巴哈賽車懸架的設(shè)計(jì)與制作

陳淼，耿杰，王新建，郭躍

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222)

0 引言

巴哈大賽(Baja SAE China，BSC)是由中國汽車工程學(xué)會(huì)主辦、在各院校間展開的小型越野賽車設(shè)計(jì)和制作競賽。賽事圍繞牽引力、操控性、耐力幾個(gè)方面進(jìn)行，因此要求各隊(duì)所造出的賽車具有強(qiáng)勁的動(dòng)力加速性、優(yōu)良的越野通過性、靈活的操縱性能及可靠的耐久性能。在所有這些性能的體現(xiàn)中，懸架發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，承載了車輪和車架之間的各種力和力矩，并緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，減少由此引起的振動(dòng)，以保證汽車能平順地行駛。懸架的結(jié)構(gòu)和性能好壞對整車操控性和平順性都有很大的影響。

1 結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)

1.1 整體選型

整車參數(shù)如表1所示。

表1 賽車的整車參數(shù)

文中在設(shè)計(jì)前懸架時(shí)選用的雙橫臂式懸架，具備便于制造、加工和安裝的好處，這也是在眾多整車上得到認(rèn)可的原因。在該項(xiàng)賽事中，參賽的車隊(duì)大多采用的是該形式的懸架。

1.2 偏頻的選擇

偏頻是評判整車平順性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，可用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：n為前懸架的偏頻；k為賽車前懸架的剛度(N/cm)；m為賽車前懸架的簧上質(zhì)量(kg)。

對于功能不同的車型來說，偏頻的選擇是不同的，這是因?yàn)樗闹禃?huì)對汽車的行駛平順性有一定的影響。對于一個(gè)BSC賽車來說，主要以完成比賽為目的，對行駛車輛的平順性的要求有所降低，所以文中取值要偏大一些。初步選擇前懸架的偏頻n=2.5 Hz。

1.3 側(cè)傾剛度的選擇

對于雙橫臂式獨(dú)立懸架，側(cè)傾角剛度用Cφ來表示，它的計(jì)算用公式(2)[1]來表示：

(2)

式中：B為賽車的輪距(mm)；k1為賽車懸架的線剛度(N/mm)。

一般情況下，車輛的側(cè)傾角剛度越大，操縱穩(wěn)定性就越好，但是行駛的平順性就會(huì)有所降低，所以賽車的側(cè)傾角剛度值過大或過小都不行。當(dāng)側(cè)傾角過大時(shí)，駕駛者會(huì)感覺到舒適性比較差；過小時(shí)，對賽車的操縱穩(wěn)定性不好，會(huì)影響到賽車手的操作。因此在0.5g的側(cè)向加速度下，側(cè)傾角剛度選取為2°～5°可以使車輛獲得較好的穩(wěn)定性。

1.4 側(cè)傾中心

側(cè)傾中心是車輛旋轉(zhuǎn)時(shí)相對地面的瞬時(shí)軸線，如圖1所示。車輛在運(yùn)動(dòng)過程中，側(cè)傾中心不是固定的，所以側(cè)傾中心高度也不是一個(gè)固定值，會(huì)隨著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位置轉(zhuǎn)變而變化，由于BSC賽車的底盤很高，根據(jù)賽場和賽道的實(shí)際情況，在一開始設(shè)計(jì)的前懸架側(cè)傾高度為114 mm。

圖1 側(cè)傾中心和側(cè)傾高度

1.5 車輪定位參數(shù)

BSC賽車中，前輪作為轉(zhuǎn)向輪，主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和車輪前束為前輪的主要參數(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求主銷后傾角在車輪上跳時(shí)變大，也就是運(yùn)動(dòng)的過程中不是固定值；為了轉(zhuǎn)向輕便，主銷內(nèi)傾角不宜過大，否則會(huì)加重輪胎的磨損，一般不會(huì)大于8°；適當(dāng)?shù)能囕喭鈨A角可以降低輪胎的磨損量，增大輪胎的接地面積，保證順利過彎。前輪前束和外傾角有相關(guān)性，需要聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，會(huì)提高輪胎的使用壽命[2]。經(jīng)初步計(jì)算，得出前懸架的部分設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示。

