基于ADAMS的悬架硬点优化.pdf

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1、86 技术专刊 基于ADAMS的悬架硬点优化 张雁成1 戴峻2 侯宇3 吴兆东4 （1.华晨汽车工程研究院，沈阳，100141；2.华晨汽车工程研究院，沈阳，100141；3.华晨汽车工程研究院，沈阳，100141；4.华晨汽 车工程研究院，沈阳，100141） 摘 要：悬架的KSensitive; Optimization of hard points 一、前言 作为整车操纵稳定性的重要部分之一，悬架K&C特 性在某种意义上决定着车辆品质的优劣。所谓悬架的K （Kinematics）特性是指悬架的运动学特性，它描述的是车 轮定位参数随车轮跳动的变化；悬架C（Compliance）特性 指悬架

2、弹性运动学特性，它描述的是由于轮胎和路面之间的 力和力矩引起的车轮定位参数的变化。与K特性直接相关的 是悬架的硬点坐标，它们直接或间接影响着车身或车架间力 或力矩的传递，并决定着车轮定位参数随车轮跳动的变化规 律。反之，C特性与衬套、弹簧和减振器等弹性元件的刚度 和阻尼有关，悬架运动过程中起到载荷传递、振动衰减以及 调节汽车行驶姿态的作用1。 通过对悬架硬点坐标的调整来改善汽车的操纵稳定性 是工程中常用的方法。本文通过悬架硬点对K特性的敏感度 分析进行了硬点坐标的优化。首先在ADAMS/Car中搭载后悬 架的运动学模型，然后通过ADAMS/Insight模块对影响某几个 K特性的硬点进行敏感度

3、分析，进而对主要敏感的硬点坐标 进行调整，最后通过硬点优化实现了K特性的优化2。 二、多体运动学模型的建立 作为一款强大的多体运动学分析软件，ADAMS已经在很 多领域被广泛应用。本文利用ADAMS/Car进行后悬架模型搭 建，在该模块里面包含有两个不同的界面：一是Template界 面，在该界面中用户可以方便地建立汽车悬架、转向和底盘 等子模型。另一个是Standard界面，在这里可以对以所建的 模型进行多种工况的仿真分析3。 如图1所示为本文研究时搭建的Strut_Links型后悬架模 型，由纵臂、前后横臂、副车架、转向节、横向稳定杆、减 振器和弹簧等部件构成，部件间用衬套联结。 图1 S

4、trut_Links后悬架模型 三、K特性敏感度分析 悬架K特性涉及到的工况很多，一般来说可以分为平行 87CAD/CAM与制造业信息化2013年第12期 轮跳和反向轮跳工况。本文仅研究平行轮跳的几个工况。 （1）前束轮跳特性（平行轮跳）。 （2）外倾轮跳特性（平行轮跳）。 （3）轮心纵向位移轮跳特性（平行轮跳）。 （4）轮心侧向位移轮跳特性（平行轮跳）。 下面以前束轮跳特性为例，利用ADAMS/Insight模块分 析各硬点坐标对该特性的影响程度，即敏感度。 1.试验方法 对图1所示的后悬架模型进行平行轮跳试验，仿真步数 为40，轮跳范围为-60mm60mm。具体过程如图2所示。 图2 平行

5、轮跳试验示意图 2.设计因素的确定 因为设计初期不能确定各硬点坐标值对于该特性的影 响程度，所以将会对建模过程中所有对后悬架结构有影响的 硬点坐标都进行考虑。该后悬架建模过程考虑的硬点坐标如 图3所示。 图3 后悬架模型主要硬点坐标位置示意图 3.设计因素绑定 所谓绑定，就是将某些具有共同特性的设计因素绑在 一起，使它们在仿真模拟过程中同时变化。这样做的好处是 可以提高仿真分析效率，同时也有利于整车的调校。对于本 文中研究的Strut_Links后悬架结构，它在结构上是沿着整 车纵向平分面完全对称的，所以应该将它们左右侧的硬点坐 标进行绑定，整体分析。 基于上述绑定理论，在ADAMS/Insi

