方程式赛车的双横臂独立前悬架及其线刚度的控制方法与流程

本发明涉及一种双横臂独立悬架，特别是方程式赛车的双横臂独立前悬架及其线刚度的控制方法。

背景技术：

方程式赛车行驶的速度随着车辆制造技术的发展不断提高，方程式赛车的行驶操纵稳定性及行驶安全性越来越受到人们的重视，同时现在人们对驾乘的舒适性要求也在日益提升，非独立悬架商用车已不能满足行驶平顺性及操纵稳定性等方面提出的要求。

双横臂独立悬架由于其较好的操纵稳定性和舒适性，已广泛应用于方程式赛车上，并且市场上还存在少量互联双横臂独立悬架，但是互联双横臂独立悬架的两个独立悬架通过刚性连接，较难实现悬架线刚度和侧倾刚度的相对独立调校，并且在轮跳时操纵的稳定性较差，对驾驶方程式赛车的舒适性和安全性造成一定的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种方程式赛车的双横臂独立前悬架及其线刚度的控制方法。本发明在赛车同向轮跳时可以有效提高前悬架的线刚度，从而提高整车的操纵稳定性。

本发明的技术方案：方程式赛车的双横臂独立前悬架，包括对称设置在车架前部两侧的独立悬架总成，所述的独立悬架总成包括与前悬推杆连接的连接块，连接块上连接有独立弹簧，独立弹簧的另一端与车架的前臂杆相连；其特征在于：两侧的连接块分别铰接有一个短轴，两个短轴之间铰接有三弹簧连杆，三弹簧连杆的中部设有第三弹簧，第三弹簧的端部铰接有三角吊耳，三角吊耳固定在车架的前臂杆上；所述的第三弹簧包括设置在三弹簧连杆中部的活塞底座，活塞底座的前部设有活塞前杆，活塞前杆的末端设有圆台，所述活塞底座上设有第一限制台沿，圆台上设有第二限制台沿，第一限制台沿与第二限制台沿之间设有减振弹簧；两侧连接块的中部分别铰接有一个长杆，两个长杆的端部均铰接有一组连接板，两组连接板之间设有防侧倾杆，防侧倾杆上设有防侧倾杆吊耳，防侧倾杆吊耳固定在车架上。

前述的方程式赛车的双横臂独立前悬架中，所述的独立悬架总成包括固定在前悬轮边上的前立柱，前立柱的上部设有上分离吊耳，上分离吊耳上经球销连接有前悬上三角块，前悬上三角块的两个底角分别设有前悬上横臂前管和前悬上横臂后管，前悬上横臂前管的端部经球销与车架相连，前悬上横臂后管的端部经球销与车架相连；所述的前立柱的下部设有下分离吊耳，下分离吊耳上经球销连接有前悬下三角块，前悬下三角块的两个底角分别设有前悬下横臂前管和前悬下横臂后管，前悬下横臂前管的端部经球销与车架相连，前悬下横臂后管的端部经球销与车架相连；所述的前悬下三角块上还设有前悬推杆吊耳，前悬推杆吊耳与前悬推杆相铰接。

前述的方程式赛车的双横臂独立前悬架中，所述的连接板上设有多个通孔，所述长杆的末端设有与通孔相配合的调节螺栓。

前述的方程式赛车的双横臂独立前悬架中，所述的三弹簧连杆上设有减重通孔。

前述的方程式赛车的双横臂独立前悬架中，提供一种前悬架线刚度的控制方法，即通过控制第三弹簧的刚度改变车身的侧倾增益和悬架的偏频，在车身的侧倾增益和悬架的偏颇最小时计算前悬架的线刚度，以此得到最佳的前悬架线刚度。

前述的方程式赛车的双横臂独立前悬架的线刚度的控制方法，其特征在于：所述前悬架线刚度的计算公式为：

其中kfr为前悬架线刚度，kf为前悬线刚度，mrr为第三弹簧同向轮跳时传动比，mr为前悬单侧传动比，kwfl为前悬左轮线刚度，kwfr为前悬右轮线刚度，mfsm为前悬架的簧载质量，kfs为第三弹簧刚度；

