FSAE賽車雙橫臂式前懸架設(shè)計

FSAE賽車雙橫臂式前懸架設(shè)計,FSAE,賽車,雙橫臂式前,懸架,設(shè)計 2 0 0 7年第3期雙橫臂獨立懸架 A D A M S 建模及運動特性分析于海波1,2李幼德1門玉琢1鄧陽慶1,2(1 .吉林大學(xué);2 .中國第一汽車集團(tuán)公司技術(shù)中心)【摘要】 利用A D A M S建立了某輕型車完整的雙橫臂獨立懸架運動學(xué)仿真模型, 為反映車輛的真實行駛工況, 對左、 右車輪測試平臺分別創(chuàng)建了隨機(jī)激勵。通過仿真分析, 揭示了運動特性參數(shù)在懸架運動過程中的變化規(guī)律, 并對原導(dǎo)向機(jī)構(gòu)存在的問題進(jìn)行了優(yōu)化計算。結(jié)果表明, 前輪定位參數(shù)在優(yōu)化前、 后的變化量較小, 均在設(shè)計要求的范圍內(nèi); 輪距和前輪側(cè)向滑移量的變化較大, 優(yōu)化后二者都在理想的范圍內(nèi)變動, 達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)。主題詞: 獨立懸架運動特性仿真優(yōu)化中圖分類號:U 4 6 3 . 3 3+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1 0 0 0 - 3 7 0 3(2 0 0 7)0 3 - 0 0 0 5 - 0 3Mo d e l i n ga n dK i n e ma t i c C h a r a c t e r i s t i c s A n a l y s i s o fD o u b l e - Wi s h b o n e I n d e p e n d e n t S u s p e n s i o no nA D A MSY uH a i b o1 , 2, L i Y o u d e1, M e nY u z h u o1, D e n g Y a n g q i n g1 , 2(1 . J i l i nU n i v e r s i t y;2 . F A W G r o u pC o r p o r a t i o nR & DC e n t e r)【A b s t r a c t】T h e w h o l e d o u b l e - w i s h b o n e i n d e p e n d e n t s u s p e n s i o nm o d e l o f a l i g h t v e h i c l e w a s b u i l t b y u s i n g A D A M Ss o f t w a r e , i no r d e r t or e f l e c t t h ea c t u a l r u n n i n gc o n d i t i o no f t h ev e h i c l e , t h er a n d o me x c i t a t i o no f t h et e s t p l a t f o r mo f t h el e f ta n dr i g h t w h e e l w a s c r e a t e ds e p a r a t e l y . T h ec h a n g er e g u l a r i t yo f t h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s w a s u n c o v e r e di nt h ep r o c e s so f t h es u s p e n s i o nm o t i o nt h r o u g hs i m u l a t i o na n da n a l y s i s , a n dt h ee x i s t e n t p r o b l e mo f t h eo r i g e n a l g u i d i n gm e c h a n i s mw a s o p t i m i z e da n dc a l c u l a t e d . T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef r o n t w h e e l o r i e n t a t i o np a r a m e t e rsc h a n g e sa r el e s sb e f o r ea n da f t e r o p t i m i z a t i o n , a n da l l t h e ya r ew i t h i nt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t r a n g e s . T h ec h a n g e so f t h ew h e e l - c e n t e r -d i s t a n c e a n dt h e f r o n t w h e e l s i d e s l i p p a g e a r e b i g g e r , a n da r e s t i l l w i t h i nt h e i d e a l r a n g e s a f t e r o p t i m i z a t i o n , t h ea n t i c i p a t e do p t i m i z a t i o ng o a l i s a c h i e v e d .K e yw o r d s:I n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n , K i n e ma t i cc h a r a c t e r i s t i c , S i mu l a t i o n , O p t i mi z a t i o n1前言現(xiàn)代汽車懸架有多種結(jié)構(gòu)形式, 其中雙橫臂獨立懸架是廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)。