赛车悬架系统设计
ADAMS /CAR模块介绍
ADAMS软件是以多体动力学为理论基础的虚拟样机分析软件，是由美国 MSC. Software公司针对机械系统动力学和运动学而开发。随着Adams软件的日益完善，该软件被各行各业的制造商所使用，占据了动力学仿真软件市场超过半数的份额。它具有Adams/Car、Adams/Chassis、Adams/Driver line、Adams/Solver Adams/View、Adams/Post Processing等基本模块，其中Adams/Car是轿车专用分析软件包，用户可以通过其创建汽车模型，并对模型进行仿真分析，可以得到汽车各项性能的基本参数。
Adams/Car软件具有两个不同的建模模式，标准模式（Standard Interface）和模板建模器模式(Template Builder)。在标准模式下，我们可以利用其中已有模板，修改其中参数来获得自己所需要的模型；在模板建模器模式中，我们可以根据自身需要来创建不同的子系统，形成自己的数据库。正常情况下通过ＡAdams/Car建模时，首先需要根据物理模型参数创建模板文件，然后由模板文件生成子系统文件，最后由子系统文件组装成装配文件。因此，模板的创建是建模的第一步。Adams/Car包含了四种文件，分别是属性文件、模板、子系统、装配组件。四种文件的关系如所示：
Adams 是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析错误!未找到引用源。。 Adams/Car建模流程简介
建立系统模型，又称系统模型化。建模过程实则就是将实物创建成数学模型的过程，在Adams/Car中创建整车模型时可以分为以下几步：
１）物理模型简化：汽车悬架系统是比较复杂的结构，不能按照实物来进行创建，因此需要对它进行简化。将悬架模型中除了弹性元件以外看做刚体，将没有相对位移的部件视为一个整体。
２）确定“Hard point”（硬点）：硬点就是悬架模型中各点的空间坐标，它
是是每个部件相连的点，它们构成了整个悬架系统的设计骨架。（加）
３）确定部件的动力学参数：通过理论计算或试验测量得到模板中每个部件的质量、质心坐标以及绕质心坐标轴的转动惯量。
４）创建部件的“Geometry”（几何体）：由于部件的动力学参数己经确定，它的外形对其动力学特性不起任何作用，但是为了使创建的模板更具有直观性，可以基于部件的硬点坐标和实际构造建立对应的几何体。
５）定义“Constraint”（约束）：约束就是各个部件之间的运动副，定义约束就是按照部件之间的运动关系添加相应的运动副。（加图）
６）定义“Mount”（组装）：在创建好每个子系统后，为了实现它们之的装配，需要在其连接处定义组装命令。
７）定义模板的“Parameters variable”（参数变量）：在创建模板时，对于后期需要经常更改的设计变量可以通过参数变量的形式进行定义，以便在标准模式下对其进行调整。
８）定义“Communicator”（测试通讯器）：通讯器负责各个子系统之间（子系统与试验台之间）的通讯连接，故创建的通讯器的类型、名称、对称性等信息必须保证准确无误。 赛车悬架系统建模
ADAMS/car 软件的悬架建模流程：
（1）简化物理模型。本文主要研究悬架的是长双横臂悬架，因此我们要对模型进行简化，在简化时我们将悬架的各个部件视为刚性体。同样车轮也视为刚性体，使悬架在运动时，悬架和车轮不会产生形变。同时不考虑悬架部件之间的缝隙和摩擦；悬架的减震器阻尼特性简化为线型特性。如错误!未找到引用源。所示。
