基于ADAMS/CAR的賽車平衡懸架仿真分析

王振剛，楊世文

(中北大學機械與動力工程學院，山西太原 030051)

基于ADAMS/CAR的賽車平衡懸架仿真分析

王振剛，楊世文

(中北大學機械與動力工程學院，山西太原 030051)

提出將平衡懸架理論應用在賽車上，并在ADAMS/CAR軟件中建立了某賽車前平衡懸架的動力學仿真模型，在雙輪同向激振工況中進行仿真分析，得出車輪在跳動過程中主要定位參數(shù)變化曲線。通過分析得出各參數(shù)變化量均在實際設(shè)計要求值范圍內(nèi)，表明所建立的平衡懸架模型的正確性以及在賽車上應用的可行性。

賽車；平衡懸架；運動學仿真；ADAMS

Abstract:The application of balanced suspension theory on racing car was proposed.The dynamics simulation model of the balanced suspension of a racing car was established in ADAMS/CAR software，the kinematics simulation was made in parallel wheel travel condition．In the post processor，the change curves of balanced suspension parameters were obtained while wheel traveled．It is found that the obtained parameters are within actual required range．The results show that the built dynamic simulation model of the balanced suspension is accurate，and the application on the racing car is feasible.

Keywords:Racing car；Balanced suspension；Kinematics simulation；ADAMS

0 引言

在現(xiàn)代賽車競賽中，賽車具有良好的橫向加速度是取勝的關(guān)鍵。如果一輛賽車的車輪離開路面，失去與路面的良好接觸，就不能產(chǎn)生使汽車加速所需的水平方向的加速力。此外，車輪的跳動也會擾亂汽車的操縱平衡，使車手很難獲得汽車的最佳性能。平衡懸架可以實現(xiàn)很好的平順性和良好的抓地力，使賽車有良好的操縱性和最小的行駛離地高度[1]。平衡懸架已經(jīng)在四輪或多車輪的車輛中使用，包括卡車、公共汽車以及越野車。但目前，該懸架系統(tǒng)尚未在競速類賽車中得到實際應用。

1 懸架多體系統(tǒng)運動學模型

1.1 理論依據(jù)

應用ADAMS/CAR模塊對平衡懸架進行動力學仿真。ADAMS/CAR模塊采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程，這可減少未知變量的數(shù)目。所建立的動力學方程的一般形式：

(1)

(2)

經(jīng)過第j次的迭代，得到系統(tǒng)的雅可比矩陣，即系統(tǒng)的雅可比矩陣為：

1.2 平衡懸架模型簡介

前車輪對應兩種運動模式：一種模式是一對車輪運動的方式相同(即兩者都向上動或兩者都向下移動)，稱之為“車軸彈跳模式”；第二模式，兩個車輪的運動方式對立(即一個向上移動，而另一個向下移動)，稱之為“車軸扭轉(zhuǎn)模式”。第一彈簧阻尼器(車軸反跳彈簧)安裝在車軸上控制著兩個車輪的回彈運動，第二彈簧阻尼器(扭桿彈簧)控制著車輪的扭轉(zhuǎn)運動，兩個彈簧阻尼器相互獨立，如圖1所示。

1.3 建立前平衡懸架仿真模型

在ADAMS/CAR模塊中，建立前平衡懸架模型過程中，除了輪胎、阻尼元件、彈性元件外，其余零件認為是剛體，在仿真分析過程中不考慮它們的變形。用襯套模擬彈性運動過程中各剛體之間的柔性連接，各運動副內(nèi)的摩擦力忽略不計。

由于ADAMS/CAR模塊中所建立模型左右對稱，故只需建立左半邊懸架模型即可。前平衡懸架左半邊硬點如表1所示。

在ADAMS動力學仿真分析軟件中，建立了包括車軸、懸架前支桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、扭桿彈簧、減震器的動力學仿真模型，如圖2所示。

由于ADAMS軟件中沒有扭桿彈簧，故建模中做以下處理：扭桿一端與懸架前支桿用固定副連接， 另一端與車軸固結(jié)在一起，扭桿中間斷開并加扭簧，采用旋轉(zhuǎn)副來約束斷開的前、后扭桿，仿真過程中輸入扭簧剛度并對扭簧加載[2]。

對前懸架系統(tǒng)模型進行雙輪同向激振試驗仿真，設(shè)定車輪輪心跳動位移為-50～50 mm。仿真計算結(jié)束后，分析車輪上下跳動過程中懸架主要參數(shù)的變化。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 車輪外傾角

