基于ADAMS的FSAE賽車雙橫臂懸架的仿真優(yōu)化

柳 威，師忠秀，于 淵，王甜甜

（青島大學(xué)，山東 青島 266071）

0 引言

懸架是汽車的重要組成部分，決定著汽車的平順性與操縱穩(wěn)定性，其中前懸架至關(guān)重要［1］。前懸架應(yīng)具有良好的運動學(xué)特性，保證在輪跳中前輪定位參數(shù)在合理的范圍內(nèi)變化，從而確保汽車的轉(zhuǎn)向輕便性，減少輪胎的磨損［2］。雙橫臂獨立懸架具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性，輕便可靠，結(jié)構(gòu)簡單，在FSAE賽車上得到了廣泛的應(yīng)用。本文以賽車懸架為研究對象，利用ADAMS對其進行仿真，從而達(dá)到優(yōu)化的目的［3，4］。

1 雙橫臂獨立懸架仿真模型的建立

懸架的建模主要是在ADAMS／Car模塊中完成的，為了建模的方便，應(yīng)對前懸架系統(tǒng)進行適當(dāng)簡化和假設(shè)［5］：①懸架中除橡膠元件和彈性元件外，所有零部件都認(rèn)為是剛體，同時零部件之間的所有連接都簡化為鉸接，內(nèi)部間隙不計；②認(rèn)為左、右兩側(cè)非懸掛質(zhì)量系統(tǒng)相同，關(guān)于賽車縱向中分面對稱；③車輪上下跳動時，假設(shè)車身相對于地面是靜止的，即沒有上下位移。

從機械實物或者CAD軟件中獲取硬點的空間坐標(biāo)，給機械系統(tǒng)建立運動部件、施加相應(yīng)的約束，并定義模型中的相關(guān)部件、彈性元件、鉸鏈及相應(yīng)的外界條件，從而建立起機械系統(tǒng)的運動學(xué)模型，如圖1所示。

2 仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

在標(biāo)準(zhǔn)模式下建立前懸架子系統(tǒng)模型，裝載在懸架試驗臺上進行雙輪平行跳動仿真試驗，對左、右輪施加垂向運動，行程為±30mm，仿真結(jié)果如圖2所示。

（1）為了最大發(fā)揮輪胎性能，在轉(zhuǎn)彎中提供最大側(cè)向力，設(shè)計時常把外傾角設(shè)為負(fù)值，而且希望其隨車輪的跳動變化盡量小。從圖2（a）可看出，外傾角的變化范圍是－4．348 5°～－3．763 3°，外傾角變化幅度過大。

圖1 雙橫臂獨立前懸架模型

（2）后傾角的主要作用是保證汽車轉(zhuǎn)彎后自動回正以保持直線行駛的能力。后傾角越大，回正力矩越大，但轉(zhuǎn)向不靈敏，所以后傾角不宜過大，一般設(shè)計要求隨車輪上跳而增加［6］。從圖2（b）可以看出，主銷后傾角的變化范圍是－0．000 8°～0．013°。

（3）適當(dāng)?shù)膬?nèi)傾角使賽車在轉(zhuǎn)彎時自動回正，保持賽車直線行駛的穩(wěn)定性。但內(nèi)傾角過大，前輪自動回正能力就會過強，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤就會費勁，而且也會增加輪胎的磨損，因此希望內(nèi)傾角變化盡量小。由圖2（c）可以看出，主銷內(nèi)傾角的變化范圍是3．198 8°～3．783°。

（4）前束角要與外傾角匹配，外傾角為負(fù)值，前束角也設(shè)為負(fù)值。前束角變化過大影響賽車直線行駛的穩(wěn)定性，使輪胎磨損加劇，所以希望其變化量越小越好。由圖2（d）可以看出，車輪前束角的變化范圍是－1．666 3°～－0．578 6°。

通過上述分析，可看出賽車在跳動過程中，主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和前束角變化范圍過大，需要優(yōu)化。

3 設(shè)計變量對目標(biāo)的影響度

利用Insight進行優(yōu)化分析，考慮到整車的尺寸限制，選定懸架中的下橫臂前后點、上橫臂前后點、轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點5個硬點的YZ坐標(biāo)為設(shè)計變量。創(chuàng)建DOE工作矩陣，通過521次迭代運算，從而得到各變量對設(shè)計目標(biāo)的影響度，如表1所示［7］。

