大学生赛车悬架机构设计及优化

罗钰琳 任峰 李龙海

长春师范大学 吉林省长春市 130032

1 研究现状

1886，卡尔·本茨制造了第一辆汽车，当时采用的是钢板弹簧，随着1763年螺旋弹簧的诞生，它开始应用到汽车上了。随着时代的发展，一位叫麦弗逊的工程师把减震器和螺旋弹簧组合在一起了，这也就创造出了如今的独立悬架[1-2]。对于汽车悬架有着大量的研究成果。约森.赖姆佩尔在悬架弹性元件方面做了深入的研究，他也做过很好的阐述[3]。在设计过程中仿真是必不可少也是非常重要的一步，国内的贾现召把三维模型与力学研究做了一个很好的连接，有着两者之间的数据可以交互的方法[4-5]。在2014年，太原理工大学晋翔车队就放弃了主流的双叉臂悬架而创新出一种多连杆悬架，这为其他高校提供了一种新型悬架的研究方案。

2 设计流程

2.1 悬架结构形式的选择

悬架的结构形式可以分为两种形式，一种是独立悬架，另一种是非独立悬架。非独立悬架是一根车桥连接着两个车轮，如果采用这种形式，赛车在高速行驶下会不稳定[6]。随着科学技术的发展和人们生活的需要，汽车的行驶速度在不断的提高，独立悬架更能满足赛车所需要的性能，独立悬架是采用中间断开的车桥的形式，在其两侧分别连接着车轮，它的特点是一侧车轮发生跳动不会影响另一侧车轮的运动状态，即两侧车轮互不影响独立悬架按功能可按图示分类，在设计、加工、安装、调试等方面综合考虑之后，我们发现双横臂式独立悬架比其它形式的悬架更优。实际上，在大学生方程式赛车大赛中各车队也是青睐于双横臂式独立悬架这种悬架形式。初步确定整车的基本参数为：轴距1650mm，前轮距1320mm，后轮距1280mm，整备质量325kg，前后轴荷分配比45/55。

2.2 前后悬架偏频的选择

偏频是影响赛车平顺性的一个重要参数[7]。前后悬架的计算公式（2-1）如下

式中：K1、K2——赛车前、后悬架的刚度（N/cm）

m1、m2——赛车前、后悬架的簧载、上质量（kg）

我们初步定为前悬架偏频n1=2.5Hz，n2=2.8Hz

2.3 选定四轮定位参数的大小

四轮定位参数是确保在转向系统能正常工作的情况下还能使车轮具有自动回正功能。通过计算我们确定四轮的定位参数如下：前悬架的主销后倾角1.6°，前悬架的主销内倾角2.4°，前悬架的车轮外倾角-1.3°，前悬架的车轮前束1.1°，后悬架的主销后倾角0°，后悬架的主销内倾角0°，后悬架的车轮外倾角-1.3°，后悬架的车轮前束0°。

图1 分类图

2.4 悬架刚度计算

悬架侧倾角刚度是指车身倾斜单位角度所需要的侧倾力矩，其计算公式（2-2）如下

式中：K1为悬架的线刚度（N/mm）

B1为赛车轮距（mm）

悬架侧倾角刚度太大会降低赛车的平顺性，过小则会导致悬架太硬，影响驾驶员的舒适感，在1g的侧向加速度下，车身倾角应该控制在1°到2°。

2.5 前后悬架的导向机构的设计

对于双横臂式独立悬架，车轮上下跳动会对其定位参数有一定影响，当上下车轮跳动时，如果设计的轮距过大会加剧了轮胎的磨损，从而增加了制造成本，为了提高轮胎的使用寿命，我们尽可能的把轮距的变化控制在较小的范围内，经计算后最终确定上下横臂的长度比值在0.66左右。

2.6 弹性元件和减震器的选择

减震器阻尼的计算公式（2-3）如下

式中：ms为簧载质量，n为偏频，Φ为阻尼系数。

为了满足对赛车平顺性的要求，我们计算得到了以下数据，压缩行程和伸张行程的阻尼系数分别为0.2和0.4。前悬架的压缩阻尼系数为416.2Ns/m，前悬架的回弹阻尼系数为912.9Ns/m，后悬架的压缩阻尼系数为486.7Ns/m，后悬架的回弹阻尼系数为837.4Ns/m。由以上数据参考选型减震器的型号，两个减震器为左右对称布置[3]。

3 建模优化

3.1 立柱的建模

由于前立柱需要转向，所以前立柱与后立柱的结构有所不同，主要体现在前立柱下部分有个与转向相连的耳件，后立柱下端耳件需要安装固定杆。前立柱上端两个孔是与耳件转配，再通过耳件与上横臂连接，前立柱下端直接连接着下横臂，用于转向作用[3]。后立柱的上端和下端都留有两个安装孔，是用来装配耳件的，耳件与横臂是通过螺栓螺母以及垫片组合栓接的。立柱侧面有个两个与卡钳装配的安装孔，立柱中间掏空部分需要安装轴承和挡圈，之后再安装轮芯。秉着轻量化原则和提高整车速度，我们通过ANSYS分析对立柱受力较小的区域进行挖空处理。从而减少材料和成本。立柱三维图如图2，图3所示：

图2 前立柱

图3 后立柱

3.2 横臂的建模

横臂是连接车轮与车架的元件，横臂是通过耳件连接在立柱上，从而间接连接车轮。其三维图如图4所示：

图4 横臂

3.3 摇臂的建模

我们设计的前摇臂是由两片组成，有四个安装孔。后摇臂是由三个片状组成，其上有着四个安装孔。四个安装孔的几何关系可由计算出的传递比基本确定下来，从而确定了摇臂的几何形状。其三维图如图5，图6所示：

3.4 总装配

首先我们考虑整车必须左右对称，其误差越小对整车的性能越好。我们先固定车架，在装配台上划出整车的中心轴线，再利用整车最前管中心、整车最后管中心以及主环中心点对齐装配台的中心轴线，固定好车架。之后考虑四轮定位，按照装配设计图的尺寸固定好四轮的立柱，紧接着就安装立柱上的耳件，在耳上安上各部位的a臂杆，再找a臂杆与车架的交点，如果和设计有误差加以改进，之后再安装鱼眼轴承，锥垫以及扇形片，采取焊接的方法与把扇形片与车架连接。完成后把推杆的一端通过扇形片焊接在a臂杆的下端，另一段连接在摇臂上，摇臂的一端通过扇形片焊接在车架上，第三端连接减震器上，减震器的另一端再通过扇形片焊接在车架上。再完成轮芯和立柱的装配，之后再安装上轮胎。

图5 前悬架摇臂

图6 后悬架摇臂

4 结语

悬架作为整车的重要组成部分之一，其设计的优化程度对于整车性能有着重大的影响。悬架作为连接车轮和车架的组成，其作用是传递两者之间的力和力矩并缓和地面带给车架的冲击，从而提高车辆的平顺性。至今为止，虽然有着大量的关于悬架的研究和成果，但进一步提高悬架结构设计优化水平将会有力的推动汽车行业的发展。