龔鵬舉，郭莉，滕艷瓊，張眾華

(西華大學汽車與交通學院，四川成都 610039)

FSC賽車前懸架的運動學設計及優(yōu)化

龔鵬舉，郭莉，滕艷瓊，張眾華

(西華大學汽車與交通學院，四川成都 610039)

隨著FSC賽車技術水平不斷地提高，懸架系統(tǒng)的設計與優(yōu)化成為各賽車隊爭相研究的新熱點。以賽車動力學理論為基礎進行懸架幾何設計，采用SolidWorks軟件建立某賽車的前懸架三維模型；在ADAMS/Car環(huán)境下建立了賽車前懸架轉向運動學仿真試驗臺，結合平行輪跳試驗對前懸架運動學特性進行仿真研究；最后以懸架硬點坐標為優(yōu)化變量，以減小四輪定位參數(shù)變化范圍為優(yōu)化目標，運用ADAMS/Insight模塊建立了多變量多目標的懸架幾何優(yōu)化模型。仿真結果表明：給出的懸架幾何設計方法有效地縮短了賽車研發(fā)周期，優(yōu)化后的懸架幾何使得四輪定位參數(shù)在輪跳中的變化范圍明顯減小，有利于賽車操縱穩(wěn)定性能的提升。

FSC；ADAMS/Insight；懸架幾何；K&C試驗

0 引言

中國大學生方程式汽車大賽(簡稱“中國FSC”)是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設計與制造競賽，是培養(yǎng)中國汽車工程師的搖籃。隨著FSC賽事的快速發(fā)展，賽車技術水平有了日新月異的提高，其中操作穩(wěn)定性是決定賽車動態(tài)表現(xiàn)的關鍵性能，而懸架系統(tǒng)對賽車操縱穩(wěn)定性有著重要影響，是賽車底盤開發(fā)設計中的重點難點。車手對賽車的操控最終傳遞至4塊手掌大小的輪胎與賽道的接觸面，賽車被期望擁有的全部性能均來自于輪胎與路面的有效接觸。懸架幾何設計一定程度上對賽車的縱傾特性、側傾特性及車輪動態(tài)響應特性起著決定性作用[1]。為了高效地開展賽車懸架系統(tǒng)設計，并對賽車運動學性能進行設計優(yōu)化，CAD、CAE等先進計算機輔助設計方法逐漸得到廣泛應用。SolidWorks、CATIA等軟件用于三維模型設計，應用ADAMS軟件對懸架系統(tǒng)的運動學、動力學進行仿真分析與優(yōu)化設計，可有效地縮短賽車研制周期。有條件的車隊可充分利用K&C試驗臺對實車進行臺架試驗，通過物理樣車與賽車動力學模型仿真結果進行對比分析，優(yōu)化賽車仿真模型，為后續(xù)的賽車設計提供參考。

1 建立前懸架數(shù)值模型

1.1 前懸架幾何設計

懸架類型對方程式賽車的操縱穩(wěn)定性與設計便利性有著顯著影響，由于雙橫臂懸架具有簡單可靠、設計自由度大、非簧載質(zhì)量小、操控穩(wěn)定性易于設計與調(diào)校等特點，故懸架類型選擇不等長雙橫臂懸架[2]。懸架正視幾何是從賽車橫向垂直平面來研究懸架的幾何關系，依據(jù)輪輞尺寸、輪胎參數(shù)、制動卡鉗與制動盤以及前輪輪距等參數(shù)，可通過正視幾何初步確定懸架導向機構的內(nèi)外鉸點位置、側傾中心、外傾角變化率、主銷偏距、傳動比和輪距變化等參數(shù)，如圖1所示。懸架側視幾何是從賽車縱向平面來研究懸架的幾何關系，從懸架側視幾何設計中確定賽車的縱傾中心、抗俯仰角、抗后蹲角、主銷拖距等性能參數(shù)的變化特性，如圖2所示。

圖1 雙橫臂懸架正視幾何

圖2 雙橫臂懸架側視幾何

1.2 確定四輪定位參數(shù)

大學生方程式賽車以追求在極限工況下具有優(yōu)異的運動性能為設計目標，旨在保證輪胎與地面時刻保持良好接觸，其四輪定位參數(shù)有別于一般的汽車，綜合考慮輪胎特性和操控穩(wěn)定性目標，將賽車的前懸架四輪定位參數(shù)確定為如表1所示。追求操作穩(wěn)定性的賽車一般設計為負外傾角搭配負前束角，賽車在高速過彎時，在側向離心力的作用下，橫向載荷轉移時外側車輪擁有更大的垂直載荷，外側車輪的外傾角具有向正外傾變化的趨勢，進而保證外側車輪與地面接觸良好，賽車具有更好的彎道操控性能[3]。負前束能提高賽車的轉向靈敏性，通過合理的懸架幾何設計，在轉向的過程中具有動態(tài)前束變化，在彎道眾多的賽道中，使賽車入彎更快，減少過彎時間。負外傾搭配負前束保證賽車的直線行駛穩(wěn)定性，減少輪胎的偏磨。主銷內(nèi)傾角與后傾角主要決定賽車的直線行駛能力、轉向輕便性及輪胎磨損速率，經(jīng)過綜合考慮與參考往屆賽車的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，賽車靜平衡時數(shù)值設計為3°。

