侯小舸 楊云珍

摘要：為了提高賽車的操控穩(wěn)定性和行駛平順性，優(yōu)化懸架的參數(shù)設(shè)計(jì)。在ADAMS中建立懸架系統(tǒng)的模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析重要懸架參數(shù)，根據(jù)分析結(jié)果修改懸架硬點(diǎn)，優(yōu)化懸架參數(shù)。獲得一套性能優(yōu)良的懸架參數(shù)，懸架系統(tǒng)的性能得以提高。經(jīng)過仿真賽車的懸架參數(shù)都已確定，通過硬點(diǎn)修改也使得其他性能參數(shù)也有所提高，利用ADAMS對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真節(jié)省時(shí)間，能夠高效地實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：懸架 巴哈賽車 ADAMS 運(yùn)動(dòng)仿真 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2020） 07-0017-03

引言

巴哈源自西班牙語(yǔ)“baja”，中文含義是越野。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽是由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)舉辦的一項(xiàng)面向全國(guó)大學(xué)生的賽事，參賽車隊(duì)要在規(guī)定的一年時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)制造出一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)、單座的小型越野車[1]。賽事項(xiàng)目包括牽引賽、直線加速賽、四小時(shí)耐久賽等，賽道情況十分惡劣，因而設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定、性能優(yōu)良的懸架系統(tǒng)十分重要。對(duì)于越野賽車而言，懸架是巴哈賽車的重要組成部分，其設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于滿足汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求。基于ADAMS軟件對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尋求動(dòng)態(tài)下懸架各參數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)變化規(guī)律修改設(shè)計(jì)懸架硬點(diǎn)與參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)下的懸架參數(shù)符合初定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過對(duì)模型進(jìn)行不同工況的仿真分析，最終優(yōu)化出一套平順性和操縱穩(wěn)定性良好的懸架系統(tǒng)。

一、設(shè)計(jì)目標(biāo)與思路

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)

巴哈賽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是在滿足規(guī)則要求的前提下，選取合適的懸架類型，設(shè)計(jì)出一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有良好導(dǎo)向與減震性能的懸架系統(tǒng)，通過優(yōu)化懸架硬點(diǎn)，以提升整車的操控穩(wěn)定性與平順性，并在此基礎(chǔ)上盡可能地從結(jié)構(gòu)和材料方面實(shí)現(xiàn)輕量化。具體設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：

減小輪胎跳動(dòng)過程中車輪定位參數(shù)的變化。車輪定位參數(shù)包括車輪外傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角?？s小這四組參數(shù)在動(dòng)態(tài)下的變化范圍，以提升賽車應(yīng)對(duì)各種工況時(shí)的操控穩(wěn)定性。

通過提高懸架的側(cè)傾角剛度以提升懸架系統(tǒng)的抗側(cè)傾性能，提升轉(zhuǎn)彎、過障工況下的橫向穩(wěn)定性。

輕量化。在滿足規(guī)則要求和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡可能地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量。

（二）設(shè)計(jì)思路

巴哈賽車懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路為：首先初定一套懸架硬點(diǎn)及參數(shù)，設(shè)定預(yù)期的懸架性能，例如極限過彎工況T的側(cè)傾角、車輪定位參數(shù)在輪胎跳動(dòng)過程中的變化范圍等。根據(jù)初定的懸架參數(shù)及硬點(diǎn)，在ADAMS中進(jìn)行建模，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，分析仿真結(jié)果，分析結(jié)果是否滿足預(yù)期的懸架性能，若不滿足，則修改初定的懸架硬點(diǎn)及參數(shù)，再利用修改后的懸架參數(shù)進(jìn)行建模與運(yùn)動(dòng)仿真，直至仿真結(jié)果符合預(yù)期的懸架性能。設(shè)計(jì)思路圖如圖1：

二、初步設(shè)計(jì)懸架系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)

（一）確定懸架類型

前懸架采用雙橫臂式獨(dú)立懸架，這種懸架具有良好的操控性，能提供較好的側(cè)向支撐與橫向剛性，同時(shí)對(duì)于行駛工況惡劣的巴哈賽車而言，也能保證一定的穩(wěn)定性。

