MotionView及HyperStudy在Kit Buggy悬架设计中的应用

mizhongquan

　　摘要：Buggy是发源于南美的一种强量化的越野赛车，从400CC的Kit Buggy到排量5-7L大型Buggy均采用后驱模式。Buggy高速行驶在荒漠之中，为了应付各种复杂的路况，Buggy的悬架行程都比较大，上下总行程可达 150mm―200mm。前悬架采用双横臂悬架，对于大行程前悬架来说，Bump-Steering（悬架跳动VS前束变化）是个非常难以协调的问题， 设计要求Bump-steering越小越好。本文主要通过研究一款Kit Buggy前悬架的运动学模型，在MotionView中建立了前悬架的运动学模型，借助HyperStudy对悬架Bump-Steering关系曲线进行优化，获得与理想曲线较接近的结果。
　　关键词：Buggy Bump-Steering 双横臂悬架 MotionView DOE HyperStudy
　　1 引言
　　近年来， 随着人与环境的互动及农业、娱乐、越野运输等需求的增加，Kit Buggy的开发和制造发展迅速。自由穿梭在最难走行的沙滩或荒漠，凭借着宽大的四只OFF-ROAD越野低压车胎，加上四 轮独立悬架系统，载人、载物，甚至野地救难，都非常合适。这种体积小巧、越野性能强、机动性高的四轮机车，在某些时候甚至比性能强悍的 SUV 四轮越野汽车更具机动性能!全地形车的军用潜力也已经被越来越多的军队所认识，其发展方兴未艾，不仅家族庞大，而且型号繁多。
　　然而，这种轻型Buggy的底盘悬架几何设计要比量产汽车还精准。悬架行程约6英寸(150mm)，传动轴侧移可达7~8mm，若没有可靠地仿真分析，很难确保越野行车时的安全性。
　　目前，在悬架设计方面，清华大学的王磊等人[1]对全地形车中、后桥双横臂平衡悬架的设计问题进行了研究，并对恶劣路况下三轴全地形车中、后桥垂直载荷进行了合理分配。本文为则对Kit Buggy前悬架做出研究。
　　为了分析自制Kit Buggy 前悬架的性能及对操纵稳定性能的影响，在MotionView中建立该悬架的动力学模型并进行仿真分析，同时利用HyperStudy中DOE及Optimizaiton模块进行优化设计。通过优化对比来调整前悬架的参数，从而达到理想的Bump-steering特性以及良好的高速操控性。
　　多体动力学仿真分析软件 MotionView 中带有整车前后悬架模型，主要用于对轿车的动态仿真分析，能够快速建造高精度的参数化模拟汽车模型。HyperStudy能与MotionView无缝接口对仿真进行 实验设计及优化分析，使用户可以更精确地对设计进行量化研究，应用HyperStudy，可以很方便地进行一系列的仿真试验，从而精确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能，并对试验结果提供专业化的统计结果。
　　

　　几款典型的小排量Kit Buggy
　　2 前悬架模型的建立及仿真分析
　　模型硬点的空间位置坐标和相关参数是建立MotionView动力学模型的关键。首先，根据既定的参数在 MotionView中搭建前悬架的动力学模型并仿真，目的是为了确定所有的连接硬点（也就是常说的球销、衬套连接点）
　　

　　图1 前悬架模型
　　悬架在跳动过程中转向轮定位参数发生变化的规律称为悬架运动学特性。车轮定位参数：前轮外倾角、前轮前束、主销内倾及主销后倾的值对汽车的操纵稳定性影响很大[2]。为了反应前轮定位参数 随车轮跳动的变化规律，在MotionView中进行双侧车轮平行跳动仿真，进行跳动仿真时，根据汽车车轮实际跳动的可能范围，确定跳动的范围为上跳180mm、下跳90mm，分析前轮前束角的变化规律，由于汽车的对称性，左右车轮定位参数相同，故仅分析左车轮定位参数。
　　通过对比前轮定位参数在横坐标为零时的值和在数模中测量的值是否一致，判断所建模型的正确性，确保模型的正确性及仿真结果的可信度。
　　由于在整车运动过程中，轮胎和车身之间的相对位置会发生变化，这将造成前轮定位参数发生相应的变动。车轮定位参数的变化量不能太大，否则将会加剧轮胎和转向机构的磨损并降低整车操纵稳定性和其他相关性能。轮胎上下跳动时对应的前束变化术语称作：Bump-Steering特性。当车辆行驶时，如果Bump-Steering变化太大，将会影响车辆的直线行驶稳定性，最高车速也会大打折扣，同时增大轮胎与地面间的滚动阻力，加剧轮胎的磨损，所以在悬架设计中Bump-Steering是非常重要的一个指标，原则是变化量越小越好。
　　原始设计的Bump-Steering规律，如图2所示。
　　

