李葉松，王英乾

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東佛山 528300）

1 常見的汽車前懸架動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化方法及其不便之處

在汽車的前懸架的設(shè)計(jì)中一般使用ADAMS軟件中的Car 模塊（圖1）進(jìn)行仿真和優(yōu)化。首先利用軟件對車輛的前懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行建模，之后對輪跳和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行仿真，接著通過后處理窗口查看仿真運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，分析結(jié)果后進(jìn)行硬點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整，然后再次仿真。重復(fù)調(diào)整和仿真步驟直至結(jié)果滿意為止。

圖1 ADAMS/Car 仿真界面中的動(dòng)力學(xué)模型

這種方式在仿真結(jié)果的觀察和硬點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整上不是很方便。觀察結(jié)果的過程中需要分別觀察兩次仿真結(jié)果的圖表，不能直觀的觀察硬點(diǎn)坐標(biāo)調(diào)整后對兩個(gè)工況（輪跳和轉(zhuǎn)向）的影響情況。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)和懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)往往相互影響，經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)整好一個(gè)工況的坐標(biāo)后發(fā)現(xiàn)另一個(gè)工況也被影響的情況，所以就需要多次反復(fù)于兩個(gè)工況的仿真和調(diào)整之間，過程比較繁瑣，優(yōu)化效率不高。

圖2 ADAMS/Car 后處理界面查看仿真結(jié)果

2 基于ADAMS／View 的輪跳轉(zhuǎn)向聯(lián)合仿真優(yōu)化方法簡介

一般來說，汽車的前懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都與車輪的轉(zhuǎn)向節(jié)相連接，所以車輪的跳動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)對兩系統(tǒng)的參數(shù)變化同時(shí)產(chǎn)生影響，因此在汽車前懸架的設(shè)計(jì)過程中，把懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行建模仿真和調(diào)整優(yōu)化，這樣的方式是比較合理的。

利用ADAMS 軟件中的View模塊（圖3）可以對汽車前懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)模型，輪跳運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)同時(shí)仿真，兩系統(tǒng)的幾何參數(shù)優(yōu)化可以同時(shí)進(jìn)行。

相較于分別對兩系統(tǒng)仿真優(yōu)化的方法來說，這種方法在結(jié)果的觀察時(shí)更加方便直觀，調(diào)整坐標(biāo)后能在一個(gè)界面上同時(shí)觀察兩個(gè)或多個(gè)工況的參數(shù)變化情況（圖3），因此可以盡量避免因參數(shù)相互影響需要反復(fù)調(diào)整的情況發(fā)生，提高設(shè)計(jì)效率。

圖3 ADAMS/View仿真界面與仿真結(jié)果查看

3 ADAMS／View 輪跳轉(zhuǎn)向聯(lián)合仿真優(yōu)化操作方法

3.1 在ADAMS/View 中建立前懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

3.1.1 導(dǎo)入硬點(diǎn)

硬點(diǎn)坐標(biāo)一般在CAD 軟件中采集，并更改名稱，方便之后的查找和操作。

3.1.2 創(chuàng)建部件

創(chuàng)建主銷、上橫臂、下橫臂、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、車輪、測試平臺(tái)、彈簧、轉(zhuǎn)向柱、方向盤、轉(zhuǎn)向齒條等部件。

3.1.3 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副

各部件之間建立合理的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行約束。

3.1.4 驗(yàn)證模型通過軟件的檢測程序檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠裼绣e(cuò)誤。

圖4 創(chuàng)建完成的前懸架動(dòng)力學(xué)模型

3.2 仿真分析

3.2.1 添加輪跳驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)并仿真

驅(qū)動(dòng)添加完成后即可對模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，輸入終止時(shí)間為5，步數(shù)50，然后觀察模型的運(yùn)動(dòng)情況。

表1 添加驅(qū)動(dòng)

3.2.2 建立重要參數(shù)的測量函數(shù)

測量函數(shù)如表2 所示，最后查看仿真結(jié)果。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

此前懸架數(shù)據(jù)是來自一款特種作業(yè)的越野車型（圖5），一般工況是在坑洼路面低速行駛（40～60km/h），所以此次優(yōu)化的重點(diǎn)有以下兩點(diǎn)。

表2 建立測量函數(shù)

圖5 越野工作車

第一點(diǎn)是改善坑洼路面的行駛穩(wěn)定性。因此車輪在懸架運(yùn)動(dòng)中外傾角和前束角的變化量不得過大，否則會(huì)造成坑洼路面行駛時(shí)出現(xiàn)“擺振”現(xiàn)象。

第二點(diǎn)是優(yōu)化轉(zhuǎn)向阿克曼角。過大和過小的轉(zhuǎn)向阿克曼角都會(huì)造成輪胎拖滑，造成指向不精準(zhǔn)，同時(shí)也會(huì)加劇輪胎的磨損。