后懸架采用斜置單縱臂式懸架，并另外加兩根限位拉桿限制輪胎的自由度，結(jié)構(gòu)上與多連桿式懸架也頗為相似。這種懸架形式優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，后輪限位穩(wěn)固，具有較高的參數(shù)調(diào)校上限。

（二）前懸架幾何設(shè)計(jì)

在前懸架幾何設(shè)計(jì)中，主銷的參數(shù)是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，主銷后傾角決定主銷拖距，而拖距影響賽車的回正力矩[2]，由于巴哈賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特性，的確需要一定的回正力矩，所以初步將主銷后傾角定在4.5°，主銷拖距為5.5mm;關(guān)于主銷內(nèi)傾角，設(shè)計(jì)方向是盡可能地減小主銷偏移距，盡可能選取較大的主銷內(nèi)傾角，并提高下球銷的高度，但也要考慮到前轉(zhuǎn)向節(jié)的加工制造與受力問題，故初步將主銷內(nèi)傾角確定為10.3°，主銷偏移距為40.6mm。

主銷的位置確定后，再選擇合適的側(cè)傾中心高度，這一參數(shù)反映著懸架的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與載荷轉(zhuǎn)移規(guī)律。側(cè)傾中心高度的確定主要是權(quán)衡兩個(gè)方面，一是車身的側(cè)傾，二是車輪隨車身的外傾。車身的側(cè)傾主要與質(zhì)心高度和側(cè)傾中心高度的差值有關(guān)，而車輪的外傾主要與由懸架擺臂布置決定的側(cè)傾外傾變化率和由胎內(nèi)壓強(qiáng)決定的輪胎徑向剛度有關(guān)，巴哈賽車的質(zhì)量較輕，側(cè)傾時(shí)的載荷轉(zhuǎn)移并不足以對(duì)輪胎壓強(qiáng)造成太大的變化，故初步確定側(cè)傾中心高度為168.1mm，計(jì)算得側(cè)傾外傾變化率為41%，如圖2。

（三）后懸架幾何設(shè)計(jì)

前后懸架是相互關(guān)聯(lián)，密不可分，因此前后懸架幾何的設(shè)計(jì)是同時(shí)進(jìn)行的。后懸架由于后立柱的結(jié)構(gòu)原因，是—種無主銷結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單一些。后懸架的側(cè)傾中心高度的確定是在前懸的側(cè)傾中心高度確定之后，為了匹配前懸的側(cè)傾中心高度，得到合適的側(cè)傾軸線，初步將后懸的側(cè)傾中心高度定在205.6mm。側(cè)傾中心高度關(guān)系到后擺臂與車架連接硬點(diǎn)的位置。對(duì)于單縱臂的懸架，側(cè)傾中心高度的具體確定方法如下：在正視圖中，先確定側(cè)傾中心和輪胎與地面的接觸點(diǎn)的連線，而后擺臂在正試圖上的角度與該連線的角度相同，如圖3。

（四）彈性元件彈簧剛度的確定

理論整車空載質(zhì)量165kg，車手質(zhì)量75kg，滿載質(zhì)量240kg。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，巴哈賽車的簧上質(zhì)量占整車質(zhì)量的75% -80%。初步估計(jì)簧上質(zhì)量為240×78%=187.2kg，加上泥沙質(zhì)量最后實(shí)際滿載簧上質(zhì)量估為200kg，前后軸荷比為45：55，計(jì)算得前后質(zhì)量為msl=90kg，ms2=110kg。一般汽車前后懸架偏頻之比約為nl/n2=0.85-0.95，初步選取偏頒前懸架n1=2.5Hz，后懸架偏頻為2.8Hz，nl/n2=0.89。合理的汽車前后懸架偏頻之比為nl/n2=0.85 -0.95，因此初定的前后懸架偏頻之比符合要求。汽車前后懸架偏頻、懸架剛度與簧載質(zhì)量之間有如下關(guān)系[3]：

式中：n——懸架偏頻，單位為Hz;