表2 前懸架的部分設(shè)計(jì)參數(shù)

2 創(chuàng)建模型

懸架結(jié)構(gòu)線是左右對稱的，在軟件中只考慮創(chuàng)建一半的模型即可。文中是對不等長雙橫臂懸架模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，不做動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)特征的要求，所以簡化了對模型的要求。具體內(nèi)容如下：

(1)前懸架上的每個(gè)零件都為剛性體，在前輪上下跳動(dòng)時(shí)不發(fā)生形變；

(2)在設(shè)計(jì)時(shí)不考慮車輪的問題，同樣為剛性體；

(3)各零部件之間的關(guān)聯(lián)也忽略不計(jì)，如鏈接間隙、零件之間的摩擦力等；

(4)前懸架的減振器阻尼特性均簡化為線性特征。

根據(jù)ADAMS/Car軟件中已有的坐標(biāo)系，選擇左右兩側(cè)車輪中心連接線的中點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸正方向?yàn)檐囕v模型前進(jìn)的方向，Y軸正方向?yàn)檐囕v的右水平方向，Z軸的垂直向上為正方向。

2.1 建立硬點(diǎn)

在軟件里建立懸架模型的關(guān)鍵點(diǎn)，即軟件中所說的硬點(diǎn)。創(chuàng)建模型的根本是硬點(diǎn)坐標(biāo)的選擇，后期可以更改硬點(diǎn)坐標(biāo)的位置來轉(zhuǎn)變模型的形狀。表3所示的是前懸架硬點(diǎn)的基本空間坐標(biāo)位置。

表3 硬點(diǎn)坐標(biāo) mm

2.2 創(chuàng)建模型

根據(jù)上述硬點(diǎn)坐標(biāo)，創(chuàng)建零部件的空間模型，還需設(shè)置前懸架的主銷參數(shù)以及車輪的外傾角和前束角的參數(shù)值，建立總裝配模型，如圖2所示。

圖2 前懸仿真模型及試驗(yàn)臺(tái)

3 ADAMS仿真分析

比賽時(shí)，車輪遇到崎嶇不平的路面和障礙物時(shí)會(huì)上下跳動(dòng)，車身的側(cè)傾或縱傾時(shí)也會(huì)使車輪發(fā)生上下跳動(dòng)，所以前輪的跳動(dòng)引起前懸架參數(shù)變化可以作為仿真分析時(shí)的重要依據(jù)[3]，用來判斷前懸架在設(shè)計(jì)時(shí)的不足。

在進(jìn)行仿真分析之前，要切換到運(yùn)動(dòng)學(xué)模式，對已建立的仿真模型進(jìn)行車輪激振仿真，也就是通過建立的試驗(yàn)臺(tái)對車輪進(jìn)行垂直的上下跳動(dòng)，來獲得主要的特征曲線。此次仿真對車輪上下跳動(dòng)量的設(shè)置：上跳動(dòng)100 mm，下跳動(dòng)-100 mm，再分為200步進(jìn)行[4]。這樣就可以得到懸架中主要的特征曲線，特征曲線會(huì)在ADAMS/Postprocessor后處理模塊體現(xiàn)出來。

3.1 前輪定位參數(shù)的仿真分析

前輪外傾角的仿真曲線如圖3(a)所示，正常行駛時(shí)，前輪外傾角取值在1°左右，輪胎不會(huì)發(fā)生偏磨現(xiàn)象。車輪發(fā)生上跳時(shí)，外傾角由正值逐步減少到負(fù)值，并且角度變化量由-0.3°～0.05°～-0.2°，懸架在50 mm的壓縮范圍內(nèi)整體的變化量是0.35°，變化量小于0.02°/mm，在合理的范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求[5]。

