汽車麥弗遜懸架性能仿真范文

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《計算機仿真雜志》2014年第六期

1懸架系統設計原理

1．1懸架系統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，懸架導向桿系的運動及變形，車輪定位參數隨之發生變化，從而導致輪胎側偏特性改變;在汽車曲線行駛時懸架上的車身將發生側傾，引起汽車側傾轉向和變形轉向。因此，懸架系統運動特性的好壞直接會影響到車輛的操穩性、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對稱軸線之間的夾角。它與外傾角共同作用，保持車輪純滾動和直線行駛，減少輪胎的異常磨損。為保持行駛的穩定性，應使前束角變化限在較小的范圍內，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向行駛、車身發生側傾時外側車輪具有正的側傾角;外傾角的另一個重要作用是產生外傾推力，外傾推力對前輪能增加其不足轉向趨勢。但外傾角應選擇適當，因為過大的外傾角會使輪胎產生偏磨損。主銷內傾角是指主銷軸線與整車縱向中心平面在豎直平面內投影的夾角，它有使車輪自動回正的作用。主銷內傾有利于主銷內傾偏移距的減小，從而減少轉向時需要施加給方向盤的力，使轉向操縱輕便靈活，同時也可減少從轉向輪傳到方向盤上的沖擊力［6］。當前在整車開發過程中，主銷內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定性，適當的加大主銷后傾角可以幫助轉向輪自動回正。但后傾角過大，則在低速轉向時會導致轉向沉重。主銷后傾角過小，會造成直線行駛不穩定，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。轉向時，轉向輪圍繞主銷轉動，地面對輪胎的阻力力矩與主銷偏距的大小成正比。所以一般希望得到比較小的主銷偏距，從而減少作用于轉向盤上的力和降低地面對轉向系統的沖擊。但主銷偏移距直接受到主銷內傾角的影響，內傾角越大，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，如結構參數，該汽車便可以得到好的運動學、動力學特性。因此如何使懸架結構參數最優是本文要解決的關鍵問題。

2麥弗遜懸架結構參數優化

2．1建模進行優化設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、轉向節、減振器、螺旋彈簧、橫拉桿、輪轂、副車架、車身共8個剛體組成。根據其空間結構可以抽象出如圖2所示的前懸架1/2結構模型。假設除彈簧、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設置優化目標函數在汽車行駛過程中，當路面凹凸不平時，輪胎和車身之間的相對位置會發生變化，同時車輪定位參數就會相應地變動。如果車輪定位參數變動過大，會加劇輪胎和轉向機構零件的磨損并降低整車操縱穩定性和乘坐舒適性，因此，設計時的車輪定位參數變化量不能太大。該懸架性能優化的目的是使定位參數在懸架運動過程中變化范圍趨向最小。優化目標函數可表示為:

2．3約束變量考慮到生產實現的難易程度，通過改變懸架關鍵結構硬點坐標參數來實現對整車定位參數的優化，從而改善懸架行駛性能的目的。將需要優化的懸架關鍵結構硬點坐標參數作為設計變量。這里將減振器上點和下擺臂球銷中心選為設計變量，共6個，見表2，再對這些變量參數化。

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合，它不僅保留了遺傳算法本身的優良特性，還通過增加免疫算子來抑制其迭代過程中出現的退化現象，并提高免疫算法的收斂速度［8］。優化的目標是搜索多峰值函數的多個極值。將抗原和抗體分別對應優化問題的目標函數和可行解，把抗體和抗原的親和力視為可行解與目標函數的匹配程度;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抗體的遺傳和變異，用記憶細胞單元保存擇優后的可行解來抑制相似可行解的繼續產生并加上搜索到全局最優解［9］，其基本步驟如圖4所示。

2．5仿真及優化結果分析根據實際樣車，設置車輛及懸架的相關參數:輪胎半徑為317.5mm，輪胎的垂向剛度為219.16N/mm，簧載質量為635.95kg，質心高度為433.268mm，軸距為2700mm。車輛及懸架參數的設定如圖5所示。在Adams/View中添加免疫算法來編譯并注冊，通過ADAMS軟件編譯產生動態鏈接庫(．dll)文件。利用動態鏈接庫技術，建立Adams/View與目標函數的鏈接，然后運用Adams的View模塊下的“DesignEvaluationTools”接口調用所編寫的免疫算法優化麥弗遜模型。獲得相應數據后，進入優化算法的基本流程。同時利用ADAMS/Solver求解器求解目標函數及其相關參數的值。程序根據優化算法內部設定的條件判斷是否終止計算。對懸架執行平行輪跳試驗。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、當車身側傾時等多種運動都會引起懸架運動，而平行輪跳試驗能較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。對懸架模型執行一個跳動量為－50mm～50mm的動力學仿真并繪制結果。優化后的懸架結構參數如表3所示。優化結束后，提取優化前后的曲線圖進行對比。其車輛的定位參數變化特特曲線如圖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°變為0.39°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呈現減小(內傾)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外傾角變化較小，這種設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定性。優化后的模擬值與前束角變化特性相適應。3)主銷內傾角KingpinInclinationAngle該車的主銷內傾角優化前后對比圖如圖8所示，本次優化中主要為了優化偏置距，所以主銷內傾角略有增大，但仍在合理范圍內。4)主銷后傾角CasterAngle該車的主銷后傾角優化前后對比圖如圖9所示，主銷后傾角比優化前小，有利于提高低速轉向輕便性。5)主銷偏置距ScrubRadius該車的主銷偏移距優化前后對比圖如圖10所示，主銷偏置距在跳動過程中縮小，使轉向更省力，取得了明顯的優化效果。從以上對比曲線中可以看出，用免疫算法優化后，前束角的變化趨勢明顯好轉，主銷后傾角和主銷偏置距也有一定的優化效果，提高了車輛的操作穩定性同時減少了輪胎的磨損，實現了優化目標。

2.6實車驗證為了進一步說明免疫算法優化懸架結構參數的可信型，將懸架優化后的車輛進行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、測量系統和慣性系統組成，如圖11所示。仿真結果與K＆C臺架試驗結果對比見表4，從表中可以看出仿真值與試驗值雖存在一定的誤差，但從對比結果來看總體差值在±10%以內，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工作，可將此仿真模型作為懸架開發的基礎工具并在此基礎上根據不同的整車參數進行懸架參數調整。

3結束語

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化方法。根據懸架系統設計原理建立其結構模型，然后利用Adams/Car建立某轎車前麥弗遜懸架的仿真模型，通過分析該懸架定位參數隨車輪跳動的變化情況，優化懸架結構參數，確定車輛運動特性參數如前束角、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化，并進行實車臺架試驗驗證。結果表明，優化后的懸架結構參數使各車輪定位參數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，但提出的優化方法和思路，對其它類型的懸架優化同樣具有指導意義。

作者：李翔晟陳江英高治凌單位：中南林業科技大學機電工程學院眾泰汽車控股集團有限公司汽車工程研究院