基于ADAMSCAR的FSC賽車懸架仿真與分析

1、基于ADAMS/CAR的FSC賽車懸架仿真與分析    本文運(yùn)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，采用ADAMS/CAR建立FSC賽車前后懸架的動(dòng)力學(xué)仿真模型，然后調(diào)用其他子系統(tǒng)與前后懸架仿真模型共同組裝成虛擬樣車即整車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，以車輪定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)量的變化情況反映懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，并提出車輪定位參數(shù)的改進(jìn)意見，為今后FSC賽車懸架仿真模型的建立積累了經(jīng)驗(yàn)，并為整車模型的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。 一、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本理論 多體系統(tǒng)是指由多個(gè)物體通過運(yùn)動(dòng)副連接的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。任何一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和計(jì)算時(shí)，首要的任

2、務(wù)就是將這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，建立一個(gè)由多個(gè)剛體（或剛?cè)狍w）組成的系統(tǒng)替代模型。大部分常規(guī)的機(jī)械系統(tǒng)都可以描述成剛體和柔性多體系統(tǒng)模型。目前在機(jī)械領(lǐng)域所采用的建模方法主要是20世紀(jì)80年代Chace和Haug提出的笛卡爾方法，而Garcia和Bayo于1994在笛卡爾方法的基礎(chǔ)上又提出了完全笛卡爾方法。目前國(guó)際上最著名的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)分析商業(yè)軟件ADAMS和DADS都是采用笛卡爾方法建模。 機(jī)械領(lǐng)域形成的笛卡爾方法是一種絕對(duì)坐標(biāo)方法，以系統(tǒng)中每一個(gè)物體為單元，建立固結(jié)在剛體上的坐標(biāo)系，剛體的位置相對(duì)于一個(gè)公共參考基進(jìn)行定義，其位置坐標(biāo)（也可稱為廣義坐標(biāo)）統(tǒng)一為剛體坐標(biāo)系基點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)

3、與坐標(biāo)系的方位坐標(biāo)，方位坐標(biāo)可以選用歐拉角或歐拉參數(shù)。單個(gè)物體位置坐標(biāo)在二維系統(tǒng)中為3個(gè)，三維系統(tǒng)中為6個(gè)（如果采用歐拉參數(shù)為7個(gè)）。對(duì)于由N個(gè)剛體組成的系統(tǒng)，位置坐標(biāo)陣q中的坐標(biāo)個(gè)數(shù)為3N（二維）或6N（或7N）（三維），由于鉸約束的存在，這些位置坐標(biāo)不獨(dú)立。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的一般形式可表示為 式中中為位置坐標(biāo)陣q的約束方程，q為約束方程的雅可比矩陣，為拉格朗日乘子。這類數(shù)學(xué)模型就是微分一代數(shù)方程組，也稱為歐拉一拉格朗日方程組，其方程個(gè)數(shù)較多，但系數(shù)矩陣呈稀疏狀，適宜于計(jì)算機(jī)自動(dòng)建立統(tǒng)一的模型進(jìn)行處理。笛卡爾方法對(duì)于多剛體系統(tǒng)的處理不區(qū)分開環(huán)與閉環(huán)（即樹系統(tǒng)與非樹系統(tǒng)），統(tǒng)一處理。&

4、#160;完全笛卡爾坐標(biāo)方法，是另一種形式的絕對(duì)坐標(biāo)方法。這種方法的特點(diǎn)是避免使用一般笛卡爾方法中的歐拉角或歐拉參數(shù)，而是利用與剛體固結(jié)的若干參考點(diǎn)和參考矢量的笛卡爾坐標(biāo)描述剛體的空間位置與姿態(tài)。參考點(diǎn)選擇在鉸的中心，參考矢量沿鉸的轉(zhuǎn)軸或滑移軸，通?？捎啥鄠€(gè)剛體共享而使未知變量減少。完全笛卡爾坐標(biāo)所形成的動(dòng)力學(xué)方程與一般笛卡爾方法本質(zhì)相同，只是其雅可比矩陣為坐標(biāo)線性函數(shù)，便于計(jì)算。 二、懸架初始平面設(shè)計(jì) 懸架可分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩類。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是左、右車輪用一根整體軸連接，再經(jīng)過懸架與車架連接，獨(dú)立懸架則是左、右車輪通過各自的懸架與車架連接。相對(duì)于非獨(dú)立懸架

