王振剛，楊世文

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051)

基于ADAMS/CAR的賽車(chē)平衡懸架仿真分析

王振剛，楊世文

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原 030051)

提出將平衡懸架理論應(yīng)用在賽車(chē)上，并在ADAMS/CAR軟件中建立了某賽車(chē)前平衡懸架的動(dòng)力學(xué)仿真模型，在雙輪同向激振工況中進(jìn)行仿真分析，得出車(chē)輪在跳動(dòng)過(guò)程中主要定位參數(shù)變化曲線。通過(guò)分析得出各參數(shù)變化量均在實(shí)際設(shè)計(jì)要求值范圍內(nèi)，表明所建立的平衡懸架模型的正確性以及在賽車(chē)上應(yīng)用的可行性。

賽車(chē)；平衡懸架；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；ADAMS

Abstract:The application of balanced suspension theory on racing car was proposed.The dynamics simulation model of the balanced suspension of a racing car was established in ADAMS/CAR software，the kinematics simulation was made in parallel wheel travel condition．In the post processor，the change curves of balanced suspension parameters were obtained while wheel traveled．It is found that the obtained parameters are within actual required range．The results show that the built dynamic simulation model of the balanced suspension is accurate，and the application on the racing car is feasible.

Keywords:Racing car；Balanced suspension；Kinematics simulation；ADAMS

0 引言

在現(xiàn)代賽車(chē)競(jìng)賽中，賽車(chē)具有良好的橫向加速度是取勝的關(guān)鍵。如果一輛賽車(chē)的車(chē)輪離開(kāi)路面，失去與路面的良好接觸，就不能產(chǎn)生使汽車(chē)加速所需的水平方向的加速力。此外，車(chē)輪的跳動(dòng)也會(huì)擾亂汽車(chē)的操縱平衡，使車(chē)手很難獲得汽車(chē)的最佳性能。平衡懸架可以實(shí)現(xiàn)很好的平順性和良好的抓地力，使賽車(chē)有良好的操縱性和最小的行駛離地高度[1]。平衡懸架已經(jīng)在四輪或多車(chē)輪的車(chē)輛中使用，包括卡車(chē)、公共汽車(chē)以及越野車(chē)。但目前，該懸架系統(tǒng)尚未在競(jìng)速類(lèi)賽車(chē)中得到實(shí)際應(yīng)用。

1 懸架多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

1.1 理論依據(jù)

應(yīng)用ADAMS/CAR模塊對(duì)平衡懸架進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。ADAMS/CAR模塊采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程，這可減少未知變量的數(shù)目。所建立的動(dòng)力學(xué)方程的一般形式：

(1)

(2)

經(jīng)過(guò)第j次的迭代，得到系統(tǒng)的雅可比矩陣，即系統(tǒng)的雅可比矩陣為：

1.2 平衡懸架模型簡(jiǎn)介

前車(chē)輪對(duì)應(yīng)兩種運(yùn)動(dòng)模式：一種模式是一對(duì)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)的方式相同(即兩者都向上動(dòng)或兩者都向下移動(dòng))，稱(chēng)之為“車(chē)軸彈跳模式”；第二模式，兩個(gè)車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)立(即一個(gè)向上移動(dòng)，而另一個(gè)向下移動(dòng))，稱(chēng)之為“車(chē)軸扭轉(zhuǎn)模式”。第一彈簧阻尼器(車(chē)軸反跳彈簧)安裝在車(chē)軸上控制著兩個(gè)車(chē)輪的回彈運(yùn)動(dòng)，第二彈簧阻尼器(扭桿彈簧)控制著車(chē)輪的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)彈簧阻尼器相互獨(dú)立，如圖1所示。

1.3 建立前平衡懸架仿真模型

在ADAMS/CAR模塊中，建立前平衡懸架模型過(guò)程中，除了輪胎、阻尼元件、彈性元件外，其余零件認(rèn)為是剛體，在仿真分析過(guò)程中不考慮它們的變形。用襯套模擬彈性運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各剛體之間的柔性連接，各運(yùn)動(dòng)副內(nèi)的摩擦力忽略不計(jì)。

由于ADAMS/CAR模塊中所建立模型左右對(duì)稱(chēng)，故只需建立左半邊懸架模型即可。前平衡懸架左半邊硬點(diǎn)如表1所示。

在ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件中，建立了包括車(chē)軸、懸架前支桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、扭桿彈簧、減震器的動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖2所示。

由于ADAMS軟件中沒(méi)有扭桿彈簧，故建模中做以下處理：扭桿一端與懸架前支桿用固定副連接， 另一端與車(chē)軸固結(jié)在一起，扭桿中間斷開(kāi)并加扭簧，采用旋轉(zhuǎn)副來(lái)約束斷開(kāi)的前、后扭桿，仿真過(guò)程中輸入扭簧剛度并對(duì)扭簧加載[2]。

對(duì)前懸架系統(tǒng)模型進(jìn)行雙輪同向激振試驗(yàn)仿真，設(shè)定車(chē)輪輪心跳動(dòng)位移為-50～50 mm。仿真計(jì)算結(jié)束后，分析車(chē)輪上下跳動(dòng)過(guò)程中懸架主要參數(shù)的變化。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 車(chē)輪外傾角

