面向fsae賽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化 (1)

1、收稿日期： ２ ０ １ １ － ０ ８ － ２ ６作者簡(jiǎn)介：徐彬（ １ ９ ８ ２ —） ， 男， 博士生， Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｂ ｉ ｔ ｘ ｕ ｂ ｉ ｎ ＠ｂ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ．通信作者：倪?。?１ ９ ９ ２ —） ， 男， 本科生， Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ： ｗ ｊ ｙ ｙ ｊ ｓ ｂ ｂ ＠ １ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ．第３ ２卷 第７期２ ０ １ ２年７月北 京 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)Ｔ ｒ

2、 ａ ｎ ｓ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｏ ｆＢ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅｏ ｆＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙＶ ｏ ｌ ． ３ ２Ｎ ｏ ． ７Ｊ ｕ ｌ ． ２ ０ １ ２面向Ｆ Ｓ Ａ Ｅ賽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化徐彬 １，倪俊 １，朱麗君 ２（ １ ． 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 １ ０ ０ ０ ８ １ ； ２ ． 中國(guó)兵器科學(xué)研究院，北京 １ ０ ０ ０ ８ ９ ）摘 要：

3、為研究 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ賽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性， 依據(jù)多剛體動(dòng)力學(xué)理論， 利用 Ａ Ｄ ＡＭ Ｓ軟件建立了某 Ｆ Ｓ Ａ Ｅ 賽車模型及比賽賽道模型． 通過與２ ０ １ ０年中國(guó)方程式汽車大賽（ Ｆ Ｓ Ａ Ｅ） 中車載信息系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的對(duì)比， 驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性． 在此基礎(chǔ)上， 對(duì)典型側(cè)風(fēng)進(jìn)行了模擬， 利用虛擬試驗(yàn)分析了賽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性． 通過對(duì)側(cè)風(fēng)作用下的三自由度賽車模型的分析， 利用 Ａ Ｄ ＡＭ Ｓ ／ Ｉ ｎ ｓ ｉ ｇ ｈ

4、ｔ模塊得到了懸架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性影響的靈敏度， 并進(jìn)行優(yōu)化． 優(yōu)化結(jié)果表明， 賽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性得到了提高．關(guān)鍵詞： Ｆ Ｓ Ａ Ｅ賽車；側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性；Ａ Ｄ ＡＭ Ｓ ／ Ｉ ｎ ｓ ｉ ｇ ｈ ｔ模塊；懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類號(hào)： Ｕ４ ６ １ ． １ ； Ｔ Ｐ３ ９ １ ． ９文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Ａ 文章編號(hào)： １ ０ ０ １ － ０ ６ ４ ５ （ ２ ０ １ ２ ） ０ ７ － ０ ６ ９ ４ － ０ ５Ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ

5、 ｓ ｉ ｏ ｎＳ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅＯ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＯ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄｔ ｏＣ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄＳ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｏ ｆＦ Ｓ Ａ ＥＲ ａ ｃ ｉ ｎ ｇＣ ａ ｒＸ ＵＢ ｉ ｎ １，Ｎ ＩＪ ｕ ｎ １，Ｚ ＨＵＬ ｉ － ｊ ｕ ｎ ２（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌｏ ｆＭ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ

6、ｉ ｎ ｇ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅｏ ｆＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ１ ０ ０ ０ ８ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；２ ． Ｏ ｒ ｄ ｎ ａ ｎ ｃ ｅＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ１ ０ ０ ０ ８ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：

7、 Ｉ ｎｏ ｒ ｄ ｅ ｒｔ ｏｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅｔ ｈ ｅｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｏ ｆｆ ｏ ｒ ｍ ｕ ｌ ａ － Ｓ Ａ Ｅｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｇｃ ａ ｒ ， ｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｍ ｕ ｌ ｔ ｉ －ｂ ｏ ｄ ｙｄ ｙ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ， ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓｏ ｆａｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎＦ Ｓ Ａ Ｅｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｇｃ ａ

8、ｒａ ｎ ｄｒ ａ ｃ ｅｔ ｒ ａ ｃ ｋｗ ｅ ｒ ｅｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅａ ｉ ｄｏ ｆｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅＡ Ｄ ＡＭ Ｓ ． Ｂ ｙｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ｉ ｎ ｇｔ ｈ ｅｍ ｏ ｄ ｅ ｌ  ｓｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅａ ｎ ｄｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｄ ａ ｔ ａｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄｂ ｙｖ ｅ ｈ

