基于ADAMS的巴哈賽車懸架平順性及操縱穩定性仿真

鄭英龍，汪博文

基于ADAMS的巴哈賽車懸架平順性及操縱穩定性仿真

鄭英龍，汪博文

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

懸架是汽車的重要組成部分，對于屬于小型越野賽車的巴哈賽車來說，一套性能優良的懸架能夠使其在賽場表現出良好的操縱穩定性。為了建立巴哈賽車的虛擬模型來評價其操縱穩定性，采用機械系統動力學分析軟件中ADAMS中的ADAMS/CAR模塊，建立了一輛符合巴哈賽車運動特點的懸架模型。通過對懸架的數學模型進行簡化，得到相應的線性運動方程，確定懸架的基本性能參數，通過ADAMS/CAR的suspension analysis模塊對懸架進行仿真分析，從而對賽車懸架進行優化設計，使賽車具有較強的抗縱傾能力、減弱振動能力和不足轉向性能。

懸架；ADAMS；操縱穩定性；巴哈賽車

中國汽車工程學會巴哈大賽由中國汽車工程學會舉辦，由高等院校職業院校汽車或相關專業在校學生組隊后參加的越野汽車設計制造和檢測的比賽。參賽車隊要在規定的1年時間內設計制造出一臺性能優良、有市場競爭力的賽車。懸架是巴哈賽車重要的組成部分，懸架的設計主要是為了滿足汽車的平順性和操縱穩定性的要求。基于ADAMS軟件的汽車模型建立仿真可以使設計人員對車輛的性能全面掌握，并不斷地對設計的懸架參數進行修改優化。對于在短短1年內開發出一臺賽車的團隊來說，基于ADAMS的虛擬模型分析可以節省大量時間，使賽車的性能盡可能達到最優。通過對模型進行不同工況的分析，最終確定了一套操縱穩定性良好的懸架參數。

1 懸架基本形式確定

1.1 整車基本參數的設定

賽車的尺寸要在符合賽事規則的前提下進行設計，同時，要盡可能地滿足輕量化和高性能的要求，所以，設定整車的基本參數如表1所示。

表1 整車參數表

參數數值 整車質量/kg165 軸距/mm1 450 前輪距/mm1 300 后輪距/mm1 200 軸荷比45∶55 最小離地間隙/mm280 最大爬坡度/°30 減速器一檔傳動比8 減速器二檔傳動比13

1.2 整車基本參數的設定

前懸采用雙橫臂式獨立懸架，上、下擺臂不等長。采用斷開式車橋，兩側車輪可以單獨運動互不影響；車輪的運動空間較大，可以降低懸架剛度提升平順性，雙橫臂獨立懸架能減輕簧下質量，提高賽車的操縱穩定性和行駛平順性[1]。后懸采用斜置單縱臂形式獨立懸架，特點是結構簡單、車輪跳動時除主銷后傾角有較大變化外，其他角度無變化，可使后輪隨轉向輪產生較小的轉角變化，從而減小車輪的側偏角，增強轉向不足特性。

1.3 前后懸架二維幾何模型的建立

通過畫懸架的二維幾何圖形能夠更好地使四輪定位參數及懸架幾何參數集中體現；運用CATIA二維草圖界面繪制出前后懸架的二維幾何圖形，并標注出重要的參數數值。

1.4 懸架基本參數的確定

依據經驗參數和設計計算可以得到懸架系統的具體參數，如表2所示。

表2 懸架參數表

前懸架后懸架 偏頻/Hz2.22.5 彈簧剛度/（N·m-1）24 61423 556 懸架剛度/（N·m-1）17 17927 114 懸上載荷/N8821 078 靜撓度/mm5140 側傾角剛度/（N·m·rad-1）5 2824 729 懸架阻尼系數39.6103.1 相對阻尼系數0.30.375 減振器阻尼系數208472

2 整車動力學模型的建立

2.1 模型的簡化

由于賽車整車零部件多，很難將整車所有零件都建成模型。由于這次分析主要是對懸架進行優化設計，所以有些對整車影響不大的部件可以省略，除此之外還需要進行以下簡化處理[2]：①將簧上質量看作一個剛體，具有6個自由度；②懸架零部件除了彈性元件以外，其他元件都看作剛體；③各運動副之間的摩擦力忽略不計；④動力系統簡化為只依靠傳輸動力控制車速的剛體。

