周軍超,袁 杰,廖映華,湯愛華

(1.四川理工學院 機械工程學院,四川 自貢 643000; 2.人工智能四川省重點實驗室,四川 自貢 643000)

麥弗遜式懸架具有結構簡單、緊湊、占用空間少、性能優(yōu)越等特點,同時還具有較為合理的運動特性,以保證整車性能要求[1].因此,麥弗遜懸架在前置前驅的乘用車上具有廣泛的應用.

汽車的操縱穩(wěn)定性影響車輛性能,而汽車出現故障頻率較高的是車輪定位參數異常[2],尤其是車輪外傾角與前束的匹配不當會使車輪相對地面發(fā)生側滑,加劇輪胎的磨損,影響汽車安全穩(wěn)定性.近年來，Lee等[3-4]基于ADAMS/CAR模塊、整車操縱穩(wěn)定性及CARSIM參數化仿真技術,對汽車操縱穩(wěn)定性進行了優(yōu)化分析.Yao等[5-7]應用有限元方法進行結構優(yōu)化設計,并進行了實驗驗證，可以顯著降低懸架側載.魏天等[8-10]對影響汽車平順性的主要參數K&C進行了理論分析,為研究車輛整體性能和進一步了解懸架非線性特性的時域性提供思路.

隨著計算機仿真技術的發(fā)展,運用虛擬樣機平臺和D-最優(yōu)試驗設計相結合對懸架參數進行優(yōu)化.在設置重復試驗的前提下,實驗效率最高,將會在設計優(yōu)化階段節(jié)約很多時間和成本.

1 麥弗遜式懸架建模

整車參數如表1所示.

表1 懸架參數Tab.1 Suspension parameters

利用ADAMS/Car模塊建立了麥弗遜式懸架的仿真模型[11-12],麥弗遜式懸架鉸鏈類型與數目,以及機械體統(tǒng)的自由度DOF如下:

∑Rk

(1)

式中:n為活動構件總數;pi為第i個運動副的約束條件數;qj為第j個原動機的約束條件數;Rk為其他的約束條件.

麥弗遜式懸架懸架系統(tǒng)的自由度:DOF=6×14-m=3,分別是左右懸架的上下擺動、左右車輪繞車軸的轉動和車輪繞主銷的轉動.在ADAMS/Car模塊中建立麥弗遜懸架模型如圖1所示.

圖1 麥弗遜式懸架模型Fig.1 McPherson suspension model

采用Adams/Car Ride提供的基于Sayers數字模型的路面屬性文件,它是一種綜合了許多不同類型道路測量參數,并給出了左、右輪轍路面輪廓參數的經驗模型模型.模型認為路面輪廓的空間功率譜密度Ga和空間頻率n存在如下函數關系:

(2)

式中:Ge為空間功率譜密度幅值;Gs為速度功率譜密度幅值;Ga為加速度功率譜密度幅值.

2 D-最優(yōu)試驗設計理論

設計研究是只有一個設計變量產生變化,而試驗法設計是研究多個設計變量產生變化,且將多個設計變量的取值組成組,研究在設計變量取不同的可能組合是目標函數取值的情況,并且能夠大幅度減少試驗次數，且不會降低試驗可行度[13].

首先需要選擇試驗因素水平相對應的正交表,然后根據約束條件及轎車設計經驗,為設計變量(x1,x2,x3,x4)設定一定變化范圍.試驗因素(z1,z2,z3,z4)的變化范圍與設計變量(x1,x2,x3,x4)有一定的轉換公式[13].若令z1,z2,z3,z4,Δj和xj分別為第j個因素的上水平、下水平、零水平、變化區(qū)間和編碼因素,則有下列公式成立:

3 麥弗遜式懸架D-最優(yōu)試驗設計

應用ADAMS/Car建立該車的前懸架仿真模型,并以目標樣車前輪前束角、前輪外傾角、輪距和軸距隨輪跳的變化等K&C特性曲線的斜率為目標,以(z1,z2,z3,z4)表示,并設置一定變量范圍,則可以選取因素編碼表[14].最后在ADAMS模塊中,對該前懸架硬點進行整體靈敏度分析.根據靈敏度分析結果,選擇對前輪磨損程度影響較大的前束角、外傾角以及輪距和軸距等參數為設計目標,進行水平互相匹配試驗,選取較為靈敏的硬點進行優(yōu)化.

具體優(yōu)化方法:確定目標函數、設計變量和約束條件后,采用D-最優(yōu)試驗設計對懸架參數進行優(yōu)化,流程如圖2所示.

圖2 D-最優(yōu)試驗設計流程圖Fig 2 D-optimal test design flowchart

本文選擇了如表2所示的實驗因素水平表,并結合上述公式進行優(yōu)化設計分析.

表2 實驗因素水平表Tab.2 Level table test factors

最終得到4個實驗因素16組不同的組合,將組合帶入整車仿真模型中得到如表3所示,16組不同的懸架系數.

表3 仿真組合參數Tab.3 Combination simulation parameters

4 結果及分析

對麥弗遜式前懸架模型進行雙輪平行跳動試驗,結合表3進行D-最優(yōu)試驗優(yōu)化，得出車輪外傾角、束角、輪速、滾動中心等參數,如圖3～圖9所示.

圖3 側傾轉向角Fig.3 Roll steering angle

圖4 側傾外傾系數Fig.4 Roll camber coefficient

圖5 側傾中心高度Fig.5 Roll center height

圖6 前輪前束角Fig.6 Front toe angle

圖7 前輪外傾角Fig.7 Front wheel camber

圖8 懸架剛度Fig.8 Suspension stiffness

圖9 主銷縱傾移距Fig 9 Scrub Radius

從圖3～圖9可見：隨著車輪跳動量的增加,側傾轉向角、側傾外傾系數、側傾中心高度、前輪前束角、前輪外傾角呈降低趨勢,而懸架剛度和主銷縱傾移距卻是上升的趨勢.當車輪跳動在80 mm左右時,懸架的剛度更強,此時的直觀感受就是懸架過硬,舒適度不高.轉向輪扭矩與轉角關系如圖10所示.由圖10可知,由于懸架轉向機構的特殊,前段轉向角與車輪產生扭矩反應比較遲鈍,中后段轉向角與車輪的響應比較線性,更符合現代汽車的駕駛方式,避免直線行駛時方向盤的輕微波動帶來的車輛方向偏動,提高了行駛安全性.

圖10 轉向輪扭矩與轉角關系曲線Fig.10 Steering wheel torque and rotation curve

轉向角與主銷偏移距之間的關系如圖11所示.從圖11可知,隨著轉向角度增加,主銷偏移距減小,且主銷偏移距越小,在大幅度轉彎時,車輛穩(wěn)定性更高.優(yōu)化后數據如表4所示.

圖11 轉向角與主銷偏移距之間的關系Fig.11 Relationship between steering

5 結語

本文針對麥弗遜式懸架,利用D-最優(yōu)試驗設計進行了一系列優(yōu)化.通過ADAMS/CAR模塊建立了麥弗遜獨立懸架的多體動力學模型,將麥弗遜懸架模型與隨機路面模型相結合,并進行了D-最優(yōu)試驗法分析得到一系列優(yōu)化后的懸架參數曲線.最終得出優(yōu)化后的麥弗遜懸架在綜合性能參數上都優(yōu)于未優(yōu)化之前,大大改善了汽車操縱穩(wěn)定性和舒適性.