基于ADAMS/CAR的赛车平衡悬架仿真分析

王振刚，杨世文

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)

基于ADAMS/CAR的赛车平衡悬架仿真分析

王振刚，杨世文

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)

提出将平衡悬架理论应用在赛车上，并在ADAMS/CAR软件中建立了某赛车前平衡悬架的动力学仿真模型，在双轮同向激振工况中进行仿真分析，得出车轮在跳动过程中主要定位参数变化曲线。通过分析得出各参数变化量均在实际设计要求值范围内，表明所建立的平衡悬架模型的正确性以及在赛车上应用的可行性。

赛车；平衡悬架；运动学仿真；ADAMS

Abstract:The application of balanced suspension theory on racing car was proposed.The dynamics simulation model of the balanced suspension of a racing car was established in ADAMS/CAR software，the kinematics simulation was made in parallel wheel travel condition．In the post processor，the change curves of balanced suspension parameters were obtained while wheel traveled．It is found that the obtained parameters are within actual required range．The results show that the built dynamic simulation model of the balanced suspension is accurate，and the application on the racing car is feasible.

Keywords:Racing car；Balanced suspension；Kinematics simulation；ADAMS

0 引言

在现代赛车竞赛中，赛车具有良好的横向加速度是取胜的关键。如果一辆赛车的车轮离开路面，失去与路面的良好接触，就不能产生使汽车加速所需的水平方向的加速力。此外，车轮的跳动也会扰乱汽车的操纵平衡，使车手很难获得汽车的最佳性能。平衡悬架可以实现很好的平顺性和良好的抓地力，使赛车有良好的操纵性和最小的行驶离地高度[1]。平衡悬架已经在四轮或多车轮的车辆中使用，包括卡车、公共汽车以及越野车。但目前，该悬架系统尚未在竞速类赛车中得到实际应用。

1 悬架多体系统运动学模型

1.1 理论依据

应用ADAMS/CAR模块对平衡悬架进行动力学仿真。ADAMS/CAR模块采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程，这可减少未知变量的数目。所建立的动力学方程的一般形式：

(1)

(2)

经过第j次的迭代，得到系统的雅可比矩阵，即系统的雅可比矩阵为：

1.2 平衡悬架模型简介

前车轮对应两种运动模式：一种模式是一对车轮运动的方式相同(即两者都向上动或两者都向下移动)，称之为“车轴弹跳模式”；第二模式，两个车轮的运动方式对立(即一个向上移动，而另一个向下移动)，称之为“车轴扭转模式”。第一弹簧阻尼器(车轴反跳弹簧)安装在车轴上控制着两个车轮的回弹运动，第二弹簧阻尼器(扭杆弹簧)控制着车轮的扭转运动，两个弹簧阻尼器相互独立，如图1所示。

1.3 建立前平衡悬架仿真模型

在ADAMS/CAR模块中，建立前平衡悬架模型过程中，除了轮胎、阻尼元件、弹性元件外，其余零件认为是刚体，在仿真分析过程中不考虑它们的变形。用衬套模拟弹性运动过程中各刚体之间的柔性连接，各运动副内的摩擦力忽略不计。

由于ADAMS/CAR模块中所建立模型左右对称，故只需建立左半边悬架模型即可。前平衡悬架左半边硬点如表1所示。

在ADAMS动力学仿真分析软件中，建立了包括车轴、悬架前支杆、转向节、转向横拉杆、扭杆弹簧、减震器的动力学仿真模型，如图2所示。

由于ADAMS软件中没有扭杆弹簧，故建模中做以下处理：扭杆一端与悬架前支杆用固定副连接， 另一端与车轴固结在一起，扭杆中间断开并加扭簧，采用旋转副来约束断开的前、后扭杆，仿真过程中输入扭簧刚度并对扭簧加载[2]。

