侯小舸，楊云珍，王琦

巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設計與性能驗證

侯小舸，楊云珍，王琦

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

設計了一套匹配巴哈賽車底盤特性的橫向穩(wěn)定桿，通過提高懸架系統(tǒng)的側(cè)傾角剛度提高整車的抗側(cè)傾能力，從而增強賽車的橫向穩(wěn)定性。建立橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學模型；分析穩(wěn)定桿的各參數(shù)對橫向穩(wěn)定桿所能提供的側(cè)傾角剛度的影響；對懸架系統(tǒng)進行仿真分析，得出橫向穩(wěn)定桿的特性曲線；并進行實車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗與跑動測試，進一步驗證了橫向穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾性能。

橫向穩(wěn)定桿；巴哈賽車；懸架；側(cè)傾角剛度

大學生巴哈賽車是一種發(fā)動機中置、后驅(qū)的小型全地形車，具有獨特的防滾架結(jié)構和與之相匹配的斜置單縱臂后懸架系統(tǒng)，獨特的懸架布置導致其在高速入彎時，會產(chǎn)生較大的側(cè)傾和橫向振動，導致輪胎側(cè)偏嚴重，影響賽車的操控穩(wěn)定性及平順性[1]。因此設計出一款匹配巴哈賽車底盤布置的橫向穩(wěn)定系統(tǒng)，建立出橫向穩(wěn)定桿的理論模型；并對懸架系統(tǒng)進行運動仿真分析；最后通過實車跑動測試，更為真實地驗證了橫向穩(wěn)定桿的性能。

1 建立橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學模型

1.1 橫向穩(wěn)定桿的布置

橫向穩(wěn)定桿的布置如圖1所示。

圖1 橫向穩(wěn)定桿的布置示意圖

當整車發(fā)生側(cè)傾時，一側(cè)輪胎相對于車架有一段垂向位移量?1，車輪處的跳動量傳遞到穩(wěn)定桿臂末端的跳動量為?2，設?2與?1的比值為橫向穩(wěn)定桿的傳動比，兩輪間距為。穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾性能的評價指標并不是穩(wěn)定桿自身的側(cè)傾角剛度，而是穩(wěn)定桿傳遞到車輪處的等效側(cè)傾角剛度。

1.2 橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度的計算

設穩(wěn)定桿長度為，穩(wěn)定桿臂的長度為，穩(wěn)定桿直徑為，穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂的夾角為，穩(wěn)定桿臂末端端點的距離為，穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂通過螺栓連接，穩(wěn)定桿上有兩處橡膠襯套用以固定穩(wěn)定桿。根據(jù)受力分析，忽略橡膠襯套的變形，忽略穩(wěn)定桿在彎矩作用下的微小角位移[2]。

橫向穩(wěn)定桿如圖2所示。

圖2 橫向穩(wěn)定桿的簡化圖

穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度1為：

式（1）中：為穩(wěn)定桿的剪彈性模量[3]；p為穩(wěn)定桿橫截面的極慣性矩。

穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度2為：

式（2）中：1為穩(wěn)定桿臂端部所受到的垂向力。

穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度還可以表示如下：

聯(lián)立式（1）（2）（3）可得，橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度2為：

對于獨立懸架，穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度與車輪處的等效側(cè)傾角剛度的關系如下[4]：

聯(lián)立式（4）（5）可得穩(wěn)定桿在車輪處的等效側(cè)傾角剛度3為：

2 仿真分析

在設計巴哈賽車懸架系統(tǒng)的過程中，輪距是根據(jù)整車布置提前確定的，穩(wěn)定桿長由車架的結(jié)構確定，穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂的夾角受限于斜置單縱臂的斜置角，因此，在設計過程中主要的設計參數(shù)是穩(wěn)定桿的直徑和穩(wěn)定桿臂的長 度。

建立車輪處等效側(cè)傾角剛度與直徑以及穩(wěn)定桿臂長度的關系式3=（）、3=（），在Matlab中搭建模型，進行仿真分析，根據(jù)后懸架系統(tǒng)的布置，傳遞比在0.15～0.25為宜。在此范圍內(nèi)取五組進行仿真分析，傳遞比分別為0.15，0.175，0.2，0.225，0.25。得到等效側(cè)傾角剛度在五種傳遞比時與穩(wěn)定桿直徑、穩(wěn)定桿臂長度的關系曲線，如圖3和圖4所示。

