基于ADAMS的巴哈赛车悬架平顺性及操纵稳定性仿真

郑英龙，汪博文

基于ADAMS的巴哈赛车悬架平顺性及操纵稳定性仿真

郑英龙，汪博文

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

悬架是汽车的重要组成部分，对于属于小型越野赛车的巴哈赛车来说，一套性能优良的悬架能够使其在赛场表现出良好的操纵稳定性。为了建立巴哈赛车的虚拟模型来评价其操纵稳定性，采用机械系统动力学分析软件中ADAMS中的ADAMS/CAR模块，建立了一辆符合巴哈赛车运动特点的悬架模型。通过对悬架的数学模型进行简化，得到相应的线性运动方程，确定悬架的基本性能参数，通过ADAMS/CAR的suspension analysis模块对悬架进行仿真分析，从而对赛车悬架进行优化设计，使赛车具有较强的抗纵倾能力、减弱振动能力和不足转向性能。

悬架；ADAMS；操纵稳定性；巴哈赛车

中国汽车工程学会巴哈大赛由中国汽车工程学会举办，由高等院校职业院校汽车或相关专业在校学生组队后参加的越野汽车设计制造和检测的比赛。参赛车队要在规定的1年时间内设计制造出一台性能优良、有市场竞争力的赛车。悬架是巴哈赛车重要的组成部分，悬架的设计主要是为了满足汽车的平顺性和操纵稳定性的要求。基于ADAMS软件的汽车模型建立仿真可以使设计人员对车辆的性能全面掌握，并不断地对设计的悬架参数进行修改优化。对于在短短1年内开发出一台赛车的团队来说，基于ADAMS的虚拟模型分析可以节省大量时间，使赛车的性能尽可能达到最优。通过对模型进行不同工况的分析，最终确定了一套操纵稳定性良好的悬架参数。

1 悬架基本形式确定

1.1 整车基本参数的设定

赛车的尺寸要在符合赛事规则的前提下进行设计，同时，要尽可能地满足轻量化和高性能的要求，所以，设定整车的基本参数如表1所示。

表1 整车参数表

参数数值 整车质量/kg165 轴距/mm1 450 前轮距/mm1 300 后轮距/mm1 200 轴荷比45∶55 最小离地间隙/mm280 最大爬坡度/°30 减速器一档传动比8 减速器二档传动比13

1.2 整车基本参数的设定

前悬采用双横臂式独立悬架，上、下摆臂不等长。采用断开式车桥，两侧车轮可以单独运动互不影响；车轮的运动空间较大，可以降低悬架刚度提升平顺性，双横臂独立悬架能减轻簧下质量，提高赛车的操纵稳定性和行驶平顺性[1]。后悬采用斜置单纵臂形式独立悬架，特点是结构简单、车轮跳动时除主销后倾角有较大变化外，其他角度无变化，可使后轮随转向轮产生较小的转角变化，从而减小车轮的侧偏角，增强转向不足特性。

1.3 前后悬架二维几何模型的建立

通过画悬架的二维几何图形能够更好地使四轮定位参数及悬架几何参数集中体现；运用CATIA二维草图界面绘制出前后悬架的二维几何图形，并标注出重要的参数数值。

1.4 悬架基本参数的确定

依据经验参数和设计计算可以得到悬架系统的具体参数，如表2所示。

表2 悬架参数表

前悬架后悬架 偏频/Hz2.22.5 弹簧刚度/（N·m-1）24 61423 556 悬架刚度/（N·m-1）17 17927 114 悬上载荷/N8821 078 静挠度/mm5140 侧倾角刚度/（N·m·rad-1）5 2824 729 悬架阻尼系数39.6103.1 相对阻尼系数0.30.375 减振器阻尼系数208472

2 整车动力学模型的建立

2.1 模型的简化

由于赛车整车零部件多，很难将整车所有零件都建成模型。由于这次分析主要是对悬架进行优化设计，所以有些对整车影响不大的部件可以省略，除此之外还需要进行以下简化处理[2]：①将簧上质量看作一个刚体，具有6个自由度；②悬架零部件除了弹性元件以外，其他元件都看作刚体；③各运动副之间的摩擦力忽略不计；④动力系统简化为只依靠传输动力控制车速的刚体。

