基于ADAMS的FSAE賽車前懸架優化分析*

朱令磊，胡全，丁華鋒,，陳加賓，路航

基于ADAMS的FSAE賽車前懸架優化分析*

朱令磊1，胡全2，丁華鋒1,2，陳加賓1，路航1

（1.純電動汽車動力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053；2.湖北三環鍛造有限公司，湖北 襄陽 441700）

為了提高整車的操縱性，對懸架的設計進行仿真優化分析。基于Catia建立了FSAE賽車前懸架模型，觀察其結構硬點，在Adams/car中建立FSAE賽車前懸架虛擬樣機模型，進行平行輪跳仿真，選定優化目標；通過Adams/Insight對優化目標進行多變量優化設計，根據優化結果修改硬點參數值；再次進行平行輪跳仿真試驗，對優化前后綜合性能進行對比；優化后，四輪定位參數變化量明顯變小，有利于賽車的操控穩定性。

FSAE；懸架系統；仿真分析；參數優化

前言

大學生方程式賽事即FSAE賽事創辦至今已經三十多年的歷史，旨在讓大學生團隊以一年的時間內，自行設計和制造一輛加速、制動、操縱性等性能有優異表現的賽車，并完成相應的所有項目。懸架作為底盤重要構件之一，其作用是傳遞、緩沖和減少各種工況路面下車輪傳遞給車架的震動和沖擊，保證汽車平順行駛[1]，故懸架設計的好壞對整車操縱性和穩定性有著重要影響。

在懸架性能優化方面，有很多國內外學者做出了研究[2,3]，但是通過數學函數表達式計算和優化設計，這樣非常消耗時間和資源。近年來也有不少學者引進新的優化方案，劉偉的基于改進遺傳算法NSGA-Ⅱ的懸架系統多目標優化策略[4]；蔡章林的基于VPD技術的整車試驗優化[5]；解來卿引入神經網絡控制方案開展優化[6]。

本文采用Adams/car軟件對懸架系統進行優化設計，在軟件中建立賽車虛擬模型，可進行相應工況的運動仿真，利用Adams/Insight針對各參數進行靈敏度分析并優化，達到設計目的，大大縮短了設計周期，提高設計效率[7]。

1 模型建立

FSAE賽車懸架多采用不等長雙橫臂獨立懸架，多個節點是由SRSS結構構成[8]，結構示意圖1如下，其中A點是車輪中心，B、C點是橫臂與立柱連接的上下鉸鏈，D、E是上橫臂與車架的鉸鏈，F、G是下橫臂與車架的鉸鏈，H是推桿與下橫臂的鉸鏈，I是推桿和搖臂的鉸鏈，J是搖臂和減震器的鉸鏈，K是搖臂和車架的鉸鏈，L是減震器和車架的鉸鏈，M為轉向拉桿和立柱的鉸鏈，N是轉向拉桿和轉向器斷開點的鉸鏈。

圖1 雙橫臂懸架結構示意圖

根據已在CATIA上建立的前懸架三維模型，以車架防侵平板下鋼管中心為坐標原點，沿車身縱向為X軸，向后為負，沿車身橫向為Y軸，向左為負，沿車身豎直方向為Z軸，向上為正建立坐標系，測得各節點處的硬點坐標，建立FSAE賽車仿真虛擬樣機模型，如圖2。

圖2 雙橫臂仿真模型圖

2 運動仿真分析

在仿真前，修改模型中四輪定位參數，并修改彈性文件，做到模型參數與FSAE賽車實際參數一致（數據如表1）。根據賽事規則要求，懸架跳動量至少為25.4mm，于是在Adams/ Car上進行車輪平行跳動仿真實驗，跳動量為±30mm。仿真結束后，進入ADAMS/PostProcessor模塊，由此得出了前輪定位參數隨輪跳量的變化曲線[9]。

表1 前懸架硬點坐標值

2.1 車輪外傾角

在賽車設計中，為了發揮輪胎的特性獲得最大側向力，一般設置成負外傾，而且希望外傾角變化盡可能小，減小輪胎磨損[10]。如圖3所示，外傾角變化范圍為（-1.328°~-0.841°），變化量為0.487°。

