基于FSAE賽車后輪輪跳轉(zhuǎn)向優(yōu)化

楊偉 劉飛龍 曹秀娟

【摘 要】FSAE賽車在高速行駛過程中，由于賽道彎較多且半徑變化較大，所以這就對賽車的過彎操縱性提出了很高的要求。在FSAE賽車開發(fā)過程中，懸架的開發(fā)至關(guān)重要，其中后輪由于載荷較大，且是驅(qū)動力，所以對于后輪定位參數(shù)的設(shè)計和保證參數(shù)的變化率小就顯得尤為重要，而在過彎過程中，車身的側(cè)傾使得左右輪胎的位移較大，但由于束角對于賽車過彎特性起著很大的作用，因此就要求束角的變化要盡可能小。本文便提出了一種輪跳轉(zhuǎn)向的優(yōu)化方案。

【關(guān)鍵詞】FSAE；輪跳轉(zhuǎn)向；束角；優(yōu)化設(shè)計；Optimum kinematics

一、研究背景：

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，人們對普通汽車“以車代步”的功能也不再滿足，隨著各種各樣的賽車的相繼出現(xiàn)，滿足了人們對“高速度”的追求。隨之出現(xiàn)的賽車比賽越來越受到人們的歡迎。當(dāng)然，在全世界也掀起了對賽車比賽的追求得狂潮的同時，賽事也慢慢地從社會進(jìn)入到校園中。在1979年，由美國汽車工程師協(xié)會舉辦的一項大學(xué)生方程式賽車（簡稱 FSAE 賽車）比賽，把賽車比賽正式地引進(jìn)了校園，學(xué)生可以全程地參與賽車比賽，能夠充分地了解汽車從設(shè)計、制作到營銷的全過程。近些年世界上多個國家開展了此項比賽，目前舉辦賽事的國家有美、英、德、日等國家。在2008年，我國也有一些院校參加其他國家的 FSAE 賽車比賽。同時，在2010年我國舉辦了首屆中國大學(xué)生方程式汽車（FSAE）賽事，使更多的中國高校參與此項比賽。參賽高校組織車隊構(gòu)想、設(shè)計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽，借以培養(yǎng)及訓(xùn)練車輛工程研發(fā)設(shè)計人才。為了達(dá)到賽事目的，假定參賽的車隊是為一家公司設(shè)計、制造、測試并展示一輛休閑賽車，因此賽車應(yīng)該能夠在加速、制動和操控性能等方面有很好的表現(xiàn)，并且能足夠穩(wěn)定耐久，能夠順利完成規(guī)則中所有的項目，順利參加中國 FSAE 賽車比賽。對車隊來說，其挑戰(zhàn)在于開發(fā)一輛能最大程度滿足中國FSAE賽車的設(shè)計目標(biāo)且具有市場前景的樣品車[1]。

二、懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

1、后懸輪胎定位參數(shù)

基于往年賽事的經(jīng)驗和參考推薦范圍確定如下輪胎定位參數(shù)。

2、后懸結(jié)構(gòu)

因為FSAE賽車對于操縱性和穩(wěn)定性提出了較高的要求，因此我們采用了運(yùn)動性能和受力較好的雙橫臂的結(jié)構(gòu)（圖1），橫臂采用4130無縫鋼管制成。

3、輪胎參數(shù)

4、建立硬點坐標(biāo)

5、建立模型

三、仿真優(yōu)化

1、運(yùn)動學(xué)仿真

運(yùn)動學(xué)仿真采用Optimum Kinematics仿真軟件仿真，該軟件是專門用于懸架運(yùn)動學(xué)仿真的軟件，具有簡便、仿真結(jié)果豐富、仿真工況多、結(jié)果導(dǎo)出和分析方便等優(yōu)點。

2、仿真參數(shù)

依據(jù)賽事規(guī)則和FSAE賽車的動力學(xué)特性，確定前輪距為1220mm，后輪距1170mm，軸距為1550mm，為保證賽車在2G側(cè)向加速度時有較好的姿態(tài)，設(shè)計確定懸架側(cè)傾角剛度，保證賽車的側(cè)傾增益為1.5°/G，最后確定了3°的車身側(cè)傾角。

3、仿真結(jié)果

4、仿真結(jié)果分析

通過仿真結(jié)果可以看出，后輪輪胎轉(zhuǎn)向范圍非常大，不符合設(shè)計要求，原因如下：

束桿的理論位置應(yīng)該是使得束桿的瞬心和上下橫臂的瞬心重合，這樣車輪在跳動過程中相當(dāng)于繞其瞬心轉(zhuǎn)動，便不會出現(xiàn)束角的變化，但是實際情況下橫臂的瞬心是隨著輪胎的跳動而不斷變化的，而束桿的瞬心也在不斷的變化，這樣就不能保證任何時候束桿和橫臂的瞬心交與一點，因此在輪胎發(fā)生跳動的時候也就會發(fā)生轉(zhuǎn)向，且瞬心距離差距越大，輪胎束角變化越劇烈。

5、改進(jìn)方案：將束桿移至下后橫臂處，并使得束桿與橫臂在同一平面，且兩桿互相平行，這樣就能保證束桿的瞬心和上下橫臂的瞬心在輪胎上下跳動時一直處于同一點，雖然瞬心也會在輪胎跳動過程中不斷變化，但在不考慮其他因素的情況下能夠有效抑制輪胎轉(zhuǎn)向。

6、修改懸架結(jié)構(gòu)

7、修改后的懸架坐標(biāo)

8、優(yōu)化結(jié)果

9、結(jié)果分析

通過仿真的結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的束角變化率在理想范圍內(nèi)，較優(yōu)化前有了明顯的改善，該結(jié)果符合設(shè)計要求。

四、結(jié)論

通過對束桿的布局的優(yōu)化設(shè)計，提供仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的后輪輪跳轉(zhuǎn)向得到了有效控制，變化范圍只有，完全符合設(shè)計要求，理想的束角變化率保證的賽車在高速行駛時的穩(wěn)定性和抓地力，有效提高了整車的操縱性和單圈圈速。

課題項目：一種計及瞬態(tài)振動MAP圖的混合動力車輛轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩最優(yōu)分配控制策略；編號：201810299201H

參考文獻(xiàn)：

[1]李嫚.FSAE賽車懸架的優(yōu)化設(shè)計及分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011：1-1.

作者簡介：

楊偉（1997.10）男，四川德陽人，本科，研究方向：汽車底盤

（作者單位：江蘇大學(xué)）