2.2 整车模型的建立

在ADAMS/CAR中建立整车模型一般可以分为以下几个步骤：①将整车拆分为几个子系统，比如前悬架系统、后悬架系统、转向系统、车身车架系统、动力传动系统、制动系统等，研究各个子系统之间的关系；②获取各个总成的结构参数，对抽象的各个零部件进行建模，然后建立相应的总成模型；③获取各个总成的几何参数、物理参数和力学特性，修改零部件属性；④通过各子系统之间的通讯器装配成整车动力学模型；⑤通过各子系统之间的通讯器装配成整车模型，并使用ADAMS/CAR中自带的轮胎和路面模型。

其中，悬架参数已经提供，整车其他参数通过车队的设计数据获得。

2.2.1 悬架模型

前悬架采用的双横臂独立悬架，根据实车结构数据建立了双横臂摆臂和减振器弹簧的模型。减振器抽象为连接车身下摆臂的阻尼弹簧。同时，在前悬中还包含转向系统。建好各自模型的子系统之后，通过通讯器将各子系统联接[3]，根据赛车设计的参数修改模型后，构成前悬子系统。

在后悬架的设计过程中，涉及到的子系统有悬架导向机构、减振器弹簧、立柱轮毂和半轴，将各个子系统模型建立好之后通过通讯系统进行装配，设置好悬架参数后得到后悬装配子系统。

2.2.2 车身车架模型

赛车的结构严格受到规则的约束。巴哈小型越野赛车车架为钢管焊接得到的桁架结构，通过CATIA曲面设计可以得到车架的CAD模型[4]。将CAITA生成的CAD车架模型按规定的格式导入到ADAMS中即可。

2.2.3 发动机及传动系统模型

在ADAMS/CAR中发动机模块只用于控制速度，本次仿真采用ADAMS中自带的发动机模块，对发动机及传动系统进行简化，只考虑传动半轴以后的动力传输，将发动机抽象为具有一定自由度的一个23 kg的刚体。

2.2.4 整车系统模型

通过通讯器连接整车各个子系统，在Full-Vehicle Assembly里中进行装配，得到的赛车整车装配模型如图1所示。

2.2.5 操纵稳定性试验路面

在操纵稳定性的试验中对路面的要求为：用水泥混凝土或沥青铺装的干燥、平整且清洁的路面。在ADAMS中选用二维平面路面谱，车辆行驶的路面在ADAMS/CAR中通过编辑路面谱来模拟，本次操纵稳定性仿真所用路面为ADAMS自带的二维平整路面文件。可通过修改ADAMS中原有的H级路面谱文件得到国标B级的随机路面谱的文件[5]。

图1 整车虚拟模型

3 整车操纵稳定性仿真

汽车的操纵稳定性是指驾驶者在不感到过分紧张疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及车轮给定的方向行驶，且汽车在遭遇外界干扰时汽车能抵抗干扰而能保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性和悬架参数有很大的联系，一般通过调整悬架参数来对汽车的操纵稳定性进行优化设计。

3.1 悬架平行轮跳动实验

悬架的平行轮跳动试验是对悬架给予一个设定的跳动行程，在该行程过程中ADAMS会得到相应的四轮单位参数的变化值，通过四轮定位参数变化的范围大小来评价悬架的稳定性和通过性，检验悬架是否会出现车轮侧倾严重等不良现象，通过修改悬架参数和悬架硬点位置来对四轮定位参数的变化做相应的调整。

平行轮跳动的范围根据垂直轮的跳动行程得到，相关参数如表3所示。

表3 悬架跳动行程参数

前悬架后悬架 压缩行程/mm220185 跳动行程/mm169145

设置好跳动量后进行实验，可得到前轮外倾角变化范围为﹣10°～2.5°，后轮外倾角变化范围为﹣2.75°～﹣0.25°。前轮主销后倾角变化范围为0°～17°。前轮主销后倾变化较大，主销后倾过大会增大转向力，且会使横向加速度增大，不利于保持操纵稳定性。后轮主销后倾角的变化范围为﹣0.25°～2.5°，前轮主销内倾角的变化范围为7.5°～22.5°，后轮主销内倾角的变化范围为﹣12.5°～45°。

