賽車懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析及優(yōu)化

崔傳真 ，王栢成 ，潘騰遠(yuǎn)

（1.欽州學(xué)院 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州535000；2.廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 欽州535000；3.廣西英華國際職業(yè)學(xué)院，廣西 欽州535000）

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡(jiǎn)稱中國“FSC”）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校本科生及研究生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造的比賽[1]。

對(duì)于賽車設(shè)計(jì)來說，一般要求要有良好的轉(zhuǎn)向能力以及穩(wěn)定的行駛操縱，同時(shí)也要考慮到整車的空間布置、結(jié)構(gòu)等，經(jīng)過綜合考量，本設(shè)計(jì)采用了前后懸架都是推桿上下不等長(zhǎng)的雙橫臂式懸架，通過前期設(shè)定，后期的仿真優(yōu)化，以期使得賽車的懸架在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有良好的特性[2]，整車的性能參數(shù)得以合理化。

1　懸架模型建立

通過前期的理論計(jì)算及部分預(yù)設(shè)參數(shù)，以此建立初步的賽車懸架模型，在UG里建模，確立初步的懸架硬點(diǎn)，測(cè)出各硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，以作為下一步在Adams/car及Adams/Insight中進(jìn)行優(yōu)化及分析[3]。通過對(duì)賽車懸架參數(shù)的基本的設(shè)定，在軟件UG里建立模型，懸架裝車模型如圖1所示，前后懸架總成如圖2所示。

圖1　懸架裝車模型

圖2　前后懸架總成

2　懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化

2.1　前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化

分析前先對(duì)賽車模型數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。

圖3　賽車模型參數(shù)

由初始設(shè)計(jì)的賽車懸架運(yùn)動(dòng)行程，設(shè)置步長(zhǎng)為50，彈簧的壓縮及回彈的運(yùn)動(dòng)行程各為35 mm.

由仿真分析結(jié)果可知，賽車前懸架的內(nèi)傾角變化 2.92°、外傾角變化 2.71°及前車輪束角 3.1°，這三個(gè)參數(shù)的差值范圍變化不符合汽車設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)一步分析及優(yōu)化，進(jìn)而提升整車性能。利用ADAMS/Insight模塊進(jìn)行優(yōu)化。

選取的變量為上橫臂的前、后點(diǎn)、外點(diǎn)以及前束拉桿的內(nèi)點(diǎn)作為變量，運(yùn)行軟件，通過迭代次數(shù)的四個(gè)曲線圖可以看出所選取的坐標(biāo)點(diǎn)中，上擺臂的前、后、外點(diǎn)的Z坐標(biāo)，拉桿的內(nèi)點(diǎn)Z坐標(biāo)，這四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)前面設(shè)置的三個(gè)目標(biāo)量影響比較明顯，所以主要是對(duì)這四個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，其他的值對(duì)其影響不大，因而在優(yōu)化運(yùn)算各值的過程中，它們的值不需要改變。

通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行不斷的調(diào)整優(yōu)化，對(duì)目標(biāo)影響比較大的四個(gè)設(shè)計(jì)的坐標(biāo)值進(jìn)行調(diào)整配合，最終上述四個(gè)坐標(biāo)值變化如表1所示。

表1　前懸架坐標(biāo)值變化

由以上分析得出的結(jié)果，輸入前懸架優(yōu)化后的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，之前的參數(shù)不變，再次進(jìn)行仿真分析，與之前的進(jìn)行比較。賽車前懸架優(yōu)化后的曲線圖，如圖 4、5、6、7、8 所示。

圖4　前懸架車輪外傾角優(yōu)化曲線

從圖4中可以看出，優(yōu)化后的變化為-1.327°～ -2.078°，變化 0.75°，較之前變化 2.71°，減小 1.96°，優(yōu)化效果明顯。符合設(shè)計(jì)的要求。

圖5　前懸架主銷后傾角優(yōu)化曲線

從圖5中可以看出，優(yōu)化后的變化為3.931°～3.933°，變化0.002°，變化量非常小。符合賽車設(shè)計(jì)的要求。

圖6　前懸架主銷內(nèi)傾角優(yōu)化曲線

從圖6中可以看出，優(yōu)化后的變化為2.847°～ 3.612°，變化 0.765°，較之前變化 2.92°減小 2.15°，優(yōu)化效果明顯，符合賽車設(shè)計(jì)的要求。

