FSC賽車操穩性仿真分析

方天文，覃儼，劉虹伯

（長安大學，陜西 西安 710064）

FSC賽車操穩性仿真分析

方天文，覃儼，劉虹伯

（長安大學，陜西 西安 710064）

以參與2016FSC大賽的某高校賽車為原型，利用ADAMS/CAR建立整車模型，接著仿真分析該賽車在典型工況下的動態特性，得出操縱穩定性相關指標。再根據賽道工況，仿真得出各個項目成績。對賽車設計定型前有一定指導意義。

FSC；ADAMS；多體動力學；操縱穩定性

CLC NO.:U461.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-109-03

引言

中國于2010年舉辦首屆大學生方程式汽車大賽（FSC）。該賽事要求車隊在一年內設計制造出一輛符合賽事規則的賽車[1]。傳統汽車開發包含制造試驗車，再做相關測試。但FSC賽車因成本問題，傳統辦法不再可行，所謂樣車即參賽車。于是在設計階段就采用ADAMS對賽車進行操穩性仿真試驗分析，以此來縮減研發時間和成本。

我國于上世紀90年代引進ADAMS，但局限于計算機硬件，一直處于初級應用階段。近些年，各大高校和車企對該軟件的應用有了極大提升?，F階段動力學模型不再局限于剛體，而逐漸加入多柔體動力學內容[2]。

1 模型建立

1.1 前、后懸架子系統

該賽車前后都采用雙A臂型獨立懸架。

在該賽車前懸架系統中，主要參數有：輪胎外傾角-2°，束角-0.5°；彈簧自由長度248mm，剛度350lb/in。后懸架同前懸架相似，但轉向橫拉桿更換為傳動半軸。主要參數如下：輪胎外傾角-1.5°，束角0；彈簧自由長度248mm，剛度250lb/in。

1.2 轉向子系統

根據大賽規則，前輪禁止使用線控轉向及電控轉向，所以使用純機械結構轉向系統。主要參數如下：最大齒條行程25.4mm；方向盤轉角120°；車輪轉角均值24.5°。

1.3 其他子系統

前、后輪子系統中輪胎主要參數如下：自由半徑228.6mm；斷面寬度215.9mm；縱橫比為0.47；其他參數有徑向剛度、阻尼、側向剛度及滾動阻力矩力臂等。

車身簡化為具有質量及位置的點。該賽車整備質量240 Kg，車手體重65Kg，迎風面積1.8E+6m2，空氣密度1.2E-9 Kg·m-3，阻力系數0.36。

動力系集中了引擎、變速器及離合器三個功能，通過函數模擬各自的功能[3]。發動機文件包含外特性曲線及不同轉速對應的反拖力矩，另外包括各檔減速比。

1.4 整車模型裝配

整車模型是由上文提到的各子系統及試驗臺組成的裝配件，通過軟件自帶的通訊器，建立一系列的函數關系，進行數據互換。

圖1 整車模型

2 工況仿真

據GB/T 6323-2014汽車操縱穩定性試驗的規定，評價汽車操穩性的試驗方法有很多，如蛇形、穩態回轉、轉向瞬態響應等[4]。

2.1 蛇形試驗仿真

蛇性試驗是一種閉環控制試驗，能對操縱輕便性、轉向準確性及避障能力進行綜合檢驗。用事件構造器構造事件，一字均勻排列若干樁桶，間距為10m。賽車反復穿過樁桶，用時越短，說明賽車轉向越靈活[5]。

圖2 方向盤轉角

圖3 橫擺角速度

表1 蛇形試驗結果統計

摘取上兩圖曲線峰值，統計處理如表1。Θ值遠低于國標，是因為賽車轉向傳動比小于民用車。γ值符合國標，說明賽車在急劇轉向中有良好的安全性。

2.2 穩態回轉試驗仿真

該試驗主要檢測車輛的穩態轉向特性和動態響應特性。在GB/T 6323-2014中該試驗為半徑15m的定圓試驗。車輛逐漸加速，當甩離路線時停止試驗[4]。本試驗采用FSC賽事的8字繞環賽道半徑，即9.125m。

圖4 縱向速度

圖5 側向加速度

圖6 側向位移

從圖4可看出，縱向極限速度能達到35.4km/h,從圖5能看出側向加速度能達到1.04g。從圖6可看出賽車跑圈成績為6.0s。后期實車試驗時，采集到跑圈時間為6.2s左右，側向極限加速度能達到0.98g。相對于仿真數據有所降低，可能因為水泥路面相對于賽道路面附著系數低。綜合來說，穩態回轉仿真試驗與實際很接近，誤差為3%，有很高的參考價值。

2.3 前輪不同外傾角對比試驗

圖7 側向加速度與前輪外傾角

該試驗中，設置賽車前輪外傾角從+2°到-3°變化，以穩態回轉試驗得出側向加速度極限值，用來判斷前輪外傾角對賽車側向極限的影響。隨著車輪向負外傾變化，極限側向加速度越來越大，越有利于賽車的高速過彎。但考慮到賽車外傾角過大會加劇輪胎磨損等問題，所以該賽車前輪選取-2°的外傾角。

2.4 75m直線加速試驗

圖8 加速度

從圖8可看出換擋時機，75m直線加速用到1、2檔，能最大程度利用發動機功率，而不建議使用3檔。從圖9來看，75m直線加速時間為4.24s，后期實車測試得出成績為4.6-4.7s。誤差在7.8%-9.8%之間。

圖9 位移

2.5 不同輪胎尺寸對比試驗

換裝13in輪胎，執行100m直線加速仿真試驗。而換胎引起的質心位置、慣量等參數變化，不再贅述。

圖10 10in和13in輪胎直線加速時間

從上圖可知，裝13in胎的賽車比10in胎時間多1.1s，可見小尺寸胎對賽車動力性有很大影響，因而我們決定選用10in輪胎。

3 結語

文章以某高校2016大學生方程式賽車為原型，在ADA MS/CAR中建立裝配模型，隨后進行了國標典型工況和部分賽道工況仿真。在蛇形試驗中得出轉向性能符合國標規范。在穩態回轉試驗中得出賽車的側向極限加速度，以及不同前輪外傾參數對側向極限的影響規律。在直線加速試驗中得出賽車跑完75m所需時間和換擋時機，以及10in、13in輪胎對賽車加速性能的影響。

[1] 向杰.中國大學生方程式汽車大賽[J].汽車工程學報,2012(2)∶ 146-146.

[2] 蔡章林.動力學仿真技術在懸架和整車開發中的應用研究[D].長春∶吉林大學,2004.

[3] 倪俊,徐彬.基于ADAMS的FSAE賽車建模與操縱穩定性仿真[J].工程設計學報,2011,(05)∶354-358.

[4] GB/T 6323-2014,汽車操縱穩定性試驗方法[S].北京∶中國標準出版社,2014.

[5] 張武.FSAE賽車操縱穩定性的仿真研究[D].長沙：湖南大學,2008.

Analysis on Handling Stability of FSC Racing Car

Fang Tianwen, Qi Yan, Liu Hongbo
( Chang 'an University, Shaanxi xi'an 710064 )

Based on the college car racing of 2016 FSC, the vehicle model was established by using ADAMS/CAR software, and then the dynamic characteristics of the car under typical operating conditions were simulated, getted the handling stability indexes.According to the track conditions, come to the results of various projects.It has a certain guiding significance before design of the car.

FSC; ADAMS; dynamic; handling stability

U461.7

A

1671-7988 (2017)13-109-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.037

方天文，就讀于長安大學。