基于ADAMS的前悬架仿真优化

来源：汽车技研

摘要：悬架在整车中占据着举足轻重的地位，决定了车辆操纵稳定性及平顺性的好坏。为了使得初步设计的双横臂式独立悬架性能得到提升，论文采用多目标拓扑优化的方法对前悬架进行了优化。首先在ADAMS/CAR中建立了车辆前悬架模板子系统，仿真出车轮定位参数变化曲线。接着在ADAMS/Insight模块里，设计目标选为车轮定位参数，设计变量选为前悬架硬点坐标，根据敏感度大小，对前悬架硬点坐标进行了优化，曲线对比结果显示优化有效。

关键词：建模；仿真；多目标拓扑优化

前言

虚拟样机的发展给机械系统设计提供了便利，最开始应用于飞机设计中，通过它改变了传统设计理念[1]。不仅节约了产品设计人力花费成本，而且能够运用动画的形式表现物体的运动特征，为设计工作者带来便利。本文就前悬架进行仿真优化。

1.前悬架仿真分析

1.1 ADAMS/CAR前悬架模板建立

应用ADAMS/CAR实施模板建立总共分为4个主要步骤：（1）确定硬点坐标。建立直角坐标系后，根据空间位置，得到精确地X、Y、Z值。（2）选择合适的形状部件。从软件预先定义好的形状部件中选择，常用的有圆柱形，三角形，杆件等。（3）对两两部件之间进行运动副连接。（4）对参数进行设定。悬架系统需要设置悬架相关参数，然后和test rig通讯器连接，建立了通讯器之后，需要对通讯器进行测试，检测是否找到了匹配的通讯器，如果出现问题，将不能成功建立模板，需要检查出错环节[2]。

如图1所示为前悬架的结构简图和建模图，图中给出了前悬架右侧的建模图。悬架的横臂与车轮连接处为球形副，横臂与副车架是通过衬套连接，之间有相应的运动自由度。表1所示为关键硬点参数坐标，该坐标参数为初次设计值。

图1 前悬架的结构简图和建模图

表1 前悬架关键点坐标

1.2 前悬架仿真曲线的分析

本次试验设置了车轮上下跳动步长为50 mm，上升和下降行程各30 mm，在ADAMS/Postprocessor模块里经过后处理，得到车轮定位参数仿真曲线。

其中车轮外倾角在车轮−30 mm～30 mm变化的幅度内，当车轮静止时，外倾角为设定值−0.5°，前轮外倾角值从−1.7°～0.83°，相当于浮动了2.53°，浮动值大，如图2所示。

图2 前轮外倾角变化曲线

车轮前束角如果规定两轮往内为正，两轮向两边展开角度为负的话，有toe-in和toe-out两种说法，过大和过小都会对轮胎产生磨损甚至破坏。在车轮−30 mm～30 mm变化的幅度内，前束角角度从1.7°变化到了−2.0°，变化了3.7°，变化范围大，如图3所示。

图3 前轮前束角角变化曲线

根据国内的理论，过大的后倾角转向推力增大，使得转向过重，不便于操纵，过小的角度值，使得驾驶员没有驾驶感，容易发飘，汽车容易跑偏。设计的主销后倾角为0.1°，在车轮60 mm的上下跳动中，角度值从0.062°变化到了0.162°，将近变化了0.1°，可以说在允许的变化内，角度保持比较好，如图4所示。主销内倾角在60 mm变化中，从9.4°变化到10.7°，变化了将近1.3°，变化范围合理，如图5所示。综合以上情况，对前轮外倾角和前轮前束角进行优化。

图4 前轮主销后倾角变化曲线

图5 前轮主销内倾角角变化曲线

2.前悬架多目标拓扑优化

在Insight里面，可以设计非常复杂的试验方案，运用数理统计的知识，来细化和改进模型，ADAMS/ Insight的回归分析方法能够估计一个响应对另一个的影响，软件里有重要的4种模型：二次模型、线性模型、交互模型、三次模型[1]。表达式为：

线性：A+BX1+CX2；

交互：A+BX1+CX2+DX1X2；

二次：A+BX1+CX2+DX1X2+EX12+FX22；

三次：A+BX1+CX2+DX1X2+EX12+FX22+GX1 X22+HX2X12+IX13+JX23。

2.1 前悬架ADAMS/Insight模块优化过程

（1）选定设计目标。以车轮定位参数为目标，使得它们在合理的范围内。

（2）选定设计变量。由于本车采用双横臂独立悬架，与车架的连接点D、E、G、H方便移动，初步选择12个坐标点；为了简化迭代模型，上横臂的点比下横臂的点对参数影响大，X方向坐标影响小，最终确定6个值，见表2。每一个变量设定了变化值范围，它们均在−5 mm～5 mm内变化，将会进行26=64次迭代试验。

表2 前悬变量和变化范围

（3）仿真结束查看结果。该结果会显示几次试验的值，第一列代表各项的系数，P列代表该项是否重要，最后一列是对各项定义及标准差和T检验的数据。

（4）从网页得到敏感度图示。以车轮外倾角敏感度为例，6行数据代表了选取的硬点变量对于定位参数的敏感度的情况，设定好试验算法后执行，生成的HTML网页结果。车轮定位参数的敏感度见下图。

图6 前轮外倾角的敏感度

图7 前轮前束角的敏感度

从得到的硬点坐标的敏感值看出，车轮前束角受到的影响最大，其次是车轮外倾角。图中敏感度对选定的6个硬点坐标值的影响可以看出，横臂的Y方向上个别坐标Effect达到了30%以上，上下横臂的前端和后端的Z方向硬点变化明显，对Z坐标进行优化后，能够起到明显的效果。所以为了防止众多数据变化后，导致互相抵消，选故择Z方向坐标。

表3 坐标优化前后值