主销内倾角可以使转向轻便，前轮的主销内倾角变化合理，后轮主销内倾变化较大，由于采取单纵臂的缘故，主销内倾角不宜过大，否则在转向时车轮绕主销转动的过程中，轮胎与路面之间会产生较大的滑动，加速轮胎的磨损。前轮前束的变化范围为1.25°→﹣0.5°→1.15°，后轮前束的变化范围为﹣1.5°～1.5°，前后轮的前束变化值均不大，符合设计要求。

前轮轮距的变化范围为1 280～1 370 mm，后轮轮距的变化范围为1 220～1 300 mm，车轮在跳动过程中，左右平行轮之间的距离会发生变化，轮距变化不宜过大，否则会加剧轮胎的横向滑移，进而加剧轮胎的磨损，所以，轮距变化需要控制在一定范围内。仿真赛车的轮距变化稳定在允许范围内，符合设计要求。

前轮侧倾刚度的变化范围为1 000～3 000 N·m/deg，后轮侧倾角刚度为3 000 N·m/deg，前后轮的侧倾角刚度的变化范围均未超过理论计算值，且通过曲线的变化趋势可以看出，压缩过程中侧倾角刚度增大，意味着在侧向加速度增大时悬架的抗侧倾能力加强，符合设计要求。悬架平行轮跳动实验结果如图2所示。

图2 悬架平行轮跳动实验结果图

3.2 整车转向特性仿真

3.2.1 角阶跃试验

转向盘转角阶跃输入响应试验是用来评价汽车瞬态响应特性，主要用来测定汽车对方向盘转角输入做出反应的灵敏特性。

本次测试的车速为70 km/h，阶跃转角为60°，得到的侧向加速度、侧向角加速度如图3所示，横摆角速度在时域上的变化如图4所示。

图3 车身侧向加速度（实线）、侧向角加速度（虚线）

图4 横摆角速度变化

由图3可知，反应响应时间为0.116 s，峰值时间为 0.196 s，达到稳态的时间为0.5 s。达到稳态后的纵向加速度为5.56 m/s2，对于轿车来说乘客应该会感到不适，而对于越野比赛的赛车驾驶员来说基本在要求范围内。

3.2.2 转向回正试验

转向自动回正在汽车驾驶过程中起到了很重要的作用，如果转向不能自动回正，则驾驶员会感到方向难以控制，影响驾驶的安全性。转向回正的回正力矩主要来自于主销定位角和轮胎的侧偏现象，其中，四轮定位参数对转向回正的影响较大。汽车转向回正试验其本质是一种力阶跃输入的试验。

分别进行70 km/h和35 km/h下的仿真，仿真的侧向加速度为4 m/s2，得到的车身横摆角速度仿真图像如图5所示。

图5 35 km/h下车身横摆角速度图像（实线）、70 km/h下车身横摆角速度图像（虚线）

4 整车行驶平顺性仿真

4.1 国际ISO标准移线行驶仿真

ADAMS/CAR整车仿真模块里的ISO Lane Change可对整车进行移线仿真测试，纵向控制器使车辆行驶速度保持在期望值，侧向控制器控制转向系统使车辆保持沿期望的ISO指定路线行驶。在该模块中通过对原本平整路面的修改，可以使虚拟模型在随机路面谱上“行驶”，设定在一定的速度行驶可以得到相应的汽车车身各个方向的加速度随时间变化的图像，从而可以评价汽车驾驶的平顺性和舒适性。

通过仿真分别测试汽车在3个速度（10 km/h、35 km/h、70 km/h）下的车身垂直加速度的图像如图6所示。

将3张图放到1张图像上可以看出，在行驶相同路程的情况下，虽然70 km/h所用的时间最短，但是其车身垂直方向的加速度变化峰值很大，最大达到了0.441 m/s2，会给驾驶员不适感，当速度降为35 km/h和10 km/h时，加速度随时间的变化变平缓，且两者起伏的水平基本相同，但10 km/h持续起伏的时间更长，反而会给人带来不适感，所以，要想使汽车具有较好平顺性，车速要控制在35 km/h左右。

4.2 ADAMS/CAR与MATLAB联合行驶仿真

4.2.1 ADAMS/CAR与MATLAB的联合分析模型

路面不平度除了可以通过修改原ADAMS自带的路面文件得到以外，还可以通过MATLAB的Simulink得到[6]。在时域内，高斯白噪声通过滤波器或者积分器都可以产生随机路面不平度时间轮廓[7]。

