基于ADAMS/Insight 的悬架优化设计①

2012-07-09吴晓欢

佳木斯大学学报（自然科学版） 2012年1期

吴晓欢，宋珂，章桐

(同济大学中德学院，上海201804)

0 引言

众所周知，近十年来，由于能源枯竭、油价上涨、全球变暖，新能源汽车日益成为汽车产业未来的发展方向．但是，纯电动汽车因其续航里程短，燃料电池汽车因其电池技术的不成熟及其配套加氢设施的不完备，都遭遇了发展瓶颈．国内外各大专家学者都纷纷认为带有增程器的电动汽车有望在几年后得到广泛的推广使用[1]．

增程器电动汽车通常由纯电动汽车与一个辅助能源供应装置既增程器(range extender)构成，增程器的类型可以多样化，比如燃料电池、锂电池甚至小型发动机．本课题组开发的微型小车所带的增程器为燃料电池增程器，并且用户可以根据行驶里程长短自行决定增程器安装与否．

然而即使是增程器电动微型小车，底盘悬架的设计也不容忽视．在这款增程器电动微型车的开发过程中，由于最初的设计问题和实车制造过程中产生的偏差，导致实车四轮定位参数不合理，影响了车辆的行驶性能．甚至由于前轮摆振，导致轮毂电机损坏．

为了使实车悬架修改有科学的参考依据，本论文将根据实际悬架状态，进行悬架建模、仿真以及优化，最终给出合理的优化方案．

1 双横臂悬架运动学模型的建立

1．1 双横臂悬架运动学模型的简化分析

根据仿真目的对双横臂悬架进行合理的简化[2]．由于悬架运动学分析的主要目的是找出四轮定位参数与车轮上下跳动量的关系．故将悬架简化成一个多连杆机构，而忽略橡胶衬套的影响．所以只要确定悬架硬点的位置，以及弹簧刚度与减震器阻尼即可进行运动学仿真．

双横臂悬架主要由上下横臂、转向节、轮毂、副车架、减震器组成．上下横臂一端通过球铰链与转向连接，另一端通过转动副与副车架连接．减震器上端与车身相连，这里由于没有建立车身模型，默认固结于大地，下端通过转动副与下横臂连接．转向节臂通过球铰链与转向横拉杆连接．转向横拉杆的另一端在没有转向系统的情况下，默认固结于大地[3]．

1．2 双横臂悬架运动学模型的建立

为了反映增程器电动微型小车悬架系统的真实状况，悬架硬点位置通过三维坐标扫描仪扫描实车悬架确定．同时根据弹簧、减震器制造商提供的试验数据，在ADAMA/VIEW中建立弹簧变形量－弹簧力、减震器速度－阻尼力样条曲线，通过这些样条曲线建立双横臂悬架的减震器模型．最终建立的双横臂悬架运动学模型如图1．

2 双横臂悬架的运动学仿真分析

悬架在跳动过程中车轮定位参数发生变化的规律称为悬架运动学特性．车轮定位参数:车轮外倾角、主销内倾角、主销外倾角、前轮前束的值对汽车行驶性能，特别是操纵稳定性有着重要的影响．为了反映车轮定位参数随轮跳的变化规律，在ADAMS/CAR中进行双侧车轮平行跳动仿真．进行仿真时，根据实际车轮可能跳动的范围，确定跳动范围为±50mm．由于在测量悬架硬点参数时将汽车用吊臂吊起，悬架在重力作用下，实际已经下跳10mm，因此实际的仿真的跳动范围为－40mm～60mm，并将车轮上跳10mm时作为其初始状态．

以下是双横臂悬架车轮定位参数仿真结果:

图1 双横臂悬架运动学模型

图2 车轮外倾角变化

图3 主销后倾角变化

2．1 车轮外倾角

由图2可知，前悬架模型车轮外倾角变化范围为－6．0～1．75deg．车轮跳动时，车轮外倾角变化规律将影响汽车的稳态和瞬态响应，而且车轮外倾角变化过大，将降低轮胎的侧向附着性能，加速轮胎磨损，影响汽车极限侧向加速度．一般希望车轮上下跳动50mm时，车轮外倾角变化范围为2°左右[4]．此微型车在平衡位置时，其外倾角为 0°，基本符合设计要求，然而随着车轮的跳动，车轮外倾角角度改变明显偏大，不符合设计要求．

图4 主销内倾角变化

图5 车轮前束角变化

2．2 主销后倾角

由图3可知，平衡位置时，主销后倾角的初始值为1．8°，与一般认为的合理范围2～3deg接近，基本符合设计要求．在整个车轮的跳动范围内，主销后倾角的变化范围为－1．0～4．0deg，与设计要求的－1 ～1．5deg/50mm[4]的设计要求相比，明显偏大．过大的主销后倾角变化范围将引起转向操纵沉重，车轮摆振，直线行驶能力降低．

2．3 主销内倾角

由图4可知，主销内倾角在平衡位置为11．5°，在车轮的跳动范围内，变化范围为10deg～17．5deg．主销内倾角较大，有利于增强车辆低速回正性能，但过大的主销内倾角将导致转向操纵沉重，轮胎磨损加快．并且过大的变化范围也使得汽车稳定直线行驶能力变差．