常見的雙橫臂獨立懸架是一組空間R S S R四連桿機(jī)構(gòu),運動關(guān)系比較復(fù)雜且運動直觀性差,對其進(jìn)行性能分析困難較大, 合理地選擇導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位置參數(shù)是保證雙橫臂獨立懸架具有良好性能的重要因素。懸架的運動學(xué)特性是指當(dāng)車輪上、下跳動時,前輪定位參數(shù)、 輪距、 前輪側(cè)向滑移量等參數(shù)相應(yīng)的變化規(guī)律,這一規(guī)律是由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)所決定的, 它直接影響到汽車的使用性能, 特別是影響操縱穩(wěn)定性、 舒適性、 轉(zhuǎn)向輕便性和輪胎的使用壽命等。本文應(yīng)用A D A M S軟件建立了雙橫臂獨立懸架運動學(xué)分析模型, 利用該模型對懸架運動特性參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計算。2懸架仿真模型的建立2 . 1運動特性參數(shù)確定當(dāng)車輪上、 下跳動時, 車輪定位參數(shù)的變化反映了懸架的性能。 在正常車輪跳動行程內(nèi), 應(yīng)使車輪運動特性參數(shù)變化量保持在合理的范圍內(nèi),以保證汽車具有設(shè)計所期望的行駛特性。圖1為左側(cè)雙橫臂獨立懸架空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意。圖1左側(cè)雙橫臂獨立懸架空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意GzxyoAMCFDNKEHB 設(shè)計 計算 研究 5汽車技術(shù)圖1中,A為上橫臂外接點,B為下橫臂外接點,C為上橫臂內(nèi)接點,D為下橫臂內(nèi)接點,E為轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)接點,F為轉(zhuǎn)向梯形斷開點,G為轉(zhuǎn)向節(jié)外接點,H為轉(zhuǎn)向拉臂鉸點,M為減振器上支點,N為減振器下支點,K為車輪上的接地點,K0為地面上與K重合點。由于左、 右車輪的對稱性, 本文只研究左側(cè)懸架運動特性參數(shù)( 除了輪距變化量) 的變化特性。參考圖1并結(jié)合汽車設(shè)計知識可知,當(dāng)車輪處于任一位置時, 前輪定位參數(shù)、 輪距變化量 H及前輪側(cè)向滑移量可通過下列公式計算。= a r c t a n (Ez- Gz)/(Ey- Gy) (1) = a r c t a n (Ex- Gx)/(Ey- Gy) (2) = a r c t a n (Ax- Bx)/(Az- Bz) (3)= a r c t a n (Ay- By)/(Az- Bz) (4)式中,為車輪外傾角;為車輪前束角;為主銷后傾 角 ;為 主 銷 內(nèi) 傾 角 ;Ex、Ey、Ez,Gx、Gy、Gz,Ax、Ay、Az,Bx、By、Bz分別表示E、G、A、B點在x、y、z坐標(biāo)軸上的值。 H = Ky- Ky - L(5)式中,Ky為右側(cè)車輪上與Ky對稱點的坐標(biāo);L為輪距的初始值。 = Ky- K0 y(6)2 . 2運動學(xué)仿真模型建立由于本文是對雙橫臂獨立懸架的運動學(xué)問題進(jìn)行仿真計算,不考慮其動力學(xué)特性,因此應(yīng)用A D A M S建模時做如下簡化與假設(shè):a .懸架中各零部件以及輪胎均為剛體;b .減振器阻尼特性為線性;c .零部件之間的所有連接都簡化為鉸鏈, 內(nèi)部間隙不計, 各運動副內(nèi)的摩擦力忽略不計;d .選擇測試平臺作為地面移動副, 添加直線驅(qū)動來表示車輪受地面的激勵作用。基于上述簡化與假設(shè),根據(jù)表1提供的懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)空間主要位置點坐標(biāo),建立了A D A M S運動學(xué)仿真模型, 如圖2。表1懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)空間主要位置點坐標(biāo)值m m圖2雙橫臂獨立懸架A D A M S中的仿真模型模型中包括1 8個部件( 不包括地面) 、6個固定副、3個移動副、8個球副、4個轉(zhuǎn)動副,2個點面約束、2個直線驅(qū)動, 自由度數(shù)為2。3懸架運動學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計3 . 