基于ADAMS的BSC賽車前懸架的優化設計研究

黃鎮財

柳州職業技術學院 廣西柳州 545006

懸架系統作為賽車內部結構的重要部分之一，在賽車設計與研發期間，該系統的優化設計對賽車操縱穩定性、輪胎壽命具有直接影響。當系統內構件加速或者在較大載荷作用下出現變形時，對懸架運動產生較大負面影響。因此，在ADAMS模型基礎上對賽車的前懸架進行優化設計，可使各項參數特性達到最優目標，節約更多的車輛前部空間，且操縱更加穩定可靠。

1 BSC賽車模型創建

雙橫臂懸架的上下橫臂分別通過襯套、車架進行鉸鏈連接，二者外端利用球頭銷與轉向節連接起來。螺旋彈簧上下端分別利用橡膠墊圈支撐車架橫梁的支承座。當前雙橫臂式懸架多為無主銷形式，即上下球頭銷連心線充當主銷軸線。在轉向過程中，車輪圍繞該軸線進行偏轉。路面對車輪垂直力依次通過下球頭、轉向節與螺旋彈簧等傳遞到車架。

在設計過程中，先在CATIA內創建前懸架多個零部件三維模型，將其裝配完畢。針對難度較大的模型需要導入ADAMS軟件中處理，在操作時為避免數據丟失，可利用CATIA內測量懸架系統中各個部件硬件坐標的方式，在ADAMS內創建動力學模型，使不同硬點坐標得以確定。

例如，下橫臂前點的X、Y與Z坐標依次為（54.0，-254.0，-40.0）、上橫臂前點坐標為（48.0，-286.0，133.0）、車輪中心點坐標為（92.0，-593.0，40.0）等[1]。

2 BSC賽車懸架系統仿真分析

在模型創建完畢后，對雙輪進行同向激勵，輪胎跳動范圍設定在-100～100 mm之間，仿真步數設定為40。在懸架特性優化時，需要對車輪不同位置參數進行分析。在試驗完畢后，利用Postprocessor模塊將不同車輪定位角變化情況以曲線圖的形式展現出來。

2.1 前輪外傾角

在賽車行駛期間，該項指標可使輪胎磨損更為均勻，并降低輪轂外軸承的負荷值，通常設計值約為1°。根據該角度變化趨勢可知，當角度從2.55°變為0.32°時，變化量低于1°/50mm，且變化規律與設計規定基本相符。但當車輪從平衡狀態朝著上方行駛時，角度降低到負值效果更佳，需要后期通過設計優化來完成。

2.2 前輪前束角

該項指標的作用在于消滅車輪外傾出現的異常情況，控制車輪避免出現邊滾邊滑的情況。最佳的前束角變化趨勢是在車輪上跳期間，為零到負前束。根據賽車雙橫臂前懸架中該角度變化趨勢可知，角度先從-4.82°提高到-0.04°，然后逐漸降低到-5.06°，角度值過小，需要后續加強優化。

在對前束角與車輪跳動量關系研究時發現，車輪上下跳動期間，前束角發生明顯改變，曲線變化范圍為-0.797～2.393，這說明車輪跳動期間，左右擺動幅度加大，對賽車正常行駛產生較大阻礙，在必要的情況下應對前束角開展優化試驗，使角度值降低。

2.3 主銷傾角

a.內傾角。該指標不但可使車輪自動回正，還可使轉向更加靈活便捷，通常數值不超過8°。根據賽車中該角度變化規律可知，角度從0.07°提高到2.31°，盡管變化幅度不明顯，且與設計規定相符合，但總體角度值過小，影響自身作用發揮，需要后續進行優化。

b.后傾角。該指標的作用在于使車輪形成回正的穩定力矩，確保其直線行駛，通常數值在2°～3°之間。根據該角度變化規律可知，當車輪朝著上方運動時，該角度先從2.85°降低到1.52°，然后又遞增到2.60°，總體變化量較低，不到1°/50mm，同樣具有一定的優化空間[2]。

