巴哈賽車橫向穩定桿的設計與性能驗證

侯小舸，楊云珍，王琦

巴哈賽車橫向穩定桿的設計與性能驗證

侯小舸，楊云珍，王琦

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

設計了一套匹配巴哈賽車底盤特性的橫向穩定桿，通過提高懸架系統的側傾角剛度提高整車的抗側傾能力，從而增強賽車的橫向穩定性。建立橫向穩定桿的數學模型；分析穩定桿的各參數對橫向穩定桿所能提供的側傾角剛度的影響；對懸架系統進行仿真分析，得出橫向穩定桿的特性曲線；并進行實車的穩態回轉試驗與跑動測試，進一步驗證了橫向穩定桿的抗側傾性能。

橫向穩定桿；巴哈賽車；懸架；側傾角剛度

大學生巴哈賽車是一種發動機中置、后驅的小型全地形車，具有獨特的防滾架結構和與之相匹配的斜置單縱臂后懸架系統，獨特的懸架布置導致其在高速入彎時，會產生較大的側傾和橫向振動，導致輪胎側偏嚴重，影響賽車的操控穩定性及平順性[1]。因此設計出一款匹配巴哈賽車底盤布置的橫向穩定系統，建立出橫向穩定桿的理論模型；并對懸架系統進行運動仿真分析；最后通過實車跑動測試，更為真實地驗證了橫向穩定桿的性能。

1 建立橫向穩定桿的數學模型

1.1 橫向穩定桿的布置

橫向穩定桿的布置如圖1所示。

圖1 橫向穩定桿的布置示意圖

當整車發生側傾時，一側輪胎相對于車架有一段垂向位移量?1，車輪處的跳動量傳遞到穩定桿臂末端的跳動量為?2，設?2與?1的比值為橫向穩定桿的傳動比，兩輪間距為。穩定桿的抗側傾性能的評價指標并不是穩定桿自身的側傾角剛度，而是穩定桿傳遞到車輪處的等效側傾角剛度。

1.2 橫向穩定桿側傾剛度的計算

設穩定桿長度為，穩定桿臂的長度為，穩定桿直徑為，穩定桿與穩定桿臂的夾角為，穩定桿臂末端端點的距離為，穩定桿與穩定桿臂通過螺栓連接，穩定桿上有兩處橡膠襯套用以固定穩定桿。根據受力分析，忽略橡膠襯套的變形，忽略穩定桿在彎矩作用下的微小角位移[2]。

橫向穩定桿如圖2所示。

圖2 橫向穩定桿的簡化圖

穩定桿的扭轉角剛度1為：

式（1）中：為穩定桿的剪彈性模量[3]；p為穩定桿橫截面的極慣性矩。

穩定桿的側傾角剛度2為：

式（2）中：1為穩定桿臂端部所受到的垂向力。

穩定桿的扭轉角剛度還可以表示如下：

聯立式（1）（2）（3）可得，橫向穩定桿的側傾角剛度2為：

對于獨立懸架，穩定桿側傾角剛度與車輪處的等效側傾角剛度的關系如下[4]：

聯立式（4）（5）可得穩定桿在車輪處的等效側傾角剛度3為：

2 仿真分析

在設計巴哈賽車懸架系統的過程中，輪距是根據整車布置提前確定的，穩定桿長由車架的結構確定，穩定桿與穩定桿臂的夾角受限于斜置單縱臂的斜置角，因此，在設計過程中主要的設計參數是穩定桿的直徑和穩定桿臂的長 度。

建立車輪處等效側傾角剛度與直徑以及穩定桿臂長度的關系式3=（）、3=（），在Matlab中搭建模型，進行仿真分析，根據后懸架系統的布置，傳遞比在0.15～0.25為宜。在此范圍內取五組進行仿真分析，傳遞比分別為0.15，0.175，0.2，0.225，0.25。得到等效側傾角剛度在五種傳遞比時與穩定桿直徑、穩定桿臂長度的關系曲線，如圖3和圖4所示。

