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    巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

    2020-05-08 08:03:14侯小舸楊云珍王琦
    科技與創(chuàng)新 2020年8期
    關(guān)鍵詞:穩(wěn)定桿巴哈實(shí)車

    侯小舸,楊云珍,王琦

    巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

    侯小舸,楊云珍,王琦

    (武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

    設(shè)計(jì)了一套匹配巴哈賽車底盤特性的橫向穩(wěn)定桿,通過提高懸架系統(tǒng)的側(cè)傾角剛度提高整車的抗側(cè)傾能力,從而增強(qiáng)賽車的橫向穩(wěn)定性。建立橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學(xué)模型;分析穩(wěn)定桿的各參數(shù)對(duì)橫向穩(wěn)定桿所能提供的側(cè)傾角剛度的影響;對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,得出橫向穩(wěn)定桿的特性曲線;并進(jìn)行實(shí)車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)與跑動(dòng)測(cè)試,進(jìn)一步驗(yàn)證了橫向穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾性能。

    橫向穩(wěn)定桿;巴哈賽車;懸架;側(cè)傾角剛度

    大學(xué)生巴哈賽車是一種發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)的小型全地形車,具有獨(dú)特的防滾架結(jié)構(gòu)和與之相匹配的斜置單縱臂后懸架系統(tǒng),獨(dú)特的懸架布置導(dǎo)致其在高速入彎時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)傾和橫向振動(dòng),導(dǎo)致輪胎側(cè)偏嚴(yán)重,影響賽車的操控穩(wěn)定性及平順性[1]。因此設(shè)計(jì)出一款匹配巴哈賽車底盤布置的橫向穩(wěn)定系統(tǒng),建立出橫向穩(wěn)定桿的理論模型;并對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析;最后通過實(shí)車跑動(dòng)測(cè)試,更為真實(shí)地驗(yàn)證了橫向穩(wěn)定桿的性能。

    1 建立橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學(xué)模型

    1.1 橫向穩(wěn)定桿的布置

    橫向穩(wěn)定桿的布置如圖1所示。

    圖1 橫向穩(wěn)定桿的布置示意圖

    當(dāng)整車發(fā)生側(cè)傾時(shí),一側(cè)輪胎相對(duì)于車架有一段垂向位移量?1,車輪處的跳動(dòng)量傳遞到穩(wěn)定桿臂末端的跳動(dòng)量為?2,設(shè)?2與?1的比值為橫向穩(wěn)定桿的傳動(dòng)比,兩輪間距為。穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)并不是穩(wěn)定桿自身的側(cè)傾角剛度,而是穩(wěn)定桿傳遞到車輪處的等效側(cè)傾角剛度。

    1.2 橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度的計(jì)算

    設(shè)穩(wěn)定桿長(zhǎng)度為,穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度為,穩(wěn)定桿直徑為,穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂的夾角為,穩(wěn)定桿臂末端端點(diǎn)的距離為,穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂通過螺栓連接,穩(wěn)定桿上有兩處橡膠襯套用以固定穩(wěn)定桿。根據(jù)受力分析,忽略橡膠襯套的變形,忽略穩(wěn)定桿在彎矩作用下的微小角位移[2]。

    橫向穩(wěn)定桿如圖2所示。

    圖2 橫向穩(wěn)定桿的簡(jiǎn)化圖

    穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度1為:

    式(1)中:為穩(wěn)定桿的剪彈性模量[3];p為穩(wěn)定桿橫截面的極慣性矩。

    穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度2為:

    式(2)中:1為穩(wěn)定桿臂端部所受到的垂向力。

    穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)角剛度還可以表示如下:

    聯(lián)立式(1)(2)(3)可得,橫向穩(wěn)定桿的側(cè)傾角剛度2為:

    對(duì)于獨(dú)立懸架,穩(wěn)定桿側(cè)傾角剛度與車輪處的等效側(cè)傾角剛度的關(guān)系如下[4]:

    聯(lián)立式(4)(5)可得穩(wěn)定桿在車輪處的等效側(cè)傾角剛度3為:

    2 仿真分析

    在設(shè)計(jì)巴哈賽車懸架系統(tǒng)的過程中,輪距是根據(jù)整車布置提前確定的,穩(wěn)定桿長(zhǎng)由車架的結(jié)構(gòu)確定,穩(wěn)定桿與穩(wěn)定桿臂的夾角受限于斜置單縱臂的斜置角,因此,在設(shè)計(jì)過程中主要的設(shè)計(jì)參數(shù)是穩(wěn)定桿的直徑和穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng) 度。

    建立車輪處等效側(cè)傾角剛度與直徑以及穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度的關(guān)系式3=()、3=(),在Matlab中搭建模型,進(jìn)行仿真分析,根據(jù)后懸架系統(tǒng)的布置,傳遞比在0.15~0.25為宜。在此范圍內(nèi)取五組進(jìn)行仿真分析,傳遞比分別為0.15,0.175,0.2,0.225,0.25。得到等效側(cè)傾角剛度在五種傳遞比時(shí)與穩(wěn)定桿直徑、穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度的關(guān)系曲線,如圖3和圖4所示。

    圖3 等效側(cè)傾角剛度與穩(wěn)定桿直徑的關(guān)系曲線

    圖4 等效側(cè)傾角剛度與穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度的關(guān)系曲線

