基于比賽工況下的新型全地形巴哈賽車懸架設(shè)計

吳晶濤 汪子睿 張楠欣 阮觀強

摘 要：本文介紹了一款基于惡劣的越野場地下的懸架設(shè)計基本思路與流程。根據(jù)設(shè)計高通過性的車輛的需求，結(jié)合整車設(shè)計要求，初步確定懸架參數(shù)。選擇懸架基本類型，進行Adams運動仿真，滿足設(shè)定性能參數(shù)，確定懸架硬點。建立懸架零部件的概念模型，Adams運動仿真檢查懸架運動間隙檢查。根據(jù)懸架概念設(shè)計結(jié)構(gòu)，建立Adams彈性運動學(xué)模型，并設(shè)定目標(biāo)，調(diào)整各鉸接點襯套剛度來滿足設(shè)計目標(biāo)，確定各鉸接點的襯套。加載工況，分解各零部件受力、對零部件進行有限元受力分析，對零部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，根據(jù)懸架設(shè)定目標(biāo)，計算穩(wěn)定桿剛度和減振器阻尼，確定彈簧、穩(wěn)定桿和減振器的設(shè)計參數(shù)。樣車制造，進行懸架主客觀評價并調(diào)校。

關(guān)鍵詞：懸架設(shè)計;開發(fā)流程;機械動態(tài)仿真

中圖分類號：U463.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

Abstract：This article introduces the basic idea and process of a suspension design based on the harsh off-road field underground.According to the requirement of the vehicle with high throughput and the design requirement of the whole vehicle，the suspension parameters are preliminarily determined.Select the basic type of suspension，carry out Adams motion simulation，meet the set performance parameters，determine the hard point of suspension.The conceptual model of suspension components is established，and the motion clearance of suspension is checked by Adams motion simulation.According to the suspension conceptual design structure，the Adams elastic kinematics model is established，and the target is set.The stiffness of each hinge bushing is adjusted to meet the design target，and the bushing of each hinge point is determined.Loading conditions，decompose the force of each component，carry out finite element analysis of the components，optimize the structure of the components，calculate the stiffness of the stabilizing rod and the damper according to the suspension setting target，and determine the design parameters of the spring，the stabilizing rod and the damper.Sample car manufacturing，subjective and objective evaluation and adjustment of suspension.

Key words：suspension design;development process;Mechanical Dynamic Simulation

1 緒論

懸架是汽車上非常重要的構(gòu)件，它把車輪與車身彈性的連接起來，其基本組成部分有彈簧、減震器與導(dǎo)向機構(gòu)。彈簧主要作用是緩沖路面給輪胎再傳遞給車身的沖力（顛簸）。但是由于彈簧當(dāng)受到外載荷時彈簧收縮變形，儲存變形能，彈簧會波動較長時間，反而會產(chǎn)生不適感，而且會使得車輛重心高度不斷變化，不利于車輛行駛安全，所以引入減震器。導(dǎo)向機構(gòu)傳遞車身與車輪之間的力矩和力，以此保證車輛的平順行駛。在設(shè)計懸架時，需要注意或確保以下幾個要求：

（1）通過合理設(shè)計懸架的彈性特性和阻尼特性，保證車輛行駛平穩(wěn)，不僅振動頻率低，振動加速度值小，阻尼性能合適，而且可以避免懸架再壓縮或拉伸達(dá)到行程極限點的沖擊，也要保證輪胎有足夠的接地力。（2）合理的設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)，確保車輪與車架或車身之間的所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪運行時車輪定位參數(shù)變化不太大，能滿足車輛良好操縱性的要求。（3）轉(zhuǎn)向機構(gòu)的運動應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系統(tǒng)的運動相協(xié)調(diào)，避免運動干涉，以免引起方向盤振動。（4）傾斜中心和垂直側(cè)中心合適，轉(zhuǎn)彎時有防傾斜能力，剎車加速時能保證車身的穩(wěn)定，避免剎車加速時車身傾斜。（5）懸掛結(jié)構(gòu)的質(zhì)量應(yīng)較小，特別是非簧載部分的質(zhì)量應(yīng)盡可能小。（6）所有部件應(yīng)有足夠的強度和使用壽命。（7）考慮到乘員和其他道路使用者的被動安全的運動特性。（8）制造成本低，維修保養(yǎng)方便。

