基于ADAMS的巴哈賽車懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

侯小舸 楊云珍

摘要：為了提高賽車的操控穩(wěn)定性和行駛平順性，優(yōu)化懸架的參數(shù)設(shè)計。在ADAMS中建立懸架系統(tǒng)的模型，進行運動仿真，分析重要懸架參數(shù)，根據(jù)分析結(jié)果修改懸架硬點，優(yōu)化懸架參數(shù)。獲得一套性能優(yōu)良的懸架參數(shù)，懸架系統(tǒng)的性能得以提高。經(jīng)過仿真賽車的懸架參數(shù)都已確定，通過硬點修改也使得其他性能參數(shù)也有所提高，利用ADAMS對懸架系統(tǒng)進行運動仿真節(jié)省時間，能夠高效地實現(xiàn)懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：懸架 巴哈賽車 ADAMS 運動仿真 優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：U463.33

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 07-0017-03

引言

巴哈源自西班牙語“baja”，中文含義是越野。中國汽車工程學會巴哈大賽是由中國汽車工程學會舉辦的一項面向全國大學生的賽事，參賽車隊要在規(guī)定的一年時間內(nèi)設(shè)計制造出一臺發(fā)動機中置、后驅(qū)、單座的小型越野車[1]。賽事項目包括牽引賽、直線加速賽、四小時耐久賽等，賽道情況十分惡劣，因而設(shè)計一套穩(wěn)定、性能優(yōu)良的懸架系統(tǒng)十分重要。對于越野賽車而言，懸架是巴哈賽車的重要組成部分，其設(shè)計重點在于滿足汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求?；贏DAMS軟件對懸架系統(tǒng)進行建模，并進行運動仿真實驗，分析實驗結(jié)果，尋求動態(tài)下懸架各參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)變化規(guī)律修改設(shè)計懸架硬點與參數(shù)，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，使動態(tài)響應(yīng)下的懸架參數(shù)符合初定的設(shè)計目標，通過對模型進行不同工況的仿真分析，最終優(yōu)化出一套平順性和操縱穩(wěn)定性良好的懸架系統(tǒng)。

一、設(shè)計目標與思路

（一）設(shè)計目標

巴哈賽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計理念是在滿足規(guī)則要求的前提下，選取合適的懸架類型，設(shè)計出一套結(jié)構(gòu)簡單、具有良好導向與減震性能的懸架系統(tǒng)，通過優(yōu)化懸架硬點，以提升整車的操控穩(wěn)定性與平順性，并在此基礎(chǔ)上盡可能地從結(jié)構(gòu)和材料方面實現(xiàn)輕量化。具體設(shè)計目標包括：

減小輪胎跳動過程中車輪定位參數(shù)的變化。車輪定位參數(shù)包括車輪外傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角。縮小這四組參數(shù)在動態(tài)下的變化范圍，以提升賽車應(yīng)對各種工況時的操控穩(wěn)定性。

通過提高懸架的側(cè)傾角剛度以提升懸架系統(tǒng)的抗側(cè)傾性能，提升轉(zhuǎn)彎、過障工況下的橫向穩(wěn)定性。

輕量化。在滿足規(guī)則要求和結(jié)構(gòu)強度的前提下，盡可能地簡化結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量。

（二）設(shè)計思路

巴哈賽車懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的思路為：首先初定一套懸架硬點及參數(shù)，設(shè)定預(yù)期的懸架性能，例如極限過彎工況T的側(cè)傾角、車輪定位參數(shù)在輪胎跳動過程中的變化范圍等。根據(jù)初定的懸架參數(shù)及硬點，在ADAMS中進行建模，并進行運動仿真，分析仿真結(jié)果，分析結(jié)果是否滿足預(yù)期的懸架性能，若不滿足，則修改初定的懸架硬點及參數(shù)，再利用修改后的懸架參數(shù)進行建模與運動仿真，直至仿真結(jié)果符合預(yù)期的懸架性能。設(shè)計思路圖如圖1：

二、初步設(shè)計懸架系統(tǒng)的各項參數(shù)

（一）確定懸架類型

前懸架采用雙橫臂式獨立懸架，這種懸架具有良好的操控性，能提供較好的側(cè)向支撐與橫向剛性，同時對于行駛工況惡劣的巴哈賽車而言，也能保證一定的穩(wěn)定性。

