大學生方程式巴哈車前懸架系統的仿真分析

韓金龍　胡大志

摘要：懸架系統是汽車行駛系的重要組成部分，對汽車的操縱的穩定性和行駛的平順性有直接關系。本文基于ADAMS/car 模塊對方程式巴哈賽車前懸架的特性進行了仿真，根據仿真結果的曲線對相應的懸架參數變化對汽車性能的影響進行了分析。研究后結果表明，賽車的前懸架初期設計的參數存在不理想之處，仿真的結果為改善方程式賽車操縱穩定性提供改進方法和思路。

關鍵詞：巴哈車;前懸架;ADAMS;仿真分析

0 ?引言

中國大學生巴哈大賽實際上是中國汽車工程學會巴哈大賽，全稱為BajaSaeChina，簡稱BSC，參賽隊伍由全國各高校、職院的在校生組成，參賽的Baja車按賽會章程規定由參賽隊伍自行設計、制造和調試。賽事采用靜態賽和動態賽相結合的方式。靜態項目包括技術檢查和設計答辯。動態項目包括牽引力測試、爬坡測試、操控測試和4小時耐力測試。

從賽事安排看，巴哈車的動態測試項目主要是汽車行駛在崎嶇的路面上，路況惡劣，這對汽車的操縱性和平順性的提出了很高要求。

懸架是現代汽車上的重要總成之一，懸架的匹配設計在汽車設計開發中占有重要的地位，對汽車的底盤性能影響巨大，直接影響汽車的性能。理想的懸架系統運動特性，不僅可以緩和由崎嶇路面傳給車身（或車架）的沖擊，衰減由此造成的承載系統的振動，保證乘坐的舒適性;而且可以保證汽車在崎嶇路面行駛時的操縱穩定性。汽車懸架在傳遞作用在車輪和車身（或車架）之間的力和力矩時，懸架的構件將會發生變形，從而引起汽車的定位參數和輪距發生變化，這些參數的變化均對汽車的行駛平順性和操縱穩定性有直接影響[1]。

在多體動力學仿真軟件ADAMS的car模塊中，先建立車輛各子系統模型，再將其組裝成總成或整車模型，這些模型的精度較高，也可對已有的模型進行適應性修改;模塊中仿真動畫功能為直觀、定性地評價各工況下車輛的懸架性能提供了有效的手段;在ADAMS/PostProcessor模塊中有多種懸架特性可被輸出[2]，所以該軟件在車輛設計開發中得到廣泛應用。

本文基于ADAMS/CAR模塊對方程式賽車有著強大的數據分析能力，對一種BSC賽車的雙橫臂式前懸架進行了仿真，對賽車的開發與完善提供了一種直觀的方法。

1 ?前懸架仿真剛體模型的建立

本文利用adams/car模塊建立仿真剛體模型，剛體模型建立前首先對前懸架進行以下簡化和假設[2]：

①除了懸架的各連接處可定義彈性特性外，懸架系統各零件及車身（或車架）都假設為剛體，其變形忽略。

②車輪簡化為剛體，車輪變形忽略。

③零部件之間內部間隙不計，其連接均簡化為鉸鏈。

④仿真時假設車身（或車架）相對地面靜止。

根據實際前懸架系統結構建立前左懸架剛體模型，右懸架和左懸架對稱，adams/Car軟件可自動生成另一半模型。本文所涉及的車型在設計過程重點考慮汽車的操縱性和通過性，所以懸架系統的鉸接點的橡膠支承可以少用和不用，這樣假定所研究的前懸架為一個多剛體系統。

仿真模型建立后，需要定義系統模型的絕對坐標系。坐標系除以兩前車輪與地面接觸印跡中心點連線的中點作為坐標原點外，坐標軸及其正負向確定方法與繪制汽車總布置圖時確定坐標系的方法一致。

2 ?仿真及結果分析

2.1 雙橫臂懸架仿真

對懸架進行動力學仿真分析前，需要先定義與前懸架系統分析相關的車輛參數，主要參數如下：輪胎的自由半徑、輪胎垂向剛度、簧上質量、軸距、質心位置等;然后選擇典型分析工況中的兩側車輪同向跳動作為仿真試驗工況，仿真步數為149步，車輪跳動范圍-50～50mm;仿真結束后在ADAMS/PostProcessor模塊中調用繪圖特性文件，輸出仿真動畫、多種有關懸架性能的參數變化曲線，評價懸架系統的特性[3]。

2.2 懸架性能參數仿真結果分析及評價

以下是該前懸架系統性能參數在懸架行駛運動、側傾運動的變化規律進行仿真分析的結果，并對這些結果對巴哈車的操縱穩定性能的影響進行了評價[4]。

2.2.1 車輪外傾角（Camber Angle）

在分析前輪定位參數變化時，首先考慮車輪外傾角和主銷后傾角的變化特性。

一般希望在所確定的車輪跳動范圍內，車輪相對車身跳動所引起的外傾角的變化量在±1以內，同時當車輪處于平衡位置時，外傾角的初始值采用弱負值[1]。

由圖1可見，當車在靜平衡位置處的時前輪外傾角為0.4°，略大于零;車輪從-50mm向+50mm跳動過程中，車輪外傾角變化曲線的斜率逐漸減小，變化范圍-0.5°～1.525°。