2.2 整車模型的建立

在ADAMS/CAR中建立整車模型一般可以分為以下幾個步驟：①將整車拆分為幾個子系統，比如前懸架系統、后懸架系統、轉向系統、車身車架系統、動力傳動系統、制動系統等，研究各個子系統之間的關系；②獲取各個總成的結構參數，對抽象的各個零部件進行建模，然后建立相應的總成模型；③獲取各個總成的幾何參數、物理參數和力學特性，修改零部件屬性；④通過各子系統之間的通訊器裝配成整車動力學模型；⑤通過各子系統之間的通訊器裝配成整車模型，并使用ADAMS/CAR中自帶的輪胎和路面模型。

其中，懸架參數已經提供，整車其他參數通過車隊的設計數據獲得。

2.2.1 懸架模型

前懸架采用的雙橫臂獨立懸架，根據實車結構數據建立了雙橫臂擺臂和減振器彈簧的模型。減振器抽象為連接車身下擺臂的阻尼彈簧。同時，在前懸中還包含轉向系統。建好各自模型的子系統之后，通過通訊器將各子系統聯接[3]，根據賽車設計的參數修改模型后，構成前懸子系統。

在后懸架的設計過程中，涉及到的子系統有懸架導向機構、減振器彈簧、立柱輪轂和半軸，將各個子系統模型建立好之后通過通訊系統進行裝配，設置好懸架參數后得到后懸裝配子系統。

2.2.2 車身車架模型

賽車的結構嚴格受到規則的約束。巴哈小型越野賽車車架為鋼管焊接得到的桁架結構，通過CATIA曲面設計可以得到車架的CAD模型[4]。將CAITA生成的CAD車架模型按規定的格式導入到ADAMS中即可。

2.2.3 發動機及傳動系統模型

在ADAMS/CAR中發動機模塊只用于控制速度，本次仿真采用ADAMS中自帶的發動機模塊，對發動機及傳動系統進行簡化，只考慮傳動半軸以后的動力傳輸，將發動機抽象為具有一定自由度的一個23 kg的剛體。

2.2.4 整車系統模型

通過通訊器連接整車各個子系統，在Full-Vehicle Assembly里中進行裝配，得到的賽車整車裝配模型如圖1所示。

2.2.5 操縱穩定性試驗路面

在操縱穩定性的試驗中對路面的要求為：用水泥混凝土或瀝青鋪裝的干燥、平整且清潔的路面。在ADAMS中選用二維平面路面譜，車輛行駛的路面在ADAMS/CAR中通過編輯路面譜來模擬，本次操縱穩定性仿真所用路面為ADAMS自帶的二維平整路面文件。可通過修改ADAMS中原有的H級路面譜文件得到國標B級的隨機路面譜的文件[5]。

圖1 整車虛擬模型

3 整車操縱穩定性仿真

汽車的操縱穩定性是指駕駛者在不感到過分緊張疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉向系及車輪給定的方向行駛，且汽車在遭遇外界干擾時汽車能抵抗干擾而能保持穩定行駛的能力。汽車的操縱穩定性和懸架參數有很大的聯系，一般通過調整懸架參數來對汽車的操縱穩定性進行優化設計。

3.1 懸架平行輪跳動實驗

懸架的平行輪跳動試驗是對懸架給予一個設定的跳動行程，在該行程過程中ADAMS會得到相應的四輪單位參數的變化值，通過四輪定位參數變化的范圍大小來評價懸架的穩定性和通過性，檢驗懸架是否會出現車輪側傾嚴重等不良現象，通過修改懸架參數和懸架硬點位置來對四輪定位參數的變化做相應的調整。

平行輪跳動的范圍根據垂直輪的跳動行程得到，相關參數如表3所示。

表3 懸架跳動行程參數

前懸架后懸架 壓縮行程/mm220185 跳動行程/mm169145

設置好跳動量后進行實驗，可得到前輪外傾角變化范圍為﹣10°～2.5°，后輪外傾角變化范圍為﹣2.75°～﹣0.25°。前輪主銷后傾角變化范圍為0°～17°。前輪主銷后傾變化較大，主銷后傾過大會增大轉向力，且會使橫向加速度增大，不利于保持操縱穩定性。后輪主銷后傾角的變化范圍為﹣0.25°～2.5°，前輪主銷內傾角的變化范圍為7.5°～22.5°，后輪主銷內傾角的變化范圍為﹣12.5°～45°。

