硬点对悬架和操稳性能灵敏度分析及鲁棒性优化

引文格式： 高 （ 3 ） ： 249 － 256．
文献标志码： A
文章编号： 1671 － 7775 （ 2014 ） 03 － 0249 － 08
． 江苏大学学报： 自然科学版， 2014 ， 35 晋， 杨秀建， 牛子孺． 硬点对悬架和操稳性能灵敏度分析及鲁棒性优化［J］
Ｒobust optimization and sensitivity analysis of hardpoints on suspension characteristics and full vehicle handling performance
收稿日期： 2013 － 08 － 01 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 51005109 ） 作者简介： 高 晋（ 1982 —） ， 博士， 讲师（ 906845822@ qq． com） ， 男， 云南宣威人， 主要从事汽车系统动力学研究． 副教授（ 675713416@ qq． com） ， 杨秀建（ 1980 —） ， 男， 山东海阳人， 主要从事汽车动力学控制研究．
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仿真分析过程
MATLAB 仿真分析基于 Isight 软件， 与 ADAMS， ． Isight DOE 软件联合来实现 通过 软件的 模块， 来 驱动 ADAMS 求解输出结果， 再经过 MATLAB 计算 得到需要的性能指标， 包括悬架 K 特性指标、 操稳 指标． 具体来讲， 首先在 ADAMS 中建立悬架和整车 的多 体 动 力 学 仿 真 模 型． 然 后 通 过 Isight 软 件 的 DOE 模块研究硬点坐标对悬架和整车操稳性能指 标的敏感程度， 包括参数研究和正交试验． 参数研究 是分析一个设计参数对性能指标的影响， 而正交试 验则是通过特殊的试验方案来分析和比较多个硬点 坐标对目标性能的影响大小． 最后基于上述灵敏度 分析结果对悬架性能指标进行鲁棒性优化设计 ．
Gao Jin，Yang Xiujian，Niu Ziru
（ Faculty of Transportation Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650500 ，China）
Abstract： Based on the combine software simulations of Isight，ADAMS and MATLAB ，the hardpoints influences on suspension kinematics characteristic indexes of toe ，camber，wheelbase ，wheeltrack，roll center in parallel wheel travel condition and minimum turning diameter ， Ackerman percentage under steering condition and full vehicle steady handling indexes of understeer ，roll gradient and maximum lateral acceleration were analyzed by parameter study and orthogonal experimental design． The relationships among hardpoints，suspension kinematics characteristics index and steady handling index were investigated． The sensitivity analysis method was proposed to precisely evaluate the influence of hardpoints on the suspension and steady handling performance． Screening key hardpoints， the distribution of