文献综述-基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析

基于章编号：1002009)02002205基于汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070)摘 要：针对某一轻型车双横臂独立悬架定位参数变化过大、轮胎磨损严重的问题，利用机械系统动力学分析软件立了双横臂独立悬架的运动学分析模型。以前轮定位参数以及前轮的侧向滑移量变化最小为优化目标。对悬架系统进行了优化计算。优化结果在一定程度上改善了悬架系统的性能对产品性能提高具有一定的指导意义。关键词：双横臂独立悬架；化设计中图分类号：3+1020前言悬架是车辆的重要组成部分，其主要任务是传递车轮与车架之间的力和力矩，并缓和冲击、衰减振动，对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性等使用性能都有很大影响。现代汽车悬架有多种结构形式，其中双横臂独立悬架是轻型汽车上常用的前悬架结构形式，只要适当选择合适的上下横臂长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性【11。目前双横臂独立悬架已广泛应用在轿车的前后悬架上，部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬架结构。以虚拟设计思想、复杂运动学和动力学基本理论方法以及拓扑技术为基础，计算机数字虚拟环境下进行的多体系统运动学和动力学的仿真分析，已经得到许多分析软件的强力支持。目前在这一领域，使用最多的产品是美国1。该软件作为虚拟样机技术平台的杰出代表，已经成为缩短产品开发周期、降低成本、提高质量的有效工具。文中借助立了双22文献标识码：用果在一定程度上提高了悬架性能。1悬架仿真模型的建立11物理模型的简化在建立悬架模型前，必须先对悬架系统进行合理的简化。从汽车动力学的角度出发，对所建的模型做如下简化和假设：前悬架为一个多刚体系统，系统每个刚体在各个方向的惯性力均为零；由于某些铰链在一些方向的力的约束真值比较小，对整车动力学的影响可以忽略不计，假设侧双横臂独立悬架空间拓扑结构示意图笠Q：2万方数据基于为零；减振器简化为线性弹簧，各运动副内的摩擦力忽略不计；轮胎简化为刚性体【3】。考虑到汽车基本上为纵向对称系统，故只需建立左边或右边的12悬架模型即可。文中建立了左侧的悬架模型。简化后双横臂独立悬架的左侧结构如图2仿真模型的建立仿真模型的建立，首先需要确定设计点的坐标。设计点是各零件之间连接处的关键几何定位点，确定设计点就是在系统坐标系中给出零件之间连接点的几何位置。模型设计点的空间位置坐标和相互关系是建立运动学模型的关键，从厂家提供的零部件装配图上可以得到设计点的坐标值。该悬架左侧设计点的坐标值如表1所示。表坐标 600 3200 13950 3950 430下横臂外支点B O O 0下横臂内支点B： 4900 800 8530O 1700转向横于i)=杆内支点C： 4350 180O 2500转向节内支点D。 200 103O 50转向节外支点2400 980 4据表图2所示。图2双横臂独立悬架仿真模型笠垃：至模型中包括：上横臂、下横臂、主销、拉臂、转向横拉杆、转向节、车轮、弹簧、测试平台等9个部件，主销与拉臂之间、转向节与主销之间以及车轮与转向节之间的3个同定副，测试平台与大地之间的1个移动副，上横臂和主销之间、下横臂和主销之间、转向拉杆和拉臂之间以及转向拉杆和大地之间的4个球副、上横臂内支点与大地之间以及下横臂内支点和大地之间的2个旋转副、车轮与测试平台之间的1个点面约束。最后，在测试平台与大地之间的移动副上添加一个直线驱动。2悬架系统运动学仿真分析首先，建立悬架定位参数的函数，包括主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角、前轮前柬角随车轮跳动的变化函数。此外，为测量轮距变化以及车轮磨损量，建立车轮侧向滑移量函数，通过侧移量的大小来反映车轮的磨损量。在本次仿真中，将建立一个虚拟激振台，设置上下激振位移为50振函数为F=5060t)，以车轮上下跳动来计算悬架跳动过程中主要性能参数的变化规律。2正常车轮跳动范围内，让车轮定位参数变化量保持在合理的范围内，能保证汽车具有良好的操作稳定性和平顺性。主销后倾角：主销后倾角能形成回正的稳定力矩，使车轮回复到原来的中间位置，保证了汽车稳定的直线行驶【4】。后倾角在车轮上下运动过程中不应出现大的变化，以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象，使操纵性能变差。另外，要求后倾角具有随车轮上跳而增加的趋势，这样可以抵消制动点头时后倾角减小的趋势。现在一般采用的0。主销内倾角：主销内倾角也有使车轮自动回正的作用，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而可以减少转向时驾驶员加在转向盘上的力，使转23万方数据基于操纵轻便，同时也可减小从转动轮传到转向盘上的冲击力。