越野賽車雙橫臂懸架K & C特性分析

陸潤明，廖抒華，覃紫瑩

(廣西科技大學汽車與交通學院，廣西柳州 545000)

0 引言

中國大學生巴哈大賽(Baja SAE China)，簡稱BSC大賽，是由中國汽車工程學會主辦的大學生小型越野車競賽。這項賽事的動態項目包括牽引賽、繞樁、操控賽和耐力比賽等[1]，在這些比賽項目中，賽車的操縱穩定性顯得尤為重要，懸架的設計對一輛賽車的整車操穩性能有著重要的影響。懸架是現代汽車上的一個重要總成，它把車架(或車身)與車軸(或車輪)彈性地連接起來。其主要任務是在車輪和車架(或車身)之間傳遞所有的力和力矩，緩和由路面不平傳給車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統的振動，控制車輪的運動規律，以保證汽車具有需要的平順性和操縱穩定性[2]。針對已設計的賽車前懸架進行K & C特性分析，并獲取相關的運動仿真結果，以此分析懸架存在的問題，并為懸架優化提供依據。

1 多體動力學仿真模型的建立

巴哈賽車前懸架是雙橫臂獨立懸架，拓撲結構如圖1所示。

圖1 巴哈賽車前懸架拓撲結構簡圖

從UG三維模型里面提取前懸架各硬點坐標，利用ADAMS/Car模塊對賽車前懸架進行多體動力學仿真模型的建立，輪轂與轉向節通過旋轉副連接，轉向節通過球鉸副與轉向橫拉桿連接，減振器下滑柱通過萬向副與懸架下擺臂連接，減振器上滑柱通過萬向副與車身子系統連接，轉向節通過軸套分別與上、下控制臂連接，上、下控制臂通過旋轉副與車架連接，轉向橫拉桿通過等速副與轉向子系統連接[5]，所建前懸架多體動力學模型如圖2所示。

圖2 巴哈賽車前懸架多體動力學模型

2 賽車雙橫臂懸架K特性分析

懸架的C特性即懸架的運動學特性，懸架的K特性主要是考慮懸架相關參數與車輪運動的關系[3]。各構件間的連接為鉸接連接，不考慮襯套等彈性元件、外界的力和力矩對懸架參數所造成的影響。借助ADAMS/Car模塊，對前懸架仿真模型做雙輪同向激振仿真試驗[4]，根據懸架系統的動撓度和靜撓度的設計，選擇車輪上下跳動高度分別為上跳100 mm，下跳100 mm，修改好彈簧剛度、彈簧預載等參數后，對前懸架進行運動學分析。

賽車行駛時，零前束是最希望看到的。合理的前束設計可以減輕由車輪外傾所引起的轉動并減少輪胎的磨損。前束值的取值一般在零的前后，這樣有利于賽車經過各種復雜路面時還能保持良好的行駛穩定性。巴哈賽車是中置后驅的小型越野車，前輪作為從動輪，在前輪上作用有向后的力，這種力使轉向桿系發生變形，當主銷偏移距為正時，將趨于使前束向負的方向變化。所以，賽車靜止時，前輪應該呈弱正前束；當賽車行駛起來后，兩個前輪將趨于相互平行[2]。仿真實驗時，前束值變化范圍如圖3所示，變化范圍在0.13°～1.69°之間，在設計目標值之內。

圖3 前束角隨車輪跳動量變化關系圖

車輪外傾角的設計應該有利于減少賽車行駛時輪胎的磨損和保持直線行駛的穩定性，同時保證賽車具有良好的抓地力。不合適的車輪外傾角會造成輪胎快速、異常磨損。巴哈賽車的比賽場地大多是泥沙路和石子路，為了保證賽車具有良好的加速能力，賽車空載狀態下應該具有正外傾角；當賽車手坐進車內以后，車輪外傾角應該減小到趨近于0。如圖4所示，車輪外傾角變化范圍在-0.16°～1.31°之間，在車輪從下往上跳動過程中，車輪外傾角逐漸減小，甚至出現負外傾的情況，是不合理的變化規律，需要對硬點坐標加以優化。

圖4 車輪外傾角隨車輪跳動量變化關系圖

主銷內傾角對賽車的操縱性是有很大影響的。主銷內傾角的存在給轉向輪施加了一個回正力矩，即主銷內傾角減小了主銷偏移距，使轉向更加輕便且有利于方向盤復位。為了保證賽車具有良好的行駛穩定性和轉向性能，主銷內傾角不宜過大，通常控制在6°～11°內。如圖5所示，主銷內傾角的變化范圍是8.99°～10.41°，在合理的設計范圍之內且變化趨勢平順。在賽車運動過程中，主銷內傾角變化不大，沒有突然變大或變小的情況，由主銷內傾角造成的轉向阻力矩也不會對車手的操縱造成影響。

