FSAE赛车双横臂前悬架运动学仿真及优化

倪 俊，徐 彬

(北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)

近些年来，在车辆悬架的设计及优化中，以多刚体动力学ADAMS软件为基础的悬架运动学分析成为了一种常用手段[1-3].2010年，中国举办了第一届大学生方程式汽车大赛 (简称FSAE).该项比赛旨在培养学生汽车设计成本控制，团队合作等能力.在FSAE赛车设计中，采用双横臂式独立前悬架.通过ADAMS/Car建立该悬架的虚拟样机模型，进行仿真，从而分析该双横臂独立前悬架的运动学性能.并利用ADAMS/Insight模块，分析了各悬架的车身连接点对悬架各项性能的影响系数，对不理想的参数进行优化，改善赛车的操纵稳定性，从而达到优化设计的目的.

1 前悬架仿真模型的建立

通过Solidworks双横臂独立前悬架三维设计模型获得主要硬点坐标值，悬架弹簧、减振器属性文件由厂家提供数据编制.建立赛车双横臂独立悬架的ADAMS/Car模型.进行悬架跳动仿真时，将悬架模型置于ADAMS/Car提供的悬架实验台上，悬架及实验台的装配模型如图1示.

图1 双横臂前悬架模型

2 仿真结果及数据分析

实验台同时对左右车轮施加垂向运动，行程为大赛规定的±25 mm.仿真结束后，进入后处理模块，查看车轮主要定位参数及轮距变化.

2.1 车轮定位参数

悬架的前轮主要定位参数变化曲线.如图2所示.

图2 前轮定位参数变化曲线

1)车轮外倾角变化范围是 －1.2°到－3°.由于赛车经常需要快速转弯，希望能够最好的发挥轮胎性能，使其在转弯的过程中，最大的提供侧向力[4]，所以，赛车设计常把它设置为负角度，从而最大程度利用轮胎的附着能力，并且希望随轮跳变化尽量小.由图2中可以看出，该车前悬架跳动50 mm的过程中，轮胎外倾角度变化幅度过大.

2)车轮前束角变化范围是－0.84°到－1.07°.设计与车轮外倾角相匹配的前束角，有助于保持汽车直线行驶能力.由于赛车车轮外倾角为负值，所以，前束角设计为负值，从而保证赛车具有良好的直线行驶能力及转弯能力[5]，并且希望车轮前束角随车轮跳动变化量尽量小.

3)主销内倾角度变化范围是3.7°到5.5°，变化量与车轮外倾角相同.适当的主销内倾角使转向具有自动回正能力，减小驾驶员负担，但内倾角度不能过大，否则在转向时候，轮胎会与地面之间出现较大滑动，会加剧轮胎的磨损.并且系统主销内倾角随车轮跳动变化量尽量小.

4)主销后倾角变化范围在0.01°左右.主销后倾角越大，转向的回正力矩越大，会增大转向盘操作力.在赛车的设计中，希望转向尽量灵敏，所以，主销后倾角不适宜设计过大.主销后倾角应该随车轮上跳具有增加趋势，这样可以抵消制动时，车辆点头造成的倾角减小的趋势.

2.2 轮距变化

仿真得到轮距变化曲线如图3所示.

图3 轮距变化曲线

从图3中可以看出车轮距变化很小，在4 mm左右.车轮在跳动过程中轮距必然会产生变化.轮距的变化，也就是横向的轮胎滑动会导致轮胎的磨损，降低轮胎寿命，而且会影响汽车的操纵稳定性，所以，设计中要求在车轮跳动的过程中，轮距的变化要尽可能小.

3 参数灵敏度分析

从上述分析可以看出，该车在车轮跳动过程中的轮胎外倾角和主销内倾角度变化幅度较大，在设计中应力求避免这样的情况.利用ADAMS/Insight进行优化设计，创建优化设计目标[6].考虑到赛事的规则及车身布置的限制，选定结构中5个硬点:下横臂前点、下横臂后点、上横臂前点、上横臂后点及转向拉杆内点的Y，Z坐标为设计变量，其变化范围为±5 mm.通过ADAMS/Insight创建全因素试验DOE工作矩阵，进行256次迭代运算，从而得到各变量对优化目标的影响程度，如表1所示.

