大學(xué)生方程式賽車懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

大學(xué)生方程式賽車懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析

中國(guó)學(xué)生方程汽車比賽（以下簡(jiǎn)稱“fsae”）是由學(xué)校學(xué)生參加的汽車設(shè)計(jì)和制造比賽的汽車比賽。雙橫臂獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕、可靠，使車輛觀賞、穩(wěn)定、行駛順暢，深受現(xiàn)代車輛和汽車的影響。在FSAE賽車設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用近年來(lái)在車輛懸架設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中較普遍運(yùn)用的ADAMS軟件,對(duì)賽車的不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立前懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)特性仿真優(yōu)化,并運(yùn)用ADAMS/Insight模塊,對(duì)賽車懸架的硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),改善賽車的操縱穩(wěn)定性,達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的1前懸架虛擬模型的模擬1.1前懸架模型建立通過(guò)UG建立雙橫臂獨(dú)立懸架的三維設(shè)計(jì)模型,在初步設(shè)計(jì)中確定硬點(diǎn)的初步坐標(biāo)位置,懸架的彈簧、減震器的屬性文件根據(jù)購(gòu)買廠家提供的數(shù)據(jù)編制.在ADAMS/Car模塊中建立賽車不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立懸架的虛擬樣機(jī)模型.將懸架模型置于虛擬試驗(yàn)臺(tái)MDI_SUSPENSION_TESTRIG上進(jìn)行車輪激振分析和力隨遇平衡仿真,以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性.前懸架及試驗(yàn)臺(tái)的裝配仿真模型如圖1所示.賽車前懸架初步設(shè)計(jì)為彈簧和減震器下置縱向布置的形式,有利于降低重心;設(shè)計(jì)前懸架過(guò)程中,選擇的坐標(biāo)系與整車的坐標(biāo)系不一致.前懸架的設(shè)計(jì)原點(diǎn)在前輪接地點(diǎn)中央,向后為+X方向,向右為+Y方向,向上為+Z方向.所測(cè)得關(guān)鍵硬點(diǎn)位置的坐標(biāo)如表1所示.1.2主銷內(nèi)傾角隨車輪車輪外傾變化特性加載懸架虛擬試驗(yàn)臺(tái)MDI_SUSPENSION_TESTRIG,將建立的賽車前懸模型在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行上下跳動(dòng)30mm的單車輪激振分析和力隨遇平衡仿真實(shí)驗(yàn),運(yùn)用ADAMS提供的后處理功能主銷內(nèi)傾角具有使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正的作用,還可減小主銷在橫向平面內(nèi)與車輪中心的偏移距離,從而達(dá)到減小回正力矩的作用,轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員在轉(zhuǎn)向盤(pán)施加較小的力即可達(dá)到轉(zhuǎn)向輕便的目的.但主銷內(nèi)傾角不應(yīng)過(guò)大或過(guò)小,變化范圍過(guò)大會(huì)加速輪胎磨損,且不利于賽車的操縱穩(wěn)定性能,如圖2所示的主銷內(nèi)傾角在車輪上下跳動(dòng)變化范圍為3.45°~4.6°.可知,主銷內(nèi)傾角的變化范圍不大,符合設(shè)計(jì)要求.主銷后傾角(CasterAngle)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證汽車具有適當(dāng)?shù)幕卣?其穩(wěn)定效應(yīng)是通過(guò)前輪轉(zhuǎn)向時(shí)憑借路面對(duì)輪胎的側(cè)向反力來(lái)實(shí)現(xiàn)的,較大時(shí)會(huì)使車輪支撐處反力矩過(guò)大,易造成車輪擺振或轉(zhuǎn)向盤(pán)上力的變化.一般不希望后傾角在車輪上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)大的變化,以免在載荷變化時(shí)出現(xiàn)回正力矩過(guò)大或過(guò)小的現(xiàn)象對(duì)于賽車而言,在轉(zhuǎn)彎時(shí)希望輪胎能夠提供足夠的輪胎側(cè)傾力,而一定的外傾角可使賽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)充分利用輪胎的性能,從而得到足夠的側(cè)傾力.當(dāng)輪胎發(fā)生側(cè)傾時(shí),側(cè)傾角也會(huì)相應(yīng)地變大,假設(shè)輪胎側(cè)傾剛度不變,則輪胎的側(cè)偏力將會(huì)增大.賽車車輪存在較小的負(fù)外傾角時(shí),車輪可獲得最大的輪胎側(cè)偏力.