主銷內傾角可以使轉向輕便，前輪的主銷內傾角變化合理，后輪主銷內傾變化較大，由于采取單縱臂的緣故，主銷內傾角不宜過大，否則在轉向時車輪繞主銷轉動的過程中，輪胎與路面之間會產生較大的滑動，加速輪胎的磨損。前輪前束的變化范圍為1.25°→﹣0.5°→1.15°，后輪前束的變化范圍為﹣1.5°～1.5°，前后輪的前束變化值均不大，符合設計要求。

前輪輪距的變化范圍為1 280～1 370 mm，后輪輪距的變化范圍為1 220～1 300 mm，車輪在跳動過程中，左右平行輪之間的距離會發生變化，輪距變化不宜過大，否則會加劇輪胎的橫向滑移，進而加劇輪胎的磨損，所以，輪距變化需要控制在一定范圍內。仿真賽車的輪距變化穩定在允許范圍內，符合設計要求。

前輪側傾剛度的變化范圍為1 000～3 000 N·m/deg，后輪側傾角剛度為3 000 N·m/deg，前后輪的側傾角剛度的變化范圍均未超過理論計算值，且通過曲線的變化趨勢可以看出，壓縮過程中側傾角剛度增大，意味著在側向加速度增大時懸架的抗側傾能力加強，符合設計要求。懸架平行輪跳動實驗結果如圖2所示。

圖2 懸架平行輪跳動實驗結果圖

3.2 整車轉向特性仿真

3.2.1 角階躍試驗

轉向盤轉角階躍輸入響應試驗是用來評價汽車瞬態響應特性，主要用來測定汽車對方向盤轉角輸入做出反應的靈敏特性。

本次測試的車速為70 km/h，階躍轉角為60°，得到的側向加速度、側向角加速度如圖3所示，橫擺角速度在時域上的變化如圖4所示。

圖3 車身側向加速度（實線）、側向角加速度（虛線）

圖4 橫擺角速度變化

由圖3可知，反應響應時間為0.116 s，峰值時間為 0.196 s，達到穩態的時間為0.5 s。達到穩態后的縱向加速度為5.56 m/s2，對于轎車來說乘客應該會感到不適，而對于越野比賽的賽車駕駛員來說基本在要求范圍內。

3.2.2 轉向回正試驗

轉向自動回正在汽車駕駛過程中起到了很重要的作用，如果轉向不能自動回正，則駕駛員會感到方向難以控制，影響駕駛的安全性。轉向回正的回正力矩主要來自于主銷定位角和輪胎的側偏現象，其中，四輪定位參數對轉向回正的影響較大。汽車轉向回正試驗其本質是一種力階躍輸入的試驗。

分別進行70 km/h和35 km/h下的仿真，仿真的側向加速度為4 m/s2，得到的車身橫擺角速度仿真圖像如圖5所示。

圖5 35 km/h下車身橫擺角速度圖像（實線）、70 km/h下車身橫擺角速度圖像（虛線）

4 整車行駛平順性仿真

4.1 國際ISO標準移線行駛仿真

ADAMS/CAR整車仿真模塊里的ISO Lane Change可對整車進行移線仿真測試，縱向控制器使車輛行駛速度保持在期望值，側向控制器控制轉向系統使車輛保持沿期望的ISO指定路線行駛。在該模塊中通過對原本平整路面的修改，可以使虛擬模型在隨機路面譜上“行駛”，設定在一定的速度行駛可以得到相應的汽車車身各個方向的加速度隨時間變化的圖像，從而可以評價汽車駕駛的平順性和舒適性。

