電驅(qū)動(dòng)方程式賽車(chē)轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性分析

【摘" 要】對(duì)車(chē)輛來(lái)說(shuō)，擁有良好的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，對(duì)方程式賽車(chē)尤為重要，對(duì)賽車(chē)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性的分析與研究是每一支參賽車(chē)隊(duì)都必須要做的。筆者首先對(duì)FSAE大學(xué)生方程式賽車(chē)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和方程式賽車(chē)操縱穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，然后以學(xué)校參賽車(chē)隊(duì)設(shè)計(jì)的電動(dòng)方程式賽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，利用ADAMS/CAR虛擬樣機(jī)對(duì)方程式賽車(chē)影響因子進(jìn)行建模，并針對(duì)整車(chē)主要影響因子進(jìn)行仿真分析、試驗(yàn)，輸出仿真曲線，借助曲線結(jié)果的分析，對(duì)賽車(chē)操縱穩(wěn)定性給予評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】FSAE方程式賽車(chē)；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；硬點(diǎn)坐標(biāo)；仿真分析；ADAMS/CAR

中圖分類號(hào)：U463.4" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）11-0005-04

Stability Analysis of Steering Maneuvering in Electrically Driven Formula Race Cars*

ZUO Baogui，HUANG Changhai

（College of Artificial Intelligence，Jiangxi University of Technology，Nanchang 330098，China）

【Abstract】Having good steering stability is crucial for vehicles，especially for formula racing. Analyzing and researching the steering stability of racing cars is a must for every participating team. The author first provides a brief explanation of the current development status of FSAE college student formula racing at home and abroad，as well as the influencing factors on the handling and stability of formula racing. Then，based on the hard point coordinates of the steering system of the electric formula racing designed by the school's participating teams，the ADAMS/CAR virtual prototype is used to model the influencing factors of formula racing. Simulation analysis and experiments are conducted on the main influencing factors of the entire vehicle，and simulation curves are output，by analyzing the curve results，evaluate the handling and stability of the racing car.

【Key words】FSAE formula racing；steering system；hard point coordinates；simulation analysis；ADAMS/CAR

1" 引言

FSAE賽事由中國(guó)方程式賽車(chē)協(xié)會(huì)主辦，自第一屆比賽至今，已有10余年的歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已有上百余支車(chē)隊(duì)參與其中，甚至吸引了國(guó)內(nèi)各著名高校參加，例如湖南大學(xué)、北京理工大學(xué)、廈門(mén)理工學(xué)院等。FSAE大賽每年舉辦一次，因此車(chē)隊(duì)成員有充足的時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)制造自己的賽車(chē)。同時(shí)對(duì)參加比賽的車(chē)輛有著嚴(yán)格要求，不僅要考慮賽車(chē)行駛速度和加速性能，而且在安全性和可靠性方面也是不可或缺的。

設(shè)計(jì)完成的賽車(chē)需要經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試，這樣可以幫助設(shè)計(jì)者能更加深入地了解所設(shè)計(jì)賽車(chē)的性能。動(dòng)力性、穩(wěn)定性、制動(dòng)性以及經(jīng)濟(jì)性都是大賽重要的評(píng)判指標(biāo)[1]。動(dòng)力性能主要反映速度和加速度，一輛動(dòng)力強(qiáng)勁的賽車(chē)不僅需要很高的車(chē)速，加速度也是不可忽視的，因?yàn)榱己玫募铀俣饶軌驇椭愜?chē)更好地解決彎道問(wèn)題，使得賽車(chē)通過(guò)諸多彎道后能夠迅速提速，為比賽贏得時(shí)間，因此對(duì)車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性有著極高的要求。

在國(guó)外組織的賽事中，參賽車(chē)隊(duì)設(shè)計(jì)的賽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本都是采用四輪驅(qū)動(dòng)輪式電機(jī)，其目的是為了提供更加強(qiáng)勁的動(dòng)力[2]，但是除此之外，還需要考慮車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性。大多數(shù)車(chē)隊(duì)的賽車(chē)設(shè)計(jì)成單殼體，取代了之前的鋼管桁架結(jié)構(gòu)，就是為了改善車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性，同時(shí)也減輕了車(chē)身的整體質(zhì)量，改變了車(chē)身的整體剛度。根據(jù)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行狀況的轉(zhuǎn)向特性變化，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步完善賽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)提高整車(chē)的穩(wěn)定性有很大的作用。

