基于ADAMS/view的方程式賽車懸架的性能優(yōu)化

魏 銀

(西華大學 汽車與交通學院,成都 610039)

汽車懸架系統(tǒng)的各項性能指標與其行駛的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系[1]。懸架的結(jié)構(gòu)決定了汽車在轉(zhuǎn)彎時是否有較大的側(cè)傾,并且也會影響汽車在剎車時是否點頭。不同的懸架結(jié)構(gòu)會導致輪胎抓地力不同。不同的抓地力會影響汽車的操控性[2]。所以,懸架系統(tǒng)的設(shè)計和性能優(yōu)化具有重要意義[3]。

Jia等[4]在原有獨立空氣懸架的基礎(chǔ)上構(gòu)建了虛擬原型拓撲模型,優(yōu)化了前輪軌道絕對值和軸距變化絕對值。蔣濤等[5]以懸架各硬點為試驗變量,K特性關(guān)鍵參數(shù)為試驗響應(yīng),最后通過優(yōu)化硬點獲得了比較滿意的K特性。本文對懸架系統(tǒng)進行動力學建模和驗證,通過靈敏度報告對其影響運動穩(wěn)定性懸架硬點數(shù)值進行優(yōu)化,得到了符合要求的四輪參數(shù)角。

1 懸架系統(tǒng)動力學模型的建立

懸架的操縱穩(wěn)定性是評估賽車性能的重要指標之一,而懸架系統(tǒng)的K&C性能則直接影響到車輛的質(zhì)量。本設(shè)計簡要介紹了懸架系統(tǒng)的K&C性能,K性能是指懸架系統(tǒng)的運動特征,主要用于描述車輪在滾動過程中的位置參數(shù)隨車輪的跳動而發(fā)生的改變,而這種變化與懸架硬點的坐標參數(shù)密切相關(guān);C特征是指懸掛系統(tǒng)的彈性運動學特征,主要用于描述由輪胎與地面的力、力矩所導致的車輪位置參數(shù)的改變[6]。

賽車懸架性能的優(yōu)化,主要考慮四輪定位參數(shù)與懸架硬點坐標之間的關(guān)系,從而提升賽車的操縱穩(wěn)定性[7]。通過在ADAMS/view中建立的懸架系統(tǒng)三維動力學模型去迭代通過靈敏度報告再去優(yōu)化懸架硬點坐標的方法來改變這些車輪定位參數(shù)值,從而使賽車具有良好的操縱穩(wěn)定性,滿足FSC賽車比賽的設(shè)計要求。

1.1 創(chuàng)建懸架系統(tǒng)空間坐標點

在ADAMS/view中輸入Xhu-panda賽車懸架硬點坐標。懸架系統(tǒng)在空間坐標系中的設(shè)計點位,如表1所示。

1.2 建立各部件之間的約束

在建立好懸架系統(tǒng)的空間物體形態(tài)后,為了將它們聯(lián)結(jié)成一個具有運動能力的整體,需要在各部分物體間建立各種約束[2]。在懸架系統(tǒng)中各部件間的約束關(guān)系的具體情況如表2所示。

表2 各部件之間的約束類型

移動副測試平臺坐標點測試平臺中心點移動副車身坐標點車身中心點點面約束車輪測試平臺測試平臺中心點

由此創(chuàng)建基于ADAMS/view的懸架系統(tǒng)的動力學模型,如圖1所示。

圖1 懸架系統(tǒng)的動力學模型

對以上建立的二自由度1/4懸架系統(tǒng)的動力學模型進行仿真驗證,經(jīng)檢查模型正確,并無過多約束,可以進行后續(xù)研究。

2 懸架系統(tǒng)動力學模型仿真

2.1 驅(qū)動力函數(shù)的設(shè)置及輪跳測試

通過對所建立的懸架二自由度1/4懸架模型進行車輪跳動試驗,對其所建立的測試平臺施加1個范圍為-100 mm～100 mm的輪跳,驅(qū)動時間函數(shù)設(shè)為100 sin(360d×t),從而計算分析車輪定位參數(shù)的變化趨勢。可得當前狀態(tài)下的四輪參數(shù)角、車輪接地點和車輪側(cè)滑量的測量曲線,如圖2所示。

(a)主銷內(nèi)傾角變化的輸出曲線

(b)主銷后傾角變化的輸出曲線

(c)前輪外傾角變化的輸出曲線

(d)前輪前束角變化的輸出曲線

(e)車輪接地點的側(cè)向滑移量的輸出曲線

(f)車輪跳動量變化的輸出曲線圖2 各狀態(tài)量測量曲線

2.2 懸架優(yōu)化指標

完成平行輪跳仿真實驗后,計算懸架主要參數(shù)隨車輪跳動量的變化規(guī)律,在表3的懸架四輪參數(shù)優(yōu)化指標范圍內(nèi),對表4中的目標參數(shù),進行進一步優(yōu)化。

