基于懸架匹配的越野卡丁車的整體優化設計

王越， 葉家名， 吳昊， 姚永玉

（洛陽理工學院 機械工程學院 車輛工程系，河南洛陽471023）

0 引言

卡丁車發源于20世紀50年代的美國，其中文名稱來自于KARTING的譯音，意為微型運動汽車。卡丁車的結構設計簡單，僅由1臺車架、1臺兩沖程發動機與4個獨立車輪組成[1]。因為其駕駛簡單、刺激又安全的特點，卡丁車迅速風靡全球。因為卡丁車的底盤低、無懸掛系統的特點，所以卡丁車只能在符合標準的場地內行駛。卡丁車的駕駛樂趣也僅限于平整的場地內，但是在創新發展的步伐下，未來的卡丁車運動不應該被場地所限制，而應該在更廣泛的場地條件上給人們帶來樂趣。將卡丁車裝上懸掛系統，可以明顯提升其地形適應性能，并能在保持低成本的同時給人們帶來與傳統卡丁車不一樣的感受。由于卡丁車的低成本、優越的操控特性和速度感，使得卡丁車運動被很多人所接受，并且卡丁車一般都有固定的行駛場地，賽道都事先根據卡丁車的駕駛特性設計好了。

在國外，對于簡單的卡丁車車架，印度Chandigarh大學的學生Akashdip Singh Sembhi[2]使用ANSYS有限元分析軟件對其所設計的車架進行了關于各種工況下的撞擊沖擊的情形模擬，分析車架的在這種情況下的可靠性。目前，國內對“加大號卡丁車”——FSC方程式賽車車架設計不再是簡單的鋼管支撐結構，已經開始應用了新材料的單殼體車架。江蘇大學的宋文兵和左言言[3]就利用CATIA設計一種鋼管桁架結構和單體殼結構的復合式車架，在HyperMesh中建立有限元模型，對車架的單體殼結構進行尺寸優化。

對于加裝懸架的越野卡丁車，國內外大部分人都將其歸為巴哈賽車或方程式賽車之類，而本項目所研究的是一輛可以進行輕度越野、在良好路面上又不失動力性的越野卡丁車，其定位介于方程式賽車和巴哈賽車之間。本項目結合了卡丁車發展趨勢，借助大學生科技創新制作項目，以汽車設計理論為指導，以現代造型技術為手段，以汽車操控性、安全性、燃油經濟性為優化目標，以3D打印技術制作卡丁車的操控系統為創新點，設計制作了一輛動力性好、可以進行輕度越野、在良好路面上行駛且又不失動力性的越野卡丁車。

1 設計思路

本項目的主要技術性能參數要求如表1所示，為實現表1所示的各項性能指標，設計制作思路如圖1所示。

2 車架設計

2.1 輕量化前的受力分析

大學生方程式賽車與巴哈賽車一般是將發動機固定在車架上[4]，但由于其后懸架采用復合縱臂式后橋結構，當后橋受到沖擊向上運動時，發動機輸出鏈輪與后橋傳動齒輪連接的鏈條長度會產生較大的波動，導致普通的張緊機構不能有效工作。因此本項目設計將發動機固定于縱臂上，使得發動機和后橋受到沖擊時可同時運動，兩者處于相對靜止狀態，所以鏈條長度將不會變化。

表1 越野卡丁車主要技術指標

圖1 越野卡丁車的設計制作思路

為了在卡丁車上加裝懸架，傳統的卡丁車車架結構已經無法滿足要求。但是由卡丁車衍生出來的FSAE和BAJA賽車車架結構形式是一個很好的借鑒[5-6]，同時因為部分零件使用的是沙灘摩托車的部件，因此沙灘摩托車的車架結構也具有一定的參考價值。

考慮成本與實際情況后，本車型車架材料選用廣泛使用的15F鋼材。該材料在市場上經濟實惠且易采購、易焊接。綜合以上考慮，初始車架結構設計方案如圖2所示。

設計過程中對車架的靜態、加速、制動、轉彎等典型工況進行了分析。此處僅以靜態工況分析結果進行說明。

在靜態工況下，約束左前懸架安裝點x方向平動、右前懸架安裝點yz方向平動、左后懸架安裝點xz方向平動、右后懸架安裝點xyz方向平動，對車架上對應的位置施加對應零件的重力，在前減震器安裝點施加沿z軸正向的支持力，在后減震器安裝點施加沿z軸正向的支持力，最后對車架施加重力加速度即可求解。選用四面體linear Tetrahedron單元類型，劃分大小為5 mm。求解結果如圖3與圖4所示。

