基于比赛工况下的新型全地形巴哈赛车悬架设计

吴晶涛 汪子睿 张楠欣 阮观强

摘 要：本文介绍了一款基于恶劣的越野场地下的悬架设计基本思路与流程。根据设计高通过性的车辆的需求，结合整车设计要求，初步确定悬架参数。选择悬架基本类型，进行Adams运动仿真，满足设定性能参数，确定悬架硬点。建立悬架零部件的概念模型，Adams运动仿真检查悬架运动间隙检查。根据悬架概念设计结构，建立Adams弹性运动学模型，并设定目标，调整各铰接点衬套刚度来满足设计目标，确定各铰接点的衬套。加载工况，分解各零部件受力、对零部件进行有限元受力分析，对零部件结构进行优化，根据悬架设定目标，计算稳定杆刚度和减振器阻尼，确定弹簧、稳定杆和减振器的设计参数。样车制造，进行悬架主客观评价并调校。

关键词：悬架设计;开发流程;机械动态仿真

中图分类号：U463.1文献标识码：B

Abstract：This article introduces the basic idea and process of a suspension design based on the harsh off-road field underground.According to the requirement of the vehicle with high throughput and the design requirement of the whole vehicle，the suspension parameters are preliminarily determined.Select the basic type of suspension，carry out Adams motion simulation，meet the set performance parameters，determine the hard point of suspension.The conceptual model of suspension components is established，and the motion clearance of suspension is checked by Adams motion simulation.According to the suspension conceptual design structure，the Adams elastic kinematics model is established，and the target is set.The stiffness of each hinge bushing is adjusted to meet the design target，and the bushing of each hinge point is determined.Loading conditions，decompose the force of each component，carry out finite element analysis of the components，optimize the structure of the components，calculate the stiffness of the stabilizing rod and the damper according to the suspension setting target，and determine the design parameters of the spring，the stabilizing rod and the damper.Sample car manufacturing，subjective and objective evaluation and adjustment of suspension.

Key words：suspension design;development process;Mechanical Dynamic Simulation

1 緒论

悬架是汽车上非常重要的构件，它把车轮与车身弹性的连接起来，其基本组成部分有弹簧、减震器与导向机构。弹簧主要作用是缓冲路面给轮胎再传递给车身的冲力（颠簸）。但是由于弹簧当受到外载荷时弹簧收缩变形，储存变形能，弹簧会波动较长时间，反而会产生不适感，而且会使得车辆重心高度不断变化，不利于车辆行驶安全，所以引入减震器。导向机构传递车身与车轮之间的力矩和力，以此保证车辆的平顺行驶。在设计悬架时，需要注意或确保以下几个要求：

（1）通过合理设计悬架的弹性特性和阻尼特性，保证车辆行驶平稳，不仅振动频率低，振动加速度值小，阻尼性能合适，而且可以避免悬架再压缩或拉伸达到行程极限点的冲击，也要保证轮胎有足够的接地力。（2）合理的设计导向机构，确保车轮与车架或车身之间的所有力和力矩的可靠传递，保证车轮运行时车轮定位参数变化不太大，能满足车辆良好操纵性的要求。（3）转向机构的运动应与转向杆系统的运动相协调，避免运动干涉，以免引起方向盘振动。（4）倾斜中心和垂直侧中心合适，转弯时有防倾斜能力，刹车加速时能保证车身的稳定，避免刹车加速时车身倾斜。（5）悬挂结构的质量应较小，特别是非簧载部分的质量应尽可能小。（6）所有部件应有足够的强度和使用寿命。（7）考虑到乘员和其他道路使用者的被动安全的运动特性。（8）制造成本低，维修保养方便。

目前市场上主流的悬架形式多为麦弗逊、扭力梁。这些悬架都不能够很好的承受纵向力，所以无法应对复杂地形。多连杆悬架虽然能够承受多个力，但因其设计困难，成本高昂、维修困难，所以需要一种结构简单又能够充分适应复杂的越野地表环境。

双叉臂悬架主要有双A臂、三球铰双叉等几种类型，摆臂分为上下两个“A”形臂，内侧四个衬套，外侧两个球铰与转向节/轮节连接或是上摆臂为“A”形臂，下摆臂分体，两根摆臂虚铰，内侧四个衬套，外侧三个球铰与转向节/轮节连接，这样的结构可以有轮外倾特性佳、柔度权重低、杠杆比较高、力与力矩分布均匀等优点。

2 悬架设计及开发

2.1 设定悬架各基本目标参数

（1）悬架偏频的选取。悬架偏频指的是簧载质量的振动频率，赛车偏频的选取与悬架刚度有着直接关系，应该在汽车设计初期就确定。偏频高，则悬架硬，控制整车重心，操控性好：偏频低，则悬架软，缓冲路面冲击，接地性强，平顺性好。在确定悬架偏频时，前高后低可以保证一定的性能;前低后高是基于平顺性的考虑。汽车偏频的选取前后悬架不宜一致，以避免共振。根据以往经验，确定车辆前悬偏频为2.8Hz，后悬偏频为2.0Hz。

