基于灵敏度分析的某重卡车转向悬架运动干涉多工况多目标优化分析

摘 要：文章为避免商用卡车转向悬架的运动干涉问题，在工作中逐渐探索并使用多体分析软件ADAMS car 2021，建立了某重卡前双轴转向及其悬架系统的多体模型，采用仿真手段对转向悬架运动干涉所涉及的几个工况进行仿真，并建立了前一轴、前二轴运动干涉的参变量函数作为两个优化目标，以及与其目标相关的变量参数，采用合适的优化算法分析出各参变量的灵敏度数据，据此再对转向悬架运动干涉问题进行了进一步的优化分析，然后据分析结果向底盘部输入了转向悬架系统的最佳硬点布局数据，此后经三维软件DUM模块进行了相关工况的运动分析和验证，确认了输入的硬点布置数据合理有效。

关键词：转向悬架 运动干涉 灵敏度 Insight 优化分析

1 绪论

一般商用卡车的转向悬架结构中，转向传动装置主要由转向摇臂、直拉杆和转向节臂等几个重要部分组成，前悬架一般是板簧形式的悬架结构。国内平头卡车结构由于布置空间的限制，转向直拉杆前点和板簧悬架的运动中心很难在整车ZX投影面内重合于一点，当车辆处于起伏路面或制动时，转向直拉杆后点（转向节臂内点）既绕转向直拉杆前点旋转，又绕板簧悬架运动中心旋转，理论上必然会产生转向悬架运动干涉问题[4]，导致转向轮产生偏转现象，影响车辆在起伏路面的行驶稳定性，以及制动跑偏问题。因此转向悬架运动干涉分析的主要目的是使车辆在实际使用过程中，转向直拉杆后点在以悬架运动中心的旋转运动与绕直拉杆前点的旋转运动过程中干涉量最小，使车辆在高速直线行驶状态具有良好的直线行驶稳定性；车辆在紧急制动时不跑偏或具有较小的跑偏量，以提升车辆的制动安全性。

国标《营运货车安全技术条件》规定：总质量大于或等12吨，最高车速大于90km/h的载货车，应安装自动紧急制动系统（AEBS）[5]。当车辆制动产生较大跑偏量时，会导致自动紧急制动系统（AEBS）探测不到检测目标而失效，车辆将不满足营运货车安全技术条件。因此商用卡车的转向悬架运动干涉分析和优化，是商用卡车研发过程中一项十分重要而且必要的工作。下面将通过基于灵敏度数据分析的、某重卡转向悬架运动干涉多工况多目标的优化分析工作论述，意在为同行提供另一种分析研究此问题的新方法抑或参考。

前期高海龙、王昆等也于2021年也研究了基于灵敏度分析ADAMS Insight方面的优化工作，见《DAMS的整车平台硬点优化方法》，但其只能按单一工况进行优化，且需要对每一轮优化结果进行分析验证[2]，寻优效率不高，甚至难于实现某些优化工作。本文则在此基础上实现了对优化目标的多工况兼顾优化，可以直接给出最终的优化方案，进行一次优化结果验证即可。

2 分析模型的建立与相关工况分析

2.1 分析模型的建立

由设计输入的数模和参数逐一建立转向输入、转向传动、前1和2轴板簧、前1和2轴悬架、车轮等各系统的子模板（板簧子模板的垂向刚度，应和板簧二维图上所标示的板簧夹紧刚度保持一致。分别在转向输入系统子模板中直拉杆两端，转向传动系统子模板的直拉杆（二桥转向直拉杆）两端，建立两个间距测量函数DM1和DM2备用（DM1和DM2需对轮心处于零位时进行置零处理）。然后将各子模板生成子系统，再组装成前双轴转向悬架的初步装配模型，如下图1所示，然后对悬架模型进平行轮跳分析，在后处理查看前1、2轴零位处的轮心力，如下图2所示，看其数值加上轮胎重量是否和设计轴荷（或实车测试轴荷）相等；查看悬架的限位间隙、板簧剩余弧高是否和满载设计值一致；如不一致就继续调整板簧子模板和限位参数等，直至和设计（或实测）值一致为止。

2.2 相关工况分析

优化转向悬架运动干涉的目的，一方面使车辆在起伏路面行驶时，减少路面激励对方向盘的冲击，提升操纵稳定性能；另一方面为了提高所开发产品的制动安全性，降低制动跑偏量，使产品满足法规及AEBS等辅助驾驶系统的功能使用要求，因而根据一些试验测试数据制定了三个分析工况：1）上跳50mm；2）下跳50mm；3）0.5g制动（或根据车辆的不同指定）等三个工况。工况分析完成后，将在软件左侧模型树结构analysis分项呈现三行分析结果如下图3所示。

3 Insight优化分析

3.1 优化分析模型的建立

（1）新建优化分析试验：进入ADAMScar2021的Insight模块，新建一个优化分析试验（experiment_x1）如下图4所示，选择图3所示的3个分析工况，作为优化分析的执行工况，确认建立优化分析试验。

（2）新建优化分析目标：在创建设计目标对话框，通过定义测量选项，选择2.1中建立的两个间距测量函数DM1和DM2作为优化目标，并把优化方式定义为仿真过程中最小化DM1＼DM2的绝对值，完成两个优化目标的建立。