由圖3可知，車架整體的應力值比較小，最大值出現在副環與車架上平面的連接處，最大應力為49.2 MPa，此處是管件連接處，易出現應力集中。由于最大應力值遠遠小于15F鋼材的屈服強度，故車架存在很大的優化空間。

由圖4可得車架位移最大值為0.891 mm，出現在后避震器的安裝平面處，屬于可接受范圍內。

2.2 輕量化后的ANSYS分析

車架的輕量化設計重點從以下幾個方面來進行：鋼管組合結構，通過鋼管尺寸的優化來對車架進行輕量化設計；對部件裝配布局的調整；整車的兼容性；對其強度進行優化。輕量化改進后的車架三維模型如圖5所示。

圖2 輕量化前的車架設計

圖3 輕量化前的靜態工況應力

圖4 輕量化前的靜態工況位移

圖5 輕量化后的車架設計

由圖6可觀察到，車架整體的應力值比較小，最大值出現在副環和車架上平面的連接處，最大應力為32.3 MPa，對比之前車架的49.2 MPa，優化了34.3%。同時車架后半部分的應力分布比優化前更均勻。

由圖7可知，車架位移最大值為0.39 mm，對比輕量化前的0.891 mm，優化56.2%，最大值出現在后避震器的安裝平面處，屬于可接受范圍內。

經過其它典型工況分析后可得其輕量化前后參數對比情況，如表2所示。

圖6 輕量化后的靜態工況應力

圖7 輕量化后的靜態工況位移

表2 優化前后參數對比

3 懸架系統匹配設計

3.1 懸架系統的選型

傳統卡丁車沒有懸架系統，而本項目創新性地為卡丁車裝配懸架系統。考慮到卡丁車發動機后置后驅前輪轉向的布置形式，再根據越野卡丁車工作環境的特殊性及制作加工成本等因素，為了保證懸架運動時轉向輪定位參數不變，以及駕駛員的舒適性，經過綜合分析，決定前懸架采用不等長雙橫臂式獨立懸架（如圖8），后懸架選用非獨立懸架[7]。

3.2 減震系統

圖8 前懸架-雙橫臂式獨立懸架

螺旋彈簧和減震器一起構成了汽車懸架系統的減震系統，螺旋彈簧只能沿著軸線被壓縮，從而承受來自軸線方向的力[8]。但其在承受力被壓縮時，回彈時的彈力較大，減震器可以在彈簧回彈時起到緩沖作用，從而使汽車運行更加平穩。因此彈簧和減震器一起配合，相互彌補，缺一不可[9]。

3.2.1 相對阻尼系數φ的選擇

相對阻尼系數取得較大時，能夠使由于螺旋彈簧回彈引起的振動更快地衰減，但同時也把經過較大顛簸時的沖擊力更大程度地傳給駕駛員，從而容易使駕駛員駕駛疲勞，影響駕駛舒適程度。當相對阻尼取得較小時，減震器的變化剛好與上述情況相反，使得振動衰減得很慢。因此選擇合適的相對阻尼系數對于汽車的行駛平順性異常重要。

由于越野卡丁車的行駛路況復雜，行駛條件相對苛刻，駕駛員更需要懸架以最大的速度衰減汽車經過顛簸路面的振動，因此考慮選擇較大的相對阻尼系數，取φ=0.35。

3.2.2 阻尼系數δ

通過相對阻尼系數φ和阻尼系數δa之間的關系，我們可以進一步求出阻尼系數，計算公式為

阻尼系數δ計算過程為

式中：C為懸架剛度；ms為簧上質量。

3.2.3 最大卸荷力F0的確定

最大卸荷力指的是當減震器振動速度過快時，為防止減震器損壞，就使卸荷槽打開，從而限制了減震器所能承受的最大阻尼力，就相當給減震器加了一個 “保險開關”。最大卸荷力F0計算過程為

