FSAE賽車前懸定位參數(shù)優(yōu)化分析

趙效虎，高培，歐鵬飛

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

FSAE賽車前懸定位參數(shù)優(yōu)化分析

趙效虎，高培，歐鵬飛

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

根據(jù)總布置參數(shù)初步確定懸架硬點(diǎn)，隨后在Adams/Car中建模，并進(jìn)行K&C特性分析。利用Insight模塊對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，得到合理的定位硬點(diǎn)。

FSAE賽車；雙叉臂懸架；Adams；設(shè)計(jì)優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.033

CLC NO.:U467.4Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-97-02

前言

方程式賽車一般采用雙叉臂懸掛結(jié)構(gòu)，這種懸架結(jié)構(gòu)橫向剛度大，側(cè)傾中心低，確保賽車在高速過彎時(shí)具有較好的抓地力和操穩(wěn)性。當(dāng)然這就要求懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在上下運(yùn)動(dòng)過程中參數(shù)值始終在設(shè)計(jì)值附近變動(dòng)。

1、前懸模型的建立

1.1 參數(shù)的確定

大賽要求軸距至少為 1525mm，較大軸距會(huì)造成轉(zhuǎn)向不靈敏。對(duì)賽車而言，輪距與軸距比約為0.5，前輪距比后輪輪距稍大有利于高速避障[1]，側(cè)傾中心一般前低后高[2]。因此，總布置給出的參數(shù)如下：①軸距1550mm②前輪距1180mm，③后輪距1150mm④主銷后傾角6°⑤主銷內(nèi)傾角8°⑥外傾角-1.5°⑦束角-0.4°⑧側(cè)傾中心（前/后）40mm/60mm⑨質(zhì)心高度300mm。

1.2 建立前懸仿真模型

在Adams建模步驟如下：①確定硬點(diǎn)。②確動(dòng)力學(xué)參數(shù)。③創(chuàng)建部件④定義約束。⑥定義作動(dòng)器。⑦創(chuàng)建通訊器。⑧添加試驗(yàn)臺(tái)并調(diào)試[3]。根據(jù)2.1中的參數(shù)可得到懸架硬點(diǎn)見表1。

根據(jù)表2的硬點(diǎn)坐標(biāo)在Adams/Car中建立前懸模型并加載K&C特性試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

2、懸架運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)懸架進(jìn)行雙輪跳動(dòng)試驗(yàn)可以作為分析懸架性能的重要方法[4]。設(shè)置上下跳動(dòng)各 30mm，調(diào)取定位參數(shù)曲線見圖 2的初始曲線。

圖1 前懸架機(jī)構(gòu)模型

主銷內(nèi)傾角可以使輪胎有自動(dòng)回正的功能，但如果變化較大會(huì)使駕駛員感到轉(zhuǎn)向沉重。由圖 2(a)看出內(nèi)傾角隨輪跳增加而上升，這種趨勢(shì)符合載荷越大希望回正力矩越大的觀點(diǎn)，但是內(nèi)傾角變動(dòng)范圍為 3°，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求不超過為 2 °，故需要進(jìn)行優(yōu)化。

同內(nèi)傾角相似，主銷的后傾角可使汽車在高速行駛時(shí)輪胎有自動(dòng)回正的功能，且能減少?gòu)妮喬サ椒较虮P的沖擊。由圖2(b)看出主銷后傾角變化范圍較小，較為理想。

過彎時(shí)車輪外傾角的影響車輪與地的接觸面積從而影響抓地力，這對(duì)賽車過彎時(shí)影響極大。對(duì)賽車而言高速轉(zhuǎn)彎時(shí)載荷轉(zhuǎn)移較大，故在車輪上下跳動(dòng)過程中需始終保持負(fù)的傾角，且隨著輪跳增加負(fù)外傾的趨勢(shì)逐漸增大，以便提高輪胎抓地力。由圖2(c)看出在車輪跳動(dòng)過程中趨勢(shì)符合上述要求，但傾角變化3°，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值要求在2°以內(nèi)，故需要優(yōu)化。

賽車一般選用負(fù)的前束角以便和負(fù)外傾匹配，此外如果前束變化較大將會(huì)加劇車輪的磨損。由圖2(d)看出在車輪跳動(dòng)過程中，束角變動(dòng)約0.9°，但經(jīng)驗(yàn)要求在0.5°以內(nèi)。由圖看出隨著輪跳上升，束角負(fù)向增大，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)由于載荷轉(zhuǎn)移使外側(cè)懸架壓縮較大，此時(shí)加劇不足轉(zhuǎn)向，若不足轉(zhuǎn)向過大將會(huì)造成嚴(yán)重的“推頭”現(xiàn)象，因此一般的賽車要求略微的過度轉(zhuǎn)向，有利于賽車快速入彎。

3、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)模型優(yōu)化

3.1 優(yōu)化步驟

在優(yōu)化過程中以前輪定位參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)，因懸架左右對(duì)稱，故在優(yōu)化只需考慮單邊硬點(diǎn)。優(yōu)化范圍先設(shè)置為-5mm至5mm，若不滿足定位要求可再擴(kuò)大范圍。以上、下A臂前后球頭，拉桿內(nèi)外球頭坐標(biāo)為變量，共計(jì)18個(gè)變量，進(jìn)行一次優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果見圖 2。相對(duì)初始值有了較大改善，但束角的在上跳過程中呈現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，不能滿足賽車要求，故進(jìn)行第二次優(yōu)化，范圍為-10～10mm。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

由圖2可以看出，兩次優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角變化范圍為1.5 °，較優(yōu)化前有了較大改善；主銷內(nèi)傾角變化范圍也有了改善；車輪外傾角變化為1.7°，滿足了經(jīng)驗(yàn)要求，減小了輪胎的磨損，獲取了更大的側(cè)向力；前輪束角變動(dòng)范圍為0.1°且隨著輪跳的上升出現(xiàn)略微的轉(zhuǎn)向過度的趨勢(shì)，這有利于賽車快速入彎。

4、結(jié)論

本文在Adams/Car中建立某FSAE前懸模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，利用Insight模塊對(duì)車輪定位的硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，較好的解決了在車輪上下跳動(dòng)過程中定位參數(shù)變化較大的問題。

圖2(a) 優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角對(duì)比

圖2(b) 優(yōu)化前后主銷后 傾角對(duì)比

圖2(c) 優(yōu)化前后車輪外傾角對(duì)比

圖2(d) 優(yōu)化前后前 輪束角對(duì)比

[1] Will F. Milliken, Douglas L .Milliken. Race Car Vehicle Dynamics [M] Warrendale, PA : Society of Automotive Engineers, c1995.

[2] 黃杰文，黃菊花.利用ADAMS/car對(duì)雙橫臂懸架的動(dòng)態(tài)仿真與分析[J]. 現(xiàn)代制造工程2010.3:127-131.

[3] 陳軍. MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例[M]北京：中國(guó)水利水電出版社,2008：55-56.

Optimization of Alignment Parameters of the FSAE front suspension

Zhao Xiaohu, Gao Pei, Ou Pengfei

( University of changan automobile institute, Shaanxi Xi'an 710064 )

The suspension can be determined according to the total arrangement parameters and adopt Adams / Car for modeling、K & C analysis .Then use the Adams / Insight to optimize the hard points to get the right hardpoints.

FSAE racing car; double wishbone suspension; Adams; optimization

U467.4

A

1671-7988 (2017)06-97-02

趙效虎（1993—），男，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，車輛工程專業(yè)。