圖2 車輪定位參數(shù)的變化曲線

表1 設(shè)計變量對設(shè)計目標(biāo)的影響度 %

從表1中可以看出：對外傾角和內(nèi)傾角影響較大的是上下橫臂各硬點的Z坐標(biāo)，對前束角影響最大的是拉桿內(nèi)點的Z坐標(biāo)。硬點的Z坐標(biāo)相對Y坐標(biāo)更能影響前輪定位角的大小。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

利用平方和加權(quán)的方法來解決多目標(biāo)優(yōu)化的問題［8］。目標(biāo)函數(shù)為：

minF（X）＝ω1（αmax－αmax0）2＋ω2（βmax－βmax0）2＋ω3（γmax－γmax0）2＋ω4（δmax－δmax0）2。其中：ωi（i＝1，2，3，4）為加權(quán)系數(shù)；αmax、βmax、γmax、δmax分別表示外傾角、后傾角、內(nèi)傾角、前束角絕對值的最大值；αmax0、βmax0、γmax0、δmax0分別表示外傾角、后傾角、內(nèi)傾角、前束角絕對值的最大目標(biāo)值。

由于安裝尺寸的限制，將10個設(shè)計變量的變動范圍限制在（－5，5）mm內(nèi)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，修改硬點坐標(biāo)，保持其他參數(shù)不變，再次進行雙輪同向激振仿真，優(yōu)化前、后對比如圖3所示。

圖3 懸架定位參數(shù)優(yōu)化前、后對比圖

（1）前輪外傾角：從圖3（a）可以看出，優(yōu)化后外傾角的變化范圍是－4．131 2°～ －3．763 3°，變化量是0．363 3°，比優(yōu)化前0．585 2°減少了0．221 9°，優(yōu)化后外傾角變化量明顯減少。

（2）主銷后傾角：從圖3（b）可以看出，優(yōu)化后后傾角的變化范圍是－0．094 2°～ 0．108 8°，變化量為0．203°，比優(yōu)化前0．013 8°增加了0．189 2°，雖然后傾角的變化量增加，但增加幅度不大，而且這種變化有利于整車的操縱穩(wěn)定性，符合車輪上跳增加、下調(diào)減少的設(shè)計原則，補償了賽車急剎車或急加速引起的后傾角的變化。

（3）主銷內(nèi)傾角：從圖3（c）可以看出，優(yōu)化后內(nèi)傾角的變 化范圍是 3．411 1°～3．564 3°，變化 量 為0．153 2°，比優(yōu)化前0．584 2°減少0．431°，優(yōu)化比較理想，滿足了內(nèi)傾角隨車輪上跳而增大的要求，避免了賽車在大載荷轉(zhuǎn)向時，由于回正能力的增強出現(xiàn)的轉(zhuǎn)向不穩(wěn)的情況。

（4）車輪前束角：從圖3（d）可以看出，優(yōu)化后前束角的變化范圍為－1．441 2°～ －0．849 5°，變化量為0．591 7°，比優(yōu)化前1．087 7°減少了0．496°，變化量明顯降低，提高了賽車直線行駛的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

利用ADAMS／Car進行懸架建模和仿真分析，并指出其缺陷，利用Insight模塊，建立設(shè)計變量和目標(biāo)對懸架進行優(yōu)化分析。優(yōu)化結(jié)果表明，懸架的性能得到明顯的改善?；贏DAMS虛擬樣機技術(shù)對懸架的仿真優(yōu)化設(shè)計方法，縮短了研發(fā)周期，對FSAE賽車懸架的設(shè)計、制造和調(diào)試提供了參考。

［1］ 余志生．汽車?yán)碚摚跰］．第5版．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

［2］ 李軍，孟紅，張洪康，等．汽車懸架參數(shù)對操縱穩(wěn)定性影響的仿真分析研究［J］．車輛與動力技術(shù)，2001（4）：24－27．

［3］ 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．

［4］ 劉虹，王其東．基于ADAMS雙橫臂獨立懸架的運動仿真分析［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，30（1）：57－59．

［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］．長沙：湖南大學(xué)，2008：39－47．

［6］ 馮晉祥．汽車構(gòu)造下冊［M］．北京：人民交通出版社，2007．

［7］ 范成建，熊光明，周明飛．虛擬樣機軟件 MSC．ADAMS應(yīng)用與提高［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2006．

［8］ 楊榮山．轎車底盤平臺開發(fā)中多目標(biāo)優(yōu)化理論的研究及應(yīng)用［D］．廣州：華南理工大學(xué)，2009：30－37．