后懸架采用斜置單縱臂式懸架，并另外加兩根限位拉桿限制輪胎的自由度，結(jié)構(gòu)上與多連桿式懸架也頗為相似。這種懸架形式優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，后輪限位穩(wěn)固，具有較高的參數(shù)調(diào)校上限。

（二）前懸架幾何設(shè)計

在前懸架幾何設(shè)計中，主銷的參數(shù)是設(shè)計重點，主銷后傾角決定主銷拖距，而拖距影響賽車的回正力矩[2]，由于巴哈賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，的確需要一定的回正力矩，所以初步將主銷后傾角定在4.5°，主銷拖距為5.5mm;關(guān)于主銷內(nèi)傾角，設(shè)計方向是盡可能地減小主銷偏移距，盡可能選取較大的主銷內(nèi)傾角，并提高下球銷的高度，但也要考慮到前轉(zhuǎn)向節(jié)的加工制造與受力問題，故初步將主銷內(nèi)傾角確定為10.3°，主銷偏移距為40.6mm。

主銷的位置確定后，再選擇合適的側(cè)傾中心高度，這一參數(shù)反映著懸架的運動規(guī)律與載荷轉(zhuǎn)移規(guī)律。側(cè)傾中心高度的確定主要是權(quán)衡兩個方面，一是車身的側(cè)傾，二是車輪隨車身的外傾。車身的側(cè)傾主要與質(zhì)心高度和側(cè)傾中心高度的差值有關(guān)，而車輪的外傾主要與由懸架擺臂布置決定的側(cè)傾外傾變化率和由胎內(nèi)壓強決定的輪胎徑向剛度有關(guān)，巴哈賽車的質(zhì)量較輕，側(cè)傾時的載荷轉(zhuǎn)移并不足以對輪胎壓強造成太大的變化，故初步確定側(cè)傾中心高度為168.1mm，計算得側(cè)傾外傾變化率為41%，如圖2。

（三）后懸架幾何設(shè)計

前后懸架是相互關(guān)聯(lián)，密不可分，因此前后懸架幾何的設(shè)計是同時進行的。后懸架由于后立柱的結(jié)構(gòu)原因，是—種無主銷結(jié)構(gòu)，在設(shè)計上相對簡單一些。后懸架的側(cè)傾中心高度的確定是在前懸的側(cè)傾中心高度確定之后，為了匹配前懸的側(cè)傾中心高度，得到合適的側(cè)傾軸線，初步將后懸的側(cè)傾中心高度定在205.6mm。側(cè)傾中心高度關(guān)系到后擺臂與車架連接硬點的位置。對于單縱臂的懸架，側(cè)傾中心高度的具體確定方法如下：在正視圖中，先確定側(cè)傾中心和輪胎與地面的接觸點的連線，而后擺臂在正試圖上的角度與該連線的角度相同，如圖3。

（四）彈性元件彈簧剛度的確定

理論整車空載質(zhì)量165kg，車手質(zhì)量75kg，滿載質(zhì)量240kg。根據(jù)經(jīng)驗，巴哈賽車的簧上質(zhì)量占整車質(zhì)量的75% -80%。初步估計簧上質(zhì)量為240×78%=187.2kg，加上泥沙質(zhì)量最后實際滿載簧上質(zhì)量估為200kg，前后軸荷比為45：55，計算得前后質(zhì)量為msl=90kg，ms2=110kg。一般汽車前后懸架偏頻之比約為nl/n2=0.85-0.95，初步選取偏頒前懸架n1=2.5Hz，后懸架偏頻為2.8Hz，nl/n2=0.89。合理的汽車前后懸架偏頻之比為nl/n2=0.85 -0.95，因此初定的前后懸架偏頻之比符合要求。汽車前后懸架偏頻、懸架剛度與簧載質(zhì)量之間有如下關(guān)系[3]：

式中：n——懸架偏頻，單位為Hz;

Cs——懸架剛度，單位為N/m;

ms——簧載質(zhì)量，單位為kg。

將前、后懸架的簧載質(zhì)量與偏頻代入（1）式得到前、后懸架剛度分別為：

Csl=22814N/m Cs2=34011N/m

根據(jù)懸架偏頻與靜撓度的關(guān)系求出懸架靜撓度，根據(jù)懸架的運動規(guī)律計算出彈性元件的靜撓度，結(jié)合前后輪的載荷，由下式計算出彈性元件的彈簧剛度。

