基于ADAMS_View多连杆独立悬架的运动学仿真及优化设计_图文

第 37卷第 1期                拖 拉 机 与 农 用 运 输 车                 Vol. 37 No. 1 2010 年 2 月                Tractor & Farm Transporter                 Feb. , 2010

基于 ADAM S /V iew 多连杆独立悬架的运动学仿真及优化设计

侯锁军 1, 2 , 秦东晨 1
(1. 郑州大学 机械工程学院 ,郑州  450000; 2. 河南机电高等专科学校 汽车工程系 ,河南 新乡  453002)
摘要 :应用机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS的 V iew模块建立了某车型的多连杆式独立后悬架多体系统仿真模型 ,对模 型进行仿真分析和计算 ,并通过优化设计改进了该悬架 ,提高了操纵稳定性 。
关键词 : ADAM S /V iew; 多连杆式独立悬架 ; 仿真 ; 优化 中图分类号 : U463. 33     文献标识码 : A      文章编号 : 1006- 0006 (2010) 01- 0060- 02

K inema tics S im ula tion and O ptim iza tion D esign of M ulti2link
Independen t Suspen sion Ba sed on ADAM S / V iew
HOU S uo2jun1, 2 , Q IN D ong2chen1
  (1. M echanical Engineering College, Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, China; 2. Automobile Engineering Department, Henan M echanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453002, China)

A b s tra c t: The multi2body system simulation model of one car’s multi2link independent suspension is built w ith the
mechanical system dynam ics simulation software ADAM S /V iew, and the simulation analysis and calculation are made based on the model. By op tim izing the model, the suspension is imp roved, and the handling and stability is advanced.
Ke y wo rd s: ADAM S/V iew; M ulti2link independent suspension; Simulation; Op tim ization

  为提高汽车的行驶操纵稳定性和平顺性 ,在许多车辆上采用了 多连杆式悬架系统 。多连杆式悬架是双横臂式悬架的变型 ,采用布 置在空间的 4 ~5 根连杆将车轮与车身连接起来 。多连杆悬架通过 各种连杆配置 ,以及对连接运动点的约束角度设计 ,使悬架在收缩时 能主动调整车轮定位 ,而且设计自由度非常大 ,完全能针对车型作匹 配和调校 [1 ] 。因此 ,多连杆悬架与其他悬架系统相比能最大程度的 发挥车辆的操纵性能 ,同时获得更好的平顺性 。
本文以某汽车多连杆悬架为研究对象 ,建立基于 ADAMS/V iew 的多连杆式独立悬架运动学仿真模型 ,进行了悬架运动学仿真分析 , 并通过优化设计改进了其悬架特性 ,提高了操纵稳定性 。

