段立山 劉勇進

【摘 要】根據(jù)賽道對巴哈賽車的要求，利用CATIA中三維模型的硬點坐標(biāo)，進入Adams/Car模塊建立動力學(xué)模型，對賽車雙橫臂懸掛的多體動力學(xué)模型進行特性分析。通過給定的位移和力的條件，獲得懸架在兩種特定條件下的運動規(guī)律和運動特性，研究懸架的相關(guān)設(shè)計參數(shù)變化規(guī)律，探討懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點位置的合理性，通過前束值的優(yōu)化設(shè)計來說明，對于越野賽車懸架的結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化工作具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】越野賽車;懸掛;轉(zhuǎn)向系統(tǒng);Adams/Car特性分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號： U463.32 文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）04-0030-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.012

0 引言

中國大學(xué)生巴哈大賽（Baja SAE China），簡稱 BSC大賽，是由中國汽車工程學(xué)會主辦的大學(xué)生小型越野車競賽。BSC大賽要求各參賽車隊在規(guī)定時間內(nèi)，使用同一型號發(fā)動機，設(shè)計制造一輛單座、發(fā)動機中置、后驅(qū)的小型越野車，參加包括多種靜態(tài)與動態(tài)項目測試。靜態(tài)項目包括技術(shù)檢查、賽車設(shè)計、成本與制造、商業(yè)營銷等，動態(tài)項目包括牽引力測試、爬坡測試、直線加速測試、耐力測試等。在賽車的動態(tài)比賽項目中，車輪正確的定位參數(shù)顯得尤為重要，作用是保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，保證汽車轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)向輕便，且使轉(zhuǎn)向輪自動回正，減少輪胎的磨損等，以前輪前束為例，作為后輪驅(qū)動的巴哈賽車，路表面的前輪摩擦使汽車在行駛時車輪趨向負前束的位置，所以在車輛處于停放時將前輪調(diào)節(jié)為小的前束。眾所周之，汽車在行駛過程中出現(xiàn)過大的前束導(dǎo)致車輪輪胎磨損加劇并導(dǎo)致輪胎失效、撞車等事故，因此，控制賽車在行駛跳動過程中前束變化的范圍是非常有必要的。

1 懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統(tǒng)（車架或承載式車身）之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減震動以及調(diào)節(jié)汽車行駛中的車身位置等有關(guān)裝置的總成。轉(zhuǎn)向系是通過對左、右轉(zhuǎn)向車輪不同轉(zhuǎn)角之間的合理匹配來保證汽車能沿著設(shè)想的軌跡運動的機構(gòu)。它是由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)組成。巴哈賽車根據(jù)大賽規(guī)則并結(jié)合賽道要求，運用汽車設(shè)計相關(guān)知識進行理論設(shè)計，確定輪胎規(guī)格25×12×8英寸，滾動半徑303.1mm，靜力半徑298.1mm，前輪距1250mm，后輪距1200mm，軸距1410mm，前后輪均采用搭接式雙A臂懸掛，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，轉(zhuǎn)向角為30度，通過計算并利用CAD輔助畫圖，采用輪跳法確定賽車懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終的硬點坐標(biāo)，如圖1所示。

2 比賽工況分析

BSC大賽動態(tài)項目包括牽引力測試、爬坡測試、直線加速測試、耐力測試等。其中耐力賽占主要成分，它要求賽車連續(xù)運行4小時，最終行駛?cè)?shù)最多者獲勝，耐力賽賽道有單駝峰、飛坡、炮彈坑、泥坑、雙駝峰、輪胎陣、石塊路等多種復(fù)雜障礙路況，賽車在遇到障礙物或路面不平會引起顛簸運動、加減速時引起的車身縱傾運動和轉(zhuǎn)彎時引起的車身側(cè)傾運動都會產(chǎn)生車輪的跳動。如果車輛的懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，在車輪跳動時前輪定位參數(shù)的變化量可能很大，影響車輛行駛性能，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重、輪胎偏磨等問題。

3 建立懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型并進行仿真分析

根據(jù)CATIA模型中懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬點坐標(biāo)，進入Adams/Car模塊建立動力學(xué)模型，如圖2所示。

構(gòu)件間的連接為鉸接連接，不考慮襯套等彈性元件、外界的力和力矩對懸架參數(shù)所造成的影響。借助 ADAMS/Car模塊，對前懸架仿真模型做雙輪同向激振仿真試驗，根據(jù)懸架系統(tǒng)的動撓度和靜撓度的設(shè)計，選擇車輪上下跳動高度分為上跳110mm，下跳80mm，修改好彈簧剛度、彈簧預(yù)載等參數(shù)后，對前懸架進行運動學(xué)分析。如圖3所示。

通過Post/Processor查看仿真后的結(jié)果，仿真實驗時，前束值變化范圍如圖4所示，變化范圍在-2.16°～1.16°之間，是不合理的變化規(guī)律，通過Adams中Insight模塊對硬點坐標(biāo)進行優(yōu)化。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

進行前束角隨車輪跳動量變化關(guān)系的優(yōu)化，根據(jù)汽車知識可知，跳動過程中影響前束角變化的因素有很多，可以對轉(zhuǎn)向拉桿硬點進行優(yōu)化，將動力學(xué)模型中tierod_inner點及tierod_outer點作為設(shè)計變量，進行動力學(xué)模型的優(yōu)化。

Insightm模塊針對tierod_inner點進行8次優(yōu)化，如圖5所示，通過Insight優(yōu)化結(jié)果可知，第二個坐標(biāo)點為最佳坐標(biāo)點。

將第二個坐標(biāo)點測量結(jié)果作為新的硬點，進行第二次懸掛試驗臺仿真實驗，如圖6所示，得到新的前束角隨車輪跳動量變化關(guān)系圖，通過測量可知前束角的變化范圍為-1.86°～0.79°明顯縮小了前束角的變化范圍。

用同樣的方法進行tierod_outer點的優(yōu)化，得到新的前束角隨車輪跳動量變化關(guān)系圖如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)前束角的變化范圍減小到了-1.58°～0.41°。

5 結(jié)論

綜上所述，對懸掛利用Adams/car建模、使用Post/Processor、Insight模塊的功能，可以有針對性的進行懸掛相關(guān)參數(shù)的設(shè)計，結(jié)果顯示優(yōu)化后的前輪前束角明顯改善了懸架的運動學(xué)特性和賽車的操控穩(wěn)定性，為巴哈賽車中懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計提供了思路和參考。

【參考文獻】

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[3]陸潤明.越野賽車雙橫臂懸架特性分析[J].2018.