9、ｉ ｃ ｌ ｅｄ ａ ｔ ａｌ ｏ ｇ ｇ ｅ ｒｉ ｎ２ ０ １ ０Ｃ ｈ ｉ ｎ ａＦ Ｓ Ａ Ｅｃ ｏ ｍ ｐ ｅ ｔ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓｏ ｆｔ ｈ ｅｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｉ ｎ ｇｍ ｏ ｄ ｅ ｌｗ ａ ｓｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｎ ， ｔ ｈ ｅｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄｗ

10、 ａ ｓｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｏ ｆｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｇｃ ａ ｒｗ ａ ｓａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌｔ ｅ ｓ ｔ ．Ｔ ｈ ｅｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙｏ ｆｓ ｕ ｓ ｐ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎｍ ａ ｉ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｐ ａ ｒ ａ ｍ

11、 ｅ ｔ ｅ ｒ ｓｏ ｒ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄｔ ｏｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｗ ａ ｓｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄａ ｎ ｄｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ｙＡ Ｄ ＡＭ Ｓ ／Ｉ ｎ ｓ ｉ ｇ ｈ ｔｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ． Ｔ ｈ ｅｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓｓ ｈ ｏ ｗｔ ｈ ａ ｔｔ ｈ ｅｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ

12、ｄｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｏ ｆｔ ｈ ｅｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｇｃ ａ ｒｃ ｏ ｕ ｌ ｄｂ ｅｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄｔ ｏｓ ｏ ｍ ｅｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｔ ．Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｆ Ｓ Ａ Ｅｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｇｃ ａ ｒ ； ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ； Ａ Ｄ ＡＭ Ｓ ／ Ｉ ｎ ｓ ｉ ｇ ｈ ｔｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ； ｓ ｕ ｓ ｐ ｅ

13、ｎ ｓ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ國(guó)內(nèi)關(guān)于賽車動(dòng)力學(xué)的研究還處于起步階段，數(shù)據(jù)積累和理論分析都很匱乏． 作者及所在團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力 于 賽 車 動(dòng) 力 及 其 仿 真 的 研 究 ［ １ － ４ ］．通 過 對(duì)２ ０ １ ０年中國(guó) Ｆ Ｓ Ａ Ｅ 大賽比賽中車載信息系統(tǒng)所記錄數(shù)據(jù)的分析， 發(fā)現(xiàn)賽車在側(cè)向陣風(fēng)的激勵(lì)下， 經(jīng)常由于軌跡偏離而產(chǎn)生較大側(cè)向加速度， 車手需要頻繁對(duì)行駛軌

14、跡進(jìn)行修正． 可見賽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性不好， 為車手帶來了較大的駕駛負(fù)擔(dān)， 所以， 有必要對(duì)賽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)．從２ ０世紀(jì)９ ０年代開始， 車輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性研究開始進(jìn)入高峰． Ｔ ｒ ａ ｎＶＴ 探討了瞬態(tài)側(cè)風(fēng)對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響 ［ ５ ］； 郭孔輝等分別采用二自由度及四自由度汽車模型， 對(duì) Ａ ｕ ｄ ｉ轎車的 側(cè) 風(fēng)響應(yīng)進(jìn)行了仿真分析 ［ ６ ］； 谷正氣等研究了側(cè)風(fēng)激勵(lì)下車輛操縱ｄ Ｃ ｙ ／ ｄ β＝ Ｋ． （ ３）

15、因?yàn)橘愜嚨闹饕旭偔h(huán)境為賽道， 其主要受到自然環(huán)境引起的自然側(cè)風(fēng)．自然側(cè)風(fēng)分為階躍變化側(cè)風(fēng)、 平緩增大側(cè)風(fēng)、 正弦波型側(cè)風(fēng)及隨機(jī)變化側(cè)風(fēng)．當(dāng)車體進(jìn)入和離開側(cè)風(fēng)帶時(shí)， 汽車所受到的側(cè)向載荷可表達(dá)為時(shí)間的二次函數(shù)， 其圖像近似為一個(gè)正的線性階躍和負(fù)的線性階躍 ［ １ １ ］．本文中采用線性階躍陣風(fēng)進(jìn)行仿真．空氣動(dòng)力的合力在汽車上的作用點(diǎn)， 通常稱為風(fēng)壓中心， 其根據(jù)賽車側(cè)向投影面形心位置確定．假設(shè)風(fēng)速為１ ０ｍ ／ ｓ ．在風(fēng)壓中心處， 通

