基于ADAMS的巴哈賽車懸架運動仿真與優化設計

葉燕帥 施顯林 盤建波

摘要：巴哈賽車由于運行路況復雜，懸架系統的設計顯得尤為重要，為提高設計效率，縮短設計周期，基于ADAMS軟件對巴哈賽車懸架系統進行了運動仿真與優化設計，根據整車基本參數，利用ADAMS/Car建立虛擬樣機，通過ADAMS/Insight分析硬點坐標與懸架參數的影響關系，根據分析結果對硬點坐標進行優化，使懸架技術參數接近設計目標值，分析結果顯示：巴哈賽車的前懸架上擺臂前點z坐標、前懸架上擺臂后點z坐標、轉向橫拉桿外點z坐標對巴哈賽車車輪定位參數的影響系數較大;后懸架上橫拉桿外點X、y、z坐標對巴哈賽車后懸性能參數的影響系數較大，優化相應硬點坐標并仿真，可使懸架技術參數接近設計目標值，經過實車跑動驗證，該優化方法可以提高巴哈賽車懸架設計效率，提高整車性能。

關鍵詞：巴哈賽車懸架;運動仿真;優化設計

中圖分類號：U469.6DOI：10.16375/j.cnkj.cn45-1395/t，2020.02.009

0引言

“中國汽車工程學會巴哈大賽（Baja SAE China，簡稱BSC）”是一項由高等院校、職業院校汽車及相關專業在校生組隊參加的越野汽車設計、制造和檢測的比賽，參賽車隊按照賽事規則和賽車制造標準，在規定時間，使用同一型號發動機，設計制造一輛單座、發動機中置、后驅的小型越野車，比賽設置有圓木、亂石堆、炮彈坑、避障、涉水通過等比賽項目，更是有4h的耐久競速比賽，競技比賽項目的設置對賽車的操縱性、坑沖擊性和可靠性提出了較高的性能要求，懸架系統的性能至關重要，因此，高效、準確的設計對巴哈賽車懸架系統的設計非常重要，ADAMS是目前運用最為廣泛的機械系統仿真軟件之一，用戶可以利用ADAMS在計算機上建立和測試虛擬樣機，實現實時仿真，了解復雜機械系統的運動性能，利用ADAMS軟件進行汽車懸架的仿真和優化設計可以縮短設計周期，提高設計效率，針對巴哈賽前懸、后懸受到的沖擊載荷都比較大的特點，車隊不僅分析前懸，也要對前懸、后懸均進行仿真分析并優化，利用ADAMS/Car建立虛擬樣機并進行仿真分析;利用ADAMS/Insiglat模塊分析懸架各硬點坐標對懸架參數的影響關系，根據分析結果和賽車的運行及結構特點綜合考慮，選取影響系數相對較大的硬點坐標值作為優化對象，有針對性地進行懸架硬點優化，使懸架系統滿足巴哈賽車的設計要求，提高懸架性能。

1建立ADAMS/Car模型

1.1整車參數與懸架硬點

導入整車模型，提取巴哈賽車懸架運動仿真的相關參數，考慮到巴哈賽車的賽道中彎道多且彎道半徑小、地形復雜，為提高賽車的過彎穩定性，巴哈賽車的前輪外傾角采用負值，車輪外傾角取值偏大，主銷內傾角主要根據主銷偏移距確定，整車參數如表1所示。

設計目標巴哈賽車前懸采用雙橫臂式獨立懸架形式，后懸采用三連桿式獨立懸架形式，根據總布置參數在三維建模軟件上以巴哈賽車車架為裝配基體建立懸架模型，然后提取懸架硬點，后懸架采用三連桿式獨立懸架額的目的是在保證整車參數不變的前提下降低簧下質量，提高賽車性能，同時簡化懸架結構，方便賽車維修，提取到的前懸架硬點如表2所示;提取到的后懸架硬點如表3所示。

1.2建立ADAMS模型

根據硬點與整車參數在ADAMs/Car中建立模型，前懸架模型如圖1所示，運動模型需要準確定義運動部件的聯接方式，各相對運動部件用運動副聯接，其中擺臂與車架用旋轉副聯接;擺臂與立柱、轉向橫拉桿與立柱用球鉸副聯接;減震器內部接點與車架、減震器外部接點與下擺臂、轉向橫拉桿與齒條用等速副聯接;轉向橫拉桿分為內外兩部分并用滑移副聯接，定義通信器得到多體動力學模型。

后懸架模型如圖2所示，其中縱臂與立柱用固定副聯接;縱臂與車架、橫拉桿與立柱用球鉸副聯接;橫拉桿與車架、減震器內部接點與車架、減震器外部接點與縱臂用等速副聯接，定義通信器得到多體動力學模型。

2運動仿真試驗與優化

2.1設立目標值

根據巴哈賽車性能需求，先設定運動仿真優化的目標值，參數目標值如表4所示，輪距變化量較大，這是由于對獨立懸架而言，較大的輪距變化量可以得到較高的側傾中心，巴哈賽車的賽道路況非常惡劣，較大的輪距變化量避免對輪胎造成嚴重磨損，設計巴哈賽車平衡位置離地間隙為260mm，質心高度4101Tlin，所以需要較高的側傾中心，側傾中心提高，也有利于整車操縱性的提高，后懸架有半軸的橫向位移限制，輪距變化量較小，側傾中心為前高后低，通過控制偏頻與側傾角剛度的設計，防止因不足轉向度過大而產生推頭現象，前束角隨輪跳變化量應較小，外傾角隨輪跳變化量可以較大，既要保證賽車的直行性能也要保證賽車的過彎性能。

