基于ADAMS的BSC賽車前懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

黃鎮(zhèn)財(cái)

柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西柳州 545006

懸架系統(tǒng)作為賽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要部分之一，在賽車設(shè)計(jì)與研發(fā)期間，該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對賽車操縱穩(wěn)定性、輪胎壽命具有直接影響。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)件加速或者在較大載荷作用下出現(xiàn)變形時，對懸架運(yùn)動產(chǎn)生較大負(fù)面影響。因此，在ADAMS模型基礎(chǔ)上對賽車的前懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使各項(xiàng)參數(shù)特性達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)，節(jié)約更多的車輛前部空間，且操縱更加穩(wěn)定可靠。

1 BSC賽車模型創(chuàng)建

雙橫臂懸架的上下橫臂分別通過襯套、車架進(jìn)行鉸鏈連接，二者外端利用球頭銷與轉(zhuǎn)向節(jié)連接起來。螺旋彈簧上下端分別利用橡膠墊圈支撐車架橫梁的支承座。當(dāng)前雙橫臂式懸架多為無主銷形式，即上下球頭銷連心線充當(dāng)主銷軸線。在轉(zhuǎn)向過程中，車輪圍繞該軸線進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。路面對車輪垂直力依次通過下球頭、轉(zhuǎn)向節(jié)與螺旋彈簧等傳遞到車架。

在設(shè)計(jì)過程中，先在CATIA內(nèi)創(chuàng)建前懸架多個零部件三維模型，將其裝配完畢。針對難度較大的模型需要導(dǎo)入ADAMS軟件中處理，在操作時為避免數(shù)據(jù)丟失，可利用CATIA內(nèi)測量懸架系統(tǒng)中各個部件硬件坐標(biāo)的方式，在ADAMS內(nèi)創(chuàng)建動力學(xué)模型，使不同硬點(diǎn)坐標(biāo)得以確定。

例如，下橫臂前點(diǎn)的X、Y與Z坐標(biāo)依次為（54.0，-254.0，-40.0）、上橫臂前點(diǎn)坐標(biāo)為（48.0，-286.0，133.0）、車輪中心點(diǎn)坐標(biāo)為（92.0，-593.0，40.0）等[1]。

2 BSC賽車懸架系統(tǒng)仿真分析

在模型創(chuàng)建完畢后，對雙輪進(jìn)行同向激勵，輪胎跳動范圍設(shè)定在-100～100 mm之間，仿真步數(shù)設(shè)定為40。在懸架特性優(yōu)化時，需要對車輪不同位置參數(shù)進(jìn)行分析。在試驗(yàn)完畢后，利用Postprocessor模塊將不同車輪定位角變化情況以曲線圖的形式展現(xiàn)出來。

2.1 前輪外傾角

在賽車行駛期間，該項(xiàng)指標(biāo)可使輪胎磨損更為均勻，并降低輪轂外軸承的負(fù)荷值，通常設(shè)計(jì)值約為1°。根據(jù)該角度變化趨勢可知，當(dāng)角度從2.55°變?yōu)?.32°時，變化量低于1°/50mm，且變化規(guī)律與設(shè)計(jì)規(guī)定基本相符。但當(dāng)車輪從平衡狀態(tài)朝著上方行駛時，角度降低到負(fù)值效果更佳，需要后期通過設(shè)計(jì)優(yōu)化來完成。

2.2 前輪前束角

該項(xiàng)指標(biāo)的作用在于消滅車輪外傾出現(xiàn)的異常情況，控制車輪避免出現(xiàn)邊滾邊滑的情況。最佳的前束角變化趨勢是在車輪上跳期間，為零到負(fù)前束。根據(jù)賽車雙橫臂前懸架中該角度變化趨勢可知，角度先從-4.82°提高到-0.04°，然后逐漸降低到-5.06°，角度值過小，需要后續(xù)加強(qiáng)優(yōu)化。

