徐晶 李磊 單金良

揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省揚(yáng)州市 225127

1 引言

懸架系統(tǒng)是汽車的重要部件，其設(shè)計(jì)好壞對車輛行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性有著重要的影響。在車輛懸架的設(shè)計(jì)及優(yōu)化中，以多剛體動力學(xué) ADAMS 軟件為基礎(chǔ)的懸架運(yùn)動學(xué)分析成為了一種常用手段。 在FSAE賽車設(shè)計(jì)中，采用雙橫臂式獨(dú)立前懸架，通過ADAMS/Car模塊建立該懸架的虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，并利用ADAMS/Insight進(jìn)行優(yōu)化仿真，最終獲得優(yōu)化結(jié)果，改善了懸架系統(tǒng)的性能，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

2 雙橫臂式前懸架建模

根據(jù)賽車的懸架特性和性能要求，本文設(shè)計(jì)了雙橫臂式獨(dú)立前懸架，綜合確定其主要參數(shù)，運(yùn)用CATIA軟件對該前懸架進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，其參數(shù)化模型如下圖1（a）所示。同時通過提取三維模型的主要硬點(diǎn)坐標(biāo)值，修改懸架彈簧、減振器的相關(guān)參數(shù)，并確定主要部件的連接關(guān)系，建立了不等長雙橫臂前懸架的運(yùn)動學(xué)模型，通過引入ADAMS /Car的標(biāo)準(zhǔn)懸架實(shí)驗(yàn)平臺，最終完成了雙橫臂前懸架仿真模型，如下圖1（b）所示。

3 前懸架運(yùn)動學(xué)仿真

FSAE賽車前懸架具有多自由度的運(yùn)動要求和非常嚴(yán)苛的空間及運(yùn)動學(xué)約束條件，是非常典型的運(yùn)動學(xué)優(yōu)化目標(biāo)對象。首先對其進(jìn)行平行跳動仿真實(shí)驗(yàn)，步長為50，車輪跳動范圍為±30mm，仿真結(jié)束后，通過ADAMS后處理模塊，可以獲得多種表征懸架性能的參數(shù)隨車輪跳動而變化的曲線，結(jié)果如下：

（1）主銷內(nèi)傾角與后傾角變化規(guī)律

圖2中前懸主銷內(nèi)傾角在車輪上下跳動30mm行程內(nèi)，從11.1°變化到12.8°，變化了1.7°。前懸主銷后傾角在車輪上下跳動30mm行程內(nèi)，從1.051°變化到1.057°，變化了0.006°。上述兩個角度均在合理變化范圍內(nèi)，不需要進(jìn)一步優(yōu)化。

（2）前輪外傾角和前束角變化規(guī)律：

圖3中車輪外傾角變化范圍是 -0.89°到0.81°，變化量為1.7°；車輪前束角變化范圍是 -1°到1.27°，變化量為2.27°，這兩角度的變化幅度較大?？紤]到車輪跳動時外傾角的變化對車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性等有很大的影響，且為保持汽車直線行駛，所以外傾角和前束角均設(shè)計(jì)為負(fù)值。通過上述仿真分析，本文設(shè)計(jì)的懸架需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最佳性能。

圖1 前懸架運(yùn)動學(xué)仿真模型

4 前懸架多目標(biāo)優(yōu)化分析

Adams 軟件的一個Insight子模塊具有強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)功能，可以通過多因素設(shè)計(jì)，對復(fù)雜的懸架動力學(xué)問題進(jìn)行非常便捷的流程化優(yōu)化。通過對賽車前懸架的多因素設(shè)計(jì)變量的數(shù)量、水平以及特性進(jìn)行分析，制定如下試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

圖2 主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角變化曲線

圖3 前輪外傾角和前輪前束角變化曲線

（1）設(shè)定目標(biāo)變量和設(shè)計(jì)變量：根據(jù)上述仿真分析結(jié)果，前懸外傾角和前束角設(shè)置為優(yōu)化的目標(biāo)變量，上下橫臂的四個內(nèi)點(diǎn)坐標(biāo)變量對這兩個參數(shù)變化有較大影響，選擇其Y、Z坐標(biāo)設(shè)置為八個設(shè)計(jì)變量，變化范圍為-5～5mm。

（2）試驗(yàn)設(shè)計(jì)的運(yùn)行：通過設(shè)置試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，運(yùn)行之后得到設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)變量的影響程度，直觀地反映了設(shè)計(jì)變量對目標(biāo)變量影響重要性程度結(jié)果如下：

從上圖中可以看出上橫臂后點(diǎn)的Y、Z和下橫臂前后點(diǎn)的Z等四個設(shè)計(jì)變量對前懸外傾角和前束角的影響顯著。

（3）優(yōu)化分析：利用Adams軟件的Insight模塊，建立標(biāo)準(zhǔn)的懸架優(yōu)化模型，首先固定對目標(biāo)變量影響不大的四個設(shè)計(jì)變量值，并設(shè)定其余顯著設(shè)計(jì)變量的預(yù)期值和權(quán)重百分比，最后運(yùn)行其結(jié)果如上表所示。

表1 前懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性，將優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量的值重新輸入前懸架運(yùn)動學(xué)仿真模型，重新仿真，并輸出優(yōu)化前后懸架運(yùn)動學(xué)特性前輪外傾角和前懸前束角變化結(jié)果，其結(jié)果如下：

圖5 優(yōu)化前后前輪外傾角和前束角對比

圖中實(shí)線為優(yōu)化前曲線，虛線為優(yōu)化后曲線，可以看出通過對前懸架進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，前輪外傾角和前束角兩個參數(shù)在相同的車輪跳動行程內(nèi)，其變化范圍明顯變小，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化模型的正確性，同時也改善了FSAE賽車的操控穩(wěn)定性，提升了前懸的性能。

5 結(jié)語

本文在ADAMS/Car模塊中建立了FSAE賽車雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動學(xué)仿真模型，并對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析，利用 ADAMS/Insight 模塊通過設(shè)定設(shè)計(jì)變量、綜合目標(biāo)函數(shù)和約束條件對前懸架進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終實(shí)例優(yōu)化結(jié)果表明，通過適當(dāng)修改懸架相關(guān)硬點(diǎn)坐標(biāo)值，可使賽車懸架綜合性能得到明顯提高，并為FSAE 賽車整車懸架的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試提供了一定的參考作用。