FSAE不等长双横臂式悬架与转向系统的优化-中国期刊网

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（整期优先）网络出版时间：2024-01-20

作者: 朱万祥周天俊吴和埕储杰成李聪

建筑科学 >建筑技术科学

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FSAE不等长双横臂式悬架与转向系统的优化

朱万祥周天俊吴和埕储杰成李聪

上海工程技术大学上海 201620

摘要：通过adams仿真分析各类悬架优劣，完善悬架结构，使其拥有更好的性能。通过优化悬架参数，减少由不平路面传给车架或车身的冲击力引起的震动，保证车辆的平顺性和稳定性。同时使用载荷提取，将提取到的载荷加之于CAE仿真中，用ansys进行拓扑优化，在保证整车安全性能的情况下，能降低整车质量，以达到轻量化。

关键词：adams仿真：载荷提取；拓扑优化

一，绪论

1.1研究目的

悬架与转向系统是一辆车不可缺少的一部分，设计的最初目的是为了保证车辆具有良好的操纵稳定性以平顺性，考虑到赛事规则，为具有可靠性，调整便捷性，结构合理性以及轻量化等方面，通过CAE仿真来模拟运动，优化模型以获得相较车辆最优良的参数数据。

1.2研究方法及主要研究内容

采取了Adams car和Ansys的联合仿真，首先通过Adams先建立模型和相应的运动副，通过静态分析、平行轮跳等一系列的运动仿真，作出一系列数据以及仿真图，并通过调节硬点位置悬臂长度和倾角等来使曲线达到相对预期数值。同时，采用Adams car中的载荷提取功能，对悬架各关键连接部位进行力的提取，然后通过Ansys的静态力学分析对零件的危险工况进行受力分析，在保证强度的同时也兼具轻量化。

二，悬架参数计算及模型

2.1数据计算

根据方程式赛车的初步悬架参数，首先需要定下偏频侧倾梯度等数据。后考虑到悬架的整体布置，需考虑到轮距轴距等。悬架的刚度会较大的影响车辆的操作稳定性，同时良好的悬架性能能提高弯道灵活性。

根据空气动力学的仿真得出本赛车在v=16.67m/s的速度下会产生800N的下压力，将侧倾角控制在±1.2°，整车俯仰角控制在±0.75°，分别对应1.8g转向和1.15g制动的情况，对应侧倾0.6deg/g，线刚度0.65deg/g。

2.2，初步硬点确定

在推拉杆的选取上，我们采用前悬拉杆后悬推杆，理由是在为符合车身的空气动力学，拉杆可位于车底，便于整体结构，而后悬为拥有足够的性能且对整体影响不像前悬一样大，通过分析后，推杆更能达到完美预期。所以在仿真建模上，采用前拉杆后推杆的结构。

三，ADAMS Car平台的建立

根据本次测试的目的从而对悬架结构进行合理的简化。由于悬架运动学分析的主要目的是找出四轮定位参数、车轮上下跳动量的关系以及优化摇臂结构。[1]故在处理悬架模型时考虑了各个点位的受力，以及弹簧阻尼的合理性，通过数学计算和仿真双结合的方式，来优化最终结果。不等长双横臂悬架的主要组成部分为：上横臂、下横臂、立柱、转向器和摇臂等，在此通过先输入硬点，在建立各运动部件，对悬架进行初步建模。

在刚性约束模型的基础上，考虑橡胶支撑元件的弹性，用弹性约束代替刚性约束，就得到了弹性约束刚体运动学模型，衬套是 ADAMS/Car 中的一种元件，它定义了两个相对运动的部件之间六个自由度的力的关系，所以在上摆臂下摆臂与车身连接处采用衬套元件用在该部位，能通过给定配置文件，以做到非线性的复杂关系曲线的力输出。[2]

最终建立完整运动结构进行悬架跳动仿真时，将悬架模型置于 ADAMS Car提供的悬架实验台上。

四，ADAMS Car仿真实验结果

将悬架模型置于仿真试验平台后，并对其进行悬架运动学和弹性运动学仿真计算了。通过实验平台的曲线输出，并对运动特性进行分析。

侧倾中心高度越高，能够提高传力杆系传递力，从而提升操控稳定性，但过高的侧倾中心高度会加快轮胎的磨损，同时当车辆做转向时，大的轮荷转移将使轮胎侧偏角增大，前悬架侧倾中心高度越大，将增大车辆的转向不足，后悬架侧倾中心增大，将增大转向过度。所以在侧倾高度上采用，前38.538mm后48.297mm。

前轮束脚与轮跳的关系对比图

通过前轮束角的优化，车辆俯仰时束角的变化尽可能小且保持正值，使车辆在加速与制动过程中有良好的稳定性和寻迹性，方程式的前轮前束角一般是负值，呈现的是外八字。因为车轮内倾时的滚动类似于滚锥，会有向内滚动的趋势，增加负的前束值可以减小轮胎的边滚边滑，所以前束角的设计原则是在车轮跳动时，其变化量越小越好。在这里，我们测试了在车轮的上跳下弹时，该车轮前束角变化约为 0.3°。