5、，獨(dú)立懸架的簧下質(zhì)量小、占用空間小、彈性元件只承受垂直力可以用剛度小的彈簧，可以很好地改善汽車行駛平順性；左、右車輪互不影響，可減少車身的傾斜和振動(dòng)。獨(dú)立懸架又分為不等長(zhǎng)雙橫臂式、單橫臂式、雙縱臂式、單縱臂式、單斜臂式、麥弗遜式等幾種。由于不等長(zhǎng)雙橫臂懸架設(shè)計(jì)靈活，可以通過合理選擇空間導(dǎo)向桿系的交接點(diǎn)位置以及導(dǎo)向臂長(zhǎng)度，進(jìn)而獲得合適的懸架運(yùn)動(dòng)特性。為滿足設(shè)計(jì)的要求，F(xiàn)SC賽車宜選擇不等長(zhǎng)雙橫臂懸架。 懸架導(dǎo)向桿系的設(shè)計(jì)是在滿足輪距要求下，先計(jì)算出各桿的長(zhǎng)度和各桿之間的相互空間關(guān)系，即每個(gè)桿的空間角度。懸架導(dǎo)向桿的末端采用螺紋連接可以實(shí)現(xiàn)位置可調(diào)，保證導(dǎo)向桿能適應(yīng)不同的安裝要求。在結(jié)構(gòu)

6、上要保證設(shè)計(jì)出的懸架系能滿足車輛行駛過程中的各種工況。采用Autocad的設(shè)計(jì)懸架平面示意圖，設(shè)計(jì)過程中要確保其符合規(guī)則要求。規(guī)則要求懸架在坐有車手的情況下能夠分別抬起和壓下25.4mm，以及任何時(shí)候在全車底部至少25.4mm的靜態(tài)離地間隙。如果賽車沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽壹苓\(yùn)行表現(xiàn)，或不能表現(xiàn)出適合比賽的操控能力，考官保留有取消賽車參賽資格的權(quán)利。 三、懸架仿真模型建立 本賽車前懸架為雙橫臂式獨(dú)立懸架、彈性元件為螺旋彈簧。前懸架運(yùn)動(dòng)仿真模型由上下橫臂、螺旋彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器和凸塊等組成。在UG中測(cè)出各部件的質(zhì)量特性信息。球鉸將上下橫臂與車架連接起來，上下橫臂與轉(zhuǎn)向節(jié)也由球鉸相連，減

7、震器下端與車架相連，上端用彈性襯套與凸塊相連。如圖3所示為前懸架的實(shí)體圖。整個(gè)前懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，左右31個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，4個(gè)萬向節(jié)副，18個(gè)有質(zhì)量的物體，10個(gè)球副，2個(gè)圓柱副，10個(gè)旋轉(zhuǎn)副，1個(gè)平面副。如圖1所示為建立的前懸架仿真模型圖。 該賽車后懸架模型與前懸架基本相同，也為雙橫臂式獨(dú)立懸架、彈性元件為螺旋彈簧。區(qū)別在于兩點(diǎn)，一是后懸架減震器的下端通過彈性襯套與凸塊相連，上端與車架相連，二是在后懸架上添加了驅(qū)動(dòng)半軸，如圖5所示為后懸架實(shí)體圖。后懸架系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)也是左右對(duì)稱的，有22個(gè)有質(zhì)量的物體，左右總共33個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，1個(gè)平面副，2個(gè)圓柱副，2個(gè)移動(dòng)副，4個(gè)恒速度副，6個(gè)萬向節(jié)

8、副，8個(gè)旋轉(zhuǎn)副，10個(gè)球副。如圖2所示為建立的后懸架仿真模型圖。 需要注意的是，在建立模型時(shí)忽略各運(yùn)動(dòng)副間的摩擦力和內(nèi)部間隙，運(yùn)動(dòng)副均當(dāng)作剛性連接。由于其它的子系統(tǒng)都是已經(jīng)建好的模型，可以直接進(jìn)行調(diào)用，本文只對(duì)前后懸架建立模型，在前后懸架模型建立好后，與其它子系統(tǒng)一起組裝形成虛擬樣機(jī)，然后與試驗(yàn)臺(tái)連接，經(jīng)調(diào)試運(yùn)行后，就可開始整車仿真試驗(yàn)。整車模型共69個(gè)物體，子系統(tǒng)連接后有些約束重合，最后整車共16個(gè)球副、23個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、5個(gè)圓柱副、3個(gè)移動(dòng)副、13個(gè)萬向節(jié)副、17個(gè)固定副、1個(gè)平面副、4個(gè)恒速度副。根據(jù)自由度計(jì)算公式，得出恒速度副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、球副、固定副、萬向節(jié)副、移動(dòng)副、平面副分別限制的自由度數(shù)為5、3、5、6、4、4、4、3。 四、結(jié)論 （1）本文充分按照FSC賽車懸架的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)情況，采用ADAMS/CAR建立賽車前后懸架的仿真模型并與其他子系統(tǒng)一起裝配形成整車仿真模型，所建立的仿真模型是切實(shí)可行的，可以為FSC賽車的CAD設(shè)計(jì)提供重要的參考價(jià)值。 （2）本文以車輪定位參數(shù)作為懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用ADAMS/CAR分析車輪定位參數(shù)隨車輪跳動(dòng)量的變化關(guān)系，一方面反映所建立賽車懸架仿真模型的性能，另一方面指明車輪定位參數(shù)的調(diào)整方向，從而提高懸架的相關(guān)