基于ADAMS/view的方程式赛车悬架的性能优化

魏 银

(西华大学 汽车与交通学院,成都 610039)

汽车悬架系统的各项性能指标与其行驶的稳定性有很大的关系[1]。悬架的结构决定了汽车在转弯时是否有较大的侧倾,并且也会影响汽车在刹车时是否点头。不同的悬架结构会导致轮胎抓地力不同。不同的抓地力会影响汽车的操控性[2]。所以,悬架系统的设计和性能优化具有重要意义[3]。

Jia等[4]在原有独立空气悬架的基础上构建了虚拟原型拓扑模型,优化了前轮轨道绝对值和轴距变化绝对值。蒋涛等[5]以悬架各硬点为试验变量,K特性关键参数为试验响应,最后通过优化硬点获得了比较满意的K特性。本文对悬架系统进行动力学建模和验证,通过灵敏度报告对其影响运动稳定性悬架硬点数值进行优化,得到了符合要求的四轮参数角。

1 悬架系统动力学模型的建立

悬架的操纵稳定性是评估赛车性能的重要指标之一,而悬架系统的K&C性能则直接影响到车辆的质量。本设计简要介绍了悬架系统的K&C性能,K性能是指悬架系统的运动特征,主要用于描述车轮在滚动过程中的位置参数随车轮的跳动而发生的改变,而这种变化与悬架硬点的坐标参数密切相关;C特征是指悬挂系统的弹性运动学特征,主要用于描述由轮胎与地面的力、力矩所导致的车轮位置参数的改变[6]。

赛车悬架性能的优化,主要考虑四轮定位参数与悬架硬点坐标之间的关系,从而提升赛车的操纵稳定性[7]。通过在ADAMS/view中建立的悬架系统三维动力学模型去迭代通过灵敏度报告再去优化悬架硬点坐标的方法来改变这些车轮定位参数值,从而使赛车具有良好的操纵稳定性,满足FSC赛车比赛的设计要求。

1.1 创建悬架系统空间坐标点

在ADAMS/view中输入Xhu-panda赛车悬架硬点坐标。悬架系统在空间坐标系中的设计点位,如表1所示。

1.2 建立各部件之间的约束

在建立好悬架系统的空间物体形态后,为了将它们联结成一个具有运动能力的整体,需要在各部分物体间建立各种约束[2]。在悬架系统中各部件间的约束关系的具体情况如表2所示。

表2 各部件之间的约束类型

移动副测试平台坐标点测试平台中心点移动副车身坐标点车身中心点点面约束车轮测试平台测试平台中心点

由此创建基于ADAMS/view的悬架系统的动力学模型,如图1所示。

图1 悬架系统的动力学模型

对以上建立的二自由度1/4悬架系统的动力学模型进行仿真验证,经检查模型正确,并无过多约束,可以进行后续研究。

2 悬架系统动力学模型仿真

2.1 驱动力函数的设置及轮跳测试

通过对所建立的悬架二自由度1/4悬架模型进行车轮跳动试验,对其所建立的测试平台施加1个范围为-100 mm～100 mm的轮跳,驱动时间函数设为100 sin(360d×t),从而计算分析车轮定位参数的变化趋势。可得当前状态下的四轮参数角、车轮接地点和车轮侧滑量的测量曲线,如图2所示。

(a)主销内倾角变化的输出曲线

(b)主销后倾角变化的输出曲线

(c)前轮外倾角变化的输出曲线

(d)前轮前束角变化的输出曲线

(e)车轮接地点的侧向滑移量的输出曲线

(f)车轮跳动量变化的输出曲线图2 各状态量测量曲线

2.2 悬架优化指标

完成平行轮跳仿真实验后,计算悬架主要参数随车轮跳动量的变化规律,在表3的悬架四轮参数优化指标范围内,对表4中的目标参数,进行进一步优化。

表3 悬架硬点优化指标

表4 优化前各参数变化量

3 悬架系统硬点坐标的优化

灵敏度分析是研究与分析一个系统或模型的设计参数变化对目标参数或外围相关条件的变化的敏感程度的方法[8]。它能够定量研究系统参数对系统性能的影响程度,在对模型进行优化时,就经常通过灵敏度的分析报告,来整体分析哪些项的数据是不准确的或者哪些项在变化时存在最优解[9-10]。在灵敏度分析报告中还可以看出某些参数中的某些项对系统或模型的影响率,通过影响率来综合评判修改项的设置[11]。

3.1 悬架的点位与优化目标的选择

通过对前悬架机构与四轮定位参数的关系研究[12],为了迎合人体舒适度的要求,硬点的y坐标一般不做变动,因此,本设计选择的坐标点位如表5所示,将其进行优化。

表5 悬架优化点位的选取 mm

3.2 灵敏度图像的分析

在悬架设计后期,对该车型前悬架进行敏感度分析,使其不至于影响悬架及车辆运动学性能[13]。

进入insight界面,点击Fit results查看分析结果,如图3所示,R2adj一般来讲是小于R2的,如果R2/R2adj值越大,则说明此模块中有一些项目是可以去除的,若为1表示拟合得很好,若不为1,越接近1越好。R/V表明模型的计算值与原始数据之间的关系,其值越高越好。

(a)主销内倾

(b)主销后倾

(c)前轮外倾

(d)前轮前束

查看所选的坐标点对四轮参数的敏感度报告,如图4所示,可以看出,各点x坐标和U_o_z(下横臂内z坐标)对四轮参数的影响度变化较大。

(a)主销内倾角

(d)前轮前束角

3.3 悬架硬点的优化

在ADAMS/insight试验界面中点击“optimize”进入优化设置界面,由灵敏度分析报告可知,4个点的x坐标和U_o_z坐标共5个点坐标作为优化的重要对象,在设计目标中设立目标值,根据需要设置各部分权重,将修改后的点位在点表格中修改并应用到其原模型,修改后的点位坐标如图5所示。

(a)悬架硬点的优化

(b)优化后的点位

再次进行仿真运行,在后处理窗口添加修改后的主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角、前轮前束和车轮接地点侧滑量相对于车轮跳动的变化曲线的绘制,并分别添加在原有图像上,得到如图6所示,绘制了优化后的悬架参数数值对比表,如表6所示。

优化后的结果显示,主销后倾角变化浮动较小,其初值对汽车高速回正性能影响较大;主销内倾角改变,提高了操纵转向的能力;外倾角得到一定改善,变化梯度更小,轮胎接地面积更稳定,有利于增加侧向支撑,提高转弯极限;前束角的优化结果明显,能够有效控制轮胎磨损,提升直线行驶能力;车轮接地点侧滑量变化不大,轮距变化趋势小,有利于降低轮胎磨损。

(a)主销后倾角

(c)前轮外倾角

(d)前轮前束角

(e)车轮接地点侧滑量图6 四轮参数优化前后数值对比

表6 优化前后的悬架参数数值对比

4 结论

本设计在ADAMS中完成了一款赛车的双横臂悬架的动力学模型搭建,为了合理优化悬架性能,优先保证悬架的操纵稳定性,选择了比较独立的硬点进行优化迭代。最终结果表明优化有效,通过对比显示主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前轮前束角得到了明显改善。通过优化得到了新的布置方案,悬架的仿真结果更加合理,提高了车辆的操纵稳定性。