1  建立仿真模型

表 1为某车型多连杆式左侧后悬架导向机构在 ADAMS中的硬

点坐标 ,坐标系原点选择在汽车的质心位置 , 建立的模型如图 1 所

示 。该悬架的导向机构由上叉臂 A1 - B 0 - B 1、连杆 A2 - B 2 , A3 - B 3 ,

A4 - B 4和车轮托架 O- A1- A2- A3- A4- A5以及车 轮等组 成 , 是一种 新

表 1  各安装点位置坐标

Ta b. 1 Coo rd ina te o f Eve ry Lo ca tio n

mm

安装点位置

x坐标

y坐标

z坐标

O

2 784. 1

- 738. 2

38. 7

A1

2 767. 9

- 636. 4

139. 4

B0

2 696. 5

- 395. 1

211. 1

B1

2 916. 2

- 395. 1

227. 1

A2

2 772. 7

- 708. 3

- 106. 4

B2

2 596. 3

- 389. 5

44. 6

A3

2 662. 3

- 705. 7

55. 6

B3

2 671. 3

- 416. 1

108. 7

A4

2 880. 5

- 715. 4

- 38. 8

B4

2 966. 0

- 296. 9

44. 6

A5

2 784. 1

- 980. 5

38. 7

收稿日期 : 2008- 12- 05; 收修改稿日期 : 2009- 01- 04 基金项目 :河南省科技攻关项目 (072102210074)
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型的悬架导向机构 。上部为一叉臂 ,下侧为 3根独立的连杆 ,这种导 向机构是在原来五连杆基础上进行改进的 ,把原来的上面两根独立 连杆改为了叉臂 ,主要原因是五连杆悬架在汽车行驶一定里程之后 调节后束角和外倾角的螺栓会错位 ,因此就需要经常调节连杆末端 的偏心螺栓 ,如果不及时调节 ,轮胎就会很快被磨损 ,但经改进后基 本消除了这种现象 。
图 1  多连杆式悬架结构简图 F ig. 1 S truc tu ra l S ke tch o fM u lti2link S u sp e n s io n 在连接方式上 ,上叉臂 A1 - B 0 - B 1 在 A1 点通过球饺和托架连 接 ,在 B 0 和 B 1 点通过转动副和车架连接 ; 连杆 A2 - B 2 , A3 - B 3 , A4 B 4 内外端均通过球铰与车身和车轮托架相连 ;车轮和车轮托架固定 在一起 ;测试平台设置为只能做上下直线运动的移动副 ,车轮和测试 平台之间设置为点面约束副 。根据上述连接关系 ,在 ADAMS/V iew 中建立的多连杆式悬架运动学分析模型如图 2所示 。 自由度计算 : 该多体模型当中有 7 个构件 、7 个球饺 、2 个转动 副 、1个固定副 、1个移动副 、1 个点面约束副 ,其自由度 DO F = 7 ×6 - 7 ×3 - 2 ×4 - 1 ×6 - 1 ×5 - 1 ×1 = 1。该自由度是该多连杆悬架 系统中车轮的上下跳动 。
2  悬架运动学特性分析 研究悬架的运动学特性通常采用车轮跳动分析的方法 ,即通过
使某一侧车轮或两侧车轮沿垂直方向上下跳动 ,计算分析由此引起

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侯锁军等 :基于 ADAM S /V iew多连杆独立悬架的运动学仿真及优化设计

图 2  多连杆悬架运动学分析模型 F ig. 2 Kinem a tica lM o de l o fM u lti2link S u sp e n s io n 的车轮定位参数等的变化规律 。车轮的跳动量以满载为基准 ,对于 本文研究的车辆 ,取其跳动范围为常用的 - 50 ~ + 50 mm;然后计算 该多连杆式后悬架的车轮外倾角 、车轮前束的轮跳特性 [2 ] 。 2. 1  后轮前束角仿真 图 3为车轮前束相对于车轮跳动时的变化曲线 。在车轮跳动过 程中 ,希望在车轮上跳时产生正的前束 ,下跳时产生负的前束 ,这样 可以使得后轴具有侧倾不足转向特性 ,有利于改善汽车操纵稳定性 能 。同时 ,希望在车轮跳动时 ,车轮前束角不变或者变化很小 ,角度 应当小于 ±1°,从图 3 中可以看出 ,在车轮跳动 ±50 mm 的行程内 , 车轮前束角的变化范围为 - 3. 0°~ + 1. 8°。
图 3  后轮前束变化曲线 F ig. 3 C ha nge C u rve o f R e a rW he e l To e A ng le 2. 2  后轮外倾角仿真 图 4为车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线 。在通常设计中车轮 都具有一定的外倾角 ,以使车轮垂直于稍微有些拱形的路面 ,当车轮 向上跳动时 ,外倾角一般向负值方向变化 ,而下落时向正的方向变 化 ,这样可以减小轮胎的磨损 ,并提高汽车的操纵稳定性 。一般车轮 的外倾角的变化不宜太大 ,外倾角变化量应尽量小于 ±1°。从图 4 可以看出 ,在车轮跳动 ±50 mm的行程内 ,车轮外倾角的变化范围为 - 0. 27°~ + 0. 5°,仿真曲线变化趋势符合汽车对悬架外倾角的要 求 ,有利于保证汽车的操纵稳定性 。

