FSC賽車懸架側(cè)傾特性分析與研究

劉攀　覃文峰

【摘 要】懸架的側(cè)傾特性影響著整車的操縱穩(wěn)定性和平順性，而這兩者也是有一定的相互矛盾。在設(shè)計(jì)懸架中，需要考慮好整車的針對(duì)性，對(duì)于參加FSC比賽的賽車更側(cè)重于前者。對(duì)懸架側(cè)傾特性影響最多的是側(cè)傾中心的位置，以及側(cè)傾剛度取值，而這兩者可以通過(guò)彈簧的選擇與橫向穩(wěn)定桿剛度的匹配來(lái)調(diào)節(jié)，使賽車操縱穩(wěn)定性更高，更適應(yīng)賽道。

【關(guān)鍵詞】懸架；側(cè)傾中心；側(cè)傾剛度

0 引言

大學(xué)生方程式比賽是一項(xiàng)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)結(jié)合的比賽，動(dòng)態(tài)項(xiàng)目有直線加速、八字繞環(huán)、耐久賽、燃油經(jīng)濟(jì)性測(cè)試四項(xiàng)。根據(jù)賽道地圖分析，主要是小直道。彎道與繞樁結(jié)合，在這樣的比賽中對(duì)汽車行駛性能的要求非常高，特別是整車的操縱穩(wěn)定性。汽車的操縱穩(wěn)定性是指駕駛員在正常操作駕駛時(shí)，當(dāng)遇到外界干擾時(shí)，抵抗外界干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。在多彎與繞樁的襄陽(yáng)賽道上，車輛的側(cè)偏特性對(duì)彎道的適應(yīng)是很重要的。本文以寧遠(yuǎn)車隊(duì)賽車為例，通過(guò)對(duì)整車的側(cè)傾中心與側(cè)傾剛度分析，為方程式賽車懸架設(shè)計(jì)提供一個(gè)理論依據(jù)。

1 側(cè)傾中心的建立

汽車在空間坐標(biāo)系中相對(duì)與地面有六個(gè)自由度，其中有三個(gè)移動(dòng)自由度與三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，汽車相對(duì)于地面繞縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸線就稱之為汽車的側(cè)傾軸線。該軸線與左右車輪所在的垂直橫斷面上的交點(diǎn)則為側(cè)傾中心。前后懸各有自己的側(cè)傾中心，而對(duì)于大學(xué)生方程式賽車上使用的不等長(zhǎng)雙橫臂來(lái)說(shuō)，它的側(cè)傾中心還可以通過(guò)左右輪瞬心與車輪接地點(diǎn)連線的交點(diǎn)得到（如下圖）。

側(cè)傾中心的高度對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性與平順性影響較大。側(cè)傾中心越高則越接近車身的質(zhì)心，即質(zhì)心與側(cè)傾軸線的距離約小。那么當(dāng)車身側(cè)偏時(shí)產(chǎn)生的側(cè)傾力矩就越小，車身側(cè)偏角也就越小，左右載荷轉(zhuǎn)移越小，這有利于車輛的操控穩(wěn)定性，降低了車輛的平順性；反之，當(dāng)側(cè)傾中心較低時(shí)，車身側(cè)偏角較大，載荷轉(zhuǎn)移大，不利于車輛操控穩(wěn)定性，增加了車輛平順性。除此之外，側(cè)傾中心高度對(duì)輪距變化影響比較大，側(cè)傾中心越高，輪距變化越大，輪胎磨損更嚴(yán)重；反之，較好。對(duì)于乘用車而言，側(cè)傾中心高度一般在0～120mm之間，而對(duì)于重心較低的方程式賽車一般取0～80mm，且一般取前懸側(cè)傾中心略低于后懸側(cè)傾中心，這樣有利于汽車保持一定的轉(zhuǎn)向不足，有利于駕駛員的操縱行駛。鑒于國(guó)內(nèi)外大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取前懸側(cè)傾中心高度為30mm，后懸側(cè)傾中心高度為50mm。

2 懸架側(cè)傾剛度理論分析

在上部分提到懸架的側(cè)傾中心的高度對(duì)車身偏轉(zhuǎn)角的剛度有影響，除此之外，懸架側(cè)傾角剛度大小對(duì)車身側(cè)傾角的大小影響也很大。懸架的側(cè)傾角剛度是指?jìng)?cè)傾時(shí)對(duì)質(zhì)心產(chǎn)生的單位轉(zhuǎn)矩與單位車身轉(zhuǎn)角比值，從定義來(lái)講就能知道，懸架的側(cè)傾角剛度對(duì)車輛的操縱穩(wěn)定性與平順性有影響。懸架的側(cè)傾角剛度與懸架的線剛度、彈簧剛度以及橫向穩(wěn)定桿提供的剛度有關(guān)。對(duì)于方程式賽車的雙橫臂懸架也是一樣，他也是通過(guò)這三個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。懸架的線剛度是指當(dāng)車輪產(chǎn)生單位垂直位移是懸架所提供給車輪的恢復(fù)力，而這個(gè)恢復(fù)力來(lái)自于彈簧變形產(chǎn)生變形力與橫向穩(wěn)定桿產(chǎn)生的變形力。