在對前束角與車輪跳動量關(guān)系研究時發(fā)現(xiàn)，車輪上下跳動期間，前束角發(fā)生明顯改變，曲線變化范圍為-0.797～2.393，這說明車輪跳動期間，左右擺動幅度加大，對賽車正常行駛產(chǎn)生較大阻礙，在必要的情況下應(yīng)對前束角開展優(yōu)化試驗(yàn)，使角度值降低。

2.3 主銷傾角

a.內(nèi)傾角。該指標(biāo)不但可使車輪自動回正，還可使轉(zhuǎn)向更加靈活便捷，通常數(shù)值不超過8°。根據(jù)賽車中該角度變化規(guī)律可知，角度從0.07°提高到2.31°，盡管變化幅度不明顯，且與設(shè)計(jì)規(guī)定相符合，但總體角度值過小，影響自身作用發(fā)揮，需要后續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。

b.后傾角。該指標(biāo)的作用在于使車輪形成回正的穩(wěn)定力矩，確保其直線行駛，通常數(shù)值在2°～3°之間。根據(jù)該角度變化規(guī)律可知，當(dāng)車輪朝著上方運(yùn)動時，該角度先從2.85°降低到1.52°，然后又遞增到2.60°，總體變化量較低，不到1°/50mm，同樣具有一定的優(yōu)化空間[2]。

3 BSC賽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

3.1 明確優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，前輪外傾角、前束角以及主銷傾角的變化范圍均未能處于最佳狀態(tài)，采用ADAMS內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)大量實(shí)踐研究可知，內(nèi)外傾角取決于上下橫臂與車架鉸接處坐標(biāo)值，在設(shè)計(jì)優(yōu)化期間，可將內(nèi)外傾角看成是一組目標(biāo)，將計(jì)算量指標(biāo)考慮進(jìn)去。

以坐標(biāo)值為設(shè)計(jì)標(biāo)量，磨胎半徑與轉(zhuǎn)向盤力矩主要受鉸接點(diǎn)Y和Z兩個坐標(biāo)影響，在優(yōu)化過程中可將這兩項(xiàng)指標(biāo)為一組目標(biāo)，設(shè)計(jì)標(biāo)量同樣為坐標(biāo)值，上述兩組目標(biāo)的設(shè)計(jì)變量范圍均定在-6～6 mm之間。

3.2 參數(shù)特性優(yōu)化

在明確優(yōu)化目標(biāo)后，將各目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果通過網(wǎng)頁形式展現(xiàn)出來，各項(xiàng)參數(shù)特性的優(yōu)化方式如下。

a.主銷內(nèi)傾角優(yōu)化。在探究設(shè)計(jì)變量與主銷內(nèi)傾角間的關(guān)系時，可通過Effect值進(jìn)行體現(xiàn)。

該指標(biāo)代表的是坐標(biāo)值變化對目標(biāo)影響的比例，當(dāng)數(shù)值為正數(shù)時，意味著二者具有正比關(guān)系，當(dāng)設(shè)計(jì)變量增加時，優(yōu)化目標(biāo)也會隨之增大；當(dāng)數(shù)值為負(fù)數(shù)時，意味著二者具有反比關(guān)系，當(dāng)設(shè)計(jì)變量增加時，優(yōu)化目標(biāo)會隨之減小。

在對內(nèi)外傾角這組目標(biāo)進(jìn)行研究時，可利用平方與加權(quán)法達(dá)到優(yōu)化目的。以坐標(biāo)值和目標(biāo)間的關(guān)系為依據(jù)，將相關(guān)坐標(biāo)值作為設(shè)計(jì)變量，在加權(quán)系數(shù)確定后鼠標(biāo)單擊“運(yùn)動”按鍵，便可取得優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)這一結(jié)果對設(shè)計(jì)變量進(jìn)行調(diào)整，便可實(shí)現(xiàn)最終優(yōu)化目的。

b.前輪前束角優(yōu)化。

首先，創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量。對轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向設(shè)備鉸接位置“C”點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，將該點(diǎn)位的X、Y、Z坐標(biāo)設(shè)定為（DV_1，DV_2，DV_3）。