所述kwf的计算公式为：

其中kwf为前悬单侧车轮的线刚度，kt为轮胎的刚度，krf为前悬(含轮胎)单侧乘适刚度；

所述krf的计算公式为：

krf＝4π²ff²msmrf(3)

其中krf为前悬(含轮胎)单侧乘适刚度，ff为前悬架的偏频，msmrf为前悬架右侧轮胎的簧载质量；

由公式(1)、(2)和(3)可得：

其中fw为装有第三弹簧且不考虑轮胎刚度影响的前悬固有频率，mfsm为前悬架的簧载质量。

与现有技术相比，本发明的两个连接块分别连接一个长杆，两个长杆之间设置防侧倾杆，连接块上连接前悬推杆，前悬推杆与前立柱相连，前立柱与前悬轮边相互配合连接，以此实现两个独立前悬架的连接。两个连接块中间设置三弹簧连杆，在三弹簧连杆中部设置带减振弹簧的第三弹簧，第三弹簧固定在车架上，这种互联结构一方面使得前悬架在两侧同向轮跳的运动中第三弹簧会发生压缩或拉伸，从而有效提高前悬架的线刚度，另一方面在前悬架反向轮跳或侧倾运动中，对两侧悬架影响甚微，从而提高整车的操纵稳定性。此外，通过仿真分析还可以得出本发明通过改变第三弹簧的刚度就可以灵活调整车辆制动点头的效果，且保持其它车身状态变化基本不变，对侧倾的影响不明显，同时几乎不影响轮胎的受力。

本发明的连接板上设有多个通孔，所述长杆的末端设有与通孔相配合的调节螺栓，方便调节连接块的位置，以实现第三弹簧的角度调节。

本发明的三弹簧连杆上设有减重通孔，能减小三弹簧连杆的自身重量，对车身重量的要求起到一定的辅助作用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是互联双横臂独立前悬架的安装结构示意图；

图3是第三弹簧的局部放大结构示意图；

图4是独立悬架总成的局部放大结构示意图；

图5是同向轮跳对弹簧压缩量的关系示意图；

图6是反向轮跳与弹簧压缩位移示意图；

图7是反向轮跳第三弹簧位移细微变化曲线示意图；

图8是阶跃转向仿真下第三弹簧刚度对侧倾角的影响示意图；

图9是第三弹簧不同刚度的制动点头角度变化示意图；

图10是第三弹簧不同刚度下制动车身点头角度对比示意图；

图11是第三弹簧不同刚度下fish-hook仿真中车身侧倾角的变化示意图。

附图标记：1-防侧倾杆，2-连接板，3-长杆，4-连接块，5-三弹簧连杆，6-第三弹簧，7-第三弹簧，8-活塞底座，9-活塞前杆，10-三角吊耳，11-短轴，12-独立弹簧，13-减重通孔，14-通孔，15-调节螺栓，16-前悬上横臂后管，17-前悬上三角块，18-前悬上横臂前管，19-前立柱，20-前悬推杆，21-前悬轮边，22-前悬下三角块，23-前悬下横臂前管，24-前悬下横臂后管，25-车架，26-圆台，27-第一限制台沿，28-第二限制台沿，29-防侧倾杆吊耳，30-前臂杆，32-上分离吊耳，33-下分离吊耳，34-前悬推杆吊耳。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：方程式赛车的双横臂独立前悬架，构成如图1-4所示，包括对称设置在车架25前部两侧的独立悬架总成，所述的独立悬架总成包括与前悬推杆20连接的连接块4，连接块4上连接有独立弹簧12，独立弹簧12的另一端与车架25的前臂杆30相连。两侧的连接块4分别铰接有一个短轴11，两个短轴11之间铰接有三弹簧连杆5，三弹簧连杆5上设有减重通孔13，能减小三弹簧连杆5的自身重量，对车身重量的要求起到一定的辅助作用。三弹簧连杆5的中部设有第三弹簧6，第三弹簧6的端部铰接有三角吊耳10，三角吊耳10固定在车架25的前臂杆30上。所述的第三弹簧6包括设置在三弹簧连杆5中部的活塞底座8，活塞底座8的前部设有活塞前杆9，活塞前杆9的末端设有圆台26，所述活塞底座8上设有第一限制台沿27，圆台26上设有第二限制台沿28，第一限制台沿27与第二限制台沿28之间设有减振弹簧7。两侧连接块4的中部分别铰接有一个长杆3，两个长杆3的端部均铰接有一组连接板2，两组连接板2之间设有防侧倾杆1，防侧倾杆1上设有防侧倾杆吊耳29，防侧倾杆吊耳29通过焊接的方式固定在车架25上。所述的连接板2上设有多个通孔14，所述长杆3的末端设有与通孔14相配合的调节螺栓15，方便调节连接块4的位置，以实现第三弹簧7的角度调节。

