劉硯文

摘要：懸架系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車上的扮演著重要的角色，懸架的設計水平直接決定車輛的操穩(wěn)性和平順性等性能。以中國大學生方程式汽車大賽為基礎，綜合分析四代賽車的優(yōu)缺點，提出一套完整科學的FSAE懸架系統(tǒng)的設計方案。

關鍵詞：大學生方程式;賽車;懸架設計

FSAE是一項源自國外SAE方程式的系列賽，已有超過30年的舉辦歷史，于2010年正式引進國內(nèi)，賽事發(fā)展至今，已經(jīng)有了豐富的理論和軟件基礎，國內(nèi)外均有大量的研究。懸架運動學揭示了車輪在上下運動以及轉(zhuǎn)向過程中懸架定位參數(shù)的變化，也稱K特性。懸架動力學則是研究輪胎受到來自地面的各種力和力矩作用時，懸架的評價參數(shù)隨這些力或力矩的變化關系，合稱他們?yōu)椤皯壹躃&C特性”。

一、懸架前期設計內(nèi)容

在懸架系統(tǒng)設計之初，參考大賽規(guī)則、整車參數(shù)和性能要求等，首先需要確定前、后懸架的形式、車輪定位參數(shù)和懸架幾何。然后計算懸架的彈簧剛度和阻尼系數(shù)，在計算結果的基礎上搭建懸架系統(tǒng)的空間幾何。

對懸架系統(tǒng)提出的設計要求有：

（一）懸架系統(tǒng)需要保障賽車具備優(yōu)良的行駛平順性、操穩(wěn)性以及衰減振動能力;

（二）懸架系統(tǒng)能夠可靠的傳遞作用在車輪和車身之間的力和力矩，同時要有足夠的強度和使用壽命;

（三）便于布置和維護;更好的保持車廂姿勢，減小車廂的側傾與縱傾，并且提高懸架的安全性與穩(wěn)定性。

二、前后懸架類型選擇

汽車懸架大致分為獨立懸架與非獨立懸架兩類。非獨立懸架具有結構簡單、造價低廉、工作可靠、輪跳時輪胎定位參數(shù)變化小等優(yōu)點，而被廣泛應用于火車的前后懸架。乘用車領域非獨立懸架大多數(shù)僅用于后橋。但由于其一側車輪受到激勵時會影響另一車輪，故其平順性與操縱穩(wěn)定性較差。獨立懸架具有簧下質(zhì)量小，幾何運動學特性理想以及平順性、操穩(wěn)性較好等優(yōu)點，常用在轎車或高性能跑車上，由于懸架系統(tǒng)的性能直接影響著整車極限的高低，故選用獨立懸架結構。

國內(nèi)FSAE懸架布置形式大致分為三類：不等長雙橫臂推桿式獨立懸架、不等長雙橫臂推拉式獨立懸架、不等長雙橫臂無推拉桿式獨立懸架。

通過對各種懸架布置形式的優(yōu)缺點的綜合比較，參考往屆車隊的使用經(jīng)驗以及友隊的使用情況，考慮到設計、制造、組裝、調(diào)試、維修的綜合因素，最終決定前后均采用不等長雙橫臂推桿式獨立懸架。

減震器布置形式摒棄傳統(tǒng)對置式，改用縱側傾解耦式布置形式，此形式使用兩根獨立的減震器分別應對縱傾工況和側傾工況。傳統(tǒng)的布置形式在調(diào)節(jié)阻尼以及彈簧預壓時縱側傾工況表現(xiàn)都會受到影響，此布置形式能夠做到分開獨立調(diào)節(jié)阻尼以及彈簧預壓，使得懸架調(diào)教更精準，相比與加入了第三彈簧的懸架形式來說，又減輕了一根減震器的重量。

三、懸架參數(shù)計算

車輪定位參數(shù)包括車輪外傾角、前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角。車輪定位參數(shù)的合理匹配，能確保汽車的直線行駛能力，并且保證汽車轉(zhuǎn)彎時能保持較好的車身姿態(tài)，較大的輪胎附著力，且減少輪胎的磨損程度。

四、懸架剛度和阻尼計算

（一）整車參數(shù)確定

隨著方程式賽車設計技術的愈發(fā)完善，賽車底盤設計的逐漸成熟，底盤離地高度已經(jīng)降到了40mm甚至35mm。本賽季底盤最低離地高度定為35mm，發(fā)動機的下移帶來質(zhì)心位置的下降，采用抬高法測量18賽季賽車的重心高度約為300mm，前后載荷比47：53，即質(zhì)心距離前軸837mm，距離后軸743mm。

（二）懸架偏頻選取

偏頻是指簧上質(zhì)量無阻尼自有震動的固有頻率，偏頻的大小影響著賽車的平順性和操縱穩(wěn)定性，方程式賽車一般選在2.4到3Hz，在空套技術愈發(fā)成熟的前提下，提供的下壓力越來越大的，偏頻選擇已經(jīng)提升到4到5Hz，為了提高操穩(wěn)性，并且避免共振，需要我們結合實車特性，選出一個合適的值，根據(jù)經(jīng)驗可知，前后偏頻波動不超過10%，故此選擇本賽季前懸架偏頻4Hz后懸架偏頻3.7Hz。

（三）懸架剛度計算

懸架線剛度Kw是指懸架受到的垂直外力與車輪中心相對于車身位移的比值。

前軸單側懸架線剛度：KMF=4π2fFMS1/2=4Xπ2×4×119/2=9395N/M

后軸單側懸架線剛度：KMR=4π2fRMS1/2=4Xπ2×3.7×134/2=9776N/M

適乘剛度KR是指懸架受到的垂直外力與輪胎接地面相對于車身位移的比值。

已知輪胎剛度KT=140000N/M，由輪胎剛度與懸架線剛度串聯(lián)得到適乘剛度，換算關系如下：

計算可得： KRF=8804N/M KRR=9137N/M

考慮到彈簧能夠選購的型號，前后彈簧各選用500磅/450磅，防傾桿補償剛度131.5nm/°。

根據(jù)懸架線剛度Ks與彈簧剛度Kw的換算公式計算出搖臂傳遞比MR。

Ks=Kw×MR2

計算得出前后懸架側傾傳遞比1.307/1.40，縱傾傳遞比1.331/1.37。

（四）懸架阻尼計算

結合設計前期計算數(shù)據(jù)計算懸架阻尼值。

計算公式：

式中，為相對阻尼系數(shù)，為簧上質(zhì)量，為偏頻。

在賽車懸架設計中將相對阻尼系數(shù)分為壓縮行程以及回彈行程分別進行計算。在懸架設計中，為了減少壓縮過程中沖擊力對平順性的影響，同時也為了保護阻尼器，將壓縮行程時的相對阻尼系數(shù)適當降低，伸張行程時的相對阻尼系數(shù)適當增大。考慮到方程式賽車對于操控穩(wěn)定性的要求，結合往年賽車數(shù)據(jù)的選取，選定壓縮相對阻尼系數(shù)和回彈相對阻尼系數(shù)分別為0.3/0.4。

五、結論

本文以山東理工大學至尚方程式賽車隊的19賽季懸架系統(tǒng)為研究對象，通過前期的研究分析確定懸架的選型，接著進行懸架數(shù)據(jù)的選擇和計算，梳理了懸架設計流程和方法，以后的FSAE懸架系統(tǒng)設計奠定了良好的基礎。

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