巴哈賽車道路通過性分析及優(yōu)化

摘 要：項(xiàng)目組主要研究巴哈賽車在橫溝賽道上通過在不同速度情況下的通過性好與壞，通過在ADAMS中建立其整車模型，利用 ADAMS 整車仿真模塊完成賽車在波浪路面的駕駛仿真。隨后在ADAMS后處理模塊得到巴哈賽車底盤上5個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在波浪路面上的位移圖。通過分析標(biāo)記點(diǎn)位移曲線與波浪路面中心線的間距，以此分析巴哈賽車是否會(huì)與波浪路面產(chǎn)生干涉，最終完成巴哈賽車在波浪路面上的通過性仿真分析，為實(shí)際制作賽車以及比賽提供理論支持。

關(guān)鍵詞：巴哈賽車 道路通過性 分析與優(yōu)化

中國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)巴哈大賽是一項(xiàng)由在校大學(xué)生組隊(duì)參加的越野汽車設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)的比賽。比賽有耐力賽比賽，在耐力賽中，賽車將會(huì)駛過急上坡、急下坡、小溝、小土坡等各種障礙，非?？简?yàn)巴哈賽車通過性。

通過性指的是汽車能夠以一定的平均速度在各種崎嶇路面、無(wú)路地帶、障礙中穿行，不與地面產(chǎn)生摩擦或干涉的能力。支承通過性是汽車在惡劣路面上行駛的性能，幾何通過性是汽車在各類障礙物中行駛的性能。惡劣路面通常是松軟或坑洼不平的道路，障礙指的是陡坡、側(cè)坡、溝渠、臺(tái)階等。汽車的通過性主要取決于三個(gè)方面，分別是地面的物理性質(zhì)、汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)、幾何參數(shù)[1]。目前主流的汽車通過性的研究方法可分為理論計(jì)算分析法、實(shí)驗(yàn)法與仿真分析法三項(xiàng)。

研究將利用ADAMS搭建整車模型，模擬巴哈賽車以勻速直線運(yùn)動(dòng)行駛在波浪路面的過程。在ADAMS/Car后處理分析模塊中，通過對(duì)比巴哈賽車底盤五個(gè)標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)的縱 向位移與路面模型中心曲線是否重合，完成巴哈賽車的道路通過性分析。為了提高通過性結(jié)果的可信度，保持其他設(shè)定參數(shù)不變的情況下，對(duì)巴哈賽車在不同速度下的標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。

1 巴哈賽車各系統(tǒng)概述

文章將利用ADAMS對(duì)巴哈賽車進(jìn)行道路通行性分析，在仿真分析前需要深入了解該賽車的相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)的建模仿真打下基礎(chǔ)。研究對(duì)象為2022年設(shè)計(jì)的賽車，總長(zhǎng)2065mm，總高1330mm，軸距1540mm，整車整備質(zhì)量約為272kg?，F(xiàn)就發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向與制動(dòng)系統(tǒng)這三大方面對(duì)賽車進(jìn)行概述。

四沖程、風(fēng)冷的百力通M19型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)是官方指定的所有參賽車輛汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2400rpm～3500rpm 之間。在此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)最高扭矩應(yīng)為18.75Nm，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2600rpm。

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)是位于發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)車輪之間的動(dòng)力傳動(dòng)裝置[2]。賽車采取的傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案為適時(shí)四驅(qū)，并且以后輪為主要驅(qū)動(dòng)輪，通過分動(dòng)器傳動(dòng)比大于主減速器傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)后驅(qū)與四驅(qū)的轉(zhuǎn)換。即在一般路面上賽車是輛后輪驅(qū)動(dòng)的賽車，但遇到急加速或轉(zhuǎn)彎情況下出現(xiàn)車輪打滑與轉(zhuǎn)向過度等形成車輪轉(zhuǎn)速差時(shí)，將采用四輪驅(qū)動(dòng)方式擺脫困境，以此提高賽車的通過性。文章分析的是波浪路面上巴哈賽車通過性，故此時(shí)賽車應(yīng)以后輪驅(qū)動(dòng)為主。

賽車行駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含懸架、車架、車輪，這屬于輪式汽車。綜合考慮不同懸架對(duì)平順性、操控穩(wěn)定性的影響，賽車前懸采用等長(zhǎng)雙橫臂式懸架，后懸采用拖曳臂式懸架。

賽車防滾架即為車架。防滾架后支撐框架模式，如圖1所示。

賽車安裝豪潤(rùn)AT23*7-10輪胎，通過齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改變汽車行駛方向，前后輪均利用浮鉗盤式制動(dòng)器進(jìn)行人力制動(dòng)。

2 確定各系統(tǒng)參數(shù)以及幾何模型

在ADAMS中起到確定空間位置作用的點(diǎn)是硬點(diǎn)、結(jié)構(gòu)框與標(biāo)記點(diǎn)。硬點(diǎn)是各零件連接處，沒有方向的點(diǎn)。結(jié)構(gòu)框則包含位置與方向。標(biāo)記點(diǎn)是部件的點(diǎn)元素，具有位置與方向?qū)傩?。因此在建模前需要?duì)汽車各部件硬點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。標(biāo)記、測(cè)量硬點(diǎn)前需要建立整車坐標(biāo)軸，ADAMS中設(shè)定汽車后退方向?yàn)閄軸正方向并遵循右手坐標(biāo)系。

