基于ADAMS与CARSIM的某车型悬架特性分析与优化.pdf

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第53卷第2期VoI．53No．2农业装备与车辆工程AGRICULTURALEQUIPMENT＆VEHICLEENGINEERING2015年2月February2015doi：10．3969乃．issn．1673—3142．2015．02．007基于ADAMS与CARSlM的某车型悬架特性分析与优化陈巍，熊璐(201804上海市同济大学汽车学院)[摘要】针对某车型的底盘调校需求，基于该车型的硬点、整车及系统参数，应用ADAMS／CAR建立其悬架与转向系统模型，结合ADAMs／INSIGHT工具对硬点等设计变量进行灵敏度分析。综合考虑设计变更量与工程可行性，对前、后悬架及转向系进行分析优化；悬架优化完成后利用CARSIM建立其整车模型。并进行整车操纵稳定性仿真分析与验证。分析表明，优化后整车操稳性能得到提升，采用的分析思路和方法正确。对类似工程问题具有一定参考价值。[关键词]悬架；K＆C特性；ADAMS／CAR；CARSIM[中图分类号]U463．33。2[文献标志码】A[文章编号】1673—3142(2015)02-0031-05AnalysisandOptimizationofSuspemionCharacteristicsBasedoRADAMSandCARSIMforaPassengerCarChenWei，Xiongl_a(SchoolofAutomobileStudies，TongjiUniversity，Shanghai201804，China)[Abstract]WiththerequirementsofchassistuningforapassengerCal"，thesuspensionandsteeringsystemmodelhasbeenbuiltinADAMS／Carbasedonthehardpoints，systemandvehicleparameters．AnalysisofthesensitivityofdesignfactorssuchashardpointshasbeenconductedassociatingwiththeADAMS／Insightt001．Thesuspensionandsteeringsystemhavebeenop-timized，withboththealterationofpartsandtheengineeringfeasibilitytakenintoconsideration．AvehiclemodelhasbeenbuiltusingCARSIMafteroptimization，andthesimulationandanalysisofhandlingperformancehasbeenexecuted．Analysisshowsthehandlingperformancehasbeenimprovedbysuspensionandsteeringoptimization，whichmeanstheanalyticalprocedureandmethodsintroducedinthispaperarecorrect．andmusefulforguidanceofsimilarengineeringproblems．[Keywords】suspension；K&Ccharacteristic；ADAMS／CAR；CARSIM0引言底盘是汽车主要组成之一，是整车及平台开发的基础。同时，在底盘平台开发和整车性能分析中，悬架系统作为把底盘与车架弹性地连接起来，传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩，缓和路面传给车架的冲击载荷fIl的关键系统．对整车操纵稳定性和行驶平顺性具有重要意义。而悬架运动学与弹性运动学(Kinematics&Compliance．下文简称K&C)是研究整车性能的重点和关键内容之一。悬架K&C特性作为一项重要的系统总成特性对整车的操纵稳定性、平顺性等都具有直接的影响【2】。对悬架K&C特性的研究和分析。可以为悬架的合理设计和整车性能的调校优化提供重要的收稿日期：2014—10．18修回日期：2014-10-24理论支持和试验依据[31。底盘调校主要作用为提升整车的操纵稳定性和行驶平顺性，并使其最佳合理地分配，最大限度地满足客户的要求。在底盘调校过程中，主要针对悬架系统中的性能件性能进行调试．例如减振器阻尼力、螺旋弹簧刚度、稳定杆、连接衬套刚度等。作为底盘性能件中的关键件，螺旋弹簧和减振器用来承受并传递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。横向稳定杆不但起到抗侧倾的作用，同时承受车轮的纵向力嗍。本文基于某车型的底盘调校需求。应用ADAMS／CAR与CARSIM仿真方法，对某车型关键悬架K&C特性和操稳性能进行分析优化．为其底盘调校样件设定提供理论支持。 