基于ADAMS/view的方程式賽車(chē)懸架的性能優(yōu)化

魏 銀

(西華大學(xué) 汽車(chē)與交通學(xué)院,成都 610039)

汽車(chē)懸架系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)與其行駛的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系[1]。懸架的結(jié)構(gòu)決定了汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)是否有較大的側(cè)傾,并且也會(huì)影響汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)是否點(diǎn)頭。不同的懸架結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致輪胎抓地力不同。不同的抓地力會(huì)影響汽車(chē)的操控性[2]。所以,懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有重要意義[3]。

Jia等[4]在原有獨(dú)立空氣懸架的基礎(chǔ)上構(gòu)建了虛擬原型拓?fù)淠Ｐ?優(yōu)化了前輪軌道絕對(duì)值和軸距變化絕對(duì)值。蔣濤等[5]以懸架各硬點(diǎn)為試驗(yàn)變量,K特性關(guān)鍵參數(shù)為試驗(yàn)響應(yīng),最后通過(guò)優(yōu)化硬點(diǎn)獲得了比較滿意的K特性。本文對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模和驗(yàn)證,通過(guò)靈敏度報(bào)告對(duì)其影響運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性懸架硬點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化,得到了符合要求的四輪參數(shù)角。

1 懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

懸架的操縱穩(wěn)定性是評(píng)估賽車(chē)性能的重要指標(biāo)之一,而懸架系統(tǒng)的K&C性能則直接影響到車(chē)輛的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要介紹了懸架系統(tǒng)的K&C性能,K性能是指懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特征,主要用于描述車(chē)輪在滾動(dòng)過(guò)程中的位置參數(shù)隨車(chē)輪的跳動(dòng)而發(fā)生的改變,而這種變化與懸架硬點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)密切相關(guān);C特征是指懸掛系統(tǒng)的彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,主要用于描述由輪胎與地面的力、力矩所導(dǎo)致的車(chē)輪位置參數(shù)的改變[6]。

賽車(chē)懸架性能的優(yōu)化,主要考慮四輪定位參數(shù)與懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系,從而提升賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性[7]。通過(guò)在ADAMS/view中建立的懸架系統(tǒng)三維動(dòng)力學(xué)模型去迭代通過(guò)靈敏度報(bào)告再去優(yōu)化懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)的方法來(lái)改變這些車(chē)輪定位參數(shù)值,從而使賽車(chē)具有良好的操縱穩(wěn)定性,滿足FSC賽車(chē)比賽的設(shè)計(jì)要求。

1.1 創(chuàng)建懸架系統(tǒng)空間坐標(biāo)點(diǎn)

在ADAMS/view中輸入Xhu-panda賽車(chē)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)。懸架系統(tǒng)在空間坐標(biāo)系中的設(shè)計(jì)點(diǎn)位,如表1所示。

1.2 建立各部件之間的約束

在建立好懸架系統(tǒng)的空間物體形態(tài)后,為了將它們聯(lián)結(jié)成一個(gè)具有運(yùn)動(dòng)能力的整體,需要在各部分物體間建立各種約束[2]。在懸架系統(tǒng)中各部件間的約束關(guān)系的具體情況如表2所示。

表2 各部件之間的約束類(lèi)型

移動(dòng)副測(cè)試平臺(tái)坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)試平臺(tái)中心點(diǎn)移動(dòng)副車(chē)身坐標(biāo)點(diǎn)車(chē)身中心點(diǎn)點(diǎn)面約束車(chē)輪測(cè)試平臺(tái)測(cè)試平臺(tái)中心點(diǎn)

由此創(chuàng)建基于ADAMS/view的懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,如圖1所示。

圖1 懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

對(duì)以上建立的二自由度1/4懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,經(jīng)檢查模型正確,并無(wú)過(guò)多約束,可以進(jìn)行后續(xù)研究。

2 懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型仿真

2.1 驅(qū)動(dòng)力函數(shù)的設(shè)置及輪跳測(cè)試

通過(guò)對(duì)所建立的懸架二自由度1/4懸架模型進(jìn)行車(chē)輪跳動(dòng)試驗(yàn),對(duì)其所建立的測(cè)試平臺(tái)施加1個(gè)范圍為-100 mm～100 mm的輪跳,驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)設(shè)為100 sin(360d×t),從而計(jì)算分析車(chē)輪定位參數(shù)的變化趨勢(shì)?？傻卯?dāng)前狀態(tài)下的四輪參數(shù)角、車(chē)輪接地點(diǎn)和車(chē)輪側(cè)滑量的測(cè)量曲線,如圖2所示。

(a)主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化的輸出曲線

(b)主銷(xiāo)后傾角變化的輸出曲線

(c)前輪外傾角變化的輸出曲線

(d)前輪前束角變化的輸出曲線

(e)車(chē)輪接地點(diǎn)的側(cè)向滑移量的輸出曲線

(f)車(chē)輪跳動(dòng)量變化的輸出曲線圖2 各狀態(tài)量測(cè)量曲線

2.2 懸架優(yōu)化指標(biāo)

完成平行輪跳仿真實(shí)驗(yàn)后,計(jì)算懸架主要參數(shù)隨車(chē)輪跳動(dòng)量的變化規(guī)律,在表3的懸架四輪參數(shù)優(yōu)化指標(biāo)范圍內(nèi),對(duì)表4中的目標(biāo)參數(shù),進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

