巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

侯小舸，楊云珍，王琦

巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

侯小舸，楊云珍，王琦

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

設(shè)計(jì)了一套匹配巴哈賽車底盤特性的橫向穩(wěn)定桿，通過提高懸架系統(tǒng)的側(cè)傾角剛度提高整車的抗側(cè)傾能力，從而增強(qiáng)賽車的橫向穩(wěn)定性。建立橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學(xué)模型；分析穩(wěn)定桿的各參數(shù)對(duì)橫向穩(wěn)定桿所能提供的側(cè)傾角剛度的影響；對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出橫向穩(wěn)定桿的特性曲線；并進(jìn)行實(shí)車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)與跑動(dòng)測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了橫向穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾性能。

橫向穩(wěn)定桿；巴哈賽車；懸架；側(cè)傾角剛度

大學(xué)生巴哈賽車是一種發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)的小型全地形車，具有獨(dú)特的防滾架結(jié)構(gòu)和與之相匹配的斜置單縱臂后懸架系統(tǒng)，獨(dú)特的懸架布置導(dǎo)致其在高速入彎時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)傾和橫向振動(dòng)，導(dǎo)致輪胎側(cè)偏嚴(yán)重，影響賽車的操控穩(wěn)定性及平順性[1]。因此設(shè)計(jì)出一款匹配巴哈賽車底盤布置的橫向穩(wěn)定系統(tǒng)，建立出橫向穩(wěn)定桿的理論模型；并對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析；最后通過實(shí)車跑動(dòng)測(cè)試，更為真實(shí)地驗(yàn)證了橫向穩(wěn)定桿的性能。

1 建立橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學(xué)模型

1.1 橫向穩(wěn)定桿的布置

橫向穩(wěn)定桿的布置如圖1所示。

圖1 橫向穩(wěn)定桿的布置示意圖

當(dāng)整車發(fā)生側(cè)傾時(shí)，一側(cè)輪胎相對(duì)于車架有一段垂向位移量?1，車輪處的跳動(dòng)量傳遞到穩(wěn)定桿臂末端的跳動(dòng)量為?2，設(shè)?2與?1的比值為橫向穩(wěn)定桿的傳動(dòng)比，兩輪間距為。穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)并不是穩(wěn)定桿自身的側(cè)傾角剛度，而是穩(wěn)定桿傳遞到車輪處的等效側(cè)傾角剛度。

1.2 橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度的計(jì)算

設(shè)穩(wěn)定桿長(zhǎng)度為，穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度為，穩(wěn)定桿直徑為，穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂的夾角為，穩(wěn)定桿臂末端端點(diǎn)的距離為，穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂通過螺栓連接，穩(wěn)定桿上有兩處橡膠襯套用以固定穩(wěn)定桿。根據(jù)受力分析，忽略橡膠襯套的變形，忽略穩(wěn)定桿在彎矩作用下的微小角位移[2]。

橫向穩(wěn)定桿如圖2所示。

圖2 橫向穩(wěn)定桿的簡(jiǎn)化圖

穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度1為：

式（1）中：為穩(wěn)定桿的剪彈性模量[3]；p為穩(wěn)定桿橫截面的極慣性矩。

穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度2為：

式（2）中：1為穩(wěn)定桿臂端部所受到的垂向力。

穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度還可以表示如下：

聯(lián)立式（1）（2）（3）可得，橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度2為：

對(duì)于獨(dú)立懸架，穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度與車輪處的等效側(cè)傾角剛度的關(guān)系如下[4]：

聯(lián)立式（4）（5）可得穩(wěn)定桿在車輪處的等效側(cè)傾角剛度3為：

2 仿真分析

在設(shè)計(jì)巴哈賽車懸架系統(tǒng)的過程中，輪距是根據(jù)整車布置提前確定的，穩(wěn)定桿長(zhǎng)由車架的結(jié)構(gòu)確定，穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂的夾角受限于斜置單縱臂的斜置角，因此，在設(shè)計(jì)過程中主要的設(shè)計(jì)參數(shù)是穩(wěn)定桿的直徑和穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng) 度。

建立車輪處等效側(cè)傾角剛度與直徑以及穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度的關(guān)系式3=（）、3=（），在Matlab中搭建模型，進(jìn)行仿真分析，根據(jù)后懸架系統(tǒng)的布置，傳遞比在0.15～0.25為宜。在此范圍內(nèi)取五組進(jìn)行仿真分析，傳遞比分別為0.15，0.175，0.2，0.225，0.25。得到等效側(cè)傾角剛度在五種傳遞比時(shí)與穩(wěn)定桿直徑、穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度的關(guān)系曲線，如圖3和圖4所示。