3 BSC賽車懸架系統的優化設計方法

3.1 明確優化目標

根據上述仿真結果可知，前輪外傾角、前束角以及主銷傾角的變化范圍均未能處于最佳狀態，采用ADAMS內的試驗設計與分析模塊進行優化。根據大量實踐研究可知，內外傾角取決于上下橫臂與車架鉸接處坐標值，在設計優化期間，可將內外傾角看成是一組目標，將計算量指標考慮進去。

以坐標值為設計標量，磨胎半徑與轉向盤力矩主要受鉸接點Y和Z兩個坐標影響，在優化過程中可將這兩項指標為一組目標，設計標量同樣為坐標值，上述兩組目標的設計變量范圍均定在-6～6 mm之間。

3.2 參數特性優化

在明確優化目標后，將各目標的實驗分析結果通過網頁形式展現出來，各項參數特性的優化方式如下。

a.主銷內傾角優化。在探究設計變量與主銷內傾角間的關系時，可通過Effect值進行體現。

該指標代表的是坐標值變化對目標影響的比例，當數值為正數時，意味著二者具有正比關系，當設計變量增加時，優化目標也會隨之增大；當數值為負數時，意味著二者具有反比關系，當設計變量增加時，優化目標會隨之減小。

在對內外傾角這組目標進行研究時，可利用平方與加權法達到優化目的。以坐標值和目標間的關系為依據，將相關坐標值作為設計變量，在加權系數確定后鼠標單擊“運動”按鍵，便可取得優化結果。根據這一結果對設計變量進行調整，便可實現最終優化目的。

b.前輪前束角優化。

首先，創建設計變量。對轉向橫拉桿與轉向設備鉸接位置“C”點坐標進行優化，將該點位的X、Y、Z坐標設定為（DV_1，DV_2，DV_3）。

然后，調整設計變量。對“DV_1”變量進行調整，以339.6為標準，將最小值調整為334.52，最大值調整為344.59。同樣的道理，對“DV_2”進行調整，標準值為71.25，最小值調整為66.34，最大值調整為76.54；再對“DV_3”進行調整，以175.68為標準，最小與最大值分別調整為176.25和186.24。

最后，對“DV_1”變量與前束角間的關系進行分析，得出“FUNCTION”的最大值。共計試驗5次，鼠標單擊“開始”，軟件便可自動對變量“DV_1”進行仿真，并將最終結果通過曲線形式展示出來，X軸代表的是時間，Y軸代表的是前束角大小。對“DV_2”和“DV_3”的范圍繼續改變，使其都找到最優值[3]。

c.前輪外傾角優化。外傾角取決于上下橫臂與車架鉸接處坐標值，在設計優化期間，以上橫臂外點的硬點位置為例，將變化范圍設定為-10～10 mm，迭代次數設定為64次，減少非必要的運算，對該點的優化目標靈敏度進行分析。根據優化結果可知，該硬點坐標為（-3 8.2 6，6 6.6 3，-50.06），達到最佳優化效果。

3.3 優化結果

將待優化的硬點坐標值調整后再次仿真，便可獲得優化前后的參數變化曲線圖。由圖1可知，在優化調整之前，主銷內傾角的范圍為6.192°～9.709°之間，優化后變為7.258°～8.624°，處于最佳范圍內；由圖2可知，前輪外傾角優化前為-2.788°～0.645°，優化完畢后變成-0.352°～1.698°，與設計規定相符；優化前的轉向盤力矩區間為-9.6～9.3 N·m，在優化后位于-3.5～3.3 N·m區間內，力矩明顯下降，轉向更加輕松便捷；優化前的磨胎半徑區間為14.76～14.65 mm，在優化后變成4.82～4.96 mm，同樣滿足設計規定。從整體來看，各項參數特性均得到良好改善，與設計優化目標相符合，同時也說明本次優化試驗正確可行，能夠使賽車的內部性能得到進一步提升。

圖1 優化前后主銷內傾角對比曲線

圖2 優化前后前輪外傾角對比曲線

4 結語

在ADAMS模型基礎上對賽車前懸架進行優化設計，通過雙輪同向激勵仿真的方式，利用分析模塊展現各車輪定位參數的變化情況。根據研究結果可知，通過懸架系統的優化設計，可使主銷內傾角、前輪前束角、前輪外傾角的角度得以優化，系統設計周期更短，賽車操縱穩定性更強。