大學(xué)生方程式賽車（FSAE）懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬景軍，葉宇天，桂 浩，卿 銅，崔宏耀

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050）

FSAE方程式（Formula SAE）系列賽1978年源于美國(guó)。自創(chuàng)立之初不斷發(fā)展壯大，如今已經(jīng)發(fā)展成為汽車學(xué)術(shù)界一項(xiàng)著名的賽事，先后進(jìn)入歐洲、大洋洲、亞洲等汽車工業(yè)強(qiáng)國(guó)。該項(xiàng)賽事2010年進(jìn)入中國(guó)，現(xiàn)在共有79支車隊(duì)參加，包括國(guó)內(nèi)外著名大學(xué)。賽車底盤的一大核心就是懸架系統(tǒng)，其關(guān)系到汽車動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性等重要性能。通過在FSAE論壇中調(diào)研發(fā)現(xiàn)，懸架系統(tǒng)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外車隊(duì)研究的熱點(diǎn)。本文將對(duì)FSAE賽車懸架系統(tǒng)的懸架幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用ADAMS仿真軟件對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模和優(yōu)化，并提出懸架參數(shù)調(diào)節(jié)的可行方案。

1 懸架模型的建立

1.1 參數(shù)的確定

懸架是汽車上十分重要的總成，它將車架或車身與車軸或車輪彈性連接在一起。由于考慮懸架布置空間尺寸，車輪的接地性能，保證恰當(dāng)?shù)膫?cè)傾中心和縱傾中心，同時(shí)參考其他國(guó)內(nèi)外車隊(duì)的設(shè)計(jì)方案，采用雙橫臂獨(dú)立懸架。賽車懸架的參數(shù)初定如下：

懸架參數(shù)初定：主銷長(zhǎng)L3＝251mm；上橫臂長(zhǎng)L1＝221mm；下橫臂長(zhǎng)L2＝340mm；前輪距B1＝1 245mm；主銷偏距a＝18.87mm；主銷內(nèi)傾角β＝5°；上橫臂傾角α＝10°；下橫臂傾角α′＝0°。

1.2 建模仿真

根據(jù)懸架的初定參數(shù)，利用AutoCAD繪圖軟件，繪制懸架的二維草圖，如圖1～3所示。通過二維草圖，測(cè)算出懸架的各設(shè)計(jì)硬點(diǎn)（設(shè)計(jì)硬點(diǎn)是設(shè)計(jì)過程中，為保證零部件之間的協(xié)調(diào)和裝配關(guān)系，及造型風(fēng)格要求所確定的控制點(diǎn)（或坐標(biāo)）、控制線、控制面及控制結(jié)構(gòu)的總稱），用于建立三維虛擬模型。

圖1 前懸前視圖

ADAMS／View提供了一個(gè)直接面向用戶的基本操作對(duì)話環(huán)境和虛擬樣機(jī)分析的前處理功能，其中包括樣機(jī)的建模和各種建模工具、樣機(jī)模型數(shù)據(jù)的輸入和編輯、求解器和后處理等程序也自動(dòng)連接到數(shù)據(jù)、虛擬樣機(jī)分析參數(shù)的設(shè)置、以及同其他軟件的接口。通過以上確定的懸架硬點(diǎn)參數(shù)，在ADAMS／View中創(chuàng)建懸架系統(tǒng)三維模型。在模型創(chuàng)建的過程中，懸架系統(tǒng)的球銷簡(jiǎn)化為剛體球，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)推力桿和主銷簡(jiǎn)化成圓柱桿件，模型如圖4所示。

圖2 前懸俯視圖

圖3 前懸側(cè)視圖

圖4 前懸主視圖

2 懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化方案的確定

前懸架多目標(biāo)優(yōu)化問題的綜合目標(biāo)函數(shù)為

式中：ωi（i＝1，2，3，4）為加權(quán)系數(shù)，該數(shù)值根據(jù)各個(gè)目標(biāo)重要程度確定；αmax，βmax，γmax，δmax為車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和前束值（角）絕對(duì)值的最大值；αmax0，βmax0，γmax0，δmax0為車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和前束值（角）絕對(duì)值的最大值的目標(biāo)值。

由于設(shè)計(jì)的主銷為大學(xué)生FSAE賽車，根據(jù)它的特點(diǎn)，可以得知對(duì)于FSAE賽車來(lái)說(shuō)前輪內(nèi)傾角和側(cè)向滑移的大小對(duì)賽車的影響較大，其中前輪的內(nèi)傾角是為了補(bǔ)償在高速過彎時(shí)由于輪胎剛度造成的接地面積減小，導(dǎo)致附著力變小，無(wú)法正常轉(zhuǎn)彎的情況。而車輪的側(cè)向滑移量的大小則直接影響著輪胎的磨損情況，由于賽車要具有很好的機(jī)動(dòng)性，如果輪胎在行駛過程中磨損嚴(yán)重，就會(huì)造成附著力不夠，就無(wú)法給賽車提供更高的機(jī)動(dòng)性以適應(yīng)比賽的要求。

