第40卷 第2期吉林大学学报(工学版) Vol .40 No .22010年3月Journal o f Jilin Unive rsity (Engineering and Technolo gy Edition ) M ar .2010收稿日期:2009-04-13.基金项目:吉林省科技发展计划重点项目(20040332-2).作者简介:高晋(1982-),男,博士研究生.研究方向:汽车系统动力学.E -mail :w rdbbnr @ 通信作者:宋传学(1959-),男,教授,博士生导师.研究方向:汽车系统动力学.E -mail :so ng chx @橡胶衬套刚度对悬架特性的影响高 晋,宋传学(吉林大学汽车工程学院,长春130022)摘 要:对ADAMS /Car 中衬套刚度的计算进行了说明,在此基础上建立了一个双横臂悬架的刚弹耦合模型。
通过ADAM S /Insight 对各个衬套的刚度进行灵敏度分析,分析了衬套刚度的变化对车轮定位参数和悬架刚度的影响,得出车轮定位参数随橡胶衬套刚度变化的规律。
选取刚度变化对车轮定位参数影响较大的衬套力比例因子作为设计变量,选取车轮外倾角、前束、主销内倾角、轮距为优化目标,对不同的衬套取不同的比例因子,通过ADAM S /Insight 自动完成设计的空间组合,并进行仿真计算。
根据目标函数对设计空间过滤,最终达到对车轮定位参数的优化设计。
关键词:车辆工程;汽车悬架;橡胶衬套;灵敏度分析;衬套刚度中图分类号:U463.33 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2010)02-0324-06Influence of rubber bushing stiffness on suspension performanceGAO Jin ,SONG Chuan -x ue(College of Automotive Engineering ,J ilin University ,Changchun 130022,China )A bstract :The calculation o f bushing stiffness w as introduced in the softw are ADAMS /Car ,and based on it a rigid -flex co upling model w as built for the automo tive do uble wishbo ne suspension sy stem .The sensitivity analy ses of the siffness of different rubber bushings were do ne by the softw are ADAM S /Insig ht ,and the influences o f the rubber bushing stiffne ss on the w heel alig nment pa rameters and the suspensio n stiffness w ere analy zed ,and the chang e patte rns of the w heel alig nment paramete rs versus the rubber bushing stiffness we re o btained .Taking the scale factors of the bushing forces that affects significantly on the w heel alignment parameters as the desig n variables ,the camber angle ,the toe ang le ,the kingpin inclinatio n ang le and the w heel track as the optimization targ ets ,fo r the different scale facto rs of different bushings ,the w o rkspaces we re achieved automatically by ADAM S /Insight ,and the sim ulating calculatio n w as performed .The w heel alig nment parameters w ere o ptimized by filtering the w orkspaces acco rding to the targ et functions .Key words :vehicle engineering ;auto motive suspensio n ;rubber bushing ;sensitivity analysis ;bushing stiffness 为了衰减汽车高速行驶引起的振动和冲击,现代汽车悬架系统越来越多地采用橡胶衬套[1],主要利用橡胶的弹性变形减缓机构中难以避免的运动干涉。
悬架的弹性运动产生于橡胶衬套的变第2期高 晋,等:橡胶衬套刚度对悬架特性的影响形[2-4],影响橡胶衬套变形的所有因素,都将影响悬架的弹性运动。
