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基于第三弹簧结构的前悬架俯仰运动分析

2020-07-23石璇叶胤欣彭育辉

时代汽车 2020年8期
关键词:计算机仿真运动学悬架

石璇 叶胤欣 彭育辉

摘 要:为提高方程式赛车的操纵稳定性,降低其俯仰运动幅度,设计基于第三弹簧结构方式的前悬架系统。应用汽车动力学仿真软件ADAMS对该新型前悬架进行仿真分析,结合实车测试,试验结果表明所设计的第三弹簧装置的悬架系统较传统悬架具有更好的抗俯仰性。

关键词:悬架;抗俯仰;优化设计;计算机仿真;运动学

1 引言

大学生方程式赛车对车辆的性能要求不同于普通的车辆,传统赛车一直沿用双减震器和U型横向稳定杆的悬架机构,在运动过程中并不能很好地解耦线刚度与角刚度,俯仰运动与侧倾运动的过分关联直接影响到赛车的操纵稳定性。另一方面,随着空气动力学套件的普遍运用,赛车高速制动时產生的过大下潜,将使赛车离地间隙发生变化,影响前翼和扩散器处的地面效应及气流走向,最终造成赛车整体的下压力错乱[1]。为提高方程式赛车行驶时的操纵稳定性,有必要对基于采用第三弹簧结构方式的纵倾侧倾解耦式前悬架系统进行研究和开发。

本文首先根据整车布置和参数进行基于第三弹簧结构的前悬架结构设计;其次,采用ADAMS动力学仿真软件建立前悬架的仿真模型并进行动力学分析和优化设计;最后,通过实车试验验证所设计的新型前悬架系统能够有效提高抗俯仰的效果。

2 基于第三弹簧结构的前悬架结构及工作原理

第三弹簧结构的前悬架系统如图1所示,包括第三弹簧主体、T型稳定杆、平衡杠杆、连接杆、轮边减震器、悬架摇臂、推杆及上下叉臂。其特征在于:上下叉臂的内侧硬点铰接在车架结构上,形成其摆动转轴;上下叉臂的外侧安装球铰,与立柱相连;上叉臂上有一单独球铰,通过推杆与悬架摇臂联动;轮边减震器两端分别铰接在车架结构上和悬架摇臂上,为整个悬架系统提供刚度;平衡杠杆上固结有T型稳定杆及第三弹簧(二者皆铰接在车架结构上,为整个悬架系统提供侧倾刚度和俯仰刚度),通过连接杆与悬架摇臂相连。

当两侧车轮同时向上跳动,即纵倾运动时,悬架上下A臂被车轮带动同时向上运动。铰接在悬架上A臂上的两侧推杆推动悬架摇臂定轴转动(左右两侧悬架摇臂转动方向相反),轮边减震器因此被压缩,提供一定的线刚度。同时,悬架摇臂的转动使连接杆带动平衡杠杆绕T型稳定杆在车架上的固定点定轴转动(纵向转动),第三弹簧本体因此被压缩,为悬架提供额外的线刚度抗俯仰。两侧车轮同时向下跳动的情形与上述情形类似,故不作详细解释。

当两侧车轮同时反向跳动,即侧倾运动时,两侧悬架上下A臂被车轮带动分别做上下运动。铰接在悬架上A臂的两侧推杆推动悬架摇臂定轴转动(左右两侧悬架摇臂转动方向相同),两侧轮边减震器因此分别被拉伸和压缩,提供一定的侧倾刚度。同时,悬架摇臂的转动使连接杆带动平衡杠杆绕T型稳定杆的轴线做定轴转动(横向转动),T型稳定杆受扭转为悬架提供额外的侧倾刚度。第三弹簧本体因T型稳定杆未向车头方向转动而不产生压缩,故第三弹簧此时不提供刚度。[2]

3 基于第三弹簧结构的前悬架设计

3.1 整车参数

根据之前赛季赛车的操控表现,整车设计参数在原有基础上进行小范围调整,主要为缩短轴距和增加空气动力学套件下压力,进一步提高整车响应速度和轮胎抓地力。具体整车参数见表1,其中,质心相关参数由三维几何模型(图2)测量得出。

3.2 增加第三弹簧对悬架设计的影响

根据汽车基本理论力学,汽车满载时前轴单边垂直载荷如式(1)所示:

综上所述,可以看出在前悬架设计增加第三弹簧结构时,前轮单边静挠度可减少,减少幅度为34.5%;其次,在汽车制动时,前轮单边动挠度减少,降低幅度为35.2%,可有效控制车身下潜及离地间隙,避免前翼及扩散器的地面效应和空气流向因离地间隙改变而改变,进而影响其他空气动力学套件的作用效果。

4 基于第三弹簧结构的前悬架动力学分析

4.1 第三弹簧式前悬架模型

利用SOLIDWORKS三维造型软件建立悬架的三维几何模型,如图2所示。测得悬架模型在SOLIDWORKS中各观测点的三维坐标值,并通过修改ADAMS/CAR提供的双叉臂式悬架模型硬点坐标,从而获得悬架各观测点间的空间位置关系,如图3所示。考虑到动力学仿真分析的重要结果是要获得相关观测点间的相对位置,因此实际测量时选择的坐标系原点在赛车座舱处,向后为+X,向右为+Y,向上为+Z。所测得关键观测点坐标如表2所示。[4-5]

