基于第三彈簧結構的前懸架俯仰運動分析

石璇 葉胤欣 彭育輝

摘 要：為提高方程式賽車的操縱穩定性，降低其俯仰運動幅度，設計基于第三彈簧結構方式的前懸架系統。應用汽車動力學仿真軟件ADAMS對該新型前懸架進行仿真分析，結合實車測試，試驗結果表明所設計的第三彈簧裝置的懸架系統較傳統懸架具有更好的抗俯仰性。

關鍵詞：懸架;抗俯仰;優化設計;計算機仿真;運動學

1 引言

大學生方程式賽車對車輛的性能要求不同于普通的車輛，傳統賽車一直沿用雙減震器和U型橫向穩定桿的懸架機構，在運動過程中并不能很好地解耦線剛度與角剛度，俯仰運動與側傾運動的過分關聯直接影響到賽車的操縱穩定性。另一方面，隨著空氣動力學套件的普遍運用，賽車高速制動時產生的過大下潛，將使賽車離地間隙發生變化，影響前翼和擴散器處的地面效應及氣流走向，最終造成賽車整體的下壓力錯亂[1]。為提高方程式賽車行駛時的操縱穩定性，有必要對基于采用第三彈簧結構方式的縱傾側傾解耦式前懸架系統進行研究和開發。

本文首先根據整車布置和參數進行基于第三彈簧結構的前懸架結構設計;其次，采用ADAMS動力學仿真軟件建立前懸架的仿真模型并進行動力學分析和優化設計;最后，通過實車試驗驗證所設計的新型前懸架系統能夠有效提高抗俯仰的效果。

2 基于第三彈簧結構的前懸架結構及工作原理

第三彈簧結構的前懸架系統如圖1所示，包括第三彈簧主體、T型穩定桿、平衡杠桿、連接桿、輪邊減震器、懸架搖臂、推桿及上下叉臂。其特征在于：上下叉臂的內側硬點鉸接在車架結構上，形成其擺動轉軸;上下叉臂的外側安裝球鉸，與立柱相連;上叉臂上有一單獨球鉸，通過推桿與懸架搖臂聯動;輪邊減震器兩端分別鉸接在車架結構上和懸架搖臂上，為整個懸架系統提供剛度;平衡杠桿上固結有T型穩定桿及第三彈簧（二者皆鉸接在車架結構上，為整個懸架系統提供側傾剛度和俯仰剛度），通過連接桿與懸架搖臂相連。

當兩側車輪同時向上跳動，即縱傾運動時，懸架上下A臂被車輪帶動同時向上運動。鉸接在懸架上A臂上的兩側推桿推動懸架搖臂定軸轉動（左右兩側懸架搖臂轉動方向相反），輪邊減震器因此被壓縮，提供一定的線剛度。同時，懸架搖臂的轉動使連接桿帶動平衡杠桿繞T型穩定桿在車架上的固定點定軸轉動（縱向轉動），第三彈簧本體因此被壓縮，為懸架提供額外的線剛度抗俯仰。兩側車輪同時向下跳動的情形與上述情形類似，故不作詳細解釋。

當兩側車輪同時反向跳動，即側傾運動時，兩側懸架上下A臂被車輪帶動分別做上下運動。鉸接在懸架上A臂的兩側推桿推動懸架搖臂定軸轉動（左右兩側懸架搖臂轉動方向相同），兩側輪邊減震器因此分別被拉伸和壓縮，提供一定的側傾剛度。同時，懸架搖臂的轉動使連接桿帶動平衡杠桿繞T型穩定桿的軸線做定軸轉動（橫向轉動），T型穩定桿受扭轉為懸架提供額外的側傾剛度。第三彈簧本體因T型穩定桿未向車頭方向轉動而不產生壓縮，故第三彈簧此時不提供剛度。[2]

3 基于第三彈簧結構的前懸架設計

3.1 整車參數

根據之前賽季賽車的操控表現，整車設計參數在原有基礎上進行小范圍調整，主要為縮短軸距和增加空氣動力學套件下壓力，進一步提高整車響應速度和輪胎抓地力。具體整車參數見表1，其中，質心相關參數由三維幾何模型（圖2）測量得出。

3.2 增加第三彈簧對懸架設計的影響

根據汽車基本理論力學，汽車滿載時前軸單邊垂直載荷如式（1）所示：

綜上所述，可以看出在前懸架設計增加第三彈簧結構時，前輪單邊靜撓度可減少，減少幅度為34.5%;其次，在汽車制動時，前輪單邊動撓度減少，降低幅度為35.2%，可有效控制車身下潛及離地間隙，避免前翼及擴散器的地面效應和空氣流向因離地間隙改變而改變，進而影響其他空氣動力學套件的作用效果。

4 基于第三彈簧結構的前懸架動力學分析

4.1 第三彈簧式前懸架模型

利用SOLIDWORKS三維造型軟件建立懸架的三維幾何模型，如圖2所示。測得懸架模型在SOLIDWORKS中各觀測點的三維坐標值，并通過修改ADAMS/CAR提供的雙叉臂式懸架模型硬點坐標，從而獲得懸架各觀測點間的空間位置關系，如圖3所示?？紤]到動力學仿真分析的重要結果是要獲得相關觀測點間的相對位置，因此實際測量時選擇的坐標系原點在賽車座艙處，向后為+X，向右為+Y，向上為+Z。所測得關鍵觀測點坐標如表2所示。[4-5]

