基于ADAMS的巴哈賽車懸架運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

葉燕帥 施顯林 盤建波

摘要：巴哈賽車由于運(yùn)行路況復(fù)雜，懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，為提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，基于ADAMS軟件對(duì)巴哈賽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)整車基本參數(shù)，利用ADAMS/Car建立虛擬樣機(jī)，通過ADAMS/Insight分析硬點(diǎn)坐標(biāo)與懸架參數(shù)的影響關(guān)系，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使懸架技術(shù)參數(shù)接近設(shè)計(jì)目標(biāo)值，分析結(jié)果顯示：巴哈賽車的前懸架上擺臂前點(diǎn)z坐標(biāo)、前懸架上擺臂后點(diǎn)z坐標(biāo)、轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)z坐標(biāo)對(duì)巴哈賽車車輪定位參數(shù)的影響系數(shù)較大;后懸架上橫拉桿外點(diǎn)X、y、z坐標(biāo)對(duì)巴哈賽車后懸性能參數(shù)的影響系數(shù)較大，優(yōu)化相應(yīng)硬點(diǎn)坐標(biāo)并仿真，可使懸架技術(shù)參數(shù)接近設(shè)計(jì)目標(biāo)值，經(jīng)過實(shí)車跑動(dòng)驗(yàn)證，該優(yōu)化方法可以提高巴哈賽車懸架設(shè)計(jì)效率，提高整車性能。

關(guān)鍵詞：巴哈賽車懸架;運(yùn)動(dòng)仿真;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.6DOI：10.16375/j.cnkj.cn45-1395/t，2020.02.009

0引言

“中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽（Baja SAE China，簡(jiǎn)稱BSC）”是一項(xiàng)由高等院校、職業(yè)院校汽車及相關(guān)專業(yè)在校生組隊(duì)參加的越野汽車設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)的比賽，參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)定時(shí)間，使用同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)制造一輛單座、發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)的小型越野車，比賽設(shè)置有圓木、亂石堆、炮彈坑、避障、涉水通過等比賽項(xiàng)目，更是有4h的耐久競(jìng)速比賽，競(jìng)技比賽項(xiàng)目的設(shè)置對(duì)賽車的操縱性、坑沖擊性和可靠性提出了較高的性能要求，懸架系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，因此，高效、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)對(duì)巴哈賽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要，ADAMS是目前運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件之一，用戶可以利用ADAMS在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能，利用ADAMS軟件進(jìn)行汽車懸架的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，針對(duì)巴哈賽前懸、后懸受到的沖擊載荷都比較大的特點(diǎn)，車隊(duì)不僅分析前懸，也要對(duì)前懸、后懸均進(jìn)行仿真分析并優(yōu)化，利用ADAMS/Car建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行仿真分析;利用ADAMS/Insiglat模塊分析懸架各硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架參數(shù)的影響關(guān)系，根據(jù)分析結(jié)果和賽車的運(yùn)行及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合考慮，選取影響系數(shù)相對(duì)較大的硬點(diǎn)坐標(biāo)值作為優(yōu)化對(duì)象，有針對(duì)性地進(jìn)行懸架硬點(diǎn)優(yōu)化，使懸架系統(tǒng)滿足巴哈賽車的設(shè)計(jì)要求，提高懸架性能。

1建立ADAMS/Car模型

1.1整車參數(shù)與懸架硬點(diǎn)

導(dǎo)入整車模型，提取巴哈賽車懸架運(yùn)動(dòng)仿真的相關(guān)參數(shù)，考慮到巴哈賽車的賽道中彎道多且彎道半徑小、地形復(fù)雜，為提高賽車的過彎穩(wěn)定性，巴哈賽車的前輪外傾角采用負(fù)值，車輪外傾角取值偏大，主銷內(nèi)傾角主要根據(jù)主銷偏移距確定，整車參數(shù)如表1所示。

設(shè)計(jì)目標(biāo)巴哈賽車前懸采用雙橫臂式獨(dú)立懸架形式，后懸采用三連桿式獨(dú)立懸架形式，根據(jù)總布置參數(shù)在三維建模軟件上以巴哈賽車車架為裝配基體建立懸架模型，然后提取懸架硬點(diǎn)，后懸架采用三連桿式獨(dú)立懸架額的目的是在保證整車參數(shù)不變的前提下降低簧下質(zhì)量，提高賽車性能，同時(shí)簡(jiǎn)化懸架結(jié)構(gòu)，方便賽車維修，提取到的前懸架硬點(diǎn)如表2所示;提取到的后懸架硬點(diǎn)如表3所示。