因此,有必要研究橡胶衬套刚度对悬架弹性运动的影响规律。
本文首先介绍了ADAM S/Car中对衬套刚度的定义和计算,建立了一个双横臂悬架的刚弹耦合模型,通过So lver求解器模型(.adm)文件定义衬套各方向的刚度类型和值。
采用灵敏度分析的方法对双横臂悬架进行平行轮跳动试验,找出对这些参数影响最大的衬套,得出了车轮定位参数及悬架的刚度随衬套刚度变化的规律。
选取刚度变化对车轮定位参数影响较大的衬套力的比例因子作为设计变量,选取车轮外倾角、主销内倾角、轮距和悬架刚度为优化目标,确定统一目标函数,根据悬架运动学要求确定分目标函数,再通过ADAMS/Insig ht用衬套刚度的比例因子自动完成设计空间的组合,并进行仿真计算,生成设计空间计算结果,优化策略采用收敛设计空间计算结果来实现。
1 橡胶衬套的刚度1.1 橡胶衬套刚度描述在不同外载荷作用下,橡胶衬套的力学特性是有差别的,其力学特性模型可分为描述动态和静态力学特性两类[5]。
实际上,悬架弹性运动的阻尼包括各种摩擦和减振器等多种因素,橡胶衬套的材料对阻尼影响并不大。
因此,橡胶衬套的建模重点是模拟其缓慢加载下的静态力学特性,静态力学模型通常是将橡胶衬套表达为6个方向的线性力学模型[6]。
悬架橡胶衬套传递车身和悬架导向机构之间的3个扭转力矩T x、T y、T z和3个轴向力F x、F y、F z,在6个力作用下会产生6个方向的变形,相应地存在6个方向的刚度。
1.2 ADAMS/Car软件中衬套刚度的计算ADAMS/Car中衬套力是通过子程序调用实现的,模型(.adm)文件通过FIELD关键字声明来调用子程序[7],格式如下FIELD/id,I=idi,J=idj,FUNCTION= USER(branch,shape,txa,tya,tza,rxa,ry a, rza)函数返回衬套6个方向的力和力矩,其中后面6个参数是数组的id号,数组必须是下面的格式[8] ARRA Y/id,NUM=stiffness ty pe,stiffness valuestiffness force scale,dam ping type,damping fo rce scalefo rce offset,disp offset,disp scale,vel offse t,vel scale参数stiffness force scale是刚度的比例因子,默认值是1,本文用Insight所做的试验设计(DOE)是通过改变其值来改变衬套的刚度特性。
参数stiffness ty pe是刚度类型值,刚度力特性为:(1)线性特性刚度类型值为1,用刚度k定义。
y i(q i,v)=y(q i)=k i q i (2)分段线性分段线性刚度类型为4,当选择此刚度类型时,必须另外提供一个数组,数组的形式为ARRA Y/id,NUM BERS=n,k(0),b(1),k(1),…,b(n),k(n)其中,n为斜率的个数;k(0),…,k(n)为斜率,必须为实数;b(0),…,b(n)为斜率发生改变的点,这些值必须为实数,且呈上升的顺序,例如b(m)表示在这一点斜率由k(m-1)变为k(m)。
这里k(0),b(1),k(1),…,b(n),k(n)必须包含2n-1个值,数组的大小是2n。
(3)平滑分段线性平滑分段线性刚度类型为5,平滑分段线性与分段线性相似,但在每个斜率改变处变得平滑,当选择此刚度类型时,必须另外提供一个数组,数组的形式为ARRA Y/id,NUM BERS=s,n,k(0),b(1),k(1),…,b(n),k(n)其中,s为斜率平滑改变的间隔,是大于零的实数;k(0),b(1),k(1),…,b(n),k(n)必须包含2n -1个值,数组的大小是2n+1。
(4)样条曲线类型通过样条曲线来定义刚度力特性。
2 衬套刚度对车轮定位参数的影响2.1 双横臂悬架模型的建立本文用UG建立双横臂悬架的实体模型,如图1所示,在ADAM S/Car模板中建立硬点位置,再通过它们的接口将实体导入ADAM S/Car 中,加上相应的约束、衬套和模块间的通讯(co mmunicato r)[9],用软件自带的测试台建立悬架仿真模型。
2.2 灵敏度分析为有效地进行参数的优化设计与修改,需研325吉林大学学报(工学版)第40卷图1 双横臂悬架模型Fig .1 Model of double wishbone suspension究目标函数对设计变量的敏感程度[10]。
参数灵敏度是系统的参数变化对系统动态性能的影响程度。
若目标函数可导,其一阶灵敏度在连续系统中可表示为S =(f )i = f (X )X i式中:f (X )为目标函数;X i 为设计变量。
本文以双横臂悬架上横臂前端、后端,下横臂前端、后端与副车架连接处的4个橡胶衬套各个方向的刚度为设计变量,共3×4=12个变量。
通过ADAMS /Insig ht 来研究它们对车轮定位参数、悬架刚度、轮距的影响,即研究这些参数对各个橡胶衬套刚度的灵敏性。
设计变量DV1～DV12分别是悬架上横臂前端、下横臂前端、上横臂后端、下横臂后端衬套的X 轴向、Y 径向、Z 径向的刚度。
在Adam s /Insight 中分组进行实验设计,仿真采用-100～100m m 车轮平行跳动,使每个设计变量的比例因子范围为1/5～5,采用筛选法(即两水平方法),为了缩短运行时间,本文采用部分因素实验,即做32次实验。