基于多目标约束的多连杆悬架优化设计

第27卷第2期2019年6月
山东交通学院学报JOURNALOFSHANDONGJTAOTONGUNTVERSTTY
Vol.27No.2
Jun.2019
DOT10.3969/j.issn.1672-0032.2019.02.002
基于多目标约束的多连杆悬架优化设计
张鹏，王洪新，曹昌勇
(皖西学院机械与车辆工程学院，安徽六安237012)
摘要:多连杆悬架的运动学特性与柔性特性(kinematic&compliance,K&C)是整车操控平顺性的重要组成部分，以正在对标开发的多连杆悬架为例，分析悬架硬点坐标与衬套刚度对车辆K&C主要特性参数的影响程度，并以车轮前束角、车轮外倾角、车辆纵向位移和侧向位移等K&C的主要特性参数满足设计要求为约束条件，通过调整悬架硬点坐标和衬套刚度，实现多连杆悬架的优化#研究表明:优化后的悬架双轮平行跳动时车轮前束角变化、车辆侧倾时前束角变化、悬架侧倾中心高度和纵向力与侧向力作用下的轮心位移变化都能够满足设计要求#
关键词:多连杆悬架;多目标约束;悬架硬点;衬套刚度;K&C特性参数;优化
中图分类号:U463.33文献标志码:A文章编号：1672-0032(2019)02-0009-08
引用格式：张鹏，王洪新，曹昌5.基于多目标约束的多连杆悬架优化设计[J].山东交通学院学报,2019,27(2)：9-16.
ZHANG Peng,WANG Honyxin,CAO Changyong.Optimized design of multi-link suspension based on multi-
objective restrictions[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2019,27(2)：9-16.
0引言
随着汽车操纵稳定性和舒适性要求的不断提高,多连杆悬架作为车辆的后悬架被广泛采用。

多连杆悬架不但能提高设计自由度，还能增加对每个方向的约束控制，在满足乘员舒适性的情况下,能更有效地提高车辆的操纵稳定性,有效减少轮胎磨损#
悬架的运动学特性与柔性(kinematic&compliance,K&C)是保证车辆舒适性和操纵稳定性的基础[1'8]，其中悬架硬点坐标(悬架中决定悬架运动学特性的点)和部分关键衬套的刚度对K&C影响较大,需要在设计阶段充分考虑。

在悬架优化设计时，一般先分析悬架的硬点坐标对K&C主要特性参数的影响，确定悬架的硬点坐标后，再对悬架衬套的刚度进行匹配，确保悬架满足设计要求#本文结合在研车辆开发过程中悬架的K&C,根据多目标约束条件和悬架布置的具体要求，分析多连杆悬架的硬点坐标和衬套刚度对K&C主要特性参数变化灵敏度的影响，并对悬架的结构进行优化设计。

1多连杆悬架模型
1.1多连杆悬架的组成
多连杆悬架模型由悬架、稳定杆、副车架等组成。

收稿日期：2019-03-10；网络首发时间：2019-07-09T18：19：24
网络首发地址：ki.ne/kcms/detail/37.1398.U.20190709.1819.022.htmi
基金项目：安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2018A0419)；皖西学院校级自然科学研究重点项目(WXZR201919)；皖西学院校级自然科学研究重点项目(WXZR201704)
第一作者简介：张鹏(1991—),女，安徽祁门人，助教，工学硕士，主要研究方向为汽车悬架设计与动力学，E-mail：502145956@.
10山东交通学院学报2019年6月第27卷
1） 悬架。

悬架主要由连杆、减振器、 、稳定杆等组成，多连 架单 1 、1 上控制
臂、2 下控制臂、 、减振器等。

一端 向 接在一起，另一端通过弹性衬 车身相连;
上、下控制臂一端通过衬
向 连,另一端通过衬 车架相连;减振器上端与车身相连，下端
连接下控制臂； 上端通过
车身相连，下端
下控制臂上。

2） 横向稳定杆子系统。

该系统由稳定杆及
成。

3） 车架子系统。

该系统通过 车身刚性相连。

1.2悬架模型及验证1.
2.1建模
已 车参数、各零部件硬点坐标、弹性元件参数等，其中悬架主要硬点坐标参数和衬套刚度如表
1、2所示,坐标轴&、#、z 方向如图1所示。

