基于ADAMS的转向梯形分步优化设计.pdf

汽车制造技术现代制造工程 M o d e mM a n u f a ct u r in gE n g in e e r in g 2 0 1 5 年第9 期 基于A D A M S 的转向梯形分步优化设计 刘良 干年妃 胡艳云 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室 长沙4 1 0 0 8 2 摘要 以某越野车为研究对象 利用A D A M S C a r 软件建立前悬架和转向模型 进行轮跳和转向仿真试验分析 在优化 转向梯形关键点 断开点 硬点 使汽车 前轮 前束角和阿克曼误差尽量满足理论要求的前提下 建立整车虚拟样机模 型 以稳态回转试验的综合评价计分值最大为优化目标 对转向梯形关键点进行第二次优化设计 得到转向梯形关键点 位置坐标的最优值 结果表明 该方法使转向梯形的设计更为精确 合理 优化设计后整车转向性能得到了较好的提升 关键词 转向梯形 阿克曼误差 前束角 转向特性 优化设计 中图分类号 U 4 6 3 3 3 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 5 0 9 0 0 4 8 0 6 S t e p w is eo p t im iz a t io nd e s ig no fa ck e r m a ns t e e r in gl in k a g eb a s e do nA D A M S L iuH a n g G a nN ia n f e i H uY a n y u n H u n a nU n iv e r s it y S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n ce dD e s ig na n dM a n u f a ct u r in g f o rV e h icl eB o d y C h a n g s h a4 1 0 0 8 2 C h in a A b s t r a ct Av ir t u a lf r o n tv e h icl es y s t e mo ft h ecr o s s co u n t r yv e h icl ew a sb u il tb yA D A M S C a r T h es y s t e min cl u d e sd o u b l ew is h b o n es u s p e n s io na n dr a ck p in io ns t e e r S t e e ra n dt o ea n g l es im u l a t io n sw e r er u n n in gint h ism o d e l U n d e rt h ep r e m is et h a to p t im i z in gk e yp o in t st om a k et o ea n g l ea n dA e k e r m a n ne r r o rm e e tt h er e q u ir e m e n t so ft h et h e o r y b u il d in gt h ev ir t u a lp r o t o t y p em o d e l o ft h ev e h icl e r e g a r d in go p t im iz a t io ng o a la st h em a x im u mv a l u eo ft h eco m p r e h e n s iv ee v a l u a t io nS C O r e d o in gt h es e co n do p t im i z a t io nd e s ig no fk e yp o in t sb a s e do nt h ev ir t u a lp r o t o t y p em o d e lo ft h ev e h icl e t h e no b t a in in gt h eo p t im a lv a l u eo fk