（光学工程专业论文）某轿车多连杆前后悬架优化设计与整车操纵稳定性分析.pdf

硕l j 学位论文 摘要 操纵稳定性是汽车的主要性能之一，悬架k & c 特性对操纵稳定性有重要影 响。本文结合国内某款新车型底盘调校项目，针对悬架硬点坐标、衬套刚度与悬 架k & c 特性的关系以及其对整车操纵稳定性的影响展开研究。 利用吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室自主研发的悬架k & c 特性试验 台进行了对标车前、后悬架k & c 特性试验。在a d a m s c a r 模块里，建立了目标 车前悬架、后悬架模型。并以对标车的k & c 特性曲线的斜率为目标，在i n s i g h t 模块对目标车前、后悬架硬点进行整体灵敏度分析。根据灵敏度分析结果，选择 对整车操作稳定性影响较大的前束角、外倾角以及对轮胎磨损程度影响较大的轮 距和轴距四个参数为设计目标，选取较为较为灵敏的硬点进行优化。通过调整悬 架硬点的方法，达到使目标车与对标车k & c 特性曲线基本吻合的目的。 经硬点优化后，前悬架k & c 特性曲线与对标车吻合度比较高。而后悬架有待 进一步优化。从弹性运动学角度出发，研究衬套刚度对悬架k & c 特性的影响。在 a d a m s i n s i 曲t 模块对后悬架9 个衬套的5 4 个刚度进行整体灵敏度分析。根据灵敏 度分析结果，选择对前束角、外倾角以及轮距和轴距四个参数为设计目标，选取 对设计目标影响较大的衬套刚度进行优化。优化后发现前束角、外倾角、轮距、 轴距的变化范围均得到了一定程度上的改善。其中前束角的改善程度最高。 在c a r s i m 软件内，建立目标车优化前后整车模型。按照国家标准的要求，对 优化前后的整车模型进行操作稳定性试验。并参照汽车操纵稳定性指标限值与 评价方法对仿真结果进行评价计分，根据评分结果和试验数据的对比，可以看 出优化后目标车的操纵稳定性能各项指标均略高于优化前，并且在一定程度上减 少了轮胎磨损。 通过本文的研究，为悬架系统的设计提供了的参考依据，对现代的汽车底盘 调校、悬架的设计开发和性能评价有重要的指导意义。 关键词：悬架系统；k & c 特性；灵敏度分析：悬架优化；操纵稳定性 某轿车多连杆前后悬架优化设汁j 整下操纵稳定件分析 a b s t l a c t v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yi so n eo ft h em a i np e r f o m a n c e ，s u s p e n s i o nk & c c h a r a c t e r i s t i c sh a v eam a j o ri m p a c to nt h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y 1 nt h i sp a p e r ，n e w m o d e l so fd o m e s t i cc h a s s i st u n i n go fap r o j e c tf o rt h es u s p e n s i o nh a r dp o i n t s ， c o o r d i n a t e s ，a n dt h es u s p e n s i o nb u s h i n gs t i f 弛e s sc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nk & ca sw e l la sv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fi t ss t u d yo ft h ee h b c t s u s eo fj i l i nu n i v e r s i t y ，s t a t ek e yl a b o r a t o r yo fa u t o m o b i l ed y n a m i cs i m u l a t i o n o fs e l f - d e v e l o p e ds u s p e n s i o nk & cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s tb e n c ho nt h es t a n d a r d f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o nk & cp e r f o 珊a n c et e s t 1 na d a m s c a rm o d u l e ，t h e e s t a b l i s h m e n to fat a 唱e tv e h i c l ef r o n ts u s p e n s i o n ，r e a rs u s p e n s i o nm o d e l a n di n m a r k e dc a r so nt h ek & cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es l o p ea st h eg o a l ，i