汽车麦弗逊悬架性能仿真范文

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《计算机仿真杂志》2014年第六期

1悬架系统设计原理

1．1悬架系统运动特性在车辆行驶中，由于路面不平或车轮垂直载荷变化，悬架导向杆系的运动及变形，车轮定位参数随之发生变化，从而导致轮胎侧偏特性改变;在汽车曲线行驶时悬架上的车身将发生侧倾，引起汽车侧倾转向和变形转向。因此，悬架系统运动特性的好坏直接会影响到车辆的操稳性、乘适性以及轮胎的使用寿命。前束角是车轮中心线与汽车纵向对称轴线之间的夹角。它与外倾角共同作用，保持车轮纯滚动和直线行驶，减少轮胎的异常磨损。为保持行驶的稳定性，应使前束角变化限在较小的范围内，一般要求在车轮上跳50mm时达到(－0.5°，0)，即弱负前束变化，同时变化范围越小越好。前轮外倾角是指前轮中心平面偏离铅垂轴向外倾斜的角度。采用麦弗逊悬架的轿车一般采用负的前轮外倾角。其目的是防止汽车转向行驶、车身发生侧倾时外侧车轮具有正的侧倾角;外倾角的另一个重要作用是产生外倾推力，外倾推力对前轮能增加其不足转向趋势。但外倾角应选择适当，因为过大的外倾角会使轮胎产生偏磨损。主销内倾角是指主销轴线与整车纵向中心平面在竖直平面内投影的夹角，它有使车轮自动回正的作用。主销内倾有利于主销内倾偏移距的减小，从而减少转向时需要施加给方向盘的力，使转向操纵轻便灵活，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力［6］。当前在整车开发过程中，主销内倾角的范围一般选在7°～13°之间，并希望取较小值。主销后倾角是主销的轴线相对于竖直平面向后倾斜的角度。主销后倾角的作用是在中高速行驶中保持汽车直线行驶的稳定性，适当的加大主销后倾角可以帮助转向轮自动回正。但后倾角过大，则在低速转向时会导致转向沉重。主销后倾角过小，会造成直线行驶不稳定，使车轮晃动，加剧前轮的磨损［6］。主销偏移距是前视图中主销轴线接地点与轮胎接地平面中心点之间的距离。转向时，转向轮围绕主销转动，地面对轮胎的阻力力矩与主销偏距的大小成正比。所以一般希望得到比较小的主销偏距，从而减少作用于转向盘上的力和降低地面对转向系统的冲击。但主销偏移距直接受到主销内倾角的影响，内倾角越大，主销偏距的值越小。较理想的主销偏距范围为－10～30mm，希望取较小值［7］。

1．2难点分析如果能提前选定较为合理的悬架空间几何尺寸，如结构参数，该汽车便可以得到好的运动学、动力学特性。因此如何使悬架结构参数最优是本文要解决的关键问题。

2麦弗逊悬架结构参数优化

2．1建模进行优化设计的原车型为某小型轿车，前悬架采用左右对称的麦弗逊悬架，主要由下摆臂、转向节、减振器、螺旋弹簧、横拉杆、轮毂、副车架、车身共8个刚体组成。根据其空间结构可以抽象出如图2所示的前悬架1/2结构模型。假设除弹簧、减振器、橡胶衬套外的悬架各部件都是刚体;各运动副之间的摩擦忽略不计。麦弗逊前悬架的硬点坐标如表1所示，在ADAMS中建立麦弗逊模型如图3所示。

2．2设置优化目标函数在汽车行驶过程中，当路面凹凸不平时，轮胎和车身之间的相对位置会发生变化，同时车轮定位参数就会相应地变动。如果车轮定位参数变动过大，会加剧轮胎和转向机构零件的磨损并降低整车操纵稳定性和乘坐舒适性，因此，设计时的车轮定位参数变化量不能太大。该悬架性能优化的目的是使定位参数在悬架运动过程中变化范围趋向最小。优化目标函数可表示为:

2．3约束变量考虑到生产实现的难易程度，通过改变悬架关键结构硬点坐标参数来实现对整车定位参数的优化，从而改善悬架行驶性能的目的。将需要优化的悬架关键结构硬点坐标参数作为设计变量。这里将减振器上点和下摆臂球销中心选为设计变量，共6个，见表2，再对这些变量参数化。

2.4免疫算法免疫算法是将人工免疫的概念及理论和遗传算法相结合，它不仅保留了遗传算法本身的优良特性，还通过增加免疫算子来抑制其迭代过程中出现的退化现象，并提高免疫算法的收敛速度［8］。优化的目标是搜索多峰值函数的多个极值。将抗原和抗体分别对应优化问题的目标函数和可行解，把抗体和抗原的亲和力视为可行解与目标函数的匹配程度;用抗体之间的亲和力保证可行解的多样性，通过计算抗体期望生存率来促进较优抗体的遗传和变异，用记忆细胞单元保存择优后的可行解来抑制相似可行解的继续产生并加上搜索到全局最优解［9］，其基本步骤如图4所示。

