FSAE賽車懸架系統(tǒng)幾何設(shè)計(jì)及虛擬樣機(jī)仿真分析

何宇　倪彰　吳雪玲　張興　顧迪

摘 要：以整車的基本參數(shù)和設(shè)計(jì)要求為參照依據(jù)，建立懸架系統(tǒng)的幾何模型，用CATIA軟件設(shè)計(jì)懸架硬點(diǎn)，獲得相關(guān)參數(shù)；運(yùn)用Optimum Kinematics動(dòng)態(tài)仿真分析軟件建立賽車懸架的虛擬樣機(jī)模型，分析懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并獲知車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角在車輪跳動(dòng)過(guò)程中的變化量，以此優(yōu)化懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)，提高賽車在各路況下的操縱穩(wěn)定性。優(yōu)化和仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)滿足參賽要求，為后期賽車制造及調(diào)試提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FSAE；懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)；虛擬樣機(jī)；仿真分析

中圖分類號(hào)：U462.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-7394（2017）06-0040-07

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（簡(jiǎn)稱FSAE）在2010年首次舉辦，迄今為止已經(jīng)成功舉辦了七屆。大學(xué)生方程式汽車大賽舉辦的主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生在賽車設(shè)計(jì)、加工制作、成本控制和車隊(duì)成員間協(xié)作的能力，為相關(guān)企業(yè)挑選適用人才提供了良好的平臺(tái)；此外，通過(guò)比賽，可以營(yíng)造良好的學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為各參賽院校間提供廣闊的交流平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)各院校間學(xué)術(shù)交流。

FSAE賽車懸架系統(tǒng)的性能決定了賽車的操縱穩(wěn)定性。在國(guó)內(nèi)外，諸多方程式賽車采用雙A型臂、推桿的懸架布置結(jié)構(gòu)，大多數(shù)高校在設(shè)計(jì)懸架時(shí)均采用多平面投影的方法構(gòu)建懸架系統(tǒng)幾何位置，而后運(yùn)用ADAMS/car動(dòng)態(tài)仿真軟件建立虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行優(yōu)化分析。由于軟件中模型為指定模型，不能與設(shè)計(jì)目標(biāo)相符合，此時(shí)優(yōu)化出的懸架參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)存在較大差距。本文主要針對(duì)2016年我校參賽的方程式賽車的懸架系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)下一年度賽車的整體布置，首先構(gòu)建了懸架系統(tǒng)幾何設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Optimum Kinematics動(dòng)態(tài)仿真分析軟件建立虛擬樣機(jī)模型，對(duì)賽車的車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角在車輪跳動(dòng)過(guò)程中的變化量以及懸架構(gòu)件和轉(zhuǎn)向構(gòu)件在動(dòng)態(tài)時(shí)的干涉進(jìn)行分析，從而為FSAE賽車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 懸架系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)賽車懸架的首要任務(wù)為確定基本參數(shù)。根據(jù)賽車的性能要求及規(guī)則要求，合理確定基本輪距尺寸。輪距越大，操縱平穩(wěn)性越好，橫向穩(wěn)定性越高，但也影響到賽車重量及其它系統(tǒng)布置等。其次是主銷參數(shù)，主銷內(nèi)傾角選擇不當(dāng)易導(dǎo)致輪胎偏磨，主銷后傾角選擇不當(dāng)影響轉(zhuǎn)向后自動(dòng)回正效果。

根據(jù)2016年對(duì)賽車總體布置和設(shè)計(jì)要求，確定以下參數(shù)：

輪距和軸距數(shù)值確定計(jì)算公式為：

2 懸架系統(tǒng)空間幾何位置確定

2.1 確定主視圖幾何

正視圖等效擺臂的瞬心由理想側(cè)傾中心高度以及賽車側(cè)傾時(shí)車輪傾角的變化而確定，如圖1和圖2所示。用賽車側(cè)傾時(shí)車輪傾角的變化來(lái)確定正視圖等效擺臂長(zhǎng)度的方法如下：

式中：fvsa為等效擺臂長(zhǎng)度，t為車輪輪距，Roll camber為側(cè)傾外傾系數(shù)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，選取車輪外傾角為1.334°，車身側(cè)傾角為2°。

[Roll canber=1.334°2°=0.667fvsa=（1 200÷2）÷（1-0.667）≈1 800mm]

2.2 確定側(cè)視圖幾何瞬心

如圖3，設(shè)計(jì)側(cè)視圖幾何時(shí)，圖上的點(diǎn)是由投影得到。在側(cè)視圖設(shè)計(jì)時(shí)常見的問(wèn)題是車輪大幅度上跳時(shí)帶來(lái)較大的抗點(diǎn)頭率，在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能縮短側(cè)視圖擺臂長(zhǎng)度。根據(jù)制動(dòng)抗點(diǎn)頭率可以確定角度

抗點(diǎn)頭率J取37%，p為0.634

[J=tanθHpL=tanθ2900.634×1 600=0.37]

[tanθ≈0.106]

