陸嘉敏 魯統(tǒng)利 沈 陽

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000)

0 引言

近年來國產(chǎn)自主SUV發(fā)展迅速，麥弗遜式前懸架由于其性能良好、結構簡單、成本較低、占用空間少等特點[1]，廣泛應用于對空間要求高、對生產(chǎn)成本敏感的發(fā)動機前置前驅(qū)國產(chǎn)自主SUV中。廠商往往只注重麥弗遜式懸架結構簡單，但是卻沒有考慮到麥弗遜懸架中某些關鍵零部件坐標位置的細微變動都會對懸架性能造成較大的影響[2]，進而會影響汽車的操縱穩(wěn)定性等一系列性能[3]。因此，在設計中如何布置懸架硬點位置以優(yōu)化懸架性能、提升操縱穩(wěn)定性就顯得很重要。

本文針對國內(nèi)某款SUV車的麥弗遜式前懸架性能不合理之處，基于ADAMS/CAR動力學仿真平臺構建其前懸架模型，并對該懸架布置結構進行優(yōu)化，以改善其懸架性能。最后通過建立整車動力學模型，考察懸架結構優(yōu)化前后對整車操縱穩(wěn)定性的影響。

1 麥弗遜式前懸架建模

1.1麥弗遜式前懸架結構分析

麥弗遜式懸架主要由三角臂、轉(zhuǎn)向節(jié)總成、減振支柱及車輪等部件構成[4]，如圖1所示。

圖1 麥弗遜式前懸架

根據(jù)以上實物圖抽象出麥弗遜前懸架結構簡圖，如圖2所示。各部件的連接關系如下：下三角臂的H、I兩點通過轉(zhuǎn)動副與前副車架相連，靠近車輪的一個點G通過球副與轉(zhuǎn)向節(jié)總成的下支柱相連。轉(zhuǎn)向節(jié)總成的另外兩端，一端D通過球鉸連結轉(zhuǎn)向拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿通過萬向節(jié)鉸與轉(zhuǎn)向齒條相連；轉(zhuǎn)向節(jié)總成的另一端C與滑動支柱固接。滑動支柱上安裝著減振器，減振器上端A與車身通過萬向節(jié)鉸連接。螺旋彈簧套在減振器外部，一端固接在減振器外殼B點位置，另一端與減震器上端連接。

1-車身 2-螺旋彈簧 3-減振器 4-轉(zhuǎn)向節(jié)總成 5-車輪 6-轉(zhuǎn)向拉桿 7-轉(zhuǎn)向齒條 8-三角臂 9-副車架

1.2麥弗遜式前懸架模型建立

在ADAMS中建立前懸架模型首先需要知道各硬點位置參數(shù)。在測量硬點坐標時，采用ISO坐標系，以地面為XY平面，汽車中心對稱面為 XZ 平面，坐標原點取兩前輪連線的中點位置，取垂直于地面向上為 Z 軸正方向，車身右側為 Y軸正向，以車前進方向的反方向為 X 軸正向。測量得到麥弗遜前懸架硬點坐標如表1所示。

根據(jù)測量得到的硬點坐標及螺旋彈簧剛度、減振器阻尼及襯套剛度等數(shù)據(jù)，通過前文對麥弗遜前懸架結構特點的分析，在ADAMS/CAR中建立麥弗遜式前懸架動力學模型，如圖3所示。

表1 模型硬點坐標

圖3 麥弗遜前懸架模型

懸架模型建立完畢后，結合ADAMS中的虛擬實驗臺(如圖4所示)可以對懸架模型進行輪跳試驗仿真。

圖4 麥弗遜前懸架虛擬實驗臺

2 仿真分析

在ADAMS/CAR中對麥弗遜式前懸架進行-50 mm到50 mm車輪上下跳動試驗仿真，具體設置如圖5所示。輸出的仿真結果為四個汽車前輪定位參數(shù)，車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及車輪前束角。

圖5 車輪上下跳動試驗參數(shù)設置

Fig.5 Experimental parameter of parallel wheel travel simulation

2.1車輪外傾角

車輪中心平面與路面垂線的夾角被稱為車輪外傾角。車輪從平衡位置起上下跳動正負50 mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化在1°左右，車輪外傾角變化范圍太大會影響到汽車直線行駛能力并加劇車輪磨損[5]。如圖6所示，原前懸架外傾角變化范圍大于1.5°，需要進行優(yōu)化。

