巴哈賽車雙叉臂懸架的優(yōu)化設(shè)計及分析

李赫

摘 要：本文以巴哈賽車雙叉臂式懸架系統(tǒng)為設(shè)計和分析對象，進行了動力學(xué)建模，在Adams/Car中利用裝配好的懸架系統(tǒng)進行仿真分析，得到其4個定位參數(shù)的仿真變化曲線，使用Adams/Insight進行仿真優(yōu)化設(shè)計，從而得到優(yōu)化目標的最終結(jié)果。

關(guān)鍵詞：懸架系統(tǒng) Adams 仿真分析

Optimal Design and Analysis of Double Wishbone Suspension for Baja Racing

Li He

Abstract：This article takes the Baja racing double wishbone suspension system as the design and analysis object， carries out dynamic modeling， uses the assembled suspension system in Adams/Car for simulation analysis， and obtains the four positioning parameters stimulating the change curve and uses Adams/Insight for simulation and optimization design， so as to obtain the final result of the optimization goal.

Key words：suspension system， Adams， simulation analysis

中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽在我國已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了五屆賽事，是一項由高等院校、職業(yè)院校汽車及相關(guān)專業(yè)在校生組隊參加的越野汽車設(shè)計、制造和檢測的比賽。整個參賽過程是一種全新的技術(shù)教育和工程實踐過程，使得參與其中的同學(xué)能夠?qū)⒗碚撆c實踐做到融合，對于提高學(xué)生的專業(yè)技能有很大的幫助。

大賽采用靜態(tài)賽和動態(tài)賽相結(jié)合的方式。其中，動態(tài)項目包括爬坡測試、操控測試和4小時的耐力測試，因動態(tài)項目測試涉及到多種復(fù)雜路況和惡劣的賽道條件，對賽車的懸架系統(tǒng)要求特別高。本文設(shè)計的巴哈賽車懸架系統(tǒng)為雙叉臂式，利用Adams軟件進行仿真分析并優(yōu)化，從而確保所設(shè)計的懸架系統(tǒng)達到最佳狀態(tài)。

1 建立動力學(xué)模型

通過硬點坐標建立懸架的各個部分，再通過連接件和約束把各個部分連接起來，其中要注意，建立約束時要計算好自由度，防止出現(xiàn)多個自由度而產(chǎn)生其他影響行駛的運動，Adams懸架模型如圖1所示。

懸架模型建立后，還要進行懸架總裝配這樣才能夠讓懸架動起來。在懸架的裝配中，應(yīng)該加入各系統(tǒng)相關(guān)零部件總成，把車身連接到相應(yīng)的地面，形成仿真圖像。裝配好的總懸架如圖2所示。

2 雙輪同向激振仿真

賽車在比賽過程中，由于賽道的復(fù)雜狀況和彎道會引起車輪的上下跳動，尤其在崎嶇的山路更是如此。因此跳動過程中，雙輪同向激振仿真很重要，在Adams/Car中利用裝配好的總懸架進行仿真分析。仿真的參數(shù)設(shè)置如下：由于賽車的路面情況比較復(fù)雜，我們在設(shè)置車輪的跳動范圍是±100mm;在設(shè)置參數(shù)時，添加車輪屬性文件，其中懸架質(zhì)量為10kg，懸架的輪距是1420mm，簧上質(zhì)量是260kg。點擊開始即可得到前懸架的同向激振仿真結(jié)果，如圖3和圖4所示就是仿真時的跳動最高點和跳動最低點。

在分析結(jié)束以后，使用Adams/Car標準繪圖配置文件繪制結(jié)果圖。按F8鍵，直接查找car模塊提供的4個定位參數(shù)關(guān)于車輪跳動的關(guān)系圖[1]。

3 確定目標并優(yōu)化

仿真結(jié)束以后，發(fā)現(xiàn)賽車懸架的硬點不是最優(yōu)的，還有待改進。因此我們使用Adams/Insight進行仿真優(yōu)化設(shè)計。Adams/Insight能夠進行多變量仿真，符合賽車懸架的設(shè)計規(guī)則。實驗選擇DOE面響應(yīng)分析法，輸入關(guān)鍵硬點坐標，多次迭代生成實驗矩陣仿真結(jié)果，通過網(wǎng)頁形式輸出得到優(yōu)化目標的最終結(jié)果。

為了減少迭代的次數(shù)，我們根據(jù)經(jīng)驗選擇8個靈敏度較大的值作為設(shè)計變量，即上橫臂前點Y、Z坐標值，上橫臂后點Y、Z坐標值，下橫臂前點Y、Z坐標值，下橫臂后點Y、Z坐標值。

4個定位參數(shù)（前束角、外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角）為優(yōu)化目標。采用多目標優(yōu)化的方法進行迭代計算，迭代次數(shù)64次。由于懸架位置的變化相對較大，設(shè)置每個坐標的變化范圍是-5～5mm。部分工作矩陣如圖5所示。

實驗迭代結(jié)束后，得到靈敏度分析如下圖6、7所示，由于篇幅有限，只列出前束角和外傾角的靈敏度分析圖[2]。

4 仿真結(jié)果分析

以前束角和外傾角為例，進行仿真結(jié)果分析。車輪前束角可以減少由于車輪外傾角帶來的不利影響，因此需要與外傾角相匹配，從而產(chǎn)生合理的懸架特性。如圖8所示，優(yōu)化前的變化范圍是-1.8°～5.6°，優(yōu)化后的變化范圍是-1.4°～4.6°，能夠和外傾角度匹配，符合懸架設(shè)計特性[3]。

為了讓輪胎提供比較大的側(cè)向力發(fā)揮其優(yōu)越的性能，因此將外傾角在靜止時侯設(shè)置為負值，如9所示，輪胎的外傾角變化過大-3.4°～1.6°。優(yōu)化過后的變化角度為-2.8°～1.1°，變化的范圍明顯減小了很多，不會由于特殊情況發(fā)生危險。

5 結(jié)語

本文通過Adams不同模塊進行硬點坐標的建模及仿真，得到的曲線并不能完全滿足賽車懸架系統(tǒng)的要求。為此我們進行了靈敏度分析和改變硬點坐標的方式進行懸架特性優(yōu)化，得出了比較滿意的優(yōu)化曲線，滿足了參賽賽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計要求。

基金項目：吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)項目“巴哈大賽賽車研發(fā)”，項目編號：JJKH20170157KJ。

參考文獻：

[1]段立山等.巴哈越野賽車懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 科技視界程，2019（4）：30-32.

[2]張任旭等.巴哈賽車前懸架系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019（6）：102-104.

[3]韓金龍等.大學(xué)生方程式巴哈車前懸架系統(tǒng)的仿真分析[J]. 內(nèi)燃機與配件，2020（1）：47-50.