巴哈赛车双叉臂悬架的优化设计及分析

李赫

摘 要：本文以巴哈赛车双叉臂式悬架系统为设计和分析对象，进行了动力学建模，在Adams/Car中利用装配好的悬架系统进行仿真分析，得到其4个定位参数的仿真变化曲线，使用Adams/Insight进行仿真优化设计，从而得到优化目标的最终结果。

关键词：悬架系统 Adams 仿真分析

Optimal Design and Analysis of Double Wishbone Suspension for Baja Racing

Li He

Abstract：This article takes the Baja racing double wishbone suspension system as the design and analysis object， carries out dynamic modeling， uses the assembled suspension system in Adams/Car for simulation analysis， and obtains the four positioning parameters stimulating the change curve and uses Adams/Insight for simulation and optimization design， so as to obtain the final result of the optimization goal.

Key words：suspension system， Adams， simulation analysis

中国汽车工程学会巴哈大赛在我国已经连续成功举办了五届赛事，是一项由高等院校、职业院校汽车及相关专业在校生组队参加的越野汽车设计、制造和检测的比赛。整个参赛过程是一种全新的技术教育和工程实践过程，使得参与其中的同学能够将理论与实践做到融合，对于提高学生的专业技能有很大的帮助。

大赛采用静态赛和动态赛相结合的方式。其中，动态项目包括爬坡测试、操控测试和4小时的耐力测试，因动态项目测试涉及到多种复杂路况和恶劣的赛道条件，对赛车的悬架系统要求特别高。本文设计的巴哈赛车悬架系统为双叉臂式，利用Adams软件进行仿真分析并优化，从而确保所设计的悬架系统达到最佳状态。

1 建立动力学模型

通过硬点坐标建立悬架的各個部分，再通过连接件和约束把各个部分连接起来，其中要注意，建立约束时要计算好自由度，防止出现多个自由度而产生其他影响行驶的运动，Adams悬架模型如图1所示。

悬架模型建立后，还要进行悬架总装配这样才能够让悬架动起来。在悬架的装配中，应该加入各系统相关零部件总成，把车身连接到相应的地面，形成仿真图像。装配好的总悬架如图2所示。

2 双轮同向激振仿真

赛车在比赛过程中，由于赛道的复杂状况和弯道会引起车轮的上下跳动，尤其在崎岖的山路更是如此。因此跳动过程中，双轮同向激振仿真很重要，在Adams/Car中利用装配好的总悬架进行仿真分析。仿真的参数设置如下：由于赛车的路面情况比较复杂，我们在设置车轮的跳动范围是±100mm;在设置参数时，添加车轮属性文件，其中悬架质量为10kg，悬架的轮距是1420mm，簧上质量是260kg。点击开始即可得到前悬架的同向激振仿真结果，如图3和图4所示就是仿真时的跳动最高点和跳动最低点。

在分析结束以后，使用Adams/Car标准绘图配置文件绘制结果图。按F8键，直接查找car模块提供的4个定位参数关于车轮跳动的关系图[1]。

3 确定目标并优化

仿真结束以后，发现赛车悬架的硬点不是最优的，还有待改进。因此我们使用Adams/Insight进行仿真优化设计。Adams/Insight能够进行多变量仿真，符合赛车悬架的设计规则。实验选择DOE面响应分析法，输入关键硬点坐标，多次迭代生成实验矩阵仿真结果，通过网页形式输出得到优化目标的最终结果。

为了减少迭代的次数，我们根据经验选择8个灵敏度较大的值作为设计变量，即上横臂前点Y、Z坐标值，上横臂后点Y、Z坐标值，下横臂前点Y、Z坐标值，下横臂后点Y、Z坐标值。

4个定位参数（前束角、外倾角、主销内倾角、主销后倾角）为优化目标。采用多目标优化的方法进行迭代计算，迭代次数64次。由于悬架位置的变化相对较大，设置每个坐标的变化范围是-5～5mm。部分工作矩阵如图5所示。

实验迭代结束后，得到灵敏度分析如下图6、7所示，由于篇幅有限，只列出前束角和外倾角的灵敏度分析图[2]。

4 仿真结果分析

以前束角和外倾角为例，进行仿真结果分析。车轮前束角可以减少由于车轮外倾角带来的不利影响，因此需要与外倾角相匹配，从而产生合理的悬架特性。如图8所示，优化前的变化范围是-1.8°～5.6°，优化后的变化范围是-1.4°～4.6°，能够和外倾角度匹配，符合悬架设计特性[3]。

为了让轮胎提供比较大的侧向力发挥其优越的性能，因此将外倾角在静止时侯设置为负值，如9所示，轮胎的外倾角变化过大-3.4°～1.6°。优化过后的变化角度为-2.8°～1.1°，变化的范围明显减小了很多，不会由于特殊情况发生危险。

5 结语

本文通过Adams不同模块进行硬点坐标的建模及仿真，得到的曲线并不能完全满足赛车悬架系统的要求。为此我们进行了灵敏度分析和改变硬点坐标的方式进行悬架特性优化，得出了比较满意的优化曲线，满足了参赛赛车悬架系统的设计要求。

基金项目：吉林省教育厅“十三五”科学技术项目“巴哈大赛赛车研发”，项目编号：JJKH20170157KJ。

参考文献：

[1]段立山等.巴哈越野赛车悬挂转向系统结构优化设计[J]. 科技视界程，2019（4）：30-32.

[2]张任旭等.巴哈赛车前悬架系统的设计与仿真研究[J].农业装备与车辆工程，2019（6）：102-104.

[3]韩金龙等.大学生方程式巴哈车前悬架系统的仿真分析[J]. 内燃机与配件，2020（1）：47-50.