第3期(总第154期)2009年6月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G & AU TOM A T I ON N o 13Jun 1文章编号:167226413(2009)0320032203ADAM S In sigh t 在双横臂扭杆独立悬架中的应用王正华,尹明德(南京航空航天大学机电学院,江苏 南京 210016)摘要:前悬架设计的主要目标之一是减小主销偏移距。
以多体动力学理论为基础,运用动力学仿真软件ADAM S Car 建立了双横臂扭杆独立悬架模型,并采用ADAM S Insigh t 模块进行性能分析,在一定范围内对其优化,达到了减小主销偏移距的目的。
关键词:ADAM S ;双横臂扭杆悬架;多体动力学中图分类号:U 463183 文献标识码:A收稿日期:2008211203;修回日期:2009201217作者简介:王正华(19832),男,山东枣庄人,在读硕士研究生。
0 引言主销偏移距是前悬架设计中最重要的参数之一,又称为磨胎半径,它是指转向轴线(主销)或其延长线的落地点与车轮接地印迹中心线间的距离。
因为它的存在,会导致纵向力转向,包括驱动和制动力引起的转向。
该参数对很多车辆动力学问题有着重要影响,包括制动转向、AB S 工作时引起的转向扰动等,在实际设计中一般为-10mm ～30mm ,希望取较小的数值[1],特别是在FF 车中多设定为负值。
本文以南京依维柯威尼斯之旅客车为参照,建立动力学仿真模型,使用ADAM S In sigh t 试验设计与分析模块进行虚拟试验,在一定范围内找出主销偏移距的最优解。
ADAM S In sigh t 能对任何仿真进行试验设计,使用户可以更精确地对设计进行量化研究。
应用ADAM S In sigh t ,工程师可将全部的设计要求有机地集成为一体,规划和完成一系列仿真试验,并保证试验分析结果具有足够的精度,从而精确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能[2]。
1 建立模型111 模型结构该型号客车采用双横臂扭杆式独立悬架,根据前悬架系统实际结构抽象出如图1所示的前悬架系统分析模型。
整个悬架系统由横臂、转向节、扭杆、转向横拉杆、转向器齿条、横向稳定杆、车轮和车架(车身)组成。
图1中,前左减振器上半部分(件3)、前右减振器上半部分(件2)分别通过万向节铰链A 、B 与车架(件1)横梁相连接,前左减振器下半部分、前右减振器下半部分分别通过万向节铰链与左、右下摆臂相连接,并分别通过滑移柱铰C 、D 与其上半部分相连,它们可相对上半部分进行轴向移动和转动;前左悬架下横臂(件12)一端、前右悬架下横臂(件11)一端分别通过柱铰M 、K 与车架相连,可相对车架(车身)上下摆动,它们的另一端分别通过球铰Q 、P 与左转向节、右转向节相连;左上摆臂(10)、右上摆臂(9)分别通过转动铰链L 、J 与车架相连,使其可相对于车架上下摆动,它们的另一端分别通过球铰O 、N 与左、右转向节相连;前左转向横拉杆(件6)、前右转向横拉杆(件4)的一端分别通过球铰I 、H 与左、右转向节相连,它们的另一端分别通过万向节铰链F 、E 与转向器齿条(件5)相连,约束其绕自身轴线转动;转向器齿条通过滑移铰G 与车架相连,它可相对车架(车身)左右移动;横向稳定杆在实际结构中为一个整体,为了仿真其功能,分左、右两部分为件16和件15,在图1中横向稳定杆两部分的一端分别通过柱铰W 、X 与车架相连,中间对称位置可简化为以扭杆弹簧相连,稳定杆两侧头部分别通过万向节铰链S 、Z 与两虚拟物体(图中未画出)相连,而两虚拟物分别通过球铰R 、Y 与前右悬架下摆臂、前左悬架下摆臂相连;前左车轮(件14)、前右车轮(件13)分别通过柱铰U 、T 与左转向节(件7)、右转向节(件8)相连;在前右悬架上摆臂(件9)的一端(J 处)通过一扭簧(17)与车架相连接,以实现右扭杆的作用,在前左悬架上横臂(件10)的一端(L 处)通过一扭簧(件18)与车架相连接,以实现左扭杆的作用。