圖3 等效側傾角剛度與穩定桿直徑的關系曲線

圖4 等效側傾角剛度與穩定桿臂長度的關系曲線

通過仿真結果可以看出，較小的穩定桿直徑和穩定桿臂長度即可提供高達700 Nm/°的側傾角剛度。傳遞比的變化對等效側傾角剛度的影響相對均勻，橫向穩定桿在車輪處的等效側傾角剛度隨著穩定桿臂的長度的增加而趨于平穩，隨穩定桿直徑的增加而急劇增加。

3 橫向穩定桿的研制

根據仿真結果確定橫向穩定桿的尺寸、材料、安裝形 式[5]，與橫向穩定桿裝置相關的主要部件包括穩定桿、穩定桿臂、調節螺桿、魚眼軸承、后懸架擺臂等。在CATIA中建立出懸架系統與橫向穩定桿的三維模型，如圖5所示。

圖5 橫向穩定桿三維模型圖

加工制造出橫向穩定桿的相關部件，在巴哈賽車上實現裝配，橫向穩定桿實物如圖6所示。在穩定桿臂上設置4個安裝孔，通過不同的安裝位置來改變穩定桿臂的長度，確定不同的側傾角剛度。

圖6 橫向穩定桿實物圖

4 實車測試

為了驗證橫向穩定桿所提供的抗側傾能力以及不同安裝位置下橫向穩定桿所能提供的側傾角剛度，對賽車分別進行了不安裝橫向穩定桿和4種安裝方式下的實車跑動測試，共獲得5組數據。

反映橫向穩定桿的抗側傾能力最直觀的數據是整車的側傾角，但由于賽車的側傾角難以獲取，因此利用線位移傳感器測試轉彎時外側減振器的壓縮量，通過壓縮量間接地計算出側傾角，從而體現出抗側傾能力。

測試工況為賽車在25 km/h的速度下繞著半徑為10 m的圓做圓周運動，測試時間為60 s，設置線位移傳感器每 0.1 s進行一次計數，一組數據共包含600個數據。實車測試如圖7所示。

通過實車測試得到五組數據，在Matlab中將散點擬合成5條曲線，減振器壓縮量-時間曲線如圖8所示。圖8中從上至下五條曲線分別為在無橫穩桿、安裝在第一孔、第二孔、第三孔、第四孔下的減振器的壓縮量。分析曲線可知，橫向穩定桿明顯能夠提高整車的側傾角剛度，減小減振器的壓縮量。隨著橫向穩定桿臂的長度的增加，穩定桿能提供的側傾角剛度逐漸提高，抗側傾性能逐漸增強。

圖7 實車測試圖

圖8 減振器壓縮量-時間曲線

5 結論

本文介紹了巴哈賽車橫向穩定桿的設計與性能驗證過程，建立了橫向穩定桿的數學模型，并在Matlab中對橫向穩定桿的主要參數之間的關系進行了仿真分析，得出了穩定桿主要參數對穩定桿等效側傾叫剛度的影響規律。對橫向穩定桿進行了實車跑動測試，利用線位移傳感器采集跑動過程中的減振器壓縮量的變化，間接地測出賽車的抗側傾能力，并驗證出設計的該橫向穩定桿具有較好的抗側傾性能，能提供較高的側傾角剛度，并能通過調節穩定桿臂的長度來提供不同的側傾角剛度。該穩定桿尺寸小，布置方便，便于安裝，具有較好的抗側傾性能，與巴哈賽車的結構與底盤特性匹配得較好。

［1］余志生.汽車理論［M］.6版.北京：機械工業出版社，2018.

［2］石柏軍，劉德輝，李真炎.汽車橫向穩定桿的參數化分析及優化［J］.華南理工大學學報（自然科學版），2016，44（6）：98-104，112.

［3］周長城，趙雷雷.車輛懸架彈性力學解析計算理論［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［4］王霄鋒.汽車懸架和轉向系統設計［M］.北京：清華大學出版社，2015.

［5］過學迅.汽車設計［M］.2版.北京：人民交通出版社，2013.

U463.33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.003

2095－6835（2020）08－0005－03

侯小舸（1999—），男，本科在讀。

〔編輯：嚴麗琴〕