FSAE賽車懸架分析與優(yōu)化設(shè)計

李天然，童梅，張冬忠（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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FSAE賽車懸架分析與優(yōu)化設(shè)計

李天然，童梅，張冬忠
（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

摘要：利用ADAMS軟件建立某高校FSAE賽車雙橫臂懸架的仿真模型，并對模型進行動力學(xué)仿真得到表征懸架動力學(xué)性能的參數(shù)線圖，針對這些參數(shù)進行分析并確定優(yōu)化方向及目標(biāo)，再利用ADAMS/insight模塊來設(shè)定設(shè)計變量、綜合目標(biāo)函數(shù)和約束條件進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果修改仿真模型比較優(yōu)化前后懸架的動力學(xué)性能，結(jié)果表明優(yōu)化后的懸架模型在動力學(xué)性能方面明顯有所提高，證明了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞：FASE賽車；雙橫臂懸架；Adams；建模仿真；優(yōu)化設(shè)計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U463.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-38-03

引言

FSAE（formula SAE賽車比賽）是一項由學(xué)生參與的工程設(shè)計競賽，各參賽車隊按照賽事規(guī)則及標(biāo)準(zhǔn)，以1年為周期，設(shè)計并制造出一輛小型單人座休閑賽車。對于FSAE賽事來說，懸架的設(shè)計時一項非常重要的工作，其控制車輪的運動的目的是如何發(fā)揮最大的附著力、抵抗側(cè)傾和縱傾以及校核懸架的安全性等，而輪胎是唯一直接接觸地面的車身部件，你可以想象讓輪胎以適當(dāng)?shù)姆绞浇佑|地面有多么重要，不論遇到什么樣的路面狀況或在任何速度下都要讓賽車始終處于控制之中[9]，本文以FSAE賽車懸架為研究對象，利用adams對其進行仿真，從而達到優(yōu)化的目的[2]。

（1）雙橫臂獨立懸架的建模

FSAE賽車的懸架通常是采用不等長雙橫臂加推桿減震機構(gòu)的形式，懸架具有左右對稱性，其中包括虛擬主銷、上A型臂、下A型臂、推桿、搖臂、減震器、穩(wěn)定桿拉臂、橫向穩(wěn)定桿等結(jié)構(gòu)[8]。由于FSAE賽車懸架是左右對稱的，根據(jù)硬點坐標(biāo)建立前懸架一側(cè)的模型[5]并根據(jù)懸架運動添加約束，并且將定位參數(shù)如主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪前束、車輪外傾角的變化量等作為測量函數(shù)，再將各硬點坐標(biāo)設(shè)置為設(shè)計變量DV1、DV2、DV3……DVn，再創(chuàng)建輪跳試驗臺完成初步建模。

（2）前懸架性能仿真

想要設(shè)計出性能良好的FSAE賽車懸架結(jié)構(gòu)，必須要研究懸架運動特性的變化規(guī)律，例如賽車在直線行駛時兩側(cè)輪胎是同向跳動的，而在賽車過彎道時，車身發(fā)生一定的側(cè)傾，這時的兩側(cè)懸架的跳動方向是相反的，所以在Adams中建立的試驗臺能夠簡化這一過程，在輪跳實驗中我必須對前輪定位參數(shù)[3]及其它性能參數(shù)相應(yīng)的變化規(guī)律并得到在車輪垂直跳動行程懸架各性能參數(shù)的變化曲線加以分析[4]。

將激振臺架上下激振位移設(shè)置為30mm，使左右車輪同向上下跳動，計算懸架的性能參數(shù)的變化規(guī)律。

車輪外傾角的變化范圍在（-1.92°~-0.24°），車輪跳動時外傾角的變化影響著輪胎與地面的接觸姿態(tài)，為了得到良好的附著性，其目標(biāo)是盡量使外傾角在上跳時減小，下跳時增加，保證輪胎在過彎時與地面垂直得到更好的附著力的同時避免車輪相對車身跳動時的外傾角變化過大[6]，外傾角隨車輪跳動的變化曲線，如圖1所示。

