基于adamsinsis的某越野越野競賽多連桿懸架優(yōu)化設(shè)計

基于adamsinsis的某越野越野競賽多連桿懸架優(yōu)化設(shè)計

1多連鎖的虛擬主銷軸線控制多臂懸索是指由三根或三根以上的懸索組成的懸索，可以提供不同方向的力控制結(jié)構(gòu)。另外,多連桿懸架不同于雙橫臂懸架,其虛擬主銷軸線的設(shè)計和控制一直是其應用推廣的難題,文獻2計算多臂懸臂的設(shè)計和模型的建立2.1x連通式變剛度懸架系統(tǒng)典型多連桿懸架為五連桿懸架與四連桿懸架。就前懸架系統(tǒng)而言,車輪需滿足轉(zhuǎn)向自由度與輪跳自由度,其限制自由度的方法主要通過控制臂桿端的連接副,而根據(jù)實際情況,將多連桿應用到該賽車選用關(guān)節(jié)軸承作為鉸接副,每個桿端軸承可限制3個空間自由度,轉(zhuǎn)向拉桿也采用關(guān)節(jié)軸承與其他構(gòu)件連接,轉(zhuǎn)向機部分采用移動副連接到車架。根據(jù)自由度計算公式:式中:F—構(gòu)件自由度;P假設(shè)該懸架系統(tǒng)為x連桿懸架單側(cè)懸架系統(tǒng)構(gòu)件包含:車輪部分(1個),控制臂部分(x個),轉(zhuǎn)向拉桿(1個),轉(zhuǎn)向機部分(1個);運動副包含:控制臂內(nèi)外端球形副(2x個),轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)外端球形副(2個),轉(zhuǎn)向機移動副(1個);局部自由度包含:控制臂自身轉(zhuǎn)動自由度(x個),轉(zhuǎn)向拉桿自身轉(zhuǎn)動自由度(1個)。因此,整個懸架系統(tǒng)自由度平衡方程為:通過求解得到前懸架連桿控制臂的數(shù)目為4。2.2多連桿機構(gòu)模型設(shè)計在建立該多連桿懸架模型時做如下簡化:(1)為便于空間力系的分解,所有控制臂均簡化為二力桿幾何模型。(2)所有零部件都認為是剛體,零部件的所有連接均簡化為剛性鉸鏈。(3)設(shè)計初期旨在建立懸架運動特性幾何模型,因此模型中不包含避震系統(tǒng)與防傾桿根據(jù)表1相關(guān)參數(shù)而得到具有兩個自由度的(車輪自身轉(zhuǎn)動為局部自由度,因此此處未單獨列出)前懸架右側(cè)幾何結(jié)構(gòu)模型,如圖1所示。設(shè)計多連桿幾何模型時采用“二次瞬軸法”,如圖2所示。即兩次采用瞬軸法分解車輪的復雜運動,第一次將該多連桿前懸架空間四連桿機構(gòu)解析為繞車輪跳動軸線的跳動運動,即跳動瞬軸(賽車側(cè)視幾何縱傾中心與賽車正視幾何中瞬時轉(zhuǎn)動中心的連線),第二次解析為繞虛擬主銷軸線轉(zhuǎn)動的運動即虛擬主銷(車輪轉(zhuǎn)向運動過程中圍繞的空間虛擬轉(zhuǎn)動軸線);通過逆向開發(fā)設(shè)計靜態(tài)虛擬主銷與單側(cè)車輪跳動瞬時軸線,以正視幾何與側(cè)視幾何保證車輪運動過程中的基本自由度;控制臂外硬點結(jié)合輪輞內(nèi)部空間設(shè)計,內(nèi)硬點結(jié)合抗制動縱傾性與車架空間位置初步確定,后期結(jié)合動力學仿真軟件對其運動學參數(shù)進行仿真與優(yōu)化,從而達到設(shè)計要求。最終得到前多連桿懸架右側(cè)實體結(jié)構(gòu),如圖3所示。