趙文瑞 孟澤江 馬舒君

摘要： 為了解決車輛在彎道中姿態(tài)側(cè)傾，穩(wěn)定性下降的問題。設(shè)計了一種用于車輛的自適應(yīng)移動配重裝置，安裝于車體上，通過自主改變車輛重心位置，保證車輛的行駛姿態(tài)，提高車輛的彎道性能。對實驗用車進行了建模，設(shè)計了配重系統(tǒng)及自適應(yīng)控制系統(tǒng)，利用有限元校核了車輛在各工況下的強度，并進行實車驗證，證明該裝置對車輛彎道性能有提升。該裝置提供了一種結(jié)構(gòu)簡單經(jīng)濟性好的車輛重心改變方案，為車輛彎道性能的提升提供了一種思路。

Abstract： In order to solve the problem of vehicle's attitude tilting in the corner， the stability is reduced. An adaptive mobile counterweight device for vehicles is designed， which is mounted on the body， and the vehicle's bend performance is improved by autonomously changing the vehicle's center of gravity position， ensuring the vehicle's driving attitude. The experimental vehicle is modeled， the counterweight system and adaptive control system are designed， the strength of the vehicle under various operating conditions is verified by finite meta-check， and the real vehicle verification is carried out， which proves that the device has improved the performance of the vehicle bend. The device provides a simple and economical vehicle center of gravity change scheme， which provides a way of thinking for improving the performance of vehicle bends.

關(guān)鍵詞： 車輛彎道;配重;自適應(yīng)移動;賽車

Key words： vehicle curve;counterweight;adaptive movement;racing

中圖分類號：U472.43 ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0019-03

0 ?引言

轉(zhuǎn)向時由于慣性力，車輛穩(wěn)定性下降，為增強車輛彎道穩(wěn)定性，現(xiàn)有方法主有增加懸架剛度、非對稱車輛調(diào)整，以及車輛重心位置的改變等。本文介紹了一種通過車輛重心位置的改變來增強彎道穩(wěn)定性的裝置。

為解決橫向穩(wěn)定桿不能提供抗俯仰的問題，提高賽車性能以及操作穩(wěn)定性，李雨軒等人結(jié)合輪胎數(shù)據(jù)與整車參數(shù)設(shè)計確定懸架硬點，通過Adams對該懸架進行仿真分析驗證，設(shè)計了能有效抑制賽車在制動時的點頭行為的第三彈簧裝置。高寧等人利用ANSYS分析設(shè)計了一種FSAE賽車的橫向穩(wěn)定桿系統(tǒng)，在滿足防側(cè)傾需求的前提下對穩(wěn)定桿實現(xiàn)輕量化。瞿育文等人針對含時滯反饋控制的主動懸架的減振問題，對車輛主動懸架振動控制進行了研究，使車輛行駛舒適、穩(wěn)定性得到進一步提高。鄧召文等人基于CFD方法對比分析了3種不同參數(shù)的尾翼組合方案的氣動特性，確定了最優(yōu)的尾翼組合方案，根據(jù)最優(yōu)方案的尾翼參數(shù)對前翼的參數(shù)進行了匹配，設(shè)計了FSAE賽車空氣動力學(xué)套件，有效提高了車輛過彎速度，推遲了剎車點，提高了圈速，有效提高了賽車的操縱穩(wěn)定性和動力性。許夢潔等人對兒童賽車加裝移動配重提高其防側(cè)傾性能，對配重在車輛中的應(yīng)用提供參考。

綜上所述，目前相關(guān)穩(wěn)定性技術(shù)亦能夠基本滿足生產(chǎn)需求，但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，維護不變等問題，研究提出一種用于車輛的自適應(yīng)移動配重裝置，對實驗用車進行建模，設(shè)計配重系統(tǒng)及自適應(yīng)控制系統(tǒng)，利用有限元的方法校核了車輛在各工況下的強度，并進行了實車驗證，證明該裝置的有效性。

1 ?總體方案和工作原理

1.1 總體方案

裝置由配重系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)及全地形卡丁車組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示，配重系統(tǒng)利用螺栓安裝在焊接于車架的安裝臺上，自適應(yīng)控制系統(tǒng)（包括控制器、角度傳感器、位置傳感器）利用螺栓安裝在車身上。

