大學生方程式賽車懸架系統(tǒng)參數優(yōu)化設計

1、大學生方程式賽車懸架系統(tǒng)參數優(yōu)化設計劉寅童，邢立軒，盧泳陵 *同濟大學【摘要】大學生方程式賽車當前已經風靡全球。其設計形式可謂五花八門。作為一款賽車,懸架系統(tǒng)對于其整車性能的影響不可忽視。為了能夠使賽車的操控性能最優(yōu)化，對于不同的賽 車，即使采用相同的懸架結構形式，也應該具有不同的設計參數。本文將以自行設計的賽車為 基礎，針對賽道路況，設計及優(yōu)化懸架系統(tǒng)參數，以使賽車能夠達到較好的操控性和平順性。【關鍵詞】大學生方程式賽車，懸架系統(tǒng)，側傾中心，前輪外傾角，懸架剛度Optimizati on for the Suspe nsion Parameters of Formula SAE CarLiu

2、 Yintong, Xing Lixua n, Lu Yon gli ngTongjj Un iversityAbstract: Formula SAE has been already very popular among the young people globaly. The design has also been diversified. As a racing car, suspension system has a great effect on the performa nee of the car. As a result, a similar suspe nsion st

3、ructure on differe nt car must has differenet parameters, to optimize the performanee. In this article, the design was based on a self-built car and the parameters was optimized for circuit con diti on to improve the con troll ing and ridi ng performa nee.Key words: Formula SAE, Suspe nsion system,

4、Roll cen ter, Camber, Suspe nsion stiffness1研究背景大學生方程式賽車系列賽事 (Formula SAE由美國汽車工程師協(xié)會(SAEInternational ) 創(chuàng)辦于1979年。經過了 30年的發(fā)展，目前在全球范圍內已經在11個國家舉辦。由于其特有的教學實踐方式及賽事本身的專業(yè)性，在大學生中深受歡迎。由于該賽事除了考核賽車的動力性，也對賽車的操控性及設計方法同等重視，因此在賽車的結構上的設計及優(yōu)化就需要相當細膩的處理。而懸架系統(tǒng)作為賽車的“四肢”，直接影響賽車的操控性及平順性，甚至賽車在賽道上的行駛姿態(tài)，因此，其優(yōu)化設計的重要性更加CATIA 及

5、ADAM蒔 CAD/CAE不可忽視。本文將以自行設計的賽車為藍本，針對賽事賽道路況，利用作者介紹:E-mail: Ieon804 liuxinglixuancomeonrabbit劉寅童，男，05級本科；研究方向：車輛工程邢立軒，男，07級本科；研究方向：車輛工程盧泳陵，男，07本科；研究方向：車輛工程軟件，結合汽車理論知識， 對初步完成的懸架系統(tǒng)結構的參數進行優(yōu)化設計，并對方法加以總結，以達到一個比較理想操控性及平順性。圖1所示為懸架結構基本形式。圖1賽車懸架結構基本形式2賽車基本參數在進行賽車懸架系統(tǒng)的詳細參數設計之前，根據已知的發(fā)動機及其套件重量、車手體重及其傳動系統(tǒng)重量，可以初步估算出

6、前后軸荷分布比例Fzi/ F z2=44/56。通過該前后軸荷分布比例，設置賽車的穩(wěn)態(tài)轉向性能為不足轉向，根據式 2-1 1，即穩(wěn)定性因數K>0,可以得到 賽車前后軸荷分布的關系如式2-2所示，其中a/b=56/44，則可推出前后懸架剛度之比ki/4.5m的彎道，根k2>44/56。根據規(guī)則中第四部分的7.2條規(guī)定，為使賽車能夠通過半徑為據R=L/sin 3丄 為軸距，B為外側車輪最大轉角，可設置賽車軸距參考值為1600mm除此以外，通過測量，也可確定出質心高度hg。具體整車參數如表 1所示。= u/L1 +馬?空?u L ?k2 k1 ?u/L1+Ku22-1ak2b>k1

7、2-2軸距1600mm前后軸荷比44/56前后軸重心高度hg152.27mm/250mm滿載質量300kg表1整車基本參數表至此，在懸架系統(tǒng)參數優(yōu)化設計中將用到的參數已經全部求出。 個部分的優(yōu)化設計的詳細內容進行說明。接下來將對懸架系統(tǒng)幾3懸架系統(tǒng)參數優(yōu)化設計3.1側傾中心優(yōu)化側傾中心作為整車前、后軸橫斷面的瞬時轉動中心，直接影響整車側傾軸線的位置，從而確定了整車側傾力矩的大小。因此，為了能夠減小賽車過彎時的側傾力矩，須要使所設計的懸架結構的側傾中心靠近質心位置。但是為了避免側傾中心過高引起車輪在跳動過程中產生較大的角度變化，須要找到一個最佳的側傾中心高度。由于在本文所設計的賽車上采用雙橫臂結

8、構懸架，側傾中心位置由上、下橫臂間張角決定。如圖2所示。aa rfeJref圖2側傾中心示意圖P若橫臂aa'與bb'平行，且都平行于地面時， 側傾中心高度hw=0，即W在賽車中性面與 地面的交點處。為了能夠適當的升高側傾中心，本文采用將下橫臂與車架連接點b、d上移,使下橫臂上斜的方式，提高側傾中心的高度。根據式3-12側傾中心的高度計算公式，可以算得hw。=p3-12 k cos p + d ta n cr + a式3-1中，Bi為輪距，k為與a b長度相關。通過代入數值計算得到，當下橫臂傾斜角度為7.07°時，hw為104mm。前文已經提到，通過測量前軸處質心高度為