圖6 車輪外傾角變化

2.2主銷后傾角

主銷軸線和地面垂線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角被稱為主銷后傾角。對發(fā)動機前置前驅(qū)汽車，合理的主銷后傾角一般在0°到3°。過大的主銷后傾角會增加轉(zhuǎn)向力矩，影響轉(zhuǎn)向輕便性[6]。如圖7所示，原前懸架主銷后傾角最大值超過了3°，需要進行優(yōu)化。

圖7 主銷后傾角變化

2.3主銷內(nèi)傾角

主銷軸線與地面垂線在汽車橫向平面的夾角被稱為主銷內(nèi)傾角。對于發(fā)動機前置前驅(qū)汽車，主銷內(nèi)傾角合理范圍在 8°到13°。與主銷后傾角類似，過大的主銷內(nèi)傾角會使得轉(zhuǎn)向力矩變大，使汽車轉(zhuǎn)向輕便性變差[7]。如圖8所示，該前懸架最大值超過了13°，需要進行優(yōu)化。

圖8 主銷內(nèi)傾角變化

2.4車輪前束角

車輪中心平面與路面垂線的夾角被稱為車輪前束角。前束角在車輪上跳的過程中應為零或者處于較小的負值區(qū)域，這種變化能夠使汽車具有合理的不足轉(zhuǎn)向特性[8]。如圖9所示，該前懸架的車輪前束角隨輪跳變化范圍大于0.5°，存在一定的改進空間。

圖9 車輪前束角變化

3 優(yōu)化設計

針對在車輪上下跳動過程中該懸架定位參數(shù)存在的缺陷，采用ADAMS/Car中的Insight模塊對其進行多目標優(yōu)化，以改善懸架定位參數(shù)。

3.1確定優(yōu)化目標

在ADAMS/Insight中，將外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角和前輪前束角四個懸架定位參數(shù)設定為優(yōu)化目標，在車輪進行-50 mm到50 mm上下跳動時，使得優(yōu)化目標達到優(yōu)化設定范圍。綜合前文的分析，優(yōu)化目標及優(yōu)化設定如表2所示。

3.2確定設計變量

設計變量需要選取那些對前輪定位參數(shù)影響較大的硬點。選取的設計變量有減振支柱安裝下點C、三角臂外襯套中心G、三角臂前襯套中心H、三角臂后襯套中心I、轉(zhuǎn)向拉桿外點E及轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點D共六個硬點18個坐標值(每個點X、Y、Z三個方向坐標)進行優(yōu)化。約束條件的設置需考慮前置前驅(qū)車型中發(fā)動機位置與前懸架布置結構，懸架上硬點坐標的變化范圍不能太大，因此，在各部件互不干涉的前提下，本文設定每個坐標變化范圍為-10 mm到10 mm。

表2 優(yōu)化目標與優(yōu)化范圍設置

3.3確定優(yōu)化算法

本文選取ADAMS/Insight中計算速度最快的篩選法(DOE Screening)，同時選擇優(yōu)化類型為析因設計(Fractional Factorial)，進行迭代運算。

3.4確定優(yōu)化結果

經(jīng)1024次實驗迭代后，ADAMS/Insight給出了計算完畢的工作矩陣。從中可以得到符合優(yōu)化要求的硬點坐標，如表3所示。

表3 優(yōu)化后模型硬點坐標

4 優(yōu)化結果分析

4.1車輪外傾角

如圖10所示，優(yōu)化后，車輪從平衡位置起上下跳動正負50 mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化幅度減小，變化范圍在1°左右，滿足要求。

