電驅(qū)動方程式賽車轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性分析

【摘" 要】對車輛來說，擁有良好的轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，對方程式賽車尤為重要，對賽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱穩(wěn)定性的分析與研究是每一支參賽車隊都必須要做的。筆者首先對FSAE大學(xué)生方程式賽車在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和方程式賽車操縱穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行簡要說明，然后以學(xué)校參賽車隊設(shè)計的電動方程式賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，利用ADAMS/CAR虛擬樣機(jī)對方程式賽車影響因子進(jìn)行建模，并針對整車主要影響因子進(jìn)行仿真分析、試驗，輸出仿真曲線，借助曲線結(jié)果的分析，對賽車操縱穩(wěn)定性給予評價。

【關(guān)鍵詞】FSAE方程式賽車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；硬點(diǎn)坐標(biāo)；仿真分析；ADAMS/CAR

中圖分類號：U463.4" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0005-04

Stability Analysis of Steering Maneuvering in Electrically Driven Formula Race Cars*

ZUO Baogui，HUANG Changhai

（College of Artificial Intelligence，Jiangxi University of Technology，Nanchang 330098，China）

【Abstract】Having good steering stability is crucial for vehicles，especially for formula racing. Analyzing and researching the steering stability of racing cars is a must for every participating team. The author first provides a brief explanation of the current development status of FSAE college student formula racing at home and abroad，as well as the influencing factors on the handling and stability of formula racing. Then，based on the hard point coordinates of the steering system of the electric formula racing designed by the school's participating teams，the ADAMS/CAR virtual prototype is used to model the influencing factors of formula racing. Simulation analysis and experiments are conducted on the main influencing factors of the entire vehicle，and simulation curves are output，by analyzing the curve results，evaluate the handling and stability of the racing car.

【Key words】FSAE formula racing；steering system；hard point coordinates；simulation analysis；ADAMS/CAR

1" 引言

FSAE賽事由中國方程式賽車協(xié)會主辦，自第一屆比賽至今，已有10余年的歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計，已有上百余支車隊參與其中，甚至吸引了國內(nèi)各著名高校參加，例如湖南大學(xué)、北京理工大學(xué)、廈門理工學(xué)院等。FSAE大賽每年舉辦一次，因此車隊成員有充足的時間來設(shè)計制造自己的賽車。同時對參加比賽的車輛有著嚴(yán)格要求，不僅要考慮賽車行駛速度和加速性能，而且在安全性和可靠性方面也是不可或缺的。

設(shè)計完成的賽車需要經(jīng)過動態(tài)測試，這樣可以幫助設(shè)計者能更加深入地了解所設(shè)計賽車的性能。動力性、穩(wěn)定性、制動性以及經(jīng)濟(jì)性都是大賽重要的評判指標(biāo)[1]。動力性能主要反映速度和加速度，一輛動力強(qiáng)勁的賽車不僅需要很高的車速，加速度也是不可忽視的，因為良好的加速度能夠幫助賽車更好地解決彎道問題，使得賽車通過諸多彎道后能夠迅速提速，為比賽贏得時間，因此對車輛的操縱穩(wěn)定性有著極高的要求。

在國外組織的賽事中，參賽車隊設(shè)計的賽車驅(qū)動電機(jī)基本都是采用四輪驅(qū)動輪式電機(jī)，其目的是為了提供更加強(qiáng)勁的動力[2]，但是除此之外，還需要考慮車輛的操縱穩(wěn)定性。大多數(shù)車隊的賽車設(shè)計成單殼體，取代了之前的鋼管桁架結(jié)構(gòu)，就是為了改善車輛的操縱穩(wěn)定性，同時也減輕了車身的整體質(zhì)量，改變了車身的整體剛度。根據(jù)汽車實(shí)際運(yùn)行狀況的轉(zhuǎn)向特性變化，結(jié)合空氣動力學(xué)的相關(guān)知識，進(jìn)一步完善賽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，對提高整車的穩(wěn)定性有很大的作用。

