FSAE賽車雙橫臂式前懸架運動學仿真及優化

徐晶 李磊 單金良

揚州大學 機械工程學院 江蘇省揚州市 225127

1 引言

懸架系統是汽車的重要部件，其設計好壞對車輛行駛平順性、操縱穩定性和安全性有著重要的影響。在車輛懸架的設計及優化中，以多剛體動力學 ADAMS 軟件為基礎的懸架運動學分析成為了一種常用手段。 在FSAE賽車設計中，采用雙橫臂式獨立前懸架，通過ADAMS/Car模塊建立該懸架的虛擬樣機模型，進行運動學仿真，并利用ADAMS/Insight進行優化仿真，最終獲得優化結果，改善了懸架系統的性能，從而達到優化設計的目的。

2 雙橫臂式前懸架建模

根據賽車的懸架特性和性能要求，本文設計了雙橫臂式獨立前懸架，綜合確定其主要參數，運用CATIA軟件對該前懸架進行三維設計，其參數化模型如下圖1（a）所示。同時通過提取三維模型的主要硬點坐標值，修改懸架彈簧、減振器的相關參數，并確定主要部件的連接關系，建立了不等長雙橫臂前懸架的運動學模型，通過引入ADAMS /Car的標準懸架實驗平臺，最終完成了雙橫臂前懸架仿真模型，如下圖1（b）所示。

3 前懸架運動學仿真

FSAE賽車前懸架具有多自由度的運動要求和非常嚴苛的空間及運動學約束條件，是非常典型的運動學優化目標對象。首先對其進行平行跳動仿真實驗，步長為50，車輪跳動范圍為±30mm，仿真結束后，通過ADAMS后處理模塊，可以獲得多種表征懸架性能的參數隨車輪跳動而變化的曲線，結果如下：

（1）主銷內傾角與后傾角變化規律

圖2中前懸主銷內傾角在車輪上下跳動30mm行程內，從11.1°變化到12.8°，變化了1.7°。前懸主銷后傾角在車輪上下跳動30mm行程內，從1.051°變化到1.057°，變化了0.006°。上述兩個角度均在合理變化范圍內，不需要進一步優化。

（2）前輪外傾角和前束角變化規律：

圖3中車輪外傾角變化范圍是 -0.89°到0.81°，變化量為1.7°；車輪前束角變化范圍是 -1°到1.27°，變化量為2.27°，這兩角度的變化幅度較大。考慮到車輪跳動時外傾角的變化對車輛的穩態響應特性等有很大的影響，且為保持汽車直線行駛，所以外傾角和前束角均設計為負值。通過上述仿真分析，本文設計的懸架需要進行進一步的優化設計，以獲得最佳性能。

圖1 前懸架運動學仿真模型

4 前懸架多目標優化分析

Adams 軟件的一個Insight子模塊具有強大的實驗設計功能，可以通過多因素設計，對復雜的懸架動力學問題進行非常便捷的流程化優化。通過對賽車前懸架的多因素設計變量的數量、水平以及特性進行分析，制定如下試驗設計方案。

圖2 主銷內傾角和主銷后傾角變化曲線

圖3 前輪外傾角和前輪前束角變化曲線

（1）設定目標變量和設計變量：根據上述仿真分析結果，前懸外傾角和前束角設置為優化的目標變量，上下橫臂的四個內點坐標變量對這兩個參數變化有較大影響，選擇其Y、Z坐標設置為八個設計變量，變化范圍為-5～5mm。

（2）試驗設計的運行：通過設置試驗相關參數，運行之后得到設計變量對目標變量的影響程度，直觀地反映了設計變量對目標變量影響重要性程度結果如下：

從上圖中可以看出上橫臂后點的Y、Z和下橫臂前后點的Z等四個設計變量對前懸外傾角和前束角的影響顯著。

（3）優化分析：利用Adams軟件的Insight模塊，建立標準的懸架優化模型，首先固定對目標變量影響不大的四個設計變量值，并設定其余顯著設計變量的預期值和權重百分比，最后運行其結果如上表所示。

表1 前懸架優化設計結果

為驗證優化結果的正確性，將優化后設計變量的值重新輸入前懸架運動學仿真模型，重新仿真，并輸出優化前后懸架運動學特性前輪外傾角和前懸前束角變化結果，其結果如下：

圖5 優化前后前輪外傾角和前束角對比

圖中實線為優化前曲線，虛線為優化后曲線，可以看出通過對前懸架進行多目標優化設計后，前輪外傾角和前束角兩個參數在相同的車輪跳動行程內，其變化范圍明顯變小，進一步驗證了優化模型的正確性，同時也改善了FSAE賽車的操控穩定性，提升了前懸的性能。

5 結語

本文在ADAMS/Car模塊中建立了FSAE賽車雙橫臂獨立懸架的運動學仿真模型，并對其進行了運動學仿真分析，利用 ADAMS/Insight 模塊通過設定設計變量、綜合目標函數和約束條件對前懸架進行了多目標優化設計。最終實例優化結果表明，通過適當修改懸架相關硬點坐標值，可使賽車懸架綜合性能得到明顯提高，并為FSAE 賽車整車懸架的設計、制造和調試提供了一定的參考作用。