　　图2 左前轮前束角
　　3 优化设计
　　由仿真结果中可以明显看到前轮前束角变化较大，在-90―180的轮跳范围内，前束的变化从-5°到了正5°这是比较大的一个Bump-Steering表现，算是比较恶劣的一种情况。因此在进行优化时将其作为目标函数，在HyperStudy中进行优化，使其达到理想值。利用HyperStudy可以对车轮定位 参数中的某项或是多项进行优化，使定位参数达到一个理想值。本论文是通过对悬架的部分硬点坐标进行改变来达到优化前束角的目的。
　　双横臂悬架中影响前束角变化的因素主要是悬架定位硬点位置的选择，双横臂悬架硬点较多，但每个硬点坐标值对我们所希望的设计效果影响不一。可以利用HyperStudy中的DOE模块进行筛选试验，找到对前束角影响较大的几个坐标。对于本悬架虽然上下控制臂硬点对前束角也有较大影响，但是由于悬架整体结构已确定，上下控制臂硬点不能更改。因此，根据实际情况，此处取转向横拉杆外点(Otr tierod ball jt)X、Y、Z三个方向坐标、转向横拉杆内点(Inr tierod ball jt)X、Z两个方向坐标，共5个坐标作为变量进行分析优化。由于沿用了一款成熟的转向机，所以转向机输出端 (横拉杆内点)长度固定，所以内点的Y方向暂不作为设计变量，最终如不能得到理想结果，再考虑横拉杆内点Y方向的变动(转向机需要新开发)。
　　首先，设置每个坐标点的变化范围为10%（如表1），利用HyperStudy中DOE模块进行分析。
　　表1 优化硬点坐标及其优化区间
　　

　　由于变量数量不大，在这里采用2水平的全因子设计，实验安排及分析结果如表2。
　　表2 试验安排及结果
　　

　　从DOE分析结果可以看到：第4号实验是一个近似的最优组合，见表3；将其代入模型验证，其结果见图3。
　　表3 根据 DOE 分析结果得到的最优组合
　　

　　

　　图3 DOE优化后的左轮前束角变化曲线
　　由图3可以看出，近似最优组合并没有达到我们预期的结果。因此，通过Optimizaiton 模块继续对模型进行优化。最优组合与预期结果相差巨大，不排除优化区间选取偏小的原因。此处，根据DOE分析结果适当调整优化区间（见表4）：
　　表4 优化硬点坐标及其调整后的优化区间
　　

　　此处选用SQP(Sequential Quadratic Programming)优化算法进行计算，最大迭代次数设置为25。优化进程如图4，优化的结果见图5。
　　

　　图4 优化迭代进程
　　

　　图5 优化结果
　　从图5中可以看到最优化结果为第25号实验，而且最后几次试验响应值变化较小，优化结果可接受。为了设计方便我们修正两个点的坐标，结果见表5。
　　表5 坐标值优化前后对比表
　　

　　优化后前悬架模型模型前束角随车轮跳动的变化曲线，如图6所示，蓝色曲线为优化前前束变化曲线，红色为优化后前束变化曲线。
　　

　　图6 左前轮前束角优化前后对比
　　与原悬架相比，车轮上跳180mm下调90mm时，车轮前束角的变化范围明显减少，满足设计要求，优化结果明显。
　　优化前优化后的几何模型对比如下7-8-9图所示
　　

　　

　　4 结论
　　如果悬架结构设计不当，将会大大影响汽车产品的使用性能（如转向沉重、摆振、轮胎偏磨、影响轮胎使用寿命等）［3］。本文采用MotionView对悬架的几何结构进行了建模与分析，并且运用HyperStudy对模型进行优化，解决了车轮跳动过程中前束角变化过大问题。在开发新车或在原来已有的车型基础上进行改进设计时，在实际样件、样车制造出来之前，完全可以利用MotionView及HyperStudy提供的动态仿真环境，对悬架甚至整车的一些主要性能进行事先预测、评估，这样可以大大地缩短产品的开发周期。
　　5 参考资料
　　[1]
　　王磊，金达锋. 全地形车中、后桥双横臂平衡悬架设计[J]. 拖拉机与农用运输车，2007，34 (1)：64-66.
　　[2]
　　张洪欣. 汽车设计［M］.北京：机械工业出版社，1996. [3]褚志刚等．汽车前轮定位参数优化设计．重庆大学学报．2003，2.