圖3 車輪外傾角隨輪跳變化曲線

2.2 主銷后傾角

一定角度的主銷后傾角可以增加賽車直線行駛的穩定性，并在轉彎中產生一定的回正力矩，是賽車手轉向輕便，增加駕駛體驗。如圖4所示，主銷后傾角的變化范圍為（-2.0448°~-2.008°），變化量為0.04°。

圖4 主銷后傾角隨輪跳變化曲線

2.3 主銷內傾角

主銷內傾角的主要作用形成主銷偏移距，產生回正力矩，使轉向車輪自動會正，但是過大會造成轉向沉重和輪胎磨損。如圖5所示，主銷內傾角的變化范圍為（4.034°~4.506°），變化量為0.4722°。

圖5 主銷內傾角隨輪跳變化曲線

2.4 前束角

因為負外傾的存在，車輛在直線行駛時會向偏向內側，為了削弱這種趨勢，采用負的前束角，保證車輪滾動和直線行駛，減小輪胎的磨損[11]。如圖6所示，前束角的變化范圍為（-1.269°~-0.836°），變化量為0.4334°。

圖6 前束角隨輪跳變化曲線

3 參數優化分析

3.1 目標參數的選取

通過分析前輪定位參數隨輪跳變化的規律，車輪外傾角、主銷內傾角和前束角變化較大，主銷后傾角變化較小。為了提升賽車懸架系統的性能，使賽車具有良好的操縱穩定性，需要對上述的定位參數進行優化設計。Adams/Insight正是用于參數化虛擬樣機的多目標優化分析試驗設計結果統計分析模塊，具有強大的試驗設計功能。運用Adams/Insight模塊，對仿真結果進行優化處理，得到懸架硬點的最佳組合，達到提升操縱穩定性的目的[12]。

3.2 懸架模型靈敏度分析

選擇上述定位參數作為設計目標。考慮到整車布置的限制，選擇上橫臂前點、上橫臂后點、下橫臂前點、下橫臂后點和轉向拉桿內點5個硬點，一般x坐標值對優化目標的影響比較小，所以選擇這些硬點的y、z坐標作為設計變量，其范圍為-5~5mm，然后再創建DOE矩陣，進行210=1024次迭代運算得到各坐標對目標的影響程度[13]。

Adams/Insight模塊優化綜合目標函數表達式：

式中，(X)—優化目標（i=1，2，…，n）；X—輸入變量；q—優化設計時所選定的目標個數；J—優化計算方程。(X)為懸架的前輪定位參數變化范圍，作為輸出的結果，X作為變量參數，可以是硬點坐標，螺旋彈簧的性能參數等。

3.3 懸架參數優化設計

分析后發現對參數影響最大的是上橫臂前點Z坐標、上橫臂后點Z坐標、下橫臂前點Z坐標、后點Z坐標和轉向橫拉桿內點Z坐標。根據影響程度對設計參數進行優化，優化前和優化后的坐標如表2所示：

表2 優化前、后硬點坐標對比

優化前、后懸架定位參數的變化對比圖如圖8-11，其中實線為優化前的變化曲線，虛線為優化后的變化曲線。

車輪外傾角：由圖7可以看出，優化后的曲線變化范圍為（-1.2561°~-0.9155°），變化量為0.3406°，比優化之前的0.478°減小了0.1374°，優化效果較為明顯，有利于賽車的操縱穩定性。

圖7 優化后車輪外傾角對比圖

主銷后傾角：由圖8可以看出，優化后的曲線變化范圍為（-2.0543°~-2.0053°），變化量為0.049°，相比優化之前，增加了0.009°，增加量微小，符合設計要求。

圖8 優化后主銷后傾角對比圖

主銷內傾角：由圖9可以看出，優化后的曲線變化范圍為（4.1093°~4.44°），變化量為0.3307°，比優化之前的0.4722°減小了0.1415°，變化量減少的同時，變化趨勢仍符合隨車輪上跳增加，隨車輪下跳而減少的設計要求[14]，減小輪胎的磨損，增大了賽車的操縱穩定性。

圖9 優化后主銷內傾角對比圖

前束角：由圖10可以看出，優化后的曲線變化范圍為（-1.1919°~-1.0245°），變化量為0.1674°，比優化之前的0.4334°減小了0.266°，變化范圍大幅度減小，且符合輪胎上跳呈減小的趨勢，改善了車輛直線行駛時偏擺的情況，增大了賽車直線行駛的能力，減少了輪胎的磨損[15]。