表3 懸架硬點優(yōu)化指標

表4 優(yōu)化前各參數(shù)變化量

3 懸架系統(tǒng)硬點坐標的優(yōu)化

靈敏度分析是研究與分析一個系統(tǒng)或模型的設(shè)計參數(shù)變化對目標參數(shù)或外圍相關(guān)條件的變化的敏感程度的方法[8]。它能夠定量研究系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度,在對模型進行優(yōu)化時,就經(jīng)常通過靈敏度的分析報告,來整體分析哪些項的數(shù)據(jù)是不準確的或者哪些項在變化時存在最優(yōu)解[9-10]。在靈敏度分析報告中還可以看出某些參數(shù)中的某些項對系統(tǒng)或模型的影響率,通過影響率來綜合評判修改項的設(shè)置[11]。

3.1 懸架的點位與優(yōu)化目標的選擇

通過對前懸架機構(gòu)與四輪定位參數(shù)的關(guān)系研究[12],為了迎合人體舒適度的要求,硬點的y坐標一般不做變動,因此,本設(shè)計選擇的坐標點位如表5所示,將其進行優(yōu)化。

表5 懸架優(yōu)化點位的選取 mm

3.2 靈敏度圖像的分析

在懸架設(shè)計后期,對該車型前懸架進行敏感度分析,使其不至于影響懸架及車輛運動學性能[13]。

進入insight界面,點擊Fit results查看分析結(jié)果,如圖3所示,R2adj一般來講是小于R2的,如果R2/R2adj值越大,則說明此模塊中有一些項目是可以去除的,若為1表示擬合得很好,若不為1,越接近1越好。R/V表明模型的計算值與原始數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,其值越高越好。

(a)主銷內(nèi)傾

(b)主銷后傾

(c)前輪外傾

(d)前輪前束

查看所選的坐標點對四輪參數(shù)的敏感度報告,如圖4所示,可以看出,各點x坐標和U_o_z(下橫臂內(nèi)z坐標)對四輪參數(shù)的影響度變化較大。

(a)主銷內(nèi)傾角

(d)前輪前束角

3.3 懸架硬點的優(yōu)化

在ADAMS/insight試驗界面中點擊“optimize”進入優(yōu)化設(shè)置界面,由靈敏度分析報告可知,4個點的x坐標和U_o_z坐標共5個點坐標作為優(yōu)化的重要對象,在設(shè)計目標中設(shè)立目標值,根據(jù)需要設(shè)置各部分權(quán)重,將修改后的點位在點表格中修改并應(yīng)用到其原模型,修改后的點位坐標如圖5所示。

(a)懸架硬點的優(yōu)化

(b)優(yōu)化后的點位

再次進行仿真運行,在后處理窗口添加修改后的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、前輪前束和車輪接地點側(cè)滑量相對于車輪跳動的變化曲線的繪制,并分別添加在原有圖像上,得到如圖6所示,繪制了優(yōu)化后的懸架參數(shù)數(shù)值對比表,如表6所示。

優(yōu)化后的結(jié)果顯示,主銷后傾角變化浮動較小,其初值對汽車高速回正性能影響較大;主銷內(nèi)傾角改變,提高了操縱轉(zhuǎn)向的能力;外傾角得到一定改善,變化梯度更小,輪胎接地面積更穩(wěn)定,有利于增加側(cè)向支撐,提高轉(zhuǎn)彎極限;前束角的優(yōu)化結(jié)果明顯,能夠有效控制輪胎磨損,提升直線行駛能力;車輪接地點側(cè)滑量變化不大,輪距變化趨勢小,有利于降低輪胎磨損。

(a)主銷后傾角

(c)前輪外傾角

(d)前輪前束角

(e)車輪接地點側(cè)滑量圖6 四輪參數(shù)優(yōu)化前后數(shù)值對比

表6 優(yōu)化前后的懸架參數(shù)數(shù)值對比

4 結(jié)論

本設(shè)計在ADAMS中完成了一款賽車的雙橫臂懸架的動力學模型搭建,為了合理優(yōu)化懸架性能,優(yōu)先保證懸架的操縱穩(wěn)定性,選擇了比較獨立的硬點進行優(yōu)化迭代。最終結(jié)果表明優(yōu)化有效,通過對比顯示主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、前輪外傾角和前輪前束角得到了明顯改善。通過優(yōu)化得到了新的布置方案,懸架的仿真結(jié)果更加合理,提高了車輛的操縱穩(wěn)定性。