表1 四輪定位參數(shù)表

(°)

1.3 前懸架數(shù)值模型的建立

前懸架數(shù)字模型包括三維CAD模型和用于運動學仿真的虛擬樣機。首先依據(jù)賽車總布置設計、懸架幾何設計及四輪定位參數(shù)等設計約束，同時考慮運動學干涉和良好人機工程學等設計指標[4]，利用SolidWorks軟件對各個零件進行參數(shù)化設計，并建立了賽車前懸架CAD模型，為賽車零配件的結構設計與優(yōu)化奠定數(shù)值模型基礎，如圖3所示。

圖3 前懸架三維模型裝配體

在建立懸架運動學仿真模型時，采用的坐標系是以前懸架左右車輪中心連線與整車縱向?qū)ΨQ平面的交點為原點，以賽車縱向為X軸(向后為正)，賽車橫向為Y軸(向右為正)，汽車垂向為Z軸(向上為正)，通過賽車CAD模型測量出在整車坐標系下各前懸架硬點的坐標值，如表2所示。在利用ADAMS/Car軟件建立前懸架運動學仿真模型，其建模過程分為3個層次，首先通過模板(Template)創(chuàng)建用于模型裝配的拓撲結構；利用子系統(tǒng)模板(Subsystem)建立懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)及試驗臺等子系統(tǒng)模型；最后通過裝配(Assembly)將各子系統(tǒng)組成一個完整的懸架轉向仿真試驗臺[5]，如圖4所示。

表2 懸架硬點初始坐標

mm

圖4 懸架運動學仿真試驗臺

2 懸架運動學仿真與優(yōu)化

2.1 運動學仿真分析

通過圖4所示的懸架運動學仿真試驗臺，進行雙輪平行跳動仿真試驗，以賽車靜平衡位置為零點，上跳行程設置為+30 mm，下跳行程設置為-30 mm，在輪跳試驗中仿真步長為100，采用交互式仿真，仿真結果如表3所示，可看出四輪定位參數(shù)中的車輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角在輪跳過程中變化量較大。其中車輪前束角的變化不宜過大，否則無法平衡車輪外傾角引起的外傾推力，輪胎將發(fā)生側向滑移，進而降低賽車的操縱穩(wěn)定性并增加輪胎磨損。車輪負外傾角過大會降低輪胎的附著性能并引起輪胎內(nèi)側偏磨。主銷內(nèi)傾角過小會降低賽車低速轉向輕便性，同時加劇輪胎磨損。側傾中心高度的變化量約為100 mm，可以不用優(yōu)化。為進一步提高賽車的操縱穩(wěn)定性，需要對前懸架導向機構的關鍵硬點坐標進行優(yōu)化。

表3 四輪定位參數(shù)變化范圍

2.2 ADAMS/Insight參數(shù)優(yōu)化

方程式賽車行駛過程中，由于載荷的變化會引起車輪相對于車架上下運動，而良好的車輪運動姿態(tài)可以保證賽車前懸架具有較好的運動學特性，以保證賽車在極限工況下的附著性能。文中通過ADAMS/Insight模塊對懸架硬點坐標進行優(yōu)化，使四輪定位參數(shù)在輪跳過程中在合理的范圍內(nèi)變化，并呈現(xiàn)較理想的變化趨勢。懸架導向機構的設計受到賽事規(guī)則和諸多設計目標的約束，研究表明雙橫臂懸架導向機構的內(nèi)鉸點的y、z坐標值對懸架幾何性能影響較大。從表3可知：前懸架系統(tǒng)的車輪前束角、外傾角、內(nèi)傾角的變化范圍比較大，有待進一步優(yōu)化。ADAMS/Insight可設計虛擬實驗進行多變量多目標的參數(shù)優(yōu)化，由于賽車懸架具有對稱性，故對左側懸架硬點進行優(yōu)化即可。

其中轉向拉桿的外鉸點與內(nèi)鉸點是屬于轉向梯形結構中的設計內(nèi)容，故不做考慮。此外，導向機構的外鉸點受輪內(nèi)結構設計影響很大，且對懸架幾何影響較小。綜合考慮各因素，最后確定了雙橫臂懸架的內(nèi)鉸點的y、z坐標共計8個參數(shù)作為優(yōu)化變量，如表4所示。將四輪定位參數(shù)的變化范圍處于1°以內(nèi)作為優(yōu)化目標。

