FSAE賽車雙橫臂前懸架運動學仿真及優(yōu)化

倪 俊，徐 彬

(北京理工大學機械與車輛學院，北京100081)

近些年來，在車輛懸架的設(shè)計及優(yōu)化中，以多剛體動力學ADAMS軟件為基礎(chǔ)的懸架運動學分析成為了一種常用手段[1-3].2010年，中國舉辦了第一屆大學生方程式汽車大賽 (簡稱FSAE).該項比賽旨在培養(yǎng)學生汽車設(shè)計成本控制，團隊合作等能力.在FSAE賽車設(shè)計中，采用雙橫臂式獨立前懸架.通過ADAMS/Car建立該懸架的虛擬樣機模型，進行仿真，從而分析該雙橫臂獨立前懸架的運動學性能.并利用ADAMS/Insight模塊，分析了各懸架的車身連接點對懸架各項性能的影響系數(shù)，對不理想的參數(shù)進行優(yōu)化，改善賽車的操縱穩(wěn)定性，從而達到優(yōu)化設(shè)計的目的.

1 前懸架仿真模型的建立

通過Solidworks雙橫臂獨立前懸架三維設(shè)計模型獲得主要硬點坐標值，懸架彈簧、減振器屬性文件由廠家提供數(shù)據(jù)編制.建立賽車雙橫臂獨立懸架的ADAMS/Car模型.進行懸架跳動仿真時，將懸架模型置于ADAMS/Car提供的懸架實驗臺上，懸架及實驗臺的裝配模型如圖1示.

圖1 雙橫臂前懸架模型

2 仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實驗臺同時對左右車輪施加垂向運動，行程為大賽規(guī)定的±25 mm.仿真結(jié)束后，進入后處理模塊，查看車輪主要定位參數(shù)及輪距變化.

2.1 車輪定位參數(shù)

懸架的前輪主要定位參數(shù)變化曲線.如圖2所示.

圖2 前輪定位參數(shù)變化曲線

1)車輪外傾角變化范圍是 －1.2°到－3°.由于賽車經(jīng)常需要快速轉(zhuǎn)彎，希望能夠最好的發(fā)揮輪胎性能，使其在轉(zhuǎn)彎的過程中，最大的提供側(cè)向力[4]，所以，賽車設(shè)計常把它設(shè)置為負角度，從而最大程度利用輪胎的附著能力，并且希望隨輪跳變化盡量小.由圖2中可以看出，該車前懸架跳動50 mm的過程中，輪胎外傾角度變化幅度過大.

2)車輪前束角變化范圍是－0.84°到－1.07°.設(shè)計與車輪外傾角相匹配的前束角，有助于保持汽車直線行駛能力.由于賽車車輪外傾角為負值，所以，前束角設(shè)計為負值，從而保證賽車具有良好的直線行駛能力及轉(zhuǎn)彎能力[5]，并且希望車輪前束角隨車輪跳動變化量盡量小.

3)主銷內(nèi)傾角度變化范圍是3.7°到5.5°，變化量與車輪外傾角相同.適當?shù)闹麂N內(nèi)傾角使轉(zhuǎn)向具有自動回正能力，減小駕駛員負擔，但內(nèi)傾角度不能過大，否則在轉(zhuǎn)向時候，輪胎會與地面之間出現(xiàn)較大滑動，會加劇輪胎的磨損.并且系統(tǒng)主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動變化量盡量小.

4)主銷后傾角變化范圍在0.01°左右.主銷后傾角越大，轉(zhuǎn)向的回正力矩越大，會增大轉(zhuǎn)向盤操作力.在賽車的設(shè)計中，希望轉(zhuǎn)向盡量靈敏，所以，主銷后傾角不適宜設(shè)計過大.主銷后傾角應該隨車輪上跳具有增加趨勢，這樣可以抵消制動時，車輛點頭造成的傾角減小的趨勢.

2.2 輪距變化

仿真得到輪距變化曲線如圖3所示.

圖3 輪距變化曲線

從圖3中可以看出車輪距變化很小，在4 mm左右.車輪在跳動過程中輪距必然會產(chǎn)生變化.輪距的變化，也就是橫向的輪胎滑動會導致輪胎的磨損，降低輪胎壽命，而且會影響汽車的操縱穩(wěn)定性，所以，設(shè)計中要求在車輪跳動的過程中，輪距的變化要盡可能小.

3 參數(shù)靈敏度分析

從上述分析可以看出，該車在車輪跳動過程中的輪胎外傾角和主銷內(nèi)傾角度變化幅度較大，在設(shè)計中應力求避免這樣的情況.利用ADAMS/Insight進行優(yōu)化設(shè)計，創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計目標[6].考慮到賽事的規(guī)則及車身布置的限制，選定結(jié)構(gòu)中5個硬點:下橫臂前點、下橫臂后點、上橫臂前點、上橫臂后點及轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點的Y，Z坐標為設(shè)計變量，其變化范圍為±5 mm.通過ADAMS/Insight創(chuàng)建全因素試驗DOE工作矩陣，進行256次迭代運算，從而得到各變量對優(yōu)化目標的影響程度，如表1所示.

