某微型电动汽车前悬架系统性能分析与优化研究

第3期2015年3月机械设计与制造MACHINERYDESIGNMANUFACTURE65某微型电动汽车前悬架系统性能分析与优化研究石晶，孙艳，李卫民1辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州121001；2辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州121001摘要应用多体系统动力学FQADAMSCAR建立某微型电动汽车前悬架仿真模型，并进行悬架性能分析研究。针对主销内倾角、前束角、磨胎半径随车轮跳动变化不理想的现象，应用ADAMSINSIGHT模块进行仿真模型的灵敏度试验分析，选定对前悬架运动特性灵敏度影响较大硬点坐标，采用DOERESPONSESURFACE控制策略拟合车轮定位参数及磨胎半径的二次响应面函数，结合MATLAB遗传算法工具箱进行硬点坐标优化。结果表明，ADAMS和MATLB遗传算法工具箱在悬架定位参数优化中的联合应用，可使前悬架具有较理想的运动特性。关键词电动汽车；前悬架优化；车轮定位参数；遗传算法中图分类号TH16文献标识码A文章编号10013997201503006504ANALYSISANDOPTIMIZATIONOFMINIELECTRICCARFRONTSUSPENSIONSHIJING，SUNYAN，LIWEIMIN1AUTOMOBILETRAFFICENGINEERINGCOLLEGE，LIAONINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，LIAONINGJINZHOU121001，CHINA；2MECHANICALENGINEERINGAUTOMATIONCOLLEGE，LIAONINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，LIAONINGJINZHOU121001，CHINAABSTRAETASIMULATIONMODELOFAMINIELECTRICCARFRONTSUSPENSIONISBUILTWITHMULTIBODYDYNAMICSOFTWAREADAMSCAR，ANDPERMANEEANALYSISHASBEENDONEINVIEWOFTHEKINGPININCLINATIONANGLE，TOEANGLEANDSCRUBRADIUSCHANGINGALONGWITHWHEELRUNOUTAREUNREASONABLE，ASENSITIVITYTESTANALYSISHASBEENDONEWITHADAMSINSIGHTMODULEANDTHEMOSTSENSITIVEHARDPOINTCOORDINATESARESELECTEDFORTHEFURTHEROPTIMIZATIONDOERESPONSESUGCACEISUSEDTOFITWHEELALIGNMENTPARAMETERSANDSCRUBRADIUSQUADRATICFUNCTION，ANDMATLABGENETICALGORITHMTOOLBOXISCOMBINEDTOOPTIMIZETHESELECTEDHARDPOINTCOORDINATESTHERESULTSSHOWEDTHATTHEADAMSANDMATLABGENETICALGORITHMTOOLBOXCOMBINEDAPPLICATIONINWHEELALIGNMENTPARAMETERSOPTIMIZATIONCANACHIEVEMOREIDEAFRONTSUSPENSIONMOVEMENTCHARACTERISTICSKEYWORDSELECTRICCAR；FRONTSUSPENSIONOPTIMIZATION；WHEELALIGNMENTPARAMETERS；GENETICALGORITHM1引言悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称1_。悬架运动特性的优劣直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性、轮胎的使用寿命等性能产生影响。依据某微型电动汽车前悬架系统的三维模型，应用ADAMSCAR建立该车前悬架仿真模型，并进行前悬架性能分析研究。由性能分析得出，在车轮跳动过程中主销内倾角、磨胎半径变化量较大，前束角变化量大且随车轮跳动变化趋势不理想，有待优化。联合应用ADAMSINSIGHT模块进行硬点坐标灵敏度试验分析、MATLAB遗传算法工具箱进行多目标优化，高效、准确地完成该微型电动汽车前悬架系统硬点坐标的优化。