越野賽車雙橫臂懸架K & C特性分析

陸潤明，廖抒華，覃紫瑩

(廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州 545000)

0 引言

中國大學(xué)生巴哈大賽(Baja SAE China)，簡稱BSC大賽，是由中國汽車工程學(xué)會主辦的大學(xué)生小型越野車競賽。這項(xiàng)賽事的動態(tài)項(xiàng)目包括牽引賽、繞樁、操控賽和耐力比賽等[1]，在這些比賽項(xiàng)目中，賽車的操縱穩(wěn)定性顯得尤為重要，懸架的設(shè)計(jì)對一輛賽車的整車操穩(wěn)性能有著重要的影響。懸架是現(xiàn)代汽車上的一個重要總成，它把車架(或車身)與車軸(或車輪)彈性地連接起來。其主要任務(wù)是在車輪和車架(或車身)之間傳遞所有的力和力矩，緩和由路面不平傳給車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，控制車輪的運(yùn)動規(guī)律，以保證汽車具有需要的平順性和操縱穩(wěn)定性[2]。針對已設(shè)計(jì)的賽車前懸架進(jìn)行K & C特性分析，并獲取相關(guān)的運(yùn)動仿真結(jié)果，以此分析懸架存在的問題，并為懸架優(yōu)化提供依據(jù)。

1 多體動力學(xué)仿真模型的建立

巴哈賽車前懸架是雙橫臂獨(dú)立懸架，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 巴哈賽車前懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡圖

從UG三維模型里面提取前懸架各硬點(diǎn)坐標(biāo)，利用ADAMS/Car模塊對賽車前懸架進(jìn)行多體動力學(xué)仿真模型的建立，輪轂與轉(zhuǎn)向節(jié)通過旋轉(zhuǎn)副連接，轉(zhuǎn)向節(jié)通過球鉸副與轉(zhuǎn)向橫拉桿連接，減振器下滑柱通過萬向副與懸架下擺臂連接，減振器上滑柱通過萬向副與車身子系統(tǒng)連接，轉(zhuǎn)向節(jié)通過軸套分別與上、下控制臂連接，上、下控制臂通過旋轉(zhuǎn)副與車架連接，轉(zhuǎn)向橫拉桿通過等速副與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)連接[5]，所建前懸架多體動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 巴哈賽車前懸架多體動力學(xué)模型

2 賽車雙橫臂懸架K特性分析

懸架的C特性即懸架的運(yùn)動學(xué)特性，懸架的K特性主要是考慮懸架相關(guān)參數(shù)與車輪運(yùn)動的關(guān)系[3]。各構(gòu)件間的連接為鉸接連接，不考慮襯套等彈性元件、外界的力和力矩對懸架參數(shù)所造成的影響。借助ADAMS/Car模塊，對前懸架仿真模型做雙輪同向激振仿真試驗(yàn)[4]，根據(jù)懸架系統(tǒng)的動撓度和靜撓度的設(shè)計(jì)，選擇車輪上下跳動高度分別為上跳100 mm，下跳100 mm，修改好彈簧剛度、彈簧預(yù)載等參數(shù)后，對前懸架進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。

賽車行駛時，零前束是最希望看到的。合理的前束設(shè)計(jì)可以減輕由車輪外傾所引起的轉(zhuǎn)動并減少輪胎的磨損。前束值的取值一般在零的前后，這樣有利于賽車經(jīng)過各種復(fù)雜路面時還能保持良好的行駛穩(wěn)定性。巴哈賽車是中置后驅(qū)的小型越野車，前輪作為從動輪，在前輪上作用有向后的力，這種力使轉(zhuǎn)向桿系發(fā)生變形，當(dāng)主銷偏移距為正時，將趨于使前束向負(fù)的方向變化。所以，賽車靜止時，前輪應(yīng)該呈弱正前束；當(dāng)賽車行駛起來后，兩個前輪將趨于相互平行[2]。仿真實(shí)驗(yàn)時，前束值變化范圍如圖3所示，變化范圍在0.13°～1.69°之間，在設(shè)計(jì)目標(biāo)值之內(nèi)。

圖3 前束角隨車輪跳動量變化關(guān)系圖

車輪外傾角的設(shè)計(jì)應(yīng)該有利于減少賽車行駛時輪胎的磨損和保持直線行駛的穩(wěn)定性，同時保證賽車具有良好的抓地力。不合適的車輪外傾角會造成輪胎快速、異常磨損。巴哈賽車的比賽場地大多是泥沙路和石子路，為了保證賽車具有良好的加速能力，賽車空載狀態(tài)下應(yīng)該具有正外傾角；當(dāng)賽車手坐進(jìn)車內(nèi)以后，車輪外傾角應(yīng)該減小到趨近于0。如圖4所示，車輪外傾角變化范圍在-0.16°～1.31°之間，在車輪從下往上跳動過程中，車輪外傾角逐漸減小，甚至出現(xiàn)負(fù)外傾的情況，是不合理的變化規(guī)律，需要對硬點(diǎn)坐標(biāo)加以優(yōu)化。

圖4 車輪外傾角隨車輪跳動量變化關(guān)系圖

主銷內(nèi)傾角對賽車的操縱性是有很大影響的。主銷內(nèi)傾角的存在給轉(zhuǎn)向輪施加了一個回正力矩，即主銷內(nèi)傾角減小了主銷偏移距，使轉(zhuǎn)向更加輕便且有利于方向盤復(fù)位。為了保證賽車具有良好的行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性能，主銷內(nèi)傾角不宜過大，通?？刂圃?°～11°內(nèi)。如圖5所示，主銷內(nèi)傾角的變化范圍是8.99°～10.41°，在合理的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)且變化趨勢平順。在賽車運(yùn)動過程中，主銷內(nèi)傾角變化不大，沒有突然變大或變小的情況，由主銷內(nèi)傾角造成的轉(zhuǎn)向阻力矩也不會對車手的操縱造成影響。