表1 硬點變化對優(yōu)化目標的影響

4 優(yōu)化結(jié)果

從表1中可以看出，對輪胎外傾角和主銷內(nèi)傾角影響最大的點是上橫臂前點的Z坐標、下橫臂前點的Z坐標和上橫臂后點的Z坐標.綜合ADAMS/Insight得到的懸架連接硬點坐標對各項性能的影響程度.將上橫臂前點和上橫臂后點的Z坐標上調(diào)5 mm，下橫臂前點和下橫臂后點的Z坐標下調(diào)5 mm.在ADAMS/Car中修改模型，再次進行懸架跳動仿真，將兩次仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行比較.

4.1 優(yōu)化前后車輪外傾角對比

從圖4中可以看出，優(yōu)化后的車輪外傾角變化范圍是－1.6°到－2.75°，變化幅度顯著減小.因為賽車需要經(jīng)常在極限工況下行駛，這就需要輪胎外傾角的變化幅度盡量減小，使車輛轉(zhuǎn)彎過程中，車輪最大程度垂直地面，從而最大程度利用輪胎附著力.優(yōu)化后的輪胎外傾角變化幅度更加理想.

圖4 車輪外傾角優(yōu)化前后對比

4.2 優(yōu)化前后主銷后傾角對比

從圖5中可以看出，優(yōu)化后的主銷后傾角的變化范圍為3.819°到3.824°，主銷后傾角變化幅度減小.在賽車直線加速中，當車輪受到路面不平度的激勵而稍有偏轉(zhuǎn)時，主銷后傾所產(chǎn)生的與車輪轉(zhuǎn)向相反的力矩會使輪胎自動回正，從而保證賽車的直線加速穩(wěn)定性.優(yōu)化后的主銷后傾角變化范圍更小，賽車的操縱穩(wěn)定性得到提高.

圖5 主銷后傾角優(yōu)化前后對比

4.3 優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角對比

從圖6中可以看出，優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角變化范圍為4°到5.3°.設(shè)計中考慮到賽車對轉(zhuǎn)向靈敏性的要求，以及考慮到賽車輪胎的寬度，所以一般賽車主銷內(nèi)傾角設(shè)計較小.同時設(shè)計時希望主銷內(nèi)傾在車輪上跳時增大，從而當賽車受到的載荷越大時，轉(zhuǎn)向的回正能力相應增大，從而避免了在加速過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向不穩(wěn)情況.但是如果在車輪跳動過程中的主銷內(nèi)傾角變化幅度過大，將會造成轉(zhuǎn)向回正力矩變化幅度太大，從而使得轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定.所以設(shè)計中希望主銷內(nèi)傾角隨車輪上跳的增加幅度盡可能減小，從圖6中可以看到優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角變化幅度變小.

圖6 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比

4.4 優(yōu)化前后車輪前束角對比

賽車的設(shè)計中，希望車輪前束角隨車輪跳動時的變化盡量減小，從而使賽車在直線行駛中，保持良好直線穩(wěn)定性能.在賽車直行時，如果由于路面激勵而造成的前束角變化過大，不但會影響直線行駛的穩(wěn)定性，同時也會加大輪胎磨損.由圖7中可以看到，優(yōu)化后的車輪前束角變化范圍減小為－0.96°到－1°，得到很大改善.

圖7 車輪前束角優(yōu)化前后對比

4.5 優(yōu)化前后側(cè)傾中心高度對比

在賽車的懸架設(shè)計中，要求側(cè)傾中心高度盡量貼近于地面.由圖8可以看到，優(yōu)化后的側(cè)傾中心高度較優(yōu)化前降低了20 mm左右，更加貼近于地面，所以，優(yōu)化后的側(cè)傾中心高度更佳.

圖8 優(yōu)化前后側(cè)傾中心高度對比

5 結(jié)論

1)基于ADAMS虛擬仿真技術(shù)，對某中國方程式賽車的雙橫臂獨立前懸架進行了模型建立;且通過懸架跳動仿真，得到了等運動學和動力學性能曲線，進行了分析和評價，指出了懸架設(shè)計中的不足.

2)通過ADAMS/INSIGHT模塊，建立了相關(guān)設(shè)計目標及變量，得到了各懸架連接點對懸架各項性能的影響程度;結(jié)合此懸架性能中存在的問題，進行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，懸架的性能得到明顯提高.

3)通過虛擬樣機技術(shù)進行試驗和優(yōu)化的方法，可以縮短開發(fā)周期，使設(shè)計人員在設(shè)計之初就能掌握賽車的性能，并進行優(yōu)化.文中的懸架優(yōu)化方法，以及各連接點位置對懸架性能的影響程度，將對中國方程式大賽的賽車懸架設(shè)計和優(yōu)化，提供借鑒.

[1] 李 軍，孟 紅，張洪康，等.汽車懸架參數(shù)對操縱穩(wěn)定影響的仿真分析探究[J].車輛與動力技術(shù)，2001(4):24-27.

[2] 劉進偉，吳志新，徐 達..基于ADAMS/CAR的麥弗遜懸架優(yōu)化設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2006(9):34-38.

[3] 任 凱，王軍杰，吳德宏..基于ADAMS/CAR的微型客車麥弗遜前懸架仿真和優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2010(3):36-38.

[4] 余志生.汽車理論[M].第5版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 劉美燕.FSAE賽車懸架仿真分析及操縱穩(wěn)定性虛擬試驗[D].湖南大學碩士學位論文，2008.

[6] 陳 軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社，2008.