如附图2和附图4所示，所述的独立悬架总成包括固定在前悬轮边21上的前立柱19，前立柱19的上部设有上分离吊耳32，上分离吊耳32上经球销连接有前悬上三角块17，前悬上三角块17的两个底角分别设有前悬上横臂前管18和前悬上横臂后管16，前悬上横臂前管18的端部经球销与车架25相连，前悬上横臂后管16的端部经球销与车架25相连。所述的前立柱19的下部设有下分离吊耳33，下分离吊耳33上经球销连接有前悬下三角块22，前悬下三角块22的两个底角分别设有前悬下横臂前管23和前悬下横臂后管24，前悬下横臂前管23的端部经球销与车架25相连，前悬下横臂后管24的端部经球销与车架25相连。所述的前悬下三角块22上还设有前悬推杆吊耳34，前悬推杆吊耳34与前悬推杆20相铰接。

使用方程式赛车的双横臂独立前悬架，进行前悬架线刚度的控制。双横臂独立悬架中第三弹簧的刚度是影响悬架线刚度以及侧倾角刚度的主要因素，其值大小也决定了车身的侧倾增益和悬架的偏频。通过控制第三弹簧的刚度改变车身的侧倾增益和悬架的偏频，在车身的侧倾增益和悬架的偏颇最小时计算前悬架的线刚度，以此得到最佳的前悬架线刚度。所述的前悬架线刚度的确定，包括前悬单侧乘适刚度、前悬单侧车轮的线刚度和前悬架侧倾角刚度的确定，所述前悬架线刚度的计算公式为：

其中kfr为前悬架线刚度，kf为前悬线刚度，mrr为第三弹簧同向轮跳时传动比，mr为前悬单侧传动比，kwfl为前悬左轮线刚度，kwfr为前悬右轮线刚度，mfsm为前悬架的簧载质量，kfs为第三弹簧刚度；

所述kwf的计算公式为：

其中kwf为前悬单侧车轮的线刚度，kt为轮胎的刚度，krf为前悬(含轮胎)单侧乘适刚度；

所述的krf为：

krf＝4π²ff²msmrf(n/m)(3)

其中krf为前悬(含轮胎)单侧乘适刚度，ff为前悬架的偏频，ff的取值一般在2.4～3.0hz范围内，赛车在一些特定工况下可能取值相对更高，msmrf为前悬架右侧轮胎的簧载质量；

由公式(1)、(2)和(3)可得：

其中fw为装有第三弹簧且不考虑轮胎刚度影响的前悬固有频率，该值较考虑轮胎刚度的悬架偏频值相对偏大，mfsm为前悬架的簧载质量。

本发明的防侧倾杆的两端通过长杆与连接块相连，连接块上连接前悬推杆，前悬推杆与前立柱相连，前立柱与前悬轮边相互配合连接，以此实现两个独立前悬架的连接。两个连接块中间设置三弹簧连杆，在三弹簧连杆中部设置带第三弹簧的第三弹簧，第三弹簧固定在车架上，这种互联结构使得前悬架在两侧同向轮跳的运动中第三弹簧会发生压缩或拉伸，而在前悬架反向轮跳或侧倾运动中，对两侧悬架影响甚微，从而提高整车到操纵稳定性。并且在制动过程中第三弹簧的刚度越大则车身的制动点头角度越小，所以适当减小第三弹簧的刚度能有效抑制制动点头，增加车身起步时的稳定性。