式中：F——輪胎載荷，單位為N;

fw——彈性元件的靜撓度，單位為m;

θ——減振器軸線與水平面的夾角，單位為rad;

Cd——彈性元件的彈簧剛度，單位為N/m。

計算得前后彈性元件得彈簧剛度為：

Cdl=26707N/m Cd2=27064N/m

三、建立仿真模型

借助ADAMS虛擬樣機分析軟件，對巴哈賽車前后懸架進行建模運動學仿真，可以得到想要的車輪和懸架定位參數(shù)的變化情況，仿真的基礎(chǔ)就是所建立的模型，因而首先就要根據(jù)所設(shè)計的懸架參數(shù)來確定懸架各個硬點的位置坐標，在ADAMS/CAR模塊中對前后懸架分別進行建模[4]。絕大部分的建模工作都需在模板建立器中完成。一個懸架模板定義了該系統(tǒng)的硬點坐標、部件、幾何體、部件之間的運動副，乃至彈簧、襯套、減震器的各項參數(shù)。

根據(jù)需要，分別建立了前后懸架的模型，前懸架采用雙橫臂式獨立懸架，模型修改自MSC公司提供的懸架模板，轉(zhuǎn)向節(jié)與上下橫臂采用球副連接。后懸架采用多連桿式獨立懸架，由于一些部件的連接方式與多連桿懸架有較大差別，故后懸架模型完全是自主建立。后擺臂與后立柱固連，擺臂的另一端與車架采用球副連接，兩根拉桿與后立柱均通過球副連接。傳動半軸采用等速副與車架相連[5]。前后懸架系統(tǒng)的裝配如圖4、5。

四、運動仿真與優(yōu)化設(shè)計

（一）運動仿真實驗

在ADAMS/CAR模塊中分別對前后輪進行平行輪跳動仿真嘲，仿真內(nèi)容為輪心在初始狀態(tài)下（滿載平衡）做行程為[-100mm，100mm]的平行跳動。設(shè)置好幾何體的參數(shù)、運動副的運動范圍、減震器的參數(shù)后，就開始進行平行輪跳動仿真，觀察跳動過程中的車輪外傾角、主銷后傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角的變化規(guī)律。通過四輪定位參數(shù)變化情況來評價懸架的操控穩(wěn)定性與平順性。仿真環(huán)境如圖6。

（二）數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化設(shè)計

利用ADAMS/insight模塊進行懸架參數(shù)的優(yōu)化[6]，優(yōu)化思路為：令車輪定位參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計目標，選擇懸架硬點的三坐標作為自變量，設(shè)置自變量的變化范圍，進行運動仿真實驗，仿真實驗的響應(yīng)值為車輪定位參數(shù)，根據(jù)車輪定位參數(shù)的變化規(guī)律，修改懸架硬點的坐標，再次進行仿真實驗，再次進行優(yōu)化，直至實驗的響應(yīng)值在預(yù)期范圍內(nèi)。

在前懸架的參數(shù)優(yōu)化中，選擇上擺臂的前、后硬點的x、z方向上的坐標值作為優(yōu)化變量，選擇主銷的上、下球銷的x、y、z方向上的坐標值為優(yōu)化變量，設(shè)置坐標的變化范圍為[-5mm，5mm]，車輪定位參數(shù)作為響應(yīng)值，進行迭代仿真。在后懸架的參數(shù)優(yōu)化中，選擇后擺臂與車架連接點的x、y、z方向上的坐標值為優(yōu)化變量，選擇兩根后連桿與后立柱連接點的x、y方向上的坐標值為優(yōu)化變量，車輪定位參數(shù)作為響應(yīng)值，進行迭代仿真。

將每次優(yōu)化后的仿真數(shù)據(jù)導入matlab中進行對比[7]，得出輪胎定位參數(shù)隨輪胎跳動的變化曲線，分析出性能最為優(yōu)秀的一組硬點坐標，進而得到最終的一組懸架參數(shù)。優(yōu)化前后的對比曲線如圖7-9。 獲得的曲線中虛線代表初始設(shè)定（沒有經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計）的參數(shù)變化，實線代表優(yōu)化后的參數(shù)變化。從圖7中可以得知優(yōu)化后的主銷后傾角變化范圍，從[-0.75，1]縮小至[-0.5，0.75]，優(yōu)化后的曲線斜率也有所降低;從圖8中可以得知優(yōu)化后的前輪前束角變化范圍，從[0.6，1.7]縮小至[0.7，1.5]，優(yōu)化后各點所對應(yīng)的斜率相比優(yōu)化前的也都有所下降。從圖9中可以得知優(yōu)化后的后輪外傾角變化范圍，從[-0.8，1.2]縮小至[-0.6，0.75]，優(yōu)化后的曲線斜率也有所降低。

