摘 要：項目組主要研究巴哈賽車在橫溝賽道上通過在不同速度情況下的通過性好與壞，通過在ADAMS中建立其整車模型，利用 ADAMS 整車仿真模塊完成賽車在波浪路面的駕駛仿真。隨后在ADAMS后處理模塊得到巴哈賽車底盤上5個標記點在波浪路面上的位移圖。通過分析標記點位移曲線與波浪路面中心線的間距，以此分析巴哈賽車是否會與波浪路面產生干涉，最終完成巴哈賽車在波浪路面上的通過性仿真分析，為實際制作賽車以及比賽提供理論支持。

關鍵詞：巴哈賽車 道路通過性 分析與優(yōu)化

中國汽車工程協(xié)會巴哈大賽是一項由在校大學生組隊參加的越野汽車設計、制造和檢測的比賽。比賽有耐力賽比賽，在耐力賽中，賽車將會駛過急上坡、急下坡、小溝、小土坡等各種障礙，非?？简灠凸愜囃ㄟ^性。

通過性指的是汽車能夠以一定的平均速度在各種崎嶇路面、無路地帶、障礙中穿行，不與地面產生摩擦或干涉的能力。支承通過性是汽車在惡劣路面上行駛的性能，幾何通過性是汽車在各類障礙物中行駛的性能。惡劣路面通常是松軟或坑洼不平的道路，障礙指的是陡坡、側坡、溝渠、臺階等。汽車的通過性主要取決于三個方面，分別是地面的物理性質、汽車的結構參數(shù)、幾何參數(shù)[1]。目前主流的汽車通過性的研究方法可分為理論計算分析法、實驗法與仿真分析法三項。

研究將利用ADAMS搭建整車模型，模擬巴哈賽車以勻速直線運動行駛在波浪路面的過程。在ADAMS/Car后處理分析模塊中，通過對比巴哈賽車底盤五個標記點坐標的縱 向位移與路面模型中心曲線是否重合，完成巴哈賽車的道路通過性分析。為了提高通過性結果的可信度，保持其他設定參數(shù)不變的情況下，對巴哈賽車在不同速度下的標記點運動軌跡進行分析。

1 巴哈賽車各系統(tǒng)概述

文章將利用ADAMS對巴哈賽車進行道路通行性分析，在仿真分析前需要深入了解該賽車的相關參數(shù)，為后續(xù)的建模仿真打下基礎。研究對象為2022年設計的賽車，總長2065mm，總高1330mm，軸距1540mm，整車整備質量約為272kg。現(xiàn)就發(fā)動機與傳動系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉向與制動系統(tǒng)這三大方面對賽車進行概述。

四沖程、風冷的百力通M19型號發(fā)動機是官方指定的所有參賽車輛汽油機，發(fā)動機轉速在2400rpm～3500rpm 之間。在此轉速范圍內，發(fā)動機最高扭矩應為18.75Nm，對應的發(fā)動機轉速為2600rpm。

汽車傳動系統(tǒng)是位于發(fā)動機與驅動車輪之間的動力傳動裝置[2]。賽車采取的傳動系統(tǒng)布置方案為適時四驅，并且以后輪為主要驅動輪，通過分動器傳動比大于主減速器傳動比實現(xiàn)后驅與四驅的轉換。即在一般路面上賽車是輛后輪驅動的賽車，但遇到急加速或轉彎情況下出現(xiàn)車輪打滑與轉向過度等形成車輪轉速差時，將采用四輪驅動方式擺脫困境，以此提高賽車的通過性。文章分析的是波浪路面上巴哈賽車通過性，故此時賽車應以后輪驅動為主。

賽車行駛系統(tǒng)結構包含懸架、車架、車輪，這屬于輪式汽車。綜合考慮不同懸架對平順性、操控穩(wěn)定性的影響，賽車前懸采用等長雙橫臂式懸架，后懸采用拖曳臂式懸架。

賽車防滾架即為車架。防滾架后支撐框架模式，如圖1所示。

賽車安裝豪潤AT23*7-10輪胎，通過齒輪齒條式轉向系統(tǒng)改變汽車行駛方向，前后輪均利用浮鉗盤式制動器進行人力制動。

2 確定各系統(tǒng)參數(shù)以及幾何模型

在ADAMS中起到確定空間位置作用的點是硬點、結構框與標記點。硬點是各零件連接處，沒有方向的點。結構框則包含位置與方向。標記點是部件的點元素，具有位置與方向屬性。因此在建模前需要對汽車各部件硬點進行測量并記錄對應坐標。標記、測量硬點前需要建立整車坐標軸，ADAMS中設定汽車后退方向為X軸正方向并遵循右手坐標系。