圖5 主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動量變化關(guān)系圖

主銷后傾角的存在，主要是為了能使賽車行駛時，有自動回正的功能。主銷后傾角不宜過大，否則在賽車轉(zhuǎn)向時，極其容易引起車輪外傾角的變化，對輪胎造成不均勻的磨損。巴哈賽車是一種應(yīng)用于特殊賽道的車輛，行駛時會遇到各種障礙和比較多的彎道，主銷后傾角的大小對其行駛性能有很大的影響。主銷后傾角在賽車上一般控制在0°～4°之間，如圖6所示，主銷后傾角變化范圍是2.61°～3.08°，在車輪上下跳動過程中，變化范圍不大，變化趨勢趨于線性且比較合理。

圖6 主銷后傾角隨車輪跳動量變化關(guān)系圖

除了考慮以上的車輪定位參數(shù)以外，輪距也是重點(diǎn)考量對象。巴哈比賽的賽道，有很多特殊的障礙設(shè)置，比如炮彈坑、滾木路、亂石堆、飛坡等，考慮輪距的變化情況，主要是避免由于特殊路段造成輪距突變給輪胎造成異常的磨損，且影響賽車行駛平順性。所以在賽車運(yùn)動的過程中，應(yīng)該避免輪距發(fā)生太大的變化。如圖7所示，車輪上下跳動過程中，輪距變化范圍為1 293.92～1 365.67 mm，輪距變化過大，對賽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性造成一定的影響，后期需要對懸架硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 前輪輪距隨車輪跳動量變化關(guān)系圖

3 賽車雙橫臂懸架C特性分析

懸架的C特性即懸架的彈性運(yùn)動學(xué)特性，主要是襯套、力和力矩對懸架定位參數(shù)的影響，主要考慮的是襯套的特性，地面對輪胎的側(cè)向力、縱向力影響和制動力的輸入等因素。懸架的K特性分析主要是考察硬點(diǎn)位置、懸架結(jié)構(gòu)對懸架定位參數(shù)的影響，是懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中的首要考慮因素，相對于懸架的K特性，懸架的C特性分析更貼近懸架使用的實(shí)際情況。在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，懸架還有很多地方使用了襯套連接，并且K特性分析沒有考慮力和力矩的影響，因此懸架C特性的分析主要是懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化的參考依據(jù)[6]。

3.1 側(cè)向力作用下的懸架運(yùn)動特性分析

賽車在比賽過程中，賽道上會設(shè)置很多特殊障礙，比如半月彎、亂石坡路段，對賽車抗側(cè)向干擾的能力有很高的要求，所以作側(cè)向力作用下的仿真很有必要性。車輪受到側(cè)向力影響時，對懸架定位參數(shù)中車輪外傾角、前束角的影響比較大，修改好襯套特性、彈簧剛度、彈簧預(yù)載等參數(shù)后，根據(jù)賽車的整車參數(shù)對前軸兩側(cè)車輪分別施加-700～700 N的側(cè)向力。車輪外傾角、前束角隨側(cè)向力加載變化關(guān)系如圖8、圖9所示，車輪外傾角在0.66°～1.68°之間，車輪外傾角變化不大且呈線性變化，均在合理的變化范圍之內(nèi)。輪跳量為零時，前輪呈弱正前束狀態(tài)，但在側(cè)向力影響下，前束角卻在-9.81°～11.45°之間變化，變化范圍太大，懸架抗側(cè)向干擾能力較差，對賽車的操控很不利，需要對硬點(diǎn)坐標(biāo)加以優(yōu)化。

圖8 車輪外傾角隨側(cè)向力加載變化關(guān)系圖

圖9 前束角隨側(cè)向力加載變化關(guān)系圖

3.2 縱向力作用下的懸架運(yùn)動特性分析

在比賽過程中，會存在很多突然加速和制動的情形，當(dāng)賽車加速和制動時，會受到來自地面的縱向反力，使懸架導(dǎo)向桿系各元件發(fā)生縱向和側(cè)向變形，引起車輪轉(zhuǎn)角和外傾角等參數(shù)的變化[7]?？v向力的存在主要會引起前束角、車輪外傾角和輪距的變化。對前懸架兩側(cè)車輪分別施加-1 017～1 017 N的縱向力，縱向力作用下各相關(guān)參數(shù)變化如圖10—12所示。

圖10 輪距隨縱向力加載變化關(guān)系圖

圖11 車輪外傾角隨縱向力加載變化關(guān)系圖

圖12 前束角隨縱向力加載變化關(guān)系圖

輪距和車輪外傾角在制動和加速工況下變化不大，但前束角卻在-9.96°～11.56°之間變化，波動過大，變化規(guī)律不合理，前束角對縱向力的加載較敏感，后期需要針對前束角敏感硬點(diǎn)位置作進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語

針對巴哈前懸架做了運(yùn)動學(xué)分析和彈性運(yùn)動學(xué)分析，剖析了在兩種條件下懸架相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律，希望仿真所得的數(shù)據(jù)能給賽車懸架的后期設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供一定的參考依據(jù)，從而提高設(shè)計(jì)工作效率。虛擬機(jī)的仿真跟賽車實(shí)際使用情況存在一定的差別，很多影響因素并不能體現(xiàn)出來，但是對硬點(diǎn)位置優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用，對懸架結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的優(yōu)化，從而提高懸架的使用性能，以及賽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。