nt h ea d a m s i n s i g h t ， t h et a r g e tv e h i c l eb e f l o r ea n da f t e rt h es u s p e n s i o nh a r dp o i n t si nt h eo v e r a l ls e n s i t i v i t y a n a l y s i s a c c o r d i n gt os e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，t h ec h o i c eo fv e h i c l eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo f t h el a r g e rt o ea n g l e ，c a m b e ra n dt i r ew e a ro nt h et r e a da n dw h e e l b a s ei n n u e n t i a lf o u r p a r a m e t e r sf o rt h ed e s i g no b j e c t i v e s ，s e l e c tt h em o r es e n s i t i v et h em o r eh a r ds p o t o p t i m i z e d b ya d j u s t i n g t h es u s p e n s i o nh a r d p o i n t sm e t h o d ，t oa c h i e v et h et a r g e t v e h i c l ew i t ht h es t a n d a r dc a rk & cc h a r a c t e r i s t i c sc u r v en tt h ep u r p o s e t h eh a r d - p o i n to p t i m i z a t i o n ，t h ef r o n ts u s p e n s i o nk & cc h a r a c t e r i s t i cc u r v ew i t h t h eh i g h e rd e g r e eo fs t a n d a r dv e h i c l ef i t t h e ns u s p e n s i o nt ob ef u r t h e ro p t i m i z e d f r o mt h ee l a s t i ck i n e m a t i c sp o i n to fv i e wo fb u s h i n gs t i e s so ft h es u s p e n s i o nk & c p r o p e r t i e s i na d a m s i n s i g h t ，9o nt h er e a rs u s p e n s i o nb u s h i n gs t if f n e s so f 5 4o v e r a l l s e n s i t i v i t ya n a l y s i s a c c o r d i n gt os e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，t h es e l e c t i o no ft h et o ea n g l e ， c a m b e ra n g l ea n dt r e a da n dw h e e l b a s ef o u rp a r a m e t e r sa sd e s i g no b j e c t i v e s ，s e l e c ta g r e a t e ri m p a c to nt h ed e s i g ng o a l so fb u s h i n gs t i f | n e s so p t i m i z a t i o n o p t i m i z e dp r i o r t ot h ed i s c o v e r yb e a ma n 9 1 e ，c a m b e r ，t r e a d ，w h e e l b a s er a n g eo fv a r i a t i o na r et oa c e n a i nd e g r e eo fi m p r o v e m e n t t o ea n g l ew h i c ht h eh i g h e s td e g r e eo fi m p r o v e m e n t i n c a r s i m ， t h ee s t a b l i s h m e n to fat a r g e tv e h i c l em o d e lb e f o r ea n da r e r o p t i m i z a t i o n i na c c o r d a n c ew i t hn a t i o n a ls t a n d a r d s ，o nt h ev e h i c l em o d e lb e f o