一般來說轉(zhuǎn)向阿克曼角設(shè)計(jì)需要先根據(jù)車輛的輪距軸距等參數(shù)計(jì)算得出數(shù)據(jù)，然后繪制轉(zhuǎn)向特性曲線（如圖6），最后進(jìn)行擬合優(yōu)化。因?yàn)榇朔椒ㄉ婕暗臄?shù)據(jù)量較大，優(yōu)化過程較為繁瑣，所以這里為了提高設(shè)計(jì)的效率，僅做了最大轉(zhuǎn)角下阿克曼角的優(yōu)化。這樣可以在快速完成優(yōu)化的前提下最大程度的保證優(yōu)化效果。

圖6 理論轉(zhuǎn)向特性曲線

3.3.1 確認(rèn)優(yōu)化目標(biāo)

觀察優(yōu)化前的仿真結(jié)果圖表可以看出，車輪外傾角和車輪前束角在輪跳運(yùn)動(dòng)中變化過大，分別達(dá)到了4°和9°（圖7、8），認(rèn)定為優(yōu)化目標(biāo)，數(shù)值在2°以內(nèi)比較合理。

圖7 優(yōu)化前車輪外傾角

圖8 優(yōu)化前車輪前束角

車輪側(cè)向滑移量在輪跳運(yùn)動(dòng)中達(dá)到了35mm（圖9），數(shù)值偏大，認(rèn)定為優(yōu)化目標(biāo)，數(shù)值在20mm以內(nèi)比較合理。

圖9 優(yōu)化前側(cè)向滑移量

左右兩側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)向角度相減可以得出最大轉(zhuǎn)角下的阿克曼角，數(shù)值為4°，角度偏小，認(rèn)定為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合車輛的輪距和軸距等參數(shù)，通過計(jì)算可以得出最大轉(zhuǎn)角下的阿克曼角應(yīng)在10°左右。

3.3.2 優(yōu)化硬點(diǎn)坐標(biāo)

圖10 優(yōu)化前左側(cè)輪轉(zhuǎn)向角

圖11 優(yōu)化前右側(cè)輪轉(zhuǎn)向角

表3 所示的硬點(diǎn)靈敏程度是由多次的仿真和調(diào)整經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后得出的結(jié)論。優(yōu)化過程中，可以參考上述表格，針對相關(guān)參數(shù)影響較大硬點(diǎn)的三向坐標(biāo)反復(fù)、多次手動(dòng)調(diào)整，使得優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到、甚至超過預(yù)期值。

表3 硬點(diǎn)位置對車輪定位參數(shù)的影響

3.3.3 優(yōu)化后結(jié)果

經(jīng)過多次對相關(guān)硬點(diǎn)三向坐標(biāo)的交叉、往復(fù)調(diào)整，選取一組較為優(yōu)秀的目標(biāo)函數(shù)值呈現(xiàn)如下。

通過觀察優(yōu)化后仿真結(jié)果（圖12～16）可以發(fā)現(xiàn)：調(diào)整硬點(diǎn)之后在輪跳運(yùn)動(dòng)時(shí)車輪外傾角和前束角均控制在2°以內(nèi)；側(cè)向滑移量縮小至15mm；轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)最大轉(zhuǎn)角下的阿克曼角為10°。優(yōu)化后的各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到了目標(biāo)數(shù)值。

圖12 優(yōu)化后車輪外傾角

圖13 優(yōu)化后車輪前束角

圖14 優(yōu)化后側(cè)向滑移量

圖15 優(yōu)化后左側(cè)輪轉(zhuǎn)向角

圖16 優(yōu)化后右側(cè)輪轉(zhuǎn)向角

4 總結(jié)

本文在參考大量汽車前懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，分析常用的前懸架動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化方法，總結(jié)了現(xiàn)有方式的不便之處。創(chuàng)新的利用ADAMS/View模塊對汽車雙橫臂獨(dú)立懸架進(jìn)行了建模，開展了輪跳和轉(zhuǎn)向的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)仿真。介紹了雙橫臂式獨(dú)立懸架和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，并通過對仿真的結(jié)果分析和硬點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整優(yōu)化，減小了前懸架運(yùn)動(dòng)過程中的車輪參數(shù)變化，優(yōu)化了轉(zhuǎn)向阿克曼角，達(dá)到提升車輛的行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的平順性的目的。

相較于常規(guī)的仿真優(yōu)化方法來說，本文介紹的聯(lián)合仿真優(yōu)化法在參數(shù)的查看和調(diào)整過程中更加直觀方便，優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程更加高效。

但同時(shí)聯(lián)合仿真的方式也有不足之處：一是由于View 模塊中的動(dòng)力學(xué)模型需要手動(dòng)編輯驅(qū)動(dòng)函數(shù)和測量函數(shù)，因此準(zhǔn)備工作比較繁瑣；二是為了方便參數(shù)的觀察，暫時(shí)只進(jìn)行了各工況順序仿真，而沒有進(jìn)行交錯(cuò)仿真，還需要進(jìn)一步的完善。