巴哈賽車懸架的設計與制作

陳淼，耿杰，王新建，郭躍

(天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222)

0 引言

巴哈大賽(Baja SAE China，BSC)是由中國汽車工程學會主辦、在各院校間展開的小型越野賽車設計和制作競賽。賽事圍繞牽引力、操控性、耐力幾個方面進行，因此要求各隊所造出的賽車具有強勁的動力加速性、優良的越野通過性、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中，懸架發揮了關鍵的作用，承載了車輪和車架之間的各種力和力矩，并緩沖由不平路面傳給車架或車身的沖擊力，減少由此引起的振動，以保證汽車能平順地行駛。懸架的結構和性能好壞對整車操控性和平順性都有很大的影響。

1 結構選型與設計

1.1 整體選型

整車參數如表1所示。

表1 賽車的整車參數

文中在設計前懸架時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可的原因。在該項賽事中，參賽的車隊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劣的重要參數，可用公式(1)進行計算：

(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，這是因為它的值會對汽車的行駛平順性有一定的影響。對于一個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 側傾剛度的選擇

對于雙橫臂式獨立懸架，側傾角剛度用Cφ來表示，它的計算用公式(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，車輛的側傾角剛度越大，操縱穩定性就越好，但是行駛的平順性就會有所降低，所以賽車的側傾角剛度值過大或過小都不行。當側傾角過大時，駕駛者會感覺到舒適性比較差；過小時，對賽車的操縱穩定性不好，會影響到賽車手的操作。因此在0.5g的側向加速度下，側傾角剛度選取為2°～5°可以使車輛獲得較好的穩定性。

1.4 側傾中心

側傾中心是車輛旋轉時相對地面的瞬時軸線，如圖1所示。車輛在運動過程中，側傾中心不是固定的，所以側傾中心高度也不是一個固定值，會隨著導向機構位置轉變而變化，由于BSC賽車的底盤很高，根據賽場和賽道的實際情況，在一開始設計的前懸架側傾高度為114 mm。

圖1 側傾中心和側傾高度

1.5 車輪定位參數

BSC賽車中，前輪作為轉向輪，主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角和車輪前束為前輪的主要參數。在設計時，一般要求主銷后傾角在車輪上跳時變大，也就是運動的過程中不是固定值；為了轉向輕便，主銷內傾角不宜過大，否則會加重輪胎的磨損，一般不會大于8°；適當的車輪外傾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性，需要聯動設計，會提高輪胎的使用壽命[2]。經初步計算，得出前懸架的部分設計參數，如表2所示。

表2 前懸架的部分設計參數

2 創建模型

懸架結構線是左右對稱的，在軟件中只考慮創建一半的模型即可。文中是對不等長雙橫臂懸架模型進行運動學仿真分析，不做動力學、靜力學特征的要求，所以簡化了對模型的要求。具體內容如下：

(1)前懸架上的每個零件都為剛性體，在前輪上下跳動時不發生形變；

(2)在設計時不考慮車輪的問題，同樣為剛性體；

(3)各零部件之間的關聯也忽略不計，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ADAMS/Car軟件中已有的坐標系，選擇左右兩側車輪中心連接線的中點為原點，X軸正方向為車輛模型前進的方向，Y軸正方向為車輛的右水平方向，Z軸的垂直向上為正方向。

2.1 建立硬點

在軟件里建立懸架模型的關鍵點，即軟件中所說的硬點。創建模型的根本是硬點坐標的選擇，后期可以更改硬點坐標的位置來轉變模型的形狀。表3所示的是前懸架硬點的基本空間坐標位置。

表3 硬點坐標 mm

2.2 創建模型

根據上述硬點坐標，創建零部件的空間模型，還需設置前懸架的主銷參數以及車輪的外傾角和前束角的參數值，建立總裝配模型，如圖2所示。

圖2 前懸仿真模型及試驗臺

3 ADAMS仿真分析

比賽時，車輪遇到崎嶇不平的路面和障礙物時會上下跳動，車身的側傾或縱傾時也會使車輪發生上下跳動，所以前輪的跳動引起前懸架參數變化可以作為仿真分析時的重要依據[3]，用來判斷前懸架在設計時的不足。

在進行仿真分析之前，要切換到運動學模式，對已建立的仿真模型進行車輪激振仿真，也就是通過建立的試驗臺對車輪進行垂直的上下跳動，來獲得主要的特征曲線。此次仿真對車輪上下跳動量的設置：上跳動100 mm，下跳動-100 mm，再分為200步進行[4]。這樣就可以得到懸架中主要的特征曲線，特征曲線會在ADAMS/Postprocessor后處理模塊體現出來。

3.1 前輪定位參數的仿真分析

前輪外傾角的仿真曲線如圖3(a)所示，正常行駛時，前輪外傾角取值在1°左右，輪胎不會發生偏磨現象。車輪發生上跳時，外傾角由正值逐步減少到負值，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，符合設計要求[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定，穩定車輪回正的力矩。在BSC賽車上后傾角的設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，滿足設計要求。

主銷內傾角的仿真曲線如圖3(c)所示，圖中顯示了前懸架主銷內傾角的變化量由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，符合設計的要求。

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償輪胎因外傾角及路面阻力所導致的向內或向外滾動的趨勢，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，符合設計要求。

圖3 前輪定位參數的變化

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。因為在運動的過程中，這種輪距的變化會產生一些側向力，不利于駕駛者對車的操縱穩定性[6]。BSC賽車在賽場上比賽時，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中可以計算出輪距的初始值為1 142 mm，在車輪上跳時，輪距增大到1 154 mm，也就是一側(左側)輪距變化量為6 mm；在車輪下跳時，輪距變成1 122 mm，同樣一側(左側)變化量為10 mm。因此，車輪上下跳時，輪距變化量比較小，符合設計要求。

3.3 前懸架側傾中心高度的仿真曲線

由圖5得知，在靜止的情況下，側傾中心高度為100 mm，車輪在上下跳動時，側傾中心高度也在隨時變化，優化后的變化量為192.8 mm，較為符合實際和設計需求。

4 懸架制作

根據賽規，制作材料力學性能需超過一定標準。根據對比，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，需要進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，且穩定可靠。最終裝配如圖8所示。

圖8 懸架裝配圖

5 結論

對選擇的參數在ADAMS/Car中創建模型，建立起虛擬的試驗臺，然后進行微動態仿真分析。不在合理范圍之內的進行二次修改和優化，讓最后的效果達到最佳的狀態。最終確定前懸架的參數：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°，主銷內傾角7°，車輪前束角2°，車輪外傾角-1.5°，側傾中心高度113.6 mm，前輪距1 142 mm。測試結果顯示，產品滿足比賽要求，且穩定可靠。