r ea n d a f t e ro p t i m i z a t i o no ft h eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t yt e s t a n dw i t hr e f e r e n c et o ”l i m i tv e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yi n d i c a t o r sa n de v a l u a t i o nm e t h o d s t oe v a l u a t et h er e s u l t so f t h e s i m u l a t i o np o i n t s ，t h eo p t i m a ih a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo ft a r g e tv e h i c l e ss l i g h t l yh i g h e r t h a nt h a tb e f o r eo p t i m i z a t i o n ，a n dt os o m ee x t e n t ，r e d u c et i r ew e a r i i l 硕l 学位论文 t h r o u g ht h i sr e s e a r c h ，t h es u s p e n s i o ns y s t e mp r o v i d e sar e f - e r e n c ef o rt h ed e s i g n o fm o d e mc a rc h a s s i st u n i n g ， s u s p e n s i o nd e s i g n ，d e v e l o p m e n ta n dp e r f b n n a n c e e v a l u a t i o nh a v ei m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ： s u s p e n s i o ns y s t e m ； k & cc h a r a c t e r i s t i c s ； s e n s i t i v i t ya n a i y s i s ； s u s p e n s i o no p t i m i z a t i o n ；o p e r a t i o n a ls t a b i l i t y l v 硕i ：学位论文 1 1 引言 第l 章绪论 随着世界经济的迅速发展，人们的生活水平和生活质量同益提高，汽车开始 在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。由此导致有两方面问题表现越来 越突出：一方面，人们对汽车的乘坐平顺性性、操纵稳定性及乘坐舒适性的要求 越来越高；另一方面，交通业呈现出了汽车集中化和高速化的趋势，从而导致交 通事故越来越频繁的发生，因此，如何设计具有良好的操纵稳定性的汽车，受到 各个汽车企业和设计人员的关注和重视。 影响操纵稳定性的因素有很多，其中悬架系统是对汽车操纵稳定性影响较大 的一个方面。悬架能保证车轮或车桥与汽车承载系统之间具有弹性连接，并具有 传递载荷、缓和载荷带来的冲击、衰减因此引起的振动以及调整汽车行驶中汽车 的姿态等功能。汽车转向时，由于悬架的影响会产生左右载荷转移，车轮跳动或 车身侧倾时车轮定位参数的变化以及悬架与转向杆系的运动干涉等都会影响汽车 的操纵稳定性。因此，通过优化悬架参数来改善汽车的操纵稳定性是工程实际中 常用的一种方法i lj 。 在底盘调校和整车性能分析中，悬架运动学与弹性运动学是需要分析与优化 的重点内容之一。悬架运动学( k i n e m a t i c s ，下文简称k 特性) 定义为车轮在弹簧 变形过程中和转向时的运动。悬架弹性运动学( c o m p l i a n c e ，下文简称c 特性) 定 义为因受到车轮和路面之间的力和力矩的影响导致的车轮定位参数的变化，二者 统称为悬架运动学与弹性运动学( k i n e m a t i c s & c o m p l i a n c e ，下文简称k & c 特性) 。 悬架k & c 特性与整车的操纵稳定性、平顺性等性能都有着直接的影响，悬架k & c 特性的研究和分析能为悬架的合理设计、整车性能的调校优化、整车n v h 特性与 操纵稳定性矛盾的解决提供重要的理论指导及试验依据【2 l 。因而，也是汽车新车 型开发中需要解决的非常重要和关键的实际工程问题之一。 对标车选用的是中外合资生产的一部高档轿车，该车因为优雅大气的外形、 超强的动力、高级的配置、舒适的内部乘坐环境以及优越的操纵稳定性等优 点得到很高的社会认可度。对标车采用的是四连杆式前悬架，能从各个方向精 确地控制车轮的跳动，并且车轮上下跳动时，车轮定位的参数不会发生较大变化， 保证了操纵稳定性。后悬架采用扭转梁式半独立悬架，占用的空间较小，制造成 本低，在行驶过程中外倾角变化很小，在一定程度上减少了轮胎的磨损。 