叶燕帅 施显林 盘建波

摘要：巴哈赛车由于运行路况复杂，悬架系统的设计显得尤为重要，为提高设计效率，缩短设计周期，基于ADAMS软件对巴哈赛车悬架系统进行了运动仿真与优化设计，根据整车基本参数，利用ADAMS/Car建立虚拟样机，通过ADAMS/Insight分析硬点坐标与悬架参数的影响关系，根据分析结果对硬点坐标进行优化，使悬架技术参数接近设计目标值，分析结果显示：巴哈赛车的前悬架上摆臂前点z坐标、前悬架上摆臂后点z坐标、转向横拉杆外点z坐标对巴哈赛车车轮定位参数的影响系数较大;后悬架上横拉杆外点X、y、z坐标对巴哈赛车后悬性能参数的影响系数较大，优化相应硬点坐标并仿真，可使悬架技术参数接近设计目标值，经过实车跑动验证，该优化方法可以提高巴哈赛车悬架设计效率，提高整车性能。

关键词：巴哈赛车悬架;运动仿真;优化设计

中图分类号：U469.6DOI：10.16375/j.cnkj.cn45-1395/t，2020.02.009

0引言

“中国汽车工程学会巴哈大赛（Baja SAE China，简称BSC）”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，参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在规定时间，使用同一型號发动机，设计制造一辆单座、发动机中置、后驱的小型越野车，比赛设置有圆木、乱石堆、炮弹坑、避障、涉水通过等比赛项目，更是有4h的耐久竞速比赛，竞技比赛项目的设置对赛车的操纵性、坑冲击性和可靠性提出了较高的性能要求，悬架系统的性能至关重要，因此，高效、准确的设计对巴哈赛车悬架系统的设计非常重要，ADAMS是目前运用最为广泛的机械系统仿真软件之一，用户可以利用ADAMS在计算机上建立和测试虚拟样机，实现实时仿真，了解复杂机械系统的运动性能，利用ADAMS软件进行汽车悬架的仿真和优化设计可以缩短设计周期，提高设计效率，针对巴哈赛前悬、后悬受到的冲击载荷都比较大的特点，车队不仅分析前悬，也要对前悬、后悬均进行仿真分析并优化，利用ADAMS/Car建立虚拟样机并进行仿真分析;利用ADAMS/Insiglat模块分析悬架各硬点坐标对悬架参数的影响关系，根据分析结果和赛车的运行及结构特点综合考虑，选取影响系数相对较大的硬点坐标值作为优化对象，有针对性地进行悬架硬点优化，使悬架系统满足巴哈赛车的设计要求，提高悬架性能。

1建立ADAMS/Car模型

1.1整车参数与悬架硬点

导入整车模型，提取巴哈赛车悬架运动仿真的相关参数，考虑到巴哈赛车的赛道中弯道多且弯道半径小、地形复杂，为提高赛车的过弯稳定性，巴哈赛车的前轮外倾角采用负值，车轮外倾角取值偏大，主销内倾角主要根据主销偏移距确定，整车参数如表1所示。

设计目标巴哈赛车前悬采用双横臂式独立悬架形式，后悬采用三连杆式独立悬架形式，根据总布置参数在三维建模软件上以巴哈赛车车架为装配基体建立悬架模型，然后提取悬架硬点，后悬架采用三连杆式独立悬架额的目的是在保证整车参数不变的前提下降低簧下质量，提高赛车性能，同时简化悬架结构，方便赛车维修，提取到的前悬架硬点如表2所示;提取到的后悬架硬点如表3所示。

1.2建立ADAMS模型

根据硬点与整车参数在ADAMs/Car中建立模型，前悬架模型如图1所示，运动模型需要准确定义运动部件的联接方式，各相对运动部件用运动副联接，其中摆臂与车架用旋转副联接;摆臂与立柱、转向横拉杆与立柱用球铰副联接;减震器内部接点与车架、减震器外部接点与下摆臂、转向横拉杆与齿条用等速副联接;转向横拉杆分为内外两部分并用滑移副联接，定义通信器得到多体动力学模型。

后悬架模型如图2所示，其中纵臂与立柱用固定副联接;纵臂与车架、横拉杆与立柱用球铰副联接;横拉杆与车架、减震器内部接点与车架、减震器外部接点与纵臂用等速副联接，定义通信器得到多体动力学模型。

2运动仿真试验与优化

2.1设立目标值

根据巴哈赛车性能需求，先设定运动仿真优化的目标值，参数目标值如表4所示，轮距变化量较大，这是由于对独立悬架而言，较大的轮距变化量可以得到较高的侧倾中心，巴哈赛车的赛道路况非常恶劣，较大的轮距变化量避免对轮胎造成严重磨损，设计巴哈赛车平衡位置离地间隙为260mm，质心高度4101Tlin，所以需要较高的侧倾中心，侧倾中心提高，也有利于整车操纵性的提高，后悬架有半轴的横向位移限制，轮距变化量较小，侧倾中心为前高后低，通过控制偏频与侧倾角刚度的设计，防止因不足转向度过大而产生推头现象，前束角随轮跳变化量应较小，外倾角随轮跳变化量可以较大，既要保证赛车的直行性能也要保证赛车的过弯性能。