e yp o in t se o o r d in a t e s T h er e s e t ss h o wt h a tt h ism e t h o dm a k e sA ck e r m a ns t e e r in gl in k a g ed e s ig nm o r ea ccu r a t ea n dr e a s o n a b l e a f t e ro p t im iz a t io nd e s ig n t h ev e h icl es t e e r in gp e r f o r m a n ceisg r e a t l yim p r o v e d K e yw o r d s A e k e r m a ns t e e r in gl in k a g e a ck e r m a ne r r o r t o ea n g e l s t e e r in gch a r a ct e r is t ic o p t im iz a t io nd e s ig n 0 引言 汽车在行驶过程中 转向梯形机构对汽车转向性 能和轮胎磨损都有很大的影响 因此对转向梯形进行 优化设计是非常必要的 许多学者已对此展开了广泛 的研究 文献 1 在对转向梯形进行优化设计时 将 悬架系统和转向机构作为一个整体系统进行运动分 析 考虑了车轮跳动对转向误差的影响 文献 2 基于 轮胎磨损理论 定量分析了前轮定位参数和阿克曼误 差对轮胎磨损的影响 文献 3 综合运用仿真和试验 研究的方法 系统地分析了转向梯形断开点对汽车稳 态转向特性的影响 文献 4 针对某矿用自卸车采用 正交试验方法对转向机构进行了多目标优化设计 文 献 5 运用响应面方法拟合出了转向梯形硬点与前束 角变化 阿克曼误差的函数关系式 利用M A T L A B 优 国家自然科学基金项目 6 1 2 3 2 0 1 4 4 8 化工具箱对转向梯形进行了优化 由于转向梯形的 设计合理与否对汽车转向时的阿克曼转向特性和悬 架导向机构与转向杆系的运动干涉有影响 还对汽车 稳态转向特性有影响 因此本文综合考虑了车轮跳动 时前束角的变化 转向时的阿克曼误差及汽车稳态转 向特性 对转向梯形进行了分步优化设计 得到了转 向梯形关键点位置坐标的最优值 该方法使转向梯形 的设计更为精确 合理 优化设计后汽车转向性能得 到了较好的提升 1 转向梯形的设计要求 在转向过程中 为了使各个车轮都处于纯滚动状 态而无滑动发生 则要求全部车轮都绕一个瞬时转向 中心做圆周运动 即满足阿克曼转向几何关系 6 汽 车转向时理想的内 外前轮转角关系如图1 所示 将整 刘良 等 基于A D A M S 的转向梯形分步优化设计2 0 1 5 年第9 期 车投影到一个平面上 当前轮在转向时 内 外前轮必 须符合关系式 1 co t a co 够 iK 在A D A M S C 甜软件中建立了前悬架和转向模 型 如图2 所示 式中 d 为外侧转向 前 轮转角 卢为内侧转向 前 轮转角 K 为左 右主销中心线的延长线与地面交点间 的距离 L 为车轮轴距 式 1 称为理想的内 外前轮转角关系 也称为阿 克曼转向几何关系 图1汽车转向时理想的内 外前轮转角关系 考虑到汽车在实际转向过程中还受离心力 轮胎 侧偏力的影响 因此车辆的转向梯形机构很难在整个 转向范围内均满足式 1 通常只是近似地满足式 1 o 独立悬架车辆当转向梯形断开点位置选择不 当时 转向杆系与悬架导向机构运动不协调 汽车在 行驶过程中就会出现前轮摆振 跑偏等现象 破坏操 纵稳定性 加剧轮胎磨损哺J 因此在设计转向梯形的 时候 就必须使车轮在转动过程中 尽量满足阿克曼 转向几何关系 从而减少轮胎的磨损 提高转向性能 汽车直线行驶时 车轮跳动会引起前束角的变化 前 束角的过大变化会带来滚动阻力增大 轮胎磨损增加 和直线行驶能力变差等不良后果 因此汽车转向过程 中 应使汽车具有不足转向特性 2 前悬架和转向模型 2 1 双叉臂独立悬架转向模型的建立 本文以某越野车为研究对象 该车前悬架为双叉 臂独立悬架 转向系统采用的是无助力的机械式齿轮 齿条转向 建立前悬架和转向模型的主要参数如表l 所示 