为了得到对标车前、后悬架的k & c 特性，首先要在悬架k & c 特性试验台上对 某轿车多连杆前后悬架优化设计与整下探纵稳定性分析 对标车前悬架和后悬架进行k & c 特性试验，然后以对标车的k & c 特性为目标值， 通过对悬架硬点坐标及衬套刚度等参数的优化，使得优化后的悬架k & c 特性与对 标车的k & c 特性基本一致，达到优化整车性能的目的。通过分析悬架硬点坐标、 衬套刚度以及悬架k & c 特性对整车操纵稳定性的影响这种方法，为悬架的改进设 计以及底盘调校奠定基础。最后，在c a r s i m 软件内依据前后悬架k & c 特性的区别 分别建立了目标车优化前、优化后的整车模型，按照国家标准，对优化前后的整 车模型进行操纵稳定性仿真试验与分析，参照国标中的汽车操纵稳定性指标限值 与评价方法对优化前后的整车模型进行评价计分。 1 2 操纵稳定性简介 1 2 1 操纵稳定性概念 汽车操纵稳定性是汽车的重要性能之一，操纵稳定性指的是在驾驶员不感到 过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向 行驶，并且当受到到外界干扰时，汽车能抵抗干扰保持稳定行驶的能力。通常认 为由相互联系的两部分组成：操纵性和稳定性。操纵性是指汽车能够准确的响应 驾驶员转向指令的能力。稳定性是指汽车受到外界影响后恢复原来运动状态的能 力。两者密切相连很难分开。稳定性好坏将会直接影响操纵性的优劣。因此经常 把它们合在一起通称为操纵稳定性【3 l 。 操纵稳定性不仅影响汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全 行驶的一个主要性能。随着道路条件的不断改善，汽车在道路上的行驶速度也不 断提高。因此汽车的高速操纵稳定性r 益受到人们的重视，如何研究和评价汽车 的操纵稳定性，以获得良好的汽车主动安全性也成为一个非常重要的课题f 4 】。 1 2 2 国内外研究历史与现状 2 0 世纪3 0 年代，国外的一些汽车研究机构才开始对汽车的操纵稳定性进行研 究，但5 0 年代以后发展速度较快。1 9 5 6 年，c o r n e l la e r o n a u t i c a l 实验室的w i l l i a mf m i l l i k e n 等人在国外的期刊上发表了一篇关于汽车操纵稳定性的理论和分析方法 的文章，文中很多经典的理论至今仍被人们用在汽车操纵稳定性研究上。1 9 6 1 年 m a i r t i ng o l a n d 和f r e d e r i c kj i n d r a 用两自由度模型对四轮汽车的操纵性和稳定性进 行了研究。他们用侧倾自由度来模拟轮胎上的垂直载荷，在考虑轮胎载荷转移的 情况下，分析了轮胎的力学特性随着轮胎载荷的变化情况。分析结果表明汽车的 操纵稳定性随着整车质心的变化而变化，并且轮胎受到的压力和轮胎宽度也随之 发生变化。1 9 6 7 年，通用公司的r t h o m a sb u n d o r f 发表论文中分析了汽车各设计参 数、不足转向度、车速间的关系，并提出预测和实际测量汽车的不足转向特性的 方法1 4 引。 2 硕f j 学位论文 八十年代初，各国汽车研究人员基于从理论和试验两方面的考虑，开始重新 更迸一步地研究人一车闭环系统。在理论方面，充分地考虑到人的适应能力和学 习能力，建立了大量的确定性驾驶员方向控制模型，在给定路径的情况下有效地 仿真了人一车闭环系统的跟随过程。在试验方面，考虑到驾驶员模型的进展程度 不能满足主动安全性闭环设计的要求，以及安全试验设计方法只能在样车试制后 采用并容易受自然条件限制等缺陷，研制了开发型驾驶模拟器。这种驾驶模拟器 采用了先进技术，将现实中的驾驶员和模型化的汽车相结合，运用计算机仿真技 术取代了场地试验，极大地缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设 计要求之间的矛盾。九十年代以后，利用开发型驾驶模拟器进行人一车闭环系统 主动安全性研究，来改进汽车运动性能开始成为国际上汽车的主要的研究方向之 一。1 9 9 1 年日本马自达汽车公司开发出运动车型开发型驾驶员模拟器。1 9 9 3 年美 国的福特汽车公司也成功研制出了开发型驾驶员模拟器【5 6 ，7 1 。 我国是从七十年代初才开始研究汽车的操纵稳定性。各个汽车企业和汽车研 究团队都从自己的需要出发，进行了汽车操纵稳定性的试验和分析研究。在汽 车操纵动力学书中，郭孔辉院士给出了汽车操纵稳定性的明确定义，讲述了几 种常见的操纵稳定性试验方法及评价方法，并讨论了各设计参数对汽车操纵稳定 性的影响，得到了国内外一些汽车企业的一致认可，并在工程实际中得到了广泛 应用f 引。 9 0 年代初期，吉林大学的林逸教授等人从弹性运动学角度出发先后在国内外 的期刊杂志上发表文章讲述了橡胶组件的基本性能，重点分析了独立悬架中橡胶 组件对汽车操纵稳定性和平顺性的影响。并提出了处理弹性问题的一般思路和方 法，为以国内关于弹性运动学的研究奠定了理论基础和前进的方向【4 9 1 。近几年来， 吉林大学、清华大学、上海同济大学、湖南大学等高校都与自己的项目相结合， 在不同程度上开展了关于汽车操纵稳定性的研究。 1 2 3 操纵稳定性试验以及评价方法 目前，国内外的一些汽车企业和研究团队都从各自的需要出发采用的操纵稳 定性试验评价方法，种类繁多，并没有一个统一的标准。