6、ght模块中对后表1 中提到的硬点的空间坐标值进行左右绑定，如图4所示。其 中rod_front_inner_x表示前横臂内点的x向坐标绑定，依 次类推。 图4 设计因素绑定示意图 4.批处理试验的设计 在ADAMS/Insight模块中可以进行多种试验工况的设 定。具体到本文的研究内容，统一将所有绑定后的设计因素 的硬点坐标进行10mm的移动。其设置过程如图5所示。 图5 设计因素变化范围设置示意图 本次批处理试验选择的是全因素二水平的敏感度分析 试验，试验中共设计了2n次试验，其中2是指设计因素变化 的两个范围，n是指绑定后共有n个设计因素。回归模型采用 线性回归模型，线性回归模型的原理如

7、公式1所示，试验设 计方式如图6所示。 图6 试验设计方式示意图 （1） 式中，R为设计目标的返回值；a1.an为根据回归分析 计算得到的系数；F1.Fn-1为各个设计因素的值；e为回归 分析的残余误差。 进行完上述设置后，理论上就可以进行分析了，但是 因为试验过程中涉及到的设计因素比较多，所以一般通过控 88 技术专刊 制选择设计变量的个数来使试验次数控制在64次以内（根据 经验，高于64次后运算量会极大地提高）。 5.统计分析 对上述试验进行仿真后，将仿真得到的结果进行统 计。在该模块中提供了强大的后处理功能，只需将仿真生成 的数据导入到软件的Work Space表格中，如图7所示。其中

8、toe、camber、base和track分别代表前束轮跳特性、外倾轮 跳特性、轮心纵向位移轮跳特性和轮心侧向位移轮跳特性。 图7 试验结果局部图 通过Insight模块进行变量分析，可能得到各设计因素 对目标函数的影响程度，即所谓的敏感度。该模块可以以网 页形式自动生成一个统计报告，其中Effect值的绝对值表示 该处的坐标值变化对目标函数的敏感度，并且报告中已经对 同一组试验设计变量的Effect值进行了排序。如图8所示为 Insight模块输出的前横臂内点三个方向坐标对前束轮跳特 性的敏感度分析结果。 图8 前横臂内点坐标对前束轮跳特性的敏感度 对所有敏感度分析报告进行汇总，最终确定了对

9、四个K 特性影响程度最大的硬点坐标，如表1所示。 四、硬点坐标优化 1.设计目标确定 （1）前束轮跳特性。 车轮的前束和外倾是综合匹配的参数，单纯的外倾会 加剧轮胎的磨损，所以需要一定的前束来抵消。在汽车转弯 过程中，受到离心加速度的作用而使外侧悬架处于压缩状 态，也就相当于车轮上跳。对于后悬架而言，如果前束随悬 架的压缩而增大，则内侧车轮向外转动的同时外侧车轮向内 转动，这就保证了车辆具有不足转向特性。 在底盘设计过程中，一般都希望车辆具有一定的不足 转向，以防止车辆在高速时出现过度转向。当然不足转向的 量不是越大越好，应该控制在一定的范围内以保证车辆直线 行驶时的稳定性4。 查阅大量的资源

10、，对比长期积累的底盘调校数据库， 最终将前束轮跳特性设计目标选为0.003deg/mm。 （2）外倾轮跳特性。 所谓外倾角指车轮的上端偏向或者偏离车身的角度。通 常将车轮上端向外倾定义为正外倾角，反之为负外倾角。 独立悬架的外倾角会随着车轮跳动发生变化，即所谓的 外倾轮跳特性。该特性对于车辆转向行驶时的性能有很大的 影响。在车辆转向过程中，由于轴荷转移而使得外侧车轮承 受大部分的载荷，所以外侧车轮是主要的侧向力来源。如果 外倾轮跳特性不发生变化，则转向时外侧轮胎与地面的接触 面积就会减小，不利于提供转向时所需的足够大的侧向力。 综上，一般希望合理地设计出外倾随悬架压缩减少的 特性，这样既可以满

11、足在载荷增加时轮胎趋于垂直路面的状 态，减少轮胎偏磨，也可以使得达到某一特定加速度时，承 担主要抓地力的外侧车轮垂直于地面。但外倾轮跳特性绝对 值也不能过大，使得直线行驶稳定性降低。最终确定悬架压 缩到28mm处的外倾轮跳特性设计目标值为-0.012deg/mm。 （3）轮心纵向位移轮跳特性。 在车轮上下跳动过程中，由于悬架几何结构的作用， 轮心纵向位移会随着轮跳发生变化。合理地设计该特性，可 以有利于抑制制动点头和加速后仰，同时对于整车的平顺性 也有一定益处，当受到冲击时能够主动后让。当然轮心纵向 位移值不能太大，否则会导致轮胎异常磨损。根据经验数据 库，取轮心纵向位移随轮跳变化的设计目标为

