基于adamscar的双横臂独立悬架多目标优化

基于adamscar的双横臂独立悬架多目标优化

1基于遗传算法的双横臂独立悬架商用车前悬架通常由两个水平臂独立悬挂。为了快速、合理地设计商用车的前悬架系统，合理提高其动作稳定性，在文献中，基于遗传算法的多目标优化，优化后有效提高了结架性能，但遗传算法的编程过于复杂，在算法上仍存在早期收敛问题，因此这种方法不利于快速设计合理的双交叉臂支撑。文献对双横臂独立悬架的结构进行了机构运动学分析，通过解析运算与仿真结果的对比来确定其结构的合理性，此方法可以验证悬架结构设计是否合理，但对于不合理之处如何改进并无阐述。本文以某轻型卡车的前悬架系统为研究对象，基于ADAMS/Car建立其数学模型，在ADAMS/Car的环境下进行车轮同向跳动的仿真实验，通过后处理分析车轮定位参数的变化，对分析得出的不合理参数建立多目标优化函数，以ADAMS/Insight为工具对悬架进行多目标优化。2简化处理系统轻卡的悬架系统模型包括双横臂独立悬架子系统和转向子系统。在满足设计要求的前提下，对子系统做了简化处理，假设系统中所有部件均为刚体，内部摩擦不计，零部件间的连接方式设为铰链，弹簧刚度和减震器阻尼均为线性。2.1拉臂部分配合比双横臂悬架主要包括转向拉杆、转向节、主销、上横臂、下横臂、拉臂、弹簧和阻尼器这几部分。拉臂与主销、车轮与转向节、转向节与主销之间通过固定副相连，下横臂与主销、上横臂与主销和转向拉杆与拉臂之间通过球副连接。悬架系统为对称结构，所以在ADAMS/Car中建模时，只需建立1/2悬架模型，另一半将自动生成。2.2转向传动元件转向系采用齿轮齿条式转向器，模型主要包括方向盘、转向传动轴、转向摇臂、转向机、空摇臂和转向横拉杆等。各个部件之间采用合理的约束条件即可建立转向系统模型。2.3悬架系统、转向系统与悬架测试台装配在ADAMS/Car中采用系统自带的文件属性，将上述建立好的悬架子系统、转向子系统与悬架测试台进行装配连接。装配好的悬架总成如图1所示。3合理变化车轮操纵过程影响双横臂独立悬架操纵稳定性的主要参数包括：车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角、前轮前束角、1/2轮距。在运动过程中随车轮的跳动这些参数会相应地发生变化，它们的变化范围过大将会对该卡车的操纵稳定性造成不利影响。这些参数变化合理与否可通过悬架的运动特性仿真分析验证。3.1车轮外倾角设计车轮外倾角主要保证轮胎的侧偏特性，它的变化影响车辆的稳态响应特性和直线稳定性。为保证直线稳定性和转向性能，该车型合理的车轮外倾角为-24′±20′以内变动的小角度。该轻卡左右车轮同向上下跳动40mm时，车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线如图2中的线1所示，变化范围为-0.6318°～0.3197°，其值明显过大需进一步优化。3.2增加驾驶稳定性前轮前束角与外倾角配合的合理设计可以减轻车辆行进时对轮胎的磨损，能够补偿车轮外倾角使地面对轮胎产生的侧向力，使驾驶稳定。负前束过大导致轮胎内侧磨损严重，驾驶性能变差；正前束过大导致轮胎外侧磨损严重，直线行驶性变差，一般要求其变化在0°附近。该轻卡左右车轮同向上下跳动40mm时，前束角随车轮跳动的变化曲线如图2中线2所示，变化范围为-1.1591°～1.2095°，其值明显过大需进一步优化。3.3主销角随机空间的变化主销后倾角能够产生恢复力促使车轮回到正前位置，还能保证车轮向前的驱动。主销后倾角不宜过大，在设计时可以通过减小后倾角的变化来改善操纵稳定性，主销后倾角的合理变化范围是-1°～3°。该轻卡左右车轮同向上下跳动40mm时，主销后倾角随车轮跳动的变化曲如图2中线3所示，变化范围为-1.7296°～-0.8932°，需进一步优化。3.4变化范围的规定。作为主销内倾角是方向控制角，能够使方向稳定性加强，提供转向回位能力，一般要求其变化范围在6°～12°。该轻卡左右车轮同向上下跳动40mm时，主销内倾角随车轮跳动的变化曲线如图2中线4所示，变化范围为6.5221°～7.4221°，变化符合设计要求。