巴哈越野賽車懸掛轉向系統結構優化設計

段立山 劉勇進

【摘 要】根據賽道對巴哈賽車的要求，利用CATIA中三維模型的硬點坐標，進入Adams/Car模塊建立動力學模型，對賽車雙橫臂懸掛的多體動力學模型進行特性分析。通過給定的位移和力的條件，獲得懸架在兩種特定條件下的運動規律和運動特性，研究懸架的相關設計參數變化規律，探討懸掛、轉向系統硬點位置的合理性，通過前束值的優化設計來說明，對于越野賽車懸架的結構及性能優化工作具有一定的參考意義。

【關鍵詞】越野賽車;懸掛;轉向系統;Adams/Car特性分析;結構優化

中圖分類號： U463.32 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）04-0030-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.012

0 引言

中國大學生巴哈大賽（Baja SAE China），簡稱 BSC大賽，是由中國汽車工程學會主辦的大學生小型越野車競賽。BSC大賽要求各參賽車隊在規定時間內，使用同一型號發動機，設計制造一輛單座、發動機中置、后驅的小型越野車，參加包括多種靜態與動態項目測試。靜態項目包括技術檢查、賽車設計、成本與制造、商業營銷等，動態項目包括牽引力測試、爬坡測試、直線加速測試、耐力測試等。在賽車的動態比賽項目中，車輪正確的定位參數顯得尤為重要，作用是保持汽車直線行駛的穩定性，保證汽車轉彎時轉向輕便，且使轉向輪自動回正，減少輪胎的磨損等，以前輪前束為例，作為后輪驅動的巴哈賽車，路表面的前輪摩擦使汽車在行駛時車輪趨向負前束的位置，所以在車輛處于停放時將前輪調節為小的前束。眾所周之，汽車在行駛過程中出現過大的前束導致車輪輪胎磨損加劇并導致輪胎失效、撞車等事故，因此，控制賽車在行駛跳動過程中前束變化的范圍是非常有必要的。

1 懸掛、轉向系統設計

懸架是保證車輪或車橋與汽車承載系統（車架或承載式車身）之間具有彈性聯系并能傳遞載荷、緩和沖擊、衰減震動以及調節汽車行駛中的車身位置等有關裝置的總成。轉向系是通過對左、右轉向車輪不同轉角之間的合理匹配來保證汽車能沿著設想的軌跡運動的機構。它是由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構組成。巴哈賽車根據大賽規則并結合賽道要求，運用汽車設計相關知識進行理論設計，確定輪胎規格25×12×8英寸，滾動半徑303.1mm，靜力半徑298.1mm，前輪距1250mm，后輪距1200mm，軸距1410mm，前后輪均采用搭接式雙A臂懸掛，齒輪齒條式轉向機構，轉向角為30度，通過計算并利用CAD輔助畫圖，采用輪跳法確定賽車懸掛、轉向系統最終的硬點坐標，如圖1所示。

2 比賽工況分析

BSC大賽動態項目包括牽引力測試、爬坡測試、直線加速測試、耐力測試等。其中耐力賽占主要成分，它要求賽車連續運行4小時，最終行駛圈數最多者獲勝，耐力賽賽道有單駝峰、飛坡、炮彈坑、泥坑、雙駝峰、輪胎陣、石塊路等多種復雜障礙路況，賽車在遇到障礙物或路面不平會引起顛簸運動、加減速時引起的車身縱傾運動和轉彎時引起的車身側傾運動都會產生車輪的跳動。如果車輛的懸架結構設計不當，在車輪跳動時前輪定位參數的變化量可能很大，影響車輛行駛性能，出現轉向沉重、輪胎偏磨等問題。

3 建立懸掛、轉向系統三維模型并進行仿真分析

根據CATIA模型中懸掛、轉向系統的硬點坐標，進入Adams/Car模塊建立動力學模型，如圖2所示。

構件間的連接為鉸接連接，不考慮襯套等彈性元件、外界的力和力矩對懸架參數所造成的影響。借助 ADAMS/Car模塊，對前懸架仿真模型做雙輪同向激振仿真試驗，根據懸架系統的動撓度和靜撓度的設計，選擇車輪上下跳動高度分為上跳110mm，下跳80mm，修改好彈簧剛度、彈簧預載等參數后，對前懸架進行運動學分析。如圖3所示。

通過Post/Processor查看仿真后的結果，仿真實驗時，前束值變化范圍如圖4所示，變化范圍在-2.16°～1.16°之間，是不合理的變化規律，通過Adams中Insight模塊對硬點坐標進行優化。

4 結構優化設計

進行前束角隨車輪跳動量變化關系的優化，根據汽車知識可知，跳動過程中影響前束角變化的因素有很多，可以對轉向拉桿硬點進行優化，將動力學模型中tierod_inner點及tierod_outer點作為設計變量，進行動力學模型的優化。

Insightm模塊針對tierod_inner點進行8次優化，如圖5所示，通過Insight優化結果可知，第二個坐標點為最佳坐標點。

將第二個坐標點測量結果作為新的硬點，進行第二次懸掛試驗臺仿真實驗，如圖6所示，得到新的前束角隨車輪跳動量變化關系圖，通過測量可知前束角的變化范圍為-1.86°～0.79°明顯縮小了前束角的變化范圍。

用同樣的方法進行tierod_outer點的優化，得到新的前束角隨車輪跳動量變化關系圖如圖7所示，可以發現前束角的變化范圍減小到了-1.58°～0.41°。

5 結論

綜上所述，對懸掛利用Adams/car建模、使用Post/Processor、Insight模塊的功能，可以有針對性的進行懸掛相關參數的設計，結果顯示優化后的前輪前束角明顯改善了懸架的運動學特性和賽車的操控穩定性，為巴哈賽車中懸掛、轉向系統的設計提供了思路和參考。

【參考文獻】

[1]中國汽車工程學會巴哈大賽規則（2018）[M].北京：中國汽車工程學會，2018.

[2]劉惟信.汽車設計.[M].北京：清華大學出版社，2001.7.

[3]陸潤明.越野賽車雙橫臂懸架特性分析[J].2018.