2．5仿真及优化结果分析根据实际样车，设置车辆及悬架的相关参数:轮胎半径为317.5mm，轮胎的垂向刚度为219.16N/mm，簧载质量为635.95kg，质心高度为433.268mm，轴距为2700mm。车辆及悬架参数的设定如图5所示。在Adams/View中添加免疫算法来编译并注册，通过ADAMS软件编译产生动态链接库(．dll)文件。利用动态链接库技术，建立Adams/View与目标函数的链接，然后运用Adams的View模块下的“DesignEvaluationTools”接口调用所编写的免疫算法优化麦弗逊模型。获得相应数据后，进入优化算法的基本流程。同时利用ADAMS/Solver求解器求解目标函数及其相关参数的值。程序根据优化算法内部设定的条件判断是否终止计算。对悬架执行平行轮跳试验。平行轮跳试验是指激励左右车轮同步跳动引起的悬架运动。当车轮遇到障碍物时、当路面不平会上下颠簸时、当汽车加速引起车身纵倾时、当车身侧倾时等多种运动都会引起悬架运动，而平行轮跳试验能较为直观的反映悬架运动特征，是分析悬架运动合理性的重要依据。对悬架模型执行一个跳动量为－50mm～50mm的动力学仿真并绘制结果。优化后的悬架结构参数如表3所示。优化结束后，提取优化前后的曲线图进行对比。其车辆的定位参数变化特特曲线如图6～图10所示。1)前束角ToeAngle该车的前束角优化前后的对比图如6所示，图中前轮跳动时前束角的变化量由0.82°变为0.39°缩减了52.4%，前束角变化量减小可改善轮胎的磨损情况，提高轮胎使用寿命。2)前轮外倾角CamberAngle该车的前轮外倾角优化前后对比图如图7所示，该车前悬架外倾角在空载到满载范围内呈现减小(内倾)的趋势，随后外倾角有增大趋势，但是在整个车轮跳动范围内外倾角变化较小，这种设计有利于减少直线行驶时轮胎的磨损和增加汽车直线行驶时的稳定性。优化后的模拟值与前束角变化特性相适应。3)主销内倾角KingpinInclinationAngle该车的主销内倾角优化前后对比图如图8所示，本次优化中主要为了优化偏置距，所以主销内倾角略有增大，但仍在合理范围内。4)主销后倾角CasterAngle该车的主销后倾角优化前后对比图如图9所示，主销后倾角比优化前小，有利于提高低速转向轻便性。5)主销偏置距ScrubRadius该车的主销偏移距优化前后对比图如图10所示，主销偏置距在跳动过程中缩小，使转向更省力，取得了明显的优化效果。从以上对比曲线中可以看出，用免疫算法优化后，前束角的变化趋势明显好转，主销后倾角和主销偏置距也有一定的优化效果，提高了车辆的操作稳定性同时减少了轮胎的磨损，实现了优化目标。

2.6实车验证为了进一步说明免疫算法优化悬架结构参数的可信型，将悬架优化后的车辆进行K＆C台架试验验证，其试验台主要由中心平台、4个车轮平台、测量系统和惯性系统组成，如图11所示。仿真结果与K＆C台架试验结果对比见表4，从表中可以看出仿真值与试验值虽存在一定的误差，但从对比结果来看总体差值在±10%以内，这说明仿真模型还是具有很高的实用价值，对于同类型的悬架开发工作，可将此仿真模型作为悬架开发的基础工具并在此基础上根据不同的整车参数进行悬架参数调整。

3结束语

本文针对以往一些算法的不足，提出了一种基于免疫算法的麦弗逊悬架优化方法。根据悬架系统设计原理建立其结构模型，然后利用Adams/Car建立某轿车前麦弗逊悬架的仿真模型，通过分析该悬架定位参数随车轮跳动的变化情况，优化悬架结构参数，确定车辆运动特性参数如前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销偏置距等随车轮上下跳动的变化特性，并对前束角、主销后倾角及主销偏置距进行优化，并进行实车台架试验验证。结果表明，优化后的悬架结构参数使各车轮定位参数及变化范围达到了比较理想的效果。尽管本文是以麦弗逊悬架为对象开展的研究工作，但提出的优化方法和思路，对其它类型的悬架优化同样具有指导意义。

作者：李翔晟陈江英高治凌单位：中南林业科技大学机电工程学院众泰汽车控股集团有限公司汽车工程研究院