2.1 懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)測(cè)量

懸架系統(tǒng)所需測(cè)量的硬點(diǎn)包括上下懸臂的前、后、外點(diǎn)，減震器內(nèi)外點(diǎn)等，由于車輛懸架結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，故僅在巴哈賽車右側(cè)構(gòu)建硬點(diǎn)并測(cè)量，前后懸的硬點(diǎn)如圖2、圖3所示。利用 CATIA 中的測(cè)量工具對(duì)各連接點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量，獲得前后懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)。

等長(zhǎng)雙橫臂式前懸的建?？赏ㄟ^更改ADAMS軟件中自帶的雙橫臂懸架模型完成。進(jìn)入ADAMS專家模式，打開樣板（Open Template）搜索選擇樣板庫(kù)，并選擇其中的._double_wishbone.tpl 文件。

系統(tǒng)自帶的雙橫臂懸架模型，由于在波浪路面上后驅(qū)為主要驅(qū)動(dòng)方式，因此需要?jiǎng)h除驅(qū)動(dòng)軸部件。通過輸入硬點(diǎn)坐標(biāo)，獲得與目標(biāo)懸架大致相似的模型。最后通過刪除下懸臂橫桿的結(jié)構(gòu)框，將減震器下點(diǎn)襯套連接對(duì)象更改為上懸臂，更改對(duì)應(yīng)參數(shù)等步驟，完成前懸架的建模。巴哈賽車前懸架建模如圖4所示。

拖曳臂式后懸的建模同樣可通過更改ADAMS軟件中自帶的雙橫臂懸架模型完成。但后懸系統(tǒng)需要對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行建模，故無(wú)需刪除驅(qū)動(dòng)軸硬點(diǎn)。同時(shí)后懸系統(tǒng)無(wú)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，需要?jiǎng)h除轉(zhuǎn)向拉桿相關(guān)硬點(diǎn)。具體建模步驟與前懸建模類似，故不在此贅述。后懸模型如圖5所示。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模

在賽車的CATIA模型中，分別選取轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需要測(cè)量的硬點(diǎn)，測(cè)量其坐標(biāo)值。賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可通過修改樣板庫(kù)中的_rack_pinion_steering.tpl文件完成建模，該文件是ADAMS的齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的模板。通過修改硬點(diǎn)坐標(biāo)，完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型構(gòu)建。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模如圖6所示。

2.3 車身建模

在ADAMS/Car后處理分析模塊中，需要獲取賽車底盤標(biāo)記點(diǎn)的縱向位移用于分析賽車通過性。需要在賽車中建立多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)并且記錄其坐標(biāo)。車身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化建模工作，將車身簡(jiǎn)化成質(zhì)量塊的形式。車身系統(tǒng)通過修改樣板庫(kù)中的rigid_chassis.tpl文件中的硬點(diǎn)完成建模，在普通部件ges_chassis中將質(zhì)量塊修改為272kg，最終車身模型如圖7所示。

2.4 輪胎建模

在ADAMS/Car中提供了大量的輪胎模型，本文建模選擇是Pacejka’89輪胎模型，在專家模式打開樣板庫(kù)中的_handling_tire.tpl文件，修改輪胎屬性文件使其與賽車輪胎匹配，輪胎模型如圖8所示。

2.5 動(dòng)力系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)建模

動(dòng)力系統(tǒng)可簡(jiǎn)化成通過一個(gè)剛體旋轉(zhuǎn)以控制動(dòng)力輸出，因此只需要獲取發(fā)動(dòng)機(jī)硬點(diǎn)坐標(biāo)，修改屬性文件即可完成整車建模。同時(shí)樣板庫(kù)中的_powertrain.tpl文件為建模提供了模板。動(dòng)力系統(tǒng)模型如圖9所示。

模擬賽車以勻速直線運(yùn)動(dòng)行駛在波浪路面的過程，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)無(wú)過多要求，因此可直接調(diào)用樣板庫(kù)中的_brake_system_4Wdisk.tpl文件作為賽車的制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)模型如圖10所示。

2.6 整車建模

將上述各建模從模板轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)，并確保各子系統(tǒng)間的通信器能一一對(duì)應(yīng)。在標(biāo)準(zhǔn)模式界面點(diǎn)擊新建整車模型，選擇對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)模型。整車模型如圖11所示。