圖3 等效側(cè)傾角剛度與穩(wěn)定桿直徑的關系曲線

圖4 等效側(cè)傾角剛度與穩(wěn)定桿臂長度的關系曲線

通過仿真結(jié)果可以看出，較小的穩(wěn)定桿直徑和穩(wěn)定桿臂長度即可提供高達700 Nm/°的側(cè)傾角剛度。傳遞比的變化對等效側(cè)傾角剛度的影響相對均勻，橫向穩(wěn)定桿在車輪處的等效側(cè)傾角剛度隨著穩(wěn)定桿臂的長度的增加而趨于平穩(wěn)，隨穩(wěn)定桿直徑的增加而急劇增加。

3 橫向穩(wěn)定桿的研制

根據(jù)仿真結(jié)果確定橫向穩(wěn)定桿的尺寸、材料、安裝形 式[5]，與橫向穩(wěn)定桿裝置相關的主要部件包括穩(wěn)定桿、穩(wěn)定桿臂、調(diào)節(jié)螺桿、魚眼軸承、后懸架擺臂等。在CATIA中建立出懸架系統(tǒng)與橫向穩(wěn)定桿的三維模型，如圖5所示。

圖5 橫向穩(wěn)定桿三維模型圖

加工制造出橫向穩(wěn)定桿的相關部件，在巴哈賽車上實現(xiàn)裝配，橫向穩(wěn)定桿實物如圖6所示。在穩(wěn)定桿臂上設置4個安裝孔，通過不同的安裝位置來改變穩(wěn)定桿臂的長度，確定不同的側(cè)傾角剛度。

圖6 橫向穩(wěn)定桿實物圖

4 實車測試

為了驗證橫向穩(wěn)定桿所提供的抗側(cè)傾能力以及不同安裝位置下橫向穩(wěn)定桿所能提供的側(cè)傾角剛度，對賽車分別進行了不安裝橫向穩(wěn)定桿和4種安裝方式下的實車跑動測試，共獲得5組數(shù)據(jù)。

反映橫向穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾能力最直觀的數(shù)據(jù)是整車的側(cè)傾角，但由于賽車的側(cè)傾角難以獲取，因此利用線位移傳感器測試轉(zhuǎn)彎時外側(cè)減振器的壓縮量，通過壓縮量間接地計算出側(cè)傾角，從而體現(xiàn)出抗側(cè)傾能力。

測試工況為賽車在25 km/h的速度下繞著半徑為10 m的圓做圓周運動，測試時間為60 s，設置線位移傳感器每 0.1 s進行一次計數(shù)，一組數(shù)據(jù)共包含600個數(shù)據(jù)。實車測試如圖7所示。

通過實車測試得到五組數(shù)據(jù)，在Matlab中將散點擬合成5條曲線，減振器壓縮量-時間曲線如圖8所示。圖8中從上至下五條曲線分別為在無橫穩(wěn)桿、安裝在第一孔、第二孔、第三孔、第四孔下的減振器的壓縮量。分析曲線可知，橫向穩(wěn)定桿明顯能夠提高整車的側(cè)傾角剛度，減小減振器的壓縮量。隨著橫向穩(wěn)定桿臂的長度的增加，穩(wěn)定桿能提供的側(cè)傾角剛度逐漸提高，抗側(cè)傾性能逐漸增強。

圖7 實車測試圖

圖8 減振器壓縮量-時間曲線

5 結(jié)論

本文介紹了巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設計與性能驗證過程，建立了橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學模型，并在Matlab中對橫向穩(wěn)定桿的主要參數(shù)之間的關系進行了仿真分析，得出了穩(wěn)定桿主要參數(shù)對穩(wěn)定桿等效側(cè)傾叫剛度的影響規(guī)律。對橫向穩(wěn)定桿進行了實車跑動測試，利用線位移傳感器采集跑動過程中的減振器壓縮量的變化，間接地測出賽車的抗側(cè)傾能力，并驗證出設計的該橫向穩(wěn)定桿具有較好的抗側(cè)傾性能，能提供較高的側(cè)傾角剛度，并能通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定桿臂的長度來提供不同的側(cè)傾角剛度。該穩(wěn)定桿尺寸小，布置方便，便于安裝，具有較好的抗側(cè)傾性能，與巴哈賽車的結(jié)構與底盤特性匹配得較好。

［1］余志生.汽車理論［M］.6版.北京：機械工業(yè)出版社，2018.

［2］石柏軍，劉德輝，李真炎.汽車橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化分析及優(yōu)化［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2016，44（6）：98-104，112.

［3］周長城，趙雷雷.車輛懸架彈性力學解析計算理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［4］王霄鋒.汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設計［M］.北京：清華大學出版社，2015.

［5］過學迅.汽車設計［M］.2版.北京：人民交通出版社，2013.

U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.003

2095－6835（2020）08－0005－03

侯小舸（1999—），男，本科在讀。

〔編輯：嚴麗琴〕