2.2进行初步运动仿真

进行运动仿真，查看设计模型的运动特性，根据该巴哈赛车悬架动挠度的设计和实际测量，前悬架取轮跳范围为80-130mm，后悬架取轮跳范围为-100-130mm，进行双轮同向激振仿真试验，仿真结果如图3、图4所示，从图3可以看出：前轮距变化量82.86mm，前轮前束角变化量1.63°，前轮外倾角变化量4.19°，前悬架满载侧倾中心高192.43mm，前悬架满载侧倾中心高、前轮距变化量与前轮外倾角变化量未能满足设计要求，从图4可以看出：后轮距变化量58.20mm，后轮前束角变化量3.18°，后轮外倾角变化量1.64°，后悬架满载侧倾中心高79.19mm，后悬架参数均未满足设计要求。

2.3利用ADAMS/Insight优化设计

为有针对性地优化悬架硬点，提高设计效率，通过ADAMS/Insight寻找对参数目标值影响系数较大的影响因子，在保证车架前舱符合赛事规则要求前提下，为了减少数值迭代次数，减少软件计算时间，固定静载状态下的主销参数，独立悬架的满载侧倾中心高会随着轮距变化量的增大而提高，所以以轮距变化量作为优化目标，设计变化范围均为-5-5mm，建立目标函数、选择优化方法与建立相应矩阵进行计算，前悬架的计算结果如表5所示，计算结果显示：前悬架上摆臂前点z坐标、前悬架上摆臂后点z坐标、转向横拉杆外点z坐标这3个参数对前悬性能的影响系数较大。

对于后悬架，针对上横拉杆与下横拉杆外点与内点的y坐标、z坐标寻找影响系数高的影响因子，设计变化范围均为-5-5mm，建立目标函数、选择优化方法与建立相应矩阵，后悬架的计算结果如表6所示，计算结果表明：后悬架上横拉杆外点X、Y、Z坐标对巴哈赛车后悬性能参数的影响系数较大。

3优化结果的前后对比

对于影响系数较大的悬架硬点坐标参数反复进行优化，通过仿真试验查看优化效果，使悬架运动特性符合设计要求，优化后的硬点坐标如表7所示，

优化悬架硬点坐標后得到的前悬架运动特性如图5所示，后悬架运动特性如图6所示，仿真试验结果显示：对前悬架硬点参数进行优化后，前轮距变化量113.51mm，前轮前束角变化量0.89°，前轮外倾角变化量7.32°，前悬架满载侧倾中心高229.84mm，得到的前悬架主销后倾角变化量减小，前悬架主销内倾角变化量增大，总体上看优化效果较好，参数达到目标值范围，图6显示：对后悬架硬点参数进行优化后，后轮距变化量79.24mm，后轮前束角变化量2.43°，后轮外倾角变化量4.32°，后悬架满载侧倾中心高113.66mm，优化效果也较好，参数达到了目标值范围。

4实验验证

车队根据设计参数，完成了比赛赛车的制作和装配工作，采用主观评价法对赛车悬架系统进行了调校测试，测试过程中，车子的抗侧倾性、抗前点头性能良好，车子获得了相对理想的操纵性能，并在2019年中国大学生巴哈大赛中获得了不错的成绩，实车测试的结果验证了仿真模型和优化设计方法的可靠性。

5结论

1）利用ADAMS/Car建立测试虚拟样机，根据ADAMS/Insight寻求对运动特性影响系数大的影响因子，可以有针对地优化硬点参数并对悬架的性能进行仿真分析。

2）前悬架上摆臂前点z坐标、前悬架上摆臂后点z坐标、转向横拉杆外点z坐标对巴哈赛车车轮外倾角、前轮前束角和车轮轮距变化量的影响系数较大。

3）后悬架上横拉杆外点X、y、z坐标对巴哈赛车后悬性能参数的影响系数较大。

4）针对性地优化硬点参数，可以改变悬架性能参数，在本赛车模型中，增大前悬架上摆臂前点z坐标和转向横拉杆外点z坐标，同时降低前悬架上摆臂后点z坐标，可以增大前轮轮距、侧倾高度和外倾角的变化量，减小前轮前束;减小后悬架上横拉杆外点x坐标，同时增大后悬架上横拉杆外点y坐标和z坐标可以增大后轮轮距、侧倾高度和外倾角的变化量，减小前轮前束。

5）利用软件进行运动仿真和优化设计可以帮助设计者高效、快速地设计出一套运动特性达到设计要求的悬架系统，由于一个影响因子会对多个参数产生影响，为使悬架运动特性符合预期，需要设计者自行平衡它们。