巴哈越野赛车悬挂转向系统结构优化设计

段立山 刘勇进

【摘 要】根据赛道对巴哈赛车的要求，利用CATIA中三维模型的硬点坐标，进入Adams/Car模块建立动力学模型，对赛车双横臂悬挂的多体动力学模型进行特性分析。通过给定的位移和力的条件，获得悬架在两种特定条件下的运动规律和运动特性，研究悬架的相关设计参数变化规律，探讨悬挂、转向系统硬点位置的合理性，通过前束值的优化设计来说明，对于越野赛车悬架的结构及性能优化工作具有一定的参考意义。

【关键词】越野赛车;悬挂;转向系统;Adams/Car特性分析;结构优化

中图分类号： U463.32 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）04-0030-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.012

0 引言

中国大学生巴哈大赛（Baja SAE China），简称 BSC大赛，是由中国汽车工程学会主办的大学生小型越野车竞赛。BSC大赛要求各参赛车队在规定时间内，使用同一型号发动机，设计制造一辆单座、发动机中置、后驱的小型越野车，参加包括多种静态与动态项目测试。静态项目包括技术检查、赛车设计、成本与制造、商业营销等，动态项目包括牵引力测试、爬坡测试、直线加速测试、耐力测试等。在赛车的动态比赛项目中，车轮正确的定位参数显得尤为重要，作用是保持汽车直线行驶的稳定性，保证汽车转弯时转向轻便，且使转向轮自动回正，减少轮胎的磨损等，以前轮前束为例，作为后轮驱动的巴哈赛车，路表面的前轮摩擦使汽车在行驶时车轮趋向负前束的位置，所以在车辆处于停放时将前轮调节为小的前束。众所周之，汽车在行驶过程中出现过大的前束导致车轮轮胎磨损加剧并导致轮胎失效、撞车等事故，因此，控制赛车在行驶跳动过程中前束变化的范围是非常有必要的。

1 悬挂、转向系统设计

悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统（车架或承载式车身）之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减震动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关装置的总成。转向系是通过对左、右转向车轮不同转角之间的合理匹配来保证汽车能沿着设想的轨迹运动的机构。它是由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。巴哈赛车根据大赛规则并结合赛道要求，运用汽车设计相关知识进行理论设计，确定轮胎规格25×12×8英寸，滚动半径303.1mm，静力半径298.1mm，前轮距1250mm，后轮距1200mm，轴距1410mm，前后轮均采用搭接式双A臂悬挂，齒轮齿条式转向机构，转向角为30度，通过计算并利用CAD辅助画图，采用轮跳法确定赛车悬挂、转向系统最终的硬点坐标，如图1所示。

2 比赛工况分析

BSC大赛动态项目包括牵引力测试、爬坡测试、直线加速测试、耐力测试等。其中耐力赛占主要成分，它要求赛车连续运行4小时，最终行驶圈数最多者获胜，耐力赛赛道有单驼峰、飞坡、炮弹坑、泥坑、双驼峰、轮胎阵、石块路等多种复杂障碍路况，赛车在遇到障碍物或路面不平会引起颠簸运动、加减速时引起的车身纵倾运动和转弯时引起的车身侧倾运动都会产生车轮的跳动。如果车辆的悬架结构设计不当，在车轮跳动时前轮定位参数的变化量可能很大，影响车辆行驶性能，出现转向沉重、轮胎偏磨等问题。

3 建立悬挂、转向系统三维模型并进行仿真分析

根据CATIA模型中悬挂、转向系统的硬点坐标，进入Adams/Car模块建立动力学模型，如图2所示。

构件间的连接为铰接连接，不考虑衬套等弹性元件、外界的力和力矩对悬架参数所造成的影响。借助 ADAMS/Car模块，对前悬架仿真模型做双轮同向激振仿真试验，根据悬架系统的动挠度和静挠度的设计，选择车轮上下跳动高度分为上跳110mm，下跳80mm，修改好弹簧刚度、弹簧预载等参数后，对前悬架进行运动学分析。如图3所示。

通过Post/Processor查看仿真后的结果，仿真实验时，前束值变化范围如图4所示，变化范围在-2.16°～1.16°之间，是不合理的变化规律，通过Adams中Insight模块对硬点坐标进行优化。

4 结构优化设计

进行前束角随车轮跳动量变化关系的优化，根据汽车知识可知，跳动过程中影响前束角变化的因素有很多，可以对转向拉杆硬点进行优化，将动力学模型中tierod_inner点及tierod_outer点作为设计变量，进行动力学模型的优化。

Insightm模块针对tierod_inner点进行8次优化，如图5所示，通过Insight优化结果可知，第二个坐标点为最佳坐标点。

将第二个坐标点测量结果作为新的硬点，进行第二次悬挂试验台仿真实验，如图6所示，得到新的前束角随车轮跳动量变化关系图，通过测量可知前束角的变化范围为-1.86°～0.79°明显缩小了前束角的变化范围。

用同样的方法进行tierod_outer点的优化，得到新的前束角随车轮跳动量变化关系图如图7所示，可以发现前束角的变化范围减小到了-1.58°～0.41°。

5 结论

综上所述，对悬挂利用Adams/car建模、使用Post/Processor、Insight模块的功能，可以有针对性的进行悬挂相关参数的设计，结果显示优化后的前轮前束角明显改善了悬架的运动学特性和赛车的操控稳定性，为巴哈赛车中悬挂、转向系统的设计提供了思路和参考。

【参考文献】

[1]中国汽车工程学会巴哈大赛规则（2018）[M].北京：中国汽车工程学会，2018.

[2]刘惟信.汽车设计.[M].北京：清华大学出版社，2001.7.

[3]陆润明.越野赛车双横臂悬架特性分析[J].2018.