第53卷第2期陈巍等：基于ADAMS与CARSIM的某车型悬架特性分析与优化33裹4悬架侧倾刚度优化Tab．4Optimizationofsuspensionrollstiffness1．3前束变化率分析及优化为保证整车的不足转向特性，前悬架前束随轮跳的变化趋势应为toe—out．后悬架则为toe—in。由表1可知，该车前悬架前束随轮跳变化为toe_in，车辆转向时，外侧车轮悬架因为载荷侧向转移而受压缩，由车身侧倾引起车轮的前束变化呈toe—in趋势。不利于不足转向。利用ADAMS／Insight可以进行试验优化设计，它可以与ADAMS其它模块一起工作[7-81，使设计变量的参数化更为方便，并提供一系列的统计工具以便更好地分析结果。通过ADAMS／Insight灵敏度分析，可以找到影响目标函数的主要因素，进而对主要因素进行优化，求得目标函数的最优解。由经验可知。橡胶衬套对悬架K特性的影响较小。K特性的主要影响因素为硬点。以下摆臂前安装点、下摆臂后安装点、下摆臂外球头点、拉杆内球头点、外球头点、主销上点、减振器下安装点为设计变量，以前束随轮跳的变化率为设计目标，进行灵敏度分析。分析结果表明：影响设计目标的主要因素为转向拉杆内、外球头点及下摆臂安装点坐标．灵敏度见表5。表5前束随轮跳变化率灵敏度分析T曲．5DOEana№isoftoe／wh∞ltravel设计变量影响率／％转向拉杆内点z坐标转向拉杆外点z坐标下摆臂外点z坐标下摆臂前点z坐标下摆臂外点x坐标主销上点l，坐标下摆臂后点z坐标下摆臂前点x坐标443．10—387．98386．65—301．50—111．3099．6098．2990．86由灵敏度分析结果可知，对前束随轮跳变化率影响最大的因素依次为：拉杆内球头点、拉杆外球头点、摆臂外球头点、摆臂前安装点的z向坐标。因更改拉杆内球头点、摆臂前安装点涉及副车架的更改，工程量过大；更改下摆臂外球头点z向坐标会同时影响前悬架轮距随轮跳的变化率和侧倾中心高度：更改拉杆外点z向坐标涉及转向节的更改，相较下最适合实际工程要求。将转向拉杆外球头点z向上移9mln。得到前束随轮跳变化趋势见图3。0．加·／＼萎n3D／～优化＼翟0．20·／一优化＼／＼o．10。蕊“岛笼轮跳／咖＼／／芝图3优化前后的前束随轮跳变化对比Fig．3D晰e悖n∞oftoe／wheeltravelbeforeandafteroptimization1．4转向阿克曼特性分析及优化阿克曼率为转向时实际内外车轮转角差值与理想的内外车轮转角差值的比率，阿克曼率越大，则阿克曼偏差越小，转向梯形越接近理想的阿克曼运动学关系。良好的阿克曼特性有助于减少转向时内外侧车轮的磨损，提升转向力感、改善转向回正时的柔顺性等。阿克曼率主要受硬点布置决定。以上节悬架系和转向系主要硬点的x、y、z各向坐标为设计变量，以阿克曼率为设计目标，进行DOE灵敏度分析。分析结果见表6。表6转向阿克曼率影响率分析Tab．6AnalysisofAckerman设计变量影响率／％转向拉杆外点x坐标下摆臂外点j坐标转向拉杆内点x坐标下摆臂前点Z坐标下摆臂外点z坐标转向拉杆内点z坐标转向拉杆内点y坐标转向拉杆外点y坐标由表6可知，若需增大阿克曼率，最有效的方法为将转向拉杆外点x向前移，但如此会导致减小齿条力臂，进而减小转向力的传递效率；而下摆El，)73l1孔3X3&J5J"五“2233“lxil一邮鲫洲一一一蚴 农业装备与车辆工程2015年臂前安装点、外球头点、拉杆内点的更改涉及的零部件过多，考虑研发成本和工程可行性，对转向节进行更改，将拉杆外点Y向坐标内移6mm，优化前后的转向阿克曼特性见表7。表7转向阿克曼特性优化对比Tab．7OptimizationofAckerman1．5悬架与转向系优化小结对该车型悬架系和转向系进行优化内容如下：调整前缓冲块接触间隙和刚度，优化悬架刚度曲线和前后悬架偏频；调整后桥扭杆直径，优化后悬架侧倾角刚度，改善前后侧倾刚度配比；调整拉杆外点z向和l，向坐标，优化前束随轮跳的变化率，提高转向阿克曼率。2整车CARSIM模型仿真与分析应用前、后悬架ADAMS模型进行仿真，建立优化前及优化后的整车CARSIM分析模型，并进行操稳性能仿真[91。2．1稳态回转仿真分析以汽车稳态回转试验方法进行仿真【1四。得到车身侧倾梯度曲线见图4，质心侧偏角梯度曲线见图5，稳态回转仿真结果见表8。分析可知，后桥扭转杆直径增大后，后悬架侧倾刚度增大，虽然前悬架侧倾刚度由于缓冲块接触延迟而略减小，但整车总侧倾刚度增大，故优化后车身侧倾梯度减小0．242(o)／g；优化后车辆不足转向度明显增大。满足0．2g处不足转向度2～2．5(o)／g的设计经验范围。f<旺坚暮亦抖—一优化前一优化后，，’侧向加速度／g图4优化前后车身侧倾梯度对比Fig．4Differenceofrollgradientbeforeandafteroptimizationf<娅堡晷0喈侧向加速度／g图5优化前后质心侧偏角随侧向加速度变化曲线Fig．5Differenceofslipangleandlateralaccelerationbeforeandafteroptimization表8优化前后稳态回转仿真结果对比Tab．