赛车悬架运动学仿真分析及优化

崔传真 ，王栢成 ，潘腾远

（1.钦州学院 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州535000；2.广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室培育基地，广西 钦州535000；3.广西英华国际职业学院，广西 钦州535000）

中国大学生方程式汽车大赛（简称中国“FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校本科生及研究生组队参加的汽车设计与制造的比赛[1]。

对于赛车设计来说，一般要求要有良好的转向能力以及稳定的行驶操纵，同时也要考虑到整车的空间布置、结构等，经过综合考量，本设计采用了前后悬架都是推杆上下不等长的双横臂式悬架，通过前期设定，后期的仿真优化，以期使得赛车的悬架在运动时具有良好的特性[2]，整车的性能参数得以合理化。

1　悬架模型建立

通过前期的理论计算及部分预设参数，以此建立初步的赛车悬架模型，在UG里建模，确立初步的悬架硬点，测出各硬点数据，以作为下一步在Adams/car及Adams/Insight中进行优化及分析[3]。通过对赛车悬架参数的基本的设定，在软件UG里建立模型，悬架装车模型如图1所示，前后悬架总成如图2所示。

图1　悬架装车模型

图2　前后悬架总成

2　悬架运动学优化

2.1　前悬架运动学优化

分析前先对赛车模型数据进行设置，如图3所示。

图3　赛车模型参数

由初始设计的赛车悬架运动行程，设置步长为50，弹簧的压缩及回弹的运动行程各为35 mm.

由仿真分析结果可知，赛车前悬架的内倾角变化 2.92°、外倾角变化 2.71°及前车轮束角 3.1°，这三个参数的差值范围变化不符合汽车设计要求，需进一步分析及优化，进而提升整车性能。利用ADAMS/Insight模块进行优化。

选取的变量为上横臂的前、后点、外点以及前束拉杆的内点作为变量，运行软件，通过迭代次数的四个曲线图可以看出所选取的坐标点中，上摆臂的前、后、外点的Z坐标，拉杆的内点Z坐标，这四个坐标点对前面设置的三个目标量影响比较明显，所以主要是对这四个坐标点进行优化，其他的值对其影响不大，因而在优化运算各值的过程中，它们的值不需要改变。

通过对结果进行不断的调整优化，对目标影响比较大的四个设计的坐标值进行调整配合，最终上述四个坐标值变化如表1所示。

表1　前悬架坐标值变化

由以上分析得出的结果，输入前悬架优化后的坐标点数据，之前的参数不变，再次进行仿真分析，与之前的进行比较。赛车前悬架优化后的曲线图，如图 4、5、6、7、8 所示。

图4　前悬架车轮外倾角优化曲线

从图4中可以看出，优化后的变化为-1.327°～ -2.078°，变化 0.75°，较之前变化 2.71°，减小 1.96°，优化效果明显。符合设计的要求。

图5　前悬架主销后倾角优化曲线

从图5中可以看出，优化后的变化为3.931°～3.933°，变化0.002°，变化量非常小。符合赛车设计的要求。

图6　前悬架主销内倾角优化曲线

从图6中可以看出，优化后的变化为2.847°～ 3.612°，变化 0.765°，较之前变化 2.92°减小 2.15°，优化效果明显，符合赛车设计的要求。

图7　前悬架前轮前束角优化曲线

从图7中可以看出，优化后的变化为0.09°～ -1.096°，变化 1.186°，较之前变化 3.1°减小 1.914°，优化效果明显，符合赛车设计的要求。

图8　前悬架主销偏距优化曲线

从图8中可以看出，优化后的变化为70.347 mm～71.029 mm，变化0.682，较之前稍有减小，变化量很小。保持在设计的范围之内，符合设计的要求。

综合上面的分析优化结果比较来看，优化后的车轮外倾角变化了0.75°、主销内倾角0.765°、前束角变化1.186°，这些参数优化后都在或接近赛车设计允许的合理范围之内，赛车前悬架的整体性能也都有所提升。

2.2　后悬架运动学分析

仿真过程同前悬架基本一致，由仿真结果可知，车轮外倾角变化4.02°、主销内倾角变化3.98°，变化的值比较大，需进一步优化。利用ADAMS/Insight模块进行优化[4]。

通过对结果进行不断优化，所设定需要优化的数据都有所变化，上述八个设定的坐标值调整和整体配合，最终变化值如表2所示。

表2　后悬架坐标值变化

由以上分析得出的结果，输入前悬架优化后的坐标点数据，之前的参数不变，再次进行仿真分析，与之前的进行比较。赛车前悬架优化后的曲线图，如图 9、10、11、12、13 所示。

图9　后悬架车轮外倾角优化曲线

从图 9中可以看出，优化后的变化为 0.16°～ -1.09°，变化 1.25°，较之前变化 4.02°减小 2.77°，优化效果明显，基本符合赛车设计的要求。

图10　后悬架主销后倾角优化曲线

从图10中可以看出，优化后的变化为9.422°～9.426°，变化0.004°，变化量非常小，符合赛车设计的要求。

图11　主销内倾角优化曲线

从图11中可以看出，优化后的变化为0.58°～ 1.77°，变化 1.19°，较之前变化 3.98°减小 2.79°，优化效果明显，基本符合赛车设计的要求。

后轮前束角：

赛车后悬架优化后的曲线图，如图12所示。

图12　后轮前束角优化曲线

从图12中可以看出，优化后的变化为-0.19°～ 0.2°，变化 0.39°，较之前变化 0.29°增大 0.1°，变化很小，符合设计的要求。

图13　后悬架主销偏距优化曲线

从图13可以看出，优化后的变化为72.03 mm～72.25 mm，变化0.22 mm，变化量很小。保持在设计的范围之内，符合设计的要求。

综合上面的优化结果与先前的分析结果比较来看，优化后的后轮外倾角变化1.25°、内倾角变化1.19°，与之前相比，减小了很多，这些参数在优化后，基本接近在赛车设计上较理想的变化值，赛车后悬架的整体性能也都有所提升。

3　结束语

本文是依据钦州学院2016赛季悬架进行动态仿真及优化。经过优化分析整车的总体性能参数变化得以在一个合理的范围内，为赛车动态性能提供理论分析依据。

参考文献：

[1]中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则[M].上海：上海交通大学出版社，2013.

[2]王 鹭，彭育辉.大学生方程式赛车平衡机构的设计[J].机电技术，2014（7）：15-20.

[3]何 磊，陈辛波，黄 露，等.双横臂独立悬架导向机构优化仿真及参数化台架实验验证[J].机械科学与技术，2015（2）：124-128.

[4]张 楚，葛江浩，刘 强，唐文杰.基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化设计[J].汽车实用技术，2013（7）：32-35.