CN104834779A - 一种基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，所述方法包括如下步骤：步骤1、建立悬架模型；步骤2、在所建立的悬架模型上定义多个硬点；步骤3、计算所定义的硬点对于所述悬架模型的特定参数的灵敏度；步骤4、基于灵敏度对所述硬点的位置进行优化。考虑到不同硬点对汽车悬架的影响程度不同，本发明提出了灵敏度分析的概念，基于灵敏度分析来进行汽车悬架硬点的优化设计能够提高底盘零件的设计效率，缩短设计周期，降低设计成本。

Description

一种基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，具体来说涉及一种基于灵敏度分析的悬架硬点优化设计方法。

背景技术

当今，中国汽车业蓬勃发展，汽车底盘的研究显得越来越重要，作为底盘的关键结构，悬架始终是们的研究重点。作为路面输入力的缓冲装置，对于操纵稳定性、乘坐舒适性等底盘性能有重要的作用。在悬架系统中，K&C特性(运动学与弹性运动学特性)的好坏不仅仅关系到行驶中人们的舒适性，而且决定了汽车操纵稳定性的好坏。所以，悬架的K&C特性就是悬架的灵魂。在悬架开发中关键硬点的选取非常重要，它在开发中作为指导文件，一般不会轻易改动。但在逆向设计时，假如在开发过程中对悬架的调整始终得不到理想结果，就会考虑通过修改悬架的硬点进行方向调整。悬架的硬点位置有很多，如何选取需要调整的点非常重要，而目前工程师对于如何修改悬架硬点十分茫目，成效甚微。

对于悬架尤其是其K&C特性，国外相关专家进行了很多的研究，国内对这方面的研究相对较晚。郭孔辉教授所著的《汽车操纵动力学》系统地分析了悬架的K&C特性和悬架K&C特性对汽车转向特性的影响因素。江苏大学的高翔教授研究了橡胶衬套刚度对悬架K&C特性及整车操稳转向性能的分析，华南理工大学石柏军的《ADAMS/CAR环境下的麦弗逊悬架建模与优化》对悬架的硬点位置进行迭代调整，考察K&C特性。湖南大学的宋晓琳教授在悬架的硬点坐标对K&C特性的影响方面进行了初步分析。吉林大学的管欣教授研究了悬架的K&C特性对汽车底盘性能的影响因素。

在悬架设计开发过程中关键硬点的选取非常重要，一旦悬架的关键硬点选取得不合理，将会给之后的汽车开发过程中带来不可估计的麻烦，因此工程师在汽车开发前期就会确定悬架硬点。假如在开发过程中对悬架的调整始终得不到理想结果，就会考虑通过修改悬架的硬点进行方向调整。悬架的硬点位置有很多，如何选取调整的硬点在汽车设计过程中很重要。

现有技术中对悬架硬点的设计过程相当繁琐，基本上是每选择一次硬点，就根据该硬点的具体参数进行单跳实验，然后判断当前状况下的参数值是否满足要求，这种设计过程耗时周期长，调整没有针对性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于灵敏度分析的悬架硬点优化设计方法，针对悬架硬点对于K&C特性贡献进行研究，提出基于灵敏度分析的设计方法，可有效改善目前悬架硬点选取任务繁重，方向调整繁琐等问题，并弥补以前对悬架的设计只能利用优化工具对其进行优化的缺陷，提高了底盘零件的设计效率，缩短设计周期，降低设计成本，而且也为汽车逆向设计中的悬架特性的调整作了一些指导性的探索。

具体而言，本发明提供一种基于灵敏度分析的悬架硬点优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1)、建立悬架模型；

步骤2)、在所建立的悬架模型上定义多个硬点；

步骤3)、计算所定义的硬点对于所述悬架模型的特定参数的灵敏度；

步骤4)、基于灵敏度对所述硬点的位置进行优化。

进一步地，所述步骤1)包括：构建简化的麦佛孙悬架模型，所述简化的麦佛孙悬架模型包括：控制臂、转向节、转向节立柱、弹簧、减震器轮毂，各个部件利用衬套和连接关系组成一个完整的系统。