suspension characteristic parameters were calculated on the assumption that each hardpoint was normal distribution． The robust optimization of key hardpoints shows that the suspension has good robust． Key words： suspension； sensitivity analysis； hardpoint； robust； steady handling 灵敏度是指设计参数变更对设计性能指标影响 ［1 － 4 ］ ． 鲁棒性是指系统受到干扰时仍能 的定量评估 保持其设计目标的性质． 鲁棒性是属于质量工程的 范畴， 质量工程强调在设计时就考虑产品的质量问
第3 期
高
晋等： 硬点对悬架和操稳性能灵敏度分析及鲁棒性优化
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从提 高 平 顺 性 的 角 度 ， 对 于 前 悬 架 来 说， 当 经过凸 块 时 ， 前 轮 心 应 向 后 退 让， 轴 距 减 小． 因 此， 轮跳轴 距 变 化 应 为 正 向 斜 率 ． 同 时 为 防 止 轮 胎的环磨 ， 轴 距 变 化 梯 度 不 宜 过 大． 轮 距 变 化 会 影响轮胎 的 磨 损 ， 在 正 常 工 作 范 围 内， 轮距变化 要尽量小 ． 轴 距 、 轮距变化梯度与硬点坐标偏差 9 所 示． 从 图 8 可 以 看 出 下 控 的关系分别如图 8 ， 制臂前点和下控制臂后点 z 向坐标对轴距变化最
悬架性能指标灵敏度
轴距梯度灵敏度 / （ mm·m － 1 · mm － 1 ） － 1. 432 1. 314 轮距梯度灵敏度 / （ mm·m － 1 · mm － 1 ） 0. 526 侧倾中心高度 灵敏度 / （ mm· m －1） 0. 388 抗点头率 灵敏度 / （ % · mm － 1 ） 0. 151
2014 年 5 月 May 2014
doi： 10． 3969 / j． issn． 1671 － 7775． 2014． 03． 001
第 35 卷 第 3 期 Vol． 35 No． 3
硬点对悬架和操稳性能灵敏度分析及鲁棒性优化
高 晋，杨秀建，牛子孺
（ 昆明理工大学 交通工程学院，云南 昆明 650500 ）
图9 轮距变化梯度与硬点关系
侧倾中心高度影 侧倾角反映车身侧倾的程度， ． 响车辆转弯时的侧倾角大小 侧倾中心高度低， 车辆 重心绕侧倾轴线的力臂大， 会使车辆的侧倾角增大， 不利于车辆的稳定性． 侧倾中心高度与硬点坐标偏 差的关系如图 10 所示， 可见， 下控制臂前点对侧倾 中心高度最敏感．
图6 硬点坐标对前束角梯度的灵敏度大小比较
图2
前束角随轮跳变化曲线
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悬架 K 特性灵敏度分析
即悬架的运动学特性， 是指车轮 悬架 K 特性， ， 在上下运动过程中 悬架的性能参数随车轮跳动的 关系． 包括车轮前束角、 外倾角、 轴距和轮距等悬架 性能指标随车轮跳动的关系． 通常有平行轮跳工况 和反向轮跳工况． 进行灵敏度分析的悬架为一典型 的双横臂悬架， 由上下控制臂及转向拉杆组成， 双横 臂悬架模型如图 1 所示．
对于车轮前束角、 外倾角、 轴距和轮距， 通常分 25 mm］ 析轮跳行程为［－ 25 mm， 时， 性能指标参数 的变化率， 即变化梯度． 侧倾中心高度、 抗点头率则 考察在设计载荷时的值． 前束角、 外倾角随轮跳的变 3 所 示， 化曲线 分 别 如 图 2 ， 图 中 标 出 了 在［ － 25 mm， 25 mm］ 的轮跳范围内， 2 个指标的变化梯度． 对于前悬架， 一般来说， 前束变化应为负向斜率， 即 前束变化梯度为负值． 轮跳外倾对轮胎附着情况和 轮胎偏磨有较大影响， 为了提高附着力， 外轮要内 倾， 内轮要外倾， 因此轮跳外倾应为负向斜率． 同时， 变化梯度不应过大， 以免轮胎偏磨．
图3 外倾角随轮跳变化曲线