式中：H為車輛的重心高度；p為前輪制動(dòng)力分配系數(shù)；L為軸距。

（2）確定側(cè)視圖瞬時(shí)中心距前軸的長(zhǎng)度

式中：h為IC距車輪接地面地的垂直距離；e為瞬時(shí)中心距前軸的垂直距離。

2.3 確定前懸架各鉸接點(diǎn)位置

利用三點(diǎn)確定一個(gè)面和兩個(gè)面相交為一條線的圖解法來(lái)確定鉸接點(diǎn)位置。

如圖5，輪胎正視圖上叉臂的內(nèi)硬點(diǎn)是1，主銷上球頭點(diǎn)是2，并在縱向平面內(nèi)延長(zhǎng)到點(diǎn)3。在下叉臂上找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)11，12，13。將這六個(gè)點(diǎn)移到圖5的輪胎側(cè)視圖對(duì)應(yīng)位置上。在圖5輪胎側(cè)視圖上做兩條從側(cè)視瞬心開始延長(zhǎng)并分別穿過(guò)連接點(diǎn)3，13的線。在輪胎側(cè)視圖IC和3的直線上再選擇一個(gè)任意點(diǎn)，并標(biāo)注為4。在下叉臂上創(chuàng)建對(duì)應(yīng)點(diǎn)14。再把上述的點(diǎn)投影到圖5輪胎正視圖上，由此在圖5的輪胎正視和側(cè)視圖上都得到了點(diǎn)1到4和11到14。

為了讓設(shè)計(jì)的上叉臂硬點(diǎn)（1到4）和下叉臂硬點(diǎn)（11到14）必須在一個(gè)平面里以達(dá)到良好的特性。在圖5中輪胎主視圖和側(cè)視圖中畫一條線從點(diǎn)4到點(diǎn)2并延長(zhǎng)。在下叉臂上畫一條線并經(jīng)過(guò)點(diǎn)14和點(diǎn)12。在圖4輪胎正視圖上畫一條通過(guò)點(diǎn)1的垂線，這條線是上叉臂軸線的投影。在點(diǎn)4和點(diǎn)2的延長(zhǎng)線與這條垂線相交點(diǎn)標(biāo)注點(diǎn)5。通過(guò)點(diǎn)11做下叉臂軸線投影，在點(diǎn)14和12的延長(zhǎng)線與下叉臂軸線相交點(diǎn)標(biāo)注為點(diǎn)15。將點(diǎn)5和點(diǎn)15投影到圖5的輪胎側(cè)視圖上。在點(diǎn)1和點(diǎn)5之間畫一條直線，在點(diǎn)15和點(diǎn)11上畫一條直線，上下叉臂與車架的鉸接硬點(diǎn)在圖5的這兩條直線上，由此確定懸架各鉸接點(diǎn)初步硬點(diǎn)坐標(biāo)（見圖6）。后懸架跟上述步驟一致，同時(shí)后懸的抗后蹲率對(duì)賽車整體影響較小，取e=5 000mm，h=150mm（見圖7）。

3 Optimum Kinematics虛擬樣機(jī)分析

全國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽要求在10個(gè)月時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)及制造一輛參賽賽車，缺少充足的時(shí)間對(duì)賽車進(jìn)行道路測(cè)試及持續(xù)改進(jìn)，因此建立方程式懸架系統(tǒng)模型來(lái)分析賽車性能，根據(jù)理論計(jì)算指導(dǎo)后期賽車裝配與調(diào)試。

使用Optimum Kinematics軟件，建立懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向虛擬樣機(jī)模型，將懸架鉸接點(diǎn)初始坐標(biāo)（見表2）輸入到模型中，模擬試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。

3.1 前后車輪平行跳動(dòng)分析

2016年方程式大賽規(guī)則要求懸架上下跳動(dòng)量至少要達(dá)到25.4mm。在仿真時(shí)考慮到綜合誤差，設(shè)置跳動(dòng)行程上下各30.0mm。根據(jù)整車參數(shù)輸入定位角度，因左右車輪對(duì)稱，故只對(duì)一側(cè)進(jìn)行分析優(yōu)化。

3.1.1 懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉分析

賽車行駛時(shí)，如果懸架系統(tǒng)桿件與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)桿件發(fā)生干涉，將直接影響到駕駛安全，且無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)對(duì)仿真動(dòng)態(tài)分析，確認(rèn)各桿件不存在干涉，符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 車輪外傾角優(yōu)化

在方程式賽車比賽時(shí)，彎道占了總賽道的60%以上，為了使輪胎提供最大的側(cè)向力，故將車輪外傾角設(shè)置為負(fù)值，并且希望在車輪跳動(dòng)中變化最小，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，變化范圍明顯減小，大大提高了賽車過(guò)彎性能，優(yōu)化曲線如圖9所示。

3.1.3 主銷后傾角優(yōu)化

賽車在動(dòng)態(tài)項(xiàng)目競(jìng)賽中，希望轉(zhuǎn)向比較靈敏，主銷后傾角過(guò)大會(huì)造成轉(zhuǎn)向過(guò)程中回正力矩較大，故將主銷后傾角設(shè)置為2°，并且希望此角度在車輪上跳過(guò)程中會(huì)輕微增大，這樣可以降低因賽車點(diǎn)頭而造成傾角減小的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。優(yōu)化曲線如圖10所示。

3.1.4 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化

賽車轉(zhuǎn)向時(shí)，恰當(dāng)?shù)闹麂N內(nèi)傾角能很好的減小車手疲勞，并具有合適的自動(dòng)回正能力。主銷內(nèi)傾角在車輪上下跳動(dòng)時(shí)變化較小可以減小輪胎磨損，提供穩(wěn)定的操縱性。根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果可知，主銷內(nèi)傾角變化較小，滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化曲線如圖11所示。

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立懸架系統(tǒng)幾何坐標(biāo)和虛擬樣機(jī)模型，利用Catia軟件進(jìn)行懸架系統(tǒng)幾何設(shè)計(jì)、利用Optimum Kinematics軟件仿真分析，驗(yàn)證懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。其結(jié)果表明該優(yōu)化分析方法切實(shí)可行，符合設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)參數(shù)及分析結(jié)果可為方程式賽車懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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