大學(xué)生方程式賽車懸架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、大學(xué)生方程式賽車懸架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)劉寅童，邢立軒，盧泳陵 *同濟(jì)大學(xué)【摘要】大學(xué)生方程式賽車當(dāng)前已經(jīng)風(fēng)靡全球。其設(shè)計(jì)形式可謂五花八門。作為一款賽車,懸架系統(tǒng)對(duì)于其整車性能的影響不可忽視。為了能夠使賽車的操控性能最優(yōu)化，對(duì)于不同的賽 車，即使采用相同的懸架結(jié)構(gòu)形式，也應(yīng)該具有不同的設(shè)計(jì)參數(shù)。本文將以自行設(shè)計(jì)的賽車為 基礎(chǔ)，針對(duì)賽道路況，設(shè)計(jì)及優(yōu)化懸架系統(tǒng)參數(shù)，以使賽車能夠達(dá)到較好的操控性和平順性?！娟P(guān)鍵詞】大學(xué)生方程式賽車，懸架系統(tǒng)，側(cè)傾中心，前輪外傾角，懸架剛度Optimizati on for the Suspe nsion Parameters of Formula SAE CarLiu

2、 Yintong, Xing Lixua n, Lu Yon gli ngTongjj Un iversityAbstract: Formula SAE has been already very popular among the young people globaly. The design has also been diversified. As a racing car, suspension system has a great effect on the performa nee of the car. As a result, a similar suspe nsion st

3、ructure on differe nt car must has differenet parameters, to optimize the performanee. In this article, the design was based on a self-built car and the parameters was optimized for circuit con diti on to improve the con troll ing and ridi ng performa nee.Key words: Formula SAE, Suspe nsion system,

4、Roll cen ter, Camber, Suspe nsion stiffness1研究背景大學(xué)生方程式賽車系列賽事 (Formula SAE由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)(SAEInternational ) 創(chuàng)辦于1979年。經(jīng)過(guò)了 30年的發(fā)展，目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)在11個(gè)國(guó)家舉辦。由于其特有的教學(xué)實(shí)踐方式及賽事本身的專業(yè)性，在大學(xué)生中深受歡迎。由于該賽事除了考核賽車的動(dòng)力性，也對(duì)賽車的操控性及設(shè)計(jì)方法同等重視，因此在賽車的結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)及優(yōu)化就需要相當(dāng)細(xì)膩的處理。而懸架系統(tǒng)作為賽車的“四肢”，直接影響賽車的操控性及平順性，甚至賽車在賽道上的行駛姿態(tài)，因此，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性更加CATIA 及

5、ADAM蒔 CAD/CAE不可忽視。本文將以自行設(shè)計(jì)的賽車為藍(lán)本，針對(duì)賽事賽道路況，利用作者介紹:E-mail: Ieon804 liuxinglixuancomeonrabbit劉寅童，男，05級(jí)本科；研究方向：車輛工程邢立軒，男，07級(jí)本科；研究方向：車輛工程盧泳陵，男，07本科；研究方向：車輛工程軟件，結(jié)合汽車?yán)碚撝R(shí)， 對(duì)初步完成的懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)方法加以總結(jié)，以達(dá)到一個(gè)比較理想操控性及平順性。圖1所示為懸架結(jié)構(gòu)基本形式。圖1賽車懸架結(jié)構(gòu)基本形式2賽車基本參數(shù)在進(jìn)行賽車懸架系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)之前，根據(jù)已知的發(fā)動(dòng)機(jī)及其套件重量、車手體重及其傳動(dòng)系統(tǒng)重量，可以初步估算出

6、前后軸荷分布比例Fzi/ F z2=44/56。通過(guò)該前后軸荷分布比例，設(shè)置賽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向性能為不足轉(zhuǎn)向，根據(jù)式 2-1 1，即穩(wěn)定性因數(shù)K>0,可以得到 賽車前后軸荷分布的關(guān)系如式2-2所示，其中a/b=56/44，則可推出前后懸架剛度之比ki/4.5m的彎道，根k2>44/56。根據(jù)規(guī)則中第四部分的7.2條規(guī)定，為使賽車能夠通過(guò)半徑為據(jù)R=L/sin 3丄 為軸距，B為外側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)角，可設(shè)置賽車軸距參考值為1600mm除此以外，通過(guò)測(cè)量，也可確定出質(zhì)心高度hg。具體整車參數(shù)如表 1所示。= u/L1 +馬?空?u L ?k2 k1 ?u/L1+Ku22-1ak2b>k1

