剛?cè)狁詈系腇SAE賽車前懸架仿真分析

段衛(wèi)潔 陳俊杰

摘要：為了更準(zhǔn)確地分析FSAE賽車的前懸架特性，運(yùn)用Hypermesh軟件對(duì)雙橫臂獨(dú)立懸架的上橫臂和拉桿等受力較大的部位進(jìn)行了柔性化處理，運(yùn)用ADAMS/CAR在多剛體前懸架模型的基礎(chǔ)上建立了剛?cè)狁詈锨皯壹苣Ｐ?。在同樣的設(shè)定條件下分別對(duì)兩模型進(jìn)行左右車輪平行跳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證模型的置信度，并針對(duì)前懸架設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)柔性體替代剛性體后產(chǎn)生的變形會(huì)對(duì)車輪的定位參數(shù)產(chǎn)生一定影響，在分析中不可忽略柔性體因素。

Abstract： In order to analyze the front suspension characteristics of the FSAE racing car more accurately， the Hypermesh software was used to make the upper cross arm and pull rod of the double cross arm independent suspension more flexible， the rigid-flexible coupling front suspension model is established based on the multi-rigid-body front suspension model by using Adams/car. Under the same setting conditions， the kinematics simulation of parallel running-out of left and right wheels was carried out to verify the confidence of the model， and the improvement suggestions for the front suspension design were proposed. At the same time， it is found that the deformation caused by the flexible body replacing the rigid body will affect the positioning parameters of the wheel.

關(guān)鍵詞：FSAE賽車;剛?cè)狁詈?前懸架;仿真

Key words： FSAE racing car;rigid-flexible coupling;front suspension;simulation

中圖分類號(hào)：U469.79? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0065-03

0? 引言

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于FSAE賽車的研究基本都是基于多剛體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行的。而實(shí)際上，車輛零部件尤其是某些懸架構(gòu)件、橡膠連接件等在車輛行駛過(guò)程中都會(huì)有比較大的變形，這些變形對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)性能影響很大，在多剛體模型中必須通過(guò)引入諸如側(cè)傾及外傾系數(shù)、側(cè)向力變形外傾系數(shù)、側(cè)傾轉(zhuǎn)向系數(shù)、側(cè)向力變形轉(zhuǎn)向系數(shù)、回正力矩變形轉(zhuǎn)向系數(shù)等來(lái)代替這些變形的影響，否則不能保證模型的精度，而這些系數(shù)必須通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)才能測(cè)量到，若通過(guò)將這些大變形零部件柔性化，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，就不需要測(cè)得這些系數(shù)，也能得到精度較高的模型[1]。本文中將懸架中受力變形較大的部件進(jìn)行柔性化處理，以建立更為精確的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，提高仿真精度。

1? 懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

1.1 前懸架系統(tǒng)中的柔性構(gòu)件

在本賽車雙橫臂獨(dú)立懸架中，本文將對(duì)前懸架上橫臂和拉桿這些受力較大的構(gòu)件進(jìn)行柔性化，在懸架控制臂、減震器之間的連接處使用襯套替代剛性連接，可以起到減振緩沖、吸收振動(dòng)和沖擊能量等作用，且橡膠襯套的形狀不受限制，各個(gè)方向的剛度是通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)定義的，可在一定范圍內(nèi)自由選擇，通過(guò)設(shè)置剛度參數(shù)彈性襯套還能承受多個(gè)方向不同類型的載荷[2]，因此以彈性襯套來(lái)代替上橫臂與車身連接處的剛性鉸接，可以使模型更為精確，提高仿真精度。

1.2 懸架關(guān)鍵受力部件的柔性化

本文的柔性體模型是在有限元分析軟件Hypermesh里形成的。將CATIA模型導(dǎo)入到Hypermesh中，利用Hypermesh對(duì)構(gòu)件進(jìn)行幾何清理之后，劃分網(wǎng)格，定義材料屬性及約束，最后用optistruct計(jì)算，并將生成的文件轉(zhuǎn)化為MNF文件[3]。

各構(gòu)件材料特性根據(jù)表1設(shè)定[4]。

由于構(gòu)件模型較簡(jiǎn)單，且均為勻質(zhì)空心管，可以采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元類型為四邊形。模態(tài)的階數(shù)對(duì)分析時(shí)間和結(jié)果文件大小影響較大，因此應(yīng)選擇合理的階數(shù)進(jìn)行模態(tài)截取，本文截取前20階模態(tài)，其中前6階為剛性模態(tài)。

在多剛體模型仿真時(shí)，上橫臂和拉桿與其它部件之間通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接。此處為了模型柔性化處理后與轉(zhuǎn)向節(jié)、車架和曲柄等的外聯(lián)，要在相應(yīng)外聯(lián)的硬點(diǎn)位置處生成節(jié)點(diǎn)，用多點(diǎn)約束單元實(shí)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)的剛性連接，多點(diǎn)約束常用于一些物理現(xiàn)象，比如剛性連接、鉸接等，特別當(dāng)一些單元間不相容時(shí)用它可以較好實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行模態(tài)分析過(guò)程中，分析工具會(huì)將剛性連接可以自動(dòng)忽略，不會(huì)對(duì)模態(tài)分析結(jié)果產(chǎn)生影響。