8Compadsonofsteadystatecircularbeforeandafteroptimization2．2转角阶跃输入仿真分析以汽车转角阶跃输入试验方法进行仿真【砌．得到横摆角速度变化曲线见图6，侧向加速度变化曲线见图7，仿真结果见表9。o>已一＼魁世驰颦00．51．01．5202．53．035时间／s图6优化前后横摆角速度响应时域曲线Fig．6Differenceofyawratebeforeandafteroptimizationb。＼魁剖口#足匿00．51．o1．52．02．53．03．5时间／s图7优化前后侧向加速度响应时域曲线Fig．7Differenceoflateralaccelerationresponsetimebeforeandafteroptimization牾∞鲐∞巧加”m∞O0O0O0 第53卷第2期陈巍等：基于ADAMS与CARSIM的某车型悬架特性分析与优化35表9优化前后转角阶跃响应时间对比分析Tab．9comDarisOnofstepinputbeforeandafteroptimization分析可知．优化后横摆角速度、侧向加速度的响应时间均减小。转向盘转角输入后车辆的响应更为迅速、灵敏。3结论硬点优化灵敏度分trrm；口果表明，下摆臂外球头点、转向拉杆外点、转向拉杆内点等硬点的z向位置对前束随轮跳变化率的影响较大：下摆臂外球头点、转向拉杆内点、转向拉杆外点的x向位置对转向阿克曼率的影响最大。对于相同类型的麦弗逊悬架，可以直接运用本文的影响率分析结果。前束随轮跳变化率，前、后悬架侧倾刚度的匹配对不足转向度、车身侧倾梯度、车辆响应时间有很大的影响，在整车操纵稳定性开发与解决实际工程问题中。通过设定合理的悬架K&C特性参数，可以达到理想的操稳性能目标。参考文献【l】熊伟．发动机悬置性能及优化研究【D】．重庆：重庆大学，2003．【2】廖永升，刘拥军，陈臻，等．基于ADAMS的麦弗逊悬架运动学优化田．科学技术与蹦E,2012，12(20)．f3】段守焱．某来用车悬架K&C特性分析及匹配研究【D】．吉林：吉林大学,2011．【4】郭孔辉．汽车操纵动力学【M】．吉林：吉林科学技术出版社，1991．【5】余志生．汽车理论【M】．北京：机械工业出版社，2008．【6】6刘惟信．汽车设计【M】．北京：清华大学出版社，2001．【7】郑建荣．ADAMs一虚拟样机技术入门与提高【M】．北京：机械_T-21k出版社．2001．【8】MSCSoftware，Adams／Carayn“csuspensionanalysis【Z】，2007．【91CarsimHelp，Carsimquick8tar[guide【Z】，2008．【lO]GB／T6323-2014，汽车操纵稳定性试验方法【s】．作者简介陈巍(1983一)，男，同济大学硕士研究生，底盘调校与主客观评价方向。E-mail：cweijlqc@163．corn“农业机械智能化装备集成与产业化示范”项目5项科技成果通过鉴定2015年1月9日，山东省农业机械科学研究院承担的省自主创新专项“农业机械智能化装备集成与产业化示范”项目科技成果鉴定会在济南召开．该项目形成的“2BYFZ-4型智能玉米精密播种施肥机”、“3WPZ--650型智能悬挂武喷杆喷雾机”、“3可院Cz-1300型智能喷雾机”、“雷沃谷神4YZ一3Z型智能玉米收获机”、“雷沃谷神4YZ-4Z型智能玉米收获机”等5项科技成果通过了鉴定。鉴定专家认为上述5项成果均应用了智能化控制技术．人机交互功能强。显著降低了作业损失，提高了作业效率．技术水平分别居国际先进或国内领先。山东省农业机械科学研究院、山东大华机械有限公司、福田雷沃国际重工股份有限公司承担完成的“2BYFZ--4型智能玉米精密播种施肥机”，采用自主研发的种、肥专用传感器，检测无盲区；创新研制了种子检测和自动补种系统．实现已播数、重播数、漏播数的计量和缺种、堵塞故障报警及自动补种；创新研制了化肥检测和自动疏通系统：集成研发了基于CAN总线的专用控制器和触控软件系统。株距与施肥量可电动无级调节。福田雷沃国际重工股份有限公司、山东省农业机械科学研究院承担完成的“雷沃谷神4YZ—亿型智能玉米收获机”，采用静液压驱动底盘，操控性好、故障率低；采用DSP+FPGA技术研发的高集成控制器，响应快、功能强大；创新研发了收获台高度仿形、自动对行收获装置。山东省农业机械科学研究院、山东卫士植保机械有限公司、福田雷沃国际重工股份有限公司承担完成的“3WPZ一650型智能悬挂式喷杆喷雾机”。实现了喷雾流量精准调节、转弯过程喷雾流量分段比例调节等功能．人机交互功能强。山东省农业机械科学研究院、禹城市亚泰机械制造有限公司、福田雷沃国际重工股份有限公司承担完成的“3WZCZ一1300型智能喷雾机”，实现了精准喷雾作业和行走路径校正、等高仿形喷雾功能。山东省农业机械科学研究院、福田雷沃国际重工股份有限公司承担完成的“雷沃谷神4YZ一3Z型智能玉米收获机”创新研发了收获台高度仿形、自动对行收获装置，实现了多项参数交互式集成监控以及倒车、粮仓、剥皮装置的视频监视；研发的基于DSP和CPLD的专用控制器．降低了控制过程中的瞬态脉冲干扰，提高了控制系统的稳定性。