為防止產(chǎn)生過(guò)度轉(zhuǎn)向效應(yīng),必須控制上跳時(shí)車輪對(duì)車身的外傾減小程度,一般前側(cè)傾外傾系數(shù)為0.61至0.88前輪前束的真正作用是補(bǔ)償和防止車輪后束,后束會(huì)導(dǎo)致行駛不穩(wěn)定,如果汽車帶有后束,行駛時(shí)當(dāng)一車輪處于直線行駛,另一車輪為后束,汽車將處于轉(zhuǎn)向狀態(tài),同時(shí)由于處于前進(jìn)方向的車輪行駛阻力減小,而產(chǎn)生后束的車輪產(chǎn)生附加行駛阻力,促使汽車加劇轉(zhuǎn)向而失去穩(wěn)定行駛狀態(tài).相反對(duì)于帶有前輪前束的汽車,當(dāng)某一車輪瞬時(shí)處于直線行駛狀態(tài)時(shí),另一側(cè)車輪將增加前束角使汽車具有轉(zhuǎn)向趨勢(shì),同時(shí)輪胎將增加前束而產(chǎn)生的附加阻力促使車輪回正,從而保持直線行駛穩(wěn)定性.前束角變化過(guò)大會(huì)引起汽車的側(cè)傾和偏擺如圖5所示前束角的變化在0.18°的范圍內(nèi),屬于理想的狀態(tài).2adams/smity模塊多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指當(dāng)設(shè)計(jì)變量集中為只有一個(gè)設(shè)計(jì)變量的函數(shù),其他設(shè)計(jì)變量不變.ADAMS/Insight模塊可快速分析多個(gè)設(shè)計(jì)變量、實(shí)驗(yàn),直至達(dá)到懸架系統(tǒng)的最優(yōu)性能2.1設(shè)計(jì)變量的確定根據(jù)懸架特性參數(shù)仿真結(jié)果可看出:主銷后傾角的變化過(guò)大,需對(duì)懸架的硬點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).因轉(zhuǎn)向節(jié)上的控制臂硬點(diǎn)、橫拉桿硬點(diǎn)受到車輪輪輞尺寸的限制,不可隨意改動(dòng),所以將上下橫臂的外端點(diǎn),即C、F兩硬點(diǎn)排除在設(shè)計(jì)變量之外.故選定懸架控制臂與車架的連接點(diǎn),主要硬點(diǎn)的坐標(biāo)如表1所示的A、B、C、D、E、F6個(gè)點(diǎn),共18個(gè)方向坐標(biāo)值,Y軸坐標(biāo)為賽車縱向方向上的點(diǎn),在懸架設(shè)計(jì)中,懸架橫臂前后兩點(diǎn)在同一縱向線上,故Y軸坐標(biāo)不變.綜合以上因素考慮,設(shè)計(jì)變量選定為A、B、D、E4個(gè)點(diǎn)的X和Z坐標(biāo),共8個(gè)參數(shù).2.2車輪激振仿真分析因受到賽車實(shí)際尺寸、車架形式和其他因素的影響,作為設(shè)計(jì)變量的坐標(biāo)取值范圍不宜過(guò)大.因轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在賽車駕駛艙底部范圍內(nèi),為避免齒輪齒條、橫拉桿和車架底部鋼管發(fā)生干涉,設(shè)計(jì)變量的坐標(biāo)取值范圍也不宜過(guò)大.故基于初始值的變量范圍限制在-10~10mm之內(nèi)將優(yōu)化后的坐標(biāo)值輸入模型,修改虛擬樣機(jī)模型,保持仿真參數(shù)不變,重新進(jìn)行車輪激振仿真分析實(shí)驗(yàn).仿真結(jié)果表明,坐標(biāo)變化后,主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角、前輪前束的變化范圍均不大,符合設(shè)計(jì)要求,對(duì)于優(yōu)化前變化范圍較大的主銷后傾角的變化曲線,優(yōu)化后的變化曲線如圖6所示.由圖6可知,優(yōu)化后的主銷后傾角在車輪上下跳動(dòng)30mm的時(shí)候的變化范圍為2.97°~3.02°,變化較小,滿足設(shè)計(jì)要求.仿真優(yōu)化結(jié)果表明,前輪的4個(gè)主要定位參數(shù),以主銷后傾角為主要優(yōu)化目標(biāo),通過(guò)ADAMS/Insight模塊對(duì)懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì),將其在輪胎上下跳動(dòng)時(shí)的變化范圍曲線縮小至合理范圍,其他3個(gè)定位參數(shù)也符合設(shè)計(jì)要求,提高了賽車的操縱穩(wěn)定性,達(dá)到了賽車懸架優(yōu)化的目的.在獨(dú)立懸架設(shè)計(jì)中,首先應(yīng)限定輪距變化盡量小以減少輪胎磨損;其次輪距變化會(huì)引起滾動(dòng)輪胎的側(cè)偏,從而產(chǎn)生側(cè)向力輸入,較大的滾動(dòng)阻力會(huì)使直線行駛性能下降,因此也要求輪距變化盡量地小.3懸架運(yùn)動(dòng)特性仿真實(shí)驗(yàn)(1)基于虛擬樣機(jī)ADAMS仿真技術(shù),對(duì)中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的賽車不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立懸架進(jìn)行了仿真模型的建立;并通過(guò)懸架運(yùn)動(dòng)特性仿真實(shí)驗(yàn),得到了懸架運(yùn)動(dòng)特性的性能曲線,進(jìn)行了分析評(píng)價(jià),指出了設(shè)計(jì)中存在的不足.(2)在AD