基于ADAMS/Insight的雙橫臂懸架硬點優化

覃紫瑩,廖抒華,陸潤明,黎炯

(廣西科技大學汽車與交通學院，廣西柳州 545000)

0 引言

中國大學生巴哈大賽(Baja SAE China)是由中國汽車工程學會主辦的大學生小型越野車競賽。根據比賽要求，參賽隊伍在一年內按照參賽規則自行設計、制造一輛符合比賽標準的小型越野車[1]。由于設計時間的局限性，且要保證賽車的整體性能，所以對巴哈賽車設計工作者提出了極高的要求。因此在短時間內需要一個良好的設計方法來有效地保證賽車設計質量，以及符合賽事根本要求。本文作者針對巴哈賽車的懸架設計，探索一種快速、準確的設計方法，有效提高懸架設計的工作效率，以及縮短巴哈賽車前懸架的開發周期。

1 懸架仿真模型的建立與運動學仿真

從三維模型中獲取懸架各硬點的坐標，在ADAMS/Car中建立多體動力學仿真模型。在ADAMS/Car中創建部件，具體如下：由部件間的運動關系，輪轂通過旋轉副與轉向節連接，轉向節通過球鉸副與轉向橫拉桿連接，減振器下滑柱通過萬向副與懸架下擺臂連接，減振器上滑柱通過萬向副與車身子系統連接，轉向節通過軸套分別與上、下控制臂連接，上、下控制臂通過旋轉副與車架連接[7]，定義通信器，建立多體動力學模型如圖1所示。

圖1 雙橫臂懸架多體動力學仿真模型

定義與前懸架系統分析相關的車輛參數如下：輪胎自由半徑為127 mm，輪胎徑向剛度為220 N/mm，簧上質量為178 kg，質心高度為440 mm，軸距為1 380 mm。此外，定義平衡位置前輪定位參數如下：前束值為1°，車輪外傾角為1°[5]。根據懸架系統的動撓度的設計和實際測量，選擇車輪上、下跳動高度設定分別為上跳+100 mm、下跳-30 mm，修改好彈簧剛度、彈簧預載等參數后，借助ADAMS/Car模塊，對懸架仿真模型做雙輪同向激振仿真試驗。

2 ADAMS/Insight實驗設計

進入DOE Interface操作板塊，建立目標函數。依次將與前懸架系統分析相關的車輛參數建立為優化目標，選擇設計目標分析的數值類型，進行分析腳本設定以后，進入ADAMS/Insight界面，確定相關的優化變量和優化目標。由于轉向節與多個部件通過運動副相連接，在結構上不便輕易改動，因此懸架上、下擺臂的外點不作為優化對象，亦即固定了靜載狀態下的主銷傾角。這樣有利于減少數值迭代次數，更容易靠近設計目標值。所以，懸架硬點的優化工作主要針對上、下擺臂的前點和后點。由于雙橫臂懸架在結構上左、右對稱，所以該試驗取前懸架左側懸架作為分析對象，在模型中其上、下擺臂的前點和后點共4個硬點，包括12個不同的坐標。另外，又由于規則對賽車前艙結構、尺寸有明確規定，加上前艙的人機工程學要求、輕量化設計要求和制動系統等的裝配需求。綜上考慮，車架橫向尺寸不便輕易改動。即在上、下擺臂的前、后點12個坐標中，Y坐標不作為優化的對象，僅對4個硬點的X、Z坐標做優化即可，即以此作為影響因素，分析其對車輛懸架相關參數的影響， 完成ADAMS/Insight實驗設計[4]。

3 各硬點坐標的影響系數

在確定影響因素和響應目標的選擇后，再進行設置相關的分析具體環境，設置完成以后，生成分析空間，接下來進行分析計算。在ADAMS/Insight模塊中選擇Display，選擇已分析的試驗項目，進入操作頁面以后，生成分析結果，把輸出結果保存到電腦，觀察所選取的各硬點坐標對懸架相關參數的影響系數，數據整理如表1所示。

表1 各硬點坐標對懸架相關參數的影響系數

4 改變硬點進行多目標優化

獲得各硬點坐標對懸架相關參數的影響系數以后，優先考慮選擇影響系數較大的坐標開始調整，作為主要優化因子，而對于影響系數較小的坐標，對優化主要起輔助調節作用。在設定的坐標變動區間內調節坐標值，文中模型選擇的變化范圍為±10 mm，不斷調節坐標值使響應對象逐步達到理想目標值以內，硬點優化前、后的坐標如表2所示。

表2 優化前、后的硬點坐標 mm

5 硬點優化前、后的懸架特性曲線對比

賽車前懸架的前束角應該保持在1°左右，其變化范圍不能太大，且應該避免前束角在賽車運動過程中發生突變，這樣有利于賽車經過各種復雜路面時前束角不會因汽車的上下跳動而發生較大變化，還能保持良好的行駛和操縱穩定性；轎車的車輪外傾角通常設計的具有微小的正外傾，而巴哈賽車的路況通常更為復雜，要求車輪外傾角能夠減少賽車行駛時輪胎的異常磨損和維持直線行駛的穩定性[2]，而且其數值變化也不能太大，且當車手坐進賽車艙內后，車輪外傾角應該接近0°，這樣就保證了賽車具有良好的抓地力和側向附著力；主銷內傾角減小了主銷偏移距，同時它的存在會給轉向輪施加一個回正力矩，變化范圍在6°～11°之內，它使轉向更加輕便且有利于方向盤復位；主銷后傾角一般控制在0°～4°之間，它的存在使賽車在行駛過程中具有自動回正的功能。主銷后傾角的變化會引起賽車轉向力矩的變化，同時也會導致轉向時車輪外傾角的變化，對賽車的操縱穩定性造成惡性的影響，對輪胎也會造成不均勻的磨損[6]。所以主銷后傾角的數值不宜過大，變化范圍也不能太大；輪距的變化量不應過大，這樣避免出現由于特殊路面狀況而引起的輪距突變給輪胎造成異常的磨損，從而影響賽車的行駛平順性。圖2—圖6為硬點優化前、后的懸架相關特性曲線對比。

圖3 優化前、后前束角變化對比

圖4 優化前、后主銷內傾角變化對比

圖5 優化前、后主銷后傾角變化對比

圖6 優化前、后輪距變化對比

6 結束語

針對巴哈賽車的結構特點，提出了相對應的前懸架硬點優化方法。分別應用ADAMS/Car模塊和ADAMS/Insight模塊對懸架進行模型建立和懸架硬點優化，通過分析懸架各硬點坐標對懸架參數的影響系數，最終選擇影響系數相對較大的硬點坐標值作為優化對象，通過這種方法有針對性地對懸架硬點位置進行優化，能在短時間內使懸架相關參數達到優化的預期目標，在比賽規定的有效時間內大大提高懸架設計的工作周期，有效節約時間。試驗表明，相比優化前的懸架相關參數，優化后的懸架相關參數使車輪外傾角、前束角、主銷內傾角、主銷后傾角更接近于理想范圍值，前后輪距明顯減小，這有助于減少輪胎的磨損和減小滾動阻力[3]，同時提高了賽車的行駛穩定性和操縱穩定性，從而提升了賽車的整體性能。