基于Carsim的Baja賽車操縱穩(wěn)定性分析及懸架關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計

張永剛　吳明翔

摘要：針對Baja賽車開發(fā)與實際應用過程中的操作穩(wěn)定性分析及懸架關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計，基于車輛動力學的仿真軟件Carsim進行仿真研究。應用Carsim導入Baja賽車參數(shù)，通過試驗不同工況對Baja賽車操縱穩(wěn)定性進行動畫仿真。在Carsim中根據(jù)比賽賽場環(huán)境設(shè)置翻覆測試、二輪驅(qū)動轉(zhuǎn)換到四輪驅(qū)動等工況對Baja賽車操縱穩(wěn)定性進行仿真驗證，并通過調(diào)整彈簧剛度對懸架關(guān)鍵部件進行設(shè)計優(yōu)化。仿真結(jié)果：開發(fā)的Baja賽車具有良好的操縱穩(wěn)定性，懸架等關(guān)鍵部件通過參數(shù)調(diào)整后達到良好使用性能。

關(guān)鍵詞：Baja賽車；操縱穩(wěn)定性；懸架關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計，仿真；Carsim

中圖分類號：U463? 收稿日期：2023-03-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.024

1 基于Carsim的Baja賽車建模

Carsim軟件是美國密西根大學交通運輸研究所開發(fā)的一款車輛系統(tǒng)動力學軟件，由于Carsim軟件的使用方便、仿真速度快、高精度等特點，得到了世界多家汽車公司和高校等汽車研發(fā)機構(gòu)的普遍認可[1-3]。Carsim 軟件與目前各賽車動力學建模方面廣泛采用的ADAMS 軟件不同，Carsim更適合設(shè)計階段中早期的性能研究，而ADAMS軟件是面向結(jié)構(gòu)的建模軟件[4-6]，適合于整車設(shè)計后一階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建模過程復雜，難以掌握。

1.1 車身建模

Baja賽車的車身建模如圖1所示，設(shè)計數(shù)據(jù)如下：簧上質(zhì)量的質(zhì)心距前軸的距離1 275 mm；簧上質(zhì)量的質(zhì)心距地面的高度575 mm；軸距2 350 mm；質(zhì)心的橫向偏移量0；簧載質(zhì)量1 050 kg；對坐標軸的慣性矩和慣性矩0；整車高度1 550 mm；整車寬度1 350 mm等。

1.2 傳動系統(tǒng)建模

此Baja賽車選用6速CVT變速箱，設(shè)計數(shù)據(jù)如下：各個擋位傳動比，R擋-3.17、1擋3.50、2擋2.05、3擋1.25、4擋1.10、5擋0.65、6擋0.53；各個擋位轉(zhuǎn)動慣量，R擋0.034、N擋0.034、1擋0.039、2擋0.032、3擋0.043、4擋0.04、5擋0.04、6擋0.04；各個擋位正向傳動效率R擋0.90、1擋0.90、2擋0.90、3擋0.97、4擋0.97、5擋0.99、6擋0.99;各個擋位逆向傳動效率，R擋0.90、1擋0.90、2擋0.90、3擋0.96、4擋0.96、5擋0.97、6擋0.99，換擋時間0.20 s；離合器鎖止時傳遞的最大效率300 N·m;離合器分離鎖止時間0.15～0.2 s等。

1.3 制動系統(tǒng)建模

前輪制動力矩為300 N·m/MPa;后輪制動力矩為150 N·m/MPa；前制動器摩擦力0.5 N·m；后制動器摩擦力0.5 N·m等。

1.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

轉(zhuǎn)向柱管的慣性0.02 kg/m2；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣量0.00007 kg/m2；轉(zhuǎn)向柱管阻尼0.02 N·s/（m·（°））;方向盤自由角行程0.5°；左前輪和右前輪主銷內(nèi)傾角8.5°;左前輪和右前輪主銷后傾角3.0°；轉(zhuǎn)向阻尼5 N·s/（m·（°））；扭桿剛度3 N·s/（m·（°））。