9、152.27mm。根據中國大學生方程式賽車大賽規(guī)則中描述，在進行8字繞環(huán)項目時，側向加速度大小為0.9g。則此時前軸所產生的側傾力矩為3-2Tw = Fyf(hg - lh/v) =0.9gmf(hg -仏)此時賽車受力如圖3所示。與Tw相反方向的力矩 T1阻止賽車側傾。通過計算，Tw。 可見經過調整后的側傾中心高度合理。采用相同方法求得后側傾中心高度為123.1mm ,而后軸質心高度為 250mm，通過計算驗證是合理的。通過大量的實驗證明，側傾軸線前低后高的整車性能較好。通過本文優(yōu)化設計后前后軸側傾中心符合前低后高的合理設計。3.2懸架減震性能優(yōu)化計算根據公路輸入-車輛平度表示方法4，本文選

10、取A級公路路面激勵頻率作為目標對象。 該級別公路路面激勵波長期望值為0.625m,根據規(guī)則中描述，在進行復雜賽道比賽時，賽車最高平均速度為 48km/h，根據計算可知頻率期望值為21.3Hz。因此在進行懸架剛度設計時，應該盡量使懸架偏頻避免與路面激勵頻率發(fā)生共振。前文通過計算求得前后軸荷分布Mf=132kg, Mr=168kgo則前輪單輪載荷為66kg，后輪單輪載荷為84kg。懸架偏頻計算如式 3-3。(2 n3-3傳統(tǒng)Formula 1賽車采用懸架剛度為175N/mm，減震器阻尼為 0.7整備質量不得低于600kg5。由于大學生方程式賽車的整備質量為200至250kg ,為了避免懸架剛度過大

11、，本文中進行優(yōu)化設計時選取前懸剛度k1=70N/mm。則前懸偏頻n1=0.52Hz。則后懸剛度k2<89.1N/mm，取k2=89N/mm , n2=0.52Hz，貝U n仁n2,未在路面激勵頻率的共振范圍。除此以外，為了保證懸架系統(tǒng)能夠具有上下至少各25.4mm跳動能力，還需要對計算得到的懸架剛度利用 ADAMS進行仿真驗算。如圖4所示為所用輪胎的剛度曲線。輪胎的徑向剛度為128N/mm。在仿真模型中將輪胎等效為彈簧減震器，并設置其阻尼為1,懸架減震器阻尼為0.7。通過在車上加載一個階躍力，得到如圖5所示的衰減的位移震蕩圖。該位移為車架中性面的一個節(jié)點?？梢?，最大位移完全滿足25.4m

12、m的要求。并且由于減震器阻尼作用，振動并沒有一直持續(xù)而是迅速衰減，有助于提高賽車的操控性、平順性和舒適性。圖4輪胎徑向剛度曲線圖5車架位移曲線3.3橫臂長度比例校核仿真及車輪外傾角和主銷內傾角變化范圍隨著懸架跳動，車輪的外傾角也會發(fā)生變化。上下橫臂的長度關系將直接影響外傾角的 變化范圍。因此，為了盡可能縮小車輪外傾角的變化范圍，需要對上下橫臂的長度比例進行優(yōu)化設計。在ADAMS中將懸架三維模型簡化為 YZ平面內的二維模型進行仿真計算，得到如圖610所示的曲線圖。計算時設置懸架跳動范圍為-30mm30mm，所設計的上橫臂（L1 ）與下橫臂（L2 ）長度之比：前懸 L1/L2=0.89，后懸L1/

13、L2=0.85圖6前輪接地點側向滑移量變化曲線10圖7前輪外傾角變化曲線圖8前輪主銷內傾角變化曲線圖9后輪接地點側向滑移量變化曲線圖10后輪外傾角變化曲線以上曲線均表示在單次跳動完成時，各參數的變化曲線。從圖上不難看出，前后輪輪距變化范圍均在7mm以內，變化量小于 0.5%，前輪外傾角最大變化量為 1 °，后輪外傾角最 大變化量為1.3°,主銷內傾角最大變化量為1°?？梢姡O計的橫臂比例對車輪定位參數只產生了非常小的變化影響，從而對賽車行駛過程可能造成的影響也非常小。因此所設計的符合該比例的橫臂符合要求。4結論通過上述的計算與仿真工作，賽車的懸架系統(tǒng)基本結構參數

14、能夠得到優(yōu)化設計。最終確定懸架基本參數如下：前懸剛度k1=70N/mm，前懸上橫臂傾角a 1=0，前懸下橫臂傾角B 1=7.07°，前輪外傾 角B仁2°,前懸橫臂長度比 L1/L2=0.89 ;后懸剛度k2=89N/mm，后懸上橫臂傾角a 2=0，后懸下橫臂傾角B 2=7.18 °，后輪外傾 角B 2=1 °，后懸橫臂長度比 L1/L2=0.85 。優(yōu)化后的懸架系統(tǒng)能夠有效的提升賽車性能。然而由于大學生方程式賽車本身的特殊 性，基于仿真和計算結果所設計制造出的懸架系統(tǒng)仍然需要通過實驗加以深入的校核。除此以外，懸架系統(tǒng)的設計不僅需要本文中所優(yōu)化的基本結構參數，還需要更加細節(jié)的結構設計。因此，根據以上基本參數的優(yōu)化結果，對懸架的力學結構、機械傳動結構、輕量 化、工藝性分析等方面仍然還有許多因素需要考慮。綜合這些設計之后才能實現(xiàn)比較理想的完整的懸架系統(tǒng)的設計。參考文獻1 余志生.汽車理論M.第5版，北