吳雪玲，倪彰，何宇，張興，顧迪，趙越

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

大學(xué)生方程式賽車懸架系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

吳雪玲，倪彰，何宇，張興，顧迪，趙越

（江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213000）

按照FSAE賽事對賽車及懸架系統(tǒng)的設(shè)計要求，以整車基本參數(shù)和設(shè)計規(guī)則為參照依據(jù)，選定輪胎、輪輞型號，利用CATIA軟件建立了FSAE賽車懸架系統(tǒng)的幾何模型，對減震器、橫向穩(wěn)定桿等進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用Adams/Insight軟件對輪胎跳動時懸架參數(shù)變化進(jìn)行對比分析與優(yōu)化，并運(yùn)用ANSYS軟件對懸架的主要受力部件進(jìn)行分析。優(yōu)化和仿真結(jié)果表明設(shè)計的懸架系統(tǒng)滿足參賽要求，為后期賽車制造及調(diào)試提供理論依據(jù)。

FSAE；懸架系統(tǒng)設(shè)計；CATIA；ANSYS

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱FSAE）在2010年首次舉辦，迄今為止已經(jīng)成功舉辦了7屆，中國大學(xué)生方程式汽車大賽為培養(yǎng)學(xué)生汽車設(shè)計、加工制造、成本控制和車隊成員間協(xié)作的能力提供了良好的工程實踐平臺； 此外，參與比賽可為各大參賽院校間提供廣闊的交流平臺，進(jìn)而推動各院校間學(xué)術(shù)交流。

1 設(shè)計思路

FSAE賽事規(guī)則要求賽車懸架系統(tǒng)必須滿足以下要求：能夠保證賽車具備良好的行駛平順性、良好的操縱穩(wěn)定性、合適的衰減振動能力；能可靠的傳遞車輪和車身之間的各種力和力矩，保證有足夠的強(qiáng)度和使用壽命；在賽車制動和加速時保證車身穩(wěn)定，減小車身縱傾，確保轉(zhuǎn)彎時車身側(cè)傾角合適；便于布置和維護(hù)。根據(jù)賽事規(guī)則制定FSAE賽車懸架系統(tǒng)的初步設(shè)計流程，如圖1所示。

圖1 方程式懸架系統(tǒng)設(shè)計流程

2 前、后懸架基準(zhǔn)參數(shù)計算選定

根據(jù)方程式大賽的規(guī)則，查閱相關(guān)的資料，確定主要基準(zhǔn)參數(shù)，如表1所示；懸架系統(tǒng)車輪定位參數(shù)如表2所示。

表1 懸架基準(zhǔn)參數(shù)

表2 車輪定位參數(shù)

3 減震器、橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計

3.1 減震器的選取

賽車偏頻的選取與懸架剛度有直接關(guān)系，為了避免共振，偏頻的選取不宜一致，同時基于性能的考慮，綜合去年FSAE賽車設(shè)計經(jīng)驗，此次賽車懸架偏頻的選取為前懸n1=3.2Hz，后懸n2=2.6Hz。

利用賽車整車參數(shù)計算適乘剛度，以此來選擇合適的彈簧。

根據(jù)計算數(shù)據(jù)并參照彈簧參數(shù)表，選擇前懸為310lb/in,后懸為300lb/in的彈簧。對應(yīng)的彈簧剛度分別為：

由此可計算出懸架的實際上跳行程，由于側(cè)傾增益值1.91°/g，不在低負(fù)升力賽車的側(cè)傾增益取值范圍內(nèi)（1.0～1.8g/），所以此次賽車總的側(cè)傾角剛度530Nm/o，不滿足設(shè)計要求，因此需要通過給前后懸架增加橫向穩(wěn)定桿來增加總的側(cè)傾角剛度。

3.2 橫向穩(wěn)定桿設(shè)計

橫向穩(wěn)定桿的作用是避免賽車急速過彎時發(fā)生過大的橫向側(cè)傾，盡量保證賽車車身平衡，以此來增加賽車橫向側(cè)傾剛度、增強(qiáng)行駛平順性。選擇適當(dāng)?shù)那昂髴壹艿膫?cè)傾角剛度比值，也有 助于賽車所需要的轉(zhuǎn)向特性。橫向穩(wěn)定桿角剛度bCj為：