表3 懸架硬點(diǎn)優(yōu)化指標(biāo)

表4 優(yōu)化前各參數(shù)變化量

3 懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)化

靈敏度分析是研究與分析一個(gè)系統(tǒng)或模型的設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)目標(biāo)參數(shù)或外圍相關(guān)條件的變化的敏感程度的方法[8]。它能夠定量研究系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度,在對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí),就經(jīng)常通過(guò)靈敏度的分析報(bào)告,來(lái)整體分析哪些項(xiàng)的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的或者哪些項(xiàng)在變化時(shí)存在最優(yōu)解[9-10]。在靈敏度分析報(bào)告中還可以看出某些參數(shù)中的某些項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)或模型的影響率,通過(guò)影響率來(lái)綜合評(píng)判修改項(xiàng)的設(shè)置[11]。

3.1 懸架的點(diǎn)位與優(yōu)化目標(biāo)的選擇

通過(guò)對(duì)前懸架機(jī)構(gòu)與四輪定位參數(shù)的關(guān)系研究[12],為了迎合人體舒適度的要求,硬點(diǎn)的y坐標(biāo)一般不做變動(dòng),因此,本設(shè)計(jì)選擇的坐標(biāo)點(diǎn)位如表5所示,將其進(jìn)行優(yōu)化。

表5 懸架優(yōu)化點(diǎn)位的選取 mm

3.2 靈敏度圖像的分析

在懸架設(shè)計(jì)后期,對(duì)該車(chē)型前懸架進(jìn)行敏感度分析,使其不至于影響懸架及車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)性能[13]。

進(jìn)入insight界面,點(diǎn)擊Fit results查看分析結(jié)果,如圖3所示,R2adj一般來(lái)講是小于R2的,如果R2/R2adj值越大,則說(shuō)明此模塊中有一些項(xiàng)目是可以去除的,若為1表示擬合得很好,若不為1,越接近1越好。R/V表明模型的計(jì)算值與原始數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,其值越高越好。

(a)主銷(xiāo)內(nèi)傾

(b)主銷(xiāo)后傾

(c)前輪外傾

(d)前輪前束

查看所選的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)四輪參數(shù)的敏感度報(bào)告,如圖4所示,可以看出,各點(diǎn)x坐標(biāo)和U_o_z(下橫臂內(nèi)z坐標(biāo))對(duì)四輪參數(shù)的影響度變化較大。

(a)主銷(xiāo)內(nèi)傾角

(d)前輪前束角

3.3 懸架硬點(diǎn)的優(yōu)化

在ADAMS/insight試驗(yàn)界面中點(diǎn)擊“optimize”進(jìn)入優(yōu)化設(shè)置界面,由靈敏度分析報(bào)告可知,4個(gè)點(diǎn)的x坐標(biāo)和U_o_z坐標(biāo)共5個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)作為優(yōu)化的重要對(duì)象,在設(shè)計(jì)目標(biāo)中設(shè)立目標(biāo)值,根據(jù)需要設(shè)置各部分權(quán)重,將修改后的點(diǎn)位在點(diǎn)表格中修改并應(yīng)用到其原模型,修改后的點(diǎn)位坐標(biāo)如圖5所示。

(a)懸架硬點(diǎn)的優(yōu)化

(b)優(yōu)化后的點(diǎn)位

再次進(jìn)行仿真運(yùn)行,在后處理窗口添加修改后的主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、前輪外傾角、前輪前束和車(chē)輪接地點(diǎn)側(cè)滑量相對(duì)于車(chē)輪跳動(dòng)的變化曲線的繪制,并分別添加在原有圖像上,得到如圖6所示,繪制了優(yōu)化后的懸架參數(shù)數(shù)值對(duì)比表,如表6所示。

優(yōu)化后的結(jié)果顯示,主銷(xiāo)后傾角變化浮動(dòng)較小,其初值對(duì)汽車(chē)高速回正性能影響較大;主銷(xiāo)內(nèi)傾角改變,提高了操縱轉(zhuǎn)向的能力;外傾角得到一定改善,變化梯度更小,輪胎接地面積更穩(wěn)定,有利于增加側(cè)向支撐,提高轉(zhuǎn)彎極限;前束角的優(yōu)化結(jié)果明顯,能夠有效控制輪胎磨損,提升直線行駛能力;車(chē)輪接地點(diǎn)側(cè)滑量變化不大,輪距變化趨勢(shì)小,有利于降低輪胎磨損。

(a)主銷(xiāo)后傾角

(c)前輪外傾角

(d)前輪前束角

(e)車(chē)輪接地點(diǎn)側(cè)滑量圖6 四輪參數(shù)優(yōu)化前后數(shù)值對(duì)比

表6 優(yōu)化前后的懸架參數(shù)數(shù)值對(duì)比

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)在ADAMS中完成了一款賽車(chē)的雙橫臂懸架的動(dòng)力學(xué)模型搭建,為了合理優(yōu)化懸架性能,優(yōu)先保證懸架的操縱穩(wěn)定性,選擇了比較獨(dú)立的硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化迭代。最終結(jié)果表明優(yōu)化有效,通過(guò)對(duì)比顯示主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、前輪外傾角和前輪前束角得到了明顯改善。通過(guò)優(yōu)化得到了新的布置方案,懸架的仿真結(jié)果更加合理,提高了車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。