7、2-2軸距1600mm前后軸荷比44/56前后軸重心高度hg152.27mm/250mm滿載質(zhì)量300kg表1整車基本參數(shù)表至此，在懸架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中將用到的參數(shù)已經(jīng)全部求出。 個(gè)部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)的詳細(xì)內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。接下來(lái)將對(duì)懸架系統(tǒng)幾3懸架系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1側(cè)傾中心優(yōu)化側(cè)傾中心作為整車前、后軸橫斷面的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，直接影響整車側(cè)傾軸線的位置，從而確定了整車側(cè)傾力矩的大小。因此，為了能夠減小賽車過(guò)彎時(shí)的側(cè)傾力矩，須要使所設(shè)計(jì)的懸架結(jié)構(gòu)的側(cè)傾中心靠近質(zhì)心位置。但是為了避免側(cè)傾中心過(guò)高引起車輪在跳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的角度變化，須要找到一個(gè)最佳的側(cè)傾中心高度。由于在本文所設(shè)計(jì)的賽車上采用雙橫臂結(jié)

8、構(gòu)懸架，側(cè)傾中心位置由上、下橫臂間張角決定。如圖2所示。aa rfeJref圖2側(cè)傾中心示意圖P若橫臂aa'與bb'平行，且都平行于地面時(shí)， 側(cè)傾中心高度hw=0，即W在賽車中性面與 地面的交點(diǎn)處。為了能夠適當(dāng)?shù)纳邆?cè)傾中心，本文采用將下橫臂與車架連接點(diǎn)b、d上移,使下橫臂上斜的方式，提高側(cè)傾中心的高度。根據(jù)式3-12側(cè)傾中心的高度計(jì)算公式，可以算得hw。=p3-12 k cos p + d ta n cr + a式3-1中，Bi為輪距，k為與a b長(zhǎng)度相關(guān)。通過(guò)代入數(shù)值計(jì)算得到，當(dāng)下橫臂傾斜角度為7.07°時(shí)，hw為104mm。前文已經(jīng)提到，通過(guò)測(cè)量前軸處質(zhì)心高度為

9、152.27mm。根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式賽車大賽規(guī)則中描述，在進(jìn)行8字繞環(huán)項(xiàng)目時(shí)，側(cè)向加速度大小為0.9g。則此時(shí)前軸所產(chǎn)生的側(cè)傾力矩為3-2Tw = Fyf(hg - lh/v) =0.9gmf(hg -仏)此時(shí)賽車受力如圖3所示。與Tw相反方向的力矩 T1阻止賽車側(cè)傾。通過(guò)計(jì)算，Tw。 可見(jiàn)經(jīng)過(guò)調(diào)整后的側(cè)傾中心高度合理。采用相同方法求得后側(cè)傾中心高度為123.1mm ,而后軸質(zhì)心高度為 250mm，通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證是合理的。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明，側(cè)傾軸線前低后高的整車性能較好。通過(guò)本文優(yōu)化設(shè)計(jì)后前后軸側(cè)傾中心符合前低后高的合理設(shè)計(jì)。3.2懸架減震性能優(yōu)化計(jì)算根據(jù)公路輸入-車輛平度表示方法4，本文選

10、取A級(jí)公路路面激勵(lì)頻率作為目標(biāo)對(duì)象。 該級(jí)別公路路面激勵(lì)波長(zhǎng)期望值為0.625m,根據(jù)規(guī)則中描述，在進(jìn)行復(fù)雜賽道比賽時(shí)，賽車最高平均速度為 48km/h，根據(jù)計(jì)算可知頻率期望值為21.3Hz。因此在進(jìn)行懸架剛度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量使懸架偏頻避免與路面激勵(lì)頻率發(fā)生共振。前文通過(guò)計(jì)算求得前后軸荷分布Mf=132kg, Mr=168kgo則前輪單輪載荷為66kg，后輪單輪載荷為84kg。懸架偏頻計(jì)算如式 3-3。(2 n3-3傳統(tǒng)Formula 1賽車采用懸架剛度為175N/mm，減震器阻尼為 0.7整備質(zhì)量不得低于600kg5。由于大學(xué)生方程式賽車的整備質(zhì)量為200至250kg ,為了避免懸架剛度過(guò)大

