大學(xué)生方程式賽車懸架設(shè)計(jì)

劉硯文

摘要：懸架系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車上的扮演著重要的角色，懸架的設(shè)計(jì)水平直接決定車輛的操穩(wěn)性和平順性等性能。以中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽為基礎(chǔ)，綜合分析四代賽車的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一套完整科學(xué)的FSAE懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式;賽車;懸架設(shè)計(jì)

FSAE是一項(xiàng)源自國(guó)外SAE方程式的系列賽，已有超過(guò)30年的舉辦歷史，于2010年正式引進(jìn)國(guó)內(nèi)，賽事發(fā)展至今，已經(jīng)有了豐富的理論和軟件基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外均有大量的研究。懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)揭示了車輪在上下運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)向過(guò)程中懸架定位參數(shù)的變化，也稱K特性。懸架動(dòng)力學(xué)則是研究輪胎受到來(lái)自地面的各種力和力矩作用時(shí)，懸架的評(píng)價(jià)參數(shù)隨這些力或力矩的變化關(guān)系，合稱他們?yōu)椤皯壹躃&C特性”。

一、懸架前期設(shè)計(jì)內(nèi)容

在懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，參考大賽規(guī)則、整車參數(shù)和性能要求等，首先需要確定前、后懸架的形式、車輪定位參數(shù)和懸架幾何。然后計(jì)算懸架的彈簧剛度和阻尼系數(shù)，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上搭建懸架系統(tǒng)的空間幾何。

對(duì)懸架系統(tǒng)提出的設(shè)計(jì)要求有：

（一）懸架系統(tǒng)需要保障賽車具備優(yōu)良的行駛平順性、操穩(wěn)性以及衰減振動(dòng)能力;

（二）懸架系統(tǒng)能夠可靠的傳遞作用在車輪和車身之間的力和力矩，同時(shí)要有足夠的強(qiáng)度和使用壽命;

（三）便于布置和維護(hù);更好的保持車廂姿勢(shì)，減小車廂的側(cè)傾與縱傾，并且提高懸架的安全性與穩(wěn)定性。

二、前后懸架類型選擇

汽車懸架大致分為獨(dú)立懸架與非獨(dú)立懸架兩類。非獨(dú)立懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、工作可靠、輪跳時(shí)輪胎定位參數(shù)變化小等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于火車的前后懸架。乘用車領(lǐng)域非獨(dú)立懸架大多數(shù)僅用于后橋。但由于其一側(cè)車輪受到激勵(lì)時(shí)會(huì)影響另一車輪，故其平順性與操縱穩(wěn)定性較差。獨(dú)立懸架具有簧下質(zhì)量小，幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)特性理想以及平順性、操穩(wěn)性較好等優(yōu)點(diǎn)，常用在轎車或高性能跑車上，由于懸架系統(tǒng)的性能直接影響著整車極限的高低，故選用獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)FSAE懸架布置形式大致分為三類：不等長(zhǎng)雙橫臂推桿式獨(dú)立懸架、不等長(zhǎng)雙橫臂推拉式獨(dú)立懸架、不等長(zhǎng)雙橫臂無(wú)推拉桿式獨(dú)立懸架。

通過(guò)對(duì)各種懸架布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)的綜合比較，參考往屆車隊(duì)的使用經(jīng)驗(yàn)以及友隊(duì)的使用情況，考慮到設(shè)計(jì)、制造、組裝、調(diào)試、維修的綜合因素，最終決定前后均采用不等長(zhǎng)雙橫臂推桿式獨(dú)立懸架。

減震器布置形式摒棄傳統(tǒng)對(duì)置式，改用縱側(cè)傾解耦式布置形式，此形式使用兩根獨(dú)立的減震器分別應(yīng)對(duì)縱傾工況和側(cè)傾工況。傳統(tǒng)的布置形式在調(diào)節(jié)阻尼以及彈簧預(yù)壓時(shí)縱側(cè)傾工況表現(xiàn)都會(huì)受到影響，此布置形式能夠做到分開(kāi)獨(dú)立調(diào)節(jié)阻尼以及彈簧預(yù)壓，使得懸架調(diào)教更精準(zhǔn)，相比與加入了第三彈簧的懸架形式來(lái)說(shuō)，又減輕了一根減震器的重量。