表1 前悬架和转向模型的主要参数 主要参数数值 主销内倾角 主销后倾角 车轮前束角 o 前轮外倾角 轴距X 1 0 3 n u n 车轮半径 n u n 6 2 0 1 2 7 l 4 3 2 图2 前悬架和转向模型 2 2 仿真分析 2 2 1 平行轮跳仿真分析 考虑该车的实际运行工况 对前悬架和转向模型 进行幅度为 7 5 r a m 的平行轮跳仿真试验 通过仿真 分析得到前束角的变化曲线 如图3 所示 分析图3 所示曲线可知 在车轮跳动量为 7 5 r a m 时 前束角的 变化范围是一1 0 0 0 0 7 一般希望前束角的变化 尽量小 而该车前束角随车轮跳动的变化较大 1 一 一7 5 0 3 7 5o3 7 57 5 0 车轮跳动量 m m 图3 前束角的变化曲线 2 2 2 原地转向仿真分析 输入方向盘转角 使车轮向左转动 测量在车轮 转动过程中的阿克曼误差 阿克曼误差定义为外轮 的实际转角与阿克曼理想转角之差 阿克曼误差为正 时 表示外轮实际转角大于阿克曼理想转角 反之 则 表示小于阿克曼理想转角 内 外前轮转角的关系曲 线如图4 所示 车轮左转时的阿克曼误差变化曲线如 图5 所示 分析图5 所示的阿克曼误差变化曲线可知 车轮转动过程中阿克曼误差最大值为3 0 0 车轮转动 4 9 5 O O S O m 0 一 援娱淀 2 0 1 5 年第9 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a ct u r in gE r I g in e e r in g 过程中阿克曼误差越小 转向性能越好 一 L 娅 鬈 g 甚 弧 3 二2 藕 瑟 孽 4 O O 图4 内 外前轮转角的关系曲线 外前轮转角 图5 阿克曼误差变化曲线 2 3 灵敏度分析 通过A D A M S I n s ig h t 模块分析转向梯形关键点 关键点D 的空间坐标值对车轮前束角的变化特性和 阿克曼转向特性的影响 点 的x 向 车前后 y 向 车左右 z 向 车上下 坐标的变量名称为I n n e r X I n n e r Y I n n e r z 点0 的x 向 y 向 z 向坐标的变量名 称为O u t e r X O u t e r Y O u t e r z 各变量对车轮前束角的变化和阿克曼误差的影 响如表2 和表3 所示 从表2 所示可以看出 I n n e r z O u t e r X O u t e r z I n n e r Y 对前束角的变化影响比较大 表3 中O u t e r X O u t e r y O u t e r z I n n e r z 对阿克曼误差的影响较大 转向梯形关键点 关键点0 的空间坐标值对车轮前 束角的变化特性和阿克曼转向特性都有影响 表2 硬点坐标值对前束角变化的影响 5 0 表3 硬点坐标值对阿克曼误差的影响 3 基于前悬架和转向模型的优化 3 1 优化目标 3 1 1 阿克曼误差 设内侧转向 前 轮转角J B 为自变量 则外侧转向 前 轮的阿克曼理想转角理由式 1 解得 a a r cco t co 够 K L 2 车辆在转向过程中 阿克曼误差为实际的外侧转 向 前 轮转角理 与阿克曼理想转角0 c之差 即 口n 毗 A 1 Ia 一a 3 而 式中 A 为阿克曼误差 口为车辆转向角 3 1 2 前束角的变化量 车轮上 下跳动过程中 前束角的变化量为 8 l in g A y I6 0 t 一 I 4 a O 式中 A 为前束角的变化量 占为车轮跳动量 为车 轮跳动时的前束角 为车轮静止时的前束角 综上 优化目标函数表达式为 m in A 肛l A I A 2 5 式中 胁为加权系数 i 1 2 本文取弘 他 0 5 3 2 设计变量 为避免改变悬架定位参数和重要零 部件的结构 尺寸 因此只选取转向梯形关键点 关键点O 位置 因整车坐标关于汽车中心线左右对称 故只需选取 一侧的硬点坐标 本文取右侧 进行优化 根据前面 的灵敏度分析 转向梯形关键点 关键点O 的空间坐 标值对车轮前束角变化特性和阿克曼转向特性都有 影响 因此将转向梯形关键点 关键点0 的6 个空间 坐标值都取为设计变量 3 3 约束条件 