巴哈赛车横向稳定杆的设计与性能验证

侯小舸，杨云珍，王琦

巴哈赛车横向稳定杆的设计与性能验证

侯小舸，杨云珍，王琦

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

设计了一套匹配巴哈赛车底盘特性的横向稳定杆，通过提高悬架系统的侧倾角刚度提高整车的抗侧倾能力，从而增强赛车的横向稳定性。建立横向稳定杆的数学模型；分析稳定杆的各参数对横向稳定杆所能提供的侧倾角刚度的影响；对悬架系统进行仿真分析，得出横向稳定杆的特性曲线；并进行实车的稳态回转试验与跑动测试，进一步验证了横向稳定杆的抗侧倾性能。

横向稳定杆；巴哈赛车；悬架；侧倾角刚度

大学生巴哈赛车是一种发动机中置、后驱的小型全地形车，具有独特的防滚架结构和与之相匹配的斜置单纵臂后悬架系统，独特的悬架布置导致其在高速入弯时，会产生较大的侧倾和横向振动，导致轮胎侧偏严重，影响赛车的操控稳定性及平顺性[1]。因此设计出一款匹配巴哈赛车底盘布置的横向稳定系统，建立出横向稳定杆的理论模型；并对悬架系统进行运动仿真分析；最后通过实车跑动测试，更为真实地验证了横向稳定杆的性能。

1 建立横向稳定杆的数学模型

1.1 横向稳定杆的布置

横向稳定杆的布置如图1所示。

图1 横向稳定杆的布置示意图

当整车发生侧倾时，一侧轮胎相对于车架有一段垂向位移量∆1，车轮处的跳动量传递到稳定杆臂末端的跳动量为∆2，设∆2与∆1的比值为横向稳定杆的传动比，两轮间距为。稳定杆的抗侧倾性能的评价指标并不是稳定杆自身的侧倾角刚度，而是稳定杆传递到车轮处的等效侧倾角刚度。

1.2 横向稳定杆侧倾刚度的计算

设稳定杆长度为，稳定杆臂的长度为，稳定杆直径为，稳定杆与稳定杆臂的夹角为，稳定杆臂末端端点的距离为，稳定杆与稳定杆臂通过螺栓连接，稳定杆上有两处橡胶衬套用以固定稳定杆。根据受力分析，忽略橡胶衬套的变形，忽略稳定杆在弯矩作用下的微小角位移[2]。

横向稳定杆如图2所示。

图2 横向稳定杆的简化图

稳定杆的扭转角刚度1为：

式（1）中：为稳定杆的剪弹性模量[3]；p为稳定杆横截面的极惯性矩。

稳定杆的侧倾角刚度2为：

式（2）中：1为稳定杆臂端部所受到的垂向力。

稳定杆的扭转角刚度还可以表示如下：

联立式（1）（2）（3）可得，横向稳定杆的侧倾角刚度2为：

对于独立悬架，稳定杆侧倾角刚度与车轮处的等效侧倾角刚度的关系如下[4]：

联立式（4）（5）可得稳定杆在车轮处的等效侧倾角刚度3为：

2 仿真分析

在设计巴哈赛车悬架系统的过程中，轮距是根据整车布置提前确定的，稳定杆长由车架的结构确定，稳定杆与稳定杆臂的夹角受限于斜置单纵臂的斜置角，因此，在设计过程中主要的设计参数是稳定杆的直径和稳定杆臂的长 度。

建立车轮处等效侧倾角刚度与直径以及稳定杆臂长度的关系式3=（）、3=（），在Matlab中搭建模型，进行仿真分析，根据后悬架系统的布置，传递比在0.15～0.25为宜。在此范围内取五组进行仿真分析，传递比分别为0.15，0.175，0.2，0.225，0.25。得到等效侧倾角刚度在五种传递比时与稳定杆直径、稳定杆臂长度的关系曲线，如图3和图4所示。

