基于ADAMS的FSAE賽車雙橫臂懸架的仿真優化

柳 威，師忠秀，于 淵，王甜甜

（青島大學，山東 青島 266071）

0 引言

懸架是汽車的重要組成部分，決定著汽車的平順性與操縱穩定性，其中前懸架至關重要［1］。前懸架應具有良好的運動學特性，保證在輪跳中前輪定位參數在合理的范圍內變化，從而確保汽車的轉向輕便性，減少輪胎的磨損［2］。雙橫臂獨立懸架具有良好的操縱穩定性和行駛平順性，輕便可靠，結構簡單，在FSAE賽車上得到了廣泛的應用。本文以賽車懸架為研究對象，利用ADAMS對其進行仿真，從而達到優化的目的［3，4］。

1 雙橫臂獨立懸架仿真模型的建立

懸架的建模主要是在ADAMS／Car模塊中完成的，為了建模的方便，應對前懸架系統進行適當簡化和假設［5］：①懸架中除橡膠元件和彈性元件外，所有零部件都認為是剛體，同時零部件之間的所有連接都簡化為鉸接，內部間隙不計；②認為左、右兩側非懸掛質量系統相同，關于賽車縱向中分面對稱；③車輪上下跳動時，假設車身相對于地面是靜止的，即沒有上下位移。

從機械實物或者CAD軟件中獲取硬點的空間坐標，給機械系統建立運動部件、施加相應的約束，并定義模型中的相關部件、彈性元件、鉸鏈及相應的外界條件，從而建立起機械系統的運動學模型，如圖1所示。

2 仿真結果及數據分析

在標準模式下建立前懸架子系統模型，裝載在懸架試驗臺上進行雙輪平行跳動仿真試驗，對左、右輪施加垂向運動，行程為±30mm，仿真結果如圖2所示。

（1）為了最大發揮輪胎性能，在轉彎中提供最大側向力，設計時常把外傾角設為負值，而且希望其隨車輪的跳動變化盡量小。從圖2（a）可看出，外傾角的變化范圍是－4．348 5°～－3．763 3°，外傾角變化幅度過大。

圖1 雙橫臂獨立前懸架模型

（2）后傾角的主要作用是保證汽車轉彎后自動回正以保持直線行駛的能力。后傾角越大，回正力矩越大，但轉向不靈敏，所以后傾角不宜過大，一般設計要求隨車輪上跳而增加［6］。從圖2（b）可以看出，主銷后傾角的變化范圍是－0．000 8°～0．013°。

（3）適當的內傾角使賽車在轉彎時自動回正，保持賽車直線行駛的穩定性。但內傾角過大，前輪自動回正能力就會過強，轉動轉向盤就會費勁，而且也會增加輪胎的磨損，因此希望內傾角變化盡量小。由圖2（c）可以看出，主銷內傾角的變化范圍是3．198 8°～3．783°。

（4）前束角要與外傾角匹配，外傾角為負值，前束角也設為負值。前束角變化過大影響賽車直線行駛的穩定性，使輪胎磨損加劇，所以希望其變化量越小越好。由圖2（d）可以看出，車輪前束角的變化范圍是－1．666 3°～－0．578 6°。

通過上述分析，可看出賽車在跳動過程中，主銷內傾角、車輪外傾角和前束角變化范圍過大，需要優化。

3 設計變量對目標的影響度

利用Insight進行優化分析，考慮到整車的尺寸限制，選定懸架中的下橫臂前后點、上橫臂前后點、轉向拉桿內點5個硬點的YZ坐標為設計變量。創建DOE工作矩陣，通過521次迭代運算，從而得到各變量對設計目標的影響度，如表1所示［7］。

