第３０卷第３期 ２０１３年９月 广东工业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３０ Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２０１ ３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—７１６２．２０１３．０３．０２０ 基于ＡＤＡＭＳ的ＦＳＡＥ 赛车前悬架优化设计 王 行，阳 林，彭仁杰，冯 勇 （广东工业大学机电工程学院，广东广州５１０００６） 摘要：为更好地研究方程式赛车的操纵稳定性，基于机械系统动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ对某大学的大学生方程式 赛车（Ｆｏｒｍｕｌａ ＳＡＥ ｒａｃｉｎｇ ｅａｒ）的前悬架系统建立仿真模型，并进行运动学仿真分析，得到车轮在跳动时主销内倾 角、主销后倾角、车轮外倾角和前轮前束４项参数的变化曲线，分析各参数变化对赛车操纵稳定性的影响，利用 ＡＤＡＭＳ／Ｉｎｓｉｇｈｔ模块对悬架的硬点位置进行多目标优化．结果表明，前悬架系统的运动特性得到有效提升，满足设 计要求，该研究对于赛车的悬架设计具有一定的指导意义． 关键词：双横臂悬架；方程式赛车（ＦＳＡＥ）；ＡＤＡＭＳ仿真软件；仿真优化 中图分类号：Ｕ４６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７－７１６２（２０１３）０３—０１０５—０４ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＦＳＡＥ Ｒａｃｉｎｇ Ｃａｒ’Ｓ Ｆｒｏｎｔ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＡＭＳ Ｗａｎｇ Ｈａｎｇ，Ｙａｎｇ Ｌｉｎ，Ｐｅｎｇ Ｒｅｎ－ｊｉｅ，Ｆｅｎｇ Ｙｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｍｕｌａ ＳＡＥ ｒａｃｉｎｇ ｃａｒ ｂｅｔｔｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｓｔｕｄｅｎｔｓ’Ｆｏｒｍｕｌａ ＳＡＥ ｒａｃｉｎｇ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ（Ｆｏｒｍｕｌａ ＳＡＥ ｒａｃｉｎｇ ｃａｒ）ｏｆ ａ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｉｔ ｅｓｔａｂ— ｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｄｏｕｂｌｅ ｗｉｓｈｂｏｎｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅ． ｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＤＡＭＳ，ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｋｉｎｇｐｉｎ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ， ｃａｓｔｅｒ，ｃａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｏｅ－ｉｎ ｆｏｕｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌｓ’ｊｕｍｐｉｎｇ，ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｍｕｌａ ＳＡＥ ｒａｃｉｎｇ Ｃａｒ，ａｎｄ ｕｓｅｄ Ｉｎ— ｓｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌｅ ｉｎ ＡＤＡＭＳ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ’ｈａｒｄ ｐｏｉｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｆｒｏｎｔ ｄｏｕｂｌｅ ｗｉｓｈｂｏｎｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｒｍｕｌａ ＳＡＥ ｒａｃｉｎｇ ｅａｒ．Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｃｉｎｇ ｃａｒ＇ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ ｗｉｓｈｂｏｎｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ＦＳＡＥ；ＡＤＡＭＳ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 中国大学生方程式汽车大赛（简称“ＦＳＡＥ”）是 一的硬点进行优化设计，改善赛车的操纵稳定性，达到 项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生 优化设计的目的［ ． 组队参加的汽车设计与制造比赛．双横臂悬架 结构简单、轻便可靠，且能使车辆具有良好的操纵稳 １前悬架虚拟模型仿真 １．１前悬架模型建立 定性和行驶平顺性，故在现代车辆及赛车上得到了 广泛的应用． 通过ＵＧ建立双横臂悬架的三维设计模 在ＦＳＡＥ赛车设计过程中，采用近年来在车辆 悬架设计优化过程中较普遍运用的ＡＤＡＭＳ软件， 型，在初步设计中确定硬点的初步坐标位置，悬架的 弹簧、减震器的属性文件根据购买厂家提供的数据 编制．在ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ模块中建立赛车不等长双横 对赛车的不等长双横臂前悬架进行运动学特性 仿真优化，并运用ＡＤＡＭＳ／Ｉｎｓｉｇｈｔ模块，对赛车悬架 臂悬架的虚拟样机模型．将悬架模型置于虚拟 收稿日期：２０１３—０３－１８ 基金项目：国家级大学生创新创业训练项目（２０１２１１８４５００８） 作者简介：王行（１９８８一），女，硕士研究生，主要研究方向为电动汽车关键技术、方程式赛车． 通讯作者：阳林（１９６６・），男，教授，博士，主要研究方向为电动汽车关键技术、车身模具ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ／ＶＲ． 第３期 王行，等：基于ＡＤＡＭＳ的ＦＳＡＥ赛车前悬架优化设计 的趋势，这样可抵消制动点头时后倾角减小的趋势． 于理想的状态． 在静止时主销后倾角为３。，在整个跳动过程中后倾 角的变化由１．６。一４．５。，变化范围稍大，需要优化． ２多目标优化设计 对于赛车而言，在转弯时希望轮胎能够提供足 多目标优化设计是指当设计变量集中为只有一 够的轮胎侧倾力，而一定的外倾角可使赛车在转弯 个设计变量的函数，其他设计变量不变．ＡＤＡＭＳ／Ｉｎ— 时充分利用轮胎的性能，从而得到足够的侧倾力． ｓｉｇｈｔ模块可快速分析多个设计变量、实验，直至达 当轮胎发生侧倾时，侧倾角也会相应地变大，假 到悬架系统的最优性能¨ ．在ＡＤＡＭＳ中设定参数 设轮胎侧倾刚度不变，则轮胎的侧偏力将会增大．赛 优化目标，对目标变量进行迭代计算，最终达到优化 车车轮存在较小的负外倾角时，车轮可获得最大的 系统的目的． 轮胎侧偏力．为防止产生过度转向效应，必须控制上 ２．１优化变量的选择 跳时车轮对车身的外倾减小程度，一般前侧倾外倾 根据悬架特ｌ生参数仿真结果可看出：主销后倾 系数为０．６１至０．８８…Ｊ，总的效果为不足转向．即一 角的变化过大，需对悬架的硬点位置进行优化设计． 般要求两侧车轮平行跳动时变化量不能过大．同时 因转向节上的控制臂硬点、横拉杆硬点受到车 为了不使悬架安装的车轮下跳时轮距减小过 轮轮辋尺寸的，不可随意改动，所以将上下横臂 多，外倾角设置也应当适当减小．优化后变化趋势不 的外端点，即Ｃ、Ｆ两硬点排除在设计变量之外．故 变，但更加平缓，较优化前不会增加过多转向．如图 选定悬架控制臂与车架的连接点，主要硬点的坐标 ４所示，静止时车轮外倾角为一２．０。，外倾角随着车 如表１所示的Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ ６个点，共１８个方向 轮的下跳从一２。变为一１．３。，随着车轮的上跳外倾 坐标值，ｌ，轴坐标为赛车纵向方向上的点，在悬架设 角由一２。变为一２．７。；上跳时外倾角呈变大的趋势， 计中，悬架横臂前后两点在同一纵向线上，故ｙ轴坐 符合设计要求． 标不变．综合以上因素考虑，设计变量选定为 、 、 Ｄ、Ｅ ４个点的 和ｚ坐标，共８个参数． ２．２约束条件及优化结果分析 因受到赛车实际尺寸、车架形式和其他因素的 一 影响，作为设计变量的坐标取值范围不宜过大．因转 娅 向结构设计在赛车驾驶舱底部范围内，为避免齿轮 谣 ：温 齿条、横拉杆和车架底部钢管发生干涉，设计变量的 坐标取值范围也不宜过大．故基于初始值的变量范 围在一１０～１０ ｍｍ之内¨ ．利用ＡＤＡＭＳ／Ｉｎ． ｓｉｇｈｔ模块进行优化设计，得到所选定的８个参数在 －３０ Ｕ－２２．５一ｌ５．Ｕ－７．５ ０．Ｕ ７．５ ｌ Ｕ ２２ ３０ ０ 轮胎跳动量／ｍｍ 优化前后的坐标对比表，如表２所示． 图５前束角变化曲线 表２优化前后坐标值 Ｆｉｇ．５ Ｔｏｅ ａｎｇｌｅ ｃｕｒｖｅ Ｔａｂ．２ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｖａｌｕｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｍ 前轮前束的真正作用是补偿和防止车轮后束， 后束会导致行驶不稳定，如果汽车带有后束，行驶时 当一车轮处于直线行驶，另一车轮为后束，汽车将处 于转向状态，同时由于处于前进方向的车轮行驶阻 力减小，而产生后束的车轮产生附加行驶阻力，促使 汽车加剧转向而失去稳定行驶状态．相反对于带有 前轮前束的汽车，当某一车轮瞬时处于直线行驶状 态时，另一侧车轮将增加前束角使汽车具有转向趋 势，同时轮胎将增加前束而产生的附加阻力促使车 轮回正，从而保持直线行驶稳定性．前束角变化过大 将优化后的坐标值输入模型，修改虚拟样机模 会引起汽车的侧倾和偏摆¨ 。 ． 型，保持仿真参数不变，重新进行车轮激振仿真分析 如图５所示前束角的变化在０．１８。的范围内，属 实验．仿真结果表明，坐标变化后，主销内倾角、前轮 １０８ 广东工业大学学报 第３０卷 外倾角、前轮前束的变化范围均不大，符合设计要 求，对于优化前变化范围较大的主销后倾角的变化 曲线，优化后的变化曲线如图６所示． 一 鏖 器 轮胎跳动量／ａｒｍ 图６优化后的主销后倾角变化曲线 Ｆｉｇ．６ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｋｉｎｇｐｉｎ ａｎｇｌｅ ｃｕｒｖｅ 由图６可知，优化后的主销后倾角在车轮上下 跳动３０ ｍｍ的时候的变化范围为２．９７。～３．０２。，变 化较小，满足设计要求． 仿真优化结果表明，前轮的４个主要定位参数， 以主销后倾角为主要优化目标，通过ＡＤＡＭＳ／Ｉｎ— ｓｉｇｈｔ模块对悬架的优化设计，将其在轮胎上下跳动 时的变化范围曲线缩小至合理范围，其他３个定位 参数也符合设计要求，提高了赛车的操纵稳定性，达 到了赛车悬架优化的目的． 在悬架设计中，首先应限定轮距变化尽量 小以减少轮胎磨损；其次轮距变化会引起滚动轮胎 的侧偏，从而产生侧向力输入，较大的滚动阻力会使 直线行驶性能下降，因此也要求轮距变化尽量地小． ３ 结论 （１）基于虚拟样机ＡＤＡＭＳ仿真技术，对中国 大学生方程式汽车大赛的赛车不等长双横臂悬 架进行了仿真模型的建立；并通过悬架运动特性仿 真实验，得到了悬架运动特性的性能曲线，进行了分 析评价，指出了设计中存在的不足． （２）在ＡＤＡＭＳ／Ｉｎｓｉｇｈｔ模块中，设定相关的设 计变量和目标，结合悬架前期仿真分析中存在的问 题，进行了优化设计．结果表明，悬架的运动性能得 到改善． （３）利用虚拟样机技术进行前期仿真分析设 计，可以有效地缩短设计周期，并很好地掌握赛车的 性能，对不足进行优化设计． 参考文献： ［１］贾长治，殷军辉，薛文星，等．ＭＤ ＡＤＡＭＳ虚拟样机从入 门到精通［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１０． ［２］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工程出版社，２００６． ［３］．ＭＳＣ ＡＤＡＭＳ技术与工程分析实例［Ｍ］．北京：中 国水利水电出版社，２００８． ［４］张越今．汽车多体动力学及计算机仿真［Ｍ］．吉林：吉林 科学技术出版社，１９９８． ［５］任卫群．车一路系统动力学中的虚拟样机［Ｍ］．北京：电 子工业出版社，２００５． ［６］冯樱，郭一明，郑东黎，等．基于ＡＤＡＭＳ的整车建模和操 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Ｃｈａｎｇ—ｆｕ，Ｇｕｏ Ｋｏｎｇ—ｈｕｉ．Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｏｆｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ『Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２０００，３０（１）：１－９． ［１３］宗长富，郭孔辉．汽车操纵稳定性的研究与评价［Ｊ］．汽 车技术，２０００（６）：６－１１． Ｚｏｎｇ Ｃｈａｎｇ—ｆｕ，Ｇｕｏ Ｋｏｎｇ—ｈｕｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ［Ｊ］，Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ，２０００（６）：６—１１． ［１４］熊坚，曾纪国，宋健．汽车操纵稳定性虚拟仿真的研究 ［Ｊ］．汽车工程，２００２（５）：６２ ６５． Ｘｉｏｎｇ Ｊｉａｎ，Ｚｅｎｇ ｊｉ—ｇｕｏ，Ｓｏｎｇ Ｊｉａｎ．Ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ『Ｊ］．Ａｕｔｏ． ｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２（５）：６２—６５．
