基于小型賽車的懸架第三彈簧裝置的設計

李雨軒，柯志鵬，羅偉東，劉昱升，謝文婷

（華南理工大學廣州學院汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510800）

引言

大學生方程式汽車大賽是一項汽車設計與制造賽事，它的主要參與者為高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生，各參賽車隊在賽事規則和賽車制造標準的規范下，在一年內自行開發和研制出一輛具有優秀的加速、制動、操控性等方面性能的賽車，完成性能、設計和營銷的比拼[1]。

隨著越來越多的高校同臺競技，大學生方程式賽車對性能的要求也越來越高。傳統的FSAE賽車通常沿用雙減震器搭配U型橫向穩定桿的懸架結構，在運動的過程中不能很好的對線剛度和角剛度進行解耦，俯仰運動和側傾運動關聯過度，影響了賽車的操縱穩定性。另外，隨著空氣動力學套件的普遍運用和空氣動力學仿真的進步，賽車高速制動時產生的點頭以及在高速行駛時產生的下壓力作用下懸架過度壓縮都會使賽車的離地間隙發生改變，影響前翼和擴散器下的地面效應，可能導致底部氣流出現失速而使整體下壓力錯亂。為解決橫向穩定桿不能提供抗俯仰的問題，提高賽車性能以及操作穩定性，有必要基于小型賽車的懸架結構，設計開發一套第三彈簧裝置并運用在實車上進行試驗調試。

1 前懸架及第三彈簧裝置結構設計

1.1 懸架幾何草圖

根據車架并與車架協調確定懸架的內硬點；再從輪胎數據出發，結合整車參數，選取側傾角度和合適的輪跳內傾來確定懸架幾何，結合離地間隙從而確定懸架的外硬點；再根據外硬點布置推拉桿和減震器硬點，考慮到賽車前艙布局以及為第三彈簧裝置的布置留下空間，放棄了結構緊湊的拉桿懸架結構，選擇了推桿懸架結構，調配好合適的搖臂傳動比，最后確定第三彈簧裝置硬點及幾何草圖。

1.2 前懸架三維建模、結構及工作原理

利用CATIA三維建模軟件建立賽車的前懸架以及第三彈簧裝置的三維幾何模型。了解參考CCDB減震器，簡化機械結構，選擇設計無阻尼的第三彈簧；主要設計兩端頂桿，配合使用的定滑塊以及動滑塊，其中定滑塊添加骨架油封的槽，以便使用時防止內部潤滑脂溢出。第三彈簧結構包含主簧和副簧，主彈簧負責輪胎上跳支撐，提高剛度，副彈簧提供下跳行程。

圖1 前懸架系統

添加了第三彈簧裝置的前懸架系統，包括主彈簧、第三彈簧裝置、T型穩定桿、防傾桿、搖臂、推桿以及上下橫臂等結構。上下橫臂內硬點通過球鉸連接在吊耳上，選用M6桿端關節軸承；外側硬點安裝M6向心關節軸承，連接在立柱上下U型叉上；下橫臂V塊上有一吊耳結構，推桿通過M6桿端關節軸承連接，與搖臂聯動；主減震器兩端皆鉸接在車架吊耳與懸架搖臂上，為整個懸架系統提供剛度；防傾桿鉸接在車架結構上，通過球鉸連接防傾桿傳動桿，與搖臂聯動，為懸架系統提供側傾剛度；第三彈簧裝置一端固結在車架結構上，一端通過球鉸連接在T型穩定桿中點，穩定桿兩端通過球鉸連接傳動桿與搖臂聯動，為懸架系統提供俯仰剛度[2]。

當兩側車輪同時向上輪跳（例如制動點頭等情況），即賽車發生縱傾時，車輪通過輪芯與立柱帶動懸架雙橫臂向上運動，通過球鉸連接在下橫臂V塊上的兩側推桿推動搖臂做定軸轉動，鉸接在搖臂上的主減震器因此被壓縮，提供了一部分的線剛度。兩側搖臂的轉動同時拉動傳動桿，由此帶動防傾桿旋轉（未發生扭轉不起作用）和T型穩定桿縱向運動，第三彈簧裝置被壓縮，為懸架系統提供了額外的線剛度，提高抗俯仰能力，起到抗點頭的作用[3-4]。

當兩側車輪方向輪跳，即賽車發生側傾時，車輪通過輪芯與立柱帶動兩側懸架雙橫臂分別做上下運動，通過球鉸連接在下橫臂V塊上的兩側推桿推動搖臂做定軸反向轉動，鉸接在搖臂上的主減震器分別壓縮和拉伸，提供一部分的側傾剛度。兩側搖臂分別推拉傳動桿，防傾桿被扭轉，壓縮拉伸側主減震器，為懸架系統提供額外的側傾剛度，T形穩定桿繞中點軸線轉動不發生縱向運動，第三彈簧裝置未被壓縮，因此此時不提供剛度。

縱傾運動時，第三彈簧裝置提供額外的縱傾剛度；側傾運動時，防傾桿提供額外的側傾剛度。第三彈簧裝置解決了兩者過于關聯從而影響賽車操縱穩定性的問題，使得懸架系統能更好的解耦。

2 前懸架系統仿真分析

2.1 整車參數確定

根據以往賽季中賽車的動態表現以及新賽季設計目標，整車設計參數在原有基礎上進行微調，主要為提高賽車的操縱穩定性以及完成輕量化目標。詳細見整車參數表1。其中，質心相關參數由整車三維建模賦予材料屬性后通過慣量測量得出。

表1 整車參數

2.2 硬點坐標確定

利用CATIA三維建模軟件對前懸架幾何模型進行建模后，測量得各懸架硬點的三維坐標值，可通過修改Adams car提供的雙橫臂懸架模型中的硬點坐標，得到新賽車的仿真模型。

圖2 前懸架動態仿真模型

2.3 結果與分析

在確認硬點坐標以及設定好邊界條件后，對此仿真模型進行動態仿真分析，得到結果。

第三彈簧裝置很大程度地提高了賽車懸架系統的線剛度，提高其抗俯仰能力，并且第三彈簧裝置不影響賽車懸架系統的角剛度，即在側傾時不影響運動，能做到很好的解耦。

圖3 有/無第三彈簧裝置前懸架系統線剛度對比線圖

3 實物與試驗

對設計的第三彈簧裝置進行繪制工程制圖，并加工。根據設定的整車參數以及動態仿真的設計參數，以華汽車隊20賽季燃油方程式賽車Ambition9為測試對象。借助AIM儀表對直線位移傳感器進行調零并收集兩側主減震器動態跑動中的運動數據。在控制變量中，測試不同速度進行制動時，有無第三彈簧裝置對車身俯仰的影響。通過兩側主減震器的壓縮情況來反映車身動態俯仰程度。通過數據統計，擁有第三彈簧裝置的賽車在同等速度工況下相較于無第三彈簧的賽車時主減震器減少壓縮4mm～8mm。并且通過觀察可以發現，在無第三彈簧裝置的情況下，賽車在動態中時常會出現前翼蹭地的現象，制動時尤為嚴重，而裝上第三彈簧裝置后，蹭地現象大幅減少。

4 結語

綜上所訴，并且結合車手反饋，第三彈簧裝置能有效抑制賽車在制動時的點頭行為，減少主彈簧的壓縮量以及縮小前輪輪跳區間，維持賽車的底盤高度，避免了在高速行駛時產生的下壓力作用下懸架過度壓縮使底部氣流出現失速導致的整體下壓力錯亂，進而更快地響應車手的操作，提高了賽車的操縱穩定性，為小型賽車的前懸架設計提供了一定的指導意義。