3模擬和優(yōu)化運動特性3.1虛擬主銷的建模根據(jù)2.1節(jié)自由度分析計算結(jié)果與圖1的多連桿懸架空間結(jié)構(gòu)初步確定控制臂、轉(zhuǎn)向拉桿等相關(guān)硬點坐標(Hardpoint)以及構(gòu)件幾何體,具體建模過程不再贅述,需要指出的是在定義該多連桿前懸架虛擬主銷軸線時選擇瞬時軸法(InstantAxis)設(shè)定,論文選擇搖臂作為主銷定義參照部件,搖臂下硬點為參照硬點,系統(tǒng)通過固定搖臂的垂向位移,轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向節(jié)自動定義出主銷軸線。有關(guān)各部件運動學約束參照2.1節(jié)所述建立。轉(zhuǎn)向部分硬點坐標,如表2所示。再依據(jù)各機構(gòu)之間的運動學約束,對模型添加相關(guān)約束,并對轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與懸架子系統(tǒng)進行裝配。裝配后的模型,如圖4所示。3.2試驗設(shè)計及參數(shù)為了分析賽車在高速轉(zhuǎn)彎過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向回正力過大、過度轉(zhuǎn)向趨勢、輪胎抓地力不足,同時也為改善賽車前軸輪胎偏磨與制動抗點頭帶來的關(guān)節(jié)軸承間隙過大現(xiàn)象,根據(jù)3.1節(jié)所建立的虛擬樣機進行雙輪同向激振仿真試驗,因大賽規(guī)則要求懸架上下跳動量應大于一英寸(25.4mm),設(shè)計其上下跳動行程為(±30)mm,其他試驗參數(shù),如表3所示。應用Adams/Postprocessor模塊評定主銷后傾角,車輪外傾角,前束角以及懸架抗制動縱傾性四個參數(shù),仿真結(jié)果顯示在優(yōu)化前后對比,如圖6~圖9所示。3.3優(yōu)化設(shè)計3.3.1硬點坐標系對目標參數(shù)的影響根據(jù)仿真結(jié)果對目標參數(shù)做DOE優(yōu)化設(shè)計,將優(yōu)化目標導入ADAMS/Insight模塊?？紤]到賽車選用十英寸輪輞,內(nèi)部空間有限,其外硬點坐標可優(yōu)化范圍有限,且容易造成立柱加工難度,擴大制造成本。優(yōu)化設(shè)計針對四條控制臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)硬點Y、Z坐標(硬點名稱與坐標如表3所示),(±10)mm,設(shè)計規(guī)范(DesignSpecification)分別選擇試驗設(shè)計響應面(DOEResponseSurface),交互式(interactions)和全因子法(FullFactorial)從而執(zhí)行1024次迭代仿真,可得到各硬點坐標對目標參數(shù)的影響系數(shù),如圖5所示。由影響因子分析結(jié)果可知,影響主銷后傾角、車輪外傾角、前束角的主要是上下控制臂內(nèi)硬點Z坐標,其Y坐標與轉(zhuǎn)向拉桿坐標對其影響較小,影響懸架抗制動縱傾性的主要因素為轉(zhuǎn)向橫拉桿Z坐標與各硬點Z坐標,部分因子大于100%意味著該目標值的變化大于平均目標值變化的%。3.3.2ze專用模塊的設(shè)計介于各因素對目標參數(shù)的交互影響,防止手動更改硬點帶來的部分參數(shù)極端變化,將DOE仿真結(jié)果顯示于ADAMS/Insight模塊,通過優(yōu)化(Optimize)專用模塊對影響因素進行多目標優(yōu)化設(shè)計,其中多目標方法選擇總平方差法(TotalSquaredCost),需要強調(diào)的是在選擇各優(yōu)化運算符時主銷后傾角,車輪外傾角以及前束角均選用過程最小化法(Minto),即響應大于目標值時將其最小化,當響應小于目標值時忽略該響應。