4.2 整车仿真分析

第三弹簧式前悬架为一种新型解耦式独立悬架,其在纵倾与侧倾时分别由不同弹性元件为整车提供刚度——纵倾时由第三弹簧与轮边弹簧提供线刚度,侧倾时由T型稳定杆与轮边弹簧提供角刚度。此外,整车在各复杂工况下的运动也可简化为纵倾运动和侧倾运动的线性组合,考虑到本文主要研究第三弹簧式前悬架的俯仰运动,且T型稳定杆对第三弹簧式前悬架的侧倾运动影响更大。故基于ADAMS/CAR对整车分析(FULL-VEHICLE ANALYSIS)模块的制动(BRAKING)性能进行分析,保证其它参数和硬点相同的情况下,在有无第三弹簧情况下按照1g/s的减速度从50km/h减速至0km/h对整车制动性能进行分析。

1.增加第三弹簧制动

由图4-图6可知,在制动过程中,第三弹簧(减震器)的长度由360.38mm变化至354.12mm,变化量为6.26mm,轮边弹簧(减震器)的长度由182.72mm变化至177.15mm,变化量为5.57mm,前轮轮跳量由-0.07mm变化至+6.47mm,变化量为6.54mm。

2.无第三弹簧制动

由图7-图8可知,在制动过程中,轮边弹簧(减震器)的长度由181.57mm变化至173.49mm,变化量为8.08mm,前轮轮跳量由+1.18mm变化至10.69mm,变化量为9.51mm。

3.结果分析

由图9和图10可知,在其他条件均相同的情况下,引入第三弹簧,可以使轮边弹簧(减震器)在制动时的压缩量及变化率明显减小,轮边弹簧压缩量减少2.51mm,减少幅度可达31.06%,同时前轮轮跳量的变化量及变化率明显降低,前轮轮跳量减小3.56mm,幅度37.67%。

综上所述,第三弹簧式前悬架可有效降低方程式赛车在制动工况下前轮轮跳的峰值,同时缩短峰值时间,进而更快地响應驾驶员的操作,利于发挥空气动力学套件的作用,为整车带来更好的操控性。

5 试验测试

按照前期选取的整车参数及ADAMS/CAR仿真结果,以自主研制的福州大学电动方程式赛车为测试对象(见图11)。应用MATLAB/SIMULINK模块对线位移传感器进行标定并用其监测、记录轮边弹簧及第三弹簧在不同工况下长度的变化。其中,线位移传感器行程为50-75mm,线性精度±0.1%,电阻1KΩ,重复性精度0.01mm,灵敏度1。

参考国家标准GB7258-2012文件,保证各轮胎气压在标准的气压范围内(胎压不超标准气压的±10%)且花纹深度不低于1.6mm,在坡度小于1%,路宽2.5m,附着系数1.5的平坦、干净的沥青路上,使整车分别在有无第三弹簧的情况下以50KM/h的初速度进行紧急制定测试,由线位移传感器测出轮边弹簧及第三弹簧的压缩量,进而得出紧急制动工况下前轮的轮跳量。[6]

由图12-图14可知,当增加第三弹簧时,在整个制动测试中,第三弹簧的长度由151mm变化至144mm,变化量为7mm,轮边弹簧的长度由103mm变化至96mm,变化量为7mm,前轮轮跳由0.08mm变化至8.3mm,变化量为8.22mm。当取消第三弹簧时,轮边弹簧的长度由101mm变化至90mm,变化量为11mm,前轮轮跳由2.43mm变化至15.34mm,变化量为12.91mm。

综上可知,在增加第三弹簧的情况下,以相同的工况进行制动测试,前轮边弹簧的压缩量可降低4mm,降低幅度达36.36%,有效降低轮边弹簧负荷;前轮轮跳量可减小4.69mm,减小幅度达36.33%,可有效减小制动工况下的整车下潜及下压力波动。此外,整车的响应速度也大幅提高,峰值时间由原来的2s减小为1.5s,响应速度增加25%,方便驾驶员做出更激烈的动作。

但由于实车各吊耳焊接及零部件安装存在误差,且ADAMS/CAR仿真中无前翼及扩散器,致使实车测试结果与仿真分析结果存在一定偏差。

6 结语

在福州大学自主研发的电动方程式赛车中采用了第三弹簧式前悬架结构,通过理论计算、ADAMS虚拟仿真及实车测试。结果表明,在赛车制动时,第三弹簧式前悬架可有效减小轮边弹簧的压缩量和前轮轮跳量,改善整车的抗俯仰特性和操纵稳定性,为运动型车辆的前悬架设计提供一种新思路。

【基金项目】本文系福州大学2019年度省级大学生实践创新训练计划项目,项目编号:S201910386047

参考文献:

[1]段磊,刘绍娜,黄炯炯,杨耀祖.FSAE赛车车身与空气动力学套件设计及其仿真[J].汽车实用技术,2019(13):134-136.

[2]吉林大学.一种抗俯仰汽车悬架系统[P].中国:CN201610894612.9,20180817.

[3]王建,林海英,梁颖华等.大学生方程式赛车设计[M].北京理工大学出版社:北京,2016:136.

[4]王会超,龚国庆,王国权.FSAE赛车双叉臂悬架的优化设计[J].北京信息科技大学学报(自然科学版),2011,26(06):43-46.

[5]钟文军,赵世明,陈小玲.基于响应面法的FSAE赛车悬架优化设计[J].科技资讯,2013(13):78-80.

[6]杨瑞蔚.汽车制动性能检测方法的研究[J].轻工科技,2019,35(01):52-54.

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