FSC赛车悬架侧倾特性分析与研究

刘　攀　覃文峰

（南京农业大学工学院，江苏 南京 210031）

【摘　要】悬架的侧倾特性影响着整车的操纵稳定性和平顺性，而这两者也是有一定的相互矛盾。在设计悬架中，需要考虑好整车的针对性，对于参加FSC比赛的赛车更侧重于前者。对悬架侧倾特性影响最多的是侧倾中心的位置，以及侧倾刚度取值，而这两者可以通过弹簧的选择与横向稳定杆刚度的匹配来调节，使赛车操纵稳定性更高，更适应赛道。

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关键词 悬架；侧倾中心；侧倾刚度

0　引言

大学生方程式比赛是一项静态与动态结合的比赛，动态项目有直线加速、八字绕环、耐久赛、燃油经济性测试四项。根据赛道地图分析，主要是小直道。弯道与绕桩结合，在这样的比赛中对汽车行驶性能的要求非常高，特别是整车的操纵稳定性。汽车的操纵稳定性是指驾驶员在正常操作驾驶时，当遇到外界干扰时，抵抗外界干扰而保持稳定行驶的能力。在多弯与绕桩的襄阳赛道上，车辆的側偏特性对弯道的适应是很重要的。本文以宁远车队赛车为例，通过对整车的侧倾中心与侧倾刚度分析，为方程式赛车悬架设计提供一个理论依据。

1　侧倾中心的建立

汽车在空间坐标系中相对与地面有六个自由度，其中有三个移动自由度与三个转动自由度，汽车相对于地面绕纵向轴线转动时的轴线就称之为汽车的侧倾轴线。该轴线与左右车轮所在的垂直横断面上的交点则为侧倾中心。前后悬各有自己的侧倾中心，而对于大学生方程式赛车上使用的不等长双横臂来说，它的侧倾中心还可以通过左右轮瞬心与车轮接地点连线的交点得到（如下图）。

侧倾中心的高度对车辆的操纵稳定性与平顺性影响较大。侧倾中心越高则越接近车身的质心，即质心与侧倾轴线的距离约小。那么当车身側偏时产生的侧倾力矩就越小，车身侧偏角也就越小，左右载荷转移越小，这有利于车辆的操控稳定性，降低了车辆的平顺性；反之，当侧倾中心较低时，车身侧偏角较大，载荷转移大，不利于车辆操控稳定性，增加了车辆平顺性。除此之外，侧倾中心高度对轮距变化影响比较大，侧倾中心越高，轮距变化越大，轮胎磨损更严重；反之，较好。对于乘用车而言，侧倾中心高度一般在0~120mm之间，而对于重心较低的方程式赛车一般取0~80mm，且一般取前悬侧倾中心略低于后悬侧倾中心，这样有利于汽车保持一定的转向不足，有利于驾驶员的操纵行驶。鉴于国内外大学生方程式赛车设计经验，取前悬侧倾中心高度为30mm，后悬侧倾中心高度为50mm。

2　悬架侧倾刚度理论分析

在上部分提到悬架的侧倾中心的高度对车身偏转角的刚度有影响，除此之外，悬架侧倾角刚度大小对车身侧倾角的大小影响也很大。悬架的侧倾角刚度是指侧倾时对质心产生的单位转矩与单位车身转角比值，从定义来讲就能知道，悬架的侧倾角刚度对车辆的操纵稳定性与平顺性有影响。悬架的侧倾角刚度与悬架的线刚度、弹簧刚度以及横向稳定杆提供的刚度有关。对于方程式赛车的双横臂悬架也是一样，他也是通过这三个参数来进行计算。悬架的线刚度是指当车轮产生单位垂直位移是悬架所提供给车轮的恢复力，而这个恢复力来自于弹簧变形产生变形力与横向稳定杆产生的变形力。

悬架线刚度的计算可以通过去一个合适的偏频去计算，按照以下公式计算。

整车平顺性影响较大，不同用途的乘用车偏频取值不同，用来运输人的乘用车对平顺性要求最高，客车次之，货车要求就更低了。一般取偏频在1.17~2.1Hz左右。根据国内外赛车经验以及襄阳比赛地图，我们大学生方程式赛车的悬架是相对于比较硬，但是结合我们去年赛车实车，悬架相对比较软，所以今年我们决定把偏频取得稍大一点，前悬3.2Hz，后悬3.5Hz。

当悬架线刚度确定之后，接下来需要确定就是弹簧刚度与横向稳定杆刚度的匹配。考虑到横向稳定杆制作偏差相对比较大，所以先假设没有横向稳定杆时，侧倾刚度全部由弹簧提供的情况。当计算得到悬架线刚度后，可以按照以下公式计算出弹簧刚度。

M的取值比较关键，它的大小完全决定了弹簧刚度的选择，以及悬架导向块摇臂的设计。不过由于我们避震器型号为FOX DHX RC4，她的最大行程只有50.4mm，所以在取值时必须保证避震器在行程之内，不对避震器造成任何损坏，结合所有情况可以将MR取值为0.75左右比较合适。

弹簧刚度被确定之后，可以根据车对现有弹簧以及可以买到的弹簧规格进行横行稳定杆的设计，横向稳定杆的扭转杆材料选择最好是弹簧钢，因为弹簧刚的力学特性比较合适，但是考虑到弹簧钢很难选到合适的空心管，所以可以选择另外一种替代材料，也就是用的比较多，规格种类比较齐全的4130钢管，在通过计算之后可以选择14*2的4130钢管规格。结合车架设计之后，可以选用比较容易加工的U型横向稳定杆，并且采用可调式横向稳定杆，以便适应不同的赛道（如下图）。

悬架前后侧倾刚度的分配也是很重要的，一般来说后悬刚度会略大于前悬刚度，这可以使车辆保持很小的转向不足，提高操控稳定性。尽管在设计上可以是整车的侧倾刚度比较合适，但是由于加工误差的存在，会使理论与实际偏差较大。只有通过车手试车，将整车在赛道上的性能准确反馈，才能知道与设计是否向符合。如果在行驶过程中表现转向不足或者转向过度，则可以通过推杆调整车身高度、调整弹簧预紧力、横向稳定杆刚度等方法，来提高整车操纵稳定性。

3　结语

FSC赛车操纵稳定性与平顺性都很重要，但是针对于襄阳赛道，一般更倾向于注重整车操纵稳定性，这有利于取得更快的圈速。更深入一点来说，对于悬架侧倾特性的分析就更显得重要，可以通过资料查找，取一个合适的车身侧倾角，让在比赛中每一个弯道都不会超过这个值，使悬架变得更硬，弯道通过性能更好。在上述分析中，可以知道侧倾中心高度选择、前后悬架刚度分配，后期试车的调整，都会对整车侧倾特性产生很大影响。更好的一种方式是通过数据采集系统对整车有一个依据的分析。总之，对于操纵性能来说，需要与平顺性的协调，也需要前后悬架刚度的匹配，再设计时应把悬架设计为刚度可调，这样有利于避免一些有加工误差带来的影响，还有利于有对赛道针对性调校。

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参考文献

［1］Willia illiken，Douglas L.Milliken.Race Car Vehicle[Z].Warrendale，PA:SAE International，1997.

［2］王霄锋.汽车底盘设计[M].北京:清华大学出版社，2010:241-336.

［3］喻凡，林逸.汽车系统动力学[M].北京:机械工业出版社，2009.

［4］吴健瑜.大学生方程式赛车悬架设计及优化研究[D].华南理工大学，2011.

［责任编辑：刘展］