2麦弗逊式前悬系统性能分析该微型电动汽车的前悬架系统为麦弗逊式独立悬架系统，实体三维模型，如图1所示。麦弗逊式独立悬架系统结构简单，装配精度佳，具有较大的轮胎回转角度，且麦弗逊悬架无上摆臂，作为微型电动汽车的前悬架系统可为电动机提供较大安装空间。图1前悬架三维模型FIG1FRONTSUSPENSIONTHREEDIMENSIONALMODEL21仿真模型的建立利用实体三维模型提取建立仿真模型所需要的硬点坐标、部件质量及转动限量，在ADAMSCAR中依次完成前悬架子系统、齿轮齿条转子向系、横向稳定杆以及吊杆子系统的建立，将所建立的各子系统与ADAMSCAR的悬架试验台进行装配，完成前悬架仿真模型的搭建，如图2所示。来稿日期20140824基金项目辽宁省重点科技攻关项目2013220022作者简介石晶，1962，男，辽宁锦州人，硕士研究生，教授，硕士生导师，主要研究方向车辆系统动力学及控制石晶等某微型电动汽车前悬架系统性能分析与优化研究第3期图2前悬架仿真模型FIG2FRONTSUSPENSIONSIMULATIONMODEL22执行仿真试验在ADAMSCAR标准界面中，将前悬架仿真模型运行仿真步数为30，50MM的双轮同向跳动试验。仿真试验若想得到具有实际意义的试验数据，在执行仿真试验之前必须对仿真模型进行性能参数设定，包括实车性能参数的设定和悬架的螺旋弹簧预加载荷的标定。实车性能参数，如表1所示。表1微型电动汽车性能参数TAB1MINIELECTRICCARPERFORMANCEPARAMETERS性能参数数值轴距簧载质量空载前后轮距前后轮胎型号驱动形式质心高度空载制动力分配比23运动特性仿真结果分析主要针对前轮定位参数主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前束角、轮距和磨胎半径随车轮跳动变化的曲线进行研究分析。分析曲线在ADAMSPOSTPROCESSING模块中获取。现代轿车主销后倾角设计值是310。25，该车主销后倾角随车轮跳动曲线的变化范围为308319。，如图3所示。主销后倾角随车轮跳动变化范围满足理想设计要求，且变化量较少，可保证在前轮受到外力冲击稍有偏转时，形成稳定的回正力矩，使汽车保持稳定直线行驶。，J303簦；一504O3U一20一L】0LJ20_3I】4O50车轮跳动量MM图3主销后倾角随车轮跳动变化曲线FIG3CASTERANGLEWHEELTRAVELCURVE主销内倾角的设计值一般控制在312。的范围内，一般取其较大值，较大的主销内倾角可使转向轻便，也可减少转向盘上的冲击力。主销内倾角的变化范围为110513O，如图4所示。变化过大，过大的主销内倾角，不仅不会降低悬架纵向力敏感性，减少转向盘上的冲击力，而且会增大轮胎与路面间的滑动，使转向变沉重，加速轮胎的磨损。外倾角对车辆稳定直线行驶具有很大影响，取值范围一般在1。左右。外倾角的变化范围是一059057。，变化范围较小，较小的变化范围将使轮胎磨损均匀、减轻轮毂外轴的负荷，如图5所示。娶长征35302520151O055O4O一30201001020304050车轮跳动量MM图4主销内倾角随车轮跳动变化曲线FIG4KINGPININCLINATIONANGLEWHEELTRAVELO604己020OO2040650403020一L00LO2030405O车轮跳动量MM图5外倾角随车轮跳动变化曲线FIG5CAMBERANGLEWHEELTRAVELCURVE前束角是汽车悬架设计中的一个重要参数，一般设计成0或弱负值，如图6所示。前束角变化范围为一1380988O，不仅变量较大，且在随车轮上跳行程中为正值，下跳过程中为负值，这样的变换趋势易使汽车具有过多转向，不利于汽车行驶的稳定性，有待进一步优化。151OO05O0J盂一051015一U4U3020一L00L【2U3U405U车轮跳动量MM图6前束角随车轮跳动变化曲线FIG6TOEANGLEWHEELTRAVELCURVE在车轮跳动50MM的过程中，轮距变化一般控制在10RAM左右，如图7所示。轮距的变化范围为123843125302MM，基本满足设计要求。较小的轮距变化范围，在汽车行驶过程中的变化，有利于提高汽车操纵稳定性，增长轮胎的使用寿命。150403O一2O一100102O3O4O50车轮跳动量MM图7轮距随车轮跳动变化曲线FIG7TOTALTRACKWHEELTRAVELCURVE240，235230225垂220越21521O504O3020100102O3O405O车轮跳动量MM图8磨胎半径随车轮跳动变化曲线FIG8SEMBRIDUSWHEELTRAVELCURVERR；QM佩加爪沽一NO3MAR2015机械设计与制造67磨胎半径是悬架设计中的最重要参数之一，如图8所示。