（2）硬点的确定。在 ADAMS/Car 中建立模型时首先要建立模型的硬点，硬 点是模型建立的最基础的元素，建立硬点时设定硬点相对于全局坐标系的坐标，建立后的硬点都有各自的名称和标记点。悬架要建立的硬点如图 3.1 所示。
（3）确定部件的动力学参数。建立具有质量属性、确定方向、空间位置的一般部件。
（4）创建部件的几何体。本文研究的前悬架系统模型由上横臂、下横臂、立柱、拉杆、摇臂、转向横拉杆、减振器及弹簧等组成。由硬点坐标建立部件的几何模型，并对部件质量加以确定。建立的部件模型如图 3.2 所示。
（5）定义约束。立柱上下端的耳片与上下横臂两端的关节轴承通过球头销相连。故上下横臂与立柱的连接是通过轴承连接的，属于球铰连接；立柱后面上、 下两个一体式耳片与卡钳固定，所以立柱和卡钳属于螺栓连接；立柱转向耳片通 过轴销与转向拉杆连接，属于铰接；立柱中心孔与轮毂配合，轮毂与立柱大孔的内圈及车轮相连，属于轴承联接。
（6）定义模板的参数变量。在创建好几何体后，按照两点定线的原理，使用几何法定义主销轴线，同时设置车轮的前束角以及外倾角的参数值。
（7）定义、测试通讯器。在轮毂、立柱及轮心上建立三个输出通讯器，为了核对通讯器的正确性，可以对其进行测试。对一些不匹配的通讯器进行修改，最终确保悬架的子系统之间或子系统与试验台架正确连接。 最后，在标准模式中创建悬架子系统，然后对前悬架的进行总装配。
本章总结
本章对 ADAMS/Car 模块进行了概述，并介绍了 ADAMS/Car 的建模流 程。依据建模步骤首先对前、后不等长双横臂悬架的结构进行了分析和简化, 确定了各部件之间的连接形式。利用前面建立的赛车悬架的三维模型获得硬 点坐标，根据硬点坐标创建前后悬架的模板，确定了相应的参数特性，然后 创建了悬架各部件几何体，并定义约束和模板的参数变量后，定义与测试通 讯器，最后创建了悬架总装配虚拟系统。建立的模型为下一步执行仿真分析 作了准备。
赛车前悬架系统仿真分析
根据上—章所创建的前悬架系统，在Adams／Car标准模式下进行组装，然后利用通讯器与悬架试验台通讯连接，建立前悬架系统模型。
前轮定位参数仿真分析
赛车在行驶过程中，轮胎会受到不平路面的冲击，同时车身会产生侧倾或纵倾，这些都会使车轮上下跳动。因此双轮的跳动仿真产生悬架参数的变化可以作为分析悬架性能的重要参考。同时考虑到前后悬架的相似性，所以本文只对前悬架采用双轮平行跳动仿真进行分析。
赛车在行驶时，由于地面的不平会引起车轮在整直方向上的跳动，所以为了模拟车轮在竖直方向上跳动时悬架的运动特性，对前悬架系统执行双轮同向激振仿真试验。由子将整个前悬架系统近似看作多刚体系统，在对前悬架系统进行仿真前，应先将运动模式切换为运动学模式，设置好前悬架系统参数。
在仿真模型创建好之后，定义弹簧刚度，然后执行车轮同向激振仿真，即对车轮施加设定数值的上跳和回弹运动来得到悬架的特征参数。本次仿真设置车轮的上下跳动行程为±100 mm。如错误!未找到引用源。所示。分析悬架平行跳动过程中车轮、主销、转向系统的变化，悬架导向系、转向杆系与车身之间的相互影响，从而预估评价前悬架系统的性能。最后通过 ADAMS/Insight 模块对前悬架变化较大的参数进行优化。 外倾角
在进行悬架几何的设计中，应该使车轮外倾角在车轮向上跳动时减小，这样 在转弯过程中车身倾斜时，外侧车轮能垂直于路面，由此能确保赛车轮胎的行驶 性能。反之若车轮外倾角在车轮上跳时减小较多，赛车行驶时负外倾角过大，容易引起轮胎磨损。综合分析，赛车车轮平行上下跳动±100mm 过程中，外倾角大小的变化在-1°左右，就不会出现较大的不足转向或过多转向。
