陆润明，廖抒华，覃紫莹

(广西科技大学汽车与交通学院，广西柳州 545000)

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。这项赛事的动态项目包括牵引赛、绕桩、操控赛和耐力比赛等[1]，在这些比赛项目中，赛车的操纵稳定性显得尤为重要，悬架的设计对一辆赛车的整车操稳性能有着重要的影响。悬架是现代汽车上的一个重要总成，它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来。其主要任务是在车轮和车架(或车身)之间传递所有的力和力矩，缓和由路面不平传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，控制车轮的运动规律，以保证汽车具有需要的平顺性和操纵稳定性[2]。针对已设计的赛车前悬架进行K & C特性分析，并获取相关的运动仿真结果，以此分析悬架存在的问题，并为悬架优化提供依据。

1 多体动力学仿真模型的建立

巴哈赛车前悬架是双横臂独立悬架，拓扑结构如图1所示。

图1 巴哈赛车前悬架拓扑结构简图

从UG三维模型里面提取前悬架各硬点坐标，利用ADAMS/Car模块对赛车前悬架进行多体动力学仿真模型的建立，轮毂与转向节通过旋转副连接，转向节通过球铰副与转向横拉杆连接，减振器下滑柱通过万向副与悬架下摆臂连接，减振器上滑柱通过万向副与车身子系统连接，转向节通过轴套分别与上、下控制臂连接，上、下控制臂通过旋转副与车架连接，转向横拉杆通过等速副与转向子系统连接[5]，所建前悬架多体动力学模型如图2所示。

图2 巴哈赛车前悬架多体动力学模型

2 赛车双横臂悬架K特性分析

悬架的C特性即悬架的运动学特性，悬架的K特性主要是考虑悬架相关参数与车轮运动的关系[3]。各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[4]，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别为上跳100 mm，下跳100 mm，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。

赛车行驶时，零前束是最希望看到的。合理的前束设计可以减轻由车轮外倾所引起的转动并减少轮胎的磨损。前束值的取值一般在零的前后，这样有利于赛车经过各种复杂路面时还能保持良好的行驶稳定性。巴哈赛车是中置后驱的小型越野车，前轮作为从动轮，在前轮上作用有向后的力，这种力使转向杆系发生变形，当主销偏移距为正时，将趋于使前束向负的方向变化。所以，赛车静止时，前轮应该呈弱正前束；当赛车行驶起来后，两个前轮将趋于相互平行[2]。仿真实验时，前束值变化范围如图3所示，变化范围在0.13°～1.69°之间，在设计目标值之内。

图3 前束角随车轮跳动量变化关系图

车轮外倾角的设计应该有利于减少赛车行驶时轮胎的磨损和保持直线行驶的稳定性，同时保证赛车具有良好的抓地力。不合适的车轮外倾角会造成轮胎快速、异常磨损。巴哈赛车的比赛场地大多是泥沙路和石子路，为了保证赛车具有良好的加速能力，赛车空载状态下应该具有正外倾角；当赛车手坐进车内以后，车轮外倾角应该减小到趋近于0。如图4所示，车轮外倾角变化范围在-0.16°～1.31°之间，在车轮从下往上跳动过程中，车轮外倾角逐渐减小，甚至出现负外倾的情况，是不合理的变化规律，需要对硬点坐标加以优化。

图4 车轮外倾角随车轮跳动量变化关系图

主销内倾角对赛车的操纵性是有很大影响的。主销内倾角的存在给转向轮施加了一个回正力矩，即主销内倾角减小了主销偏移距，使转向更加轻便且有利于方向盘复位。为了保证赛车具有良好的行驶稳定性和转向性能，主销内倾角不宜过大，通常控制在6°～11°内。如图5所示，主销内倾角的变化范围是8.99°～10.41°，在合理的设计范围之内且变化趋势平顺。在赛车运动过程中，主销内倾角变化不大，没有突然变大或变小的情况，由主销内倾角造成的转向阻力矩也不会对车手的操纵造成影响。

图5 主销内倾角随车轮跳动量变化关系图

主销后倾角的存在，主要是为了能使赛车行驶时，有自动回正的功能。主销后倾角不宜过大，否则在赛车转向时，极其容易引起车轮外倾角的变化，对轮胎造成不均匀的磨损。巴哈赛车是一种应用于特殊赛道的车辆，行驶时会遇到各种障碍和比较多的弯道，主销后倾角的大小对其行驶性能有很大的影响。主销后倾角在赛车上一般控制在0°～4°之间，如图6所示，主销后倾角变化范围是2.61°～3.08°，在车轮上下跳动过程中，变化范围不大，变化趋势趋于线性且比较合理。

