)別坐標(biāo)Effect達(dá)到了30%以上，上下橫臂的前端和后端的方向硬點(diǎn)變化明顯，對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化后，能夠起到明顯的效果。所以為了防止眾多數(shù)據(jù)變化后，導(dǎo)致互相抵消，選故擇方向坐標(biāo)。

表3 坐標(biāo)優(yōu)化前后值

設(shè)計(jì)變量名稱優(yōu)化前優(yōu)化后 G.z?150?145 D.z7790 H.z?150?145 E.z7790

2.2 前懸架優(yōu)化后仿真曲線對(duì)比

（1）前輪外傾角。優(yōu)化前曲線為直線，優(yōu)化前，外傾角從?1.7°到0.87°，變化值為2.57°；優(yōu)化后為虛線，從?1.4°變化到0.6°，變化了2.0°，縮小了0.5°，變化率達(dá)到了將近20%。

圖8 外傾角優(yōu)化前后對(duì)比

（2）前輪前束角。前束角在優(yōu)化的敏感度統(tǒng)計(jì)中，敏感度最高，優(yōu)化前，前束角從1.75°減少到?2.0°，變化值將近3.75°，經(jīng)過優(yōu)化后，從0.9°減少到?1.2°，變化值約為2.0°。

圖9 前束角優(yōu)化后對(duì)比

表4 前輪外傾角和前輪前束角優(yōu)化總結(jié)

優(yōu)化前/°優(yōu)化后/°評(píng)價(jià) 外傾角?1.7～0.87?1.4～0.6較好 2.52.0 前束角1.75～?2.00.9～?1.2較好 3.752.1

根據(jù)優(yōu)化后曲線對(duì)比，其中前輪外傾角和前輪前束角優(yōu)化效果較好。

3 總結(jié)

通過應(yīng)用ADAMS/CAR和ADAMS/Insight聯(lián)合仿真優(yōu)化，掌握了CAR模塊中建模的方法，學(xué)習(xí)了Insight模塊中數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法。通過多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，起到了一定效果。

后期需要對(duì)后懸架以及整車系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化性能。

[1] 石博強(qiáng).ADAMS基礎(chǔ)與工程范例教程[M].北京:中國鐵路出版社,2007.

[2] 左佳.客車前懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)優(yōu)化與整車操縱穩(wěn)定性研究[D].長沙:湖南大學(xué),2012.

Simulation and Optimization of Front Suspension Based on ADAMS

FAN Zixin, HAN Jinan, SUN Chunjiang, HU Yanlian

( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

Suspension system plays a very important role in a car, determines the vehicle handling stability and ride comfort. In order to make the preliminary design of the double wishbone independent suspension performance improved, therefore, the front suspension is optimized by multi-objective topology optimi- zation method. Firstly, established the template subsystem of front suspension system of the existing vehicle in ADMAS/CAR, the change curve of wheel positioning parameters were simulated. Then, in the ADAMS/Insight module, the design goal was wheel positioning parameter, the design variable was the front suspension hard point coordinate, depending on the sensitivity, optimized the hard point coordinates of the front suspension, curve comparison results show that the optimization is effective.

Modeling;Simulation; Multi-objective topology optimization

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U462.1

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CLC NO.:U462.1

樊紫馨，就職于陜西重型汽車有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.012