由错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。可知，在车轮向下跳动100mm的行程中外倾角由-1.5°变到-1.732°；在悬架属于静止平衡状态时，外倾角为-1.5°，和建模时输入的数据相等；在车轮向上跳动30mm的行程中外倾角由-1.5°变为-1.8305°。在车轮由-100mm到100mm跳动的整个行程中，车轮外倾角总变动量为0.3332°
，变化幅度比较小，但是外倾角变化幅度过大会
导致轮胎磨损且不利于赛车的操纵稳定性，所以还需要进一步优化。
主销内倾角
主销内倾角的作用是使前轮产生回正趋势，有助于赛车维持直线行驶性能； 同时可以使转向轻便，减小路面传导到车手的冲击力。但是主销内倾角过大，转 向时会增大轮胎与路面间的摩擦力，这样转向时就需要增加方向盘上的作用力， 会加剧轮胎磨损。因此在设计时要求，主销内倾角随轮胎跳动的变化量不宜过大。
由错误!未找到引用源。可知，在静止平衡状态下，内倾角为7°，与设计值相符。在车轮向下跳动的100mm行程中内倾角由7°变为7.40°，变动量为0.40°
；在车轮向上跳动100mm的行程中由7°变为7.36°，变动量为0.36°，
即在车轮由－３０ｍｍ到３０ｍｍ跳动的整个行程中，车轮外倾角总变动量为0.736°，变化幅度比较大，不利于赛车的操纵稳定性，需要进一步优化。
由错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。可知，主销内倾角随车轮跳动变化幅度为0.3623 ，需要进行的优化。 主销后倾角
主销后倾角的作用是前轮产生回正倾向。通常前轮的回正力矩随主销后倾角增大而增大，有助于赛车维持直线行驶性能；但是回正力矩过大，引起转向沉重，不利于操控。若主销后倾角随前轮跳动而产生很大的波动，会造成转向冲击、侧风时跑偏和降低直行稳定性等问题。 前束角
前束角在车轮上下跳动时减小或增大，都会在转弯时取得的不足转向。但是 前束角在车轮跳动时变化幅度过大，会使轮胎侧偏产生滑动摩擦，加剧轮胎磨损，直线行驶稳定性差。 前悬架侧倾特性 侧倾中心高度
侧倾中心是悬架导向机构的一个重要参数，侧倾中心高度主导着车身侧倾角
及车轮载荷转移。当转向时车身发生侧倾后，造成悬架变形，使导向机构发生变 化，侧倾中心位置也同时变化。
对赛车来讲，若侧倾中心位于地面上，则赛车转弯时，悬架压缩引起外侧车轮的倾角增益，使其接地性降低。若侧倾中心在地面之下，转弯时轮胎侧向力对侧倾中心的力矩会造成悬架相对于底盘上升。因此，一般赛车设计的侧倾中心比较靠近地面，这样可以使举升力与倾覆力矩相对变化是线性的，减少由侧向力造成的悬架垂直运动，由此获得良好的操纵稳定性。
车轮平行上下跳动过程中，侧倾中心高度在静态时为，满足设计要求。但是其变化量较大，需要进行优化。 悬架线刚度
悬架线刚度是既影响操纵稳定性又影响平顺性的重要参数, 由错误!未找到引用源。可以得到，在静平衡位置时悬架线刚度为 N/mm，在车轮下跳100mm 过程中，悬架线刚度最大值 N/mm，增加了N/mm。总体上看，悬架线刚度变化不大。
悬架侧倾角刚度
在赛车悬架设计中应使悬架具有较大的侧倾角刚度。反之，若悬架侧倾角刚度过大，会造成车手的路感变差，很难精确操纵赛车，同时会使车轮侧偏角变大。因此，悬架侧倾角刚度在车辆行驶中应保持稳定性。