表1多连杆悬架硬点坐标
mm
关键点&
点
&
上控制臂外端点2 801.0-710.0
49.7减振器上端点2 906.9-594.5358.2上控制臂内端点2 591.6-194.140.2
减振器下端点
2 813.6-675.2
-179.9下控制 外端点
2 758.2-722.0
-183.1
上端点2 607.2-582.4
140.8
下控制 端点
2 580.2-198.3-55.3下端点
2 634.4
-607.3-77.9
端点
2 242.9
-625.5
22.4
表2多连杆后悬架衬套刚度
衬套名称
沿&方向/$ kN • mm -1 )
沿#方向/$ kN • mm -1 )
沿H 方向/$ k • mm -1 )
绕％轴方向/（N ・m ・（ °） -1 ）
#方向/(N ・m ・( °) -1 )
H 方向/
(N ・m ・(° -)
衬
0.6 1.70.4
4.2
1.8
2.4上、下控制 衬
6.1 6.1 1.218.6
18.6
1.1
稳定杆衬套 1.0
1.0
0.3
3.0 3.00.4车架衬 2.6 2.6 2.1
4.1
4.1
3.2
汽车运行中,前后轴的抗侧性依靠多连杆悬架中副车架和纵臂的形变来保证，为了精确模拟副车
架
复杂运动情况下的变形情况，将其建为
柔性体。

采用有限元前处理软件Hypermesh 通过壳 单元 车架
模型进行网 分，各划
分为80 372 单元和10 118个单元,其中网格单元
的 4 mm # 用RBE2单元进行模拟，
根据模态综合法计算副车架
200 Hz 内的自由
模态
模态，导出 车架 的MNF 中性柔
性 件,再将其
Adams/car 建立柔性体模型，
Adams/car 中其他刚性体部件模型一
成
连 架刚柔耦
动力学模型，如图1所示亠
1.2.2 仿真及试验验证
图1多连杆悬架刚柔耦合多体动力学模型
模拟车辆双轮同向平行跳动和纵向力加载实车试验，双轮同向平行轮跳垂直位移为-50 ~50 mm ,纵向力为3000 N ,利用Adams/car 软件对图1的模型进行仿真分析；同时利用汽车悬架K&C 试验台对在
开发车辆悬架进行试验#仿真与试验2种情况下的车轮前束角和外倾角及轮心纵向位移的变化曲线如
图2所示。

第2期张鹏,等:基于多目标约束的多连杆悬架优化设计11
轮心垂直位移/mm
轮心垂直位移/mm
b ）双轮同向平行跳动外彳顷角的变化曲线
a ）双轮同向平行跳动前束角的变化曲线
纵向力/N
c ）双轮同向纵向力加载前束角的变化曲线
一仿真
纵向力/N
d ）双轮同向纵向力加载轮心纵向位移的变化曲线
…试验
图2模型仿真与试验测试结果对比
图2 :连杆悬架刚柔耦合多体动力学模型仿真结果与试验测试结果吻合度较高，验证了所
建悬架模型的正确性。

2 K&C 的影响因素分析及悬架结构优化
架总成的K&C 主要研究车轮平行跳动、车辆侧倾、转向、纵向力加载、侧向力加
正力矩加载
等
况特性，每种工况下对应 性参数，各 K&C 特性参数的重要等级特性不完 。

本文
主要分析双 向平行跳动及加 向纵向力、同向侧向力及回正力 架硬点坐 衬套刚 车
轮前、车外、 向 向位移等悬架K&C 主要特性参数的影响#
2.1悬架硬点坐标的影响及优化
架结构的布局直接影 架的运动学特性指标，而架硬点坐 是 要的直接影 素，本
文从实际项目需求出发，结 置的可行性 要求，分 的悬架关键点坐 架运动学
特性参数的影响， 硬点的坐标进行优化分析[14-20] #
2.1.1
设计变量和约束条件
从车 置 出发，基于布置初始值，
减一定比例得到参数的变化范围，从而获取硬点坐
架的影响# 用车辆原减震器结构 ，
硬点。