前懸架上橫臂第七階到第十階振型圖如圖1所示。從各階振型和共振頻率可以看出模態(tài)信息基本準(zhǔn)確。

1.3 前懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ徒?/p>

打開(kāi)已建立好的懸架多剛體動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。將上擺臂和拉桿的MNF文件導(dǎo)入ADAMS/CAR中，以柔性體取代原來(lái)的剛性體，并在外聯(lián)點(diǎn)處建立接口件（Interface Part），用于柔性體通過(guò)鉸鏈或襯套與剛性體的連接。剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型中各部件的連接方式與多剛體動(dòng)力學(xué)模型相同，將多剛體動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)化成剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。將賽車懸架多剛體模板（Template）及剛?cè)狁詈夏０宸謩e建立子系統(tǒng)（Subsystem）模型，然后裝載在懸架試驗(yàn)臺(tái)（Suspension Testrig）上，得到的剛?cè)狁詈锨皯壹芊抡婺Ｐ腿鐖D3所示。

2? FSAE賽車前懸架仿真分析

2.1 前輪定位參數(shù)的仿真曲線

在ADAMS/CAR中，分別對(duì)賽車前懸架的多剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行雙輪平行同向跳動(dòng)仿真試驗(yàn)，設(shè)置仿真同向跳動(dòng)范圍為-50mm～80mm（上跳位移為正，下跳位移為負(fù)），進(jìn)行對(duì)比仿真。圖4為前輪前束角與輪跳關(guān)系曲線。

設(shè)計(jì)上希望前輪上下跳動(dòng)過(guò)程中前束角盡量保持不變或變化幅度極小，這樣可以保證賽車的執(zhí)行穩(wěn)定性及輕微不足轉(zhuǎn)向特性。由圖4可見(jiàn)，前輪前束角的變化范圍為-0.31°～0.41°左右，總體變化量較小，滿足設(shè)計(jì)要求。剛?cè)狁詈戏抡娴那笆桥c多剛體仿真相差不大，說(shuō)明柔性體的存在對(duì)前輪前束角的影響不大。

外傾角與前束一樣，對(duì)車輛的直行穩(wěn)定性及穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性都有較大影響。由圖4中可以看出，靜止時(shí)車輪外傾角為1.0°，隨著車輪上跳，外傾角減小，變化趨勢(shì)有利于操縱穩(wěn)定性，整體變化范圍在1.05°～0.55°之間，在合理變化范圍之內(nèi)。在負(fù)輪跳范圍內(nèi)，多剛體仿真的外傾角比剛?cè)狁詈戏抡嫘?.05°左右，這是由于剛?cè)狁詈蠎壹苣Ｐ椭?，柔性體受力引發(fā)的變形導(dǎo)致的。

一般后傾角應(yīng)隨車輪上跳而增加，隨車輪下跳而減小，利于汽車行駛時(shí)自動(dòng)回正。從圖6中曲線可以看出，在車輪跳動(dòng)過(guò)程中，剛?cè)狁詈戏抡娴闹麂N后傾角變動(dòng)量在0.1°左右，且變化趨勢(shì)更為符合設(shè)計(jì)要求，因此在分析中不可忽略柔性體因素。

主銷內(nèi)傾角在低速行駛時(shí)對(duì)輪胎具有回正作用，由圖7可見(jiàn)，主銷內(nèi)傾角的變化趨勢(shì)與前輪外傾角正好相反，隨車輪上跳而增大，隨車輪下跳而減小，變動(dòng)量約為0.5°，但變動(dòng)范圍較小。從仿真結(jié)果來(lái)看，剛?cè)狁詈虾髢A角仿真的變動(dòng)量比多剛體的略大。

2.2 前輪輪距變化量的仿真曲線

輪距變化會(huì)導(dǎo)致側(cè)偏角的產(chǎn)生，由此帶來(lái)的側(cè)向力輸入會(huì)對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性造成一定影響。輪距變化應(yīng)盡量小，否則會(huì)加劇輪胎的磨損。一般要求輪距的變化量不大于10mm。

圖8為輪距與輪跳的關(guān)系曲線。從仿真結(jié)果可以看出，柔性體的存在對(duì)輪距變化影響不大。輪距變化為12mm左右，變化范圍略大。

3? 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用Hypermesh軟件對(duì)懸架中受力較大部位進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，生成MNF文件后導(dǎo)入ADAMS中建立柔性體，從而建立起剛?cè)狁詈蠎壹茏酉到y(tǒng)模型。分別對(duì)多剛體懸架模型及剛?cè)狁詈蠎壹苣Ｐ瓦M(jìn)行左右車輪平行跳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，從仿真結(jié)果中可以看出：

①多剛體懸架模型和剛?cè)狁詈蠎壹苣Ｐ偷亩ㄎ粎?shù)變動(dòng)量都比較小，能夠符合懸架設(shè)計(jì)要求。

②雖然剛?cè)狁詈夏Ｐ秃投鄤傮w模型的車輪定位參數(shù)曲線的變化趨勢(shì)基本一致，但變化范圍有所不同，說(shuō)明柔性體替代剛性體后產(chǎn)生的變形會(huì)對(duì)車輪的定位參數(shù)產(chǎn)生一定影響。其中柔性體的存在對(duì)前束角的影響不大，但對(duì)其他懸架參數(shù)都有著不同程度的影響。例如剛?cè)狁詈戏抡娴闹麂N后傾角變動(dòng)量變化趨勢(shì)較多剛體模型更為符合設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明在分析中不可忽略柔性體因素。

③該懸架輪距變化范圍略大，可通過(guò)調(diào)整部件結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，這樣能夠較好的克服輪胎的磨損。

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