基于第三彈簧結(jié)構(gòu)的前懸架俯仰運(yùn)動(dòng)分析

石璇 葉胤欣 彭育輝

摘 要：為提高方程式賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，降低其俯仰運(yùn)動(dòng)幅度，設(shè)計(jì)基于第三彈簧結(jié)構(gòu)方式的前懸架系統(tǒng)。應(yīng)用汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)該新型前懸架進(jìn)行仿真分析，結(jié)合實(shí)車(chē)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的第三彈簧裝置的懸架系統(tǒng)較傳統(tǒng)懸架具有更好的抗俯仰性。

關(guān)鍵詞：懸架;抗俯仰;優(yōu)化設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)仿真;運(yùn)動(dòng)學(xué)

1 引言

大學(xué)生方程式賽車(chē)對(duì)車(chē)輛的性能要求不同于普通的車(chē)輛，傳統(tǒng)賽車(chē)一直沿用雙減震器和U型橫向穩(wěn)定桿的懸架機(jī)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并不能很好地解耦線剛度與角剛度，俯仰運(yùn)動(dòng)與側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的過(guò)分關(guān)聯(lián)直接影響到賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。另一方面，隨著空氣動(dòng)力學(xué)套件的普遍運(yùn)用，賽車(chē)高速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)大下潛，將使賽車(chē)離地間隙發(fā)生變化，影響前翼和擴(kuò)散器處的地面效應(yīng)及氣流走向，最終造成賽車(chē)整體的下壓力錯(cuò)亂[1]。為提高方程式賽車(chē)行駛時(shí)的操縱穩(wěn)定性，有必要對(duì)基于采用第三彈簧結(jié)構(gòu)方式的縱傾側(cè)傾解耦式前懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。

本文首先根據(jù)整車(chē)布置和參數(shù)進(jìn)行基于第三彈簧結(jié)構(gòu)的前懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);其次，采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立前懸架的仿真模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì);最后，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型前懸架系統(tǒng)能夠有效提高抗俯仰的效果。

2 基于第三彈簧結(jié)構(gòu)的前懸架結(jié)構(gòu)及工作原理

第三彈簧結(jié)構(gòu)的前懸架系統(tǒng)如圖1所示，包括第三彈簧主體、T型穩(wěn)定桿、平衡杠桿、連接桿、輪邊減震器、懸架搖臂、推桿及上下叉臂。其特征在于：上下叉臂的內(nèi)側(cè)硬點(diǎn)鉸接在車(chē)架結(jié)構(gòu)上，形成其擺動(dòng)轉(zhuǎn)軸;上下叉臂的外側(cè)安裝球鉸，與立柱相連;上叉臂上有一單獨(dú)球鉸，通過(guò)推桿與懸架搖臂聯(lián)動(dòng);輪邊減震器兩端分別鉸接在車(chē)架結(jié)構(gòu)上和懸架搖臂上，為整個(gè)懸架系統(tǒng)提供剛度;平衡杠桿上固結(jié)有T型穩(wěn)定桿及第三彈簧（二者皆鉸接在車(chē)架結(jié)構(gòu)上，為整個(gè)懸架系統(tǒng)提供側(cè)傾剛度和俯仰剛度），通過(guò)連接桿與懸架搖臂相連。

當(dāng)兩側(cè)車(chē)輪同時(shí)向上跳動(dòng)，即縱傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸架上下A臂被車(chē)輪帶動(dòng)同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)。鉸接在懸架上A臂上的兩側(cè)推桿推動(dòng)懸架搖臂定軸轉(zhuǎn)動(dòng)（左右兩側(cè)懸架搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反），輪邊減震器因此被壓縮，提供一定的線剛度。同時(shí)，懸架搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)使連接桿帶動(dòng)平衡杠桿繞T型穩(wěn)定桿在車(chē)架上的固定點(diǎn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)（縱向轉(zhuǎn)動(dòng)），第三彈簧本體因此被壓縮，為懸架提供額外的線剛度抗俯仰。兩側(cè)車(chē)輪同時(shí)向下跳動(dòng)的情形與上述情形類似，故不作詳細(xì)解釋。