12、0.145mm/mm。 （4）轮心侧向位移轮跳特性。 通常情况下，希望在常载状态下，轮心侧向位移变化 最小，有利于减少轮胎磨损。在悬架行程28mm处的特性斜 率为0。在如图9所示的轮心侧向位移轮跳特性曲线上，一般 希望在设计载荷状态下，轮心侧向位移轮跳曲线处于谷底。 表1 K特性敏感度分析结果统计 设计目标敏感设计因素敏感度绝对值 前束轮跳特性前横臂内点z坐标1 069.4 后横臂内点z坐标1 045.6 前横臂外点z坐标862.06 后横臂外点z坐标842.46 外倾轮跳特性减振器下点y坐标12.598 减振器上点y坐标12.329 后横臂内点z坐标7.2629 轮心纵向位移轮跳 特性 前横

13、臂内点z坐标20.531 后横臂内点z坐标20.507 纵臂前点z坐标16.675 前横臂外点z坐标16.550 轮心侧向位移轮跳 特性 前横臂内点z坐标25.978 前横臂外点z坐标20.939 后横臂内点z坐标7.3638 后横臂外点z坐标5.9310 89CAD/CAM与制造业信息化2013年第12期 图9 轮心侧向位移轮跳特性目标位置示意图 2.硬点优化调整 根据前文提到的各K特性敏感的设计因素以及确定的优 化目标，对相应的硬点坐标进行调整。在调整过程中有时需 要折衷处理，因为有些坐标值的变化对某些特性的影响方向 正好是相反的。经过反复的迭代优化。最后确定了主要硬点 的调整如表2所示。

14、优化前后四个特性斜率如表3所示。 表2 K特性优化结果 设计调整设计因素调整值（mm） 前横臂内点Z坐标-25 后横臂内点Z坐标-20 前横臂外点Z坐标-10 后横臂外点Z坐标+8 表3 优化前后特性斜率对比 特性名称目标斜率优化斜率 前束轮跳特性0.003deg/mm0.0029deg/mm 外倾轮跳特性-0.012deg/mm-0.0121deg/mm 轮心纵向位移轮跳 特性 0mm/mm-1.15e-004mm/mm 轮心侧向位移轮跳 特性 0.145mm/mm0.144mm/mm 从表3可以看出，通过硬点坐标的调整，较好地实现了 四个K特性的优化。对于项目车型的开发起到了指导作用。 图

15、10图13所示为优化前后特性对比曲线。其中蓝色点划 线代表目标斜率曲线，黑色曲线代表初始的特性曲线，红色 曲线代表优化后的特性曲线。 图10 前束轮跳特性优化前后对比图 图11 外倾轮跳特性优化前后对比图 图12 轮心纵向位移轮跳特性优化前后对比图 图13 轮心纵向位移轮跳特性优化前后对比图 五、结语 本文主要介绍了利用ADAMS进行悬架硬点敏感度分析以 及硬点优化的方法，并以某项目Strut_Links后悬架K特性优 化为例进行了分析说明。主要对后悬架硬点坐标进行了敏感 度分析，根据分析结果对主要硬点的坐标进行优化调整，最 后通过仿真试验验证了四个K特性优化的有效性。可以作为 悬架硬点优化的

16、依据。 参考文献 1 郭孔辉.汽车操纵动力学M.长春：吉林科学技术 出版社，1991. 2 刘慧斌.某B级车Strut_Links型后悬架硬点和衬套 刚度设计与优化方法的研究D，吉林大学硕士论文.2010. 3 雯桑.车悬架运动学/弹性运动学ADAMS仿真分析 D.同济大学硕士学位论文，1999.5. 4 曹宇.操稳特性客观评价体系的初步研究D.硕士 学位论文,吉林大学, 2008. 基于ADAMS的悬架硬点优化基于ADAMS的悬架硬点优化 作者：张雁成， 戴峻， 侯宇， 吴兆东， Zhang Yancheng， Dai Jun， Hou Yu， Wu Zhaodong 作者单位：华晨汽车工程研究院，沈阳，100141 刊名： CAD/CAM与制造业信息化 英文刊名：CAD/CAM YU ZHIZAOYE XINXIHUA 年