方程式賽車操縱穩(wěn)定性的影響因素屬于賽車本身的特性，在賽車設(shè)計過程中，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行控制和優(yōu)化[3]。而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則是賽車操縱穩(wěn)定性重要的影響因素之一，因為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾何形狀通過預(yù)設(shè)的定位硬點(diǎn)影響著車輪定位參數(shù)，所以其轉(zhuǎn)向性能影響著車輛的行駛狀況。因此，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析研究是有必要的。

2" 模型的建立

本文以學(xué)校車隊FSAE方程式賽車為研究對象，對其進(jìn)行仿真。在交通工具領(lǐng)域最常用到的軟件是ADAMS，它包含了專業(yè)的分析車輛的模塊ADAMS/CAR，基本上國內(nèi)外所有的方程式賽車仿真分析都離不開此軟件。只需通過調(diào)整參數(shù)以及連接關(guān)系就能快速、準(zhǔn)確地建立仿真模型。運(yùn)用ADAMS/CAR軟件對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立模型，如圖1所示。需要注意的是，在創(chuàng)建轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型時，需要選擇Front選項[4]，否則無法完成裝配。

根據(jù)三維模型圖，運(yùn)用CATIA軟件測量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型，可以得到各個子系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)[5]，見表1。

文中所考慮的整車操縱穩(wěn)定性因素模型主要是圍繞轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來研究的，車架和動力總成并無實(shí)際模型[6]。實(shí)際上，車架與懸架系統(tǒng)的連接對操縱穩(wěn)定性也有著一定的影響，最后得到賽車各個系統(tǒng)的動力學(xué)模型裝配體。整車動力學(xué)仿真模型如圖2所示。

3" 賽車操縱穩(wěn)定性分析

設(shè)計好賽車的內(nèi)部參數(shù)（例如簧載質(zhì)量、質(zhì)心高度、軸距等），這些參數(shù)是進(jìn)行仿真分析的首要基礎(chǔ)，然后圍繞車輛操縱穩(wěn)定性影響因素對模型硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行仿真分析。

3.1" 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真與評價

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性是評價方程式賽車操縱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。國家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了車輛設(shè)計穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的重要性，只有車輛行駛中的方向回轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)達(dá)到要求，所設(shè)計的這輛賽車操穩(wěn)性評價才算合格。所以，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性研究對于汽車操縱穩(wěn)定性非常重要。

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性仿真使用的方法是選定方向盤轉(zhuǎn)角，賽車的行駛速度為10km/h，沿著半徑為15m的圓形線路做圓周行駛運(yùn)動。行駛一段時間之后，待車輛勻速行駛穩(wěn)定，保持方向盤轉(zhuǎn)角的位置不動，然后慢慢以0.4m/s2的加速度進(jìn)行加速，直至加速度達(dá)到7.5m/s2，仿真試驗結(jié)束。輸出仿真曲線，曲線如圖3～圖7所示，可以看出各個參數(shù)的變化趨勢以及變化范圍都是合理的。

3.2" 蛇形試驗

蛇形試驗內(nèi)容為特殊道路行駛工況性能試驗。試驗的意圖主要是檢驗賽車在特殊彎道狀況下行駛的穩(wěn)定性、靈敏性和操控性。因為方程式大賽的項目中有種特別的賽道——蛇形繞樁，因此車隊設(shè)計的賽車必須進(jìn)行蛇形繞樁仿真。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6323.1—94的規(guī)定，標(biāo)樁間距為30m，基準(zhǔn)車速為60km/h，汽車起步后的加速階段先沿直線行駛一段距離，待車輛穩(wěn)定后再以試驗基準(zhǔn)車速蛇形通過試驗道路。經(jīng)過試驗仿真，得到如圖8～圖10所示仿真圖。由圖可知賽車在試驗中表現(xiàn)良好，并未出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