进一步地，所述步骤2)包括：选择下摆臂前硬点、下摆臂后硬点、转向拉杆内点、转向拉杆外点、下摆臂外硬点和减震器硬点作为所述麦佛孙悬架模型的硬点，每个硬点具有其各自的初始坐标(x，y，z)。

进一步地，所述步骤3)包括：计算所选择的硬点相对于所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的灵敏度，通过灵敏度对比找出对前束角、外倾角和后倾角影响较大的硬点，即待优化硬点。

进一步地，所述步骤4)包括以基于硬点灵敏度所选出的待优化硬点为设计变量，以前束角、外倾角和后倾角为优化目标构建悬架性能多目标优化模型。

进一步地，所述灵敏度计算的方式如下：

A.首先计算所选择的硬点在初始坐标的情况下，所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的参数值；

B.调整所选择的硬点中的任意一个硬点的坐标，保持其他硬点的坐标不变，然后计算调整后所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的参数值；

然后，对于每个被调整的硬点，基于下式计算该硬点分别对于所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的灵敏度：

其中：δ——灵敏度，代表单位长度下所得数据的变化值；——被调整硬点在当前坐标下的对应参数值；——被调整硬点坐标变化后的对应参数值。

进一步地，在所述多目标优化模型中，基于灵敏度为不同的参数值选择不同的加权值。

进一步地，步骤3)中，所述优化目标函数为：

$J=a_1{\left(\frac{k_1-k_{1d}}{k_{1d}}\right)}^2+a_2{\left(\frac{k_2-k_{2d}}{k_{2d}}\right)}^2+a_3{\left(\frac{k_3-k_{3d}}{k_{3d}}\right)}^2$

式中，k1为实际前束角的特性曲线斜率值，k1d为理想前束角的特性曲线斜率值，k2为实际外倾角的特性曲线斜率值，k2d为理想外倾角的特性曲线斜率值，k3为实际后倾角的特性曲线斜率值，k3d为理想后倾角的特性曲线斜率值，a1、a2、a3是加权系数。

技术效果

本发明的基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法能够有效改善目前悬架硬点选取任务繁重，方向调整繁琐等问题，并弥补以前对悬架的设计只能利用优化工具对其进行优化的缺陷，提高了底盘零件的设计效率，缩短设计周期，降低设计成本。

附图说明

图1为基于灵敏度分析的悬架硬点优化设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

在本实施例中，悬架硬点的优化设计方法具体如下：

步骤一：利用ADAMS/Car模块建立动力学模型。

ADAMS/CAR是整车设计软件包，集成了汽车设计、开发等方面专家的经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机。ADAMS/CAR中包括整车动力学模块和悬架设计模块。因此，首先根据表一的参数以及adams软件中的整车参数建立简化了的麦佛孙悬架。其简化模型包括控制臂、转向节、转向节立柱、弹簧、减震器轮毂。各个部件利用衬套和连接关系组成一个完整的系统。同时进行必要的实车质量匹配过程，来实现与现实中的汽车受力一致。

表1

前悬架K&C参数

最优设计范围

静态前束角	-0.2～0.2
		静态外倾角	-0.5
主销后倾角	5
		主销内倾角	<13
主销内倾偏置量	<60
		主销后倾偏置量	-0.5～0.5
主销拖距	-10～10
		前束变化	0.2～0.6
外倾变化	-1.2～-1.8
		后倾变化	0.5～1.5

在adams/car中输入整车参数，如表1所示，由于在adams/car的工作环境下，麦弗逊悬架是左右对称的。所以只需要输入单侧模型的参数，系统就会自动建立另一侧的模型。依据汽车的结构参数建立麦弗逊前悬架的系统模型，并初步选定麦弗逊前悬架的左侧主要硬点的坐标参数值。

