朱令磊，胡全，丁華鋒,，陳加賓，路航

基于ADAMS的FSAE賽車前懸架優(yōu)化分析*

朱令磊1，胡全2，丁華鋒1,2，陳加賓1，路航1

（1.純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.湖北三環(huán)鍛造有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441700）

為了提高整車的操縱性，對(duì)懸架的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析?；贑atia建立了FSAE賽車前懸架模型，觀察其結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)，在Adams/car中建立FSAE賽車前懸架虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行平行輪跳仿真，選定優(yōu)化目標(biāo)；通過(guò)Adams/Insight對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行多變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果修改硬點(diǎn)參數(shù)值；再次進(jìn)行平行輪跳仿真試驗(yàn)，對(duì)優(yōu)化前后綜合性能進(jìn)行對(duì)比；優(yōu)化后，四輪定位參數(shù)變化量明顯變小，有利于賽車的操控穩(wěn)定性。

FSAE；懸架系統(tǒng)；仿真分析；參數(shù)優(yōu)化

前言

大學(xué)生方程式賽事即FSAE賽事創(chuàng)辦至今已經(jīng)三十多年的歷史，旨在讓大學(xué)生團(tuán)隊(duì)以一年的時(shí)間內(nèi)，自行設(shè)計(jì)和制造一輛加速、制動(dòng)、操縱性等性能有優(yōu)異表現(xiàn)的賽車，并完成相應(yīng)的所有項(xiàng)目。懸架作為底盤(pán)重要構(gòu)件之一，其作用是傳遞、緩沖和減少各種工況路面下車輪傳遞給車架的震動(dòng)和沖擊，保證汽車平順行駛[1]，故懸架設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整車操縱性和穩(wěn)定性有著重要影響。

在懸架性能優(yōu)化方面，有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者做出了研究[2,3]，但是通過(guò)數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，這樣非常消耗時(shí)間和資源。近年來(lái)也有不少學(xué)者引進(jìn)新的優(yōu)化方案，劉偉的基于改進(jìn)遺傳算法NSGA-Ⅱ的懸架系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化策略[4]；蔡章林的基于VPD技術(shù)的整車試驗(yàn)優(yōu)化[5]；解來(lái)卿引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案開(kāi)展優(yōu)化[6]。

本文采用Adams/car軟件對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在軟件中建立賽車虛擬模型，可進(jìn)行相應(yīng)工況的運(yùn)動(dòng)仿真，利用Adams/Insight針對(duì)各參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析并優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計(jì)目的，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率[7]。

1 模型建立

FSAE賽車懸架多采用不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立懸架，多個(gè)節(jié)點(diǎn)是由SRSS結(jié)構(gòu)構(gòu)成[8]，結(jié)構(gòu)示意圖1如下，其中A點(diǎn)是車輪中心，B、C點(diǎn)是橫臂與立柱連接的上下鉸鏈，D、E是上橫臂與車架的鉸鏈，F(xiàn)、G是下橫臂與車架的鉸鏈，H是推桿與下橫臂的鉸鏈，I是推桿和搖臂的鉸鏈，J是搖臂和減震器的鉸鏈，K是搖臂和車架的鉸鏈，L是減震器和車架的鉸鏈，M為轉(zhuǎn)向拉桿和立柱的鉸鏈，N是轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向器斷開(kāi)點(diǎn)的鉸鏈。

圖1 雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)已在CATIA上建立的前懸架三維模型，以車架防侵平板下鋼管中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿車身縱向?yàn)閄軸，向后為負(fù)，沿車身橫向?yàn)閅軸，向左為負(fù)，沿車身豎直方向?yàn)閆軸，向上為正建立坐標(biāo)系，測(cè)得各節(jié)點(diǎn)處的硬點(diǎn)坐標(biāo)，建立FSAE賽車仿真虛擬樣機(jī)模型，如圖2。

圖2 雙橫臂仿真模型圖

2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

在仿真前，修改模型中四輪定位參數(shù)，并修改彈性文件，做到模型參數(shù)與FSAE賽車實(shí)際參數(shù)一致（數(shù)據(jù)如表1）。根據(jù)賽事規(guī)則要求，懸架跳動(dòng)量至少為25.4mm，于是在Adams/ Car上進(jìn)行車輪平行跳動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，跳動(dòng)量為±30mm。仿真結(jié)束后，進(jìn)入ADAMS/PostProcessor模塊，由此得出了前輪定位參數(shù)隨輪跳量的變化曲線[9]。

表1 前懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)值

2.1 車輪外傾角

在賽車設(shè)計(jì)中，為了發(fā)揮輪胎的特性獲得最大側(cè)向力，一般設(shè)置成負(fù)外傾，而且希望外傾角變化盡可能小，減小輪胎磨損[10]。如圖3所示，外傾角變化范圍為（-1.328°~-0.841°），變化量為0.487°。