由错误!未找到引用源。可以看出，悬架侧倾角刚度的变化趋势与悬架线刚度基本一致。在静平衡位置时悬架侧倾角刚度为 N /mm程中，悬架侧倾角刚度最大值N/mm本满足设计要求。 悬架侧倾外倾系数
前悬架侧倾外倾系数在 1g 侧向加速度下为正，1g 侧向加速度以上为负，既首先增加车辆的不足转向，然后过渡到减小车辆的不足转向。由错误!未找到引用源。可以看出，悬架侧倾外倾系数变化范围是 0.～0.，都为不足转向特性，
，在车轮下跳 30mm 过
。总体上看，悬架侧倾角刚度变化较小基
满足设计要求。 前轮轮距变化量
车辆在起伏路面行驶时发生轮跳，轮距随之变动，轮胎发生侧滑，造成侧向 滑动摩擦力，行驶阻力增加，加剧轮胎的磨损，影响车辆的操控性能，所以设计 时应尽量减少轮距的变化。因此，通常对单侧轮距的变化范围要求不超过 10mm，同时要求车轮上跳时轮距增大，反之则减小。由错误!未找到引用源。得到，前轮的轮距变化范围为 mm，满足要求，变化趋势也符合设计要求。 悬架制动抗点头率
赛车在行驶中刹车时，赛车重心的惯性力和轮胎与地面之间的摩擦力增大， 导致前悬架弹性元件被压缩。制动抗点头率反映在上述条件下悬架的变形量。这 一性能直接影响车辆行驶的稳定性和乘客的舒适性。在车辆制动过程中上述参数变化应在合理范围内。下错误!未找到引用源。可以说明制动抗点头率的变化比较小，变化范围符合设计要求。 本章小结
本章利用上一章建立的悬架模型进行仿真，分析了前悬架车轮定位参数、前悬架侧倾特性、悬架轮距变化量以及悬架制动抗点头率随车轮跳动而变化的曲线图。
赛车前悬架系统仿真分析与优化
悬架系统的运动特性在很大程度上决定了赛车的操纵稳定性，一个具有优秀运动特性悬架系统的赛车才会具有良好的操纵稳定性，通过对悬架运动特性的分析与优化，可判断、优化和提升赛车的操纵稳定性。赛车车轮在上下跳动的行程中，车轮定位参数、轮距等参数与悬架导向机构的几何位置有很大关系。为了提高悬架的运动性能，应使车轮定位参数、轮距等参数的变化幅度控制在合适的范围内。根据上节悬架系统仿真分析可知，车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角、悬架侧倾中心高度的变化范围比较大，需要进行优化设计。
Adams/Insight 模块的介绍
Adams/Insight 同样也是 Adams 软件的一个子模块，拥有强大的实验设计功能。此模块是单独的模块，可以单独使用，也可以用于 Adams 软件的其他模块的后处理分析。利用 Adams/Insight 模块进行试验分析过程包括五大步骤： 1) 定义试验的目标函数；
2) 选择影响目标函数的设计变量，并且选择测试的路径； 3) 确定设计变量的变化范围，创建设计矩阵； 4) 运行每一次实验，把每一次实验数据记录下来；
5) 通过每一次试验的数据变化进行分析，并且确定最主要的影响因素。 因素
（设计变量）的数量、水平、特性等决定了试验设计的好坏，通过合适的试验设计方法和试验设计技术可以确定设计变量的哪种组合方式对设计目标的影响最大；产生一个多项式即综合目标表达式（式 3-7），用来优化样机的性能。
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式中为需要优化的目标（ j 为整数： j =1,2,3……m）； Y 为设计变量；
n 优化设计时所追求的目标的数目； i 计算的方程数目。
