FSAE赛车双横臂悬架的优化设计研究.docxVIP

? ? FSAE赛车双横臂悬架的优化设计研究 ? ? 柴 牧，欧阳东成，蒋 勉 （佛山科学技术学院机电工程学院，广东 佛山 528225） 1 引言 悬架是汽车底盘重要的部件之一，一套性能优异的悬架系统能够带来良好的行驶平顺性和操纵稳定性。其中不等长独立双横臂悬架是一种高级悬架，其主要优点体现在运动学方面的特性，通过选择适当的摆臂长度，可以保证车轮定位参数的变化范围满足设计要求，并能避免轮距的变化[1]。其缺点是机构相对复杂，研发成本高，但由于其可为车辆带来优异的操纵稳定性被广泛应用于高端汽车和赛车。 针对不等长独立双横臂悬架结构的优化设计，目前研究中常用的方法是运用多体动力学仿真软件ADAMS/Car建模并进行平行双轮跳动仿真，选择需要优化的参数，调用Insight模块进行灵敏度分析，选择灵敏度较大的变量和合适的优化策略，返回ADAMS/Car中仿真，根据仿真后的结果调整硬点坐标使目标定位参数满足设计要求[2-5]。文献[6]运用ADAMS/View 建立了双横臂前悬架模型，以轮距变化量和前轮侧向滑移量的绝对值之和为目标函数进行迭代优化，有效降低了前轴轮距变化量和侧向滑移量。文献[7]通过建立双横臂悬架ADAMS模型，对测试台进行跳动仿真，查找需要优化的目标，并调用Insight模块进行灵敏度分析，采用全因子设计法对车轮前束角和主销内倾角进行优化，优化后的主销内倾角和前束角均满足车辆设计要求。 运用Inisight模块优化车轮定位参数的方法可以取得一定的效果，但往往无法得到最优解，很难最大程度的提高悬架的性能，因此本次研究运用ADAMS/View进行建模并迭代优化，求解最优的悬架硬点坐标，最大程度上提高悬架性能。 这里以本校大学生电动方程式赛车的不等长独立双横臂悬架优化设计为研究背景，指在开发一套性能优异的悬架以提高赛车的操纵稳定性。在ADAMS/View中建立不等长独立双横臂悬架模型，模型包括悬架系统、转向系统、测试平台等。以车轮定位参数（包括主销内倾角，主销后倾角，前轮外倾角，前轮前束角）、前轮侧向滑移量、侧倾中心高度为优化目标，并对重要硬点变量的变化范围进行约束，通过统一目标法把需要优化的多个目标转化为单目标函数进行迭代优化，仿真计算得到最优的硬点坐标，从而提高悬架性能以及整车的操纵稳定性。 2 悬架及转向模型的建立和调试 2.1 模型简化分析 不等长独立双横臂悬架结构的优点体现在运动学方面的特性，对双横臂悬架进行运动学方面的研究，不考虑其动力学方面的特性，由于前悬架杆件部位连接点较多，为方便在ADAMS中进行建模及研究分析，需要对模型进行合理的简化处理： （1）减振器的阻尼和刚度用弹簧-阻尼代替，轮胎刚度用弹簧代替，悬架及转向系统部件均为刚体，忽略部件连接间的衬套及弹性元件的影响，不考虑运动副间隙及摩擦力。 （2）假设左、右悬架为对称模型，转向系统采用齿轮齿条方式传动，左、右测试台分别采用移动副与大地连接，并添加幅值为50mm的正弦驱动以模拟车轮的上、下跳动。 （3）赛车底盘用一集中质量块表示并固定在大地上，悬架及转向系统部件与底盘相连。 简化后的模型，如图1（a）所示。其中上、下控制臂和底盘在连接点K、L、M、N处采用转动副相连，上、下控制臂与转向节在连接点C、D处采用球副相连，转向节和转向拉杆在连接点J处采用球副相连，推杆两端和上控制臂、摇臂在连接点E、F处采用球副相连，摇臂与底盘在连接点I处采用转动副相连，转向拉杆与齿轮齿条杆在连接点O处用球副连接，轮胎与转向节中心采用固定副相连，测试平台与大地之间建立移动副并添加平移驱动以模拟车轮的上、下跳动。项目设计的样车左前悬架，如图1（b）所示。 图1 左侧悬架结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Left Suspension Structure 2.2 模型的建立与调试 研究不等长独立双横臂悬架的运动学特性，通过测试前轮定位参数、前轮侧向滑移量和侧倾中心高度随车轮上、下跳动时的变化曲线是否合理来判断悬架性能的优劣。考虑到车轮上、下跳动时转向系统对前束角的影响，建立左、右悬架和转向系统进行仿真分析。模型参数及硬点坐标均从方程式赛车的Catia设计装配图中获取，模型参数，如表1所示。运用ADAMS/View 建立的模型，如图2所示。 表1 实车参数Tab.1 Vehicle Parameters 图2 悬架及转向系统ADAMS模型Fig.2 ADAMS Model of Suspension and Steering System 已有研究中大多没有考虑转向系统对车轮定位参数的影响，而前束拉杆内点用球副与大地相连，这种方法忽略了车轮上、下跳动对转向的影响，降低了仿真时前束角曲线的变化精度。 为解决车轮上、下跳动存在的齿轮齿条杆移动对前束