11、，本文中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)選取前懸剛度k1=70N/mm。則前懸偏頻n1=0.52Hz。則后懸剛度k2<89.1N/mm，取k2=89N/mm , n2=0.52Hz，貝U n仁n2,未在路面激勵(lì)頻率的共振范圍。除此以外，為了保證懸架系統(tǒng)能夠具有上下至少各25.4mm跳動(dòng)能力，還需要對(duì)計(jì)算得到的懸架剛度利用 ADAMS進(jìn)行仿真驗(yàn)算。如圖4所示為所用輪胎的剛度曲線。輪胎的徑向剛度為128N/mm。在仿真模型中將輪胎等效為彈簧減震器，并設(shè)置其阻尼為1,懸架減震器阻尼為0.7。通過(guò)在車上加載一個(gè)階躍力，得到如圖5所示的衰減的位移震蕩圖。該位移為車架中性面的一個(gè)節(jié)點(diǎn)?？梢?jiàn)，最大位移完全滿足25.4m

12、m的要求。并且由于減震器阻尼作用，振動(dòng)并沒(méi)有一直持續(xù)而是迅速衰減，有助于提高賽車的操控性、平順性和舒適性。圖4輪胎徑向剛度曲線圖5車架位移曲線3.3橫臂長(zhǎng)度比例校核仿真及車輪外傾角和主銷內(nèi)傾角變化范圍隨著懸架跳動(dòng)，車輪的外傾角也會(huì)發(fā)生變化。上下橫臂的長(zhǎng)度關(guān)系將直接影響外傾角的 變化范圍。因此，為了盡可能縮小車輪外傾角的變化范圍，需要對(duì)上下橫臂的長(zhǎng)度比例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在ADAMS中將懸架三維模型簡(jiǎn)化為 YZ平面內(nèi)的二維模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如圖610所示的曲線圖。計(jì)算時(shí)設(shè)置懸架跳動(dòng)范圍為-30mm30mm，所設(shè)計(jì)的上橫臂（L1 ）與下橫臂（L2 ）長(zhǎng)度之比：前懸 L1/L2=0.89，后懸L1/

13、L2=0.85圖6前輪接地點(diǎn)側(cè)向滑移量變化曲線10圖7前輪外傾角變化曲線圖8前輪主銷內(nèi)傾角變化曲線圖9后輪接地點(diǎn)側(cè)向滑移量變化曲線圖10后輪外傾角變化曲線以上曲線均表示在單次跳動(dòng)完成時(shí)，各參數(shù)的變化曲線。從圖上不難看出，前后輪輪距變化范圍均在7mm以內(nèi)，變化量小于 0.5%，前輪外傾角最大變化量為 1 °，后輪外傾角最 大變化量為1.3°,主銷內(nèi)傾角最大變化量為1°?？梢?jiàn)，所設(shè)計(jì)的橫臂比例對(duì)車輪定位參數(shù)只產(chǎn)生了非常小的變化影響，從而對(duì)賽車行駛過(guò)程可能造成的影響也非常小。因此所設(shè)計(jì)的符合該比例的橫臂符合要求。4結(jié)論通過(guò)上述的計(jì)算與仿真工作，賽車的懸架系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

14、能夠得到優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終確定懸架基本參數(shù)如下：前懸剛度k1=70N/mm，前懸上橫臂傾角a 1=0，前懸下橫臂傾角B 1=7.07°，前輪外傾 角B仁2°,前懸橫臂長(zhǎng)度比 L1/L2=0.89 ;后懸剛度k2=89N/mm，后懸上橫臂傾角a 2=0，后懸下橫臂傾角B 2=7.18 °，后輪外傾 角B 2=1 °，后懸橫臂長(zhǎng)度比 L1/L2=0.85 。優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)能夠有效的提升賽車性能。然而由于大學(xué)生方程式賽車本身的特殊 性，基于仿真和計(jì)算結(jié)果所設(shè)計(jì)制造出的懸架系統(tǒng)仍然需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以深入的校核。除此以外，懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要本文中所優(yōu)化的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，還需要更加細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，根據(jù)以上基本參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，對(duì)懸架的力學(xué)結(jié)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、輕量 化、工藝性分析等方面仍然還有許多因素需要考慮。綜合這些設(shè)計(jì)之后才能實(shí)現(xiàn)比較理想的完整的懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 余志生.汽車?yán)碚揗.第5版，北