量 ,即 XS = [ x1 , x2 , …, x6 ] T,各设计变量的上下限见表 2。

表 2  设计变量定义

Ta b. 2 D e fin itio n o f D e s ign Va ria b le s

序号

设计 变量

变量意义

设计变量的上下限

初始值

( xLi , xUi )

1

x1

连杆 A 4-B 4长度

370. 7 mm (350. 7, 390. 7) mm

2

x2

连杆 A4-B 4与 xy平面夹角

13°

(5°, 18°)

3

x3

连杆 A 4-B 4在 xy平面的 投影与 x轴夹角

73°

(68°, 78°)

4

x4

连杆 A 2-B 2长度

270 mm (250, 290) mm

5

x5

连杆 A2-B 2与 xy平面夹角

11. 3° (6. 3°, 16. 3°)

6

x6

连杆 A 2-B 2在 xy平面的 投影与 x轴夹角

88°

(83°, 93°)

在对模型进行参数化设计之后 ,就可以对模型进行优化设计 。

3. 2  建立优化模型

1 )目标函数

本文选择前束角作为优化的目标函数 。为了获得较好的操纵稳

定性 ,必须使前束角变化小于 ±1°,本文选择前束角变化的绝对值

( 在 ADAMS 中 该 模 型 的 函 数 为 OBJECT _ FUN = ABS

(. Suspension. Toe) )作为前悬架优化设计的目标函数 f ( XS ) 。

2 )约束条件

设计变量的上下限被选为悬架优化的约束条件 ,即 xLi ≤xi ≤xUi , 其中 i = 1, 2, …, 6。

3. 3  优化设计结果与分析

在对该后独立悬架性能进行优化设计中 ,本文采用了 ADAMS/

V IEW 中的 OPTDES- SQP方法 (即序列二次规划法 ) ,收敛精度取为

0. 001,最大迭代次数为 100 次 。在经过 2 次迭代后 ,得到了该悬架

目标函数前束角优化设计后的结果 ,并且得到了各个变量的结果 ,如

表 3和图 5所示 。 表 3  悬架优化设计结果

Ta b. 3 R e su lts o f S u sp e n s io n O p tim iza tio n

迭代 次数

目标函 数 /mm

x1 /mm x2 / ( °) x3 / ( °) x4 /mm x5 / ( °)

x6 / ( °)

0 2. 986 90 370. 70 13. 005 73. 085 270. 00 11. 300 88. 000

1 0. 336 97 369. 97 14. 520 72. 601 266. 46 16. 300 86. 934 2 0. 337 12 369. 97 14. 520 72. 601 266. 46 16. 300 86. 939

图 4  后轮外倾角变化曲线 F ig. 4 C ha nge C u rve o f R e a rW he e l C am be r Ang le
3  优化设计
由以上仿真分析可知 ,后轮前束角不符合设计要求 ,下面通过优 化改进其模型 。 3. 1  参数化建模
通过对悬架的结构与车轮定位参数的分析和研究 ,对于该多连 杆后悬架模型 ,选择对前束角影响很大的点 B 4 , B 2 和连杆 A2 - B 2 , A4 - B 4的长度作为改进模型参数化的变量 ,并使优化后变量数值不改 变外倾角的数值 。在 ADAMS系统中对其参数化设置了 6 个设计变

图 5  迭代后前束角变化 F ig. 5 To e Ang le C ha nge a fte r Ite ra tive 由表 3的优化结果可以看出 ,设计变量中的 x5 变化较大 ,其他 参数变化较小 。悬架前束角由初始的 2. 986 9°下降为 0. 337 12°,下 降幅度较大 ,符合了设计小于 ±1°的要求 ,从而可大大提高该型汽车 的操纵稳定性 。经过进一步计算得出该优化设计的结果 ,即把该车 型后轮左侧悬架的 B 4 点的坐标由原来的 ( 2 966, - 350, 44. 6 )改为 (2 967. 0, - 353. 6, 54. 0) ; B 2 点的坐标由原来的 ( 2 671. 3, - 461. 1, 108. 7)改为 (2 676. 0, - 470. 0, 183. 5) ,改变最大的坐标是 B2 的 z坐标。
4  结论