步骤二：基于给定的参数灵敏度的定义，分析相应悬架的关键硬点灵敏度。

在悬架硬点选择时，该硬点数据在建模之前必须早确定数据，不能进行更改，而有的硬点数据对结果影响不大，可以进行少许的改变。因此经过分析发现，弹簧以及衬套的硬点坐标对结果数据影响不大，减震器下点也对结果数据影响不大；而汽车的车轮中心在汽车设计之初就已经被确定，用来初步确定汽车的轮距及其他数据，在实际当中是不能轻易改变的，尽管这个数据对悬架的K&C特性影响较大，但修改将会为以后的设计带来不必要的麻烦，因此本文提出灵敏度的概念，对悬架硬点数据进行计算，寻找对悬架的K&C特性影响较大的硬点，为后期的硬点位置设计和优化节约时间。

现在从悬架的十二个硬点中选取其中六个关键硬点(下摆臂前硬点、下摆臂后硬点、转向拉杆内点、转向拉杆外点、下摆臂外硬点和减震器硬点)，每个关键硬点有3个方向(x，y，z)的坐标，分别修改前悬架的硬点参数，并进行车轮的平行轮跳仿真。将每个关键硬点的当前值变化15个单位，保持其他坐标值不变。每个硬点3个方向的坐标分别变化3次，进行多次仿真试验，并记录它们对前束角、外倾角和后倾角以及他们的变化趋势进行记录。

对参数灵敏度的定义为：

其中：δ——灵敏度，代表单位长度下所得数据的变化值；——坐标当前时刻的各个参数值；——坐标上一时刻的各个参数值。可以将多次变化所测得的灵敏度进行求和平均，作为该硬点的灵敏度。

计算出各个硬点对前束角、外倾角和后倾角的灵敏度。通过灵敏度对比找出对前束角、外倾角和后倾角影响比较大的硬点。通过实验可以得出下摆臂的前硬点位置对前束变化影响比较大，尤其是Z方向的变化；同时，Z方向的变化对外倾变化和后倾变化的影响也比较大；下摆臂外硬点的位置变化对各个特性影响都比较大；转向拉杆内点对前束变化的影响比较大(Z方向)；减震器上硬点对各个数据都有影响，尤其是后倾角(X方向)。

步骤三：基于硬点灵敏度构建悬架性能多目标优化模型。

在轮胎定位参数中，前束角、外倾角和后倾角是轮胎定位的主要参数，对汽车的性能影响很大。悬架K特性是指不考虑力与质量的运动，而只跟悬架连杆有关的车轮运动；悬架C特性是由于施加力导致的变形，跟悬架系统的弹簧、橡胶衬套以及零部件的变形有关的车轮运动。对悬架的性能进行优化主要包括以下几个方面:

(1)车轮前束角

悬架运动过程中，前束角的微小变化便会影响汽车的横向稳定性，因此它是评价悬架性能的重要指标。适当的选择前束角，可使前束引起的侧向力抵消车轮外倾引起的侧倾推力，提高轮胎的使用寿命。

(2)车轮外倾角

悬架运动产生的外倾角变化会导致轮胎接地性能变化及侧向力变化，从而影响整车操纵稳定性，因此外倾角是评价悬架K&C特性的重要指标。轿车的悬架通常设计成在车轮上跳时，外倾角朝负值变化，而在车轮下跳时，外倾角朝正值变化。

(3)主销后倾角和主销后倾拖距

主销后倾角对操纵稳定性的影响是通过后倾拖距来实现的，其能形成稳定的回正力矩。对前独立悬架来说，主销后倾角在3°～4°左右。

由于悬架K&C特性中决定车轮定位的是前束角、外倾角和后倾角，主销后倾拖距与主销后倾角有关，而悬架K&C特性中的前束角、外倾角和后倾角又是影响轮胎磨损的3个重要参数。车轮外倾角过大容易引起车轮外侧磨损；外倾角过小又容易引起车轮内侧磨损。为了消除车轮外倾带来的不良后果，在安装车轮时，使汽车前两轮的中心面不平行，两轮前边缘距离小于后边缘距离，两者的距离之差即为前轮前束。主销后倾角的过大或过小容易引起前轮摆振。因此，本发明基于灵敏度选择对悬架K&C特性影响较大的硬点，构建基于硬点的悬架性能多目标优化模型，选择外倾角、前束角和后倾角为联合优化目标，目标函数为前束角变化最小，外倾角变化最小，后倾角变化最小，并针对前束角、轮距、后倾角和外倾角4个参数对目标函数的影响程度不同，提出加权系数作为调节方法，对汽车悬架硬点进行优化设计。