圖3 車輪外傾角隨輪跳變化曲線

2.2 主銷后傾角

一定角度的主銷后傾角可以增加賽車直線行駛的穩(wěn)定性，并在轉(zhuǎn)彎中產(chǎn)生一定的回正力矩，是賽車手轉(zhuǎn)向輕便，增加駕駛體驗(yàn)。如圖4所示，主銷后傾角的變化范圍為（-2.0448°~-2.008°），變化量為0.04°。

圖4 主銷后傾角隨輪跳變化曲線

2.3 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾角的主要作用形成主銷偏移距，產(chǎn)生回正力矩，使轉(zhuǎn)向車輪自動(dòng)會(huì)正，但是過(guò)大會(huì)造成轉(zhuǎn)向沉重和輪胎磨損。如圖5所示，主銷內(nèi)傾角的變化范圍為（4.034°~4.506°），變化量為0.4722°。

圖5 主銷內(nèi)傾角隨輪跳變化曲線

2.4 前束角

因?yàn)樨?fù)外傾的存在，車輛在直線行駛時(shí)會(huì)向偏向內(nèi)側(cè)，為了削弱這種趨勢(shì)，采用負(fù)的前束角，保證車輪滾動(dòng)和直線行駛，減小輪胎的磨損[11]。如圖6所示，前束角的變化范圍為（-1.269°~-0.836°），變化量為0.4334°。

圖6 前束角隨輪跳變化曲線

3 參數(shù)優(yōu)化分析

3.1 目標(biāo)參數(shù)的選取

通過(guò)分析前輪定位參數(shù)隨輪跳變化的規(guī)律，車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角和前束角變化較大，主銷后傾角變化較小。為了提升賽車懸架系統(tǒng)的性能，使賽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，需要對(duì)上述的定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Adams/Insight正是用于參數(shù)化虛擬樣機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化分析試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析模塊，具有強(qiáng)大的試驗(yàn)設(shè)計(jì)功能。運(yùn)用Adams/Insight模塊，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理，得到懸架硬點(diǎn)的最佳組合，達(dá)到提升操縱穩(wěn)定性的目的[12]。

3.2 懸架模型靈敏度分析

選擇上述定位參數(shù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。考慮到整車布置的限制，選擇上橫臂前點(diǎn)、上橫臂后點(diǎn)、下橫臂前點(diǎn)、下橫臂后點(diǎn)和轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)5個(gè)硬點(diǎn)，一般x坐標(biāo)值對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響比較小，所以選擇這些硬點(diǎn)的y、z坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，其范圍為-5~5mm，然后再創(chuàng)建DOE矩陣，進(jìn)行210=1024次迭代運(yùn)算得到各坐標(biāo)對(duì)目標(biāo)的影響程度[13]。

Adams/Insight模塊優(yōu)化綜合目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

式中，(X)—優(yōu)化目標(biāo)（i=1，2，…，n）；X—輸入變量；q—優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所選定的目標(biāo)個(gè)數(shù)；J—優(yōu)化計(jì)算方程。(X)為懸架的前輪定位參數(shù)變化范圍，作為輸出的結(jié)果，X作為變量參數(shù)，可以是硬點(diǎn)坐標(biāo)，螺旋彈簧的性能參數(shù)等。

3.3 懸架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

分析后發(fā)現(xiàn)對(duì)參數(shù)影響最大的是上橫臂前點(diǎn)Z坐標(biāo)、上橫臂后點(diǎn)Z坐標(biāo)、下橫臂前點(diǎn)Z坐標(biāo)、后點(diǎn)Z坐標(biāo)和轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點(diǎn)Z坐標(biāo)。根據(jù)影響程度對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前和優(yōu)化后的坐標(biāo)如表2所示：

表2 優(yōu)化前、后硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

優(yōu)化前、后懸架定位參數(shù)的變化對(duì)比圖如圖8-11，其中實(shí)線為優(yōu)化前的變化曲線，虛線為優(yōu)化后的變化曲線。

車輪外傾角：由圖7可以看出，優(yōu)化后的曲線變化范圍為（-1.2561°~-0.9155°），變化量為0.3406°，比優(yōu)化之前的0.478°減小了0.1374°，優(yōu)化效果較為明顯，有利于賽車的操縱穩(wěn)定性。

圖7 優(yōu)化后車輪外傾角對(duì)比圖

主銷后傾角：由圖8可以看出，優(yōu)化后的曲線變化范圍為（-2.0543°~-2.0053°），變化量為0.049°，相比優(yōu)化之前，增加了0.009°，增加量微小，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 優(yōu)化后主銷后傾角對(duì)比圖

