汽車麥弗遜懸架性能仿真

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1、汽車麥弗遜懸架性能仿真 汽車麥弗遜懸架性能仿真 2014/08/13 《計算機仿真雜志》2014年第六期 1懸架系統(tǒng)設(shè)計原理 1．1懸架系統(tǒng)運動特性在車輛行駛中，由于路面不平或車輪垂直載荷變化，懸架導(dǎo)向桿系的運動及變形，車輪定位參數(shù)隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致輪胎側(cè)偏特性改變;在汽車曲線行駛時懸架上的車身將發(fā)生側(cè)傾，引起汽車側(cè)傾轉(zhuǎn)向和變形轉(zhuǎn)向。因此，懸架系統(tǒng)運動特性的好壞直接會影響到車輛的操穩(wěn)性、乘適性以及輪胎的使用壽命。前束角是車輪中心線與汽車縱向?qū)ΨQ軸線之間的夾角。它與

2、外傾角共同作用，保持車輪純滾動和直線行駛，減少輪胎的異常磨損。為保持行駛的穩(wěn)定性，應(yīng)使前束角變化限在較小的范圍內(nèi)，一般要求在車輪上跳50mm時達到(－0.5，0)，即弱負前束變化，同時變化范圍越小越好。前輪外傾角是指前輪中心平面偏離鉛垂軸向外傾斜的角度。采用麥弗遜懸架的轎車一般采用負的前輪外傾角。其目的是防止汽車轉(zhuǎn)向行駛、車身發(fā)生側(cè)傾時外側(cè)車輪具有正的側(cè)傾角;外傾角的另一個重要作用是產(chǎn)生外傾推力，外傾推力對前輪能增加其不足轉(zhuǎn)向趨勢。但外傾角應(yīng)選擇適當，因為過大的外傾角會使輪胎產(chǎn)生偏磨損。主銷內(nèi)傾角是指主銷軸線與整車縱向中心平面在豎直平面內(nèi)投影的夾角，它有使車輪自動回正的作用。主銷內(nèi)傾有利于主銷

3、內(nèi)傾偏移距的減小，從而減少轉(zhuǎn)向時需要施加給方向盤的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便靈活，同時也可減少從轉(zhuǎn)向輪傳到方向盤上的沖擊力［6］。當前在整車開發(fā)過程中，主銷內(nèi)傾角的范圍一般選在7～13之間，并希望取較小值。主銷后傾角是主銷的軸線相對于豎直平面向后傾斜的角度。主銷后傾角的作用是在中高速行駛中保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，適當?shù)募哟笾麂N后傾角可以幫助轉(zhuǎn)向輪自動回正。但后傾角過大，則在低速轉(zhuǎn)向時會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。主銷后傾角過小，會造成直線行駛不穩(wěn)定，使車輪晃動，加劇前輪的磨損［6］。主銷偏移距是前視圖中主銷軸線接地點與輪胎接地平面中心點之間的距離。轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷轉(zhuǎn)動，地面對輪胎的阻力力矩與主銷偏距的大小成

4、正比。所以一般希望得到比較小的主銷偏距，從而減少作用于轉(zhuǎn)向盤上的力和降低地面對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊。但主銷偏移距直接受到主銷內(nèi)傾角的影響，內(nèi)傾角越大，主銷偏距的值越小。較理想的主銷偏距范圍為－10～30mm，希望取較小值［7］。 1．2難點分析如果能提前選定較為合理的懸架空間幾何尺寸，如結(jié)構(gòu)參數(shù)，該汽車便可以得到好的運動學(xué)、動力學(xué)特性。因此如何使懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)是本文要解決的關(guān)鍵問題。 2麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 2．1建模進行優(yōu)化設(shè)計的原車型為某小型轎車，前懸架采用左右對稱的麥弗遜懸架，主要由下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器、螺旋彈簧、橫拉桿、輪轂、副車架、車身共8個剛體組成。根據(jù)其空間結(jié)構(gòu)可以抽象出如