因转向梯形机构受空间结构和布置条件的限制 硬点坐标值变动范围不宜过大 本文选取梯形机构 硬点的位置约束为 茗湖一3 0 戈i 石沏 3 0 z i为设计 变量 菇湖为变量初始值 i I 2 3 4 5 6 刘良 等 基于A D A M S 的转向梯形分步优化设计2 0 1 5 年第9 期 3 4 优化 在A D A M S 软件中建立相应测量函数 优化目标 和约束条件 运行A D A M S I n s ig h t 优化程序进行优化 计算 优化前转向梯形关键点 坐标值为 1 7 0 5 6 一4 5 5 0 0 8 6 0 0 关键点D 坐标值为 1 4 6 8 5 一7 0 4 1 6 9 5 6 3 优化后关键点 坐标值为 1 9 1 1 6 一4 6 5 4 0 7 4 8 0 关键点D 坐标值为 1 5 4 9 5 一7 2 2 1 6 1 0 6 6 0 图6 所示为车轮跳动幅度为 7 5 r a m 时优化前 后前束角变化曲线 优化前前束角的变化范围为 一1 0 0 0 0 0 7 0 优化后前束角的变化范围为 一0 2 0 0 0 2 0 变化范围有较为明显的减小 优化前 后内外前轮转角关系曲线如图7 所示 优化前 后阿克 曼误差变化曲线如图8 所示 优化后的内 外前轮转角 关系曲线与阿克曼理想转角曲线更接近 优化前阿克 曼误差最大值为3 0 0 优化后阿克曼误差降低至0 9 0 龊一0 5 谣 一1 0 一 L 妊 鬈 g 淀 m 1 L J L 一7 5 O一3 7 5O3 7 5 车轮跳动量 m m 图7 优化前 后 内 外前轮转角关系曲线 4 整车模型 4 1 整车模型的建立 根据已知的数据对整车进行简化 采用A D A M S C a r 软件建立了一个如图9 所示包含前悬架转向系统 转向梯形关键点采用优化后的坐标值 后悬架系 L 蛹 愁 烈 罐 曹 图8 优化前 后阿克曼误差变化曲线 统 动力总成系统 传动系统 制动系统和车身系统的 整车虚拟样机模型 整车模型中弹性系统包括前 后悬架弹簧 柔性 系统包括衬套 轮胎 阻尼系统包括前 后减震器 其 余为刚性系统 整车模型主要参数如表4 所示 图9 整车虚拟样机模型 表4 整车模型主要参数 主要参数数值 满载质量 k g 25 4 0 前轴荷 k g 12 6 0 后轴荷 k g 12 8 0 前悬架弹簧刚度 N m m 6 2 后悬架弹簧刚度 N 咖 1 4 6 前稳定杆刚度 N 岫 o 3 12 2 5 后稳定杆刚度 N m il l 一 3 12 2 5 4 2 稳态回转试验仿真分析 稳态回转试验仿真分析的步骤及数据处理参照 G B T 6 3 2 3 6 1 9 9 4 9J 首先让汽车沿半径为1 5 m 的圆 周缓慢行驶 并一直保持转向盘转角不变 使汽车缓 慢而均匀地加速 纵向加速度小于0 2 5 9 待侧向加速 度达到6 5 m s 2 时停止仿真 仿真分析按左转方向进 行 根据G B 瞒3 2 3 6 1 9 9 4 进行整车的稳态回转特 性仿真分析 得到稳态特性曲线如图1 0 图1 1 和图1 2 所示 图1 1 中 R R 表示某一时刻的转弯半径R 与 初始转弯半径尺 的比值 5 1 鎏寥 蓬j f 5 O O 2 0 1 5 年第9 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a ct u r in gE n g in e e r in g O 5 图l O 前 后轴侧偏角差与侧向加速度关系曲线 一 L 堙 坚 荩 盘 船L 图l l转弯半径比值与侧向加速度关系曲线 图1 2车身侧倾角与侧向加速度关系曲线 根据Q C T4 8 0 1 9 9 9 汽车操纵稳定性指标限值 和评价方法 0 1 对稳态回转试验进行评分 评分项 目主要包括中性转向点的侧向加速度值 不足转向 度u 和车厢侧倾度K 三项 其中口 取 口 一口 与 a 关系曲线上斜率为零处的侧向加速度值 U 按 口 一口 与a 关系曲线上吼 2 m s 2 处的平均斜率计 算 艺按车身侧倾角与口 关系曲线上口 2 m s 2 处的 平均斜率计算 表5 稳态转向仿真试验计算评价数据 评价指标数值 a J m s 