大學生賽車懸架機構設計及優化

羅鈺琳 任峰 李龍海

長春師范大學 吉林省長春市 130032

1 研究現狀

1886，卡爾·本茨制造了第一輛汽車，當時采用的是鋼板彈簧，隨著1763年螺旋彈簧的誕生，它開始應用到汽車上了。隨著時代的發展，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，這也就創造出了如今的獨立懸架[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]。在設計過程中仿真是必不可少也是非常重要的一步，國內的賈現召把三維模型與力學研究做了一個很好的連接，有著兩者之間的數據可以交互的方法[4-5]。在2014年，太原理工大學晉翔車隊就放棄了主流的雙叉臂懸架而創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 設計流程

2.1 懸架結構形式的選擇

懸架的結構形式可以分為兩種形式，一種是獨立懸架，另一種是非獨立懸架。非獨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定[6]。隨著科學技術的發展和人們生活的需要，汽車的行駛速度在不斷的提高，獨立懸架更能滿足賽車所需要的性能，獨立懸架是采用中間斷開的車橋的形式，在其兩側分別連接著車輪，它的特點是一側車輪發生跳動不會影響另一側車輪的運動狀態，即兩側車輪互不影響獨立懸架按功能可按圖示分類，在設計、加工、安裝、調試等方面綜合考慮之后，我們發現雙橫臂式獨立懸架比其它形式的懸架更優。實際上，在大學生方程式賽車大賽中各車隊也是青睞于雙橫臂式獨立懸架這種懸架形式。初步確定整車的基本參數為：軸距1650mm，前輪距1320mm，后輪距1280mm，整備質量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[7]。前后懸架的計算公式（2-1）如下

式中：K1、K2——賽車前、后懸架的剛度（N/cm）

m1、m2——賽車前、后懸架的簧載、上質量（kg）

我們初步定為前懸架偏頻n1=2.5Hz，n2=2.8Hz

2.3 選定四輪定位參數的大小

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

圖1 分類圖

2.4 懸架剛度計算

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

式中：K1為懸架的線剛度（N/mm）

B1為賽車輪距（mm）

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

2.5 前后懸架的導向機構的設計

對于雙橫臂式獨立懸架，車輪上下跳動會對其定位參數有一定影響，當上下車輪跳動時，如果設計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，經計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

減震器阻尼的計算公式（2-3）如下

式中：ms為簧載質量，n為偏頻，Φ為阻尼系數。

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

3 建模優化

3.1 立柱的建模

由于前立柱需要轉向，所以前立柱與后立柱的結構有所不同，主要體現在前立柱下部分有個與轉向相連的耳件，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域進行挖空處理。從而減少材料和成本。立柱三維圖如圖2，圖3所示：

圖2 前立柱

圖3 后立柱

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：

圖4 橫臂

3.3 搖臂的建模

我們設計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系可由計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中心點對齊裝配臺的中心軸線，固定好車架。之后考慮四輪定位，按照裝配設計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，如果和設計有誤差加以改進，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。

圖5 前懸架搖臂

圖6 后懸架搖臂

4 結語

懸架作為整車的重要組成部分之一，其設計的優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，雖然有著大量的關于懸架的研究和成果，但進一步提高懸架結構設計優化水平將會有力的推動汽車行業的發展。