3 賽車整車道路仿真分析

3.1 大賽賽道布置說明

如圖12所示，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)大賽的耐力賽地圖中包含急坡、橫向溝、炮彈坑、斜坡、小土堆、連續(xù)五飛坡、連續(xù)急彎路等各種崎嶇路況。本文將針對(duì)橫向溝（波浪路面）的路況進(jìn)行賽車的通過性分析。對(duì)比系統(tǒng)自帶的各種路面模型，發(fā)現(xiàn)樣板庫(kù)中的 2d_sine.rdf 文件（波浪路面）與橫向溝道路結(jié)構(gòu)相似，故選取此道路模型文件進(jìn)行仿真分析。ADAMS/Car 標(biāo)準(zhǔn)模式完成賽車整車建模后，依次點(diǎn)擊simulate）——整車仿真（Full—Vehicle Analysis）——直線仿真事件（Straight—Line Events）——?jiǎng)蛩僦本€運(yùn)動(dòng)（maintenance）。打開設(shè)定表，完成設(shè)定過程。仿真過程設(shè)定以15km/h、30km/h、45km/h以及60km/h等速度勻速直線通過波浪路面。依次輸入文件名、步長(zhǎng)、步數(shù)、速度，選取道路模型為2d_sine.rdf等。系統(tǒng)開始模擬仿真，當(dāng)信息框提醒時(shí)仿真完成，自此仿真過程完成。

3.2 ADAMS/Car 仿真結(jié)果分析

同一車輛在相同路面下以不同車速行駛時(shí)，通過性表現(xiàn)不同[3]。需要保持其他設(shè)定參數(shù)不變的情況下，對(duì)賽車在15km/h、30km/h、45km/h與60km/h速度下的標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，以完善賽車橫向溝道路通過性的分析。

3.2.1 車速30km/h的賽車通過性

仿真結(jié)束后可在ADAMS/Car中自帶的后處理分析模塊進(jìn)行結(jié)果分析。點(diǎn)擊添加曲線，將五個(gè)標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線添加至圖表區(qū)。由于ADAMS整車路面仿真中存在路面坐標(biāo)系與整車坐標(biāo)系兩個(gè)不同的坐標(biāo)系，所以在導(dǎo)入各標(biāo)記點(diǎn)軌跡時(shí)，需要根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)離地間隙，將其在Z軸方向平移。s1、s2點(diǎn)離地間隙為260.2mm，s3、s4點(diǎn)離地間隙為 236.5mm，s5點(diǎn)的離地間隙為235.3mm。各標(biāo)記點(diǎn)軌跡如圖13所示。

觀察圖13所示曲線，發(fā)現(xiàn)s1點(diǎn)與s2點(diǎn)在X-Z平面上軌跡重合，同樣軌跡重合的還有s3與s4點(diǎn)。推測(cè)出現(xiàn)軌跡重合的原因?yàn)橘愜囎笥覍?duì)稱且行駛在波浪路面上。為簡(jiǎn)化分析過程，可通過對(duì)比分析s1、s3與s5點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與道路中心曲線是否重合，從而完成賽車在波浪路面的道路通過性分析。選取s1、s3與s5點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡并導(dǎo)入路面中心曲線，如圖14所示，s1點(diǎn)行駛過程中離地間隙最大約為 450mm，最小約為200mm，平均離地間隙325mm；s3點(diǎn)行駛過程中離地間隙最大約為350mm，最小約為100mm，平均離地間隙225mm；s5點(diǎn)行駛過程中離地間隙最大約為365mm，最小約為175mm，平均離地間隙270mm。對(duì)比可得，賽車以30km/h速度行駛過程時(shí)后端離地間隙最小，最小為100mm，仍在安全距離范圍內(nèi)。

由此可得，賽車以30km/h的速度行駛在波浪路面時(shí)，賽車最前端、最后端與底盤中心均與路面保持一定距離，不會(huì)與路面發(fā)生摩擦或干涉，即賽車在30km/h速度下，行駛在橫向溝路通過性表現(xiàn)良好。

3.2.2 不同速度下賽車通過性分析

將不同車速下的s1、s3點(diǎn)與s5點(diǎn)平均離地間隙整理成表進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。由表1得，賽車在不同車速下道路通過性不同。在波浪路面上，當(dāng)賽車以45km/h的速度行駛時(shí)賽車前、中、后端平均離地間隙均在安全范圍內(nèi)，且整車平均離地間隙最大，此時(shí)道路通過性最好。當(dāng)賽車以15km/h的速度行駛時(shí)賽車后端平均離地間隙較小，且整車平均離地間隙也最小，此時(shí)道路通過性一般。車手應(yīng)該避免以15km/h的速度行駛在該路況下。

4 結(jié)論

依照賽車各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過ADAMS/Car模擬仿真，仿真過程為賽車以30km/h的速度勻速直線通過波浪路面模型。后處理模塊中調(diào)取各標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線與道路中心曲線并進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)比各標(biāo)記點(diǎn)與路面中心曲線的距離，完成賽車的橫向溝通過性分析。

為了提高通過性結(jié)果可信度，保持其他設(shè)定參數(shù)不變的情況下，對(duì)賽車在15km/h、30km/h、45km/h與60km/h速度下的標(biāo)記點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析。賽車以30km/h以上的車速行駛在波浪路面時(shí)道路通過性良好；以15km/h的車速行駛在波浪路面時(shí)道路通過性一般，但依舊能通過波浪路面，不與地面發(fā)生摩擦或干涉。

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