式中，v為活塞運動的最大速度，取0.3 m/s。

3.2.4 減震器主要尺寸的選擇

減震器工作缸的直徑D計算過程為

式中：[P]為缸內最大許應壓力，取3.5 MPa；γ為活塞桿與缸徑的比值，取0.35。

依據QC/T491-1999《汽車筒式減震器尺寸系列技術條件》，減震器工作缸直徑的標準有20、30、40、50、65 mm，因此取D=30 mm。

儲油缸的直徑一般取工作缸直徑的1.35～1.50倍，因此儲油缸直徑Dc計算過程為

綜上所述，根據QC/T491-1999，選擇減震器工作缸直徑為30 mm，初選壁厚為2 mm，減震器的復原力在1000～2800 N之間，減震器的壓縮阻力不大于1000 N。根據模擬計算結果，最終選擇了各參數較為接近的GS125型減震器。

4 制作與測試

4.1 鋼管切割及切口處理

鋼管之間坡口處理時應盡量貼合，由于鋼管的兩端比中間更容易被焊穿，每端預留了5～10 mm的余量。采用專用機床進行加工，可描繪出坡口曲線，然后依照曲線進行切割。

對焊時，在焊接之前采用角磨機對每個管件進行相貫線形狀坡口打磨，以減小焊接應力，增加焊接強度。

4.2 焊接過程

依照車架幾何角度焊接對應的鋼管，焊接時保證焊縫平整，強度合格。焊接順序依次為：前環→車架底平面→主環→車架上平面→副環→發動機支架→車架其他部分的零件安裝座。

前橋的焊接采用分層焊接方式，先將前橋焊接成一個整體，然后再將前橋焊在車身上。該方式的優點是前橋是整體，便于后續前橋拆裝而不會破壞結構。

4.3 安裝調試

根據空間布局、操作方便性及舒適性等要求對轉向系統、座椅、離合器踏板、剎車踏板、油門踏板風門拉桿等機構進行了安裝與調試。

操控性方面：首次安裝的擋桿反饋差，離合踏板輕緩無力，幾乎沒有反饋。于是對擋桿機構進行了調整，離合踏板更換彈簧。

舒適性方面：在首次安裝基礎上增加倒車鏡，調整座椅滑軌位置。

動力性方面：最高車速時沒能發揮到最好的性能，于是將發動機端鏈輪從原來的14齒換成了17齒。

4.4 車身制作

根據車頭形狀結構、車身寬度、車身長度確定前翼位置、長度和寬度。然后利用KT板造型，做好前翼后，再到車頭焊接前翼安裝點，將制作好的前翼進行安裝與加固。然后分別對側翼、尾翼、尾部整流罩的造型進行制作，其制作步驟與前翼基本類似。在造型結束后，對車身進行上色處理，首先對整車噴底漆，待底漆干后，再按照所設計的圖案進行噴漆。車身效果如圖9所示。

圖9 卡丁車KT板尾翼

4.5 行駛性能測試

經過學校封閉道路的測試后，該項目團隊對越野卡丁車完成了轉彎半徑、加速性能、最高車速、制動性能、越野能力、操作性能、高速入彎性能及可靠性能等多方面的測試內容，并讀取了測試數據，具體測試數據如表3所示。

改進后，整車機動性得到改善，動力性及制動性得到進一步提高。該卡丁車在低速時能輸出較大的轉矩，高速時能保持很好的操作性能，駕駛員能夠很好地對卡丁車進行操控，可實現高速入彎及漂移等高難度動作。

以校園道路的減速帶和下水管道圓蓋的洼陷為激振源，分別測試了車輛以15 km/h的速度。越過減速帶和井蓋的車身振動時的加速度檢測結果顯示，該懸架系統對振動的衰減較為明顯。但由于懸架彈簧剛度較大，后續工作中在操控性和舒適性之間的平衡上還有調整的空間。

表3 道路測試結果

5 結論

本項目創新地為卡丁車裝上懸架系統，可以使其地形適應性能大大提升，并且最大程度上減少路面的顛簸對駕駛者的影響；重點從鋼管組合結構、鋼管尺寸的優化對車架進行輕量化設計。懸架系統的設計使越野卡丁車在通過坑洼的路面時，還可以保證良好的操控性能。這對小型卡丁車、廠區內運輸小車、觀光區游覽車及低速電動汽車加裝獨立懸架系統提供了很好的設計思路和優化方法。