上下控制臂的内外
点、 点等5个硬点的&、y 、z3个方向的坐 自变量，根 经验，取变 的变化范围
为- 3〜3 mm #
2.1.2
双轮同向平行跳动时悬架硬/坐标的影响
分 架硬点&、#、z 3个方向的位移对车轮前束角与外倾角、纵向位移和侧向位移等影响K&C 特
性的 参数的影响。

在Insight 模 将车辆前、车外 、 向位移 向位移的最大值
（
%
分析目标，应用试验 $ design of expeWments ，DOE ）
优 方法，得到各硬点坐车轮前 外 、 向位移
向位移等参数 的影响，如图3所示#
1 ）图3a ）中，上控制臂内端点z 坐 前
的
，达到63 %，且为正向影响（即随着
该点Z 坐标的 ，前
）；上控制臂外端点Z 坐 前 变化的 22%， 方
向影响； 端点z 坐 前 是负影响效应，
18 %#
2）图3b ），上控制
下控制
端点z 坐
外 影响的贡献率基本相同，约为14%，
但二者影响方向相反。

12山东交通学院学报2019年6月第27卷
3） 图3c ）中，纵臂端点Z 坐标对纵向位移变化灵敏度的影响尤为明显，贡献率约为18%,且为正向
影响#
4） 图3d ）中，上控制臂内端点z 坐标对侧向位移变化灵敏度的影响最突出，贡献率约为19%，且为正
向影响#
a ）车轮前束角灵敏度
b ）车轮外倾角灵敏度正向影响C ）轮心纵向位移灵敏度 d ）轮心侧向位移灵敏度
反向影响
图3 双轮同向平行跳动时悬架硬点坐标对各参数灵敏度的影响
2.1.3 悬架硬/坐标的优化
测试发现，在研车辆车 向平行跳动时前 变化量、侧倾转向时的前束角变化量不满足设计要
求，因此对该车 架的硬点坐标提出几种改进方案，如3所示。

表3悬架硬点调整方案
mm
点
上控制
点
上控制 外点
下控制
点
下控制 外点
方案-&
z
&
z
&
z
&z
&
y z
11010-1000000-1000000 -1021010-3000-15001000-20
-1000
3
-10
00
0 10
1） 方案1。

纵臂安装点的坐 &、#方向分别增加10 mm ，在Z 轴方向减小10 mm '上、下控制臂外
点坐
z
轴方向减小10 mm #但 车身
点需要重新开发， 将导致
车 点 满足要求#
2） 方2# 方
的硬点较多，调整范围较大，由于纵臂端点受限于车身安装结构形式和姿态,
此方案需要重新
#
3） 方案3#综
目标约束条件，调整上下控制臂外点,重新开发设计转向节，此方案零部件改
动较#
综
目标限制后，减少零部件的结构变化，
研发费用[21-25] # 车辆后悬架硬
点 优化方案3， z 向
上控制臂外端点10 mm ，z 向
下控制臂内端点10 mm #
2.2 的 及优化
2.2.1
设计变量及约束条件
位置、车前
变化，并综合车轮回转力 前束角的变化关系为目
条件，参考车辆架衬 原
，通过比例进行定义缩放，控制衬套刚 0.85~1.15 的
，分
架衬套
刚 架K&C 特性参数的影响#
2.2.2
不同加载方式下衬套刚度的影响
向力及侧向力作用下，分 上下控制臂衬套、 衬、副车架衬套、稳定杆衬套刚 车轮前
位移的影响#基于ADAMS 软件，通过修改衬套的刚度参数设置，分 其对车轮前
第2期张鹏,等:基于多目标约束的多连杆悬架优化设计13度、轮心位置灵敏度的影响，应用DOE方法获取方案矩阵,得到各个衬套刚度对K&C参数灵敏度的影响结果如图4所示。

b）同向纵向力加载时前束角灵敏度c）同向侧向力加载时轮心尹向位移灵敏度
图4不同加载方式下衬套刚度对各参数灵敏度的影响
图4:衬"向刚K&C特性参数的影。

随着衬套&向刚度变的增,向向力向侧向力加况下，位移及前的变明显。

回正力矩加，衬"向刚度变，前的变化较硬点坐标优化前有明显改善;同向侧向力加载时上控制臂、副车架衬&向刚K&C特性参数变的影响较力、。

2.2.3衬套刚度优化
架硬点坐定后，测试发现，车位置随着纵向力变向力变化的满足要求，衬套刚行，根据衬套刚K&C参数变的分析结果，结DOE分析方法,到衬套刚度优化结果如表4所示。