1運動學(xué)仿真分析考慮前輪的上、 下最大跳動量, 仿真時在地面和測試平臺之間移動副上創(chuàng)建驅(qū)動。為能真實反映車輛的實際行駛條件, 對左、 右車輪分別施加隨機(jī)位移激勵模擬汽車通過不平路面時的工況。隨機(jī)激勵產(chǎn)生的具體步驟是:把實際測得的左、右車輪空間路面不平度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成一定車速下的時間-路面不平度關(guān)系,利用A D A M S中的樣條函數(shù)C U B S P L擬合生成時間-隨機(jī)位移激勵。圖3和圖4是驅(qū)動左、 右車輪的時間-位移曲線。圖3左側(cè)車輪的驅(qū)動位移曲線圖4右側(cè)車輪的驅(qū)動位移曲線通過仿真分析, 得到了前輪定位4個參數(shù)、 輪距及前輪側(cè)向滑移量隨車輪上下跳動的變化特性曲線, 如圖5 圖1 0所示。從仿真結(jié)果看,前輪定位參數(shù)隨車輪上下跳動變化較小, 均在設(shè)計目標(biāo)范圍內(nèi), 保證了汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性和自動回正能力,行駛過程中有很好的操縱穩(wěn)定性及行駛安全性。yzx主要坐標(biāo)點xyz上橫臂外接點A1 2 2 8 . 5 2 9 8 . 26 5 3 . 3上橫臂內(nèi)接點C1 2 1 1 . 2 6 6 0 . 16 2 0 . 7下橫臂外接點B1 1 8 6 . 7 3 1 2 . 54 5 2 . 8下橫臂內(nèi)接點D1 2 4 8 . 2 5 3 2 . 44 8 8 . 5轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)接點E1 1 5 9 . 6 3 0 8 . 25 8 6 . 3轉(zhuǎn)向梯形斷開點F1 2 5 5 . 1 2 0 6 . 66 1 2 . 2轉(zhuǎn)向節(jié)外接點G1 0 0 8 . 3 8 1 0 . 07 7 8 . 0轉(zhuǎn)向拉臂鉸點H1 3 2 5 . 4 2 6 6 . 35 4 2 . 3減振器上支點M1 2 8 8 . 6 5 5 8 . 46 6 0 . 5減振器下支點N1 0 5 6 . 8 4 4 1 . 54 2 1 . 81 0 05 00- 5 0- 1 0 0012345時間/ s位移/ m m1 0 05 00- 5 0- 1 0 0012345時間/ s位移/ m m 設(shè)計 計算 研究 62 0 0 7年第3期圖8優(yōu)化前、 后主銷內(nèi)傾角圖9優(yōu)化前、 后輪距隨車輪圖1 0優(yōu)化前、 后前輪側(cè)向滑移量隨車輪跳動對比曲線跳動對比曲線隨車輪跳動對比曲線圖5優(yōu)化前、 后車輪外傾角圖6優(yōu)化前、 后前束角隨車輪圖7優(yōu)化前、 后主銷后傾角隨車輪跳動對比曲線跳動對比曲線隨車輪跳動對比曲線輪距的變化從18 4 9 . 9 7m m增加到18 9 6 . 9 8m m( 圖9) ;側(cè)向滑移量從- 6 . 9 9 m m增加到1 6 . 4 8m m( 圖1 0) 。二者變化量較大, 不但影響了汽車轉(zhuǎn)向輕便性、直線行駛穩(wěn)定性,還會導(dǎo)致輪胎的早期磨損, 降低輪胎的使用壽命。對于獨立懸架, 要求輪距的變化盡量小。 因為輪距變化使輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角, 從而產(chǎn)生側(cè)向力輸入, 使操縱穩(wěn)定性發(fā)生變化。 尤其汽車側(cè)傾時, 兩側(cè)車輪的橫向滑移方向可能相同,輪距變化帶來的側(cè)向力不能抵消, 從而使操縱穩(wěn)定性變差。 按照懸架的設(shè)計要求,當(dāng)車輪上下跳動時,輪距變化量應(yīng)為- 1 0 1 0m m, 該輪距的仿真結(jié)果顯然超過了這個范圍, 所以有必要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。3 . 2運動特性參數(shù)優(yōu)化A D A M S軟件為用戶提供了強(qiáng)大的參數(shù)優(yōu)化分析功能。 用戶可通過參數(shù)化建模, 對模型的設(shè)計變量取不同的參數(shù)值進(jìn)行仿真。 為減輕輪胎磨損, 同時提高汽車的操縱穩(wěn)定性,本文定義輪距變化量與前輪側(cè)向滑移量的絕對值之和作為目標(biāo)函數(shù), 即:Fo b j= H +(7) H =D Y(LW h e e l. M A R _ K , RW h e e l. M A R _ K )- B =D Y(Wh e e l . M A R _ K , G r o u n d . M A R _ K0)式中,LW h e e l. M A R _ K、RW h e e l. M A R _ K 分別表示左、 右車輪上的K點和K 點在y坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)值;Wh e e l . M A R _ K、G r o u n d . M A R _ K0分別表示左側(cè)車輪上的K點和地面上的K0點在y坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)值;D Y為A D A M S中的位移函數(shù)。