图6 ADAMS/Insight优化设计交互式网页

图7 车轮前束角优化前后对比

图8 主销内倾角优化前后对比

图9 主销后倾角优化前后对比

2．4 车轮前束角

由图5可知，车轮前束角在平衡位置为0．25°，与设计要求基本符合，但在车轮跳动范围内，变化范围为－2．0 ～1．5deg，与推荐的 0．5deg/50mm[4]的变化范围相比，明显偏大，且在车轮下落的过程中，向负值变化，这使得车辆在转弯时有过多转向的趋势，非常不利于车辆的操纵稳定性．此外，前束角变化过大，将加速轮胎磨损，使车轮左右摇摆不定．

从以上对双横臂悬架的仿真分析得出以下推论:

1)从仿真结果看，该车的四个车轮定位参数都存在随车轮上下跳动，变化范围过大的问题．这将影响车辆行驶性能，与实际的驾驶体验是一致的．

2)车轮摆振现象主要是因为受到四轮定位参数特别是前轮前束设置不当，轮胎磨损不均以及转向连接系统等因素的影响[6]．经排查转向连接系统没有问题，故推测原因主要是四轮定位参数设置不当，以及因此而造成的轮胎磨损不均．

图10 车轮外倾角优化前后对比

3 双横臂悬架系统的优化

3．1 优化目标的确定

根据分析结果，本次优化主要针对车轮前束角、车轮外倾角、主销内倾角、主销外倾角的不良变化规律．在车辆设计时，一般希望车轮前束角在车辆上下跳动时几乎不变，或仅发生微小变化，且车轮前束角变化过大是导致车轮摆振的重要原因之一，故将车轮前束角变化范围作为主要优化目标，同时使其它三项车轮定位参数变化范围尽可能小．

3．2 优化变量的选择

由于增程器微型电动车已经试制完成，从悬架改制的简易性和可行性出发，本次优化选取上下横臂前后硬点以及转向横拉杆与转向器连接点的坐标值作为优化变量．

5个硬点在X，Y，Z三个方向上共有15个坐标值，如果对所有坐标值进行优化，所需的迭代次数非常之多．故先利用ADAMS/Insight对15个坐标变量对优化目标的影响进行分析，选取影响较大的坐标变量作为优化变量．分析结果列于表1，并用☆表示坐标变量对相应的优化目标的影响大小．

表1 各硬点坐标对车轮定位参数影响程度总结表

3．3 多因素、多目标的车轮定位参数优化

ADAMS/Insight是ADAMS中的一个模块，用户可以快速分析多个设计变量、实验，细化系统直至达到系统最优性能．为了比较系统的不同设计，可以将ADAMS的输入参数化，将这些参数变成“因子”，用ADAMS/Insight设计复杂的实验方案，测量机械系统的性能[5]．它可以提供一系列的统计工具，来分析试验结果以更好的改进和细化模型．在ADAMS/Insight中，用户可以对车轮定位参数的一项或多项进行优化，使之达到理想值．本文通过对悬架的部分硬点进行改变而达到优化车轮定位参数的目的．

在ADAMS/Insight模块中，对刚才筛选出来的8个坐标变量进行分析，设定每个坐标变量的变化范围为±20mm．ADAMS/Insight对8个坐标变量进行迭代计算，由于计算量及其庞大，所以本文只进行128次的部分迭代工作．

迭代结束后，ADAMS/Insight自动将优化结果保存在交互式网页中．如图6所示．下表是悬架优化前后硬点坐标．

表2 悬架优化前后硬点坐标

调整原双横臂悬架模型的硬点参数，再次进行仿真，并将仿真结果与优化前结果对比．

由图7可知，优化后前束角随车轮上下跳动从优化前的－2．0～1．5deg到只有微小改变．这不仅减轻了车轮的摆振现象，改善车辆直线行驶稳定性，而且减轻了轮胎的磨损．由图8可知，主销内倾角从优化前的10～17．5deg改变为优化后的11．7～14．7deg，变化范围明显减少．

由图9可知，主销后倾角从优化前的－1．0～4．0deg，改变为优化后的0 ～2．5deg，虽然没有达到理想的理想的2～3deg，但考虑到微型小车的行驶速度通常较低，对高速回正性能要求不高，而主销后倾角主要对高速回正性能有贡献，并且较小的主销后倾角有利于改善转向操纵沉重，减轻轮胎磨损，所以优化结果还能接受．车轮外倾角从优化前的－6．0 ～1．75deg，改变为优化后的－3．5 ～0．25deg．在车轮上跳50mm时，外倾角的改变只有0．25°，满足设计要求，在车轮下跳超过30mm时，外倾角变化超过设计要求．这是因为ADAMS/Insight为了兼顾其它三项优化目标而放弃外倾角部分优化利益的缘故．

总体来看，此次优化大大改善了主优化目标车轮前束角随轮跳的变化范围，与此同时其它优化目标也得到了相应的改善．因此此次优化是成功的，有效的．