表4 優(yōu)化變量 mm

3 仿真結果分析

采用與前述相同的工況設置對優(yōu)化后的賽車前懸架系統(tǒng)進行運動學仿真，懸架系統(tǒng)關鍵參數(shù)優(yōu)化前后的對比如圖5所示。從圖5(a)可以看出：車輪在60 mm的平行跳動行程中，前輪前束角在-1.15°～-0.63°之間變化，變化量達到0.52°，滿足優(yōu)化目標，較小的動態(tài)前束變化有利于提高賽車在激烈的加速減速過程中的直線行駛穩(wěn)定性。

優(yōu)化前后的車輪外傾角隨輪跳行程的變化曲線如圖5(b)所示，車輪外傾角在-0.88°～-1.26°范圍內(nèi)變動，變化量為0.37°，優(yōu)化效果明顯。在賽車高速轉向行駛時，較小的外傾角變化有利于提高輪胎與地面之間的附著力，從而獲得更大的側向力，盡量小的外傾角變化量有助于提高賽車的穩(wěn)態(tài)響應能力。結合圖5(a)、(b)可以看出：前束角的變化趨勢與外傾角的變化趨勢相反，增強了賽車不足轉向特性的趨勢，有利于車手操控賽車，同時由于兩者的變化量均較小，輪胎僅發(fā)生輕微的偏磨。

優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角隨輪跳行程的變化曲線如圖5(c)所示，可以看出：優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角明顯減小，在2.46°～3.53°之間變化，變化量在1.07°，滿足優(yōu)化目標。過大的內(nèi)傾角會使車輪與地面間的滑動加劇，摩擦阻力增大，導致車輪的磨損現(xiàn)象較為嚴重，同時使轉向沉重。主銷內(nèi)傾角越大，車輛行駛時的回正作用亦越強，可以較好地減少車輛跑偏。

側傾中心高度隨輪跳行程的變化曲線如圖5(d)所示，優(yōu)化前后側傾中心高度變化不大，優(yōu)化前的靜態(tài)側傾中心高度增加3 mm,影響甚微，但側傾中心變化范圍有所減小，有利于減小賽車的質(zhì)心側偏角，進而提高賽車的彎道操縱穩(wěn)定性。

圖5 前懸架關鍵參數(shù)優(yōu)化前后對比

4 結論

應用CAD、CAE等計算機輔助設計、分析及優(yōu)化方法高效地完成了FSC賽車前懸架設計，縮短了賽車研發(fā)周期；通過在ADAMS/Car中建立前懸架虛擬樣機試驗臺對懸架運動學性能進行測試與分析，進而指導賽車的優(yōu)化設計，降低了賽車研制成本；運用ADAMS/Insight模塊建立前懸架多變量多目標的優(yōu)化模型對懸架幾何硬點進行優(yōu)化，四輪定位參數(shù)的變化范圍明顯減小，有利于賽車操縱穩(wěn)定性能的提升和減小輪胎磨損；由于測試條件有限，文中前懸架系統(tǒng)的運動學性能沒有進行試驗驗證。

【1】周長城.車輛懸架設計及理論[M].北京:北京大學出版社,2011.

【2】安部正人.車輛操縱動力學[M].喻凡,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2012.

【3】楊岳,鄒鐵方.基于ADAMS的FSAE賽車雙橫臂前懸架優(yōu)化設計[J].公路與汽運,2013(5):23-27.

【4】廖抒華,段受焱,成傳勝.懸架K&C試驗臺在底盤開發(fā)中的技術應用[J].汽車科技,2010(5):66-68. LIAO S H,DUAN S Y,CHENG C S.The Application of Suspension K&C Test Rig in Chassis Development[J].Auto Mobile Science & Technology,2010(5):66-68.

【5】陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

Design and Optimization for Front Suspension Kinematics of FSC Racing Car

GONG Pengju，GUO Li，TENG Yanqiong, ZHANG Zhonghua

(School of Automotive and Transportation, Xihua University, Chengdu Sichuan 610039,China)

With the FSC racing car technology constantly improving, the design and optimization of suspension system has become a new research hotspot. The front suspension geometry design was made based on the racing car dynamics theory, SolidWorks software was used to establish the three-dimensional model of the front suspension and steering system for a certain racing car, a front suspension and steering kinematics simulation test bench was established in ADAMS/Car simulation environment. The front suspension kinematics simulation study was carried out combined with parallel wheel travel testing. Finally, taking the suspension hard points coordinate as optimization variable, reducing the variation range of wheel alignment parameters as the optimization target, ADAMS/Insight module was used to establish a multi-variable suspension geometry multi-objective optimization model. The simulation results show that: the suspension geometry design optimization method can effectively shorten the development cycle of the racing car. The optimized suspension geometry makes the variation range of wheel alignment parameters significantly reduce under parallel wheel travel test, the handling and stability for racing car are improved.

FSC; ADAMS/Insight; Suspension geometry; K&C test

2016-09-26

四川省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510623074)

龔鵬舉(1994—)，男，本科生，主要負責賽車懸架系統(tǒng)設計。E-mail:571103477qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.002

U463.33

A

1674-1986(2017)01-009-04