運動特性參數(shù)與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的空間位置及結(jié)構(gòu)有關(guān), 經(jīng)過分析, 選取左、 右車輪上橫臂與下橫臂及轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)外接點的坐標(biāo)作為設(shè)計變量。為滿足懸架的設(shè)計要求,設(shè)計變量的坐標(biāo)值被約束在如下的取值范圍內(nèi):Xi m i n Xi Xi m a xYi m i n Yi Yi m a xZi m i n Zi Zi m a x式中,i為左、右車輪的上橫臂與下橫臂及轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)外各接點。當(dāng)設(shè)計變量在允許范圍內(nèi)變化時,A D A M S軟件能自動地選擇設(shè)計變量, 使目標(biāo)函數(shù)式(7) 獲得最小值。 懸架的運動特性參數(shù)優(yōu)化前、 后對比曲線參見圖5 圖1 0, 前輪定位參數(shù)變化值與設(shè)計值對比結(jié)果見表2。從優(yōu)化結(jié)果看, 前輪定位4個參數(shù)在優(yōu)化前、 后變化較小, 基本保持不變; 輪距、 前輪側(cè)向滑移量變動較大:輪距的變化在1 8 5 8 . 4 6 1 8 6 6 . 7 4 m m之間,變化量為8 . 2 8 m m,滿足輪距變化量- 1 0 1 0 m m的設(shè)計要求, 車輪上跳時輪距適當(dāng)增加, 有利于提高汽車操縱穩(wěn)定性; 前輪側(cè)向滑移量從1 6 . 4 8 m m減小到優(yōu)化前優(yōu)化后0 . 2 50 . 1 50 . 0 5- 0 . 0 5- 0 . 1 5- 0 . 2 5- 0 . 3 5- 0 . 4 5- 0 . 5 5- 0 . 6 5- 0 . 7 5- 1 0 0 - 5 005 01 0 0車輪跳動量/ m m前束角/()優(yōu)化前優(yōu)化后- 1 0 0 - 5 005 01 0 0車輪跳動量/ m m1 . 51 . 00 . 50- 0 . 5車輪外傾角/()優(yōu)化前優(yōu)化后4 . 03 . 53 . 02 . 52 . 0- 1 0 0 - 5 005 0 1 0 0車輪跳動量/ m m主銷后傾角/()優(yōu)化前優(yōu)化后1 1 . 51 1 . 01 0 . 51 0 . 09 . 5 0- 1 0 0 - 5 005 01 0 0車輪跳動量/ m m主銷內(nèi)傾角/()優(yōu)化前優(yōu)化后1 9 0 01 8 9 01 8 8 01 8 7 01 8 6 01 8 5 0- 1 0 0 - 5 005 0 1 0 0車輪跳動量/ m m輪距/ m m優(yōu)化前優(yōu)化后2 01 51 050- 5- 1 0- 1 0 0 - 5 005 0 1 0 0車輪跳動量/ m m前輪側(cè)向滑移量/ m m 設(shè)計 計算 研究 7汽車技術(shù)1回正控制方法電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由信號傳感裝置、轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)及電子控制裝置等組成。電子控制裝置接收扭矩傳感器的扭矩信號和車速傳感器的車速信號, 由此計算出輸出電壓, 控制電動機(jī)的運行?；卣? . 2 3 m m,滑移量的減小可以大大降低輪胎的磨損,保證汽車具有直線行駛的穩(wěn)定性。4結(jié)束語從提高計算精度出發(fā), 考慮到隨機(jī)激勵對左、 右懸架運動特性參數(shù)變化的相互影響,用A D A M S軟件建立了完整的雙橫臂前獨立懸架運動學(xué)仿真模型。針對輪距及前輪側(cè)向滑移量隨車輪上下跳動變化量偏大的問題進(jìn)行了優(yōu)化計算,優(yōu)化后懸架的運動特性參數(shù)均達(dá)到理想的變化范圍。參考文獻(xiàn)1王其東等.汽車雙橫臂式獨立懸架機(jī)構(gòu)運動特性分析.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2 0 0 1 , 2 4(6).2孫義杰等. A D A M S / V I E W在汽車前懸架仿真應(yīng)用及優(yōu)化分析.西華大學(xué)學(xué)報, 2 0 0 5 , 2 4(6).3李軍. A D A M S實例教程.北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2 0 0 2 .4陳黎卿等.基于A D A M S的雙橫臂扭桿獨立懸架操縱穩(wěn)定性分析.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2 0 0 5 , 2 8(4).5鄭建榮. A D A M S -虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2 0 0 1 .( 責(zé)任編輯辛民)修改稿收到日期為2 0 0 7年1月2 2日。