馬景軍，葉宇天，桂 浩，卿 銅，崔宏耀

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

FSAE方程式（Formula SAE）系列賽1978年源于美國。自創(chuàng)立之初不斷發(fā)展壯大，如今已經(jīng)發(fā)展成為汽車學(xué)術(shù)界一項著名的賽事，先后進入歐洲、大洋洲、亞洲等汽車工業(yè)強國。該項賽事2010年進入中國，現(xiàn)在共有79支車隊參加，包括國內(nèi)外著名大學(xué)。賽車底盤的一大核心就是懸架系統(tǒng)，其關(guān)系到汽車動力性、操縱穩(wěn)定性等重要性能。通過在FSAE論壇中調(diào)研發(fā)現(xiàn)，懸架系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外車隊研究的熱點。本文將對FSAE賽車懸架系統(tǒng)的懸架幾何參數(shù)進行設(shè)計，利用ADAMS仿真軟件對懸架系統(tǒng)進行建模和優(yōu)化，并提出懸架參數(shù)調(diào)節(jié)的可行方案。

1 懸架模型的建立

1.1 參數(shù)的確定

懸架是汽車上十分重要的總成，它將車架或車身與車軸或車輪彈性連接在一起。由于考慮懸架布置空間尺寸，車輪的接地性能，保證恰當(dāng)?shù)膫?cè)傾中心和縱傾中心，同時參考其他國內(nèi)外車隊的設(shè)計方案，采用雙橫臂獨立懸架。賽車懸架的參數(shù)初定如下：

懸架參數(shù)初定：主銷長L3＝251mm；上橫臂長L1＝221mm；下橫臂長L2＝340mm；前輪距B1＝1 245mm；主銷偏距a＝18.87mm；主銷內(nèi)傾角β＝5°；上橫臂傾角α＝10°；下橫臂傾角α′＝0°。

1.2 建模仿真

根據(jù)懸架的初定參數(shù)，利用AutoCAD繪圖軟件，繪制懸架的二維草圖，如圖1～3所示。通過二維草圖，測算出懸架的各設(shè)計硬點（設(shè)計硬點是設(shè)計過程中，為保證零部件之間的協(xié)調(diào)和裝配關(guān)系，及造型風(fēng)格要求所確定的控制點（或坐標(biāo)）、控制線、控制面及控制結(jié)構(gòu)的總稱），用于建立三維虛擬模型。

圖1 前懸前視圖

ADAMS／View提供了一個直接面向用戶的基本操作對話環(huán)境和虛擬樣機分析的前處理功能，其中包括樣機的建模和各種建模工具、樣機模型數(shù)據(jù)的輸入和編輯、求解器和后處理等程序也自動連接到數(shù)據(jù)、虛擬樣機分析參數(shù)的設(shè)置、以及同其他軟件的接口。通過以上確定的懸架硬點參數(shù)，在ADAMS／View中創(chuàng)建懸架系統(tǒng)三維模型。在模型創(chuàng)建的過程中，懸架系統(tǒng)的球銷簡化為剛體球，導(dǎo)向機構(gòu)推力桿和主銷簡化成圓柱桿件，模型如圖4所示。

圖2 前懸俯視圖

圖3 前懸側(cè)視圖

圖4 前懸主視圖

2 懸架的優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化方案的確定

前懸架多目標(biāo)優(yōu)化問題的綜合目標(biāo)函數(shù)為

式中：ωi（i＝1，2，3，4）為加權(quán)系數(shù)，該數(shù)值根據(jù)各個目標(biāo)重要程度確定；αmax，βmax，γmax，δmax為車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和前束值（角）絕對值的最大值；αmax0，βmax0，γmax0，δmax0為車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和前束值（角）絕對值的最大值的目標(biāo)值。

由于設(shè)計的主銷為大學(xué)生FSAE賽車，根據(jù)它的特點，可以得知對于FSAE賽車來說前輪內(nèi)傾角和側(cè)向滑移的大小對賽車的影響較大，其中前輪的內(nèi)傾角是為了補償在高速過彎時由于輪胎剛度造成的接地面積減小，導(dǎo)致附著力變小，無法正常轉(zhuǎn)彎的情況。而車輪的側(cè)向滑移量的大小則直接影響著輪胎的磨損情況，由于賽車要具有很好的機動性，如果輪胎在行駛過程中磨損嚴重，就會造成附著力不夠，就無法給賽車提供更高的機動性以適應(yīng)比賽的要求。