選擇優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為賽車的側(cè)向滑移量，變量的取值范圍如表1所示。優(yōu)化前、后懸架硬點(diǎn)的參數(shù)如圖5和圖6所示。將車輪作為驅(qū)動(dòng)令其上下跳動(dòng)為50mm，設(shè)置仿真時(shí)間為1s，仿真步數(shù)為50步，相應(yīng)的各車輪定位參數(shù)的變化曲線如圖7～11所示。

表1 懸變量設(shè)計(jì)

圖5 優(yōu)化前硬點(diǎn)參數(shù)

圖6 優(yōu)化后硬點(diǎn)參數(shù)

圖7 優(yōu)化前、后主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動(dòng)變化曲線

圖8 優(yōu)化前、后主銷后傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

圖10 優(yōu)化前、后前輪后束角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

圖9 優(yōu)化前、后前輪內(nèi)傾角隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

圖11 優(yōu)化前、后側(cè)向滑移量隨車輪跳動(dòng)的變化曲線

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

由以上的優(yōu)化可知，優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角變化范圍明顯縮小，賽車的操縱穩(wěn)定性得到了提高，不會(huì)因主銷內(nèi)傾角變化過大引起轉(zhuǎn)向盤手力變化過快，減輕了車手的疲勞。主銷后傾角在優(yōu)化后的變化范圍進(jìn)一步縮小，更加增加了賽車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和高速行駛時(shí)穩(wěn)定的回正性能，提高了高速時(shí)賽車的穩(wěn)定性。優(yōu)化前前輪外傾角變化范圍過大，經(jīng)過優(yōu)化前輪外傾角的變化范圍進(jìn)一步縮小，不至于因?yàn)樽兓秶^大，引起特殊情況下失去附著力的情況發(fā)生。前輪前束角在優(yōu)化前沒有后束角，這樣無(wú)法消除由于前輪內(nèi)傾帶來(lái)的兩側(cè)車輪向內(nèi)側(cè)行駛的缺陷，優(yōu)化后前輪前束角在一定時(shí)間內(nèi)具有負(fù)的前束角，由前輪外傾角隨車輪跳動(dòng)曲線可以看出，在車輪內(nèi)傾的時(shí)候，都具有一定的后束角，兩者幾乎同步變化，所以在整個(gè)范圍內(nèi)，前輪的內(nèi)傾角或者外傾角帶來(lái)的不良影響都會(huì)由前輪的后束角或者前束角消除。經(jīng)過優(yōu)化，側(cè)向滑移量變化范圍進(jìn)一步縮小，輪胎的磨損情況得到改善，提高了賽車的穩(wěn)定性。

3 懸架調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于FSAE賽車的懸架系統(tǒng)制作大部分是由車隊(duì)學(xué)生自行加工完成，由于受到工藝的限制，在加工和裝配的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，懸架系統(tǒng)各項(xiàng)定位參數(shù)的精度無(wú)法得到保證。同時(shí)由于賽車在正常測(cè)試和訓(xùn)練過程中，會(huì)因材料的疲勞變形，或是由于發(fā)生某些碰撞導(dǎo)致懸架系統(tǒng)部件變形，從而改變了懸架定位參數(shù)。在參賽的過程中由于面對(duì)不同的賽道形式，需要不同的懸架定位參數(shù)。所以設(shè)計(jì)相應(yīng)的懸架調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對(duì)保證賽車的性能十分重要。

可以通過改變推力桿的長(zhǎng)度，來(lái)調(diào)節(jié)懸架的定位參數(shù)。將螺母焊接在專用的焊接套上，再將焊接套焊接在鋼管上。通過球頭和螺母的螺紋連接，來(lái)調(diào)節(jié)推力桿的長(zhǎng)度，如圖12所示。

圖12 推力桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)懸架系統(tǒng)不同方案與FSAE賽車的性能要求結(jié)合分析，同時(shí)參考其他車隊(duì)賽車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且利用AutoCAD等軟件，確定出賽車懸架的定位參數(shù)。利用ADAMS對(duì)懸架進(jìn)行建模，并且對(duì)懸架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)出推力桿的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)懸架定位參數(shù)的調(diào)節(jié)。

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