3.51纵稳定性变化轮距的变化使轮胎产生一个侧偏角度，因此会产生一个侧向力，这样会使操纵稳定性发生变化，所以轮距的变化一般为-10～10mm。该轻卡左右车轮同向上下跳动40mm时，1/2轮距随车轮跳动的变化曲线如图2中线5所示，变化范围为-0.0244～2.9380mm，变化符合设计要求。4单车倾角随检测要求的变化范围需进一步优化上述五个定位参数在任何一款汽车的设计过程中,都要求其随车轮的跳动其数值变化尽量小,以保证汽车具有良好的行驶平顺性与操纵稳定性。由前述可知，该卡车的车轮外倾角、前轮前束角及主销后倾角变化范围与表1设计要求相比都超差，需要进一步优化。此优化采用多目标优化法，通过改善轻卡定位参数提高其操纵稳定性。4.1确定目标函数根据双横臂独立悬架的设计要求可知车轮外倾角、前轮前束角以及主销后倾角的参数要在规定范围内合理变化，即确定目标函数为：式（1）中，γ、B、β表示悬架的车轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角。车轮各定位参数的合理变化范围如表1所示。4.2设计变量的选取根据式（1）的目标函数及双横臂悬架的结构要求，将下横臂与转向节球头销的连接点（设为C点）、转向横拉杆内外点（设为N、M）、下后控制臂外点（设为A）、下前控制臂外点（设为B）的空间坐标参数作为设计变量，如式（2）所示。4.3强制安装条件的确定根据双横臂悬架设计的可能性，将上述设计变量的变动量设为±15mm即：5基于英雄支架的参数优化根据以上的目标函数，设计变量，约束条件，即可通过ADAMS/Insight对该轻卡的前悬架进行参数优化。5.1确定约束条件通过ADAMS/Insight的分析，本文只将对目标函数影响率较大需要优化的设计变量列出，如表2。根据表2可知，下前控制臂B点的z坐标、下横臂与转向节球头销的连接点C的x、y、z坐标、转向横拉杆的内外点N、M的y、z坐标对目标函数影响比较大，对这些设计变量进行合理的优化才能保证目标函数取得较合理的解。本文在其规定的约束条件内经过多次试验，最后得到较为合理的参数值，其优化后的坐标值如表2中所示。优化后得到新的悬架系统模型，再次进行同向平行轮跳仿真实验，轮跳距离仍为±40mm,ADAMS/PostProcessor可以对比分析车轮定位参数优化前后其值变化。5.2优化前后前束角变化范围图3中实线为优化前车轮外倾角变化曲线，虚线为优化后车轮外倾角变化曲线，优化前后车轮外倾角的变化范围由-0.6328°～0.3197°缩小为-0.2763°～0.0194°，优化后其变化范围满足表1的设计要求。图4中实线为优化前车轮前束角变化曲线，虚线为优化后前轮前束角变化曲线，优化前后前束角的变化范围由-1.1591°～1.2095°缩小为-0.2089°～0.0751°，优化后其值满足表1的设计要求。图5中实线为优化前主销后倾角变化曲线，虚线为优化后主销后倾角变化曲线，优化前后主销后倾角的变化范围由-1.7296°～-0.8932°缩小为0.7305°～1.1783°，其值符合表1的设计要求。其中主销内倾角优化前后的变化范围由6.5221°～7.4221°变为9.3538°～9.6467°，如图6虚线所示，仍然符合表1的设计要求。1/2轮距优化前后的变化范围由-0.0244～2.9380mm变-0.2352～4.0916mm，如图6实线所示，也满足表1的设计要求。综上可知，该轻卡的前悬架定位参数车轮外倾角、前轮前束角和主销后倾角的变化范围得到了合理的改善，其操纵稳定性也相应地得到了提高。6优化后的车轮定位参数及优化结果分析基于ADAMS/Car模块可方便快捷地建立轻卡前悬架的数学模型并仿真，通过ADAMS/Insight对轻卡前悬架进行参数优化。在本文的仿真条件下，车轮外倾角优化前后的变化范围由-0.6328°～0.3197°缩小到-0.2763°～0.0191°、前束角优化前后的变化范围由-1.1591°～1.2095°缩小到-0.2089°～0.0751°、主销后倾角优化前后的变化范围由-1.72