基于ADAMS方程式赛车悬架虚拟样机设计

刘丹丹 郭超

（运城职业技术学院）

方程式赛车悬架有其一定的标准及要求，普遍采用独立悬架。基于方程式赛车结构特点，一般选用双横臂独立悬架。因为其簧载质量小，横臂的长短可以按要求设计，给赛车的设计提供了更大的自由空间，赛车在直线行驶和转弯行驶，都能保证良好可靠的性能。文章通过ADAMS软件对方程式赛车悬架进行优化。

1 赛车前悬架建模参数设置

根据标准推荐，初步确定方程式赛车前悬架结构尺寸，如图1和图2所示。

图1 方程式赛车前悬架结构尺寸示意图

图2 方程式赛车前悬架结构参数图

根据图1计算并确定前悬架下横臂长（L1/mm），如式（1）所示。

式中：V——4个铰链位置尺寸之和，取120 mm。

在设计汽车悬架时，希望轮距变化小，以减少轮胎磨损，提高使用寿命，因此应选择L2/L1在0.6附近；同时为保证汽车具有良好的操纵稳定性，也希望前轮定位角的变化小，这时应选择L2/L1在1.0附近[1]，因此，综合考虑取L2/L1=0.7。初定上横臂长（L2/mm），如式（2）所示。

上横臂的角度可由上下摆臂外端之间的距离来确定，上下摆臂的内端分别通过摆臂轴与车架作铰链连接，二者的外端则分别通过球头销与转向节相连。

根据初始计算及预设的悬架参数，输入相应设计点的坐标，并且将悬架的主销长度、主销内倾角、主销后倾角、上横臂长度、上横臂在汽车横向平面内的倾角、上横臂轴水平斜置角、下横臂长度、下横臂在汽车横向平面内的倾角及下横臂轴水平斜置角等参数设计为变量，建立前悬架模型图，如图3所示，通过优化这些设计变量以达到优化前悬架的目的[2]。

图3 方程式赛车前悬架仿真模型截图

2 方程式赛车悬架的优化与仿真设计

2.1 创建设计变量

在菜单栏中，选择 Build＞Deign Variable＞New，创建设计变量，依次创建部分变量，如表1所示。

表1 前悬架各个参数及变量

2.1.1 前悬架主要参数的测量

设置中止时间为1 s，工作步数为100进行仿真，得到部分参数的变化曲线截图，如图4所示。

图4 方程式赛车前悬架部分参数变化曲线仿真截图（中止时间为1 s，工作步数为100）

2.1.2 将悬架部分零件参数化

通过下面步骤，将主销、上横臂、下横臂及拉臂的长度这些设计点进行参数化。

1）在工作窗口中，右击主销（Kingpin），修改主销的圆柱体，将圆柱体的长度（Length）设置为变量“DV_1”，按“OK”，完成主销的参数化；

2）将上横臂（UCA）圆柱体的长度（Length）设置为变量“DV_4”，按“OK”，完成上横臂的参数化；

3）将下横臂（LCA）圆柱体的长度（Length）设置为变量“DV_7”，按“OK”，完成下横臂的参数化；

4）将拉臂（Pull_arm）圆柱体的长度（Length）用下面函数式表达：（SQRT（（Knuckle_inner.loc_x-Tie_rod_outer.loc_x）**2+（Knuckle_inner.loc_y-Tie_rod_outer.loc_y）**2+（Knuckle_inner.loc_z-Tie_rod_outer.loc_z）**2）），保存并按“OK”，完成拉臂的参数化。

最后，选择File＞Save Datebase命令，保存前悬架模型。

2.2 优化前悬架模型

2.2.1 定义目标函数为了减轻轮胎的磨损，选择车轮接地点侧向滑移量的绝对值作为目标函数，通过对上下横臂长度、上下横臂在汽车横向平面的倾角优化分析，使车轮接地点侧向滑移量的绝对值最小[3]。

选择 Build＞Measure＞Function＞New，创建测量函数，输入测量名称“OBJECT_FUN”，单位选择“length”，输入函数表达式：ABS（.FRONT_SUSP.Sideways_Displacement），按“OK”，创建目标函数“OBJECT_FUN”，点击仿真按钮，设置中止时间为1 s，工作步数为100，进行仿真，得到侧向滑移量的绝对值优化曲线，如图5所示。

图5 方程式赛车侧向滑移量绝对值优化曲线仿真截图

2.2.2 优化模型

优化后的主销内倾角、主销后倾角、轮胎外倾角及轮距变化等都比优化前的样车方案的变化量小；同时，轮胎外倾角的变化趋势也没有发生变化，处在理想的状况（弯中的内侧轮有负的外倾角趋势，并且这个角度的绝对值在控制范围之内）；这样更有利于轮胎与地面接触，获得更大的抓地力[4]。

优化完成后保存模型，完成操作。

3 结论

围绕方程式赛车的设计和研发，在ADAMS/View环境下，建立了赛车虚拟仿真模型，详细分析了悬架定位参数对汽车操纵稳定性的影响。车轮外倾角减小为负值更符合设计要求，主销内倾角应减小，主销后倾角应增大便于车轮自动回正，车轮前束为负值符合优化结果。在ADAMS/View环境下对前轮定位参数的变化进行了优化，减小了其变化量，提高了悬架操纵稳定性能，为制造该赛车做出了准备。

在研究中，个别参数没有具体的试验数据，如整车的质心高度、转动惯量、轮胎的侧偏刚度及减振器的特性参数等，在以后试验条件允许的情况下，通过试验获取更加精确的特性参数，提高仿真精度[5]。