對(duì)車(chē)輪外傾角仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理，所得曲線如圖3所示。

通過(guò)分析，賽車(chē)前輪上跳50 mm，外傾角為-1.46°。而賽車(chē)前輪外傾角初始設(shè)定值為-1°，車(chē)輪跳動(dòng)50 mm時(shí)，外傾角變化量為-0.46°。一般車(chē)輪上跳時(shí)，車(chē)輪外傾角變化為：-2°/50 mm～0.5°/50 mm[3]。由此可見(jiàn)，安裝平衡懸架的前車(chē)輪在跳動(dòng)過(guò)程中，外傾角的變化量在合理的取值范圍內(nèi)。

2.2 主銷(xiāo)后傾角

對(duì)主銷(xiāo)后傾角仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，所得曲線如圖4所示。

由圖4可以看出:車(chē)輪上下跳動(dòng)50 mm，主銷(xiāo)后傾角的變化范圍在0.005°～0.0255°之間.而現(xiàn)代車(chē)輛其主銷(xiāo)后傾角的范圍大致在-1°～+3°之間[3]。由此可見(jiàn)，跳動(dòng)過(guò)程中前輪主銷(xiāo)后傾角變化量在合理范圍內(nèi)。

2.3 主銷(xiāo)內(nèi)傾角

對(duì)主銷(xiāo)內(nèi)傾角仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，所得曲線如圖5所示。

由圖5可以看出：車(chē)輪在上下跳動(dòng)50 mm時(shí)，主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化范圍為：5.95°～6.725°。而在現(xiàn)代汽車(chē)中，主銷(xiāo)內(nèi)傾角的范圍在5°～14°之間[3]。由此可見(jiàn)，平衡懸架主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化在合理的范圍內(nèi)。

2.4 前束角

對(duì)車(chē)輪前束角仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，所得曲線如圖6所示。

前輪前束角初始設(shè)定值為-1°。由圖6可看出：車(chē)輪上跳50 mm時(shí)，前束角的變化量為-0.15°；車(chē)輪下跳50 mm時(shí)，前束角變化量為-1.2°。車(chē)輪下跳過(guò)程中，前束角變化量過(guò)大，超出理想的前束變化設(shè)計(jì)值0°/50 mm～-0.5°/50 mm[3]，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2.5 車(chē)輪轉(zhuǎn)角

對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)角仿真數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)擬合處理，所得曲線如圖7所示。

由圖7可以看出：車(chē)輪上跳50 mm時(shí)，車(chē)輪轉(zhuǎn)角最大值為0.3°，變化量為0.3°，在可接受的范圍內(nèi)；而在車(chē)輪下跳50 mm的過(guò)程中，車(chē)輪轉(zhuǎn)角最大值為-1.25°，變化量過(guò)大，需要優(yōu)化懸架模型參數(shù)。

2.6 輪距變化

對(duì)輪距變化仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，所得曲線如圖8所示。

由圖8可以看出:車(chē)輪上跳50 mm，輪距變化為3.8 mm;車(chē)輪向下跳動(dòng)50 mm時(shí)，輪距變化為1.3 mm。車(chē)輪上、下跳動(dòng)過(guò)程中，輪距變化范圍為3.8 mm?，F(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)中，車(chē)輪上跳時(shí)輪距變化量為：-5 mm/50 mm～+5 mm/50 mm[3]，由此可見(jiàn)，平衡懸架輪距變化量在合理的范圍內(nèi)。

3 總結(jié)

利用ADAMS/CAR軟件建立所提出的平衡懸架動(dòng)力學(xué)模

型，并對(duì)其進(jìn)行車(chē)輪同向跳動(dòng)仿真分析。通過(guò)分析后處理得到懸架參數(shù)曲線，得出車(chē)輪在上、下跳動(dòng)過(guò)程中的外傾角、主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、輪距及車(chē)輪上跳過(guò)程中的前束角、轉(zhuǎn)角變化量均在汽車(chē)實(shí)際設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，而車(chē)輪下跳過(guò)程中的前束角、轉(zhuǎn)角變化量超出理想的范圍值。表明所提出的平衡懸架模型的正確性，以及在賽車(chē)上應(yīng)用的可行性，并為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。

【1】 劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

【2】 《汽車(chē)工程手冊(cè)》編委會(huì).汽車(chē)工程手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社.2007.

【3】 余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

【4】 王霄鋒.汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

【5】 寧國(guó)寶,張立國(guó),余卓平,等.雙橫臂扭桿彈簧懸架系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)非線性特性的建模與分析[J].汽車(chē)工程,2010 (2):143-147.

【6】 李新耀,張印.雙橫臂扭桿懸架的特性分析及設(shè)計(jì)計(jì)算[J].汽車(chē)工程,2003,25(1):15-19.

【7】 時(shí)培成,韋山.雙橫臂扭桿彈簧懸架線剛度計(jì)算及動(dòng)態(tài)仿真[J].機(jī)械工程師,2006 (8):43-45.

SimulationAnalysisoftheBalanceSuspensionSysteminRacingCarBasedonADAMS/CAR

WANG Zhengang, YANG Shiwen

(School of Mechanics and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

2014-10-09

王振剛(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐?chē)輛結(jié)構(gòu)分析與動(dòng)態(tài)仿真。E-mail：277292483@qq.com。