方程式賽車(chē)操縱穩(wěn)定性的影響因素屬于賽車(chē)本身的特性，在賽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行控制和優(yōu)化[3]。而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則是賽車(chē)操縱穩(wěn)定性重要的影響因素之一，因?yàn)檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾何形狀通過(guò)預(yù)設(shè)的定位硬點(diǎn)影響著車(chē)輪定位參數(shù)，所以其轉(zhuǎn)向性能影響著車(chē)輛的行駛狀況。因此，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析研究是有必要的。

2" 模型的建立

本文以學(xué)校車(chē)隊(duì)FSAE方程式賽車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行仿真。在交通工具領(lǐng)域最常用到的軟件是ADAMS，它包含了專業(yè)的分析車(chē)輛的模塊ADAMS/CAR，基本上國(guó)內(nèi)外所有的方程式賽車(chē)仿真分析都離不開(kāi)此軟件。只需通過(guò)調(diào)整參數(shù)以及連接關(guān)系就能快速、準(zhǔn)確地建立仿真模型。運(yùn)用ADAMS/CAR軟件對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立模型，如圖1所示。需要注意的是，在創(chuàng)建轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型時(shí)，需要選擇Front選項(xiàng)[4]，否則無(wú)法完成裝配。

根據(jù)三維模型圖，運(yùn)用CATIA軟件測(cè)量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型，可以得到各個(gè)子系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)[5]，見(jiàn)表1。

文中所考慮的整車(chē)操縱穩(wěn)定性因素模型主要是圍繞轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)研究的，車(chē)架和動(dòng)力總成并無(wú)實(shí)際模型[6]。實(shí)際上，車(chē)架與懸架系統(tǒng)的連接對(duì)操縱穩(wěn)定性也有著一定的影響，最后得到賽車(chē)各個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型裝配體。整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖2所示。

3" 賽車(chē)操縱穩(wěn)定性分析

設(shè)計(jì)好賽車(chē)的內(nèi)部參數(shù)（例如簧載質(zhì)量、質(zhì)心高度、軸距等），這些參數(shù)是進(jìn)行仿真分析的首要基礎(chǔ)，然后圍繞車(chē)輛操縱穩(wěn)定性影響因素對(duì)模型硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行仿真分析。

3.1" 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真與評(píng)價(jià)

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性是評(píng)價(jià)方程式賽車(chē)操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了車(chē)輛設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的重要性，只有車(chē)輛行駛中的方向回轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)達(dá)到要求，所設(shè)計(jì)的這輛賽車(chē)操穩(wěn)性評(píng)價(jià)才算合格。所以，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性研究對(duì)于汽車(chē)操縱穩(wěn)定性非常重要。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性仿真使用的方法是選定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，賽車(chē)的行駛速度為10km/h，沿著半徑為15m的圓形線路做圓周行駛運(yùn)動(dòng)。行駛一段時(shí)間之后，待車(chē)輛勻速行駛穩(wěn)定，保持方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的位置不動(dòng)，然后慢慢以0.4m/s2的加速度進(jìn)行加速，直至加速度達(dá)到7.5m/s2，仿真試驗(yàn)結(jié)束。輸出仿真曲線，曲線如圖3～圖7所示，可以看出各個(gè)參數(shù)的變化趨勢(shì)以及變化范圍都是合理的。

3.2" 蛇形試驗(yàn)

蛇形試驗(yàn)內(nèi)容為特殊道路行駛工況性能試驗(yàn)。試驗(yàn)的意圖主要是檢驗(yàn)賽車(chē)在特殊彎道狀況下行駛的穩(wěn)定性、靈敏性和操控性。因?yàn)榉匠淌酱筚惖捻?xiàng)目中有種特別的賽道——蛇形繞樁，因此車(chē)隊(duì)設(shè)計(jì)的賽車(chē)必須進(jìn)行蛇形繞樁仿真。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6323.1—94的規(guī)定，標(biāo)樁間距為30m，基準(zhǔn)車(chē)速為60km/h，汽車(chē)起步后的加速階段先沿直線行駛一段距離，待車(chē)輛穩(wěn)定后再以試驗(yàn)基準(zhǔn)車(chē)速蛇形通過(guò)試驗(yàn)道路。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)仿真，得到如圖8～圖10所示仿真圖。由圖可知賽車(chē)在試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，并未出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