圖10 優化后前束角對比圖

4 結束語

本文通過Adams/car軟件對FSAE賽車的前懸架系統進行優化設計，優化后的車輪外傾角變化減小0.1374°，減小了輪胎的磨損；主銷后傾角變化雖然增加0.009°，但是變化范圍和運動趨勢仍符合要求；主銷內傾角變化減小0.145°，減小了輪胎的磨損；前束角變化減小0.266°，保證了賽車的直線行駛能力。整體上來看，減小輪胎磨損的同時，增大了賽車的操控性穩定性，縮短了開發周期，為FSAE賽車懸架系統設計提供了參考。

[1] 劉偉,史文庫,桂龍明,方德廣,郭福祥.基于平順性與操縱穩定性的懸架系統多目標優化[J].吉林大學學報(工學版),2011,41(05): 1199-1204.

[2] 褚志剛,鄧兆祥,胡玉梅,熊偉.汽車前輪定位參數優化設計[J].重慶大學學報(自然科學版),2003(02):86-89.

[3] 段磊,劉紹娜,黃炯炯,楊耀祖.FSAE賽車車身與空氣動力學套件設計及其仿真[J].汽車實用技術,2019(13):134-136.

[4] 劉偉,史文庫,桂龍明,方德廣,郭福祥.基于平順性與操縱穩定性的懸架系統多目標優化[J].吉林大學學報(工學版),2011,41(05): 1199-1204.

[5] 蔡章林.基于VPD技術的懸架設計及整車試驗優化[D].吉林大學, 2007.

[6] 解來卿,王良曦,李云超.基于ANN的汽車磁力懸架系統參數優化[J].車輛與動力技術,2005(03):32-35.

[7] 阮五洲.基于ADAMS懸架系統分析與優化設計[D].合肥工業大學,2008.

[8] 劉美燕.FSAE賽車懸架仿真分析及操縱穩定性虛擬試驗[D].湖南大學,2008.

[9] 馬玉坤,賈策,欒延龍,胡治國.ADAMS軟件及其在汽車動力學仿真分析中的應用[J].重慶交通學院學報,2004(04):110-113+120.

[10] 宋學前,丁華鋒,景文倩,黃成,朱令磊.FSAE賽車轉向系統優化設計[J].重慶理工大學學報(自然科學),2019,33(02):38-44.

[11] 楊榮山.轎車底盤平臺開發中多目標優化方法的研究及應用[D].華南理工大學,2009.

[12] 丁亞康,翟潤國,井緒文.基于ADAMS/INSIGHT的汽車懸架定位參數優化設計[J].汽車技術,2011(05):33-36.

[13] 李嫚.FSAE賽車懸架的優化設計及分析[D].哈爾濱工業大學, 2011.

[14] 吳健瑜,羅玉濤,黃向東.FSAE賽車雙橫臂懸架優化設計[J].機械設計與制造,2011(10):120-122.

Optimization analysis of FSAE car front suspension based on ADAMS*

Zhu Linglei1, Hu Quan2, Ding Huafeng1,2, Chen Jiabin1, Lu Hang1

( 1.Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle, Hubei Xiangyang 441053;2.Hubei Tri-ring Forging CO., LTD, Hubei Xiangyang 441700 )

In order to improve the maneuverability of the vehicle, the suspension design was simulated and optimized. The FSAE racing car front suspension model was established using Catia software. The hard points of its structure were observed. A virtual prototype model of FSAE racing car front suspension was established in Adams/car for parallel wheel jump simulation. Through Adams/Insight, multi-variable optimization design was carried out for the optimization target, and hard point parameter values were modified according to the optimization results. The simulation experiment of parallel wheel jump was carried out again to compare the comprehensive performance before and after optimization. Comparing the optimization results, the variation of four-wheel positioning parameters is significantly reduced, which is conducive to the control stability of the car.

FSAE;Suspension system;Simulationanalysis;Parameter optimization

U463

A

1671-7988(2019)24-118-04

U463

A

1671-7988(2019)24-118-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.038

朱令磊，男，本科，就讀于湖北文理學院車輛工程專業，

丁華鋒，博士，講師，就職于湖北文理學院，研究方向：汽車系統動力學。

本項目受到湖北省教育廳科學技術研究項目（項目編號：Q20192605）資助。