本发明人还对互联双横臂独立前悬架进行了仿真分析，以验证本发明的可靠性。

实施例2：车轮跳动的仿真分析

双横臂独立悬架的仿真参数设置为轮距1550mm，簧载质量1212kg，质心高度300mm，轮胎静态直径228.6mm，轮胎刚度为140n/mm，轮胎质量3.5kg，轮跳的有效行程为50mm，弹簧减振器的长度为200mm，第三弹簧的长度为270mm，同向轮跳仿真结果如图5所示。

在图5中分别为双横臂独立前悬架的独立弹簧和第三弹簧的位移变化对比。独立弹簧和第三弹簧在同向轮跳时其变化量几乎相等，即第三弹簧通过合理设计机械结构可以使其传动比和独立弹簧的传动比几乎相等。表明在同向轮跳时第三弹簧能起到增加线刚度的作用，且在侧倾等类似情况下将保持压缩的距离，即对侧倾不产生或只有微小影响。

反向轮跳的仿真如图6所示。双横臂独立前悬架提供了主要的反侧倾力，弹性位移变化呈对称分布。第三弹簧也有位移上的变化，且其变化在关于轮跳位移的中心位置相互对称，第三弹簧在自身车重的载荷下不受侧倾时杆件的位移影响，其长度数值保持在251mm附近，放大的变化曲线如图7所示，但其变化量相较于第三弹簧的原长可忽略。

实施例3：阶跃转向的仿真分析

对第三弹簧不同的刚度(125lbs/in与250lbs/in)分别进行阶跃转向仿真，仿真结果曲线如图8所示。

图8表明第三弹簧不同刚度下阶跃转向后对车身侧倾角的变化曲线基本重合，表明即第三弹簧对车辆侧倾几乎不产生影响。

实施例4：制动过程的仿真分析

对装有第三弹簧的整车进行制动仿真实验，由于制动减速度很大程度上受轮胎模型的影响，轮胎选用fsae官方提供的轮胎模型，车重为参加fsae赛事的赛车，设为275kg(包括驾驶员)，除第三弹簧刚度，其余车上参数均为默认初始值(两根独立弹簧刚度为250lbs/in)，仿真实验对比见图9所示。

图9表明，由于车辆载荷未变，制动初始点头的角度有差异。为更加清晰比较第三弹簧刚度对制动点头带来的影响，利用adams/car后处理界面中align的命令将250lbs/in的实验曲线起点移动到125lbs/in的曲线起点。对比表明，第三弹簧的刚度越大则车身的制动点头角度越小。第三弹簧的刚度值占前悬架三个弹簧的比重越大，第三弹簧的刚度变化对悬架线刚度变化影响也越大，极限情况下当独立悬架的两独立弹簧的刚度之趋向于0时，可由第三弹簧单独提供前悬架的线刚度，但若不加装防侧倾杆则在侧倾过程中容易出现侧翻等危险工况。

改变独立弹簧为250lbs/in或300lbs/in(第三弹簧均为125lbs/in)，前悬第三弹簧为125lbs/in或250lbs/in(独立弹簧均为250lbs/in)，仿真结果如图10所示。对整车制动仿真过程分析表明，只改变第三弹簧的刚度就可以达到更改所有的独立弹簧对抑制制动点头的效果，且其他车身状态变化基本不变。

实施例5：操纵稳定性的仿真分析

独立悬架独立弹簧为125lbs/in或250lbs/in(前悬第三弹簧为125lbs/in)，第三弹簧为125lbs/in或250lbs/in(独立弹簧均为250lbs/in)，对其进行fish-hook仿真。如图11所示，仿真表明，为改善制动点头，改变独立弹簧的刚度可以提高制动时对点头的抑制效果，但同时也会对车身侧倾产生较大影响，轮胎受力也发生变化；而只更改第三弹簧的刚度对制动能起到抑制点头的效果，且对侧倾的影响不明显，同时几乎不影响轮胎的受力。

综上，同向