當(dāng)兩側(cè)車(chē)輪同時(shí)反向跳動(dòng)，即側(cè)傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩側(cè)懸架上下A臂被車(chē)輪帶動(dòng)分別做上下運(yùn)動(dòng)。鉸接在懸架上A臂的兩側(cè)推桿推動(dòng)懸架搖臂定軸轉(zhuǎn)動(dòng)（左右兩側(cè)懸架搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同），兩側(cè)輪邊減震器因此分別被拉伸和壓縮，提供一定的側(cè)傾剛度。同時(shí)，懸架搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)使連接桿帶動(dòng)平衡杠桿繞T型穩(wěn)定桿的軸線做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)（橫向轉(zhuǎn)動(dòng)），T型穩(wěn)定桿受扭轉(zhuǎn)為懸架提供額外的側(cè)傾剛度。第三彈簧本體因T型穩(wěn)定桿未向車(chē)頭方向轉(zhuǎn)動(dòng)而不產(chǎn)生壓縮，故第三彈簧此時(shí)不提供剛度。[2]

3 基于第三彈簧結(jié)構(gòu)的前懸架設(shè)計(jì)

3.1 整車(chē)參數(shù)

根據(jù)之前賽季賽車(chē)的操控表現(xiàn)，整車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行小范圍調(diào)整，主要為縮短軸距和增加空氣動(dòng)力學(xué)套件下壓力，進(jìn)一步提高整車(chē)響應(yīng)速度和輪胎抓地力。具體整車(chē)參數(shù)見(jiàn)表1，其中，質(zhì)心相關(guān)參數(shù)由三維幾何模型（圖2）測(cè)量得出。

3.2 增加第三彈簧對(duì)懸架設(shè)計(jì)的影響

根據(jù)汽車(chē)基本理論力學(xué)，汽車(chē)滿載時(shí)前軸單邊垂直載荷如式（1）所示：

綜上所述，可以看出在前懸架設(shè)計(jì)增加第三彈簧結(jié)構(gòu)時(shí)，前輪單邊靜撓度可減少，減少幅度為34.5%;其次，在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，前輪單邊動(dòng)撓度減少，降低幅度為35.2%，可有效控制車(chē)身下潛及離地間隙，避免前翼及擴(kuò)散器的地面效應(yīng)和空氣流向因離地間隙改變而改變，進(jìn)而影響其他空氣動(dòng)力學(xué)套件的作用效果。

4 基于第三彈簧結(jié)構(gòu)的前懸架動(dòng)力學(xué)分析

4.1 第三彈簧式前懸架模型

利用SOLIDWORKS三維造型軟件建立懸架的三維幾何模型，如圖2所示。測(cè)得懸架模型在SOLIDWORKS中各觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，并通過(guò)修改ADAMS/CAR提供的雙叉臂式懸架模型硬點(diǎn)坐標(biāo)，從而獲得懸架各觀測(cè)點(diǎn)間的空間位置關(guān)系，如圖3所示。考慮到動(dòng)力學(xué)仿真分析的重要結(jié)果是要獲得相關(guān)觀測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位置，因此實(shí)際測(cè)量時(shí)選擇的坐標(biāo)系原點(diǎn)在賽車(chē)座艙處，向后為+X，向右為+Y，向上為+Z。所測(cè)得關(guān)鍵觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)如表2所示。[4-5]

4.2 整車(chē)仿真分析

第三彈簧式前懸架為一種新型解耦式獨(dú)立懸架，其在縱傾與側(cè)傾時(shí)分別由不同彈性元件為整車(chē)提供剛度——縱傾時(shí)由第三彈簧與輪邊彈簧提供線剛度，側(cè)傾時(shí)由T型穩(wěn)定桿與輪邊彈簧提供角剛度。此外，整車(chē)在各復(fù)雜工況下的運(yùn)動(dòng)也可簡(jiǎn)化為縱傾運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的線性組合，考慮到本文主要研究第三彈簧式前懸架的俯仰運(yùn)動(dòng)，且T型穩(wěn)定桿對(duì)第三彈簧式前懸架的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)影響更大。故基于ADAMS/CAR對(duì)整車(chē)分析（FULL-VEHICLE ANALYSIS）模塊的制動(dòng)（BRAKING）性能進(jìn)行分析，保證其它參數(shù)和硬點(diǎn)相同的情況下，在有無(wú)第三彈簧情況下按照1g/s的減速度從50km/h減速至0km/h對(duì)整車(chē)制動(dòng)性能進(jìn)行分析。

1.增加第三彈簧制動(dòng)

由圖4-圖6可知，在制動(dòng)過(guò)程中，第三彈簧（減震器）的長(zhǎng)度由360.38mm變化至354.12mm，變化量為6.26mm，輪邊彈簧（減震器）的長(zhǎng)度由182.72mm變化至177.15mm，變化量為5.57mm，前輪輪跳量由-0.07mm變化至+6.47mm，變化量為6.54mm。

2.無(wú)第三彈簧制動(dòng)