对前悬架系统模型进行双轮同向激振试验仿真，设定车轮轮心跳动位移为-50～50 mm。仿真计算结束后，分析车轮上下跳动过程中悬架主要参数的变化。

2 仿真结果分析

2.1 车轮外倾角

对车轮外倾角仿真结果进行数据拟合处理，所得曲线如图3所示。

通过分析，赛车前轮上跳50 mm，外倾角为-1.46°。而赛车前轮外倾角初始设定值为-1°，车轮跳动50 mm时，外倾角变化量为-0.46°。一般车轮上跳时，车轮外倾角变化为：-2°/50 mm～0.5°/50 mm[3]。由此可见，安装平衡悬架的前车轮在跳动过程中，外倾角的变化量在合理的取值范围内。

2.2 主销后倾角

对主销后倾角仿真数据进行拟合处理，所得曲线如图4所示。

由图4可以看出:车轮上下跳动50 mm，主销后倾角的变化范围在0.005°～0.0255°之间.而现代车辆其主销后倾角的范围大致在-1°～+3°之间[3]。由此可见，跳动过程中前轮主销后倾角变化量在合理范围内。

2.3 主销内倾角

对主销内倾角仿真数据进行拟合处理，所得曲线如图5所示。

由图5可以看出：车轮在上下跳动50 mm时，主销内倾角的变化范围为：5.95°～6.725°。而在现代汽车中，主销内倾角的范围在5°～14°之间[3]。由此可见，平衡悬架主销内倾角变化在合理的范围内。

2.4 前束角

对车轮前束角仿真数据进行拟合处理，所得曲线如图6所示。

前轮前束角初始设定值为-1°。由图6可看出：车轮上跳50 mm时，前束角的变化量为-0.15°；车轮下跳50 mm时，前束角变化量为-1.2°。车轮下跳过程中，前束角变化量过大，超出理想的前束变化设计值0°/50 mm～-0.5°/50 mm[3]，需要进行优化改进。

2.5 车轮转角

对车轮转角仿真数据结果通过拟合处理，所得曲线如图7所示。

由图7可以看出：车轮上跳50 mm时，车轮转角最大值为0.3°，变化量为0.3°，在可接受的范围内；而在车轮下跳50 mm的过程中，车轮转角最大值为-1.25°，变化量过大，需要优化悬架模型参数。

2.6 轮距变化

对轮距变化仿真数据进行拟合处理，所得曲线如图8所示。

由图8可以看出:车轮上跳50 mm，轮距变化为3.8 mm;车轮向下跳动50 mm时，轮距变化为1.3 mm。车轮上、下跳动过程中，轮距变化范围为3.8 mm。现代汽车设计中，车轮上跳时轮距变化量为：-5 mm/50 mm～+5 mm/50 mm[3]，由此可见，平衡悬架轮距变化量在合理的范围内。

3 总结

利用ADAMS/CAR软件建立所提出的平衡悬架动力学模

型，并对其进行车轮同向跳动仿真分析。通过分析后处理得到悬架参数曲线，得出车轮在上、下跳动过程中的外倾角、主销后倾角、主销内倾角、轮距及车轮上跳过程中的前束角、转角变化量均在汽车实际设计值范围内，而车轮下跳过程中的前束角、转角变化量超出理想的范围值。表明所提出的平衡悬架模型的正确性，以及在赛车上应用的可行性，并为后续研究提供理论基础。

【1】 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.

【2】 《汽车工程手册》编委会.汽车工程手册[M].北京:人民交通出版社.2007.

【3】 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2008.

【4】 王霄锋.汽车底盘设计[M].北京:清华大学出版社,2010.

【5】 宁国宝,张立国,余卓平,等.双横臂扭杆弹簧悬架系统空间结构非线性特性的建模与分析[J].汽车工程,2010 (2):143-147.

【6】 李新耀,张印.双横臂扭杆悬架的特性分析及设计计算[J].汽车工程,2003,25(1):15-19.

【7】 时培成,韦山.双横臂扭杆弹簧悬架线刚度计算及动态仿真[J].机械工程师,2006 (8):43-45.

SimulationAnalysisoftheBalanceSuspensionSysteminRacingCarBasedonADAMS/CAR

WANG Zhengang, YANG Shiwen

(School of Mechanics and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

2014-10-09

王振刚(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为车辆结构分析与动态仿真。E-mail：277292483@qq.com。