通過多組曲線可以得出，在行程為[-100mm，100mm]的平行輪跳動實驗中，經(jīng)過硬點優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)在實驗中的響應(yīng)值的變化范圍比優(yōu)化前的懸架系統(tǒng)的響應(yīng)值有所減小，變化速率也均有所降低，也就意味著優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)的車輪定位參數(shù)不容易隨著輪胎的跳動而發(fā)生變化，比優(yōu)化前更為穩(wěn)定，在一定程度上說明懸架的操控穩(wěn)定性有所提升。

五、加工與制造

在懸架的各個硬點坐標確定后，懸架的各項參數(shù)也就隨之確定，根據(jù)這些參數(shù)，在CATIA中建立懸架系統(tǒng)的三維模型，包括減振器、螺旋彈簧、擺臂、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等部件。模型如圖10。

根據(jù)所建立的模型，利用鋼管、鋼板、鋁塊等原材料，經(jīng)過切割、焊接、銑削等加工工藝進行實物的加工與制造，最后將所制造出的懸架部件與整車進行裝配，實物裝配圖如圖11。

結(jié)論與展望

利用虛擬樣機分析軟件進行懸架運動仿真及優(yōu)化設(shè)計的前提是有一組設(shè)計合理的初始懸架參數(shù)和一套硬點坐標精確、自由度約束準確的三維模型，因而對于整個懸架系統(tǒng)的設(shè)計過程中，初定懸架參數(shù)是整個設(shè)計過程中尤為重要的一步。優(yōu)化設(shè)計的過程是迭代仿真并多次修改參數(shù)的過程，不斷地尋求性能更為優(yōu)異的一組懸架參數(shù)，這樣的優(yōu)化設(shè)計方法能夠高效地提升懸架性能，十分便捷。利用ADAMS軟件在參數(shù)建模中的優(yōu)勢，建立了車輛懸架系統(tǒng)多體運動學仿真模型。在此模型下，對所設(shè)計的懸架系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計研究。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化設(shè)計能有效地提升懸架系統(tǒng)的操控穩(wěn)定性與行駛平順性。

利用虛擬樣機進行懸架乃至整車的運動仿真，在性能參數(shù)優(yōu)化方面的確有一定的價值，作為一種輔助性質(zhì)的仿真手段，仍然存在一定的缺陷，賽車實際運作工況下的一些影響因素仍不能在虛擬樣機中得以體現(xiàn)，所優(yōu)化后的參數(shù)對懸架性能有多少提升，不能僅僅通過仿真的結(jié)果就下結(jié)論，應(yīng)對賽車進行實車的跑動測試，進行操控穩(wěn)定性實驗和平順性實驗，以進一步驗證賽車的懸架性能。.

參考文獻

[1]中國汽車工程學會.中國汽車工程學會巴哈大賽規(guī)則[Z] 2018： 4-10

[2]周長城.車輛懸架設(shè)計及理論[M]北京：北京大學出版社2011

[3]王霄鋒.汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計[M]北京：清華大學出版社，2015

[4]宋傳學，萊章林.基于ADAMS/CAR的雙橫臂獨立懸架建模與仿真[J]吉林大學學報，2004.10.34 （4）：554-558

[5]楊樹凱.獨立懸架性能評價指標與評價方法及其在雙橫臂與多連桿式懸架上的仿真實現(xiàn)[D]吉林大學，2005

[6]陳黎卿基于ADAMS的懸架優(yōu)化及控制研究[D]合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，2005

[7]王濤，張會明.基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合控制系統(tǒng)的仿真[J]機械工程與自動化，2005 （03）：79-81

[8]丁亞康，翟潤國，井緒文.基于ADAMS/INSIGHT的汽車懸架定位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J]汽車技術(shù)，2011 （05）：33-36