前悬架主销后倾角与轮跳的关系对比图

通过前悬主销后倾角的优化，车辆俯仰时后倾角的变化尽可能小，与气动拖距、机械拖距和轮胎半径结合，使传到方向盘上的转矩保持线性，车手能更好地感知车辆转向时的状态。主销后倾角越大，这个回正力矩也会越大，会带来转向盘非常沉重。主销后倾角会在车轮转向的时候对整车产生抬升作用，还会让车轮转向的时候的外侧车轮的负内倾增加，内侧车轮的外倾角增大。所以在设计时控制主销后倾角随着轮跳产生的变化过大，产生不良影响，所以将其控制为正的外倾角且变化范围尽可能小，约为2.5°-3.6°之间，效果较为优异。

五，ADAMS Car载荷提取和ansys拓扑优化

现在ADAMS Car建立标记系统，提取需要测量位置上的力，后建立通讯器，将其连接至仿真试验平台中，对其进行受力仿真，由于本车重量200kg，通过数据采集及分析，在制动工况下，会带来1.3g的制动加速度，并在轮胎上产生1800N左右的力，为保证悬架的稳定性和安全性，取相对安全的初始条件，由此在仿真时，输入力调整为2000N，最终摇臂的受力结果如下图：

拉杆对摇臂受力

为了保证悬架的强度及其安全，我们经过了多组数据对比，最终决定采用7075-T6的铝合金材质，其特性有强度高，结构紧密，且具有较强的耐腐蚀性，适用于机械领域及航空领域。

为满足赛规条件，需考虑安装点位置，并且考虑到加工的材料利用率，我们希望截面利用充分，材料利用率高，且具有轻量化的特点，在此基础上进行优化。

在ansys中，将ADAMS Car中得到的力赋予到初始零件上，通过增加边界条件，进行优化计算控制，去除60%的体积，最终结果如下，与为优化的零件相比在保证强度的前提下，大幅减小了零件的重量，做到了轻量化，且结构合理，符合预期要求。

六，转向优化

6.1转向器选择

由于FSAE大赛组委会赛规中规定不允许使用线控或电动转向，考虑到在FSAE赛车中转向系统布置空间狭小，且有严格的成本限制，以及轻量化的赛车设计要求，所以将转向器范围选定机械式转向器。根据转向器采用的传动副的区别，常见的机械式转向器类型有以下几种[3]；

（1）齿轮齿条式转向器

优点：结构简单，体积小，易于设计制作；转向器可选材料多样，壳体可选铝合金，质量轻；传动效率高；容易实现调隙；转向角度大，制造成本低。

缺点：传动副采用齿轮齿条，正效率非常高的同时，逆效率也非常高：转向力矩大，驾驶员操纵费力，对方向盘的反冲容易造成驾驶员精神紧张，过度疲劳。

（2）循环球式转向器

优点：循环球循环流动，滑动摩擦转化为滚动摩擦，大大减小摩擦系数，传动效率比较高；

缺点：逆效率较高，在颠簸路面行驶时，路感反馈强烈，容易打手；原理和结构复杂，制造困难，对于制造精度要求非常高，否则容易造成转向器过度磨损，减少使用寿命。

（3）蜗杆滚轮式转向器

优点：结构和原理简单，制造容易；由于蜗杆滚轮传动副中齿面和螺纹为面接触，压力较小，磨损小，强度大，工作可靠，寿命长，逆效率较低，来自轮胎和地面的冲击不会传递到方向盘。

缺点：逆效率低的同时，正效率也低，转向灵敏度下降；调隙机构不容易实现，一旦传动副的工作平面出现磨损，间隙变大，很难通过调隙机构改善；受传动原理限制，无法实现可变传动比。

（4）蜗杆指销式

优点：固定销式蜗杆指销转向器结构简单，容易生产；选择销式转向器磨损小，效率高，寿命长；调隙结构容易实现，当蜗杆以及指销之间的工作平面受到磨损后，容易调节；容易实现可变传动比。

缺点：固定销式蜗杆指销传感器由于指销固定，工作部位保持不变，所以磨损较快，寿命短，效率低；双销式和旋转销式蜗杆指销转向器结构复杂，对于安装、制造精度要求较高，蜗杆螺纹槽的形状和尺寸精度较难实现，可变传动比的变化范围和调隙机构受到限制。

所以根据赛车设计要求和比赛规则，我们选用齿轮齿条式转向器。因为该类型转向器最大的优点就是结构和原理简单，容易加工，体积小，质量轻，成本低，可以直接带动转向横拉杆，比较容易做到较大的转角。至于其缺点，在我们的车手经过专业的训练后，他们在赛车上并不会出现体力不足或过度疲劳的情况。而其他类型的转向器结构复杂，设计和加工难度高，成本控制困难，不适合作为我们赛车的转向器

6.2转向梯形设计与优化

根据赛场路况与赛车整体参数，确定最小转弯半径为3m。因为外轮转角对于最小转弯半径影响最大，所以根据整车参数，带入公式可得最大外轮转角。计算可得最大外轮转角为29.8°。所以我们选用30°作为赛车转弯时外轮最大转角。

根据公式使用matlab建立数学模型，对阿克曼角进行优化迭代，最后选出合适的正阿克曼系数。