图6 主销后倾角随车轮跳动量变化关系图

除了考虑以上的车轮定位参数以外，轮距也是重点考量对象。巴哈比赛的赛道，有很多特殊的障碍设置，比如炮弹坑、滚木路、乱石堆、飞坡等，考虑轮距的变化情况，主要是避免由于特殊路段造成轮距突变给轮胎造成异常的磨损，且影响赛车行驶平顺性。所以在赛车运动的过程中，应该避免轮距发生太大的变化。如图7所示，车轮上下跳动过程中，轮距变化范围为1 293.92～1 365.67 mm，轮距变化过大，对赛车行驶平顺性和操纵稳定性造成一定的影响，后期需要对悬架硬点进行优化。

图7 前轮轮距随车轮跳动量变化关系图

3 赛车双横臂悬架C特性分析

悬架的C特性即悬架的弹性运动学特性，主要是衬套、力和力矩对悬架定位参数的影响，主要考虑的是衬套的特性，地面对轮胎的侧向力、纵向力影响和制动力的输入等因素。悬架的K特性分析主要是考察硬点位置、悬架结构对悬架定位参数的影响，是悬架结构优化过程中的首要考虑因素，相对于悬架的K特性，悬架的C特性分析更贴近悬架使用的实际情况。在现实当中，悬架还有很多地方使用了衬套连接，并且K特性分析没有考虑力和力矩的影响，因此悬架C特性的分析主要是悬架结构进一步优化的参考依据[6]。

3.1 侧向力作用下的悬架运动特性分析

赛车在比赛过程中，赛道上会设置很多特殊障碍，比如半月弯、乱石坡路段，对赛车抗侧向干扰的能力有很高的要求，所以作侧向力作用下的仿真很有必要性。车轮受到侧向力影响时，对悬架定位参数中车轮外倾角、前束角的影响比较大，修改好衬套特性、弹簧刚度、弹簧预载等参数后，根据赛车的整车参数对前轴两侧车轮分别施加-700～700 N的侧向力。车轮外倾角、前束角随侧向力加载变化关系如图8、图9所示，车轮外倾角在0.66°～1.68°之间，车轮外倾角变化不大且呈线性变化，均在合理的变化范围之内。轮跳量为零时，前轮呈弱正前束状态，但在侧向力影响下，前束角却在-9.81°～11.45°之间变化，变化范围太大，悬架抗侧向干扰能力较差，对赛车的操控很不利，需要对硬点坐标加以优化。

图8 车轮外倾角随侧向力加载变化关系图

图9 前束角随侧向力加载变化关系图

3.2 纵向力作用下的悬架运动特性分析

在比赛过程中，会存在很多突然加速和制动的情形，当赛车加速和制动时，会受到来自地面的纵向反力，使悬架导向杆系各元件发生纵向和侧向变形，引起车轮转角和外倾角等参数的变化[7]。纵向力的存在主要会引起前束角、车轮外倾角和轮距的变化。对前悬架两侧车轮分别施加-1 017～1 017 N的纵向力，纵向力作用下各相关参数变化如图10—12所示。

图10 轮距随纵向力加载变化关系图

图11 车轮外倾角随纵向力加载变化关系图

图12 前束角随纵向力加载变化关系图

轮距和车轮外倾角在制动和加速工况下变化不大，但前束角却在-9.96°～11.56°之间变化，波动过大，变化规律不合理，前束角对纵向力的加载较敏感，后期需要针对前束角敏感硬点位置作进一步优化。

4 结束语

针对巴哈前悬架做了运动学分析和弹性运动学分析，剖析了在两种条件下悬架相关参数的变化规律，希望仿真所得的数据能给赛车悬架的后期设计优化工作提供一定的参考依据，从而提高设计工作效率。虚拟机的仿真跟赛车实际使用情况存在一定的差别，很多影响因素并不能体现出来，但是对硬点位置优化有一定的指导作用，对悬架结构做进一步的优化，从而提高悬架的使用性能，以及赛车的操纵稳定性和行驶平顺性。