通過仿真分別測試汽車在3個速度（10 km/h、35 km/h、70 km/h）下的車身垂直加速度的圖像如圖6所示。

將3張圖放到1張圖像上可以看出，在行駛相同路程的情況下，雖然70 km/h所用的時間最短，但是其車身垂直方向的加速度變化峰值很大，最大達到了0.441 m/s2，會給駕駛員不適感，當速度降為35 km/h和10 km/h時，加速度隨時間的變化變平緩，且兩者起伏的水平基本相同，但10 km/h持續起伏的時間更長，反而會給人帶來不適感，所以，要想使汽車具有較好平順性，車速要控制在35 km/h左右。

4.2 ADAMS/CAR與MATLAB聯合行駛仿真

4.2.1 ADAMS/CAR與MATLAB的聯合分析模型

路面不平度除了可以通過修改原ADAMS自帶的路面文件得到以外，還可以通過MATLAB的Simulink得到[6]。在時域內，高斯白噪聲通過濾波器或者積分器都可以產生隨機路面不平度時間輪廓[7]。

聯合仿真的連接界面為MATLAB/Simulink中自帶的ADAMS_SYS界面，建立相應的連接模型，設置計算的時長為10，可以得到相應的車身各個方向的加速度在時域上的變化。ADAMS與Simulink的聯合分析模型如圖7所示。

圖7 ADAMS與Simulink的聯合分析模型

4.2.2 ADAMS/CAR與MATLAB的聯合分析結果

通過運行模型得到的車身各個方向的加速度曲線如圖8所示，將其與ADAMS仿真得到的結果進行比較。

由圖像對比可知MATLAB和ADAMS分析得到的圖像相似，聯合設計的好處在于MATLAB/Simulink的模塊模型能與ADAMS相聯合，能處理ADAMS難以解決的仿真問題。

5 懸架參數優化

由以上仿真分析可知，整車的主要問題在于主銷后傾角和內傾角的變化過大，容易造成輪胎磨損、增大側向加速度，同時對方向回正也有很大的影響。主要采取的措施是對懸架硬點進行優化設計，其余相關設計參數均在允許的變化范圍內，滿足設計要求，無需做大修改。

將硬點修改后主銷后傾的變化明細如圖9所示。

圖9 修改硬點后的主銷后傾變化

6 結論與展望

6.1 結論

通過對巴哈賽車懸架和整車的ADAMS虛擬建模分析，能夠對賽車的相關性能參數進行優化仿真設計，從而更好地發揮賽車的性能。由于大學生巴哈大賽所制作的賽車并不用于商業化銷售，而主要應用于同臺競技，在性能方面，車隊一般把整車的動力性和操作性放在第一位，所以建立虛擬樣機進行懸架分析和整車分析是十分有必要的，在參數修改和硬點優化方面有很大的參考價值。

在進行仿真前要對懸架的參數進行理論設計，作為懸架虛擬樣機參數的理論根據，同時可以通過懸架虛擬樣機的仿真來檢驗相關參數是否滿足設計要求；通過ADAMS/CAR建模界面建立前后懸架子模型，同時，建立整車其他部分子模型最后進行整車裝配，通過仿真可以得到懸架跳動四輪參數變化、轉向特性變化，通過輸入隨機路面譜可以用以評價賽車的行駛平順性。虛擬仿真相比于實車測試花費的時間短，可在計算機上重復進行，可對各種方案進行快速優化對比，并且可以進行極限工況分析。經過仿真，賽車的懸架參數已經確定，通過硬點修改也使得其他性能參數滿足要求，從而實現了懸架的優化設計。

6.2 展望

平順性的仿真可以在ADAMS/CAR ride界面中進行分析，其分析結果比直接在ISO lane Change中輸入路面譜更真實、可靠，但是同時也需要搭建虛擬四輪柱試驗平臺，可以嘗試搭建平臺用模型進行進一步的平順性仿真測試。通過ADAMS建立車輛動力學模型，并運用MATLAB/Simulink設計控制算法，建立一個整車控制策略的研究環境[8]，可以利用該集成環境對車輛進行聯合控制仿真。

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［7］靳曉雄，張立軍，江浩.汽車振動分析［M］.上海：同濟大學出版社，2017：90-275.

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U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.005

2095－6835（2020）13－0011－05

鄭英龍（1999—），男，湖北武漢人，在讀本科生，主要研究方向為汽車輕量化、運動學仿真。汪博文（1998—），男，湖北京山人，在讀本科生，主要研究方向為車運動學仿真。

〔編輯：張思楠〕