針對方程式賽車轉向靈活性的優化

冉昊 楊雪峰 王強 王麗莉 范田田

摘 要：方程式賽車方向變化不靈活是一個有待解決的問題，根據雙臂懸架主銷內傾的計算公式，確定了正時側向偏轉角速度與主銷定位角的數學關系，采用多體動力學仿真軟件對主銷定位角進行了仿真，并采用ANSYS建立了賽車的虛擬樣機模型。根據優化后的賽車多體動力學仿真結果，優化后的參數對整車的操作和穩定性具有明顯的改善作用，在賽車返回正函數的假設下，賽車方向變化的靈活性有所增加。

關鍵詞：方程式賽車;轉向靈活性;主銷內傾角

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-24-03

Abstract： It is a problem to be solved that the direction of racing car is inflexible. According to the calculation formula of kingpin inclination of double arm suspension， the mathematical relationship between the speed of timing lateral deflection angle and kingpin positioning angle is determined. The multi-body dynamics simulation software is used to simulate the kingpin positioning angle， and the virtual prototype model of racing car is established by ANSYS. According to the multi-body dynamics simulation results of the optimized car， the optimized parameters have a significant improvement on the operation and stability of the car. Under the assumption that the car returns to a positive function， the flexibility of the car direction changes has increased.

Keywords： Formula car; Steering flexibility; Kingpin inclination

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-24-03

1 引言

在我國汽車工程學會主辦方程式汽車大賽，主要由多所高校參與研發研制的方程式賽車，相比較國外相對成熟的賽事，我國還處于初級的試驗階段。許多國內車隊賽車存在轉向靈活性不足的難題。根據雙橫臂獨立懸架主銷內傾定位的數學模型，以方向盤轉動的最小力矩為目標函數，以轉向正時的剩余橫擺角速度為約束條件，優化了賽車主銷內傾角，為各個方程式賽車隊的設計提供了指導。

賽車的前輪定位參數主要由凸輪角、束角、傾角和主銷后傾角組成。在這種情況下，賽車的轉向靈活性和可控性主要取決于傾角和后傾角。隨著車速的增加，氣動輪胎的阻力逐漸減少，為了確保操縱穩定性，所需的主銷后傾角會慢慢增加，高速穩定性和操舵可移動性的平衡是大部分車輛的主銷后傾角設計的主要問題。

2 目標模型建立

在CATIA模塊中，先對整車車架建模，再到各個分系統、最后到整車裝配建立ANSYS模型。在建模過程中，首先將整車分解成單獨系統，進行物理抽象，建立拓撲關系。然后根據仿真分析軟件ANSYS，分析各部分應力情況，位移彎曲，節點受力等。具體到轉向系統中的影響，從而判斷如何改善賽車的轉向靈活性的問題。內傾角和后傾角都會對轉向阻力和回正性做出響應。一般來說，轉向阻力大的轉向的回正性能好，轉向阻力小的回正性能就差。中低速轉向時，懸架的外傾角會使車輪起升，增大轉向的阻力，同時改善回位性能。后傾角越大，阻力越大，但回正性能更好。對于高速轉向，懸架的后傾角也會增加轉向阻力。越大的后傾角在高速行駛車輛轉向時對轉向阻力越大，轉向越沉重，但同時回正性能和穩定性也會增強。

3 轉向阻力矩與回正力矩

3.1 前輪轉向時的回正力矩

假設前輪回正的總力矩為M，主要由輪側偏特性引起的回正力矩、主銷內傾引起的回正力矩和輪胎向力引起的回正力矩構成前輪轉向回正時的回正力矩，其中左右車輪縱向力對主銷產生的回正力矩方向相反，那么輪胎縱向力產生的回正力矩約等于零。回正力矩計算公式及各參數含義由輪胎側偏及主銷內傾引起的。

3.2 轉向回正阻力矩模型

在雙橫臂獨立懸架中，前輪繞主銷回正時的阻力矩由轉向器逆轉阻力矩、主銷繞上下球頭摩擦阻力矩及地面對車輪的阻力矩構成。

（1）主銷上下球頭摩擦阻力矩

將上式（8）回代（7）中，那么得出主銷內傾角與轉向回正的殘余橫擺角速度的關系：

主銷內傾角的作用是讓前輪積極恢復轉向的趨勢。這使汽車能夠保持直線行駛性能，同時減輕轉向力并減少路面對駕駛員的影響。但是如果主銷的外傾角太大，則轉向過程中輪胎與路面之間的摩擦會增加。這樣，方向盤需要增加轉動方向盤上的力，從而加劇輪胎的磨損，所以必須確保主銷的外傾角不會隨輪胎的跳動而變化太大。

4 懸架系統優化

車輛的懸架是轉向穩定性的重要影響因素之一，其主要目的是減少道路傳給車架（或車身）的沖擊載荷，為了減少存儲在系統中的振動;減弱傳遞作用在車輪和車架（或車身）之間的一切力和力矩，從而保證汽車行駛的平順性及操縱穩定性。對于賽車來說，賽車懸架對于賽車的操縱穩定性同樣起著很大作用，特別是賽車前懸架系統前輪定位參數的合理設計，大大提升了賽車的轉向靈活性操縱穩定性。

根據大賽規則，賽車所有車輪必須安裝有結構完整的、帶有減震器的懸架，并賽車同賽車手同時滿負荷時，輪胎的跳動行程至少為51.2mm，其中向上24.9mm，向下24.9mm。定位參數是懸架非常重要的參數，其數值不僅影響輪胎受力，而且對整車的動力學特性有不小的關系。賽車的前輪定位參數主要是負外傾角配合負前束，負外傾角在賽車高速轉彎時，可以抵消因橫向離心力導致車輪外傾角往正方向變化的趨勢，增強輪胎地面附著力，保證賽車順利過彎;負前束則能使賽車的轉向響應靈敏。通常賽車懸架系統采用推桿式雙橫臂獨立懸架，在車輪跳動時，車輪的定位參數影響懸架幾何關系，間接影響賽車的操縱穩定性。對賽車前懸架進行運動學分析，前懸架定位參數車輪前束角、主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角的變化，必須將車輪的定位參數控制在正常的范圍內。保證賽車的直線行駛工況由定位參數主銷內傾角和后傾角所影響，同時還能使轉向更加靈活、減少輪胎偏磨等作用。結合考慮輪胎特性和對操控性的要求，對懸架系統的優化有所針對。

5 總結

通過以上分析得到了賽車主銷后傾角與轉向穩定的關系。針對賽車與普通車輛的不同的前提下，以保證賽車在賽道上的轉向穩定性為前提，通過對車載信息系統所采集的速度數據進行分析，在保證轉向靈活性和指向精確性的前提下，提出了針對特定賽道的賽車主銷后傾角的優化方法。

通過對賽車的多體動力學仿真，優化了原賽車扭轉線的轉向力平均值為37N，優化后的賽車優化性能提高了28N。采用實用的數學模型和優化方法進行性能測試多體動力學仿真，并重新對整車的操縱穩定性進行了評價，優化后的評價結果基本可以滿足要求，同時可以大大減少方程式賽車的開發周期。

參考文獻

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