基于Carsim的Baja賽車操縱穩(wěn)定性分析及懸架關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

張永剛　吳明翔

摘要：針對(duì)Baja賽車開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用過程中的操作穩(wěn)定性分析及懸架關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于車輛動(dòng)力學(xué)的仿真軟件Carsim進(jìn)行仿真研究。應(yīng)用Carsim導(dǎo)入Baja賽車參數(shù)，通過試驗(yàn)不同工況對(duì)Baja賽車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)畫仿真。在Carsim中根據(jù)比賽賽場(chǎng)環(huán)境設(shè)置翻覆測(cè)試、二輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換到四輪驅(qū)動(dòng)等工況對(duì)Baja賽車操縱穩(wěn)定性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并通過調(diào)整彈簧剛度對(duì)懸架關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。仿真結(jié)果：開發(fā)的Baja賽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，懸架等關(guān)鍵部件通過參數(shù)調(diào)整后達(dá)到良好使用性能。

關(guān)鍵詞：Baja賽車；操縱穩(wěn)定性；懸架關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真；Carsim

中圖分類號(hào)：U463? 收稿日期：2023-03-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.024

1 基于Carsim的Baja賽車建模

Carsim軟件是美國密西根大學(xué)交通運(yùn)輸研究所開發(fā)的一款車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，由于Carsim軟件的使用方便、仿真速度快、高精度等特點(diǎn)，得到了世界多家汽車公司和高校等汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)的普遍認(rèn)可[1-3]。Carsim 軟件與目前各賽車動(dòng)力學(xué)建模方面廣泛采用的ADAMS 軟件不同，Carsim更適合設(shè)計(jì)階段中早期的性能研究，而ADAMS軟件是面向結(jié)構(gòu)的建模軟件[4-6]，適合于整車設(shè)計(jì)后一階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建模過程復(fù)雜，難以掌握。

1.1 車身建模

Baja賽車的車身建模如圖1所示，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：簧上質(zhì)量的質(zhì)心距前軸的距離1 275 mm；簧上質(zhì)量的質(zhì)心距地面的高度575 mm；軸距2 350 mm；質(zhì)心的橫向偏移量0；簧載質(zhì)量1 050 kg；對(duì)坐標(biāo)軸的慣性矩和慣性矩0；整車高度1 550 mm；整車寬度1 350 mm等。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)建模

此Baja賽車選用6速CVT變速箱，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：各個(gè)擋位傳動(dòng)比，R擋-3.17、1擋3.50、2擋2.05、3擋1.25、4擋1.10、5擋0.65、6擋0.53；各個(gè)擋位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，R擋0.034、N擋0.034、1擋0.039、2擋0.032、3擋0.043、4擋0.04、5擋0.04、6擋0.04；各個(gè)擋位正向傳動(dòng)效率R擋0.90、1擋0.90、2擋0.90、3擋0.97、4擋0.97、5擋0.99、6擋0.99;各個(gè)擋位逆向傳動(dòng)效率，R擋0.90、1擋0.90、2擋0.90、3擋0.96、4擋0.96、5擋0.97、6擋0.99，換擋時(shí)間0.20 s；離合器鎖止時(shí)傳遞的最大效率300 N·m;離合器分離鎖止時(shí)間0.15～0.2 s等。

1.3 制動(dòng)系統(tǒng)建模

前輪制動(dòng)力矩為300 N·m/MPa;后輪制動(dòng)力矩為150 N·m/MPa；前制動(dòng)器摩擦力0.5 N·m；后制動(dòng)器摩擦力0.5 N·m等。

1.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

轉(zhuǎn)向柱管的慣性0.02 kg/m2；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣量0.00007 kg/m2；轉(zhuǎn)向柱管阻尼0.02 N·s/（m·（°））;方向盤自由角行程0.5°；左前輪和右前輪主銷內(nèi)傾角8.5°;左前輪和右前輪主銷后傾角3.0°；轉(zhuǎn)向阻尼5 N·s/（m·（°））；扭桿剛度3 N·s/（m·（°））。

1.5 懸架系統(tǒng)建模

Baja賽車設(shè)計(jì)前輪采用獨(dú)立懸架，后輪采用實(shí)心軸懸架，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：輪距1 300 mm；前軸質(zhì)心的高度350 mm；懸架中心相對(duì)于側(cè)傾中心的橫向位移0.1；非簧載質(zhì)量130 kg；轉(zhuǎn)向摩擦力0.5 N·m；前軸的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量45 kg/m2；左前輪和右前輪的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.2 kg/m2。