懸架線剛度的計(jì)算可以通過(guò)去一個(gè)合適的偏頻去計(jì)算，按照以下公式計(jì)算。

整車平順性影響較大，不同用途的乘用車偏頻取值不同，用來(lái)運(yùn)輸人的乘用車對(duì)平順性要求最高，客車次之，貨車要求就更低了。一般取偏頻在1.17～2.1Hz左右。根據(jù)國(guó)內(nèi)外賽車經(jīng)驗(yàn)以及襄陽(yáng)比賽地圖，我們大學(xué)生方程式賽車的懸架是相對(duì)于比較硬，但是結(jié)合我們?nèi)ツ曩愜噷?shí)車，懸架相對(duì)比較軟，所以今年我們決定把偏頻取得稍大一點(diǎn)，前懸3.2Hz，后懸3.5Hz。

當(dāng)懸架線剛度確定之后，接下來(lái)需要確定就是彈簧剛度與橫向穩(wěn)定桿剛度的匹配?？紤]到橫向穩(wěn)定桿制作偏差相對(duì)比較大，所以先假設(shè)沒(méi)有橫向穩(wěn)定桿時(shí)，側(cè)傾剛度全部由彈簧提供的情況。當(dāng)計(jì)算得到懸架線剛度后，可以按照以下公式計(jì)算出彈簧剛度。

M的取值比較關(guān)鍵，它的大小完全決定了彈簧剛度的選擇，以及懸架導(dǎo)向塊搖臂的設(shè)計(jì)。不過(guò)由于我們避震器型號(hào)為FOX DHX RC4，她的最大行程只有50.4mm，所以在取值時(shí)必須保證避震器在行程之內(nèi)，不對(duì)避震器造成任何損壞，結(jié)合所有情況可以將MR取值為0.75左右比較合適。

彈簧剛度被確定之后，可以根據(jù)車對(duì)現(xiàn)有彈簧以及可以買(mǎi)到的彈簧規(guī)格進(jìn)行橫行穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)，橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)桿材料選擇最好是彈簧鋼，因?yàn)閺椈蓜偟牧W(xué)特性比較合適，但是考慮到彈簧鋼很難選到合適的空心管，所以可以選擇另外一種替代材料，也就是用的比較多，規(guī)格種類比較齊全的4130鋼管，在通過(guò)計(jì)算之后可以選擇14*2的4130鋼管規(guī)格。結(jié)合車架設(shè)計(jì)之后，可以選用比較容易加工的U型橫向穩(wěn)定桿，并且采用可調(diào)式橫向穩(wěn)定桿，以便適應(yīng)不同的賽道（如下圖）。

懸架前后側(cè)傾剛度的分配也是很重要的，一般來(lái)說(shuō)后懸剛度會(huì)略大于前懸剛度，這可以使車輛保持很小的轉(zhuǎn)向不足，提高操控穩(wěn)定性。盡管在設(shè)計(jì)上可以是整車的側(cè)傾剛度比較合適，但是由于加工誤差的存在，會(huì)使理論與實(shí)際偏差較大。只有通過(guò)車手試車，將整車在賽道上的性能準(zhǔn)確反饋，才能知道與設(shè)計(jì)是否向符合。如果在行駛過(guò)程中表現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或者轉(zhuǎn)向過(guò)度，則可以通過(guò)推桿調(diào)整車身高度、調(diào)整彈簧預(yù)緊力、橫向穩(wěn)定桿剛度等方法，來(lái)提高整車操縱穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

FSC賽車操縱穩(wěn)定性與平順性都很重要，但是針對(duì)于襄陽(yáng)賽道，一般更傾向于注重整車操縱穩(wěn)定性，這有利于取得更快的圈速。更深入一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，對(duì)于懸架側(cè)傾特性的分析就更顯得重要，可以通過(guò)資料查找，取一個(gè)合適的車身側(cè)傾角，讓在比賽中每一個(gè)彎道都不會(huì)超過(guò)這個(gè)值，使懸架變得更硬，彎道通過(guò)性能更好。在上述分析中，可以知道側(cè)傾中心高度選擇、前后懸架剛度分配，后期試車的調(diào)整，都會(huì)對(duì)整車側(cè)傾特性產(chǎn)生很大影響。更好的一種方式是通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)整車有一個(gè)依據(jù)的分析?？傊?，對(duì)于操縱性能來(lái)說(shuō)，需要與平順性的協(xié)調(diào)，也需要前后懸架剛度的匹配，再設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把懸架設(shè)計(jì)為剛度可調(diào)，這樣有利于避免一些有加工誤差帶來(lái)的影響，還有利于有對(duì)賽道針對(duì)性調(diào)校。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Willia illiken，Douglas L.Milliken.Race Car Vehicle[Z].Warrendale，PA：SAE International，1997.

[2]王霄鋒.汽車底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：241-336.

[3]喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]吳健瑜.大學(xué)生方程式賽車懸架設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究[D].華南理工大學(xué)，2011.

[責(zé)任編輯：劉展]