Cs——懸架剛度，單位為N/m;

ms——簧載質(zhì)量，單位為kg。

將前、后懸架的簧載質(zhì)量與偏頻代入（1）式得到前、后懸架剛度分別為：

Csl=22814N/m Cs2=34011N/m

根據(jù)懸架偏頻與靜撓度的關(guān)系求出懸架靜撓度，根據(jù)懸架的運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算出彈性元件的靜撓度，結(jié)合前后輪的載荷，由下式計(jì)算出彈性元件的彈簧剛度。

式中：F——輪胎載荷，單位為N;

fw——彈性元件的靜撓度，單位為m;

θ——減振器軸線與水平面的夾角，單位為rad;

Cd——彈性元件的彈簧剛度，單位為N/m。

計(jì)算得前后彈性元件得彈簧剛度為：

Cdl=26707N/m Cd2=27064N/m

三、建立仿真模型

借助ADAMS虛擬樣機(jī)分析軟件，對(duì)巴哈賽車前后懸架進(jìn)行建模運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以得到想要的車輪和懸架定位參數(shù)的變化情況，仿真的基礎(chǔ)就是所建立的模型，因而首先就要根據(jù)所設(shè)計(jì)的懸架參數(shù)來確定懸架各個(gè)硬點(diǎn)的位置坐標(biāo)，在ADAMS/CAR模塊中對(duì)前后懸架分別進(jìn)行建模[4]。絕大部分的建模工作都需在模板建立器中完成。一個(gè)懸架模板定義了該系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)、部件、幾何體、部件之間的運(yùn)動(dòng)副，乃至彈簧、襯套、減震器的各項(xiàng)參數(shù)。

根據(jù)需要，分別建立了前后懸架的模型，前懸架采用雙橫臂式獨(dú)立懸架，模型修改自MSC公司提供的懸架模板，轉(zhuǎn)向節(jié)與上下橫臂采用球副連接。后懸架采用多連桿式獨(dú)立懸架，由于一些部件的連接方式與多連桿懸架有較大差別，故后懸架模型完全是自主建立。后擺臂與后立柱固連，擺臂的另一端與車架采用球副連接，兩根拉桿與后立柱均通過球副連接。傳動(dòng)半軸采用等速副與車架相連[5]。前后懸架系統(tǒng)的裝配如圖4、5。

四、運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

在ADAMS/CAR模塊中分別對(duì)前后輪進(jìn)行平行輪跳動(dòng)仿真嘲，仿真內(nèi)容為輪心在初始狀態(tài)下（滿載平衡）做行程為[-100mm，100mm]的平行跳動(dòng)。設(shè)置好幾何體的參數(shù)、運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)范圍、減震器的參數(shù)后，就開始進(jìn)行平行輪跳動(dòng)仿真，觀察跳動(dòng)過程中的車輪外傾角、主銷后傾角、車輪前束角、主銷內(nèi)傾角的變化規(guī)律。通過四輪定位參數(shù)變化情況來評(píng)價(jià)懸架的操控穩(wěn)定性與平順性。仿真環(huán)境如圖6。

（二）數(shù)據(jù)處理及優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用ADAMS/insight模塊進(jìn)行懸架參數(shù)的優(yōu)化[6]，優(yōu)化思路為：令車輪定位參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇懸架硬點(diǎn)的三坐標(biāo)作為自變量，設(shè)置自變量的變化范圍，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)值為車輪定位參數(shù)，根據(jù)車輪定位參數(shù)的變化規(guī)律，修改懸架硬點(diǎn)的坐標(biāo)，再次進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，再次進(jìn)行優(yōu)化，直至實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)值在預(yù)期范圍內(nèi)。

在前懸架的參數(shù)優(yōu)化中，選擇上擺臂的前、后硬點(diǎn)的x、z方向上的坐標(biāo)值作為優(yōu)化變量，選擇主銷的上、下球銷的x、y、z方向上的坐標(biāo)值為優(yōu)化變量，設(shè)置坐標(biāo)的變化范圍為[-5mm，5mm]，車輪定位參數(shù)作為響應(yīng)值，進(jìn)行迭代仿真。在后懸架的參數(shù)優(yōu)化中，選擇后擺臂與車架連接點(diǎn)的x、y、z方向上的坐標(biāo)值為優(yōu)化變量，選擇兩根后連桿與后立柱連接點(diǎn)的x、y方向上的坐標(biāo)值為優(yōu)化變量，車輪定位參數(shù)作為響應(yīng)值，進(jìn)行迭代仿真。