但是主销内倾角不易过大，否则，在转向时，车轮绕主销偏转的过程中，轮胎与地面间将产生较大的滑动，加速了轮胎的磨损。实际设计时，大致范围为70 13051，希望取较小数值。前轮外倾角：为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷，安装车轮时预先使车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾。同时，车轮有了外倾角也可以与拱形路面相适应。但是外倾角不易过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。一般希望车轮上下跳动50倾角的变化在束角：车轮前束角的作用主要是减少汽车前进中因前轮外倾和纵向阻力致使前轮前端向外滚开所造成的不良后果。对于汽车前轮，车轮上跳时的前束角多设计成零至弱负前束的变化。而在前轮驱动的汽车中，考虑到在制动等非驱动工况下，负前束会导致行驶稳定性恶化，一般也取一定的正前柬。比前束角取值更重要的是在汽车行驶过程中要保持前束角不变，这样有利于减少轮胎磨损和滚动阻力，保持行驶稳定性，图3为前轮定位参数随车轮跳动变化曲线图。姣毯艘辞控图3前轮定位参数随车轮跳动变化曲线图22轮距变化在独立悬架的设计中，对轮距变化的要求应尽量小，一是可以减少轮胎磨损，二是轮距变化时，使轮胎产生侧偏角，从而产生侧向力输入，使操纵稳定性发生变化，轮距变化小，车辆的操纵稳定性变化就小。一般要求车轮跳动50距变化为1004中所示，车轮跳动时，在50轮侧移量为823524董嘲篓嚣溘义 、 、 、。、 、0轮侧移量为4948见，该悬架的轮距变化在合理范围内。3悬架系统优化分析31设计变量根据悬架的空间布置及约束情况，确定设计变量为各关键设计点的坐标值，即：飘2345678【戈9，12，戈13，戈14，石15 JA h4 【曰k，曰h，2z，(X，(X，32目标函数在整车运动过程中，车轮定位参数变动过大，会加剧轮胎以及转向机件的磨损并降低整车操纵性能和其他相关性能。原则上，车轮定位参数的变化量不能太大，所以文中选择车轮的4项定位参数变化量最小为目标函数。另外，如果单纯以车轮定位参数变化量最小为目标函数，虽然优化结果达到理想的要求，但如果轮距变化过大也不是我们所期望的，除了上述4个目标函数外，再把轮距变化作为目标函数。所以文中双横臂独立悬架优化目标函数为2，尼，R，尼J，式中，只为主销后倾角随车轮跳动的变化函数；F1= k(A 1，一2A h(A 方数据基于3=l(4=k(知)车轮侧滑量的变化函数，反映轮距变化。该目标函数要求悬架的4个定位参数和轮距随车轮跳动的变化量尽可能小。33约束条件根据悬架的空间布置及约束情况，确定约束条件为各关键设计点的坐标值在有限的空间内变化，并设定每个值的变化范围在一55：1。m，1y，kAk 。，巧，A2：mh，B1：1：B2x，2y2：mB22，2y2：曲34优化仿真利用以设计复杂的试验方案，用来测定机械系统的性能，可以进行单目标或多目标优化。在该模块，文中对双横臂模型的上横臂外支点A。、内支点横臂的外支点B。、内支点B：以及转向横拉杆的内支点C：等五个坐标点的15个坐标值进行分析，根据约束条件设定的范围，选取4项前轮定位参数和轮距变化为优化目标，进行64次迭代计算，通过试验筛选，找出一个最优的试验结果。35优化结果分析在1)在车轮上下跳动50销内倾角的变化均值有所减小，这将减小转向时车轮与地面的滑动，减缓轮胎磨损；优化后的主销后倾角的范围比优化前的数值稍大，这是由于是优化后的结果依然符合设计要求；前轮外倾角优化后的范围比优化前的变化幅度减小了20，变化范围小于1。，满足设计要求；前轮前束角的变化范围有所减小，这将对车辆直线行驶的稳定性有一定的提高。优化结果如图5图9所示。优化前后数据对比如表2。(2)在车轮跳动一50滑量由原来的823534车轮跳动50滑量由原来的494866轮的侧移量由原来的1318300以优化后轮胎的磨损有一定程度的改善。表2优化前后数据对比优化前 优化后前轮定位参数变化范围 变化量 变化范围 变化量主销后倾角 2325 0008 254255 0009主销内倾角 10441 129 0856 9951108 1126前轮外倾角 O2841338 1054 0434127 0842前束角 00883 0365 0073o26 0334O疆娶霍窿州。援娶 一院J 化 后拳 化 酾车轮跳动掇5万方数据芎又献1陈家瑞汽车构造M北京：人民交通出版种1 Q。d。鼢2要登加惝基础与工程范例教程M北京：；国铁道出版社，20079 圭+3逸汽车系统动力学M北京：机械工业出版社，20057 一曼竺商双横臂独立悬架的前轮主销内倾角算法研究车工程，2005(27)：431。“，亡古f；拦第基于吉林大学学报(工学版)(34)：554558一”枞!?竺，钟绍华基于蚴的双横臂独立悬架的优化设计专用汽车，2008，10一。5收稿日期：200蠢五丽。蹬长溜辩涩万方数据基于朱晓霞， 钟绍华作者单位： 武汉理工大学汽车工程学院,湖北,武汉,430070刊名： 北