圖7　前懸架前輪前束角優(yōu)化曲線

從圖7中可以看出，優(yōu)化后的變化為0.09°～ -1.096°，變化 1.186°，較之前變化 3.1°減小 1.914°，優(yōu)化效果明顯，符合賽車設(shè)計(jì)的要求。

圖8　前懸架主銷偏距優(yōu)化曲線

從圖8中可以看出，優(yōu)化后的變化為70.347 mm～71.029 mm，變化0.682，較之前稍有減小，變化量很小。保持在設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)的要求。

綜合上面的分析優(yōu)化結(jié)果比較來看，優(yōu)化后的車輪外傾角變化了0.75°、主銷內(nèi)傾角0.765°、前束角變化1.186°，這些參數(shù)優(yōu)化后都在或接近賽車設(shè)計(jì)允許的合理范圍之內(nèi)，賽車前懸架的整體性能也都有所提升。

2.2　后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

仿真過程同前懸架基本一致，由仿真結(jié)果可知，車輪外傾角變化4.02°、主銷內(nèi)傾角變化3.98°，變化的值比較大，需進(jìn)一步優(yōu)化。利用ADAMS/Insight模塊進(jìn)行優(yōu)化[4]。

通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行不斷優(yōu)化，所設(shè)定需要優(yōu)化的數(shù)據(jù)都有所變化，上述八個(gè)設(shè)定的坐標(biāo)值調(diào)整和整體配合，最終變化值如表2所示。

表2　后懸架坐標(biāo)值變化

由以上分析得出的結(jié)果，輸入前懸架優(yōu)化后的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，之前的參數(shù)不變，再次進(jìn)行仿真分析，與之前的進(jìn)行比較。賽車前懸架優(yōu)化后的曲線圖，如圖 9、10、11、12、13 所示。

圖9　后懸架車輪外傾角優(yōu)化曲線

從圖 9中可以看出，優(yōu)化后的變化為 0.16°～ -1.09°，變化 1.25°，較之前變化 4.02°減小 2.77°，優(yōu)化效果明顯，基本符合賽車設(shè)計(jì)的要求。

圖10　后懸架主銷后傾角優(yōu)化曲線

從圖10中可以看出，優(yōu)化后的變化為9.422°～9.426°，變化0.004°，變化量非常小，符合賽車設(shè)計(jì)的要求。

圖11　主銷內(nèi)傾角優(yōu)化曲線

從圖11中可以看出，優(yōu)化后的變化為0.58°～ 1.77°，變化 1.19°，較之前變化 3.98°減小 2.79°，優(yōu)化效果明顯，基本符合賽車設(shè)計(jì)的要求。

后輪前束角：

賽車后懸架優(yōu)化后的曲線圖，如圖12所示。

圖12　后輪前束角優(yōu)化曲線

從圖12中可以看出，優(yōu)化后的變化為-0.19°～ 0.2°，變化 0.39°，較之前變化 0.29°增大 0.1°，變化很小，符合設(shè)計(jì)的要求。

圖13　后懸架主銷偏距優(yōu)化曲線

從圖13可以看出，優(yōu)化后的變化為72.03 mm～72.25 mm，變化0.22 mm，變化量很小。保持在設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)的要求。

綜合上面的優(yōu)化結(jié)果與先前的分析結(jié)果比較來看，優(yōu)化后的后輪外傾角變化1.25°、內(nèi)傾角變化1.19°，與之前相比，減小了很多，這些參數(shù)在優(yōu)化后，基本接近在賽車設(shè)計(jì)上較理想的變化值，賽車后懸架的整體性能也都有所提升。

3　結(jié)束語

本文是依據(jù)欽州學(xué)院2016賽季懸架進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真及優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化分析整車的總體性能參數(shù)變化得以在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，為賽車動(dòng)態(tài)性能提供理論分析依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國汽車工程學(xué)會(huì).中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2013.

[2]王 鷺，彭育輝.大學(xué)生方程式賽車平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2014（7）：15-20.

[3]何 磊，陳辛波，黃 露，等.雙橫臂獨(dú)立懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真及參數(shù)化臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2015（2）：124-128.

[4]張 楚，葛江浩，劉 強(qiáng)，唐文杰.基于ADAMS的麥弗遜前懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2013（7）：32-35.