（3）定义优化变量因子：根据优化需要，选择转向系统子模板前轴FA1转向节臂内点三向坐标，以及转向传动系统子模板二轴FA2转向节臂内点三向坐标，作为优化变量因子，如下图6所示。如对FA1轴转向节臂内点的Z向变量进行定义，考虑设计制作问题，Z向采用离散值，相对初始值进行定义，容差设置为0，调整模式设置为适度模式。（4）定义优化计算模式，生成优化计算工作空间：对优化试验的方式、模型以及优化试验的类型，一一进行定义，如下图7所示，优化试验类型选择响应面模型，模型采用互动式，优化计算方法选取拉丁超立方法，然后生成优化计算的工作空间。

3.2 优化分析计算及优化结果初步校验

（1） 优化分析和优化试验拟合状态检查：优化分析模型建立完成后，执行优化分析计算，计算完成后，查看优化拟合的回归情况。如下图8、图9所示。首先查看两个优化目标GS_01、GS_02中的P值都是0，标示显示绿色，表明拟合表达式中各项都有用，且都与响应相关；R2值都大于0.9，标示显示绿色，表明回归模型的平方和与原始数据的平方和之比比较接近；R2adj和R2的比值接近1，标示显示绿色，表明本次的优化试验拟合的非常好[2]；R/V值，GS_01是92.4，GS_02是136，标示显示绿色，表明模型的计算值和原始数据点之间的预测关系良好。这些优化分析的计算输出数据说明本次优化试验的拟过程和拟合结果较为可信。

（2）确定优化变量的灵敏度并进行优化分析：在确定优化试验拟合计算过程可信后，导出分析结果的网页文件，然后打开此网页文件，查看各优化因子相较于优化目标既转向悬架的运动干涉量GS_01和GS_02的相关性影响灵敏度值，如上图10所示，把灵敏度值高的确定为主要的优化变量，然后对其取值进行调整，如下图12所示，可以快速高效的找到满足优化目标GS_01、GS_02要求的变量值。

（3）优化结果初步校验：根据优化结果确定的变量值，带入原多体模型结构进两个平跳和一个制动工况的仿真分析，分析结果如下图12和图13所示，前一轴FA1的平跳工况，转向拉杆的最大干涉量为0.56mm，小于目标要求1mm；制动工况最大干涉量为0.18mm，小于目标要求0.5mm。前二轴FA2的平跳工况，转向拉杆的最大干涉量为0.6mm，制动工况最大干涉量为0.15mm，同样满足干涉量分别小于1mm和0.5mm的要求。说明此次基于灵敏度的优化仿真分析，快速有效的给出了-此型重卡基于转向悬架运动干涉问题的合理硬点布置数据。

4 总结

商用卡车转向悬架运动干涉问题主要体现在两个方面，一个是跳动转向、另一个是制动跑偏。转向悬架运动干涉问题的传统分析方法是运用平面作图法，这种方法对于跳动转向工况，其忽略了杆件的空间布置、板簧衬套刚度，以及板簧悬架由于吊耳作用，悬架在压缩或伸张时其刚度的些许的变化等，分析精度较低；另外对于制动跑偏工况，由于制动过程中板簧S变形图难以绘制，板簧的S变形状态及其变形的最大位置点都难以确定，很难使用平面作图法对这一工况进行分析。此项工作通过多体仿真的方式进行分析究，很好的避免了上述问题。

上文基于灵敏度数据分析的某重卡车转向悬架运动干涉多工况多目标的优化分析工作，说明多体仿真分析和基于灵敏度的分析结合，是一种相辅相成的分析方法，再把多个工况和多个目标集成进行优化仿真，可以很好的提高多体仿真优化效率。本文主要意在为同行在转向悬架运动干涉问题的分析方面提供另一种分析方法或参考。因此次运用多体模型进行的仿真优化，集成了多工况和多目标，以及参考参变量的灵敏度分析，读者可以参考此法对其他多体仿真问题，如KC仿真、操稳平顺性能进行类似的优化仿真和分析，一起进行研讨和提高。

5 展望

（1）因本次仿真，车架、转向传动系以及车桥，建模均采用的是刚体建模，还有仿真工况都是基于经验算法，希望后期能通过对车辆制动和起伏路面载荷谱的采集，修正建模方式以及施加于模型的工况算法。

（2）能通过转向干涉台架试验，快速检测优化仿真结果，使仿真过程更符合实际工况。

（3）望质量和装配部门能输入转向传动系的杆系以及车桥节臂等关键零部件的制造和装配误差，把这些误差带入优化仿真过程，进一步分析研究仿真分析结果的离散度和鲁棒性。

参考文献：

[1]王彦伟，王承凯.ADAMS/Car汽车底盘动力学虚拟开发[M].北京：机械工业出版社，2023.

[2]高海龙，王昆.基于ADAMS的整车平台硬点优化方法[M].北京：AI汽车网，2021.

[4]王霄峰.汽车底盘设计第2版[M].北京：清华大学出版社，2018.

[5]董金松，张浩，张红卫，等.JT/T1178《营运货车安全技术条件》中华人民共和国交通运输行业标准[R].北京：人民交通出版社股份有限公司出版，2018.