•mm
表4悬架kN-1
沿方向沿y轴方向沿方向
优化前优后优前优后优前优后纵臂衬套0.550.86 1.48 1.480.390.39上下控制臂衬套 5.8012.30 5.8012.30 1.28 1.28
后车架衬 1.49 4.48 2.49 4.48 2.09 2.09
3悬架结构优化前后性能参数对比
利用硬点坐衬套刚K&C主要特性参数影响的分析结果，架K&C、整车操纵稳定性、生产成本等多目标的基础上有，以保优化后各项性能参数达到要求。

优化前后较
要的K&C特性参数的数据如表5所示。

通过硬点坐衬套刚度的优化，双轮平行跳动时的前束角变化、车前束角变化、悬架侧彳顷中心高度、向力作用时的位移变及侧向力作用下的位移变满足要求#
14山东交通学院学报2019年6月第27卷
表5优化前后部分K&C指标结果对比
优化前后
前
变化/((°)-m-1%
前
变化/(-m_1)
悬架侧倾中心
高度/mm
施加纵向力时轮丿卜&向位移
变化/(mm•kN-1)
施加侧向力时轮心y向
位移变化/(mm
*kN_1)
设计 1.5-3.5 2.5i3.5130i150<0.35<0.50
优前 3.5 3.6180.20.84 1.20
优后 2.6 2.7149.70.320.46
4结论
本文对多连杆悬架硬点坐标和衬套刚度对K&C主要特性参数灵敏度的影响进行分析，以K&C满足设计要求为约束条件，对悬架各硬点坐标和衬套刚度进行优化设计。

仿真结果表明:优化后悬架的K&C 主要指标均满足设计要求，悬架的各项性能更趋合理，为后期整车性能的达标提供了基础#
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ZHANG Peng,WANG Hongxin,CAO Changyong
(Schooi时Machinery and Vehicle Enginering,Wesi Anhui University,Anhui237012,China%
Absiah：Tha K&C(Kinematic&Complianca%characteOstics of multi-link suspension are imporani components of smooth operation of tha whole vehicle.Tha multi-link suspension being developed is taken as an exampia ta analyze tha dearer of infuenca of hard point coordinatas and bushing s/mn/s of suspension on Wa main K&C chaacwestic parameters of tha vehicia.Tha optimization of multi-link suspension is achieved by adjusting Wa hard point coordinatas and bushing s/m n/s of tha suspension ta meet tha design requiremenW of tha main K&C characteestic parameters such as wheel tosin angia,wheel cambar,vehicia s veWicot and lateral displacement.Tha results show that tha chanya of tha wheel WePn anga when Wa suspension double­wheel jumps in parallel,tha chanya of tha WePn angia when tha vehicia is tilted,Wa center height of Wa suspension roll and tha chanya of tha wheel-centar displacement undar tha longitudinal and lateral foras can meeiihedeHcyn oequcoemeni.
Keywords：multi S ink suspension；multi-objective restriction；suspension hard point;bushing stiffnss；K&C characteWstic parameter;optimizdtWn
(责任编辑:杨秀红)
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dOving.This paper expounds the main control methods of the current transversy motion control of Wa automobile based on PID(propoOion interration ddferentiation%control,MPC(model predictive control%and slip-mode control with eOdbia stectura.Alsy,it presents the practical application of each control mode,discusses its respective adventagas and disddenWgas and the applicable scope,and points out the development direction of the transverse motion c ontrol mode of the automobile.The significance of the study lies in the ddfereni dOving environment and control accuiecy requirements of We intelligent automobile,and the choice of excellent control mode which makes the intelligent automobile the safe and reliable autonomous dOving.The research results have soma reference elua for Wa development of the transverse motion control system of the intelligent automobile. Keywordt:intelligent automobile;transverse motion control;PID control;model predictive control;sliding mode vaOabia stecturo control
(任:%。