三、懸架參數(shù)計(jì)算

車輪定位參數(shù)包括車輪外傾角、前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角。車輪定位參數(shù)的合理匹配，能確保汽車的直線行駛能力，并且保證汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)能保持較好的車身姿態(tài)，較大的輪胎附著力，且減少輪胎的磨損程度。

四、懸架剛度和阻尼計(jì)算

（一）整車參數(shù)確定

隨著方程式賽車設(shè)計(jì)技術(shù)的愈發(fā)完善，賽車底盤設(shè)計(jì)的逐漸成熟，底盤離地高度已經(jīng)降到了40mm甚至35mm。本賽季底盤最低離地高度定為35mm，發(fā)動(dòng)機(jī)的下移帶來(lái)質(zhì)心位置的下降，采用抬高法測(cè)量18賽季賽車的重心高度約為300mm，前后載荷比47：53，即質(zhì)心距離前軸837mm，距離后軸743mm。

（二）懸架偏頻選取

偏頻是指簧上質(zhì)量無(wú)阻尼自有震動(dòng)的固有頻率，偏頻的大小影響著賽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，方程式賽車一般選在2.4到3Hz，在空套技術(shù)愈發(fā)成熟的前提下，提供的下壓力越來(lái)越大的，偏頻選擇已經(jīng)提升到4到5Hz，為了提高操穩(wěn)性，并且避免共振，需要我們結(jié)合實(shí)車特性，選出一個(gè)合適的值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，前后偏頻波動(dòng)不超過(guò)10%，故此選擇本賽季前懸架偏頻4Hz后懸架偏頻3.7Hz。

（三）懸架剛度計(jì)算

懸架線剛度Kw是指懸架受到的垂直外力與車輪中心相對(duì)于車身位移的比值。

前軸單側(cè)懸架線剛度：KMF=4π2fFMS1/2=4Xπ2×4×119/2=9395N/M

后軸單側(cè)懸架線剛度：KMR=4π2fRMS1/2=4Xπ2×3.7×134/2=9776N/M

適乘剛度KR是指懸架受到的垂直外力與輪胎接地面相對(duì)于車身位移的比值。

已知輪胎剛度KT=140000N/M，由輪胎剛度與懸架線剛度串聯(lián)得到適乘剛度，換算關(guān)系如下：

計(jì)算可得： KRF=8804N/M KRR=9137N/M

考慮到彈簧能夠選購(gòu)的型號(hào)，前后彈簧各選用500磅/450磅，防傾桿補(bǔ)償剛度131.5nm/°。

根據(jù)懸架線剛度Ks與彈簧剛度Kw的換算公式計(jì)算出搖臂傳遞比MR。

Ks=Kw×MR2

計(jì)算得出前后懸架側(cè)傾傳遞比1.307/1.40，縱傾傳遞比1.331/1.37。

（四）懸架阻尼計(jì)算

結(jié)合設(shè)計(jì)前期計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算懸架阻尼值。

計(jì)算公式：

式中，為相對(duì)阻尼系數(shù)，為簧上質(zhì)量，為偏頻。

在賽車懸架設(shè)計(jì)中將相對(duì)阻尼系數(shù)分為壓縮行程以及回彈行程分別進(jìn)行計(jì)算。在懸架設(shè)計(jì)中，為了減少壓縮過(guò)程中沖擊力對(duì)平順性的影響，同時(shí)也為了保護(hù)阻尼器，將壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)適當(dāng)降低，伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)適當(dāng)增大?？紤]到方程式賽車對(duì)于操控穩(wěn)定性的要求，結(jié)合往年賽車數(shù)據(jù)的選取，選定壓縮相對(duì)阻尼系數(shù)和回彈相對(duì)阻尼系數(shù)分別為0.3/0.4。

五、結(jié)論

本文以山東理工大學(xué)至尚方程式賽車隊(duì)的19賽季懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)前期的研究分析確定懸架的選型，接著進(jìn)行懸架數(shù)據(jù)的選擇和計(jì)算，梳理了懸架設(shè)計(jì)流程和方法，以后的FSAE懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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