目標值設(shè)定為3.2節(jié)仿真曲線極限最小絕對值?？怪苿涌v向傾性基本達到設(shè)計要求,因此在優(yōu)化過程中選擇忽略(ignore)運算符。運行多目標仿真后得到各硬點變化,如表4所示。3.4不同工況下車輪外傾角的變化在裝配體下將表三優(yōu)化后對應的硬點修改,再次執(zhí)行雙輪同向激振仿真試驗,繪制優(yōu)化前后主銷后傾角,外傾角,前束角及懸架抗制動縱傾性隨車輪平行跳動時的變化曲線,其中,實線為優(yōu)化前變化曲線,點劃線為優(yōu)化后變化曲線。后傾角變化一般要求隨車輪上跳增加,用以抵消制動點頭時后傾角減小,回正力矩不足,影響賽車操縱穩(wěn)定性能。變化過大將使得轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生擺振效應,同時使轉(zhuǎn)向回正力變化率過大由圖6得出該多連桿懸架主銷后傾角靜態(tài)值為3.9°,在上跳極限達到最大值4.87°,下跳極限達到最小值3.22°,單向跳動工況變化值為0.87°,變化相對過大。經(jīng)優(yōu)化主銷后傾角保持原有變化趨勢,最小值達到3.24°,最大值為4.66°,單向變化量由原來的0.87°減小到0.74°,優(yōu)化效果略小。賽車在制動與過彎工況下都希望車輪外傾角能夠保持盡量小的變化,在平行上跳時希望其向負外傾變化,下跳過程中保持正外傾變化,與前束角配合從而提高輪胎側(cè)偏剛度,同時可增加賽車不足轉(zhuǎn)向趨勢,有利于提高賽車穩(wěn)定性由圖7可得此優(yōu)化前后車輪外傾角變化趨勢均較為理想,優(yōu)化前在平行下跳工況達到達到最大值為0.89°,平行上跳工況達到最小值為-0.56°,單向跳動變化量略大,優(yōu)化后外傾角單向最大變化量由優(yōu)化前的0.89°降低到0.77°,總變化量由1.46°降低到1.08°,優(yōu)化效果較為明顯。前束角與外傾角作用相反,負的前束角使得賽車在行駛過程中產(chǎn)生正的側(cè)偏角,能夠增加增加賽車不足轉(zhuǎn)向趨勢。在設(shè)計過程中希望在輪胎上跳時保持負的變化,下跳時變化相反,且變化值盡可能小。由圖8可知該多連桿懸架上跳過程中前束角保持負值變化,最小值達到-1.82°;下跳過程中保持正值變化,最大值達到0.65°?？偺鴦恿繛?.47°,單側(cè)變化量超過1°,經(jīng)優(yōu)化單向最大變化量由優(yōu)化前的1.82°降低到1.46°,優(yōu)化效果也較為明顯,且最大變化值出現(xiàn)在車輪平行下跳極限即加速工況,因此優(yōu)化結(jié)果可以接受?？怪苿涌v傾性是通過設(shè)計多連桿空間結(jié)構(gòu)使其鉸鏈在制動過程中克服部分載荷轉(zhuǎn)移,從而使得車頭下沉量減小,對于乘用車而言一般設(shè)計值取(50~70)%由圖9知優(yōu)化后的抗制動縱傾性由優(yōu)化前的(76~79)%降低為(58~61)%,屬于設(shè)計期望值范圍。4s/car影響參數(shù)仿真分析(1)首次采用“二次瞬軸法”設(shè)計多連桿懸架虛擬主銷,并經(jīng)過多體動力學仿真驗證了此方法的可行性;(2)為改善懸架運動特性,應用Adams/Car模塊對其主要影響參數(shù)主銷后傾角、車輪外傾角、前束角