前悬架设计的主要目标之一就是减小磨胎半径，因为磨胎半径的存在，会导致纵向力转向，但磨胎半径的适度设置，会使汽车驱动、制动过程中具有较好的稳定性。前悬架磨胎半径一般设计在一1820MM之间。由图8可以看出，磨胎半径的变化范围为21102344MM，数值较大，说明驱动、制动过程中稳定性不好，有待进一步优化。3灵敏度分析及优化变量的确定由前边性能分析可以看出，悬架的主销内倾角、前束角、磨胎半径三个参数随车轮跳动的变化曲线不理想，有待进步优化。在ADAMS_INSIGHT模块设定这三个参数为灵敏度测试对象，由师傅经验得知，悬架的下控制臂球头销IEA_OUTER、IEAFRONT和后点LEA_REAR，以及转向横拉杆外支点TIERODOUTER与内支点TIEROD_INNER五点额坐标对悬架性能特性影响较大。因此，确定这五点的X,YZ坐标，即L5个坐标点为灵敏度试验的变量，并进行悬架硬点灵敏度试验分析。试验分析的结果以网页的形式打开，各变量对测试对象的灵敏度，如表2表4所示。表2试验变量对前束角的影响TAB2THEEFFECTSOFVARIABLESONTOEANGLE表2列出了在葺轮瞎中，叉捐竦角影响灵蛆大于8的硬点坐标。由表1知，在车轮跳动过程中转向横拉杆内支点的Z坐标TIEROD_INNERZ、外支的、Z坐标TIEROD_OUTERX、TIERODOUTERZ，以及下控制臂前点的Z坐标IEA_FRONTZ和下控制臂球头销的、Z坐标ICA_OUTERX、ICA_OUTERZ对于前束角的影向较大。表3列出了在车轮跳动过程中，对主销内倾角影响灵敏度大于1的硬点坐标。在车轮跳动过程中下控制臂球头销的Y、Z坐标ICA_OUTERY、ICA_OUTERZ和下控制臂前点的Z坐标ICA_FRONTZ对于主销内倾角的影响较大。由灵敏度试验结果得出，在车轮跳动过程中只有下控制臂球头销的Y、Z坐标ICA_OUTERY、ICA_OUTERZ对磨胎半径有影响，如表3所示。表3试验变量对主销内倾角的影响TAB3THEEFFECTSOFVARIABLESONKINGPININCLINATIONANGLE表4试验变量对磨胎半径的影响TAB4THEEFFECTSOFVARIABLESONSCRUBRADIUS综合表2表4，指定转向横拉杆内支点、下控制臂前点的Z坐标，转向横拉杆外支点、Z坐标以及下控制臂球头销的、L，、Z坐标，总计7个坐标点为后续优化工作中的优化变量。硬点坐标对应的变量名称，如表5所示。表5硬点名称和优化变量对照表TAB5THEEFFECTSOFVARIABLESONTOEANGLE优化变量写成矩阵形式为X2X3X4X5X6X7】4悬架定位参数优化设计优化变量与响应Y的关系可用式1表示Y_FX，1其中，响应函数_厂的形式是未知的，ADAMSINSIGHT中使用的考虑交互效应和二次效应的响应曲面二次模型可表示如式2所示KKYFLO屈2I1IIJ式中一常数项；一编码变量她的斜率或线性效应；卢筏与之间的线性交互效应；，二次效应。利用上述7个优化变量，拟合四个车轮定位参数以及磨胎半径的响应曲面函数。41响应曲面函数的拟合在ADAMSINSIGHT中根据仿真过程中定位参数及磨胎半径随车轮跳动变化的数据，采用DOERESPONSESURFACE研究策略，全变量的设计类型，以二次函数形式依次拟合四个车轮定位参数以及磨胎半径的响应曲面函数。前束角响应曲面函数的拟合结果为A05228413621X10L079496X396356X10418414X10783936X10245795X105734I442024931X590232X10275L575455X1015LX70OL8171XL229053X10X3492338X10543511003X102483713411X1023017212X216833X10X4X716182X10，X40001552500047954X2X525629L023，1838710一，468141015X57819LO74234588X1042438X10一；10739X10一45经检验拟合结果的多重相关系数R09999，多重样本相关修正系数为尺O9995，表明拟合效果不错，该拟合函数可以较好地描述目标函数。和R介于O1之间越大越好口。只对前束角响应曲面函数A做详细介绍，主销内倾角、磨胎半径、外倾角、后倾角的响应曲面函数B、C、D、E不依次列出。42前悬架车轮定位参数优化以前束角、主销内倾角、磨胎半径的响应曲面函数为优化目标，外倾角、后倾角的响应曲面函数为优化过程中的限制条件，运用MATLAB遗传算法工具箱，完成悬架定位参数的优化。遗传算法选用英国设菲尔德大学推出的基于MATLAB遗机械设计与制造NO3MAR20L5传算法工具箱的多目标优化方法，优化变量的变化范围为硬点坐标的数值上下变化10RAM。