前輪定位參數(shù)優(yōu)化前優(yōu)化后設(shè)計初始值設(shè)計目標(biāo)變化量變化范圍變化量變化范圍變化量車輪外傾角- 0 . 3 7 1 . 0 91 . 4 6- 0 . 1 3 1 . 1 81 . 3 10 1 . 51 . 5前束角- 0 . 7 1 0 . 2 10 . 9 2- 0 . 5 2 0 . 2 00 . 7 2- 1 0 . 51 . 0主銷后傾角2 . 2 4 3 . 7 51 . 5 12 . 1 5 3 . 4 21 . 2 72 . 5 3 . 81 . 8主銷內(nèi)傾角9 . 9 1 1 1 . 4 31 . 5 21 0 . 3 8 1 1 . 2 80 . 9 09 . 5 1 2 . 12 . 0表2優(yōu)化前、 后前輪定位參數(shù)變化值與設(shè)計值對比()電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正控制策略研究程勇1王鋒2羅石2蘇清祖2(1 .中國汽車技術(shù)研究中心;2 .江蘇大學(xué))【摘要】 在分析電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回正模型的基礎(chǔ)上, 提出了電動助力轉(zhuǎn)向回正控制算法。 嘗試直接采用扭矩信號作為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角估計的依據(jù), 并以此為基礎(chǔ)提出不需配置轉(zhuǎn)角傳感器的回正控制策略。 在m a t l a b中建立了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型, 并利用S i m u l i n k工具箱對算法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明, 所提出的回正控制策略能提高轉(zhuǎn)向盤的回正性能, 并為臺架試驗打下了基礎(chǔ)。主題詞: 電動助力轉(zhuǎn)向回正性控制算法中圖分類號:U 4 6 3 . 4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1 0 0 0 - 3 7 0 3(2 0 0 7)0 3 - 0 0 0 8 - 0 3S t u d yo nR e t u r nC o n t r o l S t r a t e g yf o r E l e c t r i c P o w e r S t e e r i n gS y s t e mC h e n g Y o n g1, Wa n g F e n g2, L u o S h i2, S uQ i n g z u2(1 . C h i n a A u t o m o t i v e T e c h n o l o g y &R e s e a r c hC e n t e r;2 . J i a n g s uU n i v e r s i t y)【A b s t r a c t】I nt h i sp a p e r , r e t u r nm o d e l o f e l e c t r i c a l p o w e rs t e e r i n gs y s t e m i sa n a l y z e d , a n dac o n t r o l a l g o r i t h m i sd e v e l o p e df o r e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m . B a s e do nt h ea t t e m p t o f u s et o r q u es i g n a l a s t h eg i s t o f s t e e r i n gw h e e l a n g l ee s t i m a t i o n , a r e t u r nc o n t r o l s t r a t e g y t h a t d o nt n e e ds t e e r i n g a n g l e s e n s o r i s d e v e l o p e d . T h e a u t h o r h a s b u i l dt h e E P Sm o d e lw i t ht h e u s e o fM a t l a b , a n da p p l y S i m u l i n kt o o l b o x t o s i m u l a t e a l g o r i t h m . T h e r e s u l t s s h o wt h a t r e t u r nc o n t r o l s t r a t e g y c a ni m p r o v e r e t u r n a b i l i t y o f s r e e r i n g w h e e l , a n dm a k e a g o o df o u n d a t i o nf o r t h e b e n c ht e s t .K e yw o r d s:E l e c t r i c a l p o w e rs t e e r i n g , R e t u r n a b i l i t y , C o n t r o l a l g o r i t h m 設(shè)計 計算 研究 8