基于FSAE賽車后輪輪跳轉向優化

楊偉 劉飛龍 曹秀娟

內容摘要：FSAE賽車在高速行駛過程中，由于賽道彎較多且半徑變化較大，所以這就對賽車的過彎操縱性提出了很高的要求。在FSAE賽車開發過程中，懸架的開發至關重要，其中后輪由于載荷較大，且是驅動力，所以對于后輪定位參數的設計和保證參數的變化率小就顯得尤為重要，而在過彎過程中，車身的側傾使得左右輪胎的位移較大，但由于束角對于賽車過彎特性起著很大的作用，因此就要求束角的變化要盡可能小。本文便提出了一種輪跳轉向的優化方案。

關鍵詞：FSAE；輪跳轉向；束角；優化設計；Optimum kinematics

一、研究背景：

隨著汽車行業的發展，人們對普通汽車“以車代步”的功能也不再滿足，隨

著各種各樣的賽車的相繼出現，滿足了人們對“高速度”的追求。隨之出現的賽

車比賽越來越受到人們的歡迎。當然，在全世界也掀起了對賽車比賽的追求得狂

潮的同時，賽事也慢慢地從社會進入到校園中。在1979年，由美國汽車工程師協會舉辦的一項大學生方程式賽車（簡稱 FSAE 賽車）比賽，把賽車比賽正式地引進了校園，學生可以全程地參與賽車比賽，能夠充分地了解汽車從設計、制作到營銷的全過程。近些年世界上多個國家開展了此項比賽，目前舉辦賽事的國家有美、英、德、日等國家。在2008年，我國也有一些院校參加其他國家的 FSAE 賽車比賽。同時，在2010年我國舉辦了首屆中國大學生方程式汽車（FSAE）賽事，使更多的中國高校參與此項比賽。參賽高校組織車隊構想、設計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽，借以培養及訓練車輛工程研發設計人才。為了達到賽事目的，假定參賽的車隊是為一家公司設計、制造、測試并展示一輛休閑賽車，因此賽車應該能夠在加速、制動和操控性能等方面有很好的表現，并且能足夠穩定耐久，能夠順利完成規則中所有的項目，順利參加中國 FSAE 賽車比賽。對車隊來說，其挑戰在于開發一輛能最大程度滿足中國FSAE賽車的設計目標且具有市場前景的樣品車[1]。

二、懸架結構參數設計

1、后懸輪胎定位參數

基于往年賽事的經驗和參考推薦范圍確定如下輪胎定位參數。

2、后懸結構

因為FSAE賽車對于操縱性和穩定性提出了較高的要求，因此我們采用了運動性能和受力較好的雙橫臂的結構（圖1），橫臂采用4130無縫鋼管制成。

3、輪胎參數

4、建立硬點坐標

5、建立模型

三、仿真優化

1、運動學仿真

運動學仿真采用Optimum Kinematics仿真軟件仿真，該軟件是專門用于懸架運動學仿真的軟件，具有簡便、仿真結果豐富、仿真工況多、結果導出和分析方便等優點。

2、仿真參數

依據賽事規則和FSAE賽車的動力學特性，確定前輪距為1220mm，后輪距1170mm，軸距為1550mm，為保證賽車在2G側向加速度時有較好的姿態，設計確定懸架側傾角剛度，保證賽車的側傾增益為1.5°/G，最后確定了3°的車身側傾角。

4、仿真結果分析

通過仿真結果可以看出，后輪輪胎轉向范圍非常大，不符合設計要求，原因如下：

束桿的理論位置應該是使得束桿的瞬心和上下橫臂的瞬心重合，這樣車輪在跳動過程中相當于繞其瞬心轉動，便不會出現束角的變化，但是實際情況下橫臂的瞬心是隨著輪胎的跳動而不斷變化的，而束桿的瞬心也在不斷的變化，這樣就不能保證任何時候束桿和橫臂的瞬心交與一點，因此在輪胎發生跳動的時候也就會發生轉向，且瞬心距離差距越大，輪胎束角變化越劇烈。

5、改進方案：將束桿移至下后橫臂處，并使得束桿與橫臂在同一平面，且兩桿互相平行，這樣就能保證束桿的瞬心和上下橫臂的瞬心在輪胎上下跳動時一直處于同一點，雖然瞬心也會在輪胎跳動過程中不斷變化，但在不考慮其他因素的情況下能夠有效抑制輪胎轉向。

6、修改懸架結構

修改后的懸架結構如圖二

7、修改后的懸架坐標

8、優化結果

9、結果分析

通過仿真的結果可以看出，優化后的束角變化率在理想范圍內，較優化前有了明顯的改善，該結果符合設計要求。

三、結論

通過對束桿的布局的優化設計，提供仿真結果可以看出，優化后的后輪輪跳轉向得到了有效控制，變化范圍只有，完全符合設計要求，理想的束角變化率保證的賽車在高速行駛時的穩定性和抓地力，有效提高了整車的操縱性和單圈圈速。

參考文獻

[1]李嫚.FSAE賽車懸架的優化設計及分析[D].哈爾濱工業大學碩士學位論文，2011：1-1.

課題項目：一種計及瞬態振動MAP圖的混合動力車輛轉速轉矩最優分配控制策略編號：201810299201H

作者簡介：楊偉（1997.10）男，四川德陽人，本科，研究方向：汽車底盤