遗传算法GA呢以自然选择和遗传理论为基础的一种高效、并行、全局搜索，并自适应地控制搜索过程以求得最优解的方法。运用MATLAB遗传算法工具箱设定优化目标函数的最小值的获取为优化条件，保证条件限制函数值在设计范围中为限制条件，执行种群中个体数目为100，最大遗传代数为200，代沟为09的遗传算法优化过程。优化过程中，优化目标前束角函数的权重为04，主销内倾角、磨胎半径函数的权重均为03，完成车轮定位参数硬点坐标的优化。优化前与优化后曲线对比，如图9所示。32O一318316晕31431231O娶据H一504O一3O一2O一11OL】2O304O5O车轮跳动量MMA一50_403020一L】OL】2O304050车轮跳动量MMBO6O402墨O0去一O2一O4O6谣J盂巨巨制一504O一30_20一L】O1】20304050车轮跳动量MMC车轮跳动量MMD车轮跳动量MME车轮跳动量MIL1F图9优化前后曲线对比FIG9OPTIMIZATIONBEFOREANDAFTERCURVECOMPARISON优化结束后，主销内倾角随车轮跳动的变化范围由110513。变为10231182。，前束角的变化范围由一1380988。变为0093601649。且变化趋势符合不足转向要求，磨胎半径的变化范围由211O23A4MM变为17871943MM，优化目标均满足条件要求。而且外倾角随车轮跳动的变化范围由0594357。变为一049041O，轮距的变化范围由123843125302MM变为124198125264RAM，也得到了一定的提升，主销后倾角随车轮跳动的变化范围由308319。变为3113201O，略有增大，但仍在设计条件范围内。综上，利用ADAMSINSIGHT和遗传算法工具箱的联合应用较好地满足了车轮定位参数的优化设计。5结论1应用ADAMSCAR完成该微型电动汽车前悬架仿真模型的建立，可以准确获取该悬架系统的运动特性，为后续研发提供仿真依据。2优化完后的悬架系统的位参数、磨胎半径以及轮距随车轮跳动变化更为理想，具有理想定位参数跟磨胎半径的汽车具有较好的行驶、制动稳定性。3ADAMSINSIGHT的硬点坐标灵敏度试验与遗传算法的多目标优化在悬架标优化过程中的联合应用，既减少单独使用ADAMSINSIGHT优化过程的多次修改，反复迭代所需要的大量占机时间，又可避免优化算法独立应用带来的变量数目过多现象，可以高效、准确地得到较理想的优化效果。参考文献1余志生汽车理论M北京机械工业出社，2009203209YUZHISHENGTHEORY0FAUT0M0BIKM，BERINGCHINAMACHINEPRESS，20092032092丁亚康，翟润国，井绪文基于ADAMSINSIGHT的汽车悬架定位参数优化设计J汽车技术，201153336DINGYAKANG，ZHAIRUNGUOJINGXUWENOPTIMIZATIONOFALIGNMENTPARAMETERSOFAUTOMOTIVESUSPENSIONBASEDONADAMSINSIGHTJJ_JOURNALOFAUTOMOBILETECHNOLOGY，2011533363唐应时，朱位字，朱彪基于轮胎磨损的悬架与转向系统硬点优化J_汽车工程，20137640644TANGYINGSHI，ZHUWEIYU，ZHUBIAOHARDPOINTSOPTIMIZATIONOFSUSPENSIONANDSTEERINGSYSTEMSBASEDONTIREWEARJAUTOMOTIVEENGINEERING，201376406454秦伟，耿庆松，黄勇刚某车型麦弗逊转向悬架分析和优化设计J农业机械学报，201410下转第72页72机械设计与制造NO3MAUR2015度增大，变化趋势相同；指数变大时，中弧线变低、厚度减小，变化趋势相反；1COS0项的指数显著影响前端，1COS0项的指数显著影响后端。掌握了这个简单规律就方便了对常数的赋值，以便生成预期形状的翼型，或者方便对现有翼型形状的逼近。最后需要说明的是，目的是为翼型设计人员提供一种翼型生成方法，可能生成性能很好的翼型，也可能生成性能很差的翼型，建议在设计过程中使用PROFILI等软件不断地对所生成翼型的性能进行检验以优化设计。5结论1儒科夫斯基翼型型线表达式可简化为中弧线一厚度函数表示的解析式，其结构简单且几何意义明确，适合表达翼型形状。2可通过增加厚度函数项的方式得到后缘光滑翼型非尖后缘翼型。3一些简单翼型可用一个单闭参数公式表达；复杂翼型可用上、下型线公式分别表达。4按规律对翼型函数中的常数赋值，可以方便地生成预期形状的翼型图像，或逼近已有翼型形状。