表1 硬点变化对优化目标的影响

4 优化结果

从表1中可以看出，对轮胎外倾角和主销内倾角影响最大的点是上横臂前点的Z坐标、下横臂前点的Z坐标和上横臂后点的Z坐标.综合ADAMS/Insight得到的悬架连接硬点坐标对各项性能的影响程度.将上横臂前点和上横臂后点的Z坐标上调5 mm，下横臂前点和下横臂后点的Z坐标下调5 mm.在ADAMS/Car中修改模型，再次进行悬架跳动仿真，将两次仿真结果数据进行比较.

4.1 优化前后车轮外倾角对比

从图4中可以看出，优化后的车轮外倾角变化范围是－1.6°到－2.75°，变化幅度显著减小.因为赛车需要经常在极限工况下行驶，这就需要轮胎外倾角的变化幅度尽量减小，使车辆转弯过程中，车轮最大程度垂直地面，从而最大程度利用轮胎附着力.优化后的轮胎外倾角变化幅度更加理想.

图4 车轮外倾角优化前后对比

4.2 优化前后主销后倾角对比

从图5中可以看出，优化后的主销后倾角的变化范围为3.819°到3.824°，主销后倾角变化幅度减小.在赛车直线加速中，当车轮受到路面不平度的激励而稍有偏转时，主销后倾所产生的与车轮转向相反的力矩会使轮胎自动回正，从而保证赛车的直线加速稳定性.优化后的主销后倾角变化范围更小，赛车的操纵稳定性得到提高.

图5 主销后倾角优化前后对比

4.3 优化前后主销内倾角对比

从图6中可以看出，优化后的主销内倾角变化范围为4°到5.3°.设计中考虑到赛车对转向灵敏性的要求，以及考虑到赛车轮胎的宽度，所以一般赛车主销内倾角设计较小.同时设计时希望主销内倾在车轮上跳时增大，从而当赛车受到的载荷越大时，转向的回正能力相应增大，从而避免了在加速过程中出现的转向不稳情况.但是如果在车轮跳动过程中的主销内倾角变化幅度过大，将会造成转向回正力矩变化幅度太大，从而使得转向不稳定.所以设计中希望主销内倾角随车轮上跳的增加幅度尽可能减小，从图6中可以看到优化后的主销内倾角变化幅度变小.

图6 主销内倾角优化前后对比

4.4 优化前后车轮前束角对比

赛车的设计中，希望车轮前束角随车轮跳动时的变化尽量减小，从而使赛车在直线行驶中，保持良好直线稳定性能.在赛车直行时，如果由于路面激励而造成的前束角变化过大，不但会影响直线行驶的稳定性，同时也会加大轮胎磨损.由图7中可以看到，优化后的车轮前束角变化范围减小为－0.96°到－1°，得到很大改善.

图7 车轮前束角优化前后对比

4.5 优化前后侧倾中心高度对比

在赛车的悬架设计中，要求侧倾中心高度尽量贴近于地面.由图8可以看到，优化后的侧倾中心高度较优化前降低了20 mm左右，更加贴近于地面，所以，优化后的侧倾中心高度更佳.

图8 优化前后侧倾中心高度对比

5 结论

1)基于ADAMS虚拟仿真技术，对某中国方程式赛车的双横臂独立前悬架进行了模型建立;且通过悬架跳动仿真，得到了等运动学和动力学性能曲线，进行了分析和评价，指出了悬架设计中的不足.

2)通过ADAMS/INSIGHT模块，建立了相关设计目标及变量，得到了各悬架连接点对悬架各项性能的影响程度;结合此悬架性能中存在的问题，进行了优化，优化结果表明，悬架的性能得到明显提高.

3)通过虚拟样机技术进行试验和优化的方法，可以缩短开发周期，使设计人员在设计之初就能掌握赛车的性能，并进行优化.文中的悬架优化方法，以及各连接点位置对悬架性能的影响程度，将对中国方程式大赛的赛车悬架设计和优化，提供借鉴.

[1] 李 军，孟 红，张洪康，等.汽车悬架参数对操纵稳定影响的仿真分析探究[J].车辆与动力技术，2001(4):24-27.

[2] 刘进伟，吴志新，徐 达..基于ADAMS/CAR的麦弗逊悬架优化设计[J].农业装备与车辆工程，2006(9):34-38.

[3] 任 凯，王军杰，吴德宏..基于ADAMS/CAR的微型客车麦弗逊前悬架仿真和优化设计[J].机械设计与制造，2010(3):36-38.

[4] 余志生.汽车理论[M].第5版.北京:机械工业出版社，2009.

[5] 刘美燕.FSAE赛车悬架仿真分析及操纵稳定性虚拟试验[D].湖南大学硕士学位论文，2008.

[6] 陈 军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京:中国水利水电出版社，2008.