基于FSAE赛车后轮轮跳转向优化

杨伟 刘飞龙 曹秀娟

内容摘要：FSAE赛车在高速行驶过程中，由于赛道弯较多且半径变化较大，所以这就对赛车的过弯操纵性提出了很高的要求。在FSAE赛车开发过程中，悬架的开发至关重要，其中后轮由于载荷较大，且是驱动力，所以对于后轮定位参数的设计和保证参数的变化率小就显得尤为重要，而在过弯过程中，车身的侧倾使得左右轮胎的位移较大，但由于束角对于赛车过弯特性起着很大的作用，因此就要求束角的变化要尽可能小。本文便提出了一种轮跳转向的优化方案。

关键词：FSAE；轮跳转向；束角；优化设计；Optimum kinematics

一、研究背景：

随着汽车行业的发展，人们对普通汽车“以车代步”的功能也不再满足，随

着各种各样的赛车的相继出现，满足了人们对“高速度”的追求。随之出现的赛

车比赛越来越受到人们的欢迎。当然，在全世界也掀起了对赛车比赛的追求得狂

潮的同时，赛事也慢慢地从社会进入到校园中。在1979年，由美国汽车工程师协会举办的一项大学生方程式赛车（简称 FSAE 赛车）比赛，把赛车比赛正式地引进了校园，学生可以全程地参与赛车比赛，能够充分地了解汽车从设计、制作到营销的全过程。近些年世界上多个国家开展了此项比赛，目前举办赛事的国家有美、英、德、日等国家。在2008年，我国也有一些院校参加其他国家的 FSAE 赛车比赛。同时，在2010年我国举办了首届中国大学生方程式汽车（FSAE）赛事，使更多的中国高校参与此项比赛。参赛高校组织车队构想、设计、制造一辆小型方程式赛车并参加比赛，借以培养及训练车辆工程研发设计人才。为了达到赛事目的，假定参赛的车队是为一家公司设计、制造、测试并展示一辆休闲赛车，因此赛车应该能够在加速、制动和操控性能等方面有很好的表现，并且能足够稳定耐久，能够顺利完成规则中所有的项目，顺利参加中国 FSAE 赛车比赛。对车队来说，其挑战在于开发一辆能最大程度满足中国FSAE赛车的设计目标且具有市场前景的样品车[1]。

二、悬架结构参数设计

1、后悬轮胎定位参数

基于往年赛事的经验和参考推荐范围确定如下轮胎定位参数。

2、后悬结构

因为FSAE赛车对于操纵性和稳定性提出了较高的要求，因此我们采用了运动性能和受力较好的双横臂的结构（图1），横臂采用4130无缝钢管制成。

3、轮胎参数

4、建立硬点坐标

5、建立模型

三、仿真优化

1、运动学仿真

运动学仿真采用Optimum Kinematics仿真软件仿真，该软件是专门用于悬架运动学仿真的软件，具有简便、仿真结果丰富、仿真工况多、结果导出和分析方便等优点。

2、仿真参数

依据赛事规则和FSAE赛车的动力学特性，确定前轮距为1220mm，后轮距1170mm，轴距为1550mm，为保证赛车在2G侧向加速度时有较好的姿态，设计确定悬架侧倾角刚度，保证赛车的侧倾增益为1.5°/G，最后确定了3°的车身侧倾角。

4、仿真结果分析

通过仿真结果可以看出，后轮轮胎转向范围非常大，不符合设计要求，原因如下：

束杆的理论位置应该是使得束杆的瞬心和上下横臂的瞬心重合，这样车轮在跳动过程中相当于绕其瞬心转动，便不会出现束角的变化，但是实际情况下横臂的瞬心是随着轮胎的跳動而不断变化的，而束杆的瞬心也在不断的变化，这样就不能保证任何时候束杆和横臂的瞬心交与一点，因此在轮胎发生跳动的时候也就会发生转向，且瞬心距离差距越大，轮胎束角变化越剧烈。

5、改进方案：将束杆移至下后横臂处，并使得束杆与横臂在同一平面，且两杆互相平行，这样就能保证束杆的瞬心和上下横臂的瞬心在轮胎上下跳动时一直处于同一点，虽然瞬心也会在轮胎跳动过程中不断变化，但在不考虑其他因素的情况下能够有效抑制轮胎转向。

6、修改悬架结构

修改后的悬架结构如图二

7、修改后的悬架坐标

8、优化结果

9、结果分析

通过仿真的结果可以看出，优化后的束角变化率在理想范围内，较优化前有了明显的改善，该结果符合设计要求。

三、结论

通过对束杆的布局的优化设计，提供仿真结果可以看出，优化后的后轮轮跳转向得到了有效控制，变化范围只有，完全符合设计要求，理想的束角变化率保证的赛车在高速行驶时的稳定性和抓地力，有效提高了整车的操纵性和单圈圈速。

参考文献

[1]李嫚.FSAE赛车悬架的优化设计及分析[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文，2011：1-1.

课题项目：一种计及瞬态振动MAP图的混合动力车辆转速转矩最优分配控制策略编号：201810299201H

作者简介：杨伟（1997.10）男，四川德阳人，本科，研究方向：汽车底盘