5、圖2所示的前懸架1/2結(jié)構(gòu)模型。假設(shè)除彈簧、減振器、橡膠襯套外的懸架各部件都是剛體;各運動副之間的摩擦忽略不計。麥弗遜前懸架的硬點坐標如表1所示，在ADAMS中建立麥弗遜模型如圖3所示。 2．2設(shè)置優(yōu)化目標函數(shù)在汽車行駛過程中，當路面凹凸不平時，輪胎和車身之間的相對位置會發(fā)生變化，同時車輪定位參數(shù)就會相應(yīng)地變動。如果車輪定位參數(shù)變動過大，會加劇輪胎和轉(zhuǎn)向機構(gòu)零件的磨損并降低整車操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性，因此，設(shè)計時的車輪定位參數(shù)變化量不能太大。該懸架性能優(yōu)化的目的是使定位參數(shù)在懸架運動過程中變化范圍趨向最小。優(yōu)化目標函數(shù)可表示為: 2．3約束變量考慮到生產(chǎn)實現(xiàn)的難易程度，通過改變懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

6、硬點坐標參數(shù)來實現(xiàn)對整車定位參數(shù)的優(yōu)化，從而改善懸架行駛性能的目的。將需要優(yōu)化的懸架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)硬點坐標參數(shù)作為設(shè)計變量。這里將減振器上點和下擺臂球銷中心選為設(shè)計變量，共6個，見表2，再對這些變量參數(shù)化。 2.4免疫算法免疫算法是將人工免疫的概念及理論和遺傳算法相結(jié)合，它不僅保留了遺傳算法本身的優(yōu)良特性，還通過增加免疫算子來抑制其迭代過程中出現(xiàn)的退化現(xiàn)象，并提高免疫算法的收斂速度［8］。優(yōu)化的目標是搜索多峰值函數(shù)的多個極值。將抗原和抗體分別對應(yīng)優(yōu)化問題的目標函數(shù)和可行解，把抗體和抗原的親和力視為可行解與目標函數(shù)的匹配程度;用抗體之間的親和力保證可行解的多樣性，通過計算抗體期望生存率來促進較優(yōu)抗體

7、的遺傳和變異，用記憶細胞單元保存擇優(yōu)后的可行解來抑制相似可行解的繼續(xù)產(chǎn)生并加上搜索到全局最優(yōu)解［9］，其基本步驟如圖4所示。 2．5仿真及優(yōu)化結(jié)果分析根據(jù)實際樣車，設(shè)置車輛及懸架的相關(guān)參數(shù):輪胎半徑為317.5mm，輪胎的垂向剛度為219.16N/mm，簧載質(zhì)量為635.95kg，質(zhì)心高度為433.268mm，軸距為2700mm。車輛及懸架參數(shù)的設(shè)定如圖5所示。在Adams/View中添加免疫算法來編譯并注冊，通過ADAMS軟件編譯產(chǎn)生動態(tài)鏈接庫(．dll)文件。利用動態(tài)鏈接庫技術(shù)，建立Adams/View與目標函數(shù)的鏈接，然后運用Adams的View模塊下的“DesignEvaluatio

8、nTools”接口調(diào)用所編寫的免疫算法優(yōu)化麥弗遜模型。獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)后，進入優(yōu)化算法的基本流程。同時利用ADAMS/Solver求解器求解目標函數(shù)及其相關(guān)參數(shù)的值。程序根據(jù)優(yōu)化算法內(nèi)部設(shè)定的條件判斷是否終止計算。對懸架執(zhí)行平行輪跳試驗。平行輪跳試驗是指激勵左右車輪同步跳動引起的懸架運動。當車輪遇到障礙物時、當路面不平會上下顛簸時、當汽車加速引起車身縱傾時、當車身側(cè)傾時等多種運動都會引起懸架運動，而平行輪跳試驗?zāi)茌^為直觀的反映懸架運動特征，是分析懸架運動合理性的重要依據(jù)。對懸架模型執(zhí)行一個跳動量為－50mm～50mm的動力學(xué)仿真并繪制結(jié)果。優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。優(yōu)化結(jié)束后，提取優(yōu)化前后的