联合仿真的连接界面为MATLAB/Simulink中自带的ADAMS_SYS界面，建立相应的连接模型，设置计算的时长为10，可以得到相应的车身各个方向的加速度在时域上的变化。ADAMS与Simulink的联合分析模型如图7所示。

图7 ADAMS与Simulink的联合分析模型

4.2.2 ADAMS/CAR与MATLAB的联合分析结果

通过运行模型得到的车身各个方向的加速度曲线如图8所示，将其与ADAMS仿真得到的结果进行比较。

由图像对比可知MATLAB和ADAMS分析得到的图像相似，联合设计的好处在于MATLAB/Simulink的模块模型能与ADAMS相联合，能处理ADAMS难以解决的仿真问题。

5 悬架参数优化

由以上仿真分析可知，整车的主要问题在于主销后倾角和内倾角的变化过大，容易造成轮胎磨损、增大侧向加速度，同时对方向回正也有很大的影响。主要采取的措施是对悬架硬点进行优化设计，其余相关设计参数均在允许的变化范围内，满足设计要求，无需做大修改。

将硬点修改后主销后倾的变化明细如图9所示。

图9 修改硬点后的主销后倾变化

6 结论与展望

6.1 结论

通过对巴哈赛车悬架和整车的ADAMS虚拟建模分析，能够对赛车的相关性能参数进行优化仿真设计，从而更好地发挥赛车的性能。由于大学生巴哈大赛所制作的赛车并不用于商业化销售，而主要应用于同台竞技，在性能方面，车队一般把整车的动力性和操作性放在第一位，所以建立虚拟样机进行悬架分析和整车分析是十分有必要的，在参数修改和硬点优化方面有很大的参考价值。

在进行仿真前要对悬架的参数进行理论设计，作为悬架虚拟样机参数的理论根据，同时可以通过悬架虚拟样机的仿真来检验相关参数是否满足设计要求；通过ADAMS/CAR建模界面建立前后悬架子模型，同时，建立整车其他部分子模型最后进行整车装配，通过仿真可以得到悬架跳动四轮参数变化、转向特性变化，通过输入随机路面谱可以用以评价赛车的行驶平顺性。虚拟仿真相比于实车测试花费的时间短，可在计算机上重复进行，可对各种方案进行快速优化对比，并且可以进行极限工况分析。经过仿真，赛车的悬架参数已经确定，通过硬点修改也使得其他性能参数满足要求，从而实现了悬架的优化设计。

6.2 展望

平顺性的仿真可以在ADAMS/CAR ride界面中进行分析，其分析结果比直接在ISO lane Change中输入路面谱更真实、可靠，但是同时也需要搭建虚拟四轮柱试验平台，可以尝试搭建平台用模型进行进一步的平顺性仿真测试。通过ADAMS建立车辆动力学模型，并运用MATLAB/Simulink设计控制算法，建立一个整车控制策略的研究环境[8]，可以利用该集成环境对车辆进行联合控制仿真。

［1］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2000：55-135.

［2］王臣涛.基于ADAMS的整车操纵稳定性与平顺性仿真分析［D］.合肥：合肥工业大学，2010：9-20.

［3］宋传学，蔡章林.基于ADAMS/CAR的双横臂独立悬架建模与仿真［J］.吉林大学学报，2004，34（4）：554-558.

［4］倪俊，徐彬.基于ADAMS的FSAE赛车建模与操纵稳定性仿真［J］.工程设计学报，2011，18（5）：354-358.

［5］彭文中.基于ADAMS的汽车操控稳定性仿真及优化［D］.湖南：湖南大学，2010.

［6］李颖.Simulink动态系统建模与仿真［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2009：216-221.

［7］靳晓雄，张立军，江浩.汽车振动分析［M］.上海：同济大学出版社，2017：90-275.

［8］郑泉，陈黎卿，王继先，等.基于ADAMS/Car和Simulink的主动悬架遗传模糊控制［J］.农业机械学报，2009，40（5）：7-11.

U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.005

2095－6835（2020）13－0011－05

郑英龙（1999—），男，湖北武汉人，在读本科生，主要研究方向为汽车轻量化、运动学仿真。汪博文（1998—），男，湖北京山人，在读本科生，主要研究方向为车运动学仿真。

〔编辑：张思楠〕