通过分析， 得出前束角和外倾角梯度与硬点坐 5 所示． 从图 4 可以看出： 转 标关系曲线分别如图 4 ， 向横拉杆内外连接球头点 z 向坐标对前束角变化梯 度最为敏感， 降低转向横拉杆内球头高度， 前束角变 化梯度会增大， 而降低转向横拉杆外球头高度， 前束 角变化梯度会减小， 因此前束角变化梯度和内外连 接球头点的高度差有关． 从图 5 可以看出： 上控制臂 前点和外点 z 向坐标对外倾角变化梯度最为敏感， 上控制臂前点 z 向坐标减小， 外倾角变化梯度会增 大． 上控制臂外点 z 坐标减小， 外倾角变化梯度会减
图1
双横臂悬架模型
轮跳行程为 对仿真 模 型 进 行 平 行 轮 跳 分 析， ［－ 80 mm， 80 mm］ ． 下面将分析硬点坐标对悬架性 能指标影响的大小 ， 包括车轮前束角、 外倾角、 轴 距、 轮距、 侧倾中心高度和抗点头率．
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小． 对外倾角变化梯度影响较大的其他几个坐标方 向分别是上控制臂后点 z 向， 下控制臂前点 z 向、 下 控制臂外点 z 向以及转向横拉杆内点 z 向． 可见， 无 论前束角还是外倾角， 都是硬点 z 方向坐标对其变 化较为敏感．
图 ห้องสมุดไป่ตู้0
侧倾中心高度与硬点关系
图7
硬点坐标对外倾角梯度的灵敏度大小比较
通过仿真分析得到转向横拉杆内外点 z 向坐标 对悬架性能指标的敏感度数值如表 1 所示．
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表1
硬点坐标 转向横拉杆内点 z 向 转向横拉杆外点 z 向 前束角梯度 灵敏度 / （ （ ° ） · m － 1 ·mm － 1 ） 1. 567 － 1. 471 外倾角梯度 灵敏度 / （ （ ° ） · m － 1 ·mm － 1 ） － 0. 104
图4 前束角梯度与硬点坐标关系
为敏感 ．
图8 图5 外倾角梯度与硬点坐标关系
轴距变化梯度与硬点关系
硬点坐 标 对 前 束 角 和 外 倾 角 梯 度 的 灵 敏 度 7 所 示， A1 为 转 向 横 拉 杆 大小比较 分 别 如 图 6 ， A2 为转向横 拉 杆 外 点 z 向 ， A3 为 上 摆 内点 z 向 ， A4 为下摆 臂 外 点 z 向 ， A5 为 下 摆 臂 臂前点 z 向 ， A6 为上摆臂 外 点 z 向 ， A7 为 上 摆 臂 后 前点 z 向 ， 点 z 向．
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题， 核心思想是质量不是靠检测和控制生产过程得 到的， 而是以产品的质量为直接目标导向通过设计 得到的， 为了获得鲁棒性质量要求， 需要降低系统对 输入参数的敏感度， 因此灵敏度分析是鲁棒性设计 的基础． 笔者基于某研发车型， 分析其悬架硬点坐标 对悬架性能指标和稳态操稳指标的敏感度 ， 并对悬 架性能指标进行鲁棒性优化设计 ．
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转向特性灵敏度分析
所示． 硬点坐标对最小转弯直径灵敏度比较如图 15 B1 为转向横拉杆外点 x 向， B2 为下控制臂外 所示， B3 为转向横拉杆外点 y 向， B4 为下摆臂外 点 x 向， B5 为上摆臂外点 x 向． 可以看出转向横拉 点 y 向， x 杆外点 向对最小转弯直径最敏感．
摘要： 基于 Isight 软件， 与 ADAMS 和 MATLAB 软件联合仿真， 通过正交试验及参数研究方法， 分析 了悬架硬点位置坐标对悬架平行跳动时前束 、 外倾、 轴距、 轮距、 侧倾中心高度和转向时的最小转弯 直径、 阿克曼百分比等悬架运动学性能指标以及整车稳态操纵稳定性能指标如不足转向度 、 最大侧 向加速度、 侧倾角梯度等的影响， 求出了悬架和稳态操纵稳定性能指标与硬点位置坐标的 关系． 提 出了评价硬点对悬架和整车操纵稳定性能指标 影响 大小的 灵敏 度分析法， 灵敏 度指标能 够精确评 估硬点坐标对悬架和整车操稳性能 影响的大小． 在假设硬点位置坐标符合正态分布的条件下， 求出 了悬架性能指标的分布， 对关键硬点位置坐标进行了鲁棒性优化设计， 结果表明悬架性能更稳健． 关键词： 悬架; 灵敏度分析; 硬点; 鲁棒性; 稳态操稳 中图分类号： U463. 33