圖3 等效側(cè)傾角剛度與穩(wěn)定桿直徑的關(guān)系曲線

圖4 等效側(cè)傾角剛度與穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

通過仿真結(jié)果可以看出，較小的穩(wěn)定桿直徑和穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度即可提供高達(dá)700 Nm/°的側(cè)傾角剛度。傳遞比的變化對(duì)等效側(cè)傾角剛度的影響相對(duì)均勻，橫向穩(wěn)定桿在車輪處的等效側(cè)傾角剛度隨著穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度的增加而趨于平穩(wěn)，隨穩(wěn)定桿直徑的增加而急劇增加。

3 橫向穩(wěn)定桿的研制

根據(jù)仿真結(jié)果確定橫向穩(wěn)定桿的尺寸、材料、安裝形 式[5]，與橫向穩(wěn)定桿裝置相關(guān)的主要部件包括穩(wěn)定桿、穩(wěn)定桿臂、調(diào)節(jié)螺桿、魚眼軸承、后懸架擺臂等。在CATIA中建立出懸架系統(tǒng)與橫向穩(wěn)定桿的三維模型，如圖5所示。

圖5 橫向穩(wěn)定桿三維模型圖

加工制造出橫向穩(wěn)定桿的相關(guān)部件，在巴哈賽車上實(shí)現(xiàn)裝配，橫向穩(wěn)定桿實(shí)物如圖6所示。在穩(wěn)定桿臂上設(shè)置4個(gè)安裝孔，通過不同的安裝位置來改變穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度，確定不同的側(cè)傾角剛度。

圖6 橫向穩(wěn)定桿實(shí)物圖

4 實(shí)車測(cè)試

為了驗(yàn)證橫向穩(wěn)定桿所提供的抗側(cè)傾能力以及不同安裝位置下橫向穩(wěn)定桿所能提供的側(cè)傾角剛度，對(duì)賽車分別進(jìn)行了不安裝橫向穩(wěn)定桿和4種安裝方式下的實(shí)車跑動(dòng)測(cè)試，共獲得5組數(shù)據(jù)。

反映橫向穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾能力最直觀的數(shù)據(jù)是整車的側(cè)傾角，但由于賽車的側(cè)傾角難以獲取，因此利用線位移傳感器測(cè)試轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)減振器的壓縮量，通過壓縮量間接地計(jì)算出側(cè)傾角，從而體現(xiàn)出抗側(cè)傾能力。

測(cè)試工況為賽車在25 km/h的速度下繞著半徑為10 m的圓做圓周運(yùn)動(dòng)，測(cè)試時(shí)間為60 s，設(shè)置線位移傳感器每 0.1 s進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，一組數(shù)據(jù)共包含600個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)車測(cè)試如圖7所示。

通過實(shí)車測(cè)試得到五組數(shù)據(jù)，在Matlab中將散點(diǎn)擬合成5條曲線，減振器壓縮量-時(shí)間曲線如圖8所示。圖8中從上至下五條曲線分別為在無橫穩(wěn)桿、安裝在第一孔、第二孔、第三孔、第四孔下的減振器的壓縮量。分析曲線可知，橫向穩(wěn)定桿明顯能夠提高整車的側(cè)傾角剛度，減小減振器的壓縮量。隨著橫向穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度的增加，穩(wěn)定桿能提供的側(cè)傾角剛度逐漸提高，抗側(cè)傾性能逐漸增強(qiáng)。

圖7 實(shí)車測(cè)試圖

圖8 減振器壓縮量-時(shí)間曲線

5 結(jié)論

本文介紹了巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證過程，建立了橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學(xué)模型，并在Matlab中對(duì)橫向穩(wěn)定桿的主要參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，得出了穩(wěn)定桿主要參數(shù)對(duì)穩(wěn)定桿等效側(cè)傾叫剛度的影響規(guī)律。對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行了實(shí)車跑動(dòng)測(cè)試，利用線位移傳感器采集跑動(dòng)過程中的減振器壓縮量的變化，間接地測(cè)出賽車的抗側(cè)傾能力，并驗(yàn)證出設(shè)計(jì)的該橫向穩(wěn)定桿具有較好的抗側(cè)傾性能，能提供較高的側(cè)傾角剛度，并能通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度來提供不同的側(cè)傾角剛度。該穩(wěn)定桿尺寸小，布置方便，便于安裝，具有較好的抗側(cè)傾性能，與巴哈賽車的結(jié)構(gòu)與底盤特性匹配得較好。

［1］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.6版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

［2］石柏軍，劉德輝，李真炎.汽車橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化分析及優(yōu)化［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，44（6）：98-104，112.

［3］周長(zhǎng)城，趙雷雷.車輛懸架彈性力學(xué)解析計(jì)算理論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［4］王霄鋒.汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2015.

［5］過學(xué)迅.汽車設(shè)計(jì)［M］.2版.北京：人民交通出版社，2013.

U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.003

2095－6835（2020）08－0005－03

侯小舸（1999—），男，本科在讀。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