大學(xué)生賽車懸架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

羅鈺琳 任峰 李龍海

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)車架與車輪之間力與力矩的傳遞、緩和對車身造成的沖擊、提高賽車的平順性，擁有一個較好的懸架系統(tǒng)是至關(guān)重要的。首先確定整車的輪距、軸距、前后軸荷分配比等基本參數(shù)，再根據(jù)公式計(jì)算出懸架剛度、阻尼系數(shù)等重要參數(shù)，確定彈性元件、減振器的型號以及對導(dǎo)向機(jī)構(gòu)尺寸的初步設(shè)計(jì)。其次利用CATIA軟件對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)建立三維模型，在ADAMS中導(dǎo)入三維模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，對產(chǎn)生干涉的部位進(jìn)行改良。改良后的模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析，進(jìn)而開始對模型靜力學(xué)研究，主要對受力不合理以及變形部分進(jìn)行優(yōu)化，受力較小的部分挖空處理，變形部分重新合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的懸架結(jié)構(gòu)滿足大賽規(guī)則要求，懸架系統(tǒng)可靠性好，有效提高了整車性能。本文的研究成果將為懸架設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究提供有效的研究。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立懸架;FSEC大賽;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 研究現(xiàn)狀

1886，卡爾·本茨制造了第一輛汽車，當(dāng)時采用的是鋼板彈簧，隨著1763年螺旋彈簧的誕生，它開始應(yīng)用到汽車上了。隨著時代的發(fā)展，一位叫麥弗遜的工程師把減震器和螺旋彈簧組合在一起了，這也就創(chuàng)造出了如今的獨(dú)立懸架[1-2]。對于汽車懸架有著大量的研究成果。約森.賴姆佩爾在懸架彈性元件方面做了深入的研究，他也做過很好的闡述[3]。在設(shè)計(jì)過程中仿真是必不可少也是非常重要的一步，國內(nèi)的賈現(xiàn)召把三維模型與力學(xué)研究做了一個很好的連接，有著兩者之間的數(shù)據(jù)可以交互的方法[4-5]。在2014年，太原理工大學(xué)晉翔車隊(duì)就放棄了主流的雙叉臂懸架而創(chuàng)新出一種多連桿懸架，這為其他高校提供了一種新型懸架的研究方案。

2 設(shè)計(jì)流程

2.1 懸架結(jié)構(gòu)形式的選擇

懸架的結(jié)構(gòu)形式可以分為兩種形式，一種是獨(dú)立懸架，另一種是非獨(dú)立懸架。非獨(dú)立懸架是一根車橋連接著兩個車輪，如果采用這種形式，賽車在高速行駛下會不穩(wěn)定[6]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活的需要，汽車的行駛速度在不斷的提高，獨(dú)立懸架更能滿足賽車所需要的性能，獨(dú)立懸架是采用中間斷開的車橋的形式，在其兩側(cè)分別連接著車輪，它的特點(diǎn)是一側(cè)車輪發(fā)生跳動不會影響另一側(cè)車輪的運(yùn)動狀態(tài)，即兩側(cè)車輪互不影響?yīng)毩壹馨垂δ芸砂磮D示分類，在設(shè)計(jì)、加工、安裝、調(diào)試等方面綜合考慮之后，我們發(fā)現(xiàn)雙橫臂式獨(dú)立懸架比其它形式的懸架更優(yōu)。實(shí)際上，在大學(xué)生方程式賽車大賽中各車隊(duì)也是青睞于雙橫臂式獨(dú)立懸架這種懸架形式。初步確定整車的基本參數(shù)為：軸距1650mm，前輪距1320mm，后輪距1280mm，整備質(zhì)量325kg，前后軸荷分配比45/55。

2.2 前后懸架偏頻的選擇

偏頻是影響賽車平順性的一個重要參數(shù)[7]。前后懸架的計(jì)算公式（2-1）如下

2.3 選定四輪定位參數(shù)的大小

四輪定位參數(shù)是確保在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能正常工作的情況下還能使車輪具有自動回正功能。通過計(jì)算我們確定四輪的定位參數(shù)如下：前懸架的主銷后傾角1.6°，前懸架的主銷內(nèi)傾角2.4°，前懸架的車輪外傾角-1.3°，前懸架的車輪前束1.1°，后懸架的主銷后傾角0°，后懸架的主銷內(nèi)傾角0°，后懸架的車輪外傾角-1.3°，后懸架的車輪前束0°。