112 模型的建立模型关键点的坐标是建立ADAM S 运动学仿真模型的关键。
通过查阅前悬架的装配图纸,获得模型中所需关键点的坐标,在ADAM S Car 中建立如图2所示的仿真模型。
模型中零部件的质量和转动惯量属性是通过在P ro E 中建立三维模型,由软件计算所得;而悬架中所用衬套、减振器、扭杆弹簧、横向稳定杆等的力学特性数据则是由厂家提供。
1—车架(车身);2—右减振器上半部分;3—左减振器上半部分;4—右转向横拉杆;5—转向器齿条;6—左转向横拉杆;7—左转向节;8—右转向节;9—前右悬架上横臂带上拉杆;10—前左悬架上横臂带上拉杆;11—前右悬架下横臂带下拉杆;12—前左悬架下横臂带下拉杆;13—前右车轮;14—前左车轮;15—横向稳定杆左半部分;16—横向稳定杆右半部分;17—右扭杆;18—左扭杆图1 双横臂扭杆独立悬架模型图图2 双横臂扭杆独立悬架仿真模型2 悬架模型的仿真和优化211 悬架模型的仿真首先设定悬架参数。
这些参数包括:轮距、簧载质量、轮胎的自由半径、轮胎刚度、前轮驱动还是后轮驱动、质心高度、前后轴的制动力分配。
这些参数设置完之后,对悬架进行车轮同向跳动仿真。
跳动距离为上、下50mm 。
在后处理中察看仿真结果可知,主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角、车轮前束角、轮距变化和侧倾中心高度均在较理想的变化范围,但主销偏移距偏大,见图3。
从图3中可以看出,当车轮跳动在±50mm 时,主销偏移距在27142mm ～30125mm 之间变动;当车轮跳动超过50mm 时,主销偏移距还将增大,对转向不利,有必要对其进行优化。
图3 主销偏移距图212 悬架模型的优化为了解决主销偏移距过大的问题,有必要对悬架的结构进行调整。
由主销偏移距的定义可知,要减小主销偏移距,就需要对双横臂悬架上、下球铰的位置进行调整,但考虑到这两个位置的调整势必会对前束角、主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角等产生一定的影响,同时考虑到底盘结构的限制,不能对这两个参数做大范围的调整。
研究表明,细微的调整对其他参数的影响并不大。
下面采用ADAM S In sigh t 对这两对硬点(左、右对称的两点为一对)的位置进行优化。
选取上、下横臂外端点为设计变量,变动范围为±10mm ,由于主销偏移距与主销内倾角密切相关,因此以主销偏移距和主销内倾角的最小绝对值为目标函数进行DO E 分析。
在试验策略中采用DO E Screen ing (2L evel )试验设计筛分法(二水平),利用这种方法,可以选取对样机性能影响较大的几个设计变量;然后选择线性模型(linear )来拟合变量和响应之间的关系。
由于悬架左、右对称,故只选取左边上下球铰的坐标(共6个)作为设计变量,采用全因子设计方法,共进行26=64次迭代。
运行试验后,对仿真结果进行拟合。
ADAM S In sigh t 以标准方差(ANOVA )工具进行拟合,并提供了一套ANOVA 统计方法,由R 2和R 2adj 来表示拟合的好坏。
R 2介于0～1之间,越大越好,通常好的拟合应该大于019;R 2adj 通常要小于R 2,如果R 2adj 的值为1,表明拟合的非常好;P 表明了拟合表达式中是否有有用项,P 越小,说明拟合表达式中的有用项越多;R V 则表明了模型的计算值和原始数据点之间的关系,该值越高越好,大于10表明模型的预测结果很不错,而比较低的值,例如低于4,表明模型的预测结果完全不可信。
通过Goodness 2of 2fit 项来检查拟合的好坏,其各项的值见图4。
从图4可以看出,拟合的非常理想,这也表明用线性模型(linear )来拟合变量和响应之间的关系是正・33・ 2009年第3期 王正华,等:ADAM S Insigh t 在双横臂扭杆独立悬架中的应用确的。
导出分析结果为W eb 页形式,从中可以看出各因子对响应的影响程度。
经分析可知,上、下球铰处的x 坐标对主销偏移距和主销内倾角的影响很小,可以忽略不计,在优化分析时,将其固定。