1.1.1 配重系統(tǒng)方案

配重系統(tǒng)由滾珠絲桿、滑臺體、配重箱和執(zhí)行電機組成。執(zhí)行電機驅(qū)動滾珠絲桿，控制配重箱進行往復(fù)運動，配重箱采用中空結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)實際需要增加配重質(zhì)量。

1.1.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)方案

自適應(yīng)控制系統(tǒng)由控制器、位置傳感器、角度傳感器和執(zhí)行電機組成，完成配重箱的精準定位，實現(xiàn)車輛重心的自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能。

1.2 工作原理

當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向并且車身發(fā)生傾斜時，配重塊向車輛轉(zhuǎn)向的反方向移動。該自適應(yīng)移動配重工作時，利用傳感器對車輛自身和行駛環(huán)境進行監(jiān)測，將信號傳遞給控制器，通過電機實時驅(qū)動配重箱移動，使車輛重心偏移，實現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)彎道或復(fù)雜地形條件，提高車輛行駛穩(wěn)定性。

2 ?關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 配重系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 配重系統(tǒng)

該配重系統(tǒng)是采用動力驅(qū)動配重物體移動的裝置。根據(jù)傳動方案的不同，分為①滾珠絲桿滑臺、②直線電機、

③齒輪齒條。鑒于滾珠絲桿滑臺結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，使用滾珠絲桿滑臺作為配重系統(tǒng)的方案。

2.1.2 配重安裝位置的確定

配重安裝位置與車輛重心位置及車身尺寸有關(guān)。

首先，確定車輛的重心位置。單獨稱量地面對每個車輪的作用力，根據(jù)車身尺寸計算其車體質(zhì)心位置。

根據(jù)力矩平衡原理，如果一個物體所受到的力的合力矩的代數(shù)和是0，那么就說這個物體處于力矩平衡狀態(tài)。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可見車輛重量在左右方向上分布較均勻（小于1.5%），而在前后方向上差異顯著（接近20%），故僅以前后方向的重量差別計算車輛質(zhì)心位置。

Fy1*a=Fy2*（L-a）

a=Fy2*L/（Fy1+Fy2）

上式中a為重心位置與前輪軸的距離，L為車輛的軸距，F(xiàn)y1為地面對前輪的作用力，F(xiàn)y2為地面對后輪的作用力。

根據(jù)上式，計算出重心位置與前輪軸的距離a=795mm。

重心在車輛中部偏后，由于車輛為后輪驅(qū)動，且駕駛員位置在車輛前部，為確保后輪抓地力，擬將配重裝置安裝于車體后部，距后輪軸250mm處。

2.1.3 配重系統(tǒng)運行速度

與配重系統(tǒng)運行速度有關(guān)的因素有：①轉(zhuǎn)彎半徑;②車輛行駛速度;③配重可移動行程。其關(guān)系如圖6所示。

由上述關(guān)系整理

上式中 U為配重運行速度，V為車輛行駛速度，s為滾珠絲桿滑臺配重可移動行程，r為轉(zhuǎn)彎半徑。

據(jù)查，我國城市道路轉(zhuǎn)彎半徑規(guī)定：①主干道道路轉(zhuǎn)彎半徑為20m～30m;②次干道道路轉(zhuǎn)彎半徑為15m～20m;③非主次道路轉(zhuǎn)彎半徑為10米～20米。故取，r=10m～30m。城市主要道路限速為20km/h～60km/h，故v=60km/h。滾珠絲桿滑臺配重可移動行程s=1m。可得u=0.18～0.53m/s，市面所受滾珠絲桿滑臺大多可滿足使用需求。

2.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

自適應(yīng)控制系統(tǒng)通過角度傳感器實時監(jiān)測車身的位姿狀態(tài)，將車輛位姿狀態(tài)實時傳遞到控制器，位置傳感器與配重箱同步，將配重的位置信息實時反饋回控制器，控制器根據(jù)車輛的位姿狀態(tài)控制執(zhí)行電機驅(qū)動配重箱到達目標位置，并根據(jù)位置傳感器的信息，進行反饋調(diào)節(jié)，完成配重箱的精準定位，實現(xiàn)車輛重心的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