主銷后傾角的仿真曲線如圖3(b)所示。主銷后傾角在賽車上的作用主要是為了保持行駛穩(wěn)定，穩(wěn)定車輪回正的力矩。在BSC賽車上后傾角的設(shè)置都是超過一般車輛的，一般車輛的后傾角為2°～3°。從圖中可以看出該懸架后傾角由5.52°變化到5.02°，該變化量小于0.02°/mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

主銷內(nèi)傾角的仿真曲線如圖3(c)所示，圖中顯示了前懸架主銷內(nèi)傾角的變化量由6.45°到5.95°，再到6.051°。整體的角度變化量是0.5°，變化范圍不大，在范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)的要求。

前輪前束角的仿真曲線如圖3(d)所示。合適的前輪前束角在于補(bǔ)償輪胎因外傾角及路面阻力所導(dǎo)致的向內(nèi)或向外滾動(dòng)的趨勢，確保車直線行駛和減少輪胎的磨損。在圖3(d)中，前輪前束角的變化量從-0.66°到0.96°，整體變化量是1.62°，在合理范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 前輪定位參數(shù)的變化

3.2 前輪輪距變化量的仿真分析

汽車對于前輪輪距的變化是有一定要求的。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)的過程中，這種輪距的變化會(huì)產(chǎn)生一些側(cè)向力，不利于駕駛者對車的操縱穩(wěn)定性[6]。BSC賽車在賽場上比賽時(shí)，由于在路面崎嶇不平的情況，允許賽車輪距的變化量可以超過一般汽車的輪距變化。由圖4中可以計(jì)算出輪距的初始值為1 142 mm，在車輪上跳時(shí)，輪距增大到1 154 mm，也就是一側(cè)(左側(cè))輪距變化量為6 mm；在車輪下跳時(shí)，輪距變成1 122 mm，同樣一側(cè)(左側(cè))變化量為10 mm。因此，車輪上下跳時(shí)，輪距變化量比較小，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 前懸架側(cè)傾中心高度的仿真曲線

由圖5得知，在靜止的情況下，側(cè)傾中心高度為100 mm，車輪在上下跳動(dòng)時(shí)，側(cè)傾中心高度也在隨時(shí)變化，優(yōu)化后的變化量為192.8 mm，較為符合實(shí)際和設(shè)計(jì)需求。

4 懸架制作

根據(jù)賽規(guī)，制作材料力學(xué)性能需超過一定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)對比，4130鉻鉬鋼的性能較好，且滿足比賽要求，因此選擇4130鉻鉬鋼為制作材料。

在賽車加工制作中，為保證加工精度，將誤差控制在合理范圍內(nèi)，需要進(jìn)行坡口處理和焊接定位等過程，分別如圖6和圖7所示。

圖7 懸架焊接定位方式

將各部件定位好后開始焊接和裝配，焊接采用氬弧焊，效率較高，焊接空間相對較為自由，且穩(wěn)定可靠。最終裝配如圖8所示。

圖8 懸架裝配圖

5 結(jié)論

對選擇的參數(shù)在ADAMS/Car中創(chuàng)建模型，建立起虛擬的試驗(yàn)臺(tái)，然后進(jìn)行微動(dòng)態(tài)仿真分析。不在合理范圍之內(nèi)的進(jìn)行二次修改和優(yōu)化，讓最后的效果達(dá)到最佳的狀態(tài)。最終確定前懸架的參數(shù)：懸架偏頻2.5 Hz，上擺臂長度340 mm，下擺臂長度390 mm，主銷后傾角5°，主銷內(nèi)傾角7°，車輪前束角2°，車輪外傾角-1.5°，側(cè)傾中心高度113.6 mm，前輪距1 142 mm。測試結(jié)果顯示，產(chǎn)品滿足比賽要求，且穩(wěn)定可靠。