基于Carsim的Baja赛车操纵稳定性分析及悬架关键部件优化设计

张永刚　吴明翔

摘要：针对Baja赛车开发与实际应用过程中的操作稳定性分析及悬架关键部件优化设计，基于车辆动力学的仿真软件Carsim进行仿真研究。应用Carsim导入Baja赛车参数，通过试验不同工况对Baja赛车操纵稳定性进行动画仿真。在Carsim中根据比赛赛场环境设置翻覆测试、二轮驱动转换到四轮驱动等工况对Baja赛车操纵稳定性进行仿真验证，并通过调整弹簧刚度对悬架关键部件进行设计优化。仿真结果：开发的Baja赛车具有良好的操纵稳定性，悬架等关键部件通过参数调整后达到良好使用性能。

关键词：Baja赛车；操纵稳定性；悬架关键部件优化设计，仿真；Carsim

中图分类号：U463  收稿日期：2023-03-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.024

1 基于Carsim的Baja赛车建模

Carsim软件是美国密西根大学交通运输研究所开发的一款车辆系统动力学软件，由于Carsim软件的使用方便、仿真速度快、高精度等特点，得到了世界多家汽车公司和高校等汽车研发机构的普遍认可[1-3]。Carsim 软件与目前各赛车动力学建模方面广泛采用的ADAMS 软件不同，Carsim更适合设计阶段中早期的性能研究，而ADAMS软件是面向结构的建模软件[4-6]，适合于整车设计后一阶段的结构设计，建模过程复杂，难以掌握。

1.1 车身建模

Baja赛车的车身建模如图1所示，设计数据如下：簧上质量的质心距前轴的距离1 275 mm；簧上质量的质心距地面的高度575 mm；轴距2 350 mm；质心的横向偏移量0；簧载质量1 050 kg；对坐标轴的惯性矩和惯性矩0；整车高度1 550 mm；整车宽度1 350 mm等。

1.2 传动系统建模

此Baja赛车选用6速CVT变速箱，设计数据如下：各个挡位传动比，R挡-3.17、1挡3.50、2挡2.05、3挡1.25、4挡1.10、5挡0.65、6挡0.53；各个挡位转动惯量，R挡0.034、N挡0.034、1挡0.039、2挡0.032、3挡0.043、4挡0.04、5挡0.04、6挡0.04；各个挡位正向传动效率R挡0.90、1挡0.90、2挡0.90、3挡0.97、4挡0.97、5挡0.99、6挡0.99;各个挡位逆向传动效率，R挡0.90、1挡0.90、2挡0.90、3挡0.96、4挡0.96、5挡0.97、6挡0.99，换挡时间0.20 s；离合器锁止时传递的最大效率300 N·m;离合器分离锁止时间0.15～0.2 s等。

1.3 制动系统建模

前轮制动力矩为300 N·m/MPa;后轮制动力矩为150 N·m/MPa；前制动器摩擦力0.5 N·m；后制动器摩擦力0.5 N·m等。

1.4 转向系统建模

转向柱管的惯性0.02 kg/m2；转向系统的惯量0.00007 kg/m2；转向柱管阻尼0.02 N·s/（m·（°））;方向盘自由角行程0.5°；左前轮和右前轮主销内倾角8.5°;左前轮和右前轮主销后倾角3.0°；转向阻尼5 N·s/（m·（°））；扭杆刚度3 N·s/（m·（°））。

1.5 悬架系统建模

Baja赛车设计前轮采用独立悬架，后轮采用实心轴悬架，设计数据如下：轮距1 300 mm；前轴质心的高度350 mm；悬架中心相对于侧倾中心的横向位移0.1；非簧载质量130 kg；转向摩擦力0.5 N·m；前轴的侧倾转动惯量45 kg/m2；左前轮和右前轮的侧倾转动惯量为1.2 kg/m2。

2 Baja赛车操作稳定性仿真分析

2.1 翻覆测试

2.1.1 试验方法

研究汽车在高速转弯运行工况下的稳定性，分析与汽车弯道翻覆有关的因素以及这些因素对汽车翻覆影响的大小，对于降低汽车翻覆风险、提高驾驶的性能和行车的安全性、保障人民生命财产安全有着重要的意义。设计的Baja赛车极速为90 km/h，分别取50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h的仿真工况下的横摆角速度，通过计算来进行车辆操纵稳定性的仿真试验。

2.1.2 仿真结果与分析

2.2 两轮驱动转换到四轮驱动测试

2.2.1 试验方法

在此Baja车采取了分时四驱的方案，汽车行驶过程中的驱动模式，从两驱转换到四驱能有效提高汽车的性能。发动机的动力被分配给四个车轮，在平整度较差的路面上行驶时，不易出现车轮打滑，汽车的通过性能得到相当大的改善。此试验针对两驱转四驱的操纵稳定性的提升做出仿真研究，由于需要两驱转四驱的工况通常为低速情况，所以选取20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h等工况进行不同速度下两驱转四驱对操纵稳定性提升影响的仿真试验。

2.2.2 仿真结果与分析

3 悬架关键部位优化设计

3.1 试验方法

悬架对于Baja越野车来说可谓是重中之重，一套好的悬架对于操纵稳定性以及越野通过性都有很大的帮助，设计优化的方案主要是针对左右弹簧刚度进行调整以及优化设计。试验基于车速50 km/h情况下的二轮驱动转换到四轮驱动工况，针对弹簧刚度进行调整，以5 N·m为单位，观察横摆角速度、车身侧倾角、侧向加速度的变化，对悬架做出优化调整。

3.2 仿真结果与分析

通过对比表1、表2数据得出，此Baja赛车应将悬架弹簧刚度在50～55 N·m为最佳，操纵稳定性和越野通过能力将得到有效提升。

4 结语

根据研发设计的Baja赛车的各项基本参数，通过Carsim进行赛车各部件的建模，进行了翻覆试验和两轮驱动转换四轮驱动试验对Baja赛车的操纵稳定性进行了分析；并通过改变左右弹簧刚度对Baja赛车的悬架进行了优化设计；试验结果表明，所设计的Baja赛车具有良好的操作稳定性以及悬架部位的设计优化得到了良好的反馈。

参考文献：

[1]李径亮，夏汤忠，陆志成基于CarSim的车辆自适应巡航仿真与试验研究[J]汽车科技，2013，2（3）：46-52

[2]朱茂桃，邵长征，王国林基于CarSim的路面模型重构及车辆平顺性仿真分析[J]机械设计与制造，2010，10（10）：78-80

[3]李刚线控四轮独立驱动轮毂电机电动汽车稳定性与节能控制研究[D]长春：吉林大学，2013

[4]乔明侠基于多体动力学的汽车平顺性仿真分析及悬架参数优化[D]合肥：合肥工业大学，2005

[5]赵秋芳基于ADAMS的汽车操纵稳定性仿真试验初步研究[D] 大连：大连理工大学，2006

[6]喻凡汽车系统动力学[M]北京：机械工业出版社，2012

[7]QC-T 480—1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法[S]

[8]GB/T 63232—94中华人民共和国国家标准汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验[S]

[9]GB/T 63231—94汽车操纵稳定性试验方法蛇行试验[S]

[10]贾丽娟，韓忠浩，李刚，等基于CarSim的FSC赛车建模与操纵稳定性仿真研究[J]辽宁工业大学学报（自然科学版），2015，35（3）：172-176

作者简介：

张永刚，男，2002年生，本科在读，研究方向为车辆工程。