圖2 車輪定位參數的變化曲線

表1 設計變量對設計目標的影響度 %

從表1中可以看出：對外傾角和內傾角影響較大的是上下橫臂各硬點的Z坐標，對前束角影響最大的是拉桿內點的Z坐標。硬點的Z坐標相對Y坐標更能影響前輪定位角的大小。

4 優化結果分析

利用平方和加權的方法來解決多目標優化的問題［8］。目標函數為：

minF（X）＝ω1（αmax－αmax0）2＋ω2（βmax－βmax0）2＋ω3（γmax－γmax0）2＋ω4（δmax－δmax0）2。其中：ωi（i＝1，2，3，4）為加權系數；αmax、βmax、γmax、δmax分別表示外傾角、后傾角、內傾角、前束角絕對值的最大值；αmax0、βmax0、γmax0、δmax0分別表示外傾角、后傾角、內傾角、前束角絕對值的最大目標值。

由于安裝尺寸的限制，將10個設計變量的變動范圍限制在（－5，5）mm內，根據優化結果，修改硬點坐標，保持其他參數不變，再次進行雙輪同向激振仿真，優化前、后對比如圖3所示。

圖3 懸架定位參數優化前、后對比圖

（1）前輪外傾角：從圖3（a）可以看出，優化后外傾角的變化范圍是－4．131 2°～ －3．763 3°，變化量是0．363 3°，比優化前0．585 2°減少了0．221 9°，優化后外傾角變化量明顯減少。

（2）主銷后傾角：從圖3（b）可以看出，優化后后傾角的變化范圍是－0．094 2°～ 0．108 8°，變化量為0．203°，比優化前0．013 8°增加了0．189 2°，雖然后傾角的變化量增加，但增加幅度不大，而且這種變化有利于整車的操縱穩定性，符合車輪上跳增加、下調減少的設計原則，補償了賽車急剎車或急加速引起的后傾角的變化。

（3）主銷內傾角：從圖3（c）可以看出，優化后內傾角的變 化范圍是 3．411 1°～3．564 3°，變化 量 為0．153 2°，比優化前0．584 2°減少0．431°，優化比較理想，滿足了內傾角隨車輪上跳而增大的要求，避免了賽車在大載荷轉向時，由于回正能力的增強出現的轉向不穩的情況。

（4）車輪前束角：從圖3（d）可以看出，優化后前束角的變化范圍為－1．441 2°～ －0．849 5°，變化量為0．591 7°，比優化前1．087 7°減少了0．496°，變化量明顯降低，提高了賽車直線行駛的穩定性。

5 結論

利用ADAMS／Car進行懸架建模和仿真分析，并指出其缺陷，利用Insight模塊，建立設計變量和目標對懸架進行優化分析。優化結果表明，懸架的性能得到明顯的改善。基于ADAMS虛擬樣機技術對懸架的仿真優化設計方法，縮短了研發周期，對FSAE賽車懸架的設計、制造和調試提供了參考。

［1］ 余志生．汽車理論［M］．第5版．北京：機械工業出版社，2009．

［2］ 李軍，孟紅，張洪康，等．汽車懸架參數對操縱穩定性影響的仿真分析研究［J］．車輛與動力技術，2001（4）：24－27．

［3］ 陳軍．MSC．ADAMS技術與工程分析實例［M］．北京：中國水利水電出版社，2008．

［4］ 劉虹，王其東．基于ADAMS雙橫臂獨立懸架的運動仿真分析［J］．合肥工業大學學報，2007，30（1）：57－59．

［5］ 劉美燕．FSAE賽車懸架仿真分析及操縱穩定性虛擬試驗［D］．長沙：湖南大學，2008：39－47．

［6］ 馮晉祥．汽車構造下冊［M］．北京：人民交通出版社，2007．

［7］ 范成建，熊光明，周明飛．虛擬樣機軟件 MSC．ADAMS應用與提高［M］．北京：機械工業出版社，2006．

［8］ 楊榮山．轎車底盤平臺開發中多目標優化理論的研究及應用［D］．廣州：華南理工大學，2009：30－37．