9、曲線圖進行對比。其車輛的定位參數(shù)變化特特曲線如圖6～圖10所示。1)前束角ToeAngle該車的前束角優(yōu)化前后的對比圖如6所示，圖中前輪跳動時前束角的變化量由0.82變?yōu)?.39縮減了52.4%，前束角變化量減小可改善輪胎的磨損情況，提高輪胎使用壽命。2)前輪外傾角CamberAngle該車的前輪外傾角優(yōu)化前后對比圖如圖7所示，該車前懸架外傾角在空載到滿載范圍內(nèi)呈現(xiàn)減小(內(nèi)傾)的趨勢，隨后外傾角有增大趨勢，但是在整個車輪跳動范圍內(nèi)外傾角變化較小，這種設(shè)計有利于減少直線行駛時輪胎的磨損和增加汽車直線行駛時的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的模擬值與前束角變化特性相適應(yīng)。3)主銷內(nèi)傾角KingpinInclinat

10、ionAngle該車的主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比圖如圖8所示，本次優(yōu)化中主要為了優(yōu)化偏置距，所以主銷內(nèi)傾角略有增大，但仍在合理范圍內(nèi)。4)主銷后傾角CasterAngle該車的主銷后傾角優(yōu)化前后對比圖如圖9所示，主銷后傾角比優(yōu)化前小，有利于提高低速轉(zhuǎn)向輕便性。5)主銷偏置距ScrubＲadius該車的主銷偏移距優(yōu)化前后對比圖如圖10所示，主銷偏置距在跳動過程中縮小，使轉(zhuǎn)向更省力，取得了明顯的優(yōu)化效果。從以上對比曲線中可以看出，用免疫算法優(yōu)化后，前束角的變化趨勢明顯好轉(zhuǎn)，主銷后傾角和主銷偏置距也有一定的優(yōu)化效果，提高了車輛的操作穩(wěn)定性同時減少了輪胎的磨損，實現(xiàn)了優(yōu)化目標。 2.6實車驗證為了進一步

11、說明免疫算法優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)的可信型，將懸架優(yōu)化后的車輛進行K＆C臺架試驗驗證，其試驗臺主要由中心平臺、4個車輪平臺、測量系統(tǒng)和慣性系統(tǒng)組成，如圖11所示。仿真結(jié)果與K＆C臺架試驗結(jié)果對比見表4，從表中可以看出仿真值與試驗值雖存在一定的誤差，但從對比結(jié)果來看總體差值在10%以內(nèi)，這說明仿真模型還是具有很高的實用價值，對于同類型的懸架開發(fā)工作，可將此仿真模型作為懸架開發(fā)的基礎(chǔ)工具并在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同的整車參數(shù)進行懸架參數(shù)調(diào)整。 3結(jié)束語 本文針對以往一些算法的不足，提出了一種基于免疫算法的麥弗遜懸架優(yōu)化方法。根據(jù)懸架系統(tǒng)設(shè)計原理建立其結(jié)構(gòu)模型，然后利用Adams/Car建立某轎車前麥弗遜懸架

12、的仿真模型，通過分析該懸架定位參數(shù)隨車輪跳動的變化情況，優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定車輛運動特性參數(shù)如前束角、前輪外傾角、主銷后傾角和主銷偏置距等隨車輪上下跳動的變化特性，并對前束角、主銷后傾角及主銷偏置距進行優(yōu)化，并進行實車臺架試驗驗證。結(jié)果表明，優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)使各車輪定位參數(shù)及變化范圍達到了比較理想的效果。盡管本文是以麥弗遜懸架為對象開展的研究工作，但提出的優(yōu)化方法和思路，對其它類型的懸架優(yōu)化同樣具有指導(dǎo)意義。 作者：李翔晟陳江英高治凌單位：中南林業(yè)科技大學(xué)機電工程學(xué)院眾泰汽車控股集團有限公司汽車工程研究院 上一個文章： 勘探協(xié)同研究云平臺的設(shè)計下一個文章： 汽車發(fā)動機設(shè)備故障檢測