其中前（后）悬架的关键点坐标、减震器的性能参数、弹簧的刚度等可以作为设计变量，即可以作为设计量；悬架的车轮定位参数（如主销后倾角、车轮外倾角等）和悬架的参数（如刚度、侧倾中心等）可以作为优化设计的目标；在 Adams/Insight 中每一组输入设计变量对应着一组输出结果，Adams/Insight会自动计算出设计变量对优化目标的影响程度系数。
赛车前悬架的优化
根据上述分析可以看出，车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角、悬架侧倾中心高度的变化幅度比较大，所以选择这４个参数为设计目标参数，通过优化使４个设计目标参数的变化幅度控制在合适的范围内。但是为了全面控制设计目标，防止在优化过程中设计变量的变动导致轮距与前束角的变化幅度增大，优化时把车轮前束角与轮距也作为设计巨标参数，所以总共选取的设计目标参数为６个。在Adams/Insight软件中创建相应的设计目标参数，如
２）选择设计变量并设定其变化范围考虑到轮辋的空间限制，以及转向立柱的加上难度，悬架控制臂的外硬点坐标不宜变动，设计变量选择上下控制臂及转向横拉杆内硬点的Ｙ、Ｚ坐标。由于其他部件的定位以及整车的布置，硬点坐标不能变化太大，变化范围选择±10mm。设计变，量及其变（张） 本章小结
本拿对前悬架乎系统执行双轮同向激振仿真试验，根据试验结果：对悬架的运动学特性参数做了详细的分析，得出悬架的某些运动学参数存在不足之处。运用模块对悬架的不足之处进行多目标优化设计，对优化前后悬架的运动学特性进行了对比分析，结果证明了悬架运动学特性得到了进步的提高》达到了优化的貝的。 总结与展望 总结
本文首先描述了现阶段人们对汽车产品的质量要求越来越高，介绍了汽车操纵稳定性对整车质量的影响，以及悬架设计在汽车操纵稳定性扮演的重要作用。
化范围如表４－１所示。
基于Adams虚拟样机软件，利用Adams/car模块创建悬架仿真模型，对其进行仿真分析，根据分析结果利用Adams/Insight模块对悬架硬点进行优化。
论文的主要工作成果如下：
１）根据巴哈赛事规程选定悬架参数，建立悬架模型。
２）对建立好的悬架仿真模型进行车轮同向激振仿真，进入Adams/PostProcessor模块获取前悬架车轮定位参数、前悬架侧倾特性、前轮轮距和悬架制动抗点头率的随车轮跳动的变化曲线，并对其进行客观的量化分析。
３）根据悬架参数的分析结果，以不合理的参数作为优化目标，运用Adams/Insight模块对相关设计变量进行灵敏度分析，并对此进行多目标优化设计，改善了前悬架系统性能。 6.2展望
汽车操纵稳定性是一项极其繁杂的综合性能，它的影响因素有很多，本文只是在某一方面进行了分析，还有很多的不够完善的地方，以后还可以考虑从以下几点做进一步的採讨：
１）本文赛车模型是在多刚体动力学理论基础上建立的，但是赛车是一个刚性体和柔性体相结合的复杂机构，在以后的研究中，可将柔性体的因素考虑进来，从而使赛车模型更加精确。
２）本文只是简单的从悬架导向机构方面对其运动特性进行了研究和优化设计以提高赛车的操纵稳定性，但是它还与弹簧刚度、减震器阻尼、轮胎、转向、传动以及电子控制等系统紧密相连，今后可以从以上几个方面对操纵稳定性进行综合研究。
３）由于赛车是在高速工况下运行的，空气阻力对赛车也会产生很大的影响，本文中整车仿真试验没有考虑空气阻力，以后加入空气阻力将会使仿真试验更加精确，更加贴近实际。
４）本文对赛车操纵稳定性的探究和评价主要是通过开环系统测试方法和客
关评价法，以后可以通过构建驾驶员模型来创建＂驾驶员一汽车一外部环境〃的闭环系统，通过闭环系统测试方法以及主观评价法进行探讨
赛车悬架系统设计
