基于ADAMS方程式賽車懸架虛擬樣機設(shè)計

劉丹丹 郭超

（運城職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

方程式賽車懸架有其一定的標(biāo)準(zhǔn)及要求，普遍采用獨立懸架?；诜匠淌劫愜嚱Y(jié)構(gòu)特點，一般選用雙橫臂獨立懸架。因為其簧載質(zhì)量小，橫臂的長短可以按要求設(shè)計，給賽車的設(shè)計提供了更大的自由空間，賽車在直線行駛和轉(zhuǎn)彎行駛，都能保證良好可靠的性能。文章通過ADAMS軟件對方程式賽車懸架進行優(yōu)化。

1 賽車前懸架建模參數(shù)設(shè)置

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦，初步確定方程式賽車前懸架結(jié)構(gòu)尺寸，如圖1和圖2所示。

圖1 方程式賽車前懸架結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

圖2 方程式賽車前懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)圖

根據(jù)圖1計算并確定前懸架下橫臂長（L1/mm），如式（1）所示。

式中：V——4個鉸鏈位置尺寸之和，取120 mm。

在設(shè)計汽車懸架時，希望輪距變化小，以減少輪胎磨損，提高使用壽命，因此應(yīng)選擇L2/L1在0.6附近；同時為保證汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，也希望前輪定位角的變化小，這時應(yīng)選擇L2/L1在1.0附近[1]，因此，綜合考慮取L2/L1=0.7。初定上橫臂長（L2/mm），如式（2）所示。

上橫臂的角度可由上下擺臂外端之間的距離來確定，上下擺臂的內(nèi)端分別通過擺臂軸與車架作鉸鏈連接，二者的外端則分別通過球頭銷與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。

根據(jù)初始計算及預(yù)設(shè)的懸架參數(shù)，輸入相應(yīng)設(shè)計點的坐標(biāo)，并且將懸架的主銷長度、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、上橫臂長度、上橫臂在汽車橫向平面內(nèi)的傾角、上橫臂軸水平斜置角、下橫臂長度、下橫臂在汽車橫向平面內(nèi)的傾角及下橫臂軸水平斜置角等參數(shù)設(shè)計為變量，建立前懸架模型圖，如圖3所示，通過優(yōu)化這些設(shè)計變量以達(dá)到優(yōu)化前懸架的目的[2]。

圖3 方程式賽車前懸架仿真模型截圖

2 方程式賽車懸架的優(yōu)化與仿真設(shè)計

2.1 創(chuàng)建設(shè)計變量

在菜單欄中，選擇 Build＞Deign Variable＞New，創(chuàng)建設(shè)計變量，依次創(chuàng)建部分變量，如表1所示。

表1 前懸架各個參數(shù)及變量

2.1.1 前懸架主要參數(shù)的測量

設(shè)置中止時間為1 s，工作步數(shù)為100進行仿真，得到部分參數(shù)的變化曲線截圖，如圖4所示。

圖4 方程式賽車前懸架部分參數(shù)變化曲線仿真截圖（中止時間為1 s，工作步數(shù)為100）

2.1.2 將懸架部分零件參數(shù)化

通過下面步驟，將主銷、上橫臂、下橫臂及拉臂的長度這些設(shè)計點進行參數(shù)化。

1）在工作窗口中，右擊主銷（Kingpin），修改主銷的圓柱體，將圓柱體的長度（Length）設(shè)置為變量“DV_1”，按“OK”，完成主銷的參數(shù)化；

2）將上橫臂（UCA）圓柱體的長度（Length）設(shè)置為變量“DV_4”，按“OK”，完成上橫臂的參數(shù)化；

3）將下橫臂（LCA）圓柱體的長度（Length）設(shè)置為變量“DV_7”，按“OK”，完成下橫臂的參數(shù)化；

4）將拉臂（Pull_arm）圓柱體的長度（Length）用下面函數(shù)式表達(dá)：（SQRT（（Knuckle_inner.loc_x-Tie_rod_outer.loc_x）**2+（Knuckle_inner.loc_y-Tie_rod_outer.loc_y）**2+（Knuckle_inner.loc_z-Tie_rod_outer.loc_z）**2）），保存并按“OK”，完成拉臂的參數(shù)化。

最后，選擇File＞Save Datebase命令，保存前懸架模型。

2.2 優(yōu)化前懸架模型

2.2.1 定義目標(biāo)函數(shù)為了減輕輪胎的磨損，選擇車輪接地點側(cè)向滑移量的絕對值作為目標(biāo)函數(shù)，通過對上下橫臂長度、上下橫臂在汽車橫向平面的傾角優(yōu)化分析，使車輪接地點側(cè)向滑移量的絕對值最小[3]。

選擇 Build＞Measure＞Function＞New，創(chuàng)建測量函數(shù)，輸入測量名稱“OBJECT_FUN”，單位選擇“l(fā)ength”，輸入函數(shù)表達(dá)式：ABS（.FRONT_SUSP.Sideways_Displacement），按“OK”，創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)“OBJECT_FUN”，點擊仿真按鈕，設(shè)置中止時間為1 s，工作步數(shù)為100，進行仿真，得到側(cè)向滑移量的絕對值優(yōu)化曲線，如圖5所示。

圖5 方程式賽車側(cè)向滑移量絕對值優(yōu)化曲線仿真截圖

2.2.2 優(yōu)化模型

優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、輪胎外傾角及輪距變化等都比優(yōu)化前的樣車方案的變化量小；同時，輪胎外傾角的變化趨勢也沒有發(fā)生變化，處在理想的狀況（彎中的內(nèi)側(cè)輪有負(fù)的外傾角趨勢，并且這個角度的絕對值在控制范圍之內(nèi)）；這樣更有利于輪胎與地面接觸，獲得更大的抓地力[4]。

優(yōu)化完成后保存模型，完成操作。

3 結(jié)論

圍繞方程式賽車的設(shè)計和研發(fā)，在ADAMS/View環(huán)境下，建立了賽車虛擬仿真模型，詳細(xì)分析了懸架定位參數(shù)對汽車操縱穩(wěn)定性的影響。車輪外傾角減小為負(fù)值更符合設(shè)計要求，主銷內(nèi)傾角應(yīng)減小，主銷后傾角應(yīng)增大便于車輪自動回正，車輪前束為負(fù)值符合優(yōu)化結(jié)果。在ADAMS/View環(huán)境下對前輪定位參數(shù)的變化進行了優(yōu)化，減小了其變化量，提高了懸架操縱穩(wěn)定性能，為制造該賽車做出了準(zhǔn)備。

在研究中，個別參數(shù)沒有具體的試驗數(shù)據(jù)，如整車的質(zhì)心高度、轉(zhuǎn)動慣量、輪胎的側(cè)偏剛度及減振器的特性參數(shù)等，在以后試驗條件允許的情況下，通過試驗獲取更加精確的特性參數(shù)，提高仿真精度[5]。