圖1　外傾角變化曲線

圖2　內(nèi)傾角變化曲線

主銷內(nèi)傾角的變化范圍在（4.26°~5.77°），內(nèi)傾角不僅影響轉(zhuǎn)向盤對車手的感覺，而且能降低轉(zhuǎn)向力矩，產(chǎn)生由車身重力引起的低速穩(wěn)定回正力矩，當(dāng)主銷內(nèi)傾角越大，轉(zhuǎn)向時對車身的抬升作用就越明顯，同時主銷內(nèi)傾角會使轉(zhuǎn)向時車輪的外傾角變大[6]，這種變大的趨勢不利于車輪實現(xiàn)更好的抓地，所以變化不宜過大，內(nèi)傾角變化曲線，如圖2所示。

主銷后傾角的變化范圍在（2.497°~2.504°），主銷后傾角可以使賽車保持直線行駛；轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生有利于輪胎抓地的外傾角變化趨勢，過大的主銷后傾角會使機械拖距很大從而會淹沒輪胎到達極限時的回正力矩突變信號[6]。而后輪不會轉(zhuǎn)向之所以設(shè)置有后傾角是因為虛擬主銷的位置以及彈性變形的影響，所以設(shè)置有后傾角來保持穩(wěn)定。其變化曲線圖如圖3所示。

圖3　后傾角變化曲線

圖4　前束角變化曲線

前束角變化范圍在（-0.57°~-0.49°），前束角的變化過大會影響直線行駛的穩(wěn)定性和加劇輪胎的磨損[6]，所以在設(shè)計原則上其變化應(yīng)該盡可能的小。變化曲線圖如圖4所示。

1、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

在懸架運動仿真中當(dāng)性能參數(shù)不能夠滿足我們設(shè)計的要求時，可對相應(yīng)的硬點坐標(biāo)進行調(diào)整，但是由于各個參數(shù)之間有著相互的影響[7]，所以給設(shè)計上帶來了較大的難度和工作量。利用ADAMS/INSIGHT模塊進行多目標(biāo)優(yōu)化，一般過程是對懸架的部分硬點坐標(biāo)進行多次修改迭代（把硬點坐標(biāo)看成設(shè)計變量），將懸架各部件尺寸跟硬點坐標(biāo)聯(lián)系起來（建立部件的參數(shù)化過程，部件會隨硬點坐標(biāo)的變化而變化），達到優(yōu)化定位參數(shù)的目的。

1.1設(shè)計變量和參數(shù)化

在優(yōu)化之前，首先要確定設(shè)計變量，性能參數(shù)是因變量是我們需要優(yōu)化的量，所以將硬點坐標(biāo)設(shè)置為設(shè)計變量，例如上A型臂前點XYX坐標(biāo)分別設(shè)為DV_1、DV_2、DV_3變量，依次設(shè)置上A型臂后點XYZ坐標(biāo)、下A型臂前點XYZ坐標(biāo)等等作為設(shè)計變量。接下來就是參數(shù)化過程，在優(yōu)化過程中設(shè)計變量是會不斷修改迭代變化的，那么根據(jù)這些硬點坐標(biāo)建立的模型部件也應(yīng)該隨之變化，編寫帶入設(shè)計變量DV_的函數(shù)式子，使其滿足變化要求。

1.2敏感度

圖5

在優(yōu)化過程如果對其全部進行分析，會增加很多不必要的工作量，利用INSIGHT模塊DOE分析，可以得出不同的設(shè)計變量在一定的范圍內(nèi)對優(yōu)化目標(biāo)響應(yīng)的影響程度，本文對上述5個參數(shù)：外傾角、內(nèi)傾角、后傾角、前束角、進行因素響應(yīng)分析，上圖給出了對這些參數(shù)影響較大的幾個設(shè)計變量的結(jié)果。

根據(jù)上圖參照可得出修改、調(diào)整影響較大的硬點坐標(biāo)值作為設(shè)計變臉來進行優(yōu)化設(shè)計，DV_2、DV_5、DV_8、DV_14對定位參數(shù)影響大，其實所有標(biāo)量對所有目標(biāo)值都有或多或少的影響，但是這些值更重要的作用是來適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求，確定其為最終的設(shè)計變量，其余坐標(biāo)固定不變。