式中：d——穩(wěn)定桿直徑，mm；

4 建模及受力分析

主要部件建模、受力分析如下。

輪轂是用來連接輪胎鋼圈，在與軸承過盈配合的面上施加固定，允許輪轂轉(zhuǎn)動。輪轂材料選用為7075鋁，輪轂結(jié)構(gòu)與輪輞配合，采用四螺栓配合。在法蘭盤上預(yù)留六個緊固圓孔，使用卡箍件對剎車盤進(jìn)行固定，使得制動盤安裝和拆卸簡單化，如圖2所示為前輪轂三維模型圖。

利用ANSYS軟件對前輪轂進(jìn)行受力分析，在鋼圈安裝孔上施加3600N的力，同時在四個孔上施加300N·m的轉(zhuǎn)矩，安全系數(shù)為5，受力分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 前輪轂三維模型圖

作為懸架系統(tǒng)最重要的部分之一，立柱上面連接著輪轂、懸架上下A臂和制動卡鉗，并且承載整車質(zhì)量。立柱受力復(fù)雜，且屬于賽車的簧下質(zhì)量,為提高賽車的操縱穩(wěn)定性，在保證足夠剛度的情況下需要盡量減輕立柱質(zhì)量,后立柱三維模型圖如圖4所示。

圖3 前輪轂應(yīng)力云圖

圖4 后立柱三維模型圖

利用Ansys對后立柱進(jìn)行應(yīng)力分析，施加后輪極限工況承受的制動力為605N,垂直載荷為4000N。兩種工況組合的安全系數(shù)為4.7，受力分析結(jié)果如圖5所示。

懸架各零部件的ANSYS應(yīng)力分析宗旨在于使各個重要受力部件能夠滿足在各種工況下穩(wěn)定工作。從以上立柱及輪轂受力云圖可知，能夠達(dá)到FSAE賽車設(shè)計要求。

5 懸架系統(tǒng)仿真分析

FSAE 賽車前后采用的均為不等長雙橫臂獨(dú)立懸架，利用 Adams 軟件，在 Adams里面建立虛擬實物模型，對車輪進(jìn)行激勵仿真分析，如圖6所示。

圖6 Adams整車模型

在本次仿真分析中，虛擬激振臺設(shè)置上下跳動距離為25.4m，利用左側(cè)和右側(cè)車輪同步上下跳動來計算懸架跳動過程中各重要參數(shù)的變化規(guī)律。包括：主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、輪胎束角、懸架剛度等，車輪跳動測試如圖7所示。

圖7 車輪跳動測試

懸架參數(shù)如果設(shè)計不合理，會導(dǎo)致定位參數(shù)變化過大，從而影響賽車性能，出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重，輪胎磨損嚴(yán)重等等問題。通過車輪跳動的測試，在各參數(shù)的變化曲線圖中，可知該賽車在輪胎上下跳動時其主銷內(nèi)傾角和前束值的變化范圍較大。因此要利用測試結(jié)果，對車輪定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，如圖8。

改善車輪內(nèi)傾角，優(yōu)化后前束角變化呈直線變化，說明懸架上下跳動過程中內(nèi)傾角變化較小，能夠保證賽車具有較好的操縱穩(wěn)定性，如圖9所示為優(yōu)化前后前束角變化對比圖。

6 結(jié)語

以上所有懸架涉及的重要參數(shù)通過 ADAMS/car模塊，建立出實物空間分布坐標(biāo)以及變化量。同時，結(jié)合懸架運(yùn)動仿真中出現(xiàn)的問題，對懸架系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致優(yōu)化，最終的優(yōu)化數(shù)據(jù)和曲線圖表明，懸架的運(yùn)動性能得到了顯著提高。

圖8 優(yōu)化前后內(nèi)傾角對比圖

圖9 優(yōu)化前后前束角對比圖

懸架系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)乎整車的結(jié)構(gòu)性能，本次設(shè)計，賽車懸架類型選定為不等長雙橫臂式獨(dú)立懸架。通過反復(fù)計算確定各主要參數(shù)，利用CATIA、ANSYS、Adams等軟件進(jìn)行仿真分析，最終設(shè)計出滿足大賽規(guī)則以及整車要求的懸架系統(tǒng)，為后面的賽車裝配提供了理論基礎(chǔ)。

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1671-0711（2017）05（上）-0122-03

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項目：江蘇理工學(xué)院汽車服務(wù)工程專業(yè)（PPZY2015A024）；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新項目：大學(xué)生方程式賽車懸架系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化及道路試驗研究（11311711613）。