1.2建立ADAMS模型

根據(jù)硬點(diǎn)與整車參數(shù)在ADAMs/Car中建立模型，前懸架模型如圖1所示，運(yùn)動(dòng)模型需要準(zhǔn)確定義運(yùn)動(dòng)部件的聯(lián)接方式，各相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接，其中擺臂與車架用旋轉(zhuǎn)副聯(lián)接;擺臂與立柱、轉(zhuǎn)向橫拉桿與立柱用球鉸副聯(lián)接;減震器內(nèi)部接點(diǎn)與車架、減震器外部接點(diǎn)與下擺臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿與齒條用等速副聯(lián)接;轉(zhuǎn)向橫拉桿分為內(nèi)外兩部分并用滑移副聯(lián)接，定義通信器得到多體動(dòng)力學(xué)模型。

后懸架模型如圖2所示，其中縱臂與立柱用固定副聯(lián)接;縱臂與車架、橫拉桿與立柱用球鉸副聯(lián)接;橫拉桿與車架、減震器內(nèi)部接點(diǎn)與車架、減震器外部接點(diǎn)與縱臂用等速副聯(lián)接，定義通信器得到多體動(dòng)力學(xué)模型。

2運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)與優(yōu)化

2.1設(shè)立目標(biāo)值

根據(jù)巴哈賽車性能需求，先設(shè)定運(yùn)動(dòng)仿真優(yōu)化的目標(biāo)值，參數(shù)目標(biāo)值如表4所示，輪距變化量較大，這是由于對(duì)獨(dú)立懸架而言，較大的輪距變化量可以得到較高的側(cè)傾中心，巴哈賽車的賽道路況非常惡劣，較大的輪距變化量避免對(duì)輪胎造成嚴(yán)重磨損，設(shè)計(jì)巴哈賽車平衡位置離地間隙為260mm，質(zhì)心高度4101Tlin，所以需要較高的側(cè)傾中心，側(cè)傾中心提高，也有利于整車操縱性的提高，后懸架有半軸的橫向位移限制，輪距變化量較小，側(cè)傾中心為前高后低，通過控制偏頻與側(cè)傾角剛度的設(shè)計(jì)，防止因不足轉(zhuǎn)向度過大而產(chǎn)生推頭現(xiàn)象，前束角隨輪跳變化量應(yīng)較小，外傾角隨輪跳變化量可以較大，既要保證賽車的直行性能也要保證賽車的過彎性能。

2.2進(jìn)行初步運(yùn)動(dòng)仿真

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，查看設(shè)計(jì)模型的運(yùn)動(dòng)特性，根據(jù)該巴哈賽車懸架動(dòng)撓度的設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)量，前懸架取輪跳范圍為80-130mm，后懸架取輪跳范圍為-100-130mm，進(jìn)行雙輪同向激振仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示，從圖3可以看出：前輪距變化量82.86mm，前輪前束角變化量1.63°，前輪外傾角變化量4.19°，前懸架滿載側(cè)傾中心高192.43mm，前懸架滿載側(cè)傾中心高、前輪距變化量與前輪外傾角變化量未能滿足設(shè)計(jì)要求，從圖4可以看出：后輪距變化量58.20mm，后輪前束角變化量3.18°，后輪外傾角變化量1.64°，后懸架滿載側(cè)傾中心高79.19mm，后懸架參數(shù)均未滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3利用ADAMS/Insight優(yōu)化設(shè)計(jì)

為有針對(duì)性地優(yōu)化懸架硬點(diǎn)，提高設(shè)計(jì)效率，通過ADAMS/Insight尋找對(duì)參數(shù)目標(biāo)值影響系數(shù)較大的影響因子，在保證車架前艙符合賽事規(guī)則要求前提下，為了減少數(shù)值迭代次數(shù)，減少軟件計(jì)算時(shí)間，固定靜載狀態(tài)下的主銷參數(shù)，獨(dú)立懸架的滿載側(cè)傾中心高會(huì)隨著輪距變化量的增大而提高，所以以輪距變化量作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)變化范圍均為-5-5mm，建立目標(biāo)函數(shù)、選擇優(yōu)化方法與建立相應(yīng)矩陣進(jìn)行計(jì)算，前懸架的計(jì)算結(jié)果如表5所示，計(jì)算結(jié)果顯示：前懸架上擺臂前點(diǎn)z坐標(biāo)、前懸架上擺臂后點(diǎn)z坐標(biāo)、轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)z坐標(biāo)這3個(gè)參數(shù)對(duì)前懸性能的影響系數(shù)較大。