1.3約束條件

由于FSAE賽車采用的是鋼架管陣車架，懸架的A型臂是通過安裝吊耳焊接在車架鋼管上面的，也就是說A型臂與車架連接點的坐標(biāo)是受到空間結(jié)構(gòu)上的限制的，所以在進行迭代優(yōu)化時，坐標(biāo)值得變化是有上下限制的，此外，由于轉(zhuǎn)向機構(gòu)、輪邊立柱與懸架系統(tǒng)都是相互聯(lián)系的，為了不發(fā)生干涉現(xiàn)象，設(shè)計變量基于初始值的變動量范圍限制在（-5mm—+5mm）之間。

2、優(yōu)化后的分析結(jié)果

優(yōu)化后車輪定位參數(shù)隨車輪跳動變化曲線，如下圖所示。

圖6　優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角變化

圖7　優(yōu)化前后主銷后傾角變化

圖8　優(yōu)化前后車輪外傾角變化

圖9　優(yōu)化前后前束角變化

由曲線可以看出，優(yōu)化后的車輪和主銷參數(shù)變化更為合理，其中外傾角變化量比優(yōu)化前的3°減小到1.5°，而且滿足隨車輪上跳時朝負(fù)值方向變化，下跳朝正值方向變化的設(shè)計要求；內(nèi)傾角變化量較優(yōu)化前2.85°減小到1.25°，且也滿足設(shè)計要求；后傾角變化量從優(yōu)化前的0.1°減小到0.05°，且變化趨勢對整車操穩(wěn)性有力符合上跳增加、下跳減小的設(shè)計要求，起到了補償急剎和急加速造成的變化量；前束角的變化量減小到0.05°范圍內(nèi)，減小了磨胎且負(fù)前束配合負(fù)外傾角有利于跳動時外傾角的變化趨勢趨于垂直于地面。對前懸架進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計后，各個參數(shù)隨車輪跳動的變化范圍都減小了且在接受范圍內(nèi)，總體來說，前懸架的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計有顯著提高性能的結(jié)果，同時也驗證了其方法的有效性和正確性。

3、總結(jié)

近年來隨著FSAE賽事的發(fā)展，越來越多的高校加入其中，在不久的將來也會有更多的高校及愛好賽車的組織加入其中，為了節(jié)省時間和金錢，我們可以利用ADAMS建立FSAE賽車模型并進行仿真優(yōu)化設(shè)計，利用Adams/insight模塊通過設(shè)定設(shè)計變量，綜合目標(biāo)函數(shù)和約束條件進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計并且得到的優(yōu)化懸架綜合性能得到明顯提高，且利于開發(fā)和設(shè)計滿足規(guī)則和需求的FSAE賽車，為FSAE賽車懸架設(shè)計制造和調(diào)試提供指導(dǎo)參考作用。

參考文獻

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機械工業(yè)出版社, 2002.

[2]劉虹,王其東.基于ADAMS雙橫臂獨立懸架的運動學(xué)仿真分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007, 30(1):57-59.

[3]于海峰,于學(xué)兵.基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架優(yōu)化仿真分析[J].機械設(shè)計與制造,2007(10):56-58.

[4]郭孔輝.汽車操縱動力學(xué)[M].長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1991.

[5]MILLIKEN W.F., MILLIKEN D. L,Race Car Vehicle Dynamics[M]. Warren dale SAEInternational,1994.

[6]鳩田幸夫,渡邊衡三，關(guān)根太郎.汽車設(shè)計制造指南[M]. 王利榮等譯,北京:機械工業(yè)出版社,2011.1.

Formula SAE Car Suspension Analysis and Optimization Design

Li Tianran, Tong Mei, Zhang Dongzhong
( University of changan automobile institute, Shaanxi Xi 'an 710064 )

Abstract：ADAMS software is used to establish the simulation model of a university's FSAE racing double arm suspension, and the parameters of the suspension dynamic performance are analyzed and the optimization directi- on and target are analyzed. Then the dynamic performance of the suspension model is improved. The results show that the optimization design is correct and effective.

Keywords:FASE racing; Double arm suspension; Adams; Modeling simulation; Optimization design

中圖分類號：U463.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-38-03

作者簡介：李天然，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。