2.1 懸架系統(tǒng)硬點測量

懸架系統(tǒng)所需測量的硬點包括上下懸臂的前、后、外點，減震器內外點等，由于車輛懸架結構左右對稱，故僅在巴哈賽車右側構建硬點并測量，前后懸的硬點如圖2、圖3所示。利用 CATIA 中的測量工具對各連接點進行坐標測量，獲得前后懸架系統(tǒng)硬點坐標。

等長雙橫臂式前懸的建?？赏ㄟ^更改ADAMS軟件中自帶的雙橫臂懸架模型完成。進入ADAMS專家模式，打開樣板（Open Template）搜索選擇樣板庫，并選擇其中的._double_wishbone.tpl 文件。

系統(tǒng)自帶的雙橫臂懸架模型，由于在波浪路面上后驅為主要驅動方式，因此需要刪除驅動軸部件。通過輸入硬點坐標，獲得與目標懸架大致相似的模型。最后通過刪除下懸臂橫桿的結構框，將減震器下點襯套連接對象更改為上懸臂，更改對應參數(shù)等步驟，完成前懸架的建模。巴哈賽車前懸架建模如圖4所示。

拖曳臂式后懸的建模同樣可通過更改ADAMS軟件中自帶的雙橫臂懸架模型完成。但后懸系統(tǒng)需要對驅動軸進行建模，故無需刪除驅動軸硬點。同時后懸系統(tǒng)無轉向結構，需要刪除轉向拉桿相關硬點。具體建模步驟與前懸建模類似，故不在此贅述。后懸模型如圖5所示。

2.2 轉向系統(tǒng)的建模

在賽車的CATIA模型中，分別選取轉向系統(tǒng)所需要測量的硬點，測量其坐標值。賽車轉向系統(tǒng)為齒輪齒條式轉向系統(tǒng)，可通過修改樣板庫中的_rack_pinion_steering.tpl文件完成建模，該文件是ADAMS的齒輪齒條轉向器的模板。通過修改硬點坐標，完成轉向系統(tǒng)模型構建。轉向系統(tǒng)建模如圖6所示。

2.3 車身建模

在ADAMS/Car后處理分析模塊中，需要獲取賽車底盤標記點的縱向位移用于分析賽車通過性。需要在賽車中建立多個標記點并且記錄其坐標。車身結構較為復雜，為簡化建模工作，將車身簡化成質量塊的形式。車身系統(tǒng)通過修改樣板庫中的rigid_chassis.tpl文件中的硬點完成建模，在普通部件ges_chassis中將質量塊修改為272kg，最終車身模型如圖7所示。

2.4 輪胎建模

在ADAMS/Car中提供了大量的輪胎模型，本文建模選擇是Pacejka’89輪胎模型，在專家模式打開樣板庫中的_handling_tire.tpl文件，修改輪胎屬性文件使其與賽車輪胎匹配，輪胎模型如圖8所示。

2.5 動力系統(tǒng)與制動系統(tǒng)建模

動力系統(tǒng)可簡化成通過一個剛體旋轉以控制動力輸出，因此只需要獲取發(fā)動機硬點坐標，修改屬性文件即可完成整車建模。同時樣板庫中的_powertrain.tpl文件為建模提供了模板。動力系統(tǒng)模型如圖9所示。

模擬賽車以勻速直線運動行駛在波浪路面的過程，對制動系統(tǒng)無過多要求，因此可直接調用樣板庫中的_brake_system_4Wdisk.tpl文件作為賽車的制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)模型如圖10所示。

2.6 整車建模

將上述各建模從模板轉化成對應的子系統(tǒng)，并確保各子系統(tǒng)間的通信器能一一對應。在標準模式界面點擊新建整車模型，選擇對應的子系統(tǒng)模型。整車模型如圖11所示。

