巴哈赛车悬架的设计与制作

陈淼，耿杰，王新建，郭跃

(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222)

0 引言

巴哈大赛(Baja SAE China，BSC)是由中国汽车工程学会主办、在各院校间展开的小型越野赛车设计和制作竞赛。赛事围绕牵引力、操控性、耐力几个方面进行，因此要求各队所造出的赛车具有强劲的动力加速性、优良的越野通过性、灵活的操纵性能及可靠的耐久性能。在所有这些性能的体现中，悬架发挥了关键的作用，承载了车轮和车架之间的各种力和力矩，并缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，减少由此引起的振动，以保证汽车能平顺地行驶。悬架的结构和性能好坏对整车操控性和平顺性都有很大的影响。

1 结构选型与设计

1.1 整体选型

整车参数如表1所示。

表1 赛车的整车参数

文中在设计前悬架时选用的双横臂式悬架，具备便于制造、加工和安装的好处，这也是在众多整车上得到认可的原因。在该项赛事中，参赛的车队大多采用的是该形式的悬架。

1.2 偏频的选择

偏频是评判整车平顺性能优劣的重要参数，可用公式(1)进行计算：

(1)

式中：n为前悬架的偏频；k为赛车前悬架的刚度(N/cm)；m为赛车前悬架的簧上质量(kg)。

对于功能不同的车型来说，偏频的选择是不同的，这是因为它的值会对汽车的行驶平顺性有一定的影响。对于一个BSC赛车来说，主要以完成比赛为目的，对行驶车辆的平顺性的要求有所降低，所以文中取值要偏大一些。初步选择前悬架的偏频n=2.5 Hz。

1.3 侧倾刚度的选择

对于双横臂式独立悬架，侧倾角刚度用Cφ来表示，它的计算用公式(2)[1]来表示：

(2)

式中：B为赛车的轮距(mm)；k1为赛车悬架的线刚度(N/mm)。

一般情况下，车辆的侧倾角刚度越大，操纵稳定性就越好，但是行驶的平顺性就会有所降低，所以赛车的侧倾角刚度值过大或过小都不行。当侧倾角过大时，驾驶者会感觉到舒适性比较差；过小时，对赛车的操纵稳定性不好，会影响到赛车手的操作。因此在0.5g的侧向加速度下，侧倾角刚度选取为2°～5°可以使车辆获得较好的稳定性。

1.4 侧倾中心

侧倾中心是车辆旋转时相对地面的瞬时轴线，如图1所示。车辆在运动过程中，侧倾中心不是固定的，所以侧倾中心高度也不是一个固定值，会随着导向机构位置转变而变化，由于BSC赛车的底盘很高，根据赛场和赛道的实际情况，在一开始设计的前悬架侧倾高度为114 mm。

图1 侧倾中心和侧倾高度

1.5 车轮定位参数

BSC赛车中，前轮作为转向轮，主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角和车轮前束为前轮的主要参数。在设计时，一般要求主销后倾角在车轮上跳时变大，也就是运动的过程中不是固定值；为了转向轻便，主销内倾角不宜过大，否则会加重轮胎的磨损，一般不会大于8°；适当的车轮外倾角可以降低轮胎的磨损量，增大轮胎的接地面积，保证顺利过弯。前轮前束和外倾角有相关性，需要联动设计，会提高轮胎的使用寿命[2]。经初步计算，得出前悬架的部分设计参数，如表2所示。

表2 前悬架的部分设计参数

2 创建模型

悬架结构线是左右对称的，在软件中只考虑创建一半的模型即可。文中是对不等长双横臂悬架模型进行运动学仿真分析，不做动力学、静力学特征的要求，所以简化了对模型的要求。具体内容如下：

(1)前悬架上的每个零件都为刚性体，在前轮上下跳动时不发生形变；

(2)在设计时不考虑车轮的问题，同样为刚性体；

(3)各零部件之间的关联也忽略不计，如链接间隙、零件之间的摩擦力等；

(4)前悬架的减振器阻尼特性均简化为线性特征。

根据ADAMS/Car软件中已有的坐标系，选择左右两侧车轮中心连接线的中点为原点，X轴正方向为车辆模型前进的方向，Y轴正方向为车辆的右水平方向，Z轴的垂直向上为正方向。

2.1 建立硬点

在软件里建立悬架模型的关键点，即软件中所说的硬点。创建模型的根本是硬点坐标的选择，后期可以更改硬点坐标的位置来转变模型的形状。表3所示的是前悬架硬点的基本空间坐标位置。

