李雨軒，柯志鵬，羅偉東，劉昱升，謝文婷

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

引言

大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽是一項(xiàng)汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造賽事，它的主要參與者為高等院校汽車(chē)工程或汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)在校學(xué)生，各參賽車(chē)隊(duì)在賽事規(guī)則和賽車(chē)制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范下，在一年內(nèi)自行開(kāi)發(fā)和研制出一輛具有優(yōu)秀的加速、制動(dòng)、操控性等方面性能的賽車(chē)，完成性能、設(shè)計(jì)和營(yíng)銷(xiāo)的比拼[1]。

隨著越來(lái)越多的高校同臺(tái)競(jìng)技，大學(xué)生方程式賽車(chē)對(duì)性能的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的FSAE賽車(chē)通常沿用雙減震器搭配U型橫向穩(wěn)定桿的懸架結(jié)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不能很好的對(duì)線剛度和角剛度進(jìn)行解耦，俯仰運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)過(guò)度，影響了賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。另外，隨著空氣動(dòng)力學(xué)套件的普遍運(yùn)用和空氣動(dòng)力學(xué)仿真的進(jìn)步，賽車(chē)高速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的點(diǎn)頭以及在高速行駛時(shí)產(chǎn)生的下壓力作用下懸架過(guò)度壓縮都會(huì)使賽車(chē)的離地間隙發(fā)生改變，影響前翼和擴(kuò)散器下的地面效應(yīng)，可能導(dǎo)致底部氣流出現(xiàn)失速而使整體下壓力錯(cuò)亂。為解決橫向穩(wěn)定桿不能提供抗俯仰的問(wèn)題，提高賽車(chē)性能以及操作穩(wěn)定性，有必要基于小型賽車(chē)的懸架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套第三彈簧裝置并運(yùn)用在實(shí)車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試。

1 前懸架及第三彈簧裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 懸架幾何草圖

根據(jù)車(chē)架并與車(chē)架協(xié)調(diào)確定懸架的內(nèi)硬點(diǎn)；再?gòu)妮喬?shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合整車(chē)參數(shù)，選取側(cè)傾角度和合適的輪跳內(nèi)傾來(lái)確定懸架幾何，結(jié)合離地間隙從而確定懸架的外硬點(diǎn)；再根據(jù)外硬點(diǎn)布置推拉桿和減震器硬點(diǎn)，考慮到賽車(chē)前艙布局以及為第三彈簧裝置的布置留下空間，放棄了結(jié)構(gòu)緊湊的拉桿懸架結(jié)構(gòu)，選擇了推桿懸架結(jié)構(gòu)，調(diào)配好合適的搖臂傳動(dòng)比，最后確定第三彈簧裝置硬點(diǎn)及幾何草圖。

1.2 前懸架三維建模、結(jié)構(gòu)及工作原理

利用CATIA三維建模軟件建立賽車(chē)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(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，選擇設(shè)計(jì)無(wú)阻尼的第三彈簧；主要設(shè)計(jì)兩端頂桿，配合使用的定滑塊以及動(dòng)滑塊，其中定滑塊添加骨架油封的槽，以便使用時(shí)防止內(nèi)部潤(rùn)滑脂溢出。第三彈簧結(jié)構(gòu)包含主簧和副簧，主彈簧負(fù)責(zé)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(tǒng)

添加了第三彈簧裝置的前懸架系統(tǒng)，包括主彈簧、第三彈簧裝置、T型穩(wěn)定桿、防傾桿、搖臂、推桿以及上下橫臂等結(jié)構(gòu)。上下橫臂內(nèi)硬點(diǎn)通過(guò)球鉸連接在吊耳上，選用M6桿端關(guān)節(jié)軸承；外側(cè)硬點(diǎn)安裝M6向心關(guān)節(jié)軸承，連接在立柱上下U型叉上；下橫臂V塊上有一吊耳結(jié)構(gòu)，推桿通過(guò)M6桿端關(guān)節(jié)軸承連接，與搖臂聯(lián)動(dòng)；主減震器兩端皆鉸接在車(chē)架吊耳與懸架搖臂上，為整個(gè)懸架系統(tǒng)提供剛度；防傾桿鉸接在車(chē)架結(jié)構(gòu)上，通過(guò)球鉸連接防傾桿傳動(dòng)桿，與搖臂聯(lián)動(dòng)，為懸架系統(tǒng)提供側(cè)傾剛度；第三彈簧裝置一端固結(jié)在車(chē)架結(jié)構(gòu)上，一端通過(guò)球鉸連接在T型穩(wěn)定桿中點(diǎn)，穩(wěn)定桿兩端通過(guò)球鉸連接傳動(dòng)桿與搖臂聯(lián)動(dòng)，為懸架系統(tǒng)提供俯仰剛度[2]。