4.2主銷后傾角

如圖11所示，優(yōu)化后，主銷后傾角變化范圍在1.6°到2.6°之間，滿足0°到3°的要求。

圖10 車輪外傾角優(yōu)化前后對比

圖11 主銷后傾角優(yōu)化前后對比

4.3主銷內(nèi)傾角

如圖12所示，優(yōu)化后，主銷內(nèi)傾角變化范圍在11.3°到12.9°之間，滿足8°到13°的要求。

圖12 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比

Fig.12 Kingpin incline angle compared before and after optimization

4.4車輪前束角

如圖13所示，優(yōu)化后，車輪前束角變化范圍在0.25°到-0.12°之間，變化范圍收窄，較原車輪前束角有了一定的優(yōu)化。

圖13 車輪前束角優(yōu)化前后對比

5 優(yōu)化前后操縱穩(wěn)定性對比

5.1操縱穩(wěn)定性試驗仿真

為了驗證麥弗遜前懸架參數(shù)優(yōu)化前后對汽車操縱穩(wěn)定性的影響效果，建立了前懸架優(yōu)化前后的整車動力學模型(如圖14所示)，進行了標準工況下的操縱穩(wěn)定性試驗仿真，考察麥弗遜式前懸架性能優(yōu)化對整車操縱穩(wěn)定性的改善情況。

圖14 整車動力學模型

依據(jù)國標 GB/T 6323的規(guī)定，蛇形試驗仿真中，設置標樁間距為 30 m，基準車速為 65 km/h[9]。汽車首先直線行駛一段距離，隨后以基準車速繞標樁按如圖15所示預先設定的蛇行線路行駛。

圖15 汽車蛇形試驗行駛線路

仿真結束后，分別輸出前懸架性能優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線、側向加速度響應曲線、橫擺角速度響應曲線、汽車側傾角響應曲線，如圖16至圖19所示。

圖16 方向盤轉(zhuǎn)角對比

從響應曲線中分別讀出平均方向盤轉(zhuǎn)角峰值、平均側向加速度峰值、平均橫擺角速度峰值和平均汽車側傾角峰值等數(shù)據(jù)，麥弗遜式前懸架優(yōu)化前后對比數(shù)據(jù)如表4所示。

5.2蛇行試驗仿真評分

1)平均橫擺角速度峰值ωr的評價計分值，按式5-1計算(當其大于100分時按100分計)：

圖17 側向加速度對比

Fig.17 Lateral acceleration compared before and after optimization

圖18 橫擺角速度對比

圖19 側傾角對比

指標優(yōu)化前優(yōu)化后改變幅度平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值94.88°89.90°+5.25%平均側向加速度峰值5.73m/s25.17m/s2-9.77%平均橫擺角速度峰值18.72°/s16.85°/s-9.99%平均車身側傾角峰值2.12°1.91°-9.91%

(5-1)

式中，Nωr為平均橫擺角速度的評價計分值；

ωr60為平均橫擺角速度下限值25°/s；

ωr40為平均橫擺角速度上限值10°/s；

ωr為平均橫擺角速度峰值試驗值。

2)平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ的評價計分值，按式5-2計算(當其大于 100 分時按 100 分計)：

(5-2)

式中，Nθ為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的評價記分值；

θ60為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下限值180°；

θ100為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角上限60°；

θ為平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的峰值。

3)蛇行試驗的綜合評價計分，按式5-3計算：

(5-3)

式中，Ns為蛇行試驗的綜合評價計分。

計算可得前懸架優(yōu)化前后蛇行試驗仿真評價計分如表5所示：

表5 優(yōu)化前后蛇形試驗綜合評價計分

3 結論

本文應用ADAMS/Car建立了某前置前驅(qū)SUV中的麥弗遜式前懸架的模型，并對該懸架模型進行了虛擬實驗平臺的車輪上下跳動試驗仿真。仿真結果表明該麥弗遜式前懸架定位參數(shù)存在較大的改進空間。

運用ADAMS/Car中的Insight模塊對懸架硬點位置進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的仿真試驗顯示前懸架的車輪外傾角、主銷后傾角、注銷內(nèi)傾角和前束角在車輪上下跳動時的變化變得更加合理。

優(yōu)化完成后，對裝配有該前懸架的整車模型進行了蛇行試驗仿真，仿真結果表明前懸架的優(yōu)化提升了車輛的操縱穩(wěn)定性，也證明了懸架結構對整車操縱穩(wěn)定性具有較大影響。因此，汽車設計人員在設計懸架時應在充分考慮懸架性能及操縱穩(wěn)定性的基礎上布置各硬點的位置。本文可以為懸架的優(yōu)化設計提供分析思路。

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