表3 硬点坐标 mm

2.2 创建模型

根据上述硬点坐标，创建零部件的空间模型，还需设置前悬架的主销参数以及车轮的外倾角和前束角的参数值，建立总装配模型，如图2所示。

图2 前悬仿真模型及试验台

3 ADAMS仿真分析

比赛时，车轮遇到崎岖不平的路面和障碍物时会上下跳动，车身的侧倾或纵倾时也会使车轮发生上下跳动，所以前轮的跳动引起前悬架参数变化可以作为仿真分析时的重要依据[3]，用来判断前悬架在设计时的不足。

在进行仿真分析之前，要切换到运动学模式，对已建立的仿真模型进行车轮激振仿真，也就是通过建立的试验台对车轮进行垂直的上下跳动，来获得主要的特征曲线。此次仿真对车轮上下跳动量的设置：上跳动100 mm，下跳动-100 mm，再分为200步进行[4]。这样就可以得到悬架中主要的特征曲线，特征曲线会在ADAMS/Postprocessor后处理模块体现出来。

3.1 前轮定位参数的仿真分析

前轮外倾角的仿真曲线如图3(a)所示，正常行驶时，前轮外倾角取值在1°左右，轮胎不会发生偏磨现象。车轮发生上跳时，外倾角由正值逐步减少到负值，并且角度变化量由-0.3°～0.05°～-0.2°，悬架在50 mm的压缩范围内整体的变化量是0.35°，变化量小于0.02°/mm，在合理的范围之内，符合设计要求[5]。

主销后倾角的仿真曲线如图3(b)所示。主销后倾角在赛车上的作用主要是为了保持行驶稳定，稳定车轮回正的力矩。在BSC赛车上后倾角的设置都是超过一般车辆的，一般车辆的后倾角为2°～3°。从图中可以看出该悬架后倾角由5.52°变化到5.02°，该变化量小于0.02°/mm，满足设计要求。

主销内倾角的仿真曲线如图3(c)所示，图中显示了前悬架主销内倾角的变化量由6.45°到5.95°，再到6.051°。整体的角度变化量是0.5°，变化范围不大，在范围之内，符合设计的要求。

前轮前束角的仿真曲线如图3(d)所示。合适的前轮前束角在于补偿轮胎因外倾角及路面阻力所导致的向内或向外滚动的趋势，确保车直线行驶和减少轮胎的磨损。在图3(d)中，前轮前束角的变化量从-0.66°到0.96°，整体变化量是1.62°，在合理范围之内，符合设计要求。

图3 前轮定位参数的变化

3.2 前轮轮距变化量的仿真分析

汽车对于前轮轮距的变化是有一定要求的。因为在运动的过程中，这种轮距的变化会产生一些侧向力，不利于驾驶者对车的操纵稳定性[6]。BSC赛车在赛场上比赛时，由于在路面崎岖不平的情况，允许赛车轮距的变化量可以超过一般汽车的轮距变化。由图4中可以计算出轮距的初始值为1 142 mm，在车轮上跳时，轮距增大到1 154 mm，也就是一侧(左侧)轮距变化量为6 mm；在车轮下跳时，轮距变成1 122 mm，同样一侧(左侧)变化量为10 mm。因此，车轮上下跳时，轮距变化量比较小，符合设计要求。

3.3 前悬架侧倾中心高度的仿真曲线

由图5得知，在静止的情况下，侧倾中心高度为100 mm，车轮在上下跳动时，侧倾中心高度也在随时变化，优化后的变化量为192.8 mm，较为符合实际和设计需求。

4 悬架制作

根据赛规，制作材料力学性能需超过一定标准。根据对比，4130铬钼钢的性能较好，且满足比赛要求，因此选择4130铬钼钢为制作材料。

在赛车加工制作中，为保证加工精度，将误差控制在合理范围内，需要进行坡口处理和焊接定位等过程，分别如图6和图7所示。

图7 悬架焊接定位方式

将各部件定位好后开始焊接和装配，焊接采用氩弧焊，效率较高，焊接空间相对较为自由，且稳定可靠。最终装配如图8所示。

图8 悬架装配图

5 结论

对选择的参数在ADAMS/Car中创建模型，建立起虚拟的试验台，然后进行微动态仿真分析。不在合理范围之内的进行二次修改和优化，让最后的效果达到最佳的状态。最终确定前悬架的参数：悬架偏频2.5 Hz，上摆臂长度340 mm，下摆臂长度390 mm，主销后倾角5°，主销内倾角7°，车轮前束角2°，车轮外倾角-1.5°，侧倾中心高度113.6 mm，前轮距1 142 mm。测试结果显示，产品满足比赛要求，且稳定可靠。