對(duì)于后懸架，針對(duì)上橫拉桿與下橫拉桿外點(diǎn)與內(nèi)點(diǎn)的y坐標(biāo)、z坐標(biāo)尋找影響系數(shù)高的影響因子，設(shè)計(jì)變化范圍均為-5-5mm，建立目標(biāo)函數(shù)、選擇優(yōu)化方法與建立相應(yīng)矩陣，后懸架的計(jì)算結(jié)果如表6所示，計(jì)算結(jié)果表明：后懸架上橫拉桿外點(diǎn)X、Y、Z坐標(biāo)對(duì)巴哈賽車后懸性能參數(shù)的影響系數(shù)較大。

3優(yōu)化結(jié)果的前后對(duì)比

對(duì)于影響系數(shù)較大的懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真試驗(yàn)查看優(yōu)化效果，使懸架運(yùn)動(dòng)特性符合設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標(biāo)如表7所示，

優(yōu)化懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)后得到的前懸架運(yùn)動(dòng)特性如圖5所示，后懸架運(yùn)動(dòng)特性如圖6所示，仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示：對(duì)前懸架硬點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，前輪距變化量113.51mm，前輪前束角變化量0.89°，前輪外傾角變化量7.32°，前懸架滿載側(cè)傾中心高229.84mm，得到的前懸架主銷后傾角變化量減小，前懸架主銷內(nèi)傾角變化量增大，總體上看優(yōu)化效果較好，參數(shù)達(dá)到目標(biāo)值范圍，圖6顯示：對(duì)后懸架硬點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，后輪距變化量79.24mm，后輪前束角變化量2.43°，后輪外傾角變化量4.32°，后懸架滿載側(cè)傾中心高113.66mm，優(yōu)化效果也較好，參數(shù)達(dá)到了目標(biāo)值范圍。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

車隊(duì)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，完成了比賽賽車的制作和裝配工作，采用主觀評(píng)價(jià)法對(duì)賽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)校測(cè)試，測(cè)試過程中，車子的抗側(cè)傾性、抗前點(diǎn)頭性能良好，車子獲得了相對(duì)理想的操縱性能，并在2019年中國大學(xué)生巴哈大賽中獲得了不錯(cuò)的成績(jī)，實(shí)車測(cè)試的結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的可靠性。

5結(jié)論

1）利用ADAMS/Car建立測(cè)試虛擬樣機(jī)，根據(jù)ADAMS/Insight尋求對(duì)運(yùn)動(dòng)特性影響系數(shù)大的影響因子，可以有針對(duì)地優(yōu)化硬點(diǎn)參數(shù)并對(duì)懸架的性能進(jìn)行仿真分析。

2）前懸架上擺臂前點(diǎn)z坐標(biāo)、前懸架上擺臂后點(diǎn)z坐標(biāo)、轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)z坐標(biāo)對(duì)巴哈賽車車輪外傾角、前輪前束角和車輪輪距變化量的影響系數(shù)較大。

3）后懸架上橫拉桿外點(diǎn)X、y、z坐標(biāo)對(duì)巴哈賽車后懸性能參數(shù)的影響系數(shù)較大。

4）針對(duì)性地優(yōu)化硬點(diǎn)參數(shù)，可以改變懸架性能參數(shù)，在本賽車模型中，增大前懸架上擺臂前點(diǎn)z坐標(biāo)和轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)z坐標(biāo)，同時(shí)降低前懸架上擺臂后點(diǎn)z坐標(biāo)，可以增大前輪輪距、側(cè)傾高度和外傾角的變化量，減小前輪前束;減小后懸架上橫拉桿外點(diǎn)x坐標(biāo)，同時(shí)增大后懸架上橫拉桿外點(diǎn)y坐標(biāo)和z坐標(biāo)可以增大后輪輪距、側(cè)傾高度和外傾角的變化量，減小前輪前束。

5）利用軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)者高效、快速地設(shè)計(jì)出一套運(yùn)動(dòng)特性達(dá)到設(shè)計(jì)要求的懸架系統(tǒng)，由于一個(gè)影響因子會(huì)對(duì)多個(gè)參數(shù)產(chǎn)生影響，為使懸架運(yùn)動(dòng)特性符合預(yù)期，需要設(shè)計(jì)者自行平衡它們。