利用机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS的 V iew 模块 ,建立

某汽车多连杆式独立后悬架模型 ,并通过优化设计使后悬架车轮定

位参数达到设计要求范围之内 。结果表明 ADAMS /V iew可以快速高

效地对悬架进行运动学分析和优化设计 。

(下转第 65页 )

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张庆永等 :液驱混合动力车辆液压系统设计及性能分析

器的容积有关 。对计算的液驱混合动力车辆 ,在蓄能器容积为 63 L 的情况下 ,其最高车速可以达到 102 km / h。 2. 4. 2 最大爬坡度
图 7是车辆最大爬坡度与行驶速度的关系 。车辆的最大爬坡度 与爬坡时蓄能器的压力有关 。蓄能器的压力越大 ,最大爬坡度越大 。 当系统初始工作压力为 30 MPa时 ,若车辆行驶速度小于 28 km / h,由 于马达的最大排量限制 ,马达所能提供的最大功率小于发动机所能 提供的最大功率 ,因此在这一速度区间内车辆的最大爬坡度受到变 量马达最大排量的限制 ,无法完全利用发动机所能提供的最大功率 。 可以通过增大变量马达的最大排量来提高最大爬坡度的数值 。车辆 行驶的速度等于 28 km / h时 ,变量马达所能提供的最大功率等于发 动机所能提供的最大功率 。若车辆速度超过 28 km / h,发动机和蓄 能器共同来驱动车辆爬坡 。这时最大爬坡度就与变量马达的最大排 量无关了 。同理分析工作压力为 25和 20 MPa时也是如此 。
图 7  液驱混合动力车辆的最大爬坡度与行驶速度的关系 F ig. 7 R e la tio n o fM a xim um S lop e a nd Ve lo c ity fo r Hyd ra u lic Hyb rid Veh ic le 2. 5  实车试验
液驱混合动力车辆的样车的研制以混合动力技术和定压网络马 达控制系统的结合为基础 ,在常规车辆的基础上进行改装 。根据所 选车型 ,设计了液驱混合动力车辆的技术方案和改装项目 ,通过对液 压系统整体布局优化的方式实现液压部件的布置和安装 :设计了液 压泵的支架和连接管路 ,明确了机械与液压部分 、机械与电子部分 、 液压与电子部分的接口 ;为便于实施 、减小改装的工作量和降低开发 难度 ,将液压蓄能器布置在车厢内 ;设计了所用油箱 ,明确了安装位 置 ;设计了液压马达与后桥连接的传动轴 ; 同时拆除了机械油门踏 板 ,安装电子油门踏板和电子节气门调节机构 ,利用直流电机执行机 构实现对节气门的电子控制 ;拆除了变速箱等不需要的连接部件 ;保 留前制动 ,加装控制阀 (由整车电控单元控制 ) ,改装制动踏板行程 , 使前制动仅在紧急制动的情况下起作用 。
典型工况下液驱混合动力车辆系统参数变化如图 8 所示 ,并对 其响应进行了研究 。装备的液驱混合动力的车辆可以满足车辆频繁 的启动 、加速和制动工况的变化 。对样车进行了经济性测试 ,试验过 程中测得了发动机的瞬时油耗和累计油耗 ,换算得到液驱混合动力 车辆样车百公里油耗为 12. 2 L /100 km ,原型车为 15. 62 L /100 km , 节省了 22%的油耗 ,改善了汽车的燃油经济性 ;除停车外 ,发动机的 转速稳定在经济油耗区内 。
试验过程中 ,存在着多种能量流动 : 在 54~85 s区间 ,此时车辆处于加速工况 ,蓄能器和发动机一起 驱动车辆加速 ,双向变量马达向后桥输出能量 ,处于马达方式工况 , 此时蓄能器的压力降低 。由于蓄能器的辅助作用 ,可以提高系统的 加速性能 。

