MotionView及HyperStudy在全地形車前懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

常立曄　李成

摘要：為解決全地形車大行程前懸架的懸架跳動(dòng)與前束角變化的協(xié)調(diào)問(wèn)題，研究一款全地形車前懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型.在MotionView中建立該全地形車前懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，借助HyperStudy對(duì)懸架跳動(dòng)與前束角變化關(guān)系曲線進(jìn)行優(yōu)化，獲得與理想曲線較接近的結(jié)果.

關(guān)鍵詞：全地形車； 懸架跳動(dòng)； 前束角變化； 雙橫臂懸架； 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： U461.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract：To solve the coordination problem between the largestroke front suspension bump and the toein angle variation of all terrain vehicle， the kinematics model of the front suspension of an all terrain vehicle is researched. The kinematics model of the front suspension of the all terrain vehicle is built in MotionView， and the relation curve between suspension bump and toein angle is optimized by HyperStudy， which is consistent with the ideal curve.

Key words：all terrain vehicle； suspension bump； toein angle variation； double wishbone suspension； design of experiment

0 引 言

近年來(lái)，隨著人與環(huán)境互動(dòng)的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)、娛樂(lè)和越野運(yùn)輸?shù)刃枨蟮脑黾?，全地形車的開發(fā)和制造發(fā)展迅速.憑借4只寬大的越野低壓車胎，加上四輪獨(dú)立懸架系統(tǒng)，全地形車自由穿梭在最難走行的沙灘或荒漠，載人、載物甚至野地救援都非常合適.這種體形小巧、越野性能強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高的四輪汽車在某些時(shí)候甚至比性能強(qiáng)悍的SUV四輪越野汽車更具機(jī)動(dòng)性能.全地形車的軍用潛力也已經(jīng)被越來(lái)越多的軍隊(duì)所認(rèn)識(shí)；其家族龐大，而且型號(hào)繁多.[12]2款經(jīng)典的小排量全地形車見圖1.

然而，這種輕型全地形車的底盤懸架幾何設(shè)計(jì)要求比量產(chǎn)汽車還要精準(zhǔn)，懸架行程約150 mm，傳動(dòng)軸側(cè)移可達(dá)7～8 mm，若沒(méi)有可靠的仿真分析，很難確保行車安全.

目前，在懸架設(shè)計(jì)方面，清華大學(xué)的王磊等

[3]對(duì)全地形車中、后橋雙橫臂平衡懸架的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行研究，并對(duì)惡劣路況下三軸全地形車中、后橋垂直載荷進(jìn)行合理分配.天津大學(xué)的馮仁川[4]用Adams對(duì)UTV的前懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)整車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性進(jìn)行研究.本文則用多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件MotionView對(duì)全地形車前懸架進(jìn)行研究.

為分析自制全地形車前懸架的性能及其對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響，在MotionView中建立該懸架的動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，同時(shí)利用HyperStudy中的DOE和Optimizaiton模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).通過(guò)優(yōu)化對(duì)比調(diào)整前懸架的參數(shù)得到理想的Bumpsteering特性以及良好的高速操控性.

MotionView中帶有多種型式的整車前后懸架模型，能夠快速建造高精度的參數(shù)化汽車模型，主要用于對(duì)轎車的動(dòng)態(tài)仿真分析.HyperStudy能與MotionView無(wú)縫銜接對(duì)仿真進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析，使用戶可以更精確地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行量化研究.應(yīng)用HyperStudy可以很方便地進(jìn)行一系列的仿真試驗(yàn)，從而精確地預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)在各種工作條件下的性能并提供專業(yè)的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果.[5]

1 前懸架模型的建立和仿真分析

模型硬點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和相關(guān)參數(shù)是建立

MotionView動(dòng)力學(xué)模型的關(guān)鍵.首先，根據(jù)既定參數(shù)在MotionView中搭建全地形車的前懸架動(dòng)力學(xué)模型并仿真，確定所有的連接硬點(diǎn)（也就是常說(shuō)的球銷和襯套連接點(diǎn)）.建立的前懸架模型見圖2.

懸架在跳動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)發(fā)生變化的規(guī)律稱為懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性.車輪定位參數(shù)中前輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性影響較大.[67]為反映前輪定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)的變化規(guī)律，在MotionView中進(jìn)行雙側(cè)車輪平行跳動(dòng)仿真，全地形車設(shè)計(jì)跳動(dòng)范圍為上跳180 mm、下跳90 mm，分析前輪前束角的變化規(guī)律.由于汽車的對(duì)稱性，左右車輪定位參數(shù)相同，故僅分析左輪定位參數(shù).

通過(guò)對(duì)比前輪定位參數(shù)在橫坐標(biāo)為0時(shí)的值與在數(shù)值模擬中測(cè)量的值是否一致，判斷所建模型的正確性，確保仿真結(jié)果的可信度.

