基于多学科设计法的汽车双横臂独立悬架优化设计

赵玉霞，林建飞，郑泉

(1.滁州职业技术学院，安徽滁州 239000；2.安徽农业大学 工学院，安徽合肥 230036)

基于多学科设计法的汽车双横臂独立悬架优化设计

赵玉霞1，林建飞2，郑泉2

(1.滁州职业技术学院，安徽滁州 239000；2.安徽农业大学 工学院，安徽合肥 230036)

提出一种基于多学科优化设计的双横臂独立悬架优化设计方法。以某款汽车的双横臂独立悬架为研究对象，构建主销后倾角最小、外倾角和前束角变化量最小的多目标优化函数；集成ISIGHT和ADAMS/CAR软件，并对其进行多学科优化设计。优化结果表明：优化后主销后倾角相应减小2°，外倾角和前束角变化范围均减少0.45°和0.5°。经试验验证，悬架转向轻便性和综合性能得到改善。

悬架；双横臂；遗传算法；多学科优化

双横臂式独立悬架广泛应用于现代汽车上，其运动特性直接影响汽车操纵稳定性、转向轻便性和轮胎使用寿命等[1-2]。国内外诸多学者在双横臂悬架优化设计方面进行了大量的研究[3-6]，文献[7]利用多目标遗传算法对轮胎滑移和倾角的变化进行优化，得出双横臂悬架轮胎滑移和外倾角的变化关系及其悬架导向杆系参数；文献[8]采用统一目标法将多目标函数转化为单目标函数，对前轮定位参数进行了优化。

多学科设计优化方法(multidisciplinary design optimization，MDO)作为一种新型的优化设计方法已经在多种行业得到应用，该方法是充分利用和探索系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论，充分考虑各子系统间的耦合关系，并通过协调各子系统间的关系寻求系统级的整体最优解[9-11]。

本文以某款汽车的双横臂独立悬架为研究对象，建立主销后倾角最小、外倾角和前束角变化量最小的目标函数，基于多学科优化设计方法，集成ISIGHT、 ADAMS/CAR环境下构建双横臂独立悬架多学科优化平台，对其进行优化设计。

1 双横臂悬架运动特性分析

图1 双横臂式独立悬架空间结构简图

双横臂式独立悬架空间拓扑结构如图1所示，图中OAB为下摆臂，绕轴线OA转动；MNK为上摆臂，绕轴线MN转动；K(xK,yK,zK)、B(xB,yB,zB)点分别为上下球节点，BK为主销轴线；G(xG,yG,zG)点为车轮中心，车轮轴线GJ交BK于J(xJ,yJ,zJ)点；P(xP,yP,zP)点为轮胎接地点；转向节臂DF交BK于F点，DF⊥BK；E、D点分别为横拉杆内外球节点。运用空间机构运动学原理，对悬架进行运动学分析计算，为悬架运动轨迹的研究提供理论参照[12-14]。前轮定位参数表达式为：主销内倾角α=arctan〔(yK-yB)/(zK-zB)〕，主销后倾角β=arctan〔(xK-xB)/(zK-zB)〕，前轮外倾角γ=arctan〔(yP-yG)/(zP-zG)〕,前轮前束量Δ=arctan〔(xG-xJ)/(yG-yJ)〕。

2 双横臂独立悬架多学科优化

2.1 设计变量

图2 双横臂悬架运动学模型

基于ADAMS/CAR软件建立双横臂悬架运动学模型如图2所示。由于设计变量较多(6个关键点，总共18个设计变量)，基于灵敏度分析方法对设计变量进行分析，设计变量约束上下变动，设计响应目标为主销后倾角、外倾角和前束角，进行512次部分迭代计算，计算结束后，得出灵敏度分析结果，如表1所示。在K模式下，利用灵敏度分析方法，在模型中依次调整每个因素并进行仿真分析，结果表明下摆臂后点(hpl_lca_rear)、上摆臂前点(hpl_uca_front)对悬架相关运动学参数的优化作用不明显，故不予考虑。整理表1灵敏度分析结果得出对响应目标变化影响较大的硬点坐标为：下摆臂前点(hpl_lca_front)y和z坐标；下摆臂外点(hpl_lca_outer)x坐标；上摆臂外点(hpl_uca_outer)x、y和z坐标；上摆臂后点(hpl_uca_rear)y和z坐标，共4个点的8个方向坐标为设计变量。

表1 悬架关键点灵敏度分析表

2.2 目标函数

悬架系统运动关系复杂、子系统之间相互影响，单纯基于某一项性能的优化往往会导致另一项性能的降低[15-16]。因此，在要求主销后倾角减小的同时，需满足前束角和外倾角的变化量最小，此时主销后倾角、前束角和外倾角的多目标优化问题，使用以下公式进行优化：

