大學生方程式賽車懸架設計

劉硯文

摘要：懸架系統在現代汽車上的扮演著重要的角色，懸架的設計水平直接決定車輛的操穩性和平順性等性能。以中國大學生方程式汽車大賽為基礎，綜合分析四代賽車的優缺點，提出一套完整科學的FSAE懸架系統的設計方案。

關鍵詞：大學生方程式;賽車;懸架設計

FSAE是一項源自國外SAE方程式的系列賽，已有超過30年的舉辦歷史，于2010年正式引進國內，賽事發展至今，已經有了豐富的理論和軟件基礎，國內外均有大量的研究。懸架運動學揭示了車輪在上下運動以及轉向過程中懸架定位參數的變化，也稱K特性。懸架動力學則是研究輪胎受到來自地面的各種力和力矩作用時，懸架的評價參數隨這些力或力矩的變化關系，合稱他們為“懸架K&C特性”。

一、懸架前期設計內容

在懸架系統設計之初，參考大賽規則、整車參數和性能要求等，首先需要確定前、后懸架的形式、車輪定位參數和懸架幾何。然后計算懸架的彈簧剛度和阻尼系數，在計算結果的基礎上搭建懸架系統的空間幾何。

對懸架系統提出的設計要求有：

（一）懸架系統需要保障賽車具備優良的行駛平順性、操穩性以及衰減振動能力;

（二）懸架系統能夠可靠的傳遞作用在車輪和車身之間的力和力矩，同時要有足夠的強度和使用壽命;

（三）便于布置和維護;更好的保持車廂姿勢，減小車廂的側傾與縱傾，并且提高懸架的安全性與穩定性。

二、前后懸架類型選擇

汽車懸架大致分為獨立懸架與非獨立懸架兩類。非獨立懸架具有結構簡單、造價低廉、工作可靠、輪跳時輪胎定位參數變化小等優點，而被廣泛應用于火車的前后懸架。乘用車領域非獨立懸架大多數僅用于后橋。但由于其一側車輪受到激勵時會影響另一車輪，故其平順性與操縱穩定性較差。獨立懸架具有簧下質量小，幾何運動學特性理想以及平順性、操穩性較好等優點，常用在轎車或高性能跑車上，由于懸架系統的性能直接影響著整車極限的高低，故選用獨立懸架結構。

國內FSAE懸架布置形式大致分為三類：不等長雙橫臂推桿式獨立懸架、不等長雙橫臂推拉式獨立懸架、不等長雙橫臂無推拉桿式獨立懸架。

通過對各種懸架布置形式的優缺點的綜合比較，參考往屆車隊的使用經驗以及友隊的使用情況，考慮到設計、制造、組裝、調試、維修的綜合因素，最終決定前后均采用不等長雙橫臂推桿式獨立懸架。

減震器布置形式摒棄傳統對置式，改用縱側傾解耦式布置形式，此形式使用兩根獨立的減震器分別應對縱傾工況和側傾工況。傳統的布置形式在調節阻尼以及彈簧預壓時縱側傾工況表現都會受到影響，此布置形式能夠做到分開獨立調節阻尼以及彈簧預壓，使得懸架調教更精準，相比與加入了第三彈簧的懸架形式來說，又減輕了一根減震器的重量。

三、懸架參數計算

車輪定位參數包括車輪外傾角、前束角、主銷內傾角、主銷后傾角。車輪定位參數的合理匹配，能確保汽車的直線行駛能力，并且保證汽車轉彎時能保持較好的車身姿態，較大的輪胎附著力，且減少輪胎的磨損程度。

四、懸架剛度和阻尼計算

（一）整車參數確定

隨著方程式賽車設計技術的愈發完善，賽車底盤設計的逐漸成熟，底盤離地高度已經降到了40mm甚至35mm。本賽季底盤最低離地高度定為35mm，發動機的下移帶來質心位置的下降，采用抬高法測量18賽季賽車的重心高度約為300mm，前后載荷比47：53，即質心距離前軸837mm，距離后軸743mm。

（二）懸架偏頻選取

偏頻是指簧上質量無阻尼自有震動的固有頻率，偏頻的大小影響著賽車的平順性和操縱穩定性，方程式賽車一般選在2.4到3Hz，在空套技術愈發成熟的前提下，提供的下壓力越來越大的，偏頻選擇已經提升到4到5Hz，為了提高操穩性，并且避免共振，需要我們結合實車特性，選出一個合適的值，根據經驗可知，前后偏頻波動不超過10%，故此選擇本賽季前懸架偏頻4Hz后懸架偏頻3.7Hz。

（三）懸架剛度計算

懸架線剛度Kw是指懸架受到的垂直外力與車輪中心相對于車身位移的比值。

前軸單側懸架線剛度：KMF=4π2fFMS1/2=4Xπ2×4×119/2=9395N/M

后軸單側懸架線剛度：KMR=4π2fRMS1/2=4Xπ2×3.7×134/2=9776N/M

適乘剛度KR是指懸架受到的垂直外力與輪胎接地面相對于車身位移的比值。

已知輪胎剛度KT=140000N/M，由輪胎剛度與懸架線剛度串聯得到適乘剛度，換算關系如下：

計算可得： KRF=8804N/M KRR=9137N/M

考慮到彈簧能夠選購的型號，前后彈簧各選用500磅/450磅，防傾桿補償剛度131.5nm/°。

根據懸架線剛度Ks與彈簧剛度Kw的換算公式計算出搖臂傳遞比MR。

Ks=Kw×MR2

計算得出前后懸架側傾傳遞比1.307/1.40，縱傾傳遞比1.331/1.37。

（四）懸架阻尼計算

結合設計前期計算數據計算懸架阻尼值。

計算公式：

式中，為相對阻尼系數，為簧上質量，為偏頻。

在賽車懸架設計中將相對阻尼系數分為壓縮行程以及回彈行程分別進行計算。在懸架設計中，為了減少壓縮過程中沖擊力對平順性的影響，同時也為了保護阻尼器，將壓縮行程時的相對阻尼系數適當降低，伸張行程時的相對阻尼系數適當增大。考慮到方程式賽車對于操控穩定性的要求，結合往年賽車數據的選取，選定壓縮相對阻尼系數和回彈相對阻尼系數分別為0.3/0.4。

五、結論

本文以山東理工大學至尚方程式賽車隊的19賽季懸架系統為研究對象，通過前期的研究分析確定懸架的選型，接著進行懸架數據的選擇和計算，梳理了懸架設計流程和方法，以后的FSAE懸架系統設計奠定了良好的基礎。

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