由于主销偏距和主销内倾角密切相关,主销偏距的减小势必会造成主销内倾角的增大,为了兼顾两者,这里取折中值:将主销偏距响应定为≤15mm ,主销内倾角响应定为≥7o ,最后得出优化后的硬点坐标见表1。
图4 Goodness 2of 2fit 中各项的值表1 优化前、后悬架硬点坐标硬点坐标状态x (mm )y (mm )z (mm )lca -outer (下摆臂球铰点)优化前-10-782.256253.6优化后-10-786.86257.61uca -outer (上摆臂球铰点)优化前0-751514.5优化后0-746.4511.68 图5和图6分别是主销内倾角和主销偏移距优化前、后的比较图。
图5 主销内倾角优化前、后对比3 优化结果分析主销内倾角的作用是使前轮自动回正。
角度越大,则前轮自动回正的作用就越强烈,但转向时也越费力,轮胎磨损增大;反之,角度越小,则前轮自动回正的作用就越弱,因此这个主销内倾角都有一个范围,约为7o ～13o [1]。
从图5可以看出,主销内倾角在优化后,稍微有些增大,但仍在可接受范围之内。
主销偏移距的存在会导致纵向力转向,包括驱动和制动力引起的转向。
因此在设计时多取较小的值。
由图6可以看出,主销偏移距在优化后明显降低,变化范围为1318552mm ～1715428mm ,大大降低了纵向力矩敏感性。
前轮的其他定位参数,如前束角、外倾角、主销后倾角,在优化前、后变化不大,在理想范围之内。
图6 主销偏移距优化前、后对比4 结束语本文利用动力学仿真软件ADAM S Car 模块建立了双横臂扭杆独立悬架的动力学模型,并对其进行了车轮同向跳动仿真分析,使用ADAM S In sigh t 优化工具对主销偏移距进行了优化,较好地解决了由于主销偏移距过大而造成的纵向力矩敏感性问题。
参考文献:[1] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册设计篇[M ].北京:人民交通出版社,2001.[2] 石博强,申焱华,宁晓斌,等.ADAM S 基础与工程范例教程[M ].北京:中国铁道出版社,2007.Application of ADAM S I n sight i n D ouble W ishboneTorsion Bar I ndependen t Suspen sionW ANG Zheng -hua ,Y I N M i ng -de(Co llege of M echanical and E lectrical Engineering ,N anjing U niversity of A eronantics and A ustronautics ,N anjing 210016,Ch ina )Abstract :O ne of the m ain targets in the design of the front suspensi on is to reduce the k ingp in offset .T h is article is based on m ulti 2body dynam ics theo ry and builds a double w ishbone to rsi on bar independent suspensi on using dynam ics si m ulati on softw are ADAM S Car .U sing ADAM S Insigh t ,the k inem atics analysis is carried out and the suspensi on is op ti m ized in certain extent .F inally ,the goal of reducing the k ingp in offset is attained .Key words :ADAM S ;double w ishbone to rsi on bar suspensi on ;m ulti 2body dynam ics・43・ 机械工程与自动化 2009年第3期 。