在整車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輪胎與車身之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，造成前輪定位參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變動(dòng).車輪定位參數(shù)的變化量不能太大，否則將會(huì)加劇輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的磨損并降低整車操縱穩(wěn)定性和其他相關(guān)性能.[812]輪胎上下跳動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的前束角的變化稱為BumpSteering特性.當(dāng)車輛行駛時(shí)，如果BumpSteering變化太大將會(huì)影響車輛的直線行駛穩(wěn)定性，最高車速也會(huì)受到影響，同時(shí)增大輪胎與地面間的滾動(dòng)阻力，加劇輪胎的磨損.所以，在懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)中BumpSteering是非常重要的指標(biāo)，原則是變化量越小越好.原始設(shè)計(jì)的BumpSteering規(guī)律見圖3.前輪前束角變化較大：在-90～180 mm的輪跳范圍內(nèi)，前束角的變化范圍為-5～5°，是BumpSteering較大的表現(xiàn)，屬于惡劣工況.因此將其作為目標(biāo)函數(shù)，在HyperStudy中進(jìn)行優(yōu)化，使其達(dá)到理想狀態(tài).

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用HyperStudy可以對(duì)車輪定位參數(shù)中的某項(xiàng)或多項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，使定位參數(shù)達(dá)到理想值.本文通過(guò)對(duì)懸架的部分硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行改變，達(dá)到優(yōu)化前束角的目的.

雙橫臂懸架中影響前束角變化的主要因素是懸

架定位硬點(diǎn)位置的選擇.雙橫臂懸架硬點(diǎn)較多，但每

個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)值對(duì)設(shè)計(jì)效果的影響不同.可以利用HyperStudy中的DOE模塊進(jìn)行篩選試驗(yàn)，找到對(duì)前束角影響較大的幾個(gè)坐標(biāo).雖然懸架上下控制臂硬

點(diǎn)對(duì)前束角也有較大影響，但是由于懸架整體結(jié)構(gòu)已確定，上下控制臂硬點(diǎn)不能更改，因此根據(jù)實(shí)際情況，此處取轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)3個(gè)方向坐標(biāo)xA，yA和zA以及轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點(diǎn)2個(gè)方向坐標(biāo)xB和zB，共5個(gè)坐標(biāo)作為變量進(jìn)行分析優(yōu)化.沿用一款成熟的轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端（橫拉桿內(nèi)點(diǎn)）長(zhǎng)度固定，所以內(nèi)點(diǎn)的y方向暫不作為設(shè)計(jì)變量，最終如不能得到理想結(jié)果，再考慮橫拉桿內(nèi)點(diǎn)y方向的變動(dòng)（此時(shí)需要新開發(fā)轉(zhuǎn)向機(jī)）.

設(shè)置每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的變化范圍為10%（見表1），利用HyperStudy中的DOE模塊進(jìn)行分析.

表2中的第4號(hào)試驗(yàn)為近似最優(yōu)組合，具體坐標(biāo)值見表3.將其代入模型驗(yàn)證，結(jié)果見圖4.

由圖4可知：前束角的變化范圍為-6.5～1.6°，DOE給出的近似最優(yōu)組合并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的結(jié)果.因此，通過(guò)Optimizaiton模塊繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化.

最優(yōu)組合與預(yù)期結(jié)果相差巨大，不排除優(yōu)化區(qū)間選取偏小的原因.此處，根據(jù)DOE分析結(jié)果中各坐標(biāo)值的變動(dòng)趨勢(shì)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響，放大對(duì)目標(biāo)函數(shù)有利的優(yōu)化區(qū)間，調(diào)整優(yōu)化區(qū)間結(jié)果見表4.

此處選用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法進(jìn)行計(jì)算[13]，最大迭代次數(shù)設(shè)置為25，優(yōu)化進(jìn)程見圖5，優(yōu)化結(jié)果見表5.

由圖5可知：第4次迭代以后目標(biāo)函數(shù)的變化很小.由表5可知：最優(yōu)結(jié)果為第25次迭代試驗(yàn)，而且最后幾次試驗(yàn)響應(yīng)值變化較小，優(yōu)化結(jié)果可接受.為設(shè)計(jì)方便，僅修正2個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，結(jié)果見表6.

優(yōu)化后前懸架模型前束角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線見圖6.與原懸架相比，車輪上跳180 mm、下跳90 mm時(shí)，車輪前束角的變化范圍為-0.2～0.2°，明顯減小且滿足設(shè)計(jì)要求.

優(yōu)化前優(yōu)化后的幾何模型對(duì)比見圖7，優(yōu)化后的全地形車實(shí)車懸架見圖8.

3 結(jié)束語(yǔ)

前懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)大大影響汽車產(chǎn)品的使用性能，如轉(zhuǎn)向沉重、擺振、輪胎偏磨影響輪胎使用壽命等.[14]本文采用MotionView對(duì)前懸架的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析，并且運(yùn)用HyperStudy對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，解決車輪跳動(dòng)過(guò)程中前束角變化過(guò)大問(wèn)題.

本文前懸架系統(tǒng)的優(yōu)化、經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置等可對(duì)全地形車及其他車型的懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考.在開發(fā)新車或在已有車型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，在實(shí)際樣件、樣車制造出來(lái)之前，利用MotionView及HyperStudy提供的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境對(duì)前懸架甚至整車的一些主要性能進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估，可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期.用本文方法進(jìn)行的自制全地形車前懸架設(shè)計(jì)優(yōu)化，證明此方法可縮短開發(fā)周期，優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)在后期實(shí)車路試中表現(xiàn)突出.

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（編輯 武曉英）