一2 U m s 2 o m S 2 1 5 7 2 O 0 7 0 6 4 5 2 4 2 1 a 的评价计分计算公式 N 6 0 i4 0 口枷 a n a 枷 6 式中 N a 为口 的评价计分值 n 6 0 5 0 0 m s 2 口 0 0 9 8 0 m s 2 经计算得M 6 7 6 分 4 2 2 U 的评价计分计算公式 盯 6 云 等笔 乇 黼 c7 式中 N 盯为U 的评价计分值 0 6 0 m s 2 U 0 2 4 m s 2 A 为根据 与U 1 0 0 的比值计算 的系数 A 巧2 U 6 面o 忑U l o o 则A 2 4 经计算得N 7 8 5 分 4 2 3 疋的评价计分计算公式 6 0 再4 0 一K 8 式中 为K 的评价计分值 1 2 0 m s 2 K 瑚 o 7 0 m s 2 K o 6 4 m s 2 经计算得 1 0 0 0 分 稳态回转试验的综合评价计分值帆按式 9 计算 虬 半 9 可得虬 8 2 0 分 稳态回转仿真试验评分结果如表6 所示 从评分 结果可看出 该车的稳态转向特性综合计分值并 不高 表6 稳态回转仿真试验评分结果 4 3 灵敏度分析 通过A D A M S I n s ig h t 模块分析转向梯形关键点 关键点0 的空间坐标值对汽车稳态回转特性的影响 各变量对稳态回转特性评价计分值的影响如表7 所示 表7 硬点坐标值对稳态回转特性评价计分的影响 变量名称影响值灵敏度值 I n n e r z 5 2 0 8 6X1 0 28 6 4 2 I n n e r Y 4 9 6 3 2X 1 0 3 1 5 6 1 O u t e r z 一4 2 6 5 3 1 0 3 1 1 3 8 O u t e r x3 8 6 7 9x 1 0 39 3 9 I n h e r x 4 4 6 1 3 1 0 43 5 l O u t e r Y 一4 1 5 6 2 1 0 4 2 1 8 刘良 等 基于A D A M S 的转向梯形分步优化设计2 0 1 5 年第9 期 表7 中I n n e r Z 对稳态回转特性评价计分的影响 最大 其余5 个变量亦对稳态回转特性评价计分有 影响 5 基于整车模型的二次优化 5 1 优化目标 优化目标函数表达式为 m a x F x 帆 1 0 式中 虬为稳态回转试验的综合评价计分值 5 2 设计变量 根据前面的灵敏度分析 转向梯形关键点 关键 点0 的空间坐标值对汽车稳态回转特性都有影响 因 此将转向梯形关键点 关键点0 的6 个空间坐标值 都取为设计变量 5 3 约束条件 因本次优化是在第一次基于前悬架和转向模型 优化的基础上进行的 所以在使汽车前束角的变化和 转向阿克曼误差尽量满足理论要求的前提下 本文选 取的约束条件为 菇渤 5 戈i 菇湖 5 戈 为设计变量 髫i初为变量初始值 i 1 2 3 4 5 6 5 4 优化 在A D A M S 中建立相应测量函数 优化目标和约 束条件 运行A D A M S I n s ig h t 优化程序进行优化计算 优化前转向梯形关键点 的坐标值为 1 9 1 1 6 一4 6 5 4 0 7 4 8 0 关键点O 的坐标值为 1 5 4 9 5 一7 2 2 1 6 1 0 6 6 0 优化后关键点 的坐标值为 1 8 9 2 5 一4 6 7 6 0 7 2 4 3 关键点0 的坐标值为 1 5 7 3 0 一7 2 0 5 4 1 0 7 6 8 稳态回转仿真试验评 分结果对比如表8 所示 分析表8 可知 优化后稳态回 转仿真试验的综合评价计分值增大到9 3 5 整车转向 性能得到了较好的提升 表8 稳态回转仿真试验评分结果对比 6 结语 此方法在综合考虑前束角的变化 阿克曼误差和 稳态回转试验综合评价计分值的前提下 对转向梯形 机构进行了分步优化设计 结果表明 该优化方法使 转向梯形机构的设计更为精确 合理 汽车转向性能 更优 参考文献 1 周兵 杨凡 徐琪 基于A D A M S 的转向机构的优化设计 J 湖南大学学报 2 0 0 8 3 5 1 2 2 3 2 6 2 唐应时 朱位宇 朱彪 等 基于轮胎磨损的悬架与转向 系统硬点优化 J 汽车工程