對車輪外傾角仿真結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合處理，所得曲線如圖3所示。

通過分析，賽車前輪上跳50 mm，外傾角為-1.46°。而賽車前輪外傾角初始設(shè)定值為-1°，車輪跳動50 mm時，外傾角變化量為-0.46°。一般車輪上跳時，車輪外傾角變化為：-2°/50 mm～0.5°/50 mm[3]。由此可見，安裝平衡懸架的前車輪在跳動過程中，外傾角的變化量在合理的取值范圍內(nèi)。

2.2 主銷后傾角

對主銷后傾角仿真數(shù)據(jù)進行擬合處理，所得曲線如圖4所示。

由圖4可以看出:車輪上下跳動50 mm，主銷后傾角的變化范圍在0.005°～0.0255°之間.而現(xiàn)代車輛其主銷后傾角的范圍大致在-1°～+3°之間[3]。由此可見，跳動過程中前輪主銷后傾角變化量在合理范圍內(nèi)。

2.3 主銷內(nèi)傾角

對主銷內(nèi)傾角仿真數(shù)據(jù)進行擬合處理，所得曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：車輪在上下跳動50 mm時，主銷內(nèi)傾角的變化范圍為：5.95°～6.725°。而在現(xiàn)代汽車中，主銷內(nèi)傾角的范圍在5°～14°之間[3]。由此可見，平衡懸架主銷內(nèi)傾角變化在合理的范圍內(nèi)。

2.4 前束角

對車輪前束角仿真數(shù)據(jù)進行擬合處理，所得曲線如圖6所示。

前輪前束角初始設(shè)定值為-1°。由圖6可看出：車輪上跳50 mm時，前束角的變化量為-0.15°；車輪下跳50 mm時，前束角變化量為-1.2°。車輪下跳過程中，前束角變化量過大，超出理想的前束變化設(shè)計值0°/50 mm～-0.5°/50 mm[3]，需要進行優(yōu)化改進。

2.5 車輪轉(zhuǎn)角

對車輪轉(zhuǎn)角仿真數(shù)據(jù)結(jié)果通過擬合處理，所得曲線如圖7所示。

由圖7可以看出：車輪上跳50 mm時，車輪轉(zhuǎn)角最大值為0.3°，變化量為0.3°，在可接受的范圍內(nèi)；而在車輪下跳50 mm的過程中，車輪轉(zhuǎn)角最大值為-1.25°，變化量過大，需要優(yōu)化懸架模型參數(shù)。

2.6 輪距變化

對輪距變化仿真數(shù)據(jù)進行擬合處理，所得曲線如圖8所示。

由圖8可以看出:車輪上跳50 mm，輪距變化為3.8 mm;車輪向下跳動50 mm時，輪距變化為1.3 mm。車輪上、下跳動過程中，輪距變化范圍為3.8 mm?，F(xiàn)代汽車設(shè)計中，車輪上跳時輪距變化量為：-5 mm/50 mm～+5 mm/50 mm[3]，由此可見，平衡懸架輪距變化量在合理的范圍內(nèi)。

3 總結(jié)

利用ADAMS/CAR軟件建立所提出的平衡懸架動力學模

型，并對其進行車輪同向跳動仿真分析。通過分析后處理得到懸架參數(shù)曲線，得出車輪在上、下跳動過程中的外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、輪距及車輪上跳過程中的前束角、轉(zhuǎn)角變化量均在汽車實際設(shè)計值范圍內(nèi)，而車輪下跳過程中的前束角、轉(zhuǎn)角變化量超出理想的范圍值。表明所提出的平衡懸架模型的正確性，以及在賽車上應用的可行性，并為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。

【1】 劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學出版社,2001.

【2】 《汽車工程手冊》編委會.汽車工程手冊[M].北京:人民交通出版社.2007.

【3】 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

【4】 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計[M].北京:清華大學出版社,2010.

【5】 寧國寶,張立國,余卓平,等.雙橫臂扭桿彈簧懸架系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)非線性特性的建模與分析[J].汽車工程,2010 (2):143-147.

【6】 李新耀,張印.雙橫臂扭桿懸架的特性分析及設(shè)計計算[J].汽車工程,2003,25(1):15-19.

【7】 時培成,韋山.雙橫臂扭桿彈簧懸架線剛度計算及動態(tài)仿真[J].機械工程師,2006 (8):43-45.

SimulationAnalysisoftheBalanceSuspensionSysteminRacingCarBasedonADAMS/CAR

WANG Zhengang, YANG Shiwen

(School of Mechanics and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

2014-10-09

王振剛(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為車輛結(jié)構(gòu)分析與動態(tài)仿真。E-mail：277292483@qq.com。