3.3" 轉(zhuǎn)向自動回正性能試驗

轉(zhuǎn)向自動回正試驗包括賽車在兩種工況狀態(tài)下的試驗仿真，即低速狀態(tài)和高速狀態(tài)，目的是分析賽車在這兩種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向回正力，檢驗賽車由彎道行駛迅速轉(zhuǎn)為直線行駛后，方向自動回正的車輛性能。然而在實(shí)際比賽過程中，為了爭取比賽時間，車速往往都會保持較高狀態(tài)，因此轉(zhuǎn)向自動回正性能將直接影響到賽車手的發(fā)揮，最終影響比賽成績。

1）低速回正試驗：試驗開始后先讓賽車低速沿著直線行駛，待車輛穩(wěn)定后轉(zhuǎn)動方向盤，讓賽車沿著半徑約為15m的圓形車道行駛，不斷調(diào)整賽車的側(cè)向加速度，使其達(dá)到4m/s2，然后同時保持方向盤轉(zhuǎn)角和賽車速度不變[7]，放開方向盤使其自動回正。仿真輸出參數(shù)結(jié)果曲線如圖11、圖12所示。

2）高速回正試驗：試驗開始后讓賽車慢慢加速至80km/h的速度行駛，待車輛穩(wěn)定后再調(diào)整方向盤，使其側(cè)向加速度為2m/s2，同樣放開方向盤使其自動回正，保持油門的松緊[8]。仿真結(jié)果曲線如圖13、圖14所示。

3）仿真結(jié)果分析：從低速和高速狀態(tài)下的方向自動回正性能試驗中的響應(yīng)曲線來看，賽車的自動回正性能不太好。低速情況下，回正穩(wěn)定性比較差；高速情況下，穩(wěn)定時間也偏長，還需進(jìn)一步完善設(shè)計。

3.4" 轉(zhuǎn)向靈敏性試驗

由于賽車和車手需經(jīng)歷一段長時間的高速行駛狀態(tài)，為了使車輛具備更好的操縱穩(wěn)定性以及保存和節(jié)省車手體力，要求車輛轉(zhuǎn)向靈敏性達(dá)到最優(yōu)，這樣可以幫助車手能更好地完成比賽。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6323.2—94的規(guī)定，仿真試驗中，讓賽車以20m/s的速度沿雙紐線行駛，待賽車跑完一次后即為完成了一次試驗，得出的仿真曲線如圖15、圖16所示，賽車轉(zhuǎn)向過程中的最大轉(zhuǎn)向力矩大致是20N·m，在車手可以承受的范圍之內(nèi)。

4" 總結(jié)

本文以學(xué)校比賽車隊設(shè)計的電動方程式賽車為研究對象，分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對賽車操縱穩(wěn)定性的影響，首先建立了影響因素的參數(shù)模型，得出硬點(diǎn)坐標(biāo)，然后運(yùn)用ADAMS軟件對影響賽車操縱穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行了試驗仿真，仿真試驗結(jié)果可以為賽車今后的再設(shè)計和調(diào)教改進(jìn)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐小康. 基于前后懸架剛度匹配的FSAE賽車操穩(wěn)性研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[2] 張璐. 電動輪車操縱穩(wěn)定性和平順性的分析與優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[3] 郭猛. 汽車前輪定位參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計[D]. 長春：吉林大學(xué)，2006.

[4] 陳軍. MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[5] 李嫚. FSAE賽車懸架的優(yōu)化設(shè)計及分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[6] 鄧召文，唐俊祥. FSAE賽車制動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2015（11）：3-7.

[7] 侯杰. FSAE賽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及分析[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[8] 劉歡. 基于雙電機(jī)結(jié)構(gòu)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2017.

（編輯" 凌" 波）

作者簡介

左寶貴（1989—），男，助教，研究方向為汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。