通过硬点灵敏度的分析，选取下控制臂前支点、下控制臂外支点下控制臂后支点、减振器下点和转向横拉杆内点共5个对悬架K&C特性影响较大的硬点为设计变量。本发明选取前轮定位参数中的前束角、外倾角和后倾角为优化目标。并依据上述数据，建立优化目标的函数

$J=a_1{\left(\frac{k_1-k_{1d}}{k_{1d}}\right)}^2+a_2{\left(\frac{k_2-k_{2d}}{k_{2d}}\right)}^2+a_3{\left(\frac{k_3-k_{3d}}{k_{3d}}\right)}^2$

其中，a₁+a₂+a₃＝1

式中，k1为实际前束角的特性曲线斜率值，k1d为理想前束角的特性曲线斜率值，k2为实际外倾角的特性曲线斜率值，k2d为理想外倾角的特性曲线斜率值，k3为实际后倾角的特性曲线斜率值，k3d为理想后倾角的特性曲线斜率值，a1、a2、a3是加权系数(根据要求设定)。

由于前束角、后倾角和外倾角3个参数对目标函数的影响程度不同，本专利针对各自对目标函数的灵敏度选择不同的加权值，以四个值之和为1为约束范围，寻求最佳参数值，保证整体的目标函数值最小。

为了验证本发明的优化结果，本发明的发明人对优化后的悬架模型进行了单跳实验，结果发现优化结果对应的硬点位置对前束角、后倾角、外倾角的影响最小，即对悬架K&C特性影响最小，为理想的悬架硬点位置。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1)、建立悬架模型；

步骤2)、在所建立的悬架模型上定义多个硬点；

步骤3)、计算所定义的硬点对于所述悬架模型的特定参数的灵敏度；

步骤4)、基于灵敏度对所述硬点的位置进行优化。

2.根据权利要求1所述的基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，其特征在于，

所述步骤1)包括：构建简化的麦佛孙悬架模型，所述简化的麦佛孙悬架模型包括：控制臂、转向节、转向节立柱、弹簧、减震器轮毂，各个部件利用衬套和连接关系组成一个完整的系统。

3.根据权利要求1所述的基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，其特征在于，所述步骤2)包括：选择下摆臂前硬点、下摆臂后硬点、转向拉杆内点、转向拉杆外点、下摆臂外硬点和减震器硬点作为所述麦佛孙悬架模型的硬点，每个硬点具有其各自的初始坐标(x，y，z)。

4.根据权利要求3所述的基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，其特征在于，所述步骤3)包括：计算所选择的硬点相对于所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的灵敏度，通过灵敏度对比找出对前束角、外倾角和后倾角影响较大的硬点，即待优化硬点。

5.根据权利要求4所述的基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，其特征在于，所述步骤4)包括以基于硬点灵敏度所选出的待优化硬点为设计变量，以前束角、外倾角和后倾角为优化目标构建悬架性能多目标优化模型。

6.根据权利要求4所述的基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，其特征在于，所述灵敏度计算的方式如下：

A.首先计算所选择的硬点在初始坐标的情况下，所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的参数值；

B.调整所选择的硬点中的任意一个硬点的坐标，保持其他硬点的坐标不变，然后计算调整后所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的参数值；

然后，对于每个被调整的硬点，基于下式计算该硬点分别对于所述悬架模型的前束角、外倾角和后倾角的灵敏度：

其中：δ——灵敏度，代表单位长度下所得数据的变化值；——被调整硬点在前一坐标下的对应参数值；——被调整硬点坐标变化后的对应参数值。

7.根据权利要求5所述的基于灵敏度分析的悬架硬点设计方法，其特征在于，在所述多目标优化模型中，基于灵敏度为不同的参数值选择不同的加权值。