目前市場上主流的懸架形式多為麥弗遜、扭力梁。這些懸架都不能夠很好的承受縱向力，所以無法應(yīng)對復(fù)雜地形。多連桿懸架雖然能夠承受多個力，但因其設(shè)計困難，成本高昂、維修困難，所以需要一種結(jié)構(gòu)簡單又能夠充分適應(yīng)復(fù)雜的越野地表環(huán)境。

雙叉臂懸架主要有雙A臂、三球鉸雙叉等幾種類型，擺臂分為上下兩個“A”形臂，內(nèi)側(cè)四個襯套，外側(cè)兩個球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)/輪節(jié)連接或是上擺臂為“A”形臂，下擺臂分體，兩根擺臂虛鉸，內(nèi)側(cè)四個襯套，外側(cè)三個球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)/輪節(jié)連接，這樣的結(jié)構(gòu)可以有輪外傾特性佳、柔度權(quán)重低、杠桿比較高、力與力矩分布均勻等優(yōu)點。

2 懸架設(shè)計及開發(fā)

2.1 設(shè)定懸架各基本目標(biāo)參數(shù)

（1）懸架偏頻的選取。懸架偏頻指的是簧載質(zhì)量的振動頻率，賽車偏頻的選取與懸架剛度有著直接關(guān)系，應(yīng)該在汽車設(shè)計初期就確定。偏頻高，則懸架硬，控制整車重心，操控性好：偏頻低，則懸架軟，緩沖路面沖擊，接地性強，平順性好。在確定懸架偏頻時，前高后低可以保證一定的性能;前低后高是基于平順性的考慮。汽車偏頻的選取前后懸架不宜一致，以避免共振。根據(jù)以往經(jīng)驗，確定車輛前懸偏頻為2.8Hz，后懸偏頻為2.0Hz。

（2）乘適剛度。自然振動頻率的公式如下：

（4）非簧載質(zhì)量。一輛汽車的質(zhì)量是由不同類型的彈簧（螺旋彈簧，空氣彈簧等）支撐的，簡單來說，彈簧支撐的質(zhì)量稱為簧上質(zhì)量，彈簧以下或者說支撐彈簧的質(zhì)量稱為簧下質(zhì)量。汽車的大部分質(zhì)量比如底盤、動力系統(tǒng)、車身等都是簧上質(zhì)量，輪轂、輪胎、制動器等是簧下質(zhì)量。而一些零部件一端連接車輪，另一端連接車身、底盤等簧上質(zhì)量（如減震器，連桿，驅(qū)動軸）等，一般情況下將它們的一半質(zhì)量算做簧下質(zhì)量。簧下質(zhì)量較大的模型響應(yīng)速度明顯更快，這意味著輪胎的抓地能力（grip or bump following ability）更強。更強的抓地能力意味著更好的操控性能，簧下質(zhì)量小的模型，其簧上質(zhì)量的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)也相對小。降低簧下質(zhì)量不但可以提升輪胎的貼地/抓地能力，而且可以降低懸掛的動作幅度，使車身（簧上質(zhì)量）動作更加從容。更小的簧下質(zhì)量會讓底盤調(diào)校有更大的空間。不過相比于簧上質(zhì)量，降低簧下質(zhì)量在工程上要艱難得多。在滿足功能和強度的條件下，通常的辦法是采用輕量化的材料，比如鋁合金，鎂合金，碳纖維等。車輛軸距對整車質(zhì)量、傳動軸夾角、軸荷、縱向通過半徑和汽車最小轉(zhuǎn)向半徑等有影響，不能過大也不能過小。

（5）側(cè)向載荷轉(zhuǎn)移分布。結(jié)合側(cè)傾梯度的定義可得前后軸的側(cè)傾力矩：

由式（17）可計算出橫向穩(wěn)定桿剛度，根據(jù)橫向穩(wěn)定桿的幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學(xué)理論，可以計算出橫向穩(wěn)定桿的直徑。

