基于ADAMS/Insight的双横臂悬架硬点优化

覃紫莹,廖抒华,陆润明,黎炯

(广西科技大学汽车与交通学院，广西柳州 545000)

0 引言

中国大学生巴哈大赛(Baja SAE China)是由中国汽车工程学会主办的大学生小型越野车竞赛。根据比赛要求，参赛队伍在一年内按照参赛规则自行设计、制造一辆符合比赛标准的小型越野车[1]。由于设计时间的局限性，且要保证赛车的整体性能，所以对巴哈赛车设计工作者提出了极高的要求。因此在短时间内需要一个良好的设计方法来有效地保证赛车设计质量，以及符合赛事根本要求。本文作者针对巴哈赛车的悬架设计，探索一种快速、准确的设计方法，有效提高悬架设计的工作效率，以及缩短巴哈赛车前悬架的开发周期。

1 悬架仿真模型的建立与运动学仿真

从三维模型中获取悬架各硬点的坐标，在ADAMS/Car中建立多体动力学仿真模型。在ADAMS/Car中创建部件，具体如下：由部件间的运动关系，轮毂通过旋转副与转向节连接，转向节通过球铰副与转向横拉杆连接，减振器下滑柱通过万向副与悬架下摆臂连接，减振器上滑柱通过万向副与车身子系统连接，转向节通过轴套分别与上、下控制臂连接，上、下控制臂通过旋转副与车架连接[7]，定义通信器，建立多体动力学模型如图1所示。

图1 双横臂悬架多体动力学仿真模型

定义与前悬架系统分析相关的车辆参数如下：轮胎自由半径为127 mm，轮胎径向刚度为220 N/mm，簧上质量为178 kg，质心高度为440 mm，轴距为1 380 mm。此外，定义平衡位置前轮定位参数如下：前束值为1°，车轮外倾角为1°[5]。根据悬架系统的动挠度的设计和实际测量，选择车轮上、下跳动高度设定分别为上跳+100 mm、下跳-30 mm，修改好弹簧刚度、弹簧预载等参数后，借助ADAMS/Car模块，对悬架仿真模型做双轮同向激振仿真试验。

2 ADAMS/Insight实验设计

进入DOE Interface操作板块，建立目标函数。依次将与前悬架系统分析相关的车辆参数建立为优化目标，选择设计目标分析的数值类型，进行分析脚本设定以后，进入ADAMS/Insight界面，确定相关的优化变量和优化目标。由于转向节与多个部件通过运动副相连接，在结构上不便轻易改动，因此悬架上、下摆臂的外点不作为优化对象，亦即固定了静载状态下的主销倾角。这样有利于减少数值迭代次数，更容易靠近设计目标值。所以，悬架硬点的优化工作主要针对上、下摆臂的前点和后点。由于双横臂悬架在结构上左、右对称，所以该试验取前悬架左侧悬架作为分析对象，在模型中其上、下摆臂的前点和后点共4个硬点，包括12个不同的坐标。另外，又由于规则对赛车前舱结构、尺寸有明确规定，加上前舱的人机工程学要求、轻量化设计要求和制动系统等的装配需求。综上考虑，车架横向尺寸不便轻易改动。即在上、下摆臂的前、后点12个坐标中，Y坐标不作为优化的对象，仅对4个硬点的X、Z坐标做优化即可，即以此作为影响因素，分析其对车辆悬架相关参数的影响， 完成ADAMS/Insight实验设计[4]。

3 各硬点坐标的影响系数

在确定影响因素和响应目标的选择后，再进行设置相关的分析具体环境，设置完成以后，生成分析空间，接下来进行分析计算。在ADAMS/Insight模块中选择Display，选择已分析的试验项目，进入操作页面以后，生成分析结果，把输出结果保存到电脑，观察所选取的各硬点坐标对悬架相关参数的影响系数，数据整理如表1所示。

表1 各硬点坐标对悬架相关参数的影响系数

4 改变硬点进行多目标优化

获得各硬点坐标对悬架相关参数的影响系数以后，优先考虑选择影响系数较大的坐标开始调整，作为主要优化因子，而对于影响系数较小的坐标，对优化主要起辅助调节作用。在设定的坐标变动区间内调节坐标值，文中模型选择的变化范围为±10 mm，不断调节坐标值使响应对象逐步达到理想目标值以内，硬点优化前、后的坐标如表2所示。

表2 优化前、后的硬点坐标 mm

5 硬点优化前、后的悬架特性曲线对比

赛车前悬架的前束角应该保持在1°左右，其变化范围不能太大，且应该避免前束角在赛车运动过程中发生突变，这样有利于赛车经过各种复杂路面时前束角不会因汽车的上下跳动而发生较大变化，还能保持良好的行驶和操纵稳定性；轿车的车轮外倾角通常设计的具有微小的正外倾，而巴哈赛车的路况通常更为复杂，要求车轮外倾角能够减少赛车行驶时轮胎的异常磨损和维持直线行驶的稳定性[2]，而且其数值变化也不能太大，且当车手坐进赛车舱内后，车轮外倾角应该接近0°，这样就保证了赛车具有良好的抓地力和侧向附着力；主销内倾角减小了主销偏移距，同时它的存在会给转向轮施加一个回正力矩，变化范围在6°～11°之内，它使转向更加轻便且有利于方向盘复位；主销后倾角一般控制在0°～4°之间，它的存在使赛车在行驶过程中具有自动回正的功能。主销后倾角的变化会引起赛车转向力矩的变化，同时也会导致转向时车轮外倾角的变化，对赛车的操纵稳定性造成恶性的影响，对轮胎也会造成不均匀的磨损[6]。所以主销后倾角的数值不宜过大，变化范围也不能太大；轮距的变化量不应过大，这样避免出现由于特殊路面状况而引起的轮距突变给轮胎造成异常的磨损，从而影响赛车的行驶平顺性。图2—图6为硬点优化前、后的悬架相关特性曲线对比。

图3 优化前、后前束角变化对比

图4 优化前、后主销内倾角变化对比

图5 优化前、后主销后倾角变化对比

图6 优化前、后轮距变化对比

6 结束语

针对巴哈赛车的结构特点，提出了相对应的前悬架硬点优化方法。分别应用ADAMS/Car模块和ADAMS/Insight模块对悬架进行模型建立和悬架硬点优化，通过分析悬架各硬点坐标对悬架参数的影响系数，最终选择影响系数相对较大的硬点坐标值作为优化对象，通过这种方法有针对性地对悬架硬点位置进行优化，能在短时间内使悬架相关参数达到优化的预期目标，在比赛规定的有效时间内大大提高悬架设计的工作周期，有效节约时间。试验表明，相比优化前的悬架相关参数，优化后的悬架相关参数使车轮外倾角、前束角、主销内倾角、主销后倾角更接近于理想范围值，前后轮距明显减小，这有助于减少轮胎的磨损和减小滚动阻力[3]，同时提高了赛车的行驶稳定性和操纵稳定性，从而提升了赛车的整体性能。