基于小型賽車的懸架第三彈簧裝置的設(shè)計

李雨軒，柯志鵬，羅偉東，劉昱升，謝文婷

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

引言

大學(xué)生方程式汽車大賽是一項汽車設(shè)計與制造賽事，它的主要參與者為高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生，各參賽車隊在賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范下，在一年內(nèi)自行開發(fā)和研制出一輛具有優(yōu)秀的加速、制動、操控性等方面性能的賽車，完成性能、設(shè)計和營銷的比拼[1]。

隨著越來越多的高校同臺競技，大學(xué)生方程式賽車對性能的要求也越來越高。傳統(tǒng)的FSAE賽車通常沿用雙減震器搭配U型橫向穩(wěn)定桿的懸架結(jié)構(gòu)，在運動的過程中不能很好的對線剛度和角剛度進(jìn)行解耦，俯仰運動和側(cè)傾運動關(guān)聯(lián)過度，影響了賽車的操縱穩(wěn)定性。另外，隨著空氣動力學(xué)套件的普遍運用和空氣動力學(xué)仿真的進(jìn)步，賽車高速制動時產(chǎn)生的點頭以及在高速行駛時產(chǎn)生的下壓力作用下懸架過度壓縮都會使賽車的離地間隙發(fā)生改變，影響前翼和擴散器下的地面效應(yīng)，可能導(dǎo)致底部氣流出現(xiàn)失速而使整體下壓力錯亂。為解決橫向穩(wěn)定桿不能提供抗俯仰的問題，提高賽車性能以及操作穩(wěn)定性，有必要基于小型賽車的懸架結(jié)構(gòu)，設(shè)計開發(fā)一套第三彈簧裝置并運用在實車上進(jìn)行試驗調(diào)試。

1 前懸架及第三彈簧裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 懸架幾何草圖

根據(jù)車架并與車架協(xié)調(diào)確定懸架的內(nèi)硬點；再從輪胎數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合整車參數(shù)，選取側(cè)傾角度和合適的輪跳內(nèi)傾來確定懸架幾何，結(jié)合離地間隙從而確定懸架的外硬點；再根據(jù)外硬點布置推拉桿和減震器硬點，考慮到賽車前艙布局以及為第三彈簧裝置的布置留下空間，放棄了結(jié)構(gòu)緊湊的拉桿懸架結(jié)構(gòu)，選擇了推桿懸架結(jié)構(gòu)，調(diào)配好合適的搖臂傳動比，最后確定第三彈簧裝置硬點及幾何草圖。

1.2 前懸架三維建模、結(jié)構(gòu)及工作原理

利用CATIA三維建模軟件建立賽車的前懸架以及第三彈簧裝置的三維幾何模型。了解參考CCDB減震器，簡化機械結(jié)構(gòu)，選擇設(shè)計無阻尼的第三彈簧；主要設(shè)計兩端頂桿，配合使用的定滑塊以及動滑塊，其中定滑塊添加骨架油封的槽，以便使用時防止內(nèi)部潤滑脂溢出。第三彈簧結(jié)構(gòu)包含主簧和副簧，主彈簧負(fù)責(zé)輪胎上跳支撐，提高剛度，副彈簧提供下跳行程。

圖1 前懸架系統(tǒng)

添加了第三彈簧裝置的前懸架系統(tǒng)，包括主彈簧、第三彈簧裝置、T型穩(wěn)定桿、防傾桿、搖臂、推桿以及上下橫臂等結(jié)構(gòu)。上下橫臂內(nèi)硬點通過球鉸連接在吊耳上，選用M6桿端關(guān)節(jié)軸承；外側(cè)硬點安裝M6向心關(guān)節(jié)軸承，連接在立柱上下U型叉上；下橫臂V塊上有一吊耳結(jié)構(gòu)，推桿通過M6桿端關(guān)節(jié)軸承連接，與搖臂聯(lián)動；主減震器兩端皆鉸接在車架吊耳與懸架搖臂上，為整個懸架系統(tǒng)提供剛度；防傾桿鉸接在車架結(jié)構(gòu)上，通過球鉸連接防傾桿傳動桿，與搖臂聯(lián)動，為懸架系統(tǒng)提供側(cè)傾剛度；第三彈簧裝置一端固結(jié)在車架結(jié)構(gòu)上，一端通過球鉸連接在T型穩(wěn)定桿中點，穩(wěn)定桿兩端通過球鉸連接傳動桿與搖臂聯(lián)動，為懸架系統(tǒng)提供俯仰剛度[2]。