2.2 選擇懸架類型并確定硬點位置

根據(jù)各種懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點及懸架運動學(xué)特性，選定雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)作為車輛基本懸架結(jié)構(gòu)，且上下A臂均為雙球頭連接以確保其靈活性。雙橫臂懸架能夠靈活調(diào)整控制臂長度與角度及空間導(dǎo)向桿系連接點的位置，使得懸架能夠擁有更加合適的運動特性。接下來以前懸架為例說明懸架設(shè)計基本流程。

根據(jù)車身結(jié)構(gòu)，筆者初步確定前懸架的硬點位置，建立Adams運動仿真測試，如圖1所示。

通過Adams，設(shè)置車輛懸架參數(shù)、載荷參數(shù)等，然后進行動畫控制，進行后處理測試，把仿真結(jié)果與設(shè)定的參數(shù)目標(biāo)進行對比，然后對硬點位置進行調(diào)整，使得仿真結(jié)果與目標(biāo)參數(shù)相契合。

前束角通常分為正前束角與負(fù)前束角，從車輛上方看車輪前端小于后端即為負(fù)前束角，反之即為正前束角。負(fù)前束角有利于車輛直線行駛下的穩(wěn)定性。以下圖2（四張圖）分別為為前束角與懸架行程圖、傾側(cè)中心高度隨輪跳變化曲線、主銷內(nèi)傾角隨輪跳變化曲線、車輪外傾角隨輪跳變化曲線。輪跳變化曲線。

2.3 懸架零部件概念設(shè)計

在這個階段，需要設(shè)計上下臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括與車架和立柱的連接部分。同時還要考慮零部件材料與加工材料。襯套剛度確定以后，根據(jù)受力工況在Adams彈性運動學(xué)模式上進行加載來獲得各種工作工況下的零件受力情況，然后進行有限元受力分析，從而優(yōu)化零部件細(xì)節(jié)設(shè)計。

2.4 懸架調(diào)校，最終確定懸架目標(biāo)值與參數(shù)

對整車進行客觀評價試驗，根據(jù)評價結(jié)果（主要是減震器、穩(wěn)定桿、車輪定位參數(shù)）調(diào)整懸架參數(shù)，然后進行零部件設(shè)計并調(diào)整，重新進行試驗，最終達(dá)到了目標(biāo)評價的主要目標(biāo)。

3 懸架設(shè)計流程歸納

階段一：確定設(shè)計車型懸架的基本參數(shù)目標(biāo)，結(jié)合整車設(shè)計要求，初步確定懸架參數(shù)。

階段二：選擇懸架基本類型，進行Adams運動仿真，滿足設(shè)定性能參數(shù)，確定懸架硬點。

階段三：建立懸架零部件的概念模型，Adams運動仿真檢查懸架運動間隙檢查。

階段四：根據(jù)懸架概念設(shè)計結(jié)構(gòu)，建立Adams彈性運動學(xué)模型，并設(shè)定目標(biāo)，調(diào)整各鉸接點襯套剛度來滿足設(shè)計目標(biāo)，確定各鉸接點的襯套。加載工況，分解各零部件受力、對零部件進行有限元受力分析，對零部件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，根據(jù)懸架設(shè)定目標(biāo)，計算穩(wěn)定桿剛度和減振器阻尼，確定彈簧、穩(wěn)定桿和減振器的設(shè)計參數(shù)。

階段五：樣車制造，進行懸架主客觀評價并調(diào)校。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)講述了懸架設(shè)計從初期開始的各個流程并最終得出了能夠應(yīng)用于比賽工況下的賽車懸架，并且具有高通過性以及優(yōu)越的性能。

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作者簡介：吳晶濤（2000— ），男，漢族，上海人，本科，研究方向：汽車設(shè)計與制造方向;阮觀強（1975— ），男，漢族，河南正陽人，副教授，機械實驗室主任，研究方向：汽車電子控制技術(shù);汪子睿（2000— ），男，漢族，綏化人，本科，研究方向：汽車設(shè)計與制造方向;張楠欣（2000— ），女，漢族，四川綿陽人，本科，研究方向：機電一體化方向。