基于ADAMS/view的方程式賽車懸架的性能優化

魏 銀

(西華大學 汽車與交通學院,成都 610039)

汽車懸架系統的各項性能指標與其行駛的穩定性有很大的關系[1]。懸架的結構決定了汽車在轉彎時是否有較大的側傾,并且也會影響汽車在剎車時是否點頭。不同的懸架結構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,懸架系統的設計和性能優化具有重要意義[3]。

Jia等[4]在原有獨立空氣懸架的基礎上構建了虛擬原型拓撲模型,優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特性關鍵參數為試驗響應,最后通過優化硬點獲得了比較滿意的K特性。本文對懸架系統進行動力學建模和驗證,通過靈敏度報告對其影響運動穩定性懸架硬點數值進行優化,得到了符合要求的四輪參數角。

1 懸架系統動力學模型的建立

懸架的操縱穩定性是評估賽車性能的重要指標之一,而懸架系統的K&C性能則直接影響到車輛的質量。本設計簡要介紹了懸架系統的K&C性能,K性能是指懸架系統的運動特征,主要用于描述車輪在滾動過程中的位置參數隨車輪的跳動而發生的改變,而這種變化與懸架硬點的坐標參數密切相關;C特征是指懸掛系統的彈性運動學特征,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的改變[6]。

賽車懸架性能的優化,主要考慮四輪定位參數與懸架硬點坐標之間的關系,從而提升賽車的操縱穩定性[7]。通過在ADAMS/view中建立的懸架系統三維動力學模型去迭代通過靈敏度報告再去優化懸架硬點坐標的方法來改變這些車輪定位參數值,從而使賽車具有良好的操縱穩定性,滿足FSC賽車比賽的設計要求。

1.1 創建懸架系統空間坐標點

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

1.2 建立各部件之間的約束

在建立好懸架系統的空間物體形態后,為了將它們聯結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]。在懸架系統中各部件間的約束關系的具體情況如表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

由此創建基于ADAMS/view的懸架系統的動力學模型,如圖1所示。

圖1 懸架系統的動力學模型

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

2 懸架系統動力學模型仿真

2.1 驅動力函數的設置及輪跳測試

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,驅動時間函數設為100 sin(360d×t),從而計算分析車輪定位參數的變化趨勢。可得當前狀態下的四輪參數角、車輪接地點和車輪側滑量的測量曲線,如圖2所示。

(a)主銷內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 各狀態量測量曲線

2.2 懸架優化指標

完成平行輪跳仿真實驗后,計算懸架主要參數隨車輪跳動量的變化規律,在表3的懸架四輪參數優化指標范圍內,對表4中的目標參數,進行進一步優化。

表3 懸架硬點優化指標

表4 優化前各參數變化量

3 懸架系統硬點坐標的優化

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

3.1 懸架的點位與優化目標的選擇

通過對前懸架機構與四輪定位參數的關系研究[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,本設計選擇的坐標點位如表5所示,將其進行優化。

表5 懸架優化點位的選取 mm

3.2 靈敏度圖像的分析

在懸架設計后期,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據之間的關系,其值越高越好。

(a)主銷內傾

(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z坐標)對四輪參數的影響度變化較大。

(a)主銷內傾角

(d)前輪前束角

3.3 懸架硬點的優化

在ADAMS/insight試驗界面中點擊“optimize”進入優化設置界面,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個點坐標作為優化的重要對象,在設計目標中設立目標值,根據需要設置各部分權重,將修改后的點位在點表格中修改并應用到其原模型,修改后的點位坐標如圖5所示。

(a)懸架硬點的優化

(b)優化后的點位

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、主銷內傾角、前輪外傾角、前輪前束和車輪接地點側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,繪制了優化后的懸架參數數值對比表,如表6所示。

優化后的結果顯示,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;主銷內傾角改變,提高了操縱轉向的能力;外傾角得到一定改善,變化梯度更小,輪胎接地面積更穩定,有利于增加側向支撐,提高轉彎極限;前束角的優化結果明顯,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)車輪接地點側滑量圖6 四輪參數優化前后數值對比

表6 優化前后的懸架參數數值對比

4 結論

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