本文在此仅列举一些有 代表性的、常用的试验方法1 3 ，8 ，9 ，1 0 ，川： ( 一) 角阶跃试验 当汽车匀速直线行驶时，突然将方向盘转过一定角度，并固定不变，使汽车 进入圆周运动状态，在这个过程中记录下汽车的横摆角速度、方向盘转角、车身 侧倾角、侧向加速度等参数的变化过程。 ( 二) 角脉冲试验 与角阶跃试验唯一的区别在于方向盘转角输入的不再是阶跃的，而是一个三 3 某轿车多连杆前后悬架优化设计j 整下操纵稳定性分析 角脉冲。这个试验一般用来分析分析输入和输出响应频率特性的。 ( 三) 正弦角输入试验 与前两种试验不同之处在于将方向盘角输入波形改为正弦波形。 ( 四) 回正性试验 汽车在匀速圆周运动状态下，稳定后突然松开方向盘，这个试验主要用来研 究汽车能否恢复到直线行驶状态。 ( 五) 撒手稳定性试验 汽车以一定车速直线行驶，突然转动转向盘并立即撒手。这个试验的主要评 价指标是横摆角速度的自然频率和衰减频率。 ( 六) 蛇形穿杆试验 汽车穿过按蛇形设置的标杆，穿过时间越短就说明汽车的蛇形穿杆能力越强。 ( 七) 8 字形行驶试验 汽车沿固定的8 字形跑道做匀速行驶，在此过程中记录方向盘力、方向盘转角、 横摆角速度及向心加速度等参数。 ( 八) 稳态圆周试验 稳态回转试验的研究，是对汽车操纵稳定性研究中的一个及其重要的方面。 我国国家标准g b 6 3 2 6 3 6 8 6 中，明确规定稳态回转试验不合格的车辆，其操纵稳定 性的总评价为不合格。该试验主要是固定转向盘转角连续加速，其主要目的是得 到汽车的转弯半径、前后轴的侧偏角差值、侧倾角等动态行驶参数与侧向加速度 的关系，并据此来确定汽车的稳态转向特性。 虽然各国操纵稳定性试验方法各种各样，尚未达成一致，但是国内外一致认 可的汽车操纵稳定性的评价方法主要分为两种：开环方法和闭环方法。开环方法 是把汽车本身看作一个控制系统，按照对控制系统操纵性、稳定性和瞬态响应特 性等性能的一般要求，来分析与研究汽车的运动特性的方法l 5 1j 。开环系统如图1 1 所示。 输出 - - _ - _ _ _ - 卜 图1 1 开环系统 一个汽车操纵稳定性的好坏，不仅与汽车本身有关，还受驾驶员和道路交通 环境等其它因素的影响。闭环方法是把汽车作为驾驶员一汽车一环境闭环系统的 被控环节，根据整个系统的特性进行评价的方法1 5 1 1 。驾驶员一汽车一环境闭环系 统如图1 2 所示。 4 硕j j 学化论文 侧向风 路面不平 驾驶员感知的汽车运动 图1 2 驾驶员一车一环境闭环系统 6 0 年代前采用的评价方法大多是开环方法，即根据汽车的稳态和瞬态分析， 使用不足一过多转向特性和转向输入的阶跃响应特性，来对汽车的操纵性进行评 价。但是，在工程实际中开环方法很难直接应用。7 0 年代中期以后，研究人员开 始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉， 进行主观评价瞵j 。主观评价方法虽然没有理论的指导，由于考虑了驾驶员因素和道 路环境，所以在一定程度上体现了闭环方法的思想。但由于对汽车的瞬态响应等 特性的主、客观评价不一致，因此并没有得到推广。8 0 年代初，人们从理论和实 验两个方面着手，重新开始深入地研究驾驶员一车辆一道路闭环系统。在理论方 面，考虑到人的学习性和适应性，建立了确定性驾驶员方向控制模型，成功仿真 了驾驶员一车辆一道路闭环系统。在实验方面还研制出了驾驶员模拟器【1 0 ，5 1 1 。 1 3 悬架k & c 特性试验 在现在国内的新车型开发中，一般采用逆向设计的方法。即首先在几款同类 车型中，选择一款操纵稳定性、舒适性、主动安全性等综合性能都比较优越的车 来做对标车。然后以对标车的k & c 特性为目标来调整目标车悬架k & c 特性。为了 得到对标车的k & c 特性，首先必须对对标车进行k & c 特性试验f 1 4 ，”】。 汽车悬架k & c 特性试验方法：首先将车身固定，在轮胎接地处单独施加位移 或者力时，测量悬架的运动学特性及弹性运动学特性。 目前国内外汽车行业所应用的汽车悬架k & c 特性试验台主要可分为两种： 种是两轴k & c 试验台；另一种是单轴k & c 试验台。两轴试验台可以同时对汽车的 前悬架和后悬架进行k & c 特性试验，能够对整车悬架系统的k & c 特性进行比较完 整的试验和分析。单轴试验台只能对汽车的前悬架或后悬架系统分别进行k & c 试 验，单独分析其对整车性能的影响1 2 ，1 2 ，1 3 j 。 一一一1|。 某轿乍多迕杆前后悬架优化设计。j 整下操纵稳定性分析 近年来，国内的一些高校的研究机构开始在：悬架k & c 试验设备的研究方面做 一些探索性的 ：作。清华大学曾开发整车单轴悬架k & c 特性测试平台，并已经在 实际巾得到了应用。在郭孔辉院士带领下，吉林大学汽车动态模拟国家重点实验 室研制丌发了整车单轴悬架k & c 特性试验台，目前已被广泛应用在国内一些汽车 企业的底盘调校和新车型开发中。如图1 3 所示【2 1 。 1 一试验7 f 辆：2 一方向盘锁紧装置；3 一印身夹紧机构；4 一，| i 身i 卅定支架；5 一测餐臂 6 一测鼙柱；7 一液压加载支架；8 一二层液压加载滑台 图1 3 整车单轴悬架k & c 特性参数测试平台 本文利用吉林大学自j 三研制丌发的整车译轴悬架k & c 特性试验台进行对标车 前、后悬架的试验研究。 