2.2進行初步運動仿真

進行運動仿真，查看設計模型的運動特性，根據該巴哈賽車懸架動撓度的設計和實際測量，前懸架取輪跳范圍為80-130mm，后懸架取輪跳范圍為-100-130mm，進行雙輪同向激振仿真試驗，仿真結果如圖3、圖4所示，從圖3可以看出：前輪距變化量82.86mm，前輪前束角變化量1.63°，前輪外傾角變化量4.19°，前懸架滿載側傾中心高192.43mm，前懸架滿載側傾中心高、前輪距變化量與前輪外傾角變化量未能滿足設計要求，從圖4可以看出：后輪距變化量58.20mm，后輪前束角變化量3.18°，后輪外傾角變化量1.64°，后懸架滿載側傾中心高79.19mm，后懸架參數均未滿足設計要求。

2.3利用ADAMS/Insight優化設計

為有針對性地優化懸架硬點，提高設計效率，通過ADAMS/Insight尋找對參數目標值影響系數較大的影響因子，在保證車架前艙符合賽事規則要求前提下，為了減少數值迭代次數，減少軟件計算時間，固定靜載狀態下的主銷參數，獨立懸架的滿載側傾中心高會隨著輪距變化量的增大而提高，所以以輪距變化量作為優化目標，設計變化范圍均為-5-5mm，建立目標函數、選擇優化方法與建立相應矩陣進行計算，前懸架的計算結果如表5所示，計算結果顯示：前懸架上擺臂前點z坐標、前懸架上擺臂后點z坐標、轉向橫拉桿外點z坐標這3個參數對前懸性能的影響系數較大。

對于后懸架，針對上橫拉桿與下橫拉桿外點與內點的y坐標、z坐標尋找影響系數高的影響因子，設計變化范圍均為-5-5mm，建立目標函數、選擇優化方法與建立相應矩陣，后懸架的計算結果如表6所示，計算結果表明：后懸架上橫拉桿外點X、Y、Z坐標對巴哈賽車后懸性能參數的影響系數較大。

3優化結果的前后對比

對于影響系數較大的懸架硬點坐標參數反復進行優化，通過仿真試驗查看優化效果，使懸架運動特性符合設計要求，優化后的硬點坐標如表7所示，

優化懸架硬點坐標后得到的前懸架運動特性如圖5所示，后懸架運動特性如圖6所示，仿真試驗結果顯示：對前懸架硬點參數進行優化后，前輪距變化量113.51mm，前輪前束角變化量0.89°，前輪外傾角變化量7.32°，前懸架滿載側傾中心高229.84mm，得到的前懸架主銷后傾角變化量減小，前懸架主銷內傾角變化量增大，總體上看優化效果較好，參數達到目標值范圍，圖6顯示：對后懸架硬點參數進行優化后，后輪距變化量79.24mm，后輪前束角變化量2.43°，后輪外傾角變化量4.32°，后懸架滿載側傾中心高113.66mm，優化效果也較好，參數達到了目標值范圍。

4實驗驗證

車隊根據設計參數，完成了比賽賽車的制作和裝配工作，采用主觀評價法對賽車懸架系統進行了調校測試，測試過程中，車子的抗側傾性、抗前點頭性能良好，車子獲得了相對理想的操縱性能，并在2019年中國大學生巴哈大賽中獲得了不錯的成績，實車測試的結果驗證了仿真模型和優化設計方法的可靠性。

5結論

1）利用ADAMS/Car建立測試虛擬樣機，根據ADAMS/Insight尋求對運動特性影響系數大的影響因子，可以有針對地優化硬點參數并對懸架的性能進行仿真分析。

2）前懸架上擺臂前點z坐標、前懸架上擺臂后點z坐標、轉向橫拉桿外點z坐標對巴哈賽車車輪外傾角、前輪前束角和車輪輪距變化量的影響系數較大。

3）后懸架上橫拉桿外點X、y、z坐標對巴哈賽車后懸性能參數的影響系數較大。

4）針對性地優化硬點參數，可以改變懸架性能參數，在本賽車模型中，增大前懸架上擺臂前點z坐標和轉向橫拉桿外點z坐標，同時降低前懸架上擺臂后點z坐標，可以增大前輪輪距、側傾高度和外傾角的變化量，減小前輪前束;減小后懸架上橫拉桿外點x坐標，同時增大后懸架上橫拉桿外點y坐標和z坐標可以增大后輪輪距、側傾高度和外傾角的變化量，減小前輪前束。

5）利用軟件進行運動仿真和優化設計可以幫助設計者高效、快速地設計出一套運動特性達到設計要求的懸架系統，由于一個影響因子會對多個參數產生影響，為使懸架運動特性符合預期，需要設計者自行平衡它們。