從分析結果看，車輪上下跳動時，外傾角的變化基本在理想范圍內，變化趨勢也是理想的，但平衡位置處的車輪外傾角需要優化，以提高汽車轉向時的抗側傾能力。

2.2.2 主銷后傾角（Caster Angle）

車輪定位參數主銷后傾角在車輪跳動過程中變化不能太大，否則會使轉向系統對側向力比較敏感，易造成車輪擺振。對乘用車而言，主銷后傾角的初始值不可太大也不可太小，否則會使轉向變得沉重或轉向后轉向盤自動回正能力變弱，造成車的操縱性不理想。對于乘用車，一般理想的主銷后傾角初始值設置為-1～+2范圍內;車輪上跳時，懸架每壓縮10mm，后傾角在10°～40°之間變化[1]。

從圖2中可以看出，在靜平衡位置處的主銷后傾角約為11.209°;車輪上跳時，后傾角在11.209°～11.236°范圍內變化，變化范圍很小，比較理想;但車輪跳動范圍在35～50mm之間跳動時，呈現比較明顯的非線性變化，這種變化趨勢需要優化。

2.2.3 主銷內傾角（Kingpin Inclination Angle）

一般為了使主銷內傾角對車的操縱性影響控制在合理的范圍內，隨著車輪的上下跳動，其變化范圍控制在-7～-13之間[5]。

圖3為主銷內傾角的仿真曲線。當車輪上跳時，主銷內傾角逐漸增加;主銷后傾角隨著車輪的跳動，其變化范圍為-12.6°～-10.23°，在理想的范圍變化，且變化范圍不大。

2.2.4 車輪前束角（Toe Angle）

由于巴哈車動態測試項目主要在崎嶇路面上行駛，所以為了控制因路面不平輸入引起的前束變化過大，在設計前束角時，在車輪靜平衡位置處車輪前束角設計為零或者成弱負角，可保證汽車具有良好的直線行駛穩定性和不足轉向特性;車輪上跳時，前束角變化控制在0～-0.5范圍內，車輪下跳50mm時，前束角變化控制在0～0.5范圍內[6]。

圖4所示為該車的前輪前束與車輪跳動位置關系。圖中，前束角變化曲線顯示出：在車輪上跳時從正值趨向負值;在靜平衡位置時，前束值為-0.081°，可保證車具有良好的直線行駛穩定能力;車輪從靜平衡位置到最大上跳位置之間跳動時，前束在-0.081°～-0.213°范圍內變化，為弱負前束，使車輛獲得弱的不足轉向特性;但車輪在±50mm范圍內跳動過程中，前束在-1.15°～1.1°范圍內變化，超出理想變化范圍，需要對車輪的前束值進行優化。

2.2.5 側傾外傾系數（Roll Camber coefficient）

側傾系數為0.61～0.88（°/°）時，為不足轉向。圖5顯示仿真結果為0.7°～0.93°，為不足轉向。

2.2.6 主銷偏移距（Scrub Radius）

主銷偏移距與主銷內傾角有密切關系，懸架設計時需要控制主銷偏移距絕對值大小，因為其大小會影響駕駛員對方向盤的控制能力及汽車直線行駛穩定性，進而嚴重影響汽車行駛過程中的安全性。

從圖6可以看出，車輪上下跳動過程中，主銷偏移距的變化在3.5～10.3mm范圍內，變化范圍不大。

3 ?結束語

本文通過ADMAS/car建立了巴哈車汽車雙叉臂式前懸架仿真模型，通過進行雙輪同向跳動實驗工況下的懸架特性參數的變化仿真分析，得出懸架的特性參數的變化基本合理，車輪的主銷后傾角和前束值兩個定位參數隨著車輪跳動的變化關系均有不同程度的不在理想的范圍變動情況存在，表明懸架參數設計上存在需要改進之處，下一步可以通過與實車實驗相結合，優化懸架設計參數，使汽車具有良好的操縱穩定性和行駛平順性。

參考文獻：

[1]劉濤.汽車設計[M].北京：北京大學出版社，2008.

[2]俞凡.汽車動力學及其控制[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]戴逢權.多連桿懸架系統性能仿真研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[4]趙又群，郭孔輝.汽車操縱性評價指標的研究[J].汽車工程，2001.

[5]張智，施曉芬，李俊文.汽車懸架系統的運動仿真及優化設計[J].機械設計，2015，F32（9）：30-33.

[6]王文.麥弗遜式前懸架運動學分析及優化研究[D].華南理工大學，2013.

基金項目：2018年浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃項目“巴哈越野車懸架系統仿真分析及優化”，編號：KZS1810046。

作者簡介：韓金龍（1997-），男，浙江溫州人，機電工程專業在校生;胡大志（1964-），男，湖北武穴人，高級工程師，研究方向為車輛工程。