1 4 本文研究的主要内容及意义 结合某国产车新车型丌发中的底盘调校项目，通过对前后悬架硬点、衬套刚 度的调整，使目标车的悬架k & c 特性曲线尽呵能的趋近】二对标车。达到优化悬架， 保证目标车操纵稳定性的目的。通过本文的研究，为悬架系统的设计提供了的参 考依掘，对目前国内的一些汽车企业的底盘调校、悬架设计及新车型丌发有重要 的指导意义。 本论文的主要内容如下： l 、在占林大学研发的整车单轴悬架k & c 特性试验台上分别进行了对标车6 仃悬 架和j 舌悬架的k & c 特性试验。 2 、在a d a m s 软件建立了某幽产轿车的多连杆d ，、后悬架仿真模型，对建立 的悬架模型进行仿真分析，并以对标车的k & c 特性曲线的斜率为目标，在 硕i ：学位论文 a d a m s i n s i 曲t 模块对目标车前悬架和后悬架硬点进行整体灵敏度分析。根据灵 敏度分析结果，选择对整车操纵稳定性及轮胎磨损影响较大的前束角、外倾角以 及轮距和轴距四个参数为设计目标，选取对各设计目标影响度较大的硬点进行优 化。 3 、仅靠悬架硬点的调整，不能达到使目标车与对标车k & c 特性基本趋于一 致的目的。这是在实际的悬架设计中，常遇到的一种情况。这时候就要从悬架弹 性运动学的角度出发，考虑衬套对悬架k & c 特性的影响。本文在a d a m s i n s i 曲t 模块对后悬架的9 个衬套5 4 个刚度进行灵敏度分析，根据灵敏度分析结果，选择 对悬架k & c 特性影响较大的衬套刚度进行优化。 4 、在c a r s i m 软件中建立目标车优化前后的整车模型，参照国标g b 6 3 2 3 9 4 进 行转向盘转角阶跃输入仿真试验、转向盘转角脉冲输入仿真试验、低速回正性仿 真试验、蛇行仿真试验、稳态回转仿真试验，并依据q c t 4 8 0 一1 9 9 9 汽车操纵稳 定性指标限值与评价方法对优化前后的目标车进行了性能评价。 7 某轿车多连杆前后悬架优化设计与整下操纵稳定性分析 第2 章多连杆前悬架硬点灵敏度分析与优化 2 1a d a m s 软件简介 2 1 1a d a m s c a r 模块介绍 a d a m s c a r 是美国m s c a d a m s 公司机械仿真软件的一个专业化模块，因其 功能强大、操作简单，已经在实际工程中得到了国内外汽车行业的一致认可，并 得到了广泛应用。 a d a m s c a r 模块里面主要包含有两个不同的界面：一个是模板界面，这个界 面的主要作用是方便用户建立汽车悬架、转向、底盘等模型的子模板。另外一个 界面是标准界面，其中的悬架设计试验模块可以对以已建立的悬架模型进行包括： 单侧轮跳、左右车轮平行轮跳、左右车轮反向轮跳、静力加载等多种工况的仿真 试验。其中的汽车整车分析模块可以进行包括：方向盘角阶跃、角脉冲输入、蛇 行试验、双移线试验、直线加速试验、制动试验和稳态回转试验等多种工况的虚 拟试验。研究人员可以根据自己的需要在a d a m s 后处理模块输出特定的悬架参数 及整车参数，从而评价悬架及整车的性能，并具有通过对悬架系统进行优化设计 来优化整车性能的功能。 2 1 2a d a m s i n s i 曲t 模块介绍 a d a m s i n s i 曲t 可以通过设计试验的方法进行单目标或多目标灵敏度分析，并 可以根据灵敏度分析结果对设计因素进行多目标或单目标优化。一个相对完整的 设计试验主要由以下五个部分组成【4 7 】： 1 、确定试验的目的。即用户根据自己的需要确定自己想了解哪个参数对系统 的性能影响较大。 2 、选取一组想要研究的参数或因素，研究人员可根据自己研究的需要自行添 加。 3 、确定设计因素的变化范围，即设计一组虚拟试验，在这些试验中设计因素 的值会根据设计因素的变化范围而发生相应的变化。 4 、运行这些试验。 5 、分析整个试验过程中系统性能的变化情况，确定其中影响最大的因素。 a d a m s i n s i 曲t 有一个极其强大的功能就是进行的灵敏度分析和优化的结果 能用网页的形式表现出来，便于研究人员互相交流，减少工作量。 2 1 3a d a m s 软件的二次开发功能 8 硕l 二学位论文 a d a m s 软件的二次开发功能是a d a m s 软件自带的的一个极其强大的功能， 具有更强的专业性和针对性。二次开发功能的关键技术在于以下两点：一是用户 界面的开发，在a d a m s 软件中编辑一个用户界面，从原始参数的修改到计算结果 的输出整个过程都是以对话框的形式显示出来的，只需选中下拉菜单中的命令项 即可调出对话框，达到目的。二是用户子程序，用户子程序更具有通用性和针对 性，可以用编程的方法来定义因素或者特定的输出。它与函数表达式相比具有更 强的通用性和灵活性，能满足用户的各种各样的需要。 a d a m s 二次开发功能已经被广泛应用在工程实际中，各汽车企业和汽车研究 人员都从自己的需要出发，开发出各种各样的a d a m s 二次开发工具，极大地丰富 了a d a m s 软件的功能，降低了对软件使用者的要求，大大地提高了a d a m s 用户 的工作效率。 2 1 4a d a m s 软件在本文中的应用 本文主要在a d a m s c a r 软件内建立目标车前悬架和后悬架仿真模型，并对前 悬架和后悬架模型进行上下跳动5 0 m m 的左右平行轮跳试验仿真分析。