参考文献L1JTRAY，HMTSAISWARMALGORITHMFORSINGLEANDMULTIOBJECTIVEAIRFOILDESIGNOPTINFIZATINNJAIAAJOURNAL，2004，4223663732DAVIDWZ，TIMOTHYML，LASLODIMPROVEMENTSTOANEWTONKRYLOVADJOINTALGORITHMFORAERODYNAMICOPTIMIZATIONCAIAA20054857，17THAIAACOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSCONFERENCE，200513JRAYMONDMHICKS，PRESTONAHENNEWINGDESIGNBYNUMERICALOPTIMIZATIONJJOURNALOFAIRCRAFT，1978154074124刘周，朱自强，付鸿雁高升阻比翼型的设计J1_空气动力学学报，200422044LO415LIUZHOU，ZHUZIQIANG，FUHONGYANDESIGNOFAIRFOILWITHHIGHRATIOOFLIFLOVERDRAGJACTAAERODYNAMICASINICA，2004，2244104155陈进，张石强，EECENPJ风力机翼型参数化表达及收敛特性J_丰几械工程学报，2010，4610132138CHENJIN，ZHANGSHIQIANG，EECENPJPARAMETRICREPRESENTATIONANDCONVERGENCEOFWINDTURBINEAIRFOILSJJOURNALOFMECHANICALENGINEERING，2010，46101321386陈进，张石强，庞晓平风力机专用翼型设计方法及风力机专用翼型中国，2009101912757P20120815CHENJIN，ZHANGSHIQIANG，PANGXIAOPINGMETHODFORDESIGNINGSPECIALWINDTURBINEAIRFOILPROFILEANDSPECIALWINDTURBINEAIRFOILPROFILECHINA，2009101912757P20120815I7JHAIBOJIANG，ZHONGQINGCHENG，YUNPENGZHAOFUNCTIONAIRFOILANDITSPRESSUREDISTRIBUTIONANDLIFTCOEFFICIENTCALCULATIONJAPPLIEDMECHANICSANDMATERIALS，20133283513568董曾南，章梓雄非粘性流体力学M北京清华大学出版社，2003264266DONGZENGNAN，ZHANGZIXIONGINCOMPRESSIBLEFLUIDMECHANICSMBEIJINGTSINGHUAUNIVERSITYPRESS，2003264266I9JBJORKACOORDINATESANDCALCULATIONSFORTHEFFAW1一XXX，FFAW2一XXXANDFFAW3XXXSERIESOFAIRFOILSFORHORIZONTALAXISWINDTURBINESRSTOCKHOLMTHEAERONAUTICALRESEARCHINSTITUTEOFSWEDEN，19901O姜海波，程忠庆，李艳茹用解析函数表示的翼型及其生成方法J_发明专利公报，2013，2924JIANGHAIBO，CHENGZHONGQING，LIYANRNAIRFOILSECTIONREPRESENTEDBYANALYTICFUNCTIONSANDGENERATIONMETHODJOFFICIALGAZETTEFORAPATENTFORINVENTION，2013，292411姜海波，赵云鹏基于中弧线一厚度函数的翼型形状解析构造法JL_图学学报，2013，3415O_54JIANGHAIBO，ZHAOYUNPENGANALYTICFUNCTIONEXPRESSIONMETHODOFAIRFOILPROFILESHAPEBASEDONAMEANCAMBERRUNETIONANDATHICKNESSFUNCTIONJJOURNALOFGRAPHICS，2013，34150_54上接第68页QINWEI，GENGQINGSONG，HUANGYONGGANGANALYSISANDOPTIMIZATIONOFMACPHERSONSTEERINGSUSPENSIONJJJOURNALOFAGRICULTURALMACHINERY2O14105林袷廷汽车悬架系统简介EBOLHTTPWWWDOC88COMP一7095412329076HTMLINYOURINGBRIEFINTRODUCTIONOFAUTOMOTIVESUSPENSIONSYSTEMEBOL；HTTPWWWDOC88COMP一7095412329076HTM6龚侃，何天明，陈超基于遗传算法的汽车悬架仿真与优化设计J武汉理工大学学报，2012，3433L33L6GONGKAN，HETIAN