然后，調(diào)整設(shè)計(jì)變量。對“DV_1”變量進(jìn)行調(diào)整，以339.6為標(biāo)準(zhǔn)，將最小值調(diào)整為334.52，最大值調(diào)整為344.59。同樣的道理，對“DV_2”進(jìn)行調(diào)整，標(biāo)準(zhǔn)值為71.25，最小值調(diào)整為66.34，最大值調(diào)整為76.54；再對“DV_3”進(jìn)行調(diào)整，以175.68為標(biāo)準(zhǔn)，最小與最大值分別調(diào)整為176.25和186.24。

最后，對“DV_1”變量與前束角間的關(guān)系進(jìn)行分析，得出“FUNCTION”的最大值。共計(jì)試驗(yàn)5次，鼠標(biāo)單擊“開始”，軟件便可自動對變量“DV_1”進(jìn)行仿真，并將最終結(jié)果通過曲線形式展示出來，X軸代表的是時間，Y軸代表的是前束角大小。對“DV_2”和“DV_3”的范圍繼續(xù)改變，使其都找到最優(yōu)值[3]。

c.前輪外傾角優(yōu)化。外傾角取決于上下橫臂與車架鉸接處坐標(biāo)值，在設(shè)計(jì)優(yōu)化期間，以上橫臂外點(diǎn)的硬點(diǎn)位置為例，將變化范圍設(shè)定為-10～10 mm，迭代次數(shù)設(shè)定為64次，減少非必要的運(yùn)算，對該點(diǎn)的優(yōu)化目標(biāo)靈敏度進(jìn)行分析。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可知，該硬點(diǎn)坐標(biāo)為（-3 8.2 6，6 6.6 3，-50.06），達(dá)到最佳優(yōu)化效果。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

將待優(yōu)化的硬點(diǎn)坐標(biāo)值調(diào)整后再次仿真，便可獲得優(yōu)化前后的參數(shù)變化曲線圖。由圖1可知，在優(yōu)化調(diào)整之前，主銷內(nèi)傾角的范圍為6.192°～9.709°之間，優(yōu)化后變?yōu)?.258°～8.624°，處于最佳范圍內(nèi)；由圖2可知，前輪外傾角優(yōu)化前為-2.788°～0.645°，優(yōu)化完畢后變成-0.352°～1.698°，與設(shè)計(jì)規(guī)定相符；優(yōu)化前的轉(zhuǎn)向盤力矩區(qū)間為-9.6～9.3 N·m，在優(yōu)化后位于-3.5～3.3 N·m區(qū)間內(nèi)，力矩明顯下降，轉(zhuǎn)向更加輕松便捷；優(yōu)化前的磨胎半徑區(qū)間為14.76～14.65 mm，在優(yōu)化后變成4.82～4.96 mm，同樣滿足設(shè)計(jì)規(guī)定。從整體來看，各項(xiàng)參數(shù)特性均得到良好改善，與設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)相符合，同時也說明本次優(yōu)化試驗(yàn)正確可行，能夠使賽車的內(nèi)部性能得到進(jìn)一步提升。

圖1 優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角對比曲線

圖2 優(yōu)化前后前輪外傾角對比曲線

4 結(jié)語

在ADAMS模型基礎(chǔ)上對賽車前懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過雙輪同向激勵仿真的方式，利用分析模塊展現(xiàn)各車輪定位參數(shù)的變化情況。根據(jù)研究結(jié)果可知，通過懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使主銷內(nèi)傾角、前輪前束角、前輪外傾角的角度得以優(yōu)化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期更短，賽車操縱穩(wěn)定性更強(qiáng)。