當(dāng)兩側(cè)車(chē)輪同時(shí)向上輪跳（例如制動(dòng)點(diǎn)頭等情況），即賽車(chē)發(fā)生縱傾時(shí)，車(chē)輪通過(guò)輪芯與立柱帶動(dòng)懸架雙橫臂向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)球鉸連接在下橫臂V塊上的兩側(cè)推桿推動(dòng)搖臂做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)拉動(dòng)傳動(dòng)桿，由此帶動(dòng)防傾桿旋轉(zhuǎn)（未發(fā)生扭轉(zhuǎn)不起作用）和T型穩(wěn)定桿縱向運(yùn)動(dòng)，第三彈簧裝置被壓縮，為懸架系統(tǒng)提供了額外的線剛度，提高抗俯仰能力，起到抗點(diǎn)頭的作用[3-4]。

當(dāng)兩側(cè)車(chē)輪方向輪跳，即賽車(chē)發(fā)生側(cè)傾時(shí)，車(chē)輪通過(guò)輪芯與立柱帶動(dòng)兩側(cè)懸架雙橫臂分別做上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)球鉸連接在下橫臂V塊上的兩側(cè)推桿推動(dòng)搖臂做定軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)傾剛度。兩側(cè)搖臂分別推拉傳動(dòng)桿，防傾桿被扭轉(zhuǎn)，壓縮拉伸側(cè)主減震器，為懸架系統(tǒng)提供額外的側(cè)傾剛度，T形穩(wěn)定桿繞中點(diǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)不發(fā)生縱向運(yùn)動(dòng)，第三彈簧裝置未被壓縮，因此此時(shí)不提供剛度。

縱傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，第三彈簧裝置提供額外的縱傾剛度；側(cè)傾運(yùn)動(dòng)時(shí)，防傾桿提供額外的側(cè)傾剛度。第三彈簧裝置解決了兩者過(guò)于關(guān)聯(lián)從而影響賽車(chē)操縱穩(wěn)定性的問(wèn)題，使得懸架系統(tǒng)能更好的解耦。

2 前懸架系統(tǒng)仿真分析

2.1 整車(chē)參數(shù)確定

根據(jù)以往賽季中賽車(chē)的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)以及新賽季設(shè)計(jì)目標(biāo)，整車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，主要為提高賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性以及完成輕量化目標(biāo)。詳細(xì)見(jiàn)整車(chē)參數(shù)表1。其中，質(zhì)心相關(guān)參數(shù)由整車(chē)三維建模賦予材料屬性后通過(guò)慣量測(cè)量得出。

表1 整車(chē)參數(shù)

2.2 硬點(diǎn)坐標(biāo)確定

利用CATIA三維建模軟件對(duì)前懸架幾何模型進(jìn)行建模后，測(cè)量得各懸架硬點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，可通過(guò)修改Adams car提供的雙橫臂懸架模型中的硬點(diǎn)坐標(biāo)，得到新賽車(chē)的仿真模型。

圖2 前懸架動(dòng)態(tài)仿真模型

2.3 結(jié)果與分析

在確認(rèn)硬點(diǎn)坐標(biāo)以及設(shè)定好邊界條件后，對(duì)此仿真模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，得到結(jié)果。

第三彈簧裝置很大程度地提高了賽車(chē)懸架系統(tǒng)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(chē)懸架系統(tǒng)的角剛度，即在側(cè)傾時(shí)不影響運(yùn)動(dòng)，能做到很好的解耦。

圖3 有/無(wú)第三彈簧裝置前懸架系統(tǒng)線剛度對(duì)比線圖

3 實(shí)物與試驗(yàn)

對(duì)設(shè)計(jì)的第三彈簧裝置進(jìn)行繪制工程制圖，并加工。根據(jù)設(shè)定的整車(chē)參數(shù)以及動(dòng)態(tài)仿真的設(shè)計(jì)參數(shù)，以華汽車(chē)隊(duì)20賽季燃油方程式賽車(chē)Ambition9為測(cè)試對(duì)象。借助AIM儀表對(duì)直線位移傳感器進(jìn)行調(diào)零并收集兩側(cè)主減震器動(dòng)態(tài)跑動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。在控制變量中，測(cè)試不同速度進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，有無(wú)第三彈簧裝置對(duì)車(chē)身俯仰的影響。通過(guò)兩側(cè)主減震器的壓縮情況來(lái)反映車(chē)身動(dòng)態(tài)俯仰程度。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，擁有第三彈簧裝置的賽車(chē)在同等速度工況下相較于無(wú)第三彈簧的賽車(chē)時(shí)主減震器減少壓縮4mm～8mm。并且通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，在無(wú)第三彈簧裝置的情況下，賽車(chē)在動(dòng)態(tài)中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)前翼蹭地的現(xiàn)象，制動(dòng)時(shí)尤為嚴(yán)重，而裝上第三彈簧裝置后，蹭地現(xiàn)象大幅減少。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所訴，并且結(jié)合車(chē)手反饋，第三彈簧裝置能有效抑制賽車(chē)在制動(dòng)時(shí)的點(diǎn)頭行為，減少主彈簧的壓縮量以及縮小前輪輪跳區(qū)間，維持賽車(chē)的底盤(pán)高度，避免了在高速行駛時(shí)產(chǎn)生的下壓力作用下懸架過(guò)度壓縮使底部氣流出現(xiàn)失速導(dǎo)致的整體下壓力錯(cuò)亂，進(jìn)而更快地響應(yīng)車(chē)手的操作，提高了賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，為小型賽車(chē)的前懸架設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義。