圖5 主銷內傾角隨車輪跳動量變化關系圖

主銷后傾角的存在，主要是為了能使賽車行駛時，有自動回正的功能。主銷后傾角不宜過大，否則在賽車轉向時，極其容易引起車輪外傾角的變化，對輪胎造成不均勻的磨損。巴哈賽車是一種應用于特殊賽道的車輛，行駛時會遇到各種障礙和比較多的彎道，主銷后傾角的大小對其行駛性能有很大的影響。主銷后傾角在賽車上一般控制在0°～4°之間，如圖6所示，主銷后傾角變化范圍是2.61°～3.08°，在車輪上下跳動過程中，變化范圍不大，變化趨勢趨于線性且比較合理。

圖6 主銷后傾角隨車輪跳動量變化關系圖

除了考慮以上的車輪定位參數以外，輪距也是重點考量對象。巴哈比賽的賽道，有很多特殊的障礙設置，比如炮彈坑、滾木路、亂石堆、飛坡等，考慮輪距的變化情況，主要是避免由于特殊路段造成輪距突變給輪胎造成異常的磨損，且影響賽車行駛平順性。所以在賽車運動的過程中，應該避免輪距發生太大的變化。如圖7所示，車輪上下跳動過程中，輪距變化范圍為1 293.92～1 365.67 mm，輪距變化過大，對賽車行駛平順性和操縱穩定性造成一定的影響，后期需要對懸架硬點進行優化。

圖7 前輪輪距隨車輪跳動量變化關系圖

3 賽車雙橫臂懸架C特性分析

懸架的C特性即懸架的彈性運動學特性，主要是襯套、力和力矩對懸架定位參數的影響，主要考慮的是襯套的特性，地面對輪胎的側向力、縱向力影響和制動力的輸入等因素。懸架的K特性分析主要是考察硬點位置、懸架結構對懸架定位參數的影響，是懸架結構優化過程中的首要考慮因素，相對于懸架的K特性，懸架的C特性分析更貼近懸架使用的實際情況。在現實當中，懸架還有很多地方使用了襯套連接，并且K特性分析沒有考慮力和力矩的影響，因此懸架C特性的分析主要是懸架結構進一步優化的參考依據[6]。

3.1 側向力作用下的懸架運動特性分析

賽車在比賽過程中，賽道上會設置很多特殊障礙，比如半月彎、亂石坡路段，對賽車抗側向干擾的能力有很高的要求，所以作側向力作用下的仿真很有必要性。車輪受到側向力影響時，對懸架定位參數中車輪外傾角、前束角的影響比較大，修改好襯套特性、彈簧剛度、彈簧預載等參數后，根據賽車的整車參數對前軸兩側車輪分別施加-700～700 N的側向力。車輪外傾角、前束角隨側向力加載變化關系如圖8、圖9所示，車輪外傾角在0.66°～1.68°之間，車輪外傾角變化不大且呈線性變化，均在合理的變化范圍之內。輪跳量為零時，前輪呈弱正前束狀態，但在側向力影響下，前束角卻在-9.81°～11.45°之間變化，變化范圍太大，懸架抗側向干擾能力較差，對賽車的操控很不利，需要對硬點坐標加以優化。

圖8 車輪外傾角隨側向力加載變化關系圖

圖9 前束角隨側向力加載變化關系圖

3.2 縱向力作用下的懸架運動特性分析

在比賽過程中，會存在很多突然加速和制動的情形，當賽車加速和制動時，會受到來自地面的縱向反力，使懸架導向桿系各元件發生縱向和側向變形，引起車輪轉角和外傾角等參數的變化[7]?？v向力的存在主要會引起前束角、車輪外傾角和輪距的變化。對前懸架兩側車輪分別施加-1 017～1 017 N的縱向力，縱向力作用下各相關參數變化如圖10—12所示。

圖10 輪距隨縱向力加載變化關系圖

圖11 車輪外傾角隨縱向力加載變化關系圖

圖12 前束角隨縱向力加載變化關系圖

輪距和車輪外傾角在制動和加速工況下變化不大，但前束角卻在-9.96°～11.56°之間變化，波動過大，變化規律不合理，前束角對縱向力的加載較敏感，后期需要針對前束角敏感硬點位置作進一步優化。

4 結束語

針對巴哈前懸架做了運動學分析和彈性運動學分析，剖析了在兩種條件下懸架相關參數的變化規律，希望仿真所得的數據能給賽車懸架的后期設計優化工作提供一定的參考依據，從而提高設計工作效率。虛擬機的仿真跟賽車實際使用情況存在一定的差別，很多影響因素并不能體現出來，但是對硬點位置優化有一定的指導作用，對懸架結構做進一步的優化，從而提高懸架的使用性能，以及賽車的操縱穩定性和行駛平順性。