在 a d a m s i n s i 曲t 模块对选定的设计因素进行多目标灵敏度分析，并根据灵敏度分析 结果在i n s i g h t 模块内进行了单目标的迭代优化。基于a d a m s 软件的二次开发功能 的两个工具包主要是对a d a m s i n s 追h t 模块的试验数据进行处理，并得到 a d a m s l n s i g h t 模块对设计因素灵敏度分析与优化所需的数据。综合利用它们可以 分析出悬架硬点参数和衬套刚度对悬架的k & c 特性影响的灵敏程度，进而选出对 悬架k & c 特性影响较大参数，对悬架模型进行优化分析。 2 2 多连杆式悬架的结构和特点 多连杆式独立悬架，是指通过各种连杆成一定角度设置把车轮与车身相连的 悬挂机构。由于三连杆结构已不能满足人们对于汽车操纵稳定性性能越来越高的 追求，只有结构更为精确、定位更加准确的四连杆式或五连杆式悬架才能算的上 是真正的多连杆式悬架。目前主流的多连杆悬架，连杆数量大多为四或五连杆。 其结构要比双横臂、扭转梁式、麦弗逊式等其他悬架复杂很多。 多连杆式悬架能使车轮绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线摆动，是横臂式 和纵臂式悬架的折中方案，适当地调整摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角，能不 同程度上集中横臂式悬架和纵臂式悬架的优点，能满足多种性能需求。可以说多 连杆式悬架是解决舒适性和操纵稳定性矛盾的最优选择。因此，目前对整车综合 性能要求较高的中高档轿车丌始越来越多地采用这种形式的悬架系统。 由于多连杆式悬架具有3 个以上的连杆，这些连杆的变化实时的会影响车轮定 位参数，任意一个连杆每一个绞点都有六个自由度，所以在对多连杆式悬架设计 9 时，自由度非常大，完全能针对不同的车型做成不同的匹配和调校。本文中目标 车前悬架和后悬架采用的都是综合性能好、技术含量高、操纵稳定性和乘坐舒适 性更高的多连杆机构，其中目标车分别采用的是四连杆式前悬架，拖臂四连杆式 后悬架。 2 3 四连杆式前悬架模型的建立 一般来说，在a d a m s c a r 模块内，悬架建模时所需要的参数主要包括以下几 个方面： ( 1 ) 悬架的初始硬点坐标； ( 2 ) 轮胎半径、轮胎径向刚度、簧上质量、整车质心高度、轴距、轮距、初始外 倾角、初始前束角等悬架仿真参数； ( 3 ) 弹簧、减振器、衬套等特性文件、部件的质量与转动惯量等。 目标车前悬架硬点坐标如下表2 1 所示。 表2 1 目标车前悬架硬点坐标 i o 硕士学位论文 图2 1 四连杆式前悬架模型 根据前悬架的硬点坐标以及前悬架的仿真参数，结合从对标车上测量得出的 相关的弹簧刚度、减振器刚度、衬套刚度等最终在a d a m s c a r 内建立四连杆式 前悬架模型如图2 1 所示。 2 4 对标车悬架k & c 特性试验 为了得到优化目标车的k & c 特性，首先必须对对标车进行k & c 特性试验。本 文利用吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室自行研制丌发的整车单轴悬架k & c 特性试验台进行对标车前、后悬架的k & c 特性试验。 对标车前悬架是多连杆式独立悬架；后悬架是扭转梁式半独立悬架。这里仅 列出部分试验结果如图2 2 图2 9 所示。 5 0 4 0 - 3 0 2 0 - 1 001 02 0 3 0 4 0 5 0 车辅国隧( m m 图2 2 左前轮前束角一轮跳关系曲线 一5 0 4 0 3 0 - 2 0 1001 02 03 0 4 05 0 车奢鳃聒咖量( m m ) 图2 3 左前轮外倾角一轮跳关系曲线 令 3 暇 饫 程 某轿乍多连杆前后悬架优化设计j 整乍操纵稳定性分析 图2 4 左前轮轮距一轮跳关系曲线 图2 5 左前轮轴距一轮跳关系曲线 舍 已 暇 垡 表 图2 6 左后轮前束角一轮跳关系曲线图2 7 左后轮外倾角一轮跳关系曲线 图2 8 左后轮轮距一轮跳关系曲线图2 9 左后轮轴距一轮跳关系曲线 喜一隧撂 言一瞰辞 售量蜮簿譬量斟袋 硕i j 学位论文 2 5 前悬架模型仿真及硬点灵敏度分析 2 5 1 前悬架模型仿真分析 悬架系统仿真试验包括很多种工况，其中左右车轮平行跳动试验是分析悬架 k & c 特性的基本方法。 左右车轮平行轮跳试验，是对车轮遇到障碍物时悬架的运动、路面不平引起 的颠簸运动、汽车加速或者减速时车身纵倾引起的悬架运动和车身侧倾引起的悬 架运动等实际情况的模拟。由于左右车轮平行跳动而引起的悬架k & c 特性参数的 变化，是分析与评价悬架性能的重要依据之一【1 7 】。 为了得到目标车前悬架的性能，首先对前悬架进行仿真试验。为了保证悬架 的仿真数据与实车的k & c 特性数据尽量接近，在a d a m s c a r 软件内的c 特性模式 下( 考虑橡胶衬套的影响) 进行悬架仿真试验。在这次仿真分析中，本文对目标 车前悬架进行了左右车轮平行轮跳试验及仿真分析，设置车轮的上下轮跳位移为 5 0 m m 5 0 m m 之间。 