2 Baja賽車操作穩(wěn)定性仿真分析

2.1 翻覆測(cè)試

2.1.1 試驗(yàn)方法

研究汽車在高速轉(zhuǎn)彎運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性，分析與汽車彎道翻覆有關(guān)的因素以及這些因素對(duì)汽車翻覆影響的大小，對(duì)于降低汽車翻覆風(fēng)險(xiǎn)、提高駕駛的性能和行車的安全性、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著重要的意義。設(shè)計(jì)的Baja賽車極速為90 km/h，分別取50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h的仿真工況下的橫擺角速度，通過計(jì)算來進(jìn)行車輛操縱穩(wěn)定性的仿真試驗(yàn)。

2.1.2 仿真結(jié)果與分析

2.2 兩輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換到四輪驅(qū)動(dòng)測(cè)試

2.2.1 試驗(yàn)方法

在此Baja車采取了分時(shí)四驅(qū)的方案，汽車行駛過程中的驅(qū)動(dòng)模式，從兩驅(qū)轉(zhuǎn)換到四驅(qū)能有效提高汽車的性能。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力被分配給四個(gè)車輪，在平整度較差的路面上行駛時(shí)，不易出現(xiàn)車輪打滑，汽車的通過性能得到相當(dāng)大的改善。此試驗(yàn)針對(duì)兩驅(qū)轉(zhuǎn)四驅(qū)的操縱穩(wěn)定性的提升做出仿真研究，由于需要兩驅(qū)轉(zhuǎn)四驅(qū)的工況通常為低速情況，所以選取20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h等工況進(jìn)行不同速度下兩驅(qū)轉(zhuǎn)四驅(qū)對(duì)操縱穩(wěn)定性提升影響的仿真試驗(yàn)。

2.2.2 仿真結(jié)果與分析

3 懸架關(guān)鍵部位優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)方法

懸架對(duì)于Baja越野車來說可謂是重中之重，一套好的懸架對(duì)于操縱穩(wěn)定性以及越野通過性都有很大的幫助，設(shè)計(jì)優(yōu)化的方案主要是針對(duì)左右彈簧剛度進(jìn)行調(diào)整以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)基于車速50 km/h情況下的二輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換到四輪驅(qū)動(dòng)工況，針對(duì)彈簧剛度進(jìn)行調(diào)整，以5 N·m為單位，觀察橫擺角速度、車身側(cè)傾角、側(cè)向加速度的變化，對(duì)懸架做出優(yōu)化調(diào)整。

3.2 仿真結(jié)果與分析

通過對(duì)比表1、表2數(shù)據(jù)得出，此Baja賽車應(yīng)將懸架彈簧剛度在50～55 N·m為最佳，操縱穩(wěn)定性和越野通過能力將得到有效提升。

4 結(jié)語

根據(jù)研發(fā)設(shè)計(jì)的Baja賽車的各項(xiàng)基本參數(shù)，通過Carsim進(jìn)行賽車各部件的建模，進(jìn)行了翻覆試驗(yàn)和兩輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換四輪驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)對(duì)Baja賽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；并通過改變左右彈簧剛度對(duì)Baja賽車的懸架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的Baja賽車具有良好的操作穩(wěn)定性以及懸架部位的設(shè)計(jì)優(yōu)化得到了良好的反饋。

參考文獻(xiàn)：

[1]李徑亮，夏湯忠，陸志成基于CarSim的車輛自適應(yīng)巡航仿真與試驗(yàn)研究[J]汽車科技，2013，2（3）：46-52

[2]朱茂桃，邵長征，王國林基于CarSim的路面模型重構(gòu)及車輛平順性仿真分析[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，10（10）：78-80

[3]李剛線控四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車穩(wěn)定性與節(jié)能控制研究[D]長春：吉林大學(xué)，2013

[4]喬明俠基于多體動(dòng)力學(xué)的汽車平順性仿真分析及懸架參數(shù)優(yōu)化[D]合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005

[5]趙秋芳基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)初步研究[D] 大連：大連理工大學(xué)，2006

[6]喻凡汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[7]QC-T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法[S]

[8]GB/T 63232—94中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)[S]

[9]GB/T 63231—94汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法蛇行試驗(yàn)[S]

[10]賈麗娟，韓忠浩，李剛，等基于CarSim的FSC賽車建模與操縱穩(wěn)定性仿真研究[J]遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，35（3）：172-176

作者簡介：

張永剛，男，2002年生，本科在讀，研究方向?yàn)檐囕v工程。