當(dāng)兩側(cè)車輪同時向上輪跳（例如制動點頭等情況），即賽車發(fā)生縱傾時，車輪通過輪芯與立柱帶動懸架雙橫臂向上運動，通過球鉸連接在下橫臂V塊上的兩側(cè)推桿推動搖臂做定軸轉(zhuǎn)動，鉸接在搖臂上的主減震器因此被壓縮，提供了一部分的線剛度。兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動同時拉動傳動桿，由此帶動防傾桿旋轉(zhuǎn)（未發(fā)生扭轉(zhuǎn)不起作用）和T型穩(wěn)定桿縱向運動，第三彈簧裝置被壓縮，為懸架系統(tǒng)提供了額外的線剛度，提高抗俯仰能力，起到抗點頭的作用[3-4]。

當(dāng)兩側(cè)車輪方向輪跳，即賽車發(fā)生側(cè)傾時，車輪通過輪芯與立柱帶動兩側(cè)懸架雙橫臂分別做上下運動，通過球鉸連接在下橫臂V塊上的兩側(cè)推桿推動搖臂做定軸反向轉(zhuǎn)動，鉸接在搖臂上的主減震器分別壓縮和拉伸，提供一部分的側(cè)傾剛度。兩側(cè)搖臂分別推拉傳動桿，防傾桿被扭轉(zhuǎn)，壓縮拉伸側(cè)主減震器，為懸架系統(tǒng)提供額外的側(cè)傾剛度，T形穩(wěn)定桿繞中點軸線轉(zhuǎn)動不發(fā)生縱向運動，第三彈簧裝置未被壓縮，因此此時不提供剛度。

縱傾運動時，第三彈簧裝置提供額外的縱傾剛度；側(cè)傾運動時，防傾桿提供額外的側(cè)傾剛度。第三彈簧裝置解決了兩者過于關(guān)聯(lián)從而影響賽車操縱穩(wěn)定性的問題，使得懸架系統(tǒng)能更好的解耦。

2 前懸架系統(tǒng)仿真分析

2.1 整車參數(shù)確定

根據(jù)以往賽季中賽車的動態(tài)表現(xiàn)以及新賽季設(shè)計目標(biāo)，整車設(shè)計參數(shù)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，主要為提高賽車的操縱穩(wěn)定性以及完成輕量化目標(biāo)。詳細(xì)見整車參數(shù)表1。其中，質(zhì)心相關(guān)參數(shù)由整車三維建模賦予材料屬性后通過慣量測量得出。

表1 整車參數(shù)

2.2 硬點坐標(biāo)確定

利用CATIA三維建模軟件對前懸架幾何模型進(jìn)行建模后，測量得各懸架硬點的三維坐標(biāo)值，可通過修改Adams car提供的雙橫臂懸架模型中的硬點坐標(biāo)，得到新賽車的仿真模型。

圖2 前懸架動態(tài)仿真模型

2.3 結(jié)果與分析

在確認(rèn)硬點坐標(biāo)以及設(shè)定好邊界條件后，對此仿真模型進(jìn)行動態(tài)仿真分析，得到結(jié)果。

第三彈簧裝置很大程度地提高了賽車懸架系統(tǒng)的線剛度，提高其抗俯仰能力，并且第三彈簧裝置不影響賽車懸架系統(tǒng)的角剛度，即在側(cè)傾時不影響運動，能做到很好的解耦。

圖3 有/無第三彈簧裝置前懸架系統(tǒng)線剛度對比線圖

3 實物與試驗

對設(shè)計的第三彈簧裝置進(jìn)行繪制工程制圖，并加工。根據(jù)設(shè)定的整車參數(shù)以及動態(tài)仿真的設(shè)計參數(shù)，以華汽車隊20賽季燃油方程式賽車Ambition9為測試對象。借助AIM儀表對直線位移傳感器進(jìn)行調(diào)零并收集兩側(cè)主減震器動態(tài)跑動中的運動數(shù)據(jù)。在控制變量中，測試不同速度進(jìn)行制動時，有無第三彈簧裝置對車身俯仰的影響。通過兩側(cè)主減震器的壓縮情況來反映車身動態(tài)俯仰程度。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，擁有第三彈簧裝置的賽車在同等速度工況下相較于無第三彈簧的賽車時主減震器減少壓縮4mm～8mm。并且通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，在無第三彈簧裝置的情況下，賽車在動態(tài)中時常會出現(xiàn)前翼蹭地的現(xiàn)象，制動時尤為嚴(yán)重，而裝上第三彈簧裝置后，蹭地現(xiàn)象大幅減少。

4 結(jié)語

綜上所訴，并且結(jié)合車手反饋，第三彈簧裝置能有效抑制賽車在制動時的點頭行為，減少主彈簧的壓縮量以及縮小前輪輪跳區(qū)間，維持賽車的底盤高度，避免了在高速行駛時產(chǎn)生的下壓力作用下懸架過度壓縮使底部氣流出現(xiàn)失速導(dǎo)致的整體下壓力錯亂，進(jìn)而更快地響應(yīng)車手的操作，提高了賽車的操縱穩(wěn)定性，為小型賽車的前懸架設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)意義。