3 賽車整車道路仿真分析

3.1 大賽賽道布置說明

如圖12所示，中國汽車工程學會大賽的耐力賽地圖中包含急坡、橫向溝、炮彈坑、斜坡、小土堆、連續(xù)五飛坡、連續(xù)急彎路等各種崎嶇路況。本文將針對橫向溝（波浪路面）的路況進行賽車的通過性分析。對比系統(tǒng)自帶的各種路面模型，發(fā)現(xiàn)樣板庫中的 2d_sine.rdf 文件（波浪路面）與橫向溝道路結構相似，故選取此道路模型文件進行仿真分析。ADAMS/Car 標準模式完成賽車整車建模后，依次點擊simulate）——整車仿真（Full—Vehicle Analysis）——直線仿真事件（Straight—Line Events）——勻速直線運動（maintenance）。打開設定表，完成設定過程。仿真過程設定以15km/h、30km/h、45km/h以及60km/h等速度勻速直線通過波浪路面。依次輸入文件名、步長、步數(shù)、速度，選取道路模型為2d_sine.rdf等。系統(tǒng)開始模擬仿真，當信息框提醒時仿真完成，自此仿真過程完成。

3.2 ADAMS/Car 仿真結果分析

同一車輛在相同路面下以不同車速行駛時，通過性表現(xiàn)不同[3]。需要保持其他設定參數(shù)不變的情況下，對賽車在15km/h、30km/h、45km/h與60km/h速度下的標記點運動軌跡進行分析，以完善賽車橫向溝道路通過性的分析。

3.2.1 車速30km/h的賽車通過性

仿真結束后可在ADAMS/Car中自帶的后處理分析模塊進行結果分析。點擊添加曲線，將五個標記點運動軌跡曲線添加至圖表區(qū)。由于ADAMS整車路面仿真中存在路面坐標系與整車坐標系兩個不同的坐標系，所以在導入各標記點軌跡時，需要根據標記點離地間隙，將其在Z軸方向平移。s1、s2點離地間隙為260.2mm，s3、s4點離地間隙為 236.5mm，s5點的離地間隙為235.3mm。各標記點軌跡如圖13所示。

觀察圖13所示曲線，發(fā)現(xiàn)s1點與s2點在X-Z平面上軌跡重合，同樣軌跡重合的還有s3與s4點。推測出現(xiàn)軌跡重合的原因為賽車左右對稱且行駛在波浪路面上。為簡化分析過程，可通過對比分析s1、s3與s5點的運動軌跡與道路中心曲線是否重合，從而完成賽車在波浪路面的道路通過性分析。選取s1、s3與s5點的運動軌跡并導入路面中心曲線，如圖14所示，s1點行駛過程中離地間隙最大約為 450mm，最小約為200mm，平均離地間隙325mm；s3點行駛過程中離地間隙最大約為350mm，最小約為100mm，平均離地間隙225mm；s5點行駛過程中離地間隙最大約為365mm，最小約為175mm，平均離地間隙270mm。對比可得，賽車以30km/h速度行駛過程時后端離地間隙最小，最小為100mm，仍在安全距離范圍內。

由此可得，賽車以30km/h的速度行駛在波浪路面時，賽車最前端、最后端與底盤中心均與路面保持一定距離，不會與路面發(fā)生摩擦或干涉，即賽車在30km/h速度下，行駛在橫向溝路通過性表現(xiàn)良好。

3.2.2 不同速度下賽車通過性分析

將不同車速下的s1、s3點與s5點平均離地間隙整理成表進行對比，如表1所示。由表1得，賽車在不同車速下道路通過性不同。在波浪路面上，當賽車以45km/h的速度行駛時賽車前、中、后端平均離地間隙均在安全范圍內，且整車平均離地間隙最大，此時道路通過性最好。當賽車以15km/h的速度行駛時賽車后端平均離地間隙較小，且整車平均離地間隙也最小，此時道路通過性一般。車手應該避免以15km/h的速度行駛在該路況下。

4 結論

依照賽車各系統(tǒng)結構通過ADAMS/Car模擬仿真，仿真過程為賽車以30km/h的速度勻速直線通過波浪路面模型。后處理模塊中調取各標記點運動軌跡曲線與道路中心曲線并進行對比。通過對比各標記點與路面中心曲線的距離，完成賽車的橫向溝通過性分析。

為了提高通過性結果可信度，保持其他設定參數(shù)不變的情況下，對賽車在15km/h、30km/h、45km/h與60km/h速度下的標記點運動軌跡進行了分析。賽車以30km/h以上的車速行駛在波浪路面時道路通過性良好；以15km/h的車速行駛在波浪路面時道路通過性一般，但依舊能通過波浪路面，不與地面發(fā)生摩擦或干涉。

參考文獻：

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[2]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

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