2.3 車身強度校核

項目通過在全地形卡丁車車架上安裝可自適應(yīng)移動的配重來改變車輛重心位置，提高彎道性能，但是由于賽車工況惡劣，又加裝了接近車輛自重30%的配重物，故車身強度可能存在不足。

本項目購置的全地形卡丁車屬于桁架式車架，即由鋼管焊接而成的空間管陣。其特征是基架（位于與車橋直接相連的鋼管所在平面）承受主要載荷，故分析可簡化為基架進行。

賽車車架的有限元分析主要基于以下幾個工況：靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況以及轉(zhuǎn)彎工況。下面將逐一進行有限元分析，以確定車架強度是否滿足要求。

2.3.1 基架受力分析

設(shè)駕駛員體重為60kg，駕駛位中心與前輪軸距離為560mm，故可簡化為前輪軸分擔(dān)34.93kg，后輪軸分擔(dān)25.07kg。故靜態(tài)最大載荷為前輪軸96.48kg，后輪軸114.97kg，載荷42kg。車身總重m=235.45kg。前、后輪軸位置非?？拷啊⒑箝L橫梁，配重位置非?？拷蟛慷虣M梁處，故將載荷施加于前、后長橫梁及后部短橫梁處。

F=m*a

參考大學(xué)生方程式賽車的經(jīng)驗，在賽車全力制動時，最多可產(chǎn)生a1=1.4g的制動減速度?？傻茫畲笾苿恿Z=3230.37N。且賽車全力制動時，前輪制動起絕對作用，故可將載荷至于前長橫梁的前側(cè)。

賽車在全力加速時可產(chǎn)生最大a2=1g的加速度。可得，最大加速力FJ=2307.41N。由于全地形車后輪驅(qū)動，載荷添加于后長橫梁的后表面。

賽車在極限轉(zhuǎn)向時可產(chǎn)生最大a3=1g的側(cè)向加速度，最大轉(zhuǎn)向力FW=2307.41N。可認為載荷作用于側(cè)面最長梁的外側(cè)面。

2.3.2 仿真前處理

選擇“固體力學(xué)”，在“穩(wěn)態(tài)”情況進行研究。車架使用 4130合金鋼，即30CrMo，屈服強度1172MPa。車架在兩側(cè)長梁的底面位置進行固定，網(wǎng)格大小為 “常規(guī)”。

2.3.3 結(jié)果與分析

圖11分別為車輛靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況及轉(zhuǎn)彎工況時載荷添加情況及分析結(jié)果。

分別分析了車輛靜止或勻速行駛工況、制動工況、加速工況及轉(zhuǎn)彎工況，其最大應(yīng)力分別為197MPa、624MPa、554MPa、204MPa，取安全系數(shù)為1.5，計算最大可能應(yīng)力為936MPa，小于材料屈服強度1172MPa;最大變形分別為0.1mm、0.2mm、0.18mm、0.1mm，變形程度在允許范圍內(nèi)。

參考簡志雄所做的有軌卡丁車車架及懸架設(shè)計分析，其仿真最大應(yīng)力值為890.6MPa;參考《大學(xué)生方程式賽車設(shè)計》一書，書中仿真各工況車架最大變形量為0.20mm-0.34mm之間。與筆者所作工作結(jié)果差異不大。

3 ?性能試驗

本實驗使用全地形卡丁車、滾珠絲桿滑臺、逆變器、伺服電機控制器、位置傳感器、角度傳感器進行。試驗場地為平坦的鋪裝路面。由駕駛員駕駛車輛，分別對比是否開啟該裝置對車輛過彎的影響，以及開啟該裝置后，車輛在不同速度下過彎的情況。

4 ?結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有提升車輛彎道性能的裝置，采用移動式配重的方法，并利用傳感器及控制器實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的實時監(jiān)控、自適應(yīng)的驅(qū)動配重平衡彎道中的重量轉(zhuǎn)移。最大限度保證了車輛的過彎姿態(tài)，提高車輛過彎極限。

相比固定式配重，自適應(yīng)移動配重能實現(xiàn)在多種彎道情況下的合理重心調(diào)整，對進一步提高過彎性能有著一定的作用。相較于增加懸架剛度、非對稱車輛調(diào)整的方法，該方案結(jié)構(gòu)簡單，可適用于提高賽車、特種車輛、農(nóng)用車輛等復(fù)雜路況下車輛的穩(wěn)定性。

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