3.3" 轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正性能試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正試驗(yàn)包括賽車(chē)在兩種工況狀態(tài)下的試驗(yàn)仿真，即低速狀態(tài)和高速狀態(tài)，目的是分析賽車(chē)在這兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向回正力，檢驗(yàn)賽車(chē)由彎道行駛迅速轉(zhuǎn)為直線行駛后，方向自動(dòng)回正的車(chē)輛性能。然而在實(shí)際比賽過(guò)程中，為了爭(zhēng)取比賽時(shí)間，車(chē)速往往都會(huì)保持較高狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正性能將直接影響到賽車(chē)手的發(fā)揮，最終影響比賽成績(jī)。

1）低速回正試驗(yàn)：試驗(yàn)開(kāi)始后先讓賽車(chē)低速沿著直線行駛，待車(chē)輛穩(wěn)定后轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，讓賽車(chē)沿著半徑約為15m的圓形車(chē)道行駛，不斷調(diào)整賽車(chē)的側(cè)向加速度，使其達(dá)到4m/s2，然后同時(shí)保持方向盤(pán)轉(zhuǎn)角和賽車(chē)速度不變[7]，放開(kāi)方向盤(pán)使其自動(dòng)回正。仿真輸出參數(shù)結(jié)果曲線如圖11、圖12所示。

2）高速回正試驗(yàn)：試驗(yàn)開(kāi)始后讓賽車(chē)慢慢加速至80km/h的速度行駛，待車(chē)輛穩(wěn)定后再調(diào)整方向盤(pán)，使其側(cè)向加速度為2m/s2，同樣放開(kāi)方向盤(pán)使其自動(dòng)回正，保持油門(mén)的松緊[8]。仿真結(jié)果曲線如圖13、圖14所示。

3）仿真結(jié)果分析：從低速和高速狀態(tài)下的方向自動(dòng)回正性能試驗(yàn)中的響應(yīng)曲線來(lái)看，賽車(chē)的自動(dòng)回正性能不太好。低速情況下，回正穩(wěn)定性比較差；高速情況下，穩(wěn)定時(shí)間也偏長(zhǎng)，還需進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。

3.4" 轉(zhuǎn)向靈敏性試驗(yàn)

由于賽車(chē)和車(chē)手需經(jīng)歷一段長(zhǎng)時(shí)間的高速行駛狀態(tài)，為了使車(chē)輛具備更好的操縱穩(wěn)定性以及保存和節(jié)省車(chē)手體力，要求車(chē)輛轉(zhuǎn)向靈敏性達(dá)到最優(yōu)，這樣可以幫助車(chē)手能更好地完成比賽。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6323.2—94的規(guī)定，仿真試驗(yàn)中，讓賽車(chē)以20m/s的速度沿雙紐線行駛，待賽車(chē)跑完一次后即為完成了一次試驗(yàn)，得出的仿真曲線如圖15、圖16所示，賽車(chē)轉(zhuǎn)向過(guò)程中的最大轉(zhuǎn)向力矩大致是20N·m，在車(chē)手可以承受的范圍之內(nèi)。

4" 總結(jié)

本文以學(xué)校比賽車(chē)隊(duì)設(shè)計(jì)的電動(dòng)方程式賽車(chē)為研究對(duì)象，分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)賽車(chē)操縱穩(wěn)定性的影響，首先建立了影響因素的參數(shù)模型，得出硬點(diǎn)坐標(biāo)，然后運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)影響賽車(chē)操縱穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行了試驗(yàn)仿真，仿真試驗(yàn)結(jié)果可以為賽車(chē)今后的再設(shè)計(jì)和調(diào)教改進(jìn)提供一定的參考。

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（編輯" 凌" 波）

作者簡(jiǎn)介

左寶貴（1989—），男，助教，研究方向?yàn)槠?chē)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。