1.5 懸架系統(tǒng)建模

Baja賽車設(shè)計前輪采用獨立懸架，后輪采用實心軸懸架，設(shè)計數(shù)據(jù)如下：輪距1 300 mm；前軸質(zhì)心的高度350 mm；懸架中心相對于側(cè)傾中心的橫向位移0.1；非簧載質(zhì)量130 kg；轉(zhuǎn)向摩擦力0.5 N·m；前軸的側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量45 kg/m2；左前輪和右前輪的側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣量為1.2 kg/m2。

2 Baja賽車操作穩(wěn)定性仿真分析

2.1 翻覆測試

2.1.1 試驗方法

研究汽車在高速轉(zhuǎn)彎運行工況下的穩(wěn)定性，分析與汽車彎道翻覆有關(guān)的因素以及這些因素對汽車翻覆影響的大小，對于降低汽車翻覆風險、提高駕駛的性能和行車的安全性、保障人民生命財產(chǎn)安全有著重要的意義。設(shè)計的Baja賽車極速為90 km/h，分別取50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h的仿真工況下的橫擺角速度，通過計算來進行車輛操縱穩(wěn)定性的仿真試驗。

2.1.2 仿真結(jié)果與分析

2.2 兩輪驅(qū)動轉(zhuǎn)換到四輪驅(qū)動測試

2.2.1 試驗方法

在此Baja車采取了分時四驅(qū)的方案，汽車行駛過程中的驅(qū)動模式，從兩驅(qū)轉(zhuǎn)換到四驅(qū)能有效提高汽車的性能。發(fā)動機的動力被分配給四個車輪，在平整度較差的路面上行駛時，不易出現(xiàn)車輪打滑，汽車的通過性能得到相當大的改善。此試驗針對兩驅(qū)轉(zhuǎn)四驅(qū)的操縱穩(wěn)定性的提升做出仿真研究，由于需要兩驅(qū)轉(zhuǎn)四驅(qū)的工況通常為低速情況，所以選取20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h等工況進行不同速度下兩驅(qū)轉(zhuǎn)四驅(qū)對操縱穩(wěn)定性提升影響的仿真試驗。

2.2.2 仿真結(jié)果與分析

3 懸架關(guān)鍵部位優(yōu)化設(shè)計

3.1 試驗方法

懸架對于Baja越野車來說可謂是重中之重，一套好的懸架對于操縱穩(wěn)定性以及越野通過性都有很大的幫助，設(shè)計優(yōu)化的方案主要是針對左右彈簧剛度進行調(diào)整以及優(yōu)化設(shè)計。試驗基于車速50 km/h情況下的二輪驅(qū)動轉(zhuǎn)換到四輪驅(qū)動工況，針對彈簧剛度進行調(diào)整，以5 N·m為單位，觀察橫擺角速度、車身側(cè)傾角、側(cè)向加速度的變化，對懸架做出優(yōu)化調(diào)整。

3.2 仿真結(jié)果與分析

通過對比表1、表2數(shù)據(jù)得出，此Baja賽車應將懸架彈簧剛度在50～55 N·m為最佳，操縱穩(wěn)定性和越野通過能力將得到有效提升。

4 結(jié)語

根據(jù)研發(fā)設(shè)計的Baja賽車的各項基本參數(shù)，通過Carsim進行賽車各部件的建模，進行了翻覆試驗和兩輪驅(qū)動轉(zhuǎn)換四輪驅(qū)動試驗對Baja賽車的操縱穩(wěn)定性進行了分析；并通過改變左右彈簧剛度對Baja賽車的懸架進行了優(yōu)化設(shè)計；試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的Baja賽車具有良好的操作穩(wěn)定性以及懸架部位的設(shè)計優(yōu)化得到了良好的反饋。

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作者簡介：

張永剛，男，2002年生，本科在讀，研究方向為車輛工程。