基于试验设计的前轮定位参数优化设计

王凯强，王登化

（1.常州科研试制中心有限公司，江苏 常州 213023；2.江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013； 3.江苏省煤矿井下防爆车辆重点实验室，江苏 常州 213023）

1 麦弗逊悬架在ADAMS/Car 中模型的建立

本研究对象前悬是采用麦弗逊悬架，如图1 所示主要由减震器总成，转向器总成、副车架总成、下摆臂总成前轮胎和制动器总成组成。由在ADAMS/CAR 中自带有麦弗逊悬架的模板，通过修改硬点和弹簧、减震器等参数可很快得到需要建的新模型如图1。

2 前轮定位参数对煤矿辅助运输运人车辆操纵稳定性的影响

煤矿辅助运输运人车辆的前轮定位角包括主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和前轮前束角，是用来保证车轮在底盘上位置的精确而设置的，它们的大小对煤矿辅助运输运人车辆直线行驶的稳定性以及转向的轻便性有很大影响。同时，前轮定位角对车轮转向后车轮起到自动回正和减少行驶中轮胎和转向机件的磨损。因此，车轮定位参数对煤矿辅助运输运人车辆的操纵稳定性有很大的影响。

图1 三维建模图及模型

当主销内倾角太大的时候，车轮绕主销偏转的时候，轮胎将会受到路面较大的摩擦力，使煤矿辅助运输运人车辆的转向沉重，同时也加剧了轮胎的磨损；当主销内倾角太小的时候，力矩的增加会使煤矿辅助运输运人车辆的转向变得沉重，煤矿辅助运输运人车辆直线行驶的稳定性变差，驾驶员必须时刻注意把握方向盘，加大了驾驶员的精神负担；当车轮两端的内倾角不相等时，会导致左右轮的抗冲击能力不等，使煤矿辅助运输运人车辆在行驶的过程中往内倾角小的一侧跑偏。

由此可见，确定正确的前轮定位参数，对整车的性能尤其是操纵稳定性很重要。

3 基于ADAMS/Insight 的试验设计方法

试验设计是通过设计试验方案，进行合理的科学设计，用较少的试验次数寻求试验空间的近似最优点，并对所得数据进行分析，确定最优的试验方案。试验设计包括对试验参数变量和试验结果的分析，适用于参数变量很多且变量之间存在交互作用的试验分析。

3.1 前轮定位参数的优化设计

为了对原有样车的煤矿辅助运输运人车辆定位参数进行优化，本文对前悬的安装硬点进行了优化，该微车前悬采用的是麦弗逊悬架，选取的安装硬点包括：下摆臂和副车架的之间连接的前安装点lca_front 和后安装点lca_rear，轮毂和下摆臂的连接点lca_outer，轮毂和转向横拉杆的连接点tierod_outer，减震器的上下安装点top_mount 和lwr_ mount，转向横拉杆断开点tierod_inner，由于所考虑的点比较多，而且每个点有三个方向的坐标，因此首先必须从这些影响因素中选出灵敏度高的，为前轮定位参数的优化设计做准备。

3.1.1 初选变量

考虑到实际生产中改动的可能，初步选择的设计变量的硬点有：下摆臂的三个点Lca_front、lca_rear、lca_outer、前悬减震器上端与车身的连接点top_mount 以及转向横拉杆上的点tierod_outer、tierod_inner，这六个点对应为X,Y,Z坐标一共18 个设计变量，设置这18 个设计变量分别左右扩展10mm。

3.1.2 目标函数的确定

通过查阅国外大量同类车型的资料, 取该车在满载时的理想设计定位角参数为：前轮外倾角取车轮外倾角,主销内倾角, 主销内倾角，前轮前束角。 由于车轮的四个定位参数存在着交互的作用，单独对一个参数的优化往往会引起其他参数质量的变差，因此本文中对这个多目标优化问题建立了如(1)式的目标函数：

式中：obj1 表示的是车轮跳动过程中各参数的波动量。

为研究政府补助对于机构投资者跟进行为的影响，本文构建了模型 （9），并按业绩状况对模型 （9）进行了分组回归。

车轮在上下跳动中会对轮胎产生一定的磨损，因此在优化悬架参数的时候，必须将这一点考虑进去，在这里可以建立如（2）式的目标函数，其中Track。是理想的轮距变化量。

式中：obj2 表示与理想轮距变化量的差值，Track表示平跳过程中轮距的变化量。

最终建立的目标函数为：

其中ki为权系数，根据各目标的重要性而定，本文中k1=k2=1，视两个目标同样重要。

3.2 灵敏度的分析

图2 灵敏度分析

通过在ADAMS/Car 中所建的麦弗逊悬架模型，进行悬架的台架试验，对两轮同向跳动激励仿真，上跳行程和回跳行程分别为50mm 和-50mm。在ADAMS/Insight 中对上述18 个坐标设置成变量，分别对前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角和前轮前束经行灵敏度的分析，在灵敏度的筛选试验中，采用64 次试验，可以保证将所有的可能情况实现，以下分别为所有变量对车轮定位角变化的灵敏度分析图2-图3 所示。

3.3 正交实验设计

通过在ADAMS/Insight 所得到的灵敏度分析结果，结合实际工程中结构改动的可能，最终我们选取了Lca_front_y、Lca_front_z、lca_outer_y、lca_outer_z 这四个坐标作为进一步优化中的设计变量，这四个设计变量依次定义为设计变量A、B、C、D。不考虑这四个设计变量之间的交互作用，所以先初步将每个设计变量设置成三水平，再建立四因素三水平的正交试验表。

将优化后的结果数据代入ADAMS/Car 中，进行悬架台架试验，可以得到优化后的前轮定位参数和轮距随轮跳距离的变化，与优化前的曲线对比如图3 所示（其中实线为优化前，虚线为优化后）：

图3 优化对比曲线

4 优化结果的分析

从图3 及表1 中可以得之，车轮在上下跳动的过程中， 四个定位角的变化在一定程度上得到了改善，变化趋势都有所减少，这样就提高了车轮在跳动过程中悬架的性能。其中主销内倾角的变化较大，更加贴近理想的设计值，而且在车轮的整个跳动过程中，轮距横向滑移量最大值从17.5mm 减小为15.4mm，一定程度上缓解了车轮跳动中对轮胎的磨损，这些优化将对该车的总体操纵稳定性产生积极的影响。

表1 优化前后前悬架车轮定位参数和轮距侧向滑移量结果对照表

5 结语

通过在ADAMS/Car 中所建的麦弗逊悬架模型，使用DOE Screening 进行了多个设计变量的灵敏度分析，利用正交试验设计的方法对现有的微车前悬数据进行了优化。结果证明，该试验使四个定位角及轮胎横向滑移量更贴近设计值，减少了轮胎的磨损，增加了车辆的操纵稳定性和行驶平顺性。同时，也证明了这种试验方法具有很好的优化性和灵活性，可以在实际的生产设计中予以借鉴和推广。