1 前束角的变化特性 为了抵消车轮外倾带来的不良因素的影响，在安装车轮时一般会使汽车两个 车轮的中心面不平行，两轮前边缘距离小于后边缘距离，所谓的车轮前束就是前 后边缘距离之差。前束的作用目前在国内外汽车行业中尚未达成一致。在传统的 汽车设计中，一般认为前束的作用主要是弥补外倾角所带来的不利影响，减少轮 胎的磨损。而在现代汽车设计中，美国福特公司认为前束的真正作用是补偿和防 止车轮后束。当汽车处于转向状态时，由于车轮将增加前束而产生的附加阻力促 使车轮回正，从而保持汽车直线行驶状态的稳定性。因此，前柬的作用对于保持 汽车的直线行驶是很必要的【”】。 在汽车行驶过程中，前束保持不变有利于减少车轮的磨损程度和车轮的滚动 阻力，防止了行驶稳定性恶化情况的发生。但是，有时候需要前束具有一定的变 化特性，以满足某些操纵性能的需要，例如使前束角在车轮上下跳动中有一定的 变化，可使汽车在转弯行驶时，满足增加不足转向特性的需要。 设计时希望在车轮跳动时，前束角尽量保持不变或者变化的幅度较小，这对 保持汽车的不足转向特性、操纵稳定性以及减少轮胎磨损有重要意义。一般情况 下，在车轮上下跳动5 0 m m 5 0 m m 范围内，前束角的变化范围应尽量在1 + l 度之 问i 。 某轿下多连杆前后悬架优化设计与整乍操纵稳定性分析 图2 1 0 目标车与对标车前悬架前束角一轮跳关系曲线 从图2 10 中可以看出目标车的前轮前束角在车轮上下跳动5 0 m m 时变化的范围 在0 8 1 8 度之间，变化范围较大，与对标车的曲线斜率差异也比较大，加剧了 轮胎的磨损，不利于保证汽车的操纵稳定性，不符合设计要求，有待优化。 2 外倾角的变化特性 图2 1 1 目标车与对标车前悬架外倾角一轮跳关系曲线 通常前轮外倾角的定义是指车轮的上端倾向或者倾离车身的角度。正值的外 倾角指车轮上端向外倾，负值的外倾角是指车轮上端向内倾。当汽车直线行驶时， 前轮前束造成左右前轮产生大小相等、方向相反的侧向和与回正力矩，这些侧向 与回正力矩在直行时会增加轮胎磨损和滚动阻力，而前轮外倾会产生与前轮前束 所引起的侧向力j f 好方向相反。因此，适当匹配前束角与外倾角可以使轮胎上的 1 4 硕i j 学位论文 侧向力互相抵消，从而可以减少轮胎的磨损程度与滚动阻力1 1 9 ，2 0 1 。 车轮外倾角过大，将会造成轮胎外侧磨损严重，车轮外倾角过小又会导致转 向沉重轮胎内侧磨损严重。一般情况下，在车轮上下跳动5 0 m m 、5 0 m m 范围内， 外倾角的变化范围应尽量保持在1 + 1 度之间。 综合分析图2 1 l 可以看出： ( 1 ) 为了使汽车具有较好的操纵稳定性，悬架设计时一般希望车轮上跳时前轮外 倾角向减小的方向变化，而在下落时朝正值方向变化。这可以防止制动时因左右 制动力误差造成的直线行驶稳定性变坏和减小外倾角引起的地面对轮胎的侧向力 使汽车跑偏的趋势。从图2 11 中可以看出目标车前悬架外倾角的变化趋势比较合 理。 ( 2 ) 车轮跳动量在士5 0 m m 行程内，目标车前悬架的外倾角的变化范围在1 o 5 5 度之间，而对标车变化在0 7 5 o 3 之间。所以目标车前悬架的外倾角的变化还有 点大，有待优化。 3 轮距的变化特性 由于车轮外倾角与前束角的存在，使车轮在车辆直行和上下跳动过程中，一 边向前滚动，一边在地面上相对于直行方向做横向侧滑，造成轮胎异常磨损。为 了减小轮胎不必要的磨损，应该尽可能的减小车轮的轮距变化量，但因为悬架导 向机构运动学上的特点，车轮横向滑移是不可避免的。由于车轮也具有弹性特征， 因此适当的轮距变化量是允许的。 图2 1 2 目标车与对标车前悬架轮距一轮跳关系曲线 为了减少轮胎的磨损以及汽车行驶时的地面侧向滑移，般设计时希望轮距 变化量要尽量小，特别是在上跳行程中，过大的轮距变化会增加轮胎的磨损。而 下跳时，一般是由于轮胎负载荷有所增加，因此，轮距变范围化可适当大些。一 某轿下多连杆前后悬架优化设计与整币操纵稳定性分析 般要求车轮跳动士5 0 m m 时，轮距变化为1 0 m m 至+ 1 0 m m 【2 1 ，2 2 ，2 3 1 。 从图2 1 2 可以看出，在车轮上下跳动时目标车与对标车轮距的变化趋势基本一 致，但是在车轮上跳时，目标车的轮距变化有点大，不利于减少轮胎磨损，有待 进一步优化。 4 轴距的变化特性 轴距对汽车操纵稳定性的影响还是较大的。轴距越大，车身的俯仰角也就越 小，因此该车的乘坐舒适性越好。当然，轴距过长也有不利的地方，轴距越大， 前轮转过同样的转角时，转弯半径越大，汽车的灵活性也就越差，因此，在轴距 的长短上，稳定性和灵活性始终是一对难以调和的矛盾。当然，从未来汽车发展 的方向这个角度来看，新车型的开发都要在不牺牲灵活性的前提下尽量加大轴距， 以获得更大的乘坐空间和更高的乘坐舒适性。 设计悬架时，从减少轮胎磨损、保持汽车操纵稳定性这个角度出发，车轮上 下跳动时，一般希望悬架的轴距的变化越小越好。 图2 1 3 目标车与对标车前悬架轴足巨一轮跳关系曲线 从图2 1 3 中可以看出，在车轮上下跳动5 0 m m 时，目标车与对标车轴距的变化 趋势基本一致，但是目标车轮距的变化较对标车还有点大，不利于减少轮胎磨损， 有待进一步优化。 2 5 2 目标函数的建立 般情况下，悬架的k & c 特性是用k & c 特性曲线的斜率来量化的。为了调整 目标车的k & c 特性，本文将目标函数定义为： j = i k l k