選擇優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為賽車的側(cè)向滑移量，變量的取值范圍如表1所示。優(yōu)化前、后懸架硬點的參數(shù)如圖5和圖6所示。將車輪作為驅(qū)動令其上下跳動為50mm，設(shè)置仿真時間為1s，仿真步數(shù)為50步，相應(yīng)的各車輪定位參數(shù)的變化曲線如圖7～11所示。

表1 懸變量設(shè)計

圖5 優(yōu)化前硬點參數(shù)

圖6 優(yōu)化后硬點參數(shù)

圖7 優(yōu)化前、后主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動變化曲線

圖8 優(yōu)化前、后主銷后傾角隨車輪跳動的變化曲線

圖10 優(yōu)化前、后前輪后束角隨車輪跳動的變化曲線

圖9 優(yōu)化前、后前輪內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化曲線

圖11 優(yōu)化前、后側(cè)向滑移量隨車輪跳動的變化曲線

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

由以上的優(yōu)化可知，優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角變化范圍明顯縮小，賽車的操縱穩(wěn)定性得到了提高，不會因主銷內(nèi)傾角變化過大引起轉(zhuǎn)向盤手力變化過快，減輕了車手的疲勞。主銷后傾角在優(yōu)化后的變化范圍進一步縮小，更加增加了賽車高速行駛時的穩(wěn)定性和高速行駛時穩(wěn)定的回正性能，提高了高速時賽車的穩(wěn)定性。優(yōu)化前前輪外傾角變化范圍過大，經(jīng)過優(yōu)化前輪外傾角的變化范圍進一步縮小，不至于因為變化范圍過大，引起特殊情況下失去附著力的情況發(fā)生。前輪前束角在優(yōu)化前沒有后束角，這樣無法消除由于前輪內(nèi)傾帶來的兩側(cè)車輪向內(nèi)側(cè)行駛的缺陷，優(yōu)化后前輪前束角在一定時間內(nèi)具有負的前束角，由前輪外傾角隨車輪跳動曲線可以看出，在車輪內(nèi)傾的時候，都具有一定的后束角，兩者幾乎同步變化，所以在整個范圍內(nèi)，前輪的內(nèi)傾角或者外傾角帶來的不良影響都會由前輪的后束角或者前束角消除。經(jīng)過優(yōu)化，側(cè)向滑移量變化范圍進一步縮小，輪胎的磨損情況得到改善，提高了賽車的穩(wěn)定性。

3 懸架調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計

由于FSAE賽車的懸架系統(tǒng)制作大部分是由車隊學(xué)生自行加工完成，由于受到工藝的限制，在加工和裝配的過程中會產(chǎn)生較大的誤差，懸架系統(tǒng)各項定位參數(shù)的精度無法得到保證。同時由于賽車在正常測試和訓(xùn)練過程中，會因材料的疲勞變形，或是由于發(fā)生某些碰撞導(dǎo)致懸架系統(tǒng)部件變形，從而改變了懸架定位參數(shù)。在參賽的過程中由于面對不同的賽道形式，需要不同的懸架定位參數(shù)。所以設(shè)計相應(yīng)的懸架調(diào)節(jié)機構(gòu)，對保證賽車的性能十分重要。

可以通過改變推力桿的長度，來調(diào)節(jié)懸架的定位參數(shù)。將螺母焊接在專用的焊接套上，再將焊接套焊接在鋼管上。通過球頭和螺母的螺紋連接，來調(diào)節(jié)推力桿的長度，如圖12所示。

圖12 推力桿調(diào)節(jié)機構(gòu)

4 結(jié)束語

通過對懸架系統(tǒng)不同方案與FSAE賽車的性能要求結(jié)合分析，同時參考其他車隊賽車懸架系統(tǒng)設(shè)計，并且利用AutoCAD等軟件，確定出賽車懸架的定位參數(shù)。利用ADAMS對懸架進行建模，并且對懸架進行優(yōu)化設(shè)計。通過設(shè)計出推力桿的長度調(diào)節(jié)機構(gòu)，實現(xiàn)懸架定位參數(shù)的調(diào)節(jié)。

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