F1(Xβ)=min{Xβi},X1∈Xβ，

(1)

(2)

(3)

F(X)=ω1F1(Xβ)+ω2F2(XΔ)+ω3F3(Xγ)，

(4)

式中：n为仿真迭代总次数，n=256；Xβ、XΔ、Xγ分别为主销后倾角、前束角和外倾角仿真计算值；X1、X2、X3分别为设计状态下主销后倾角、前束角和外倾角初值，X1=5.3、X2=0.1、X3=-1.0；F1(Xβ)、F2(XΔ)、F3(Xγ)分别为主销后倾角、前束角和外倾角对应目标函数，设计状态下边界条件为0≤F1(Xβ)≤10、-1.0≤F2(XΔ)≤10、-3.0≤F3(Xγ)≤-0.5；F(X)为多目标优化函数，定义为F(X)函数值越小越好；ω1、ω2、ω3为权重系数，通过引入层次分析法理论[17-19]，在遗传算法的编码过程中对各变量进行权重赋值，使得对多目标优化函数影响较大的目标函数赋予较大的权重，从而更好地发挥各组成部分的作用，通过赋值计算得出ω1=0.4，ω2=ω3=0.3为最优权重系数。

3 多学科优化设计

图3 ISIGHT集成ADAMS/CAR

利用多目标遗传算法对相关硬点空间坐标进行多学科优化，以双横臂独立悬架模型为输入，在ISIGHT软件中集成ADAMS对输入进行解析，创建设计变量之间的映射关系，经ADAMS求解器计算分析并生成输出文件，再经ISIGHT解析完成一次循环[20-22]，如图3所示。优化前后设计变量对比如表2所示，优化前后主销后倾角、前轮外倾角、前束角变化如图4所示。

表2 硬点坐标参数优化前后对比

a)主销后倾角随轮跳变化曲线 b)前束角随轮跳变化曲线 c)前轮外倾角随轮跳变化曲线图4 悬架优化前后运动特性对比

由表2可知：下摆臂前点右移10 mm,下移10 mm,下摆臂外点后移10 mm,上摆臂外点前移10 mm,左移10 mm,下移10 mm;上摆臂后点右移10 mm,下移10 mm。

优化结果表明：优化后主销后倾角变小，外倾角和前束量变化范围较优化前都有所改善。优化前前轮外倾角变化范围-2.1°～-0.6°，变化量1.5°；优化后变化范围-0.8°～-1.85°，变化量1.05°，变化量减小了0.45°；优化前前束角变化范围-0.15°～0.75°，变化量0.9°；优化后变化范围0°～0.4°，变化量0.4°，变化量减小了0.5°，在轮跳过程中，一般要求前束量变化范围越小越好；为避免转向沉重，汽车主销后倾角不宜过大，优化后主销后倾角相应减小了2°，变化范围在2.2°～4.0°。经K&C试验台验证，如图5所示，主销后倾角满足设计需求，悬架转向轻便性得到了有效提高。

a)主销后倾角随轮跳变化曲线 b)前束角随轮跳变化曲线 c)外倾角随轮跳变化曲线图5 双横臂悬架K&C试验数据图

4 结语

构建了基于多学科优化设计方法的双横臂式独立悬架多目标优化模型，集成ISIGHT和ADAMS软件对其进行优化设计；优化后主销后倾角变小，前束角变化量和外倾角变化量减小并经试验验证，提高转向轻便性的同时改善了悬架综合性能，实现了预期目标。

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(责任编辑：郎伟锋)

Optimization Design of Double-wishbone Independent Suspension of Car Based on MDO

ZHAOYuxia1,LINJianfei2,ZHENGQuan2

(1.ChuzhouVocationalandTechnicalCollege,Chuzhou239000,China； 2.CollegeofEngineering,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei230036,China.)

An optimum design method of the double wishbone independent suspension based on the multidisciplinary design optimization (MDO) is presented.By taking the double wishbone independent suspension of a car model as the research subject,the multi-objective optimization functions of the minimum caster,camber and toe angle change is constructed and the multidisciplinary design optimization is made based on the integrated ISIGHT and ADAMS / CAR software.The optimization results show that the optimized caster angle decreases by 2° correspondingly,and the range of camber and toe angles decreases by 0.45° and 0.5° respectively.The experiments verify that the steering portability and overall performance of suspension are improved.

suspension；double-wishbone；genetic algorithm；MDO

2016-09-09

安徽省高校自然科学重点项目(KJ2015A305)

赵玉霞(1965—)，女，安徽淮北人，讲师，主要研究方向为机械设计，E-mail: 362770001@qq.com.

10.3969/j.issn.1672-0032.2016.04.003

U463.33

A

1672-0032(2016)04-0012-06