2.4 懸架剛度計(jì)算

懸架側(cè)傾角剛度是指車身傾斜單位角度所需要的側(cè)傾力矩，其計(jì)算公式（2-2）如下

懸架側(cè)傾角剛度太大會降低賽車的平順性，過小則會導(dǎo)致懸架太硬，影響駕駛員的舒適感，在1g的側(cè)向加速度下，車身傾角應(yīng)該控制在1°到2°。

2.5 前后懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對于雙橫臂式獨(dú)立懸架，車輪上下跳動會對其定位參數(shù)有一定影響，當(dāng)上下車輪跳動時，如果設(shè)計(jì)的輪距過大會加劇了輪胎的磨損，從而增加了制造成本，為了提高輪胎的使用壽命，我們盡可能的把輪距的變化控制在較小的范圍內(nèi)，經(jīng)計(jì)算后最終確定上下橫臂的長度比值在0.66左右。

2.6 彈性元件和減震器的選擇

為了滿足對賽車平順性的要求，我們計(jì)算得到了以下數(shù)據(jù)，壓縮行程和伸張行程的阻尼系數(shù)分別為0.2和0.4。前懸架的壓縮阻尼系數(shù)為416.2Ns/m，前懸架的回彈阻尼系數(shù)為912.9Ns/m，后懸架的壓縮阻尼系數(shù)為486.7Ns/m，后懸架的回彈阻尼系數(shù)為837.4Ns/m。由以上數(shù)據(jù)參考選型減震器的型號，兩個減震器為左右對稱布置[3] 。

3 建模優(yōu)化

3.1 立柱的建模

由于前立柱需要轉(zhuǎn)向，所以前立柱與后立柱的結(jié)構(gòu)有所不同，主要體現(xiàn)在前立柱下部分有個與轉(zhuǎn)向相連的耳件，后立柱下端耳件需要安裝固定桿。前立柱上端兩個孔是與耳件轉(zhuǎn)配，再通過耳件與上橫臂連接，前立柱下端直接連接著下橫臂，用于轉(zhuǎn)向作用[3]。后立柱的上端和下端都留有兩個安裝孔，是用來裝配耳件的，耳件與橫臂是通過螺栓螺母以及墊片組合栓接的。立柱側(cè)面有個兩個與卡鉗裝配的安裝孔，立柱中間掏空部分需要安裝軸承和擋圈，之后再安裝輪芯。秉著輕量化原則和提高整車速度，我們通過ANSYS分析對立柱受力較小的區(qū)域進(jìn)行挖空處理。從而減少材料和成本。立柱三維圖如圖2，圖3所示：

3.2 橫臂的建模

橫臂是連接車輪與車架的元件，橫臂是通過耳件連接在立柱上，從而間接連接車輪。其三維圖如圖4所示：

3.3 搖臂的建模

我們設(shè)計(jì)的前搖臂是由兩片組成，有四個安裝孔。后搖臂是由三個片狀組成，其上有著四個安裝孔。四個安裝孔的幾何關(guān)系可由計(jì)算出的傳遞比基本確定下來，從而確定了搖臂的幾何形狀。其三維圖如圖5，圖6所示：

3.4 總裝配

首先我們考慮整車必須左右對稱，其誤差越小對整車的性能越好。我們先固定車架，在裝配臺上劃出整車的中心軸線，再利用整車最前管中心、整車最后管中心以及主環(huán)中心點(diǎn)對齊裝配臺的中心軸線，固定好車架。之后考慮四輪定位，按照裝配設(shè)計(jì)圖的尺寸固定好四輪的立柱，緊接著就安裝立柱上的耳件，在耳上安上各部位的a臂桿，再找a臂桿與車架的交點(diǎn)，如果和設(shè)計(jì)有誤差加以改進(jìn)，之后再安裝魚眼軸承，錐墊以及扇形片，采取焊接的方法與把扇形片與車架連接。完成后把推桿的一端通過扇形片焊接在a臂桿的下端，另一段連接在搖臂上，搖臂的一端通過扇形片焊接在車架上，第三端連接減震器上，減震器的另一端再通過扇形片焊接在車架上。再完成輪芯和立柱的裝配，之后再安裝上輪胎。

4 結(jié)語

懸架作為整車的重要組成部分之一，其設(shè)計(jì)的優(yōu)化程度對于整車性能有著重大的影響。懸架作為連接車輪和車架的組成，其作用是傳遞兩者之間的力和力矩并緩和地面帶給車架的沖擊，從而提高車輛的平順性。至今為止，雖然有著大量的關(guān)于懸架的研究和成果，但進(jìn)一步提高懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化水平將會有力的推動汽車行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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