基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析.pdf

基于A D A M S 的双横臂独立悬架的优化分析 文章编号 1 0 0 2 4 5 8 1 2 0 0 9 0 2 0 0 2 2 0 5 基于A b A K 酌双横臂独立悬架酌优化分析 朱晓霞钟绍华 Z H UX i a o x i a Z H O N GS h a o h u a 武汉理工大学汽车工程学院 湖北武汉4 3 0 0 7 0 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A D A M S 建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 M S C A D A M S 优化设计 中图分类号 U 4 6 3 3 3 1 0 2 0 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 1 1 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M S C 公司 在多体系统领域的标志产品M S C A D A M S 2 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A D A M S N i e w 模块 建立了双 2 2 文献标识码 A 横臂独立悬架运动学分析模型 使用 A D A M S I n s i g h t 模块进行仿真及优化 结果在一 定程度上提高了悬架性能 1 悬架仿真模型的建立 1 1 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 Z 图1左侧双横臂独立悬架空间拓扑结构示意图 笠I 蔓室盗奎滏至Q Q 竺 丛Q 2 万方数据 基于A D A M S 的双横臂独立悬架的优化分析 其为零 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1 2 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 l 所示 1 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l 悬架系统左侧关键设计点的坐标值 硬点名称 X 坐标Y 坐标z 坐标 上横臂外支点A 6 0 03 2 0 01 3 O 上横臂内支点A 2 3 9 5 03 9 5 04 3 0 下横臂外支点B OO0 下横臂内支点B 4 9 0 08 0 0 8 5 O 转向横拉杆外支点C 3 0 Ol o o O 1 7 0 0 转向横于i 杆内支点C 4 3 5 01 8 0 O 2 5 0 0 转向节内支点D 2 0 01 0 3 O5 0 转向节外支点D 2 2 4 0 09 8 04 O 基于上述悬架系统物理模型的简化 根据表 l 提供的关键硬点的坐标参数值 在 A D A M S V i e w 模块中建立双横臂独立悬架左侧 的运动学仿真模型 如图2 所示 图2 双横臂独立悬架仿真模型 笠j 匕宝蛊奎芝2 鲤2 垒垃 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5 0 m m 激振函数为F 5 0 x s i n 3 6 0 t 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 I 车轮定位参数 悬架的性能反映当车轮上下跳动时车轮定 位参数的变化 在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y 不超过2 0 3 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 2 3 万方数据 基于A D A M S 的双横臂独立悬架的优化分析 向操纵轻便 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7 01 3 0 5 1 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5 0 m r n 的范围内 外倾角的变化在l o t 6 1 左右 前束角 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 2 2 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 5 0 m r n 时 轮距变化为 1 0 t u r n 1 0 m m 图4 中所示 车轮 跳动时 在 5 0 r n m 处 车轮侧移量为8 2 3 5 m m 2 4 董 嘲 篓 嚣 溘 义 k 车轮跳动量 r a m 图4 前轮侧滑量随车轮跳动变化曲线图 在 5 0 m m 处 车轮侧移量为 4 9 4 8 m m 可见 该 悬架的轮距变化在合理范围内 3 悬架系统优化分析 3 1 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 T x I 飘 2 3 4 5 6 7 8 戈9 z l o z l l 戈1 2 戈1 3 戈1 4 石1 5 J Ah 4i y 4k 4 知4 母4 B h B I y 1 曰k 曰h B 2 y 曰2 z X X C 五 J 3 2 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 u e l 一 足 尼 R 尼J 式中 只为主销后倾角随车轮跳动的变化函数 F 1 a r c t a n l Ak B k A1 一B l J 疋为主销内倾角随车轮跳动的变化函数 F 2 a r c t a n Ah B 1 Al 广B 1 j 乃为前轮外倾角随车轮跳动的变化函数 万方数据 基于A D A M S 的双横臂独立悬架的优化分析 F 3 a r c t a nl D l y D 2 r D h D 厶 j 日为前束角随车轮跳动的变化函数 F 4 a r c t a n l D k D 五 D h D 知 j F 为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 3 3 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一5 5 m m 之 间 即 A 1 咄 A l x A 1 m A l y 曲 A 1 y A l y H A k 劬 A k A kn H A 2 曲 A 2 A 2 A 可曲 A 巧 A 巧 A 2 嘶 A 2 A 2 m B h n m B h B h I B l yr n i n B l v B l y B 1 m i n B 1 B h m B 2 曲 B 2 B 2 x B E y 曲 B 2 y B 母m B 2 m B 2 B 2 x C 2 x 岫 C 2 C 2 C 2 y 曲 C 2 y C 2 y m C 2 曲 C 2 C 2 3 4 优化仿真 利用A D A M S I n s i g h t 模块 可以设计复杂的 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A 2 下横臂的外 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1 5 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6 4 次迭代计算 通过试 验筛选 找出一个最优的试验结果 3 5 优化结果分析 在A D A M S P o s t P r o c e s s o r 模块中分析可知 1 在车轮上下跳动5 0 m m 的范围内 主销内 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I n s i g h t 为了兼顾其他几项定位参数而放弃主销后倾角部 分利益的缘故 但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2 0 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 在车轮跳动一5 0 m m 处 侧滑量由原来的 8 2 3 5 m m 变为7 6 3 4 m m 在车轮跳动5 0 m m 处 侧滑量由原来的 4 9 4 8 m m 变为一4 3 6 6 m m 车轮 的侧移量由原来的1 3 1 8 3 m m 减小到1 2 0 0 0 m m 所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 2 3 1 7 2 3 2 50 0 0 82 5 4 2 5 50 0 0 9 主销内倾角1 0 4 4 11 2 90 8 5 69 9 5 1 1 0 81 1 2 6 前轮外倾角O 2 8 4 1 3 3 81 0 5 40 4 3 4 1 2 70 8 4 2 前束角 0 0 8 0 2 8 30 3 6 5 0 0 7 3 o 2 60 3 3 4 O 疆 娶 霍 窿 州 援 娶 u 娶 器 士H 车轮跳动量 m m 图5 优化前后主销内倾角对比图 一 一 院J化后 拳化 酾 车轮跳动掇 m m 图6 优化前后主销后倾角对比图 2 5 万方数据 g 鑫 誊 鑫 图7 优化前后前轮外倾角对比图 图8 优化前后前轮前束角对比图 图9 优化前后前轮侧滑量对比图 结论 芎又献 1 陈家瑞 汽车构造 M 北京 人民交通出版种1Q 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 2 0 0 7 9 圭 3 j 喻凡 林逸 汽车系统动力学 M 北京 机械工业出版 社 2 0 0 5 7 一 曼竺商双横臂独立悬架的前轮主销内倾角算法研究 J3 汽车工程 2 0 0 5 2 7 4 3 1 4 3 3 亡古f 拦第 基于A D A M s C A R 的双横臂独立悬架建模与 仿真 J 吉林大学学报 工学版 3 4 5 5 4 5 5 8 一 枞 竺 钟绍华 基于蚴 的双横臂独立悬架 的优化设计f J 专用汽车 2 0 0 8 1 0 一 5 收稿日期 2 0 0 蠢五丽 蹬长溜辩涩 万方数据 基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析基于ADAMS的双横臂独立悬架的优化分析 作者 朱晓霞 钟绍华