由圖7-圖8可知，在制動(dòng)過(guò)程中，輪邊彈簧（減震器）的長(zhǎng)度由181.57mm變化至173.49mm，變化量為8.08mm，前輪輪跳量由+1.18mm變化至10.69mm，變化量為9.51mm。

3.結(jié)果分析

由圖9和圖10可知，在其他條件均相同的情況下，引入第三彈簧，可以使輪邊彈簧（減震器）在制動(dòng)時(shí)的壓縮量及變化率明顯減小，輪邊彈簧壓縮量減少2.51mm，減少幅度可達(dá)31.06%，同時(shí)前輪輪跳量的變化量及變化率明顯降低，前輪輪跳量減小3.56mm，幅度37.67%。

綜上所述，第三彈簧式前懸架可有效降低方程式賽車(chē)在制動(dòng)工況下前輪輪跳的峰值，同時(shí)縮短峰值時(shí)間，進(jìn)而更快地響應(yīng)駕駛員的操作，利于發(fā)揮空氣動(dòng)力學(xué)套件的作用，為整車(chē)帶來(lái)更好的操控性。

5 試驗(yàn)測(cè)試

按照前期選取的整車(chē)參數(shù)及ADAMS/CAR仿真結(jié)果，以自主研制的福州大學(xué)電動(dòng)方程式賽車(chē)為測(cè)試對(duì)象（見(jiàn)圖11）。應(yīng)用MATLAB/SIMULINK模塊對(duì)線位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定并用其監(jiān)測(cè)、記錄輪邊彈簧及第三彈簧在不同工況下長(zhǎng)度的變化。其中，線位移傳感器行程為50-75mm，線性精度±0.1%，電阻1KΩ，重復(fù)性精度0.01mm，靈敏度1。

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7258-2012文件，保證各輪胎氣壓在標(biāo)準(zhǔn)的氣壓范圍內(nèi)（胎壓不超標(biāo)準(zhǔn)氣壓的±10%）且花紋深度不低于1.6mm，在坡度小于1%，路寬2.5m，附著系數(shù)1.5的平坦、干凈的瀝青路上，使整車(chē)分別在有無(wú)第三彈簧的情況下以50KM/h的初速度進(jìn)行緊急制定測(cè)試，由線位移傳感器測(cè)出輪邊彈簧及第三彈簧的壓縮量，進(jìn)而得出緊急制動(dòng)工況下前輪的輪跳量。[6]

由圖12-圖14可知，當(dāng)增加第三彈簧時(shí)，在整個(gè)制動(dòng)測(cè)試中，第三彈簧的長(zhǎng)度由151mm變化至144mm，變化量為7mm，輪邊彈簧的長(zhǎng)度由103mm變化至96mm，變化量為7mm，前輪輪跳由0.08mm變化至8.3mm，變化量為8.22mm。當(dāng)取消第三彈簧時(shí)，輪邊彈簧的長(zhǎng)度由101mm變化至90mm，變化量為11mm，前輪輪跳由2.43mm變化至15.34mm，變化量為12.91mm。

綜上可知，在增加第三彈簧的情況下，以相同的工況進(jìn)行制動(dòng)測(cè)試，前輪邊彈簧的壓縮量可降低4mm，降低幅度達(dá)36.36%，有效降低輪邊彈簧負(fù)荷;前輪輪跳量可減小4.69mm，減小幅度達(dá)36.33%，可有效減小制動(dòng)工況下的整車(chē)下潛及下壓力波動(dòng)。此外，整車(chē)的響應(yīng)速度也大幅提高，峰值時(shí)間由原來(lái)的2s減小為1.5s，響應(yīng)速度增加25%，方便駕駛員做出更激烈的動(dòng)作。

但由于實(shí)車(chē)各吊耳焊接及零部件安裝存在誤差，且ADAMS/CAR仿真中無(wú)前翼及擴(kuò)散器，致使實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果與仿真分析結(jié)果存在一定偏差。

6 結(jié)語(yǔ)

在福州大學(xué)自主研發(fā)的電動(dòng)方程式賽車(chē)中采用了第三彈簧式前懸架結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論計(jì)算、ADAMS虛擬仿真及實(shí)車(chē)測(cè)試。結(jié)果表明，在賽車(chē)制動(dòng)時(shí)，第三彈簧式前懸架可有效減小輪邊彈簧的壓縮量和前輪輪跳量，改善整車(chē)的抗俯仰特性和操縱穩(wěn)定性，為運(yùn)動(dòng)型車(chē)輛的前懸架設(shè)計(jì)提供一種新思路。

【基金項(xiàng)目】本文系福州大學(xué)2019年度省級(jí)大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：S201910386047

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