主銷內(nèi)傾角：由圖9可以看出，優(yōu)化后的曲線變化范圍為（4.1093°~4.44°），變化量為0.3307°，比優(yōu)化之前的0.4722°減小了0.1415°，變化量減少的同時(shí)，變化趨勢(shì)仍符合隨車輪上跳增加，隨車輪下跳而減少的設(shè)計(jì)要求[14]，減小輪胎的磨損，增大了賽車的操縱穩(wěn)定性。

圖9 優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角對(duì)比圖

前束角：由圖10可以看出，優(yōu)化后的曲線變化范圍為（-1.1919°~-1.0245°），變化量為0.1674°，比優(yōu)化之前的0.4334°減小了0.266°，變化范圍大幅度減小，且符合輪胎上跳呈減小的趨勢(shì)，改善了車輛直線行駛時(shí)偏擺的情況，增大了賽車直線行駛的能力，減少了輪胎的磨損[15]。

圖10 優(yōu)化后前束角對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)Adams/car軟件對(duì)FSAE賽車的前懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的車輪外傾角變化減小0.1374°，減小了輪胎的磨損；主銷后傾角變化雖然增加0.009°，但是變化范圍和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)仍符合要求；主銷內(nèi)傾角變化減小0.145°，減小了輪胎的磨損；前束角變化減小0.266°，保證了賽車的直線行駛能力。整體上來(lái)看，減小輪胎磨損的同時(shí)，增大了賽車的操控性穩(wěn)定性，縮短了開(kāi)發(fā)周期，為FSAE賽車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

[1] 劉偉,史文庫(kù),桂龍明,方德廣,郭福祥.基于平順性與操縱穩(wěn)定性的懸架系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(05): 1199-1204.

[2] 褚志剛,鄧兆祥,胡玉梅,熊偉.汽車前輪定位參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003(02):86-89.

[3] 段磊,劉紹娜,黃炯炯,楊耀祖.FSAE賽車車身與空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)及其仿真[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019(13):134-136.

[4] 劉偉,史文庫(kù),桂龍明,方德廣,郭福祥.基于平順性與操縱穩(wěn)定性的懸架系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,41(05): 1199-1204.

[5] 蔡章林.基于VPD技術(shù)的懸架設(shè)計(jì)及整車試驗(yàn)優(yōu)化[D].吉林大學(xué), 2007.

[6] 解來(lái)卿,王良曦,李云超.基于ANN的汽車磁力懸架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2005(03):32-35.

[7] 阮五洲.基于ADAMS懸架系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2008.

[8] 劉美燕.FSAE賽車懸架仿真分析及操縱穩(wěn)定性虛擬試驗(yàn)[D].湖南大學(xué),2008.

[9] 馬玉坤,賈策,欒延龍,胡治國(guó).ADAMS軟件及其在汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析中的應(yīng)用[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2004(04):110-113+120.

[10] 宋學(xué)前,丁華鋒,景文倩,黃成,朱令磊.FSAE賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2019,33(02):38-44.

[11] 楊榮山.轎車底盤(pán)平臺(tái)開(kāi)發(fā)中多目標(biāo)優(yōu)化方法的研究及應(yīng)用[D].華南理工大學(xué),2009.

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[13] 李嫚.FSAE賽車懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

[14] 吳健瑜,羅玉濤,黃向東.FSAE賽車雙橫臂懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011(10):120-122.

Optimization analysis of FSAE car front suspension based on ADAMS*

Zhu Linglei1, Hu Quan2, Ding Huafeng1,2, Chen Jiabin1, Lu Hang1

( 1.Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle, Hubei Xiangyang 441053;2.Hubei Tri-ring Forging CO., LTD, Hubei Xiangyang 441700 )

In order to improve the maneuverability of the vehicle, the suspension design was simulated and optimized. The FSAE racing car front suspension model was established using Catia software. The hard points of its structure were observed. A virtual prototype model of FSAE racing car front suspension was established in Adams/car for parallel wheel jump simulation. Through Adams/Insight, multi-variable optimization design was carried out for the optimization target, and hard point parameter values were modified according to the optimization results. The simulation experiment of parallel wheel jump was carried out again to compare the comprehensive performance before and after optimization. Comparing the optimization results, the variation of four-wheel positioning parameters is significantly reduced, which is conducive to the control stability of the car.

FSAE;Suspension system;Simulationanalysis;Parameter optimization

U463

A

1671-7988(2019)24-118-04

U463

A

1671-7988(2019)24-118-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.038

朱令磊，男，本科，就讀于湖北文理學(xué)院車輛工程專業(yè)，

丁華鋒，博士，講師，就職于湖北文理學(xué)院，研究方向：汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

本項(xiàng)目受到湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：Q20192605）資助。