巴哈越野賽車(chē)懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

段立山 劉勇進(jìn)

【摘 要】根據(jù)賽道對(duì)巴哈賽車(chē)的要求，利用CATIA中三維模型的硬點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)入Adams/Car模塊建立動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)賽車(chē)雙橫臂懸掛的多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行特性分析。通過(guò)給定的位移和力的條件，獲得懸架在兩種特定條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)特性，研究懸架的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)變化規(guī)律，探討懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)位置的合理性，通過(guò)前束值的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明，對(duì)于越野賽車(chē)懸架的結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化工作具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】越野賽車(chē);懸掛;轉(zhuǎn)向系統(tǒng);Adams/Car特性分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)： U463.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）04-0030-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.012

0 引言

中國(guó)大學(xué)生巴哈大賽（Baja SAE China），簡(jiǎn)稱 BSC大賽，是由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)主辦的大學(xué)生小型越野車(chē)競(jìng)賽。BSC大賽要求各參賽車(chē)隊(duì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使用同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)制造一輛單座、發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)的小型越野車(chē)，參加包括多種靜態(tài)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)目測(cè)試。靜態(tài)項(xiàng)目包括技術(shù)檢查、賽車(chē)設(shè)計(jì)、成本與制造、商業(yè)營(yíng)銷等，動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括牽引力測(cè)試、爬坡測(cè)試、直線加速測(cè)試、耐力測(cè)試等。在賽車(chē)的動(dòng)態(tài)比賽項(xiàng)目中，車(chē)輪正確的定位參數(shù)顯得尤為重要，作用是保持汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，保證汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，且使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，減少輪胎的磨損等，以前輪前束為例，作為后輪驅(qū)動(dòng)的巴哈賽車(chē)，路表面的前輪摩擦使汽車(chē)在行駛時(shí)車(chē)輪趨向負(fù)前束的位置，所以在車(chē)輛處于停放時(shí)將前輪調(diào)節(jié)為小的前束。眾所周之，汽車(chē)在行駛過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大的前束導(dǎo)致車(chē)輪輪胎磨損加劇并導(dǎo)致輪胎失效、撞車(chē)等事故，因此，控制賽車(chē)在行駛跳動(dòng)過(guò)程中前束變化的范圍是非常有必要的。

1 懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸架是保證車(chē)輪或車(chē)橋與汽車(chē)承載系統(tǒng)（車(chē)架或承載式車(chē)身）之間具有彈性聯(lián)系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減震動(dòng)以及調(diào)節(jié)汽車(chē)行駛中的車(chē)身位置等有關(guān)裝置的總成。轉(zhuǎn)向系是通過(guò)對(duì)左、右轉(zhuǎn)向車(chē)輪不同轉(zhuǎn)角之間的合理匹配來(lái)保證汽車(chē)能沿著設(shè)想的軌跡運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。它是由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。巴哈賽車(chē)根據(jù)大賽規(guī)則并結(jié)合賽道要求，運(yùn)用汽車(chē)設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，確定輪胎規(guī)格25×12×8英寸，滾動(dòng)半徑303.1mm，靜力半徑298.1mm，前輪距1250mm，后輪距1200mm，軸距1410mm，前后輪均采用搭接式雙A臂懸掛，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向角為30度，通過(guò)計(jì)算并利用CAD輔助畫(huà)圖，采用輪跳法確定賽車(chē)懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最終的硬點(diǎn)坐標(biāo)，如圖1所示。

2 比賽工況分析

BSC大賽動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括牽引力測(cè)試、爬坡測(cè)試、直線加速測(cè)試、耐力測(cè)試等。其中耐力賽占主要成分，它要求賽車(chē)連續(xù)運(yùn)行4小時(shí)，最終行駛?cè)?shù)最多者獲勝，耐力賽賽道有單駝峰、飛坡、炮彈坑、泥坑、雙駝峰、輪胎陣、石塊路等多種復(fù)雜障礙路況，賽車(chē)在遇到障礙物或路面不平會(huì)引起顛簸運(yùn)動(dòng)、加減速時(shí)引起的車(chē)身縱傾運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎時(shí)引起的車(chē)身側(cè)傾運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生車(chē)輪的跳動(dòng)。如果車(chē)輛的懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，在車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)前輪定位參數(shù)的變化量可能很大，影響車(chē)輛行駛性能，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重、輪胎偏磨等問(wèn)題。

3 建立懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型并進(jìn)行仿真分析

根據(jù)CATIA模型中懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)入Adams/Car模塊建立動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。

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(duì)懸架參數(shù)所造成的影響。借助 ADAMS/Car模塊，對(duì)前懸架仿真模型做雙輪同向激振仿真試驗(yàn)，根據(jù)懸架系統(tǒng)的動(dòng)撓度和靜撓度的設(shè)計(jì)，選擇車(chē)輪上下跳動(dòng)高度分為上跳110mm，下跳80mm，修改好彈簧剛度、彈簧預(yù)載等參數(shù)后，對(duì)前懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。如圖3所示。

通過(guò)Post/Processor查看仿真后的結(jié)果，仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，前束值變化范圍如圖4所示，變化范圍在-2.16°～1.16°之間，是不合理的變化規(guī)律，通過(guò)Adams中Insight模塊對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

進(jìn)行前束角隨車(chē)輪跳動(dòng)量變化關(guān)系的優(yōu)化，根據(jù)汽車(chē)知識(shí)可知，跳動(dòng)過(guò)程中影響前束角變化的因素有很多，可以對(duì)轉(zhuǎn)向拉桿硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，將動(dòng)力學(xué)模型中tierod_inner點(diǎn)及tierod_outer點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化。

Insightm模塊針對(duì)tierod_inner點(diǎn)進(jìn)行8次優(yōu)化，如圖5所示，通過(guò)Insight優(yōu)化結(jié)果可知，第二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為最佳坐標(biāo)點(diǎn)。

將第二個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果作為新的硬點(diǎn)，進(jìn)行第二次懸掛試驗(yàn)臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)，如圖6所示，得到新的前束角隨車(chē)輪跳動(dòng)量變化關(guān)系圖，通過(guò)測(cè)量可知前束角的變化范圍為-1.86°～0.79°明顯縮小了前束角的變化范圍。

用同樣的方法進(jìn)行tierod_outer點(diǎn)的優(yōu)化，得到新的前束角隨車(chē)輪跳動(dòng)量變化關(guān)系圖如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)前束角的變化范圍減小到了-1.58°～0.41°。

5 結(jié)論

綜上所述，對(duì)懸掛利用Adams/car建模、使用Post/Processor、Insight模塊的功能，可以有針對(duì)性的進(jìn)行懸掛相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示優(yōu)化后的前輪前束角明顯改善了懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和賽車(chē)的操控穩(wěn)定性，為巴哈賽車(chē)中懸掛、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]陸潤(rùn)明.越野賽車(chē)雙橫臂懸架特性分析[J].2018.