图3 等效侧倾角刚度与稳定杆直径的关系曲线

图4 等效侧倾角刚度与稳定杆臂长度的关系曲线

通过仿真结果可以看出，较小的稳定杆直径和稳定杆臂长度即可提供高达700 Nm/°的侧倾角刚度。传递比的变化对等效侧倾角刚度的影响相对均匀，横向稳定杆在车轮处的等效侧倾角刚度随着稳定杆臂的长度的增加而趋于平稳，随稳定杆直径的增加而急剧增加。

3 横向稳定杆的研制

根据仿真结果确定横向稳定杆的尺寸、材料、安装形 式[5]，与横向稳定杆装置相关的主要部件包括稳定杆、稳定杆臂、调节螺杆、鱼眼轴承、后悬架摆臂等。在CATIA中建立出悬架系统与横向稳定杆的三维模型，如图5所示。

图5 横向稳定杆三维模型图

加工制造出横向稳定杆的相关部件，在巴哈赛车上实现装配，横向稳定杆实物如图6所示。在稳定杆臂上设置4个安装孔，通过不同的安装位置来改变稳定杆臂的长度，确定不同的侧倾角刚度。

图6 横向稳定杆实物图

4 实车测试

为了验证横向稳定杆所提供的抗侧倾能力以及不同安装位置下横向稳定杆所能提供的侧倾角刚度，对赛车分别进行了不安装横向稳定杆和4种安装方式下的实车跑动测试，共获得5组数据。

反映横向稳定杆的抗侧倾能力最直观的数据是整车的侧倾角，但由于赛车的侧倾角难以获取，因此利用线位移传感器测试转弯时外侧减振器的压缩量，通过压缩量间接地计算出侧倾角，从而体现出抗侧倾能力。

测试工况为赛车在25 km/h的速度下绕着半径为10 m的圆做圆周运动，测试时间为60 s，设置线位移传感器每 0.1 s进行一次计数，一组数据共包含600个数据。实车测试如图7所示。

通过实车测试得到五组数据，在Matlab中将散点拟合成5条曲线，减振器压缩量-时间曲线如图8所示。图8中从上至下五条曲线分别为在无横稳杆、安装在第一孔、第二孔、第三孔、第四孔下的减振器的压缩量。分析曲线可知，横向稳定杆明显能够提高整车的侧倾角刚度，减小减振器的压缩量。随着横向稳定杆臂的长度的增加，稳定杆能提供的侧倾角刚度逐渐提高，抗侧倾性能逐渐增强。

图7 实车测试图

图8 减振器压缩量-时间曲线

5 结论

本文介绍了巴哈赛车横向稳定杆的设计与性能验证过程，建立了横向稳定杆的数学模型，并在Matlab中对横向稳定杆的主要参数之间的关系进行了仿真分析，得出了稳定杆主要参数对稳定杆等效侧倾叫刚度的影响规律。对横向稳定杆进行了实车跑动测试，利用线位移传感器采集跑动过程中的减振器压缩量的变化，间接地测出赛车的抗侧倾能力，并验证出设计的该横向稳定杆具有较好的抗侧倾性能，能提供较高的侧倾角刚度，并能通过调节稳定杆臂的长度来提供不同的侧倾角刚度。该稳定杆尺寸小，布置方便，便于安装，具有较好的抗侧倾性能，与巴哈赛车的结构与底盘特性匹配得较好。

［1］余志生.汽车理论［M］.6版.北京：机械工业出版社，2018.

［2］石柏军，刘德辉，李真炎.汽车横向稳定杆的参数化分析及优化［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2016，44（6）：98-104，112.

［3］周长城，赵雷雷.车辆悬架弹性力学解析计算理论［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［4］王霄锋.汽车悬架和转向系统设计［M］.北京：清华大学出版社，2015.

［5］过学迅.汽车设计［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，本科在读。

〔编辑：严丽琴〕