图 8  典型工况下的液驱混合动力车辆系统参数变化 F ig. 8 C ha nge o f Hyd ra u lic S ys tem P a ram e te rs o n Typ ica l Te s t C yc le
在减速工况下 ,如 85~93 s时 ,车辆匀减速 。此时双向变量马达 以泵的方式工作 ,在车辆动能的拖动下向液压系统输入能量 ,蓄能器 的压力升高 ,回收系统的惯性动能 。
在 312~345 s时车辆加速 ,在此过程中 ,发动机在满足负载功率 要求的情况下 ,多余的能量储存在蓄能器中 ,蓄能器气囊体积缩小 , 压力升高 。随着加速的继续 ,蓄能器的压力降低 ,辅助发动机驱动 。
由典型工况试验可以看出 ,由于蓄能器的存在 ,液驱混合动力车 辆可以有效地利用发动机的功率 ,实现了发动机和负载载荷的分离 , 并可回收系统的制动能 ,且降低了燃油消耗率和减少了排放 。 3  结论
液驱混合动力技术是液压技术与车辆的结合 ,因此在设计液驱 混合动力车辆液压系统时 ,要综合考虑车辆性能和液压系统的要求 。 对液驱混合动力车辆液压系统的功率流进行考察 ,提出了液压系统 的设计和评价指标 ,并根据实际车辆进行了仿真计算和实车试验 。 仿真和实车试验结果证明 ,根据评价指标所选择的液压元件可以满 足实际需要 ,所建立的评价指标可以作为液压系统设计时的依据 。
参考文献 : [ 1 ]  JOHN Henry L um kes JR. Design, Sim ulation, and Testing of A n Energy Stor2
age Hydraulic Vehicle Transm ission and Controller [ D ]. U niversity of W is2 consin-M adison, 1997. [ 2 ]  常思勤. 一种新型电控液驱车辆的性能仿真与分析 [ J ]. 南京理工大学 学报 , 2004, 28 (4) : 169~173. [ 3 ]  US EPA. Clean Automotive Technology Full Hydraulic D rive [ J /OL ]. [ 2005 - 02- 28 ]. http: / /www. epa. gov /otaq / technology. [ 4 ]  张庆永 ,常思勤. 液驱混合动力车辆制动过程能量损耗仿真研究 [ J ]. 机 床与液压 , 2008, 36 (9) : 121~124. [ 5 ]  ZHANG Q ing2yong, CHAN G Si2qin. Study on Hydraulic System of Hydraulic Hybrid Vehicle [ C ] / / International Conference on M echanical Engineering and M echanics 2007. W uxi, 2007 (11) : 2 025~2 029.
(编辑  郭聚臣 )
作者简介 :张庆永 (1980 - ) ,男 ,山东枣庄人 ,博士研究生 ,研究方向为液驱混 合动力车辆及其优化 ;常思勤 (1954 - ) ,男 ,江苏南京人 ,教授 ,博士生导师 。

(上接第 61页 )
参考文献 : [ 1 ]  杨树凯 ,宋传学. 多连杆悬架与双横臂悬架运动学和弹性运动学特性分
析 [ J ]. 汽车技术 , 2006 (12) : 5~8. [ 2 ]  夏长高 ,李磊. 多连杆式悬架运动特性分析与结构参数优化 [ J ]. 拖拉机
与农用运输车 , 2007, 34 (6) : 39~40.

(编辑  郭聚臣 )
作者简介 :侯锁军 (1979 - ) ,男 ,河南辉县人 ,讲师 ,在读硕士研究生 ,研究方向 为汽车数字化样机 、汽车系统动力学 ;秦东晨 (1965 - ) ,郑州大学机械工程学 院副院长 、教授 ,博士研究生 ,主要研究方向为机械强度与结构优化设计 、虚拟 样机技术 、CAD /CA E /CAM 系统集成 。
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