4.2 整車仿真分析

第三彈簧式前懸架為一種新型解耦式獨立懸架，其在縱傾與側傾時分別由不同彈性元件為整車提供剛度——縱傾時由第三彈簧與輪邊彈簧提供線剛度，側傾時由T型穩定桿與輪邊彈簧提供角剛度。此外，整車在各復雜工況下的運動也可簡化為縱傾運動和側傾運動的線性組合，考慮到本文主要研究第三彈簧式前懸架的俯仰運動，且T型穩定桿對第三彈簧式前懸架的側傾運動影響更大。故基于ADAMS/CAR對整車分析（FULL-VEHICLE ANALYSIS）模塊的制動（BRAKING）性能進行分析，保證其它參數和硬點相同的情況下，在有無第三彈簧情況下按照1g/s的減速度從50km/h減速至0km/h對整車制動性能進行分析。

1.增加第三彈簧制動

由圖4-圖6可知，在制動過程中，第三彈簧（減震器）的長度由360.38mm變化至354.12mm，變化量為6.26mm，輪邊彈簧（減震器）的長度由182.72mm變化至177.15mm，變化量為5.57mm，前輪輪跳量由-0.07mm變化至+6.47mm，變化量為6.54mm。

2.無第三彈簧制動

由圖7-圖8可知，在制動過程中，輪邊彈簧（減震器）的長度由181.57mm變化至173.49mm，變化量為8.08mm，前輪輪跳量由+1.18mm變化至10.69mm，變化量為9.51mm。

3.結果分析

由圖9和圖10可知，在其他條件均相同的情況下，引入第三彈簧，可以使輪邊彈簧（減震器）在制動時的壓縮量及變化率明顯減小，輪邊彈簧壓縮量減少2.51mm，減少幅度可達31.06%，同時前輪輪跳量的變化量及變化率明顯降低，前輪輪跳量減小3.56mm，幅度37.67%。

綜上所述，第三彈簧式前懸架可有效降低方程式賽車在制動工況下前輪輪跳的峰值，同時縮短峰值時間，進而更快地響應駕駛員的操作，利于發揮空氣動力學套件的作用，為整車帶來更好的操控性。

5 試驗測試

按照前期選取的整車參數及ADAMS/CAR仿真結果，以自主研制的福州大學電動方程式賽車為測試對象（見圖11）。應用MATLAB/SIMULINK模塊對線位移傳感器進行標定并用其監測、記錄輪邊彈簧及第三彈簧在不同工況下長度的變化。其中，線位移傳感器行程為50-75mm，線性精度±0.1%，電阻1KΩ，重復性精度0.01mm，靈敏度1。

參考國家標準GB7258-2012文件，保證各輪胎氣壓在標準的氣壓范圍內（胎壓不超標準氣壓的±10%）且花紋深度不低于1.6mm，在坡度小于1%，路寬2.5m，附著系數1.5的平坦、干凈的瀝青路上，使整車分別在有無第三彈簧的情況下以50KM/h的初速度進行緊急制定測試，由線位移傳感器測出輪邊彈簧及第三彈簧的壓縮量，進而得出緊急制動工況下前輪的輪跳量。[6]

由圖12-圖14可知，當增加第三彈簧時，在整個制動測試中，第三彈簧的長度由151mm變化至144mm，變化量為7mm，輪邊彈簧的長度由103mm變化至96mm，變化量為7mm，前輪輪跳由0.08mm變化至8.3mm，變化量為8.22mm。當取消第三彈簧時，輪邊彈簧的長度由101mm變化至90mm，變化量為11mm，前輪輪跳由2.43mm變化至15.34mm，變化量為12.91mm。

綜上可知，在增加第三彈簧的情況下，以相同的工況進行制動測試，前輪邊彈簧的壓縮量可降低4mm，降低幅度達36.36%，有效降低輪邊彈簧負荷;前輪輪跳量可減小4.69mm，減小幅度達36.33%，可有效減小制動工況下的整車下潛及下壓力波動。此外，整車的響應速度也大幅提高，峰值時間由原來的2s減小為1.5s，響應速度增加25%，方便駕駛員做出更激烈的動作。

但由于實車各吊耳焊接及零部件安裝存在誤差，且ADAMS/CAR仿真中無前翼及擴散器，致使實車測試結果與仿真分析結果存在一定偏差。

6 結語

在福州大學自主研發的電動方程式賽車中采用了第三彈簧式前懸架結構，通過理論計算、ADAMS虛擬仿真及實車測試。結果表明，在賽車制動時，第三彈簧式前懸架可有效減小輪邊彈簧的壓縮量和前輪輪跳量，改善整車的抗俯仰特性和操縱穩定性，為運動型車輛的前懸架設計提供一種新思路。

【基金項目】本文系福州大學2019年度省級大學生實踐創新訓練計劃項目，項目編號：S201910386047

參考文獻：

[1]段磊，劉紹娜，黃炯炯，楊耀祖.FSAE賽車車身與空氣動力學套件設計及其仿真[J].汽車實用技術，2019（13）：134-136.

[2]吉林大學.一種抗俯仰汽車懸架系統[P].中國：CN201610894612.9，20180817.

[3]王建，林海英，梁穎華等.大學生方程式賽車設計[M].北京理工大學出版社：北京，2016：136.

[4]王會超，龔國慶，王國權.FSAE賽車雙叉臂懸架的優化設計[J].北京信息科技大學學報（自然科學版），2011，26（06）：43-46.

[5]鐘文軍，趙世明，陳小玲.基于響應面法的FSAE賽車懸架優化設計[J].科技資訊，2013（13）：78-80.

[6]楊瑞蔚.汽車制動性能檢測方法的研究[J].輕工科技，2019，35（01）：52-54.