（2）乘适刚度。自然振动频率的公式如下：

（4）非簧载质量。一辆汽车的质量是由不同类型的弹簧（螺旋弹簧，空气弹簧等）支撑的，简单来说，弹簧支撑的质量称为簧上质量，弹簧以下或者说支撑弹簧的质量称为簧下质量。汽车的大部分质量比如底盘、动力系统、车身等都是簧上质量，轮毂、轮胎、制动器等是簧下质量。而一些零部件一端连接车轮，另一端连接车身、底盘等簧上质量（如减震器，连杆，驱动轴）等，一般情况下将它们的一半质量算做簧下质量。簧下质量较大的模型响应速度明显更快，这意味着轮胎的抓地能力（grip or bump following ability）更强。更强的抓地能力意味着更好的操控性能，簧下质量小的模型，其簧上质量的瞬态冲击响应也相对小。降低簧下质量不但可以提升轮胎的贴地/抓地能力，而且可以降低悬挂的动作幅度，使车身（簧上质量）动作更加从容。更小的簧下质量会让底盘调校有更大的空间。不过相比于簧上质量，降低簧下质量在工程上要艰难得多。在满足功能和强度的条件下，通常的办法是采用轻量化的材料，比如铝合金，镁合金，碳纤维等。车辆轴距对整车质量、传动轴夹角、轴荷、纵向通过半径和汽车最小转向半径等有影响，不能过大也不能过小。

（5）侧向载荷转移分布。结合侧倾梯度的定义可得前后轴的侧倾力矩：

由式（17）可计算出横向稳定杆刚度，根据横向稳定杆的几何结构，根据材料力学理论，可以计算出横向稳定杆的直径。

2.2 选择悬架类型并确定硬点位置

根据各种悬架结构优缺点及悬架运动学特性，选定双横臂悬架结构作为车辆基本悬架结构，且上下A臂均为双球头连接以确保其灵活性。双横臂悬架能够灵活调整控制臂长度与角度及空间导向杆系连接点的位置，使得悬架能够拥有更加合适的运动特性。接下来以前悬架为例说明悬架设计基本流程。

根据车身结构，笔者初步确定前悬架的硬点位置，建立Adams运动仿真测试，如图1所示。

通过Adams，设置车辆悬架参数、载荷参数等，然后进行动画控制，进行后处理测试，把仿真结果与设定的参数目标进行对比，然后对硬点位置进行调整，使得仿真结果与目标参数相契合。

前束角通常分为正前束角与负前束角，从车辆上方看车轮前端小于后端即为负前束角，反之即为正前束角。负前束角有利于车辆直线行驶下的稳定性。以下图2（四张图）分别为为前束角与悬架行程图、倾侧中心高度随轮跳变化曲线、主销内倾角随轮跳变化曲线、车轮外倾角随轮跳变化曲线。轮跳变化曲线。

2.3 悬架零部件概念设计

在这个阶段，需要设计上下臂的结构设计包括与车架和立柱的连接部分。同时还要考虑零部件材料与加工材料。衬套刚度确定以后，根据受力工况在Adams弹性运动学模式上进行加载来获得各种工作工况下的零件受力情况，然后进行有限元受力分析，从而优化零部件细节设计。

2.4 悬架调校，最终确定悬架目标值与参数

对整车进行客观评价试验，根据评价结果（主要是减震器、稳定杆、车轮定位参数）调整悬架参数，然后进行零部件设计并调整，重新进行试验，最終达到了目标评价的主要目标。

3 悬架设计流程归纳

阶段一：确定设计车型悬架的基本参数目标，结合整车设计要求，初步确定悬架参数。

阶段二：选择悬架基本类型，进行Adams运动仿真，满足设定性能参数，确定悬架硬点。

阶段三：建立悬架零部件的概念模型，Adams运动仿真检查悬架运动间隙检查。

阶段四：根据悬架概念设计结构，建立Adams弹性运动学模型，并设定目标，调整各铰接点衬套刚度来满足设计目标，确定各铰接点的衬套。加载工况，分解各零部件受力、对零部件进行有限元受力分析，对零部件结构进行优化，根据悬架设定目标，计算稳定杆刚度和减振器阻尼，确定弹簧、稳定杆和减振器的设计参数。

阶段五：样车制造，进行悬架主客观评价并调校。

4 结语

本文详细讲述了悬架设计从初期开始的各个流程并最终得出了能够应用于比赛工况下的赛车悬架，并且具有高通过性以及优越的性能。

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作者简介：吴晶涛（2000— ），男，汉族，上海人，本科，研究方向：汽车设计与制造方向;阮观强（1975— ），男，汉族，河南正阳人，副教授，机械实验室主任，研究方向：汽车电子控制技术;汪子睿（2000— ），男，汉族，绥化人，本科，研究方向：汽车设计与制造方向;张楠欣（2000— ），女，汉族，四川绵阳人，本科，研究方向：机电一体化方向。