    通過仿真結(jié)果可以看出,較小的穩(wěn)定桿直徑和穩(wěn)定桿臂長(zhǎng)度即可提供高達(dá)700 Nm/°的側(cè)傾角剛度。傳遞比的變化對(duì)等效側(cè)傾角剛度的影響相對(duì)均勻,橫向穩(wěn)定桿在車輪處的等效側(cè)傾角剛度隨著穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度的增加而趨于平穩(wěn),隨穩(wěn)定桿直徑的增加而急劇增加。

    3 橫向穩(wěn)定桿的研制

    根據(jù)仿真結(jié)果確定橫向穩(wěn)定桿的尺寸、材料、安裝形 式[5],與橫向穩(wěn)定桿裝置相關(guān)的主要部件包括穩(wěn)定桿、穩(wěn)定桿臂、調(diào)節(jié)螺桿、魚眼軸承、后懸架擺臂等。在CATIA中建立出懸架系統(tǒng)與橫向穩(wěn)定桿的三維模型,如圖5所示。

    圖5 橫向穩(wěn)定桿三維模型圖

    加工制造出橫向穩(wěn)定桿的相關(guān)部件,在巴哈賽車上實(shí)現(xiàn)裝配,橫向穩(wěn)定桿實(shí)物如圖6所示。在穩(wěn)定桿臂上設(shè)置4個(gè)安裝孔,通過不同的安裝位置來改變穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度,確定不同的側(cè)傾角剛度。

    圖6 橫向穩(wěn)定桿實(shí)物圖

    4 實(shí)車測(cè)試

    為了驗(yàn)證橫向穩(wěn)定桿所提供的抗側(cè)傾能力以及不同安裝位置下橫向穩(wěn)定桿所能提供的側(cè)傾角剛度,對(duì)賽車分別進(jìn)行了不安裝橫向穩(wěn)定桿和4種安裝方式下的實(shí)車跑動(dòng)測(cè)試,共獲得5組數(shù)據(jù)。

    反映橫向穩(wěn)定桿的抗側(cè)傾能力最直觀的數(shù)據(jù)是整車的側(cè)傾角,但由于賽車的側(cè)傾角難以獲取,因此利用線位移傳感器測(cè)試轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)減振器的壓縮量,通過壓縮量間接地計(jì)算出側(cè)傾角,從而體現(xiàn)出抗側(cè)傾能力。

    測(cè)試工況為賽車在25 km/h的速度下繞著半徑為10 m的圓做圓周運(yùn)動(dòng),測(cè)試時(shí)間為60 s,設(shè)置線位移傳感器每 0.1 s進(jìn)行一次計(jì)數(shù),一組數(shù)據(jù)共包含600個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)車測(cè)試如圖7所示。

    通過實(shí)車測(cè)試得到五組數(shù)據(jù),在Matlab中將散點(diǎn)擬合成5條曲線,減振器壓縮量-時(shí)間曲線如圖8所示。圖8中從上至下五條曲線分別為在無橫穩(wěn)桿、安裝在第一孔、第二孔、第三孔、第四孔下的減振器的壓縮量。分析曲線可知,橫向穩(wěn)定桿明顯能夠提高整車的側(cè)傾角剛度,減小減振器的壓縮量。隨著橫向穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度的增加,穩(wěn)定桿能提供的側(cè)傾角剛度逐漸提高,抗側(cè)傾性能逐漸增強(qiáng)。

    圖7 實(shí)車測(cè)試圖

    圖8 減振器壓縮量-時(shí)間曲線

    5 結(jié)論

    本文介紹了巴哈賽車橫向穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證過程,建立了橫向穩(wěn)定桿的數(shù)學(xué)模型,并在Matlab中對(duì)橫向穩(wěn)定桿的主要參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析,得出了穩(wěn)定桿主要參數(shù)對(duì)穩(wěn)定桿等效側(cè)傾叫剛度的影響規(guī)律。對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行了實(shí)車跑動(dòng)測(cè)試,利用線位移傳感器采集跑動(dòng)過程中的減振器壓縮量的變化,間接地測(cè)出賽車的抗側(cè)傾能力,并驗(yàn)證出設(shè)計(jì)的該橫向穩(wěn)定桿具有較好的抗側(cè)傾性能,能提供較高的側(cè)傾角剛度,并能通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定桿臂的長(zhǎng)度來提供不同的側(cè)傾角剛度。該穩(wěn)定桿尺寸小,布置方便,便于安裝,具有較好的抗側(cè)傾性能,與巴哈賽車的結(jié)構(gòu)與底盤特性匹配得較好。

    [1]余志生.汽車?yán)碚摚跰].6版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2018.

    [2]石柏軍,劉德輝,李真炎.汽車橫向穩(wěn)定桿的參數(shù)化分析及優(yōu)化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,44(6):98-104,112.

    [3]周長(zhǎng)城,趙雷雷.車輛懸架彈性力學(xué)解析計(jì)算理論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

    [4]王霄鋒.汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.

    [5]過學(xué)迅.汽車設(shè)計(jì)[M].2版.北京:人民交通出版社,2013.

    U463.33

    A

    10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.003

    2095-6835(2020)08-0005-03

    侯小舸(1999—),男,本科在讀。

    〔編輯:嚴(yán)麗琴〕

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