16、過 Ｓ Ｔ Ｅ Ｐ 階躍函數(shù)完成側(cè)風(fēng)模型的建立．如圖４所示．圖４側(cè)風(fēng)仿真模型Ｆ ｉ ｇ ． ４Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌｏ ｆｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｗ ｉ ｎ ｄｉ ｎｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ３ ． ２側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性仿真仿真中方向盤控制方式為固定不動(dòng)．令賽車以８ ０ｋ ｍ ／ ｈ速度行駛， 仿真時(shí)間為３ ｓ ．記錄側(cè)風(fēng)激勵(lì)時(shí)賽車的橫擺角速度ω 和側(cè)向位移ｄ 的響應(yīng)， 結(jié)果如圖５ 、 圖６所示．圖５橫擺角速度響應(yīng)Ｆ ｉ ｇ ． ５Ｒ ｅ

17、ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅｏ ｆｙ ａ ｗｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ圖６側(cè)向位移響應(yīng)Ｆ ｉ ｇ ． ６Ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｓ ｅｏ ｆｌ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｌｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ由圖５可以看到， 當(dāng)賽車受到側(cè)風(fēng)激勵(lì)后， 橫擺角速度產(chǎn)生較大波動(dòng)， 其響應(yīng)的最大值為５ ． ６ （ ° ） ／ ｓ ．當(dāng)賽車離開側(cè)風(fēng)帶后， 橫擺角速度又趨于０ ．由圖６可以看到， 賽車受到側(cè)風(fēng)激勵(lì)后， 偏離直線行駛軌道，

18、 由于仿真中忽略了駕駛員對(duì)賽車軌跡的修正， 所以偏離賽 道 后， 賽車的 側(cè) 向位移逐漸增大， 第３ ｓ時(shí)， 賽車側(cè)向位移為 １ ． ９ ９ ２ｍ．可見側(cè)風(fēng)對(duì)于賽車的直線行駛穩(wěn)定性具有很大影響．４提高側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的懸架優(yōu)化４ ． １側(cè)風(fēng)作用下三自由度模型分析坐標(biāo)系如 圖 ７ 所 示．考慮賽 車 沿 ｙ 軸側(cè) 向運(yùn)動(dòng)、 繞ｚ 軸橫擺運(yùn)動(dòng)及繞ｘ 軸側(cè)傾運(yùn)動(dòng)．同時(shí)做以下假設(shè)： 忽略賽車 在 ｘ 軸、 ｚ 軸 方 向 的 空 氣 動(dòng) 力 特性；

19、側(cè)向加速度在０ ． ４ ｇ 以下， 輪胎側(cè)偏特性處于線性范圍內(nèi)．圖７賽車簡(jiǎn)化模型Ｆ ｉ ｇ ． ７Ｓ ｉ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄｍ ｏ ｄ ｅ ｌｏ ｆｒ ａ ｃ ｉ ｎ ｇｃ ａ ｒ根據(jù)賽車沿ｙ 軸力平衡、 繞ｚ軸力矩平衡、 繞ｘ軸力矩平衡， 并假設(shè)前輪轉(zhuǎn)角δ較小， 則可分別列出如下運(yùn)動(dòng)微分方程：Ｆ １ ＋Ｆ ２ －Ｆ ｙ ＝ ｍ ｕ（  β＋ω ｒ） －ｍ ｓ ｈ ¨ φ，ａ Ｆ １ －ｂ Ｆ ２ ＋ ｃ Ｆ ｙ

20、 ＝Ｉ ｚ ω ｒ＋Ｉ ｘ ｚ ¨ φ，ｈ ｗＦ ｙ ＝ （ Ｄ ｆ＋Ｄ ｒ） φ＋ （ Ｃ １ ＋Ｃ ２ －ｍ ｓ ｇ ｈ） φ＋Ｉ ｘ ¨ φ＋Ｉ ｘ ｚ ω ｒ ｍ ｓ ｈ（  β＋ω ｒ） ． （ ４）式中： ｍ 為整車質(zhì)量； ｍ ｓ 為簧上質(zhì)量； Ｉ ｚ 為繞ｚ 軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； Ｉ ｘ ｚ為簧上質(zhì)量繞ｘ、 ｚ 軸慣性積； ｈ ｗ 為側(cè)風(fēng)作用力臂； ｈ 為側(cè)傾力臂； Ｃ １ 為前懸架側(cè)傾剛度； Ｃ ２為后