將每次優(yōu)化后的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab中進(jìn)行對(duì)比[7]，得出輪胎定位參數(shù)隨輪胎跳動(dòng)的變化曲線，分析出性能最為優(yōu)秀的一組硬點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而得到最終的一組懸架參數(shù)。優(yōu)化前后的對(duì)比曲線如圖7-9。 獲得的曲線中虛線代表初始設(shè)定（沒有經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)）的參數(shù)變化，實(shí)線代表優(yōu)化后的參數(shù)變化。從圖7中可以得知優(yōu)化后的主銷后傾角變化范圍，從[-0.75，1]縮小至[-0.5，0.75]，優(yōu)化后的曲線斜率也有所降低;從圖8中可以得知優(yōu)化后的前輪前束角變化范圍，從[0.6，1.7]縮小至[0.7，1.5]，優(yōu)化后各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的斜率相比優(yōu)化前的也都有所下降。從圖9中可以得知優(yōu)化后的后輪外傾角變化范圍，從[-0.8，1.2]縮小至[-0.6，0.75]，優(yōu)化后的曲線斜率也有所降低。

通過多組曲線可以得出，在行程為[-100mm，100mm]的平行輪跳動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過硬點(diǎn)優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中的響應(yīng)值的變化范圍比優(yōu)化前的懸架系統(tǒng)的響應(yīng)值有所減小，變化速率也均有所降低，也就意味著優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)的車輪定位參數(shù)不容易隨著輪胎的跳動(dòng)而發(fā)生變化，比優(yōu)化前更為穩(wěn)定，在一定程度上說明懸架的操控穩(wěn)定性有所提升。

五、加工與制造

在懸架的各個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)確定后，懸架的各項(xiàng)參數(shù)也就隨之確定，根據(jù)這些參數(shù)，在CATIA中建立懸架系統(tǒng)的三維模型，包括減振器、螺旋彈簧、擺臂、連桿、轉(zhuǎn)向節(jié)等部件。模型如圖10。

根據(jù)所建立的模型，利用鋼管、鋼板、鋁塊等原材料，經(jīng)過切割、焊接、銑削等加工工藝進(jìn)行實(shí)物的加工與制造，最后將所制造出的懸架部件與整車進(jìn)行裝配，實(shí)物裝配圖如圖11。

結(jié)論與展望

利用虛擬樣機(jī)分析軟件進(jìn)行懸架運(yùn)動(dòng)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提是有一組設(shè)計(jì)合理的初始懸架參數(shù)和一套硬點(diǎn)坐標(biāo)精確、自由度約束準(zhǔn)確的三維模型，因而對(duì)于整個(gè)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，初定懸架參數(shù)是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中尤為重要的一步。優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程是迭代仿真并多次修改參數(shù)的過程，不斷地尋求性能更為優(yōu)異的一組懸架參數(shù)，這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠高效地提升懸架性能，十分便捷。利用ADAMS軟件在參數(shù)建模中的優(yōu)勢(shì)，建立了車輛懸架系統(tǒng)多體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型。在此模型下，對(duì)所設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效地提升懸架系統(tǒng)的操控穩(wěn)定性與行駛平順性。

利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行懸架乃至整車的運(yùn)動(dòng)仿真，在性能參數(shù)優(yōu)化方面的確有一定的價(jià)值，作為一種輔助性質(zhì)的仿真手段，仍然存在一定的缺陷，賽車實(shí)際運(yùn)作工況下的一些影響因素仍不能在虛擬樣機(jī)中得以體現(xiàn)，所優(yōu)化后的參數(shù)對(duì)懸架性能有多少提升，不能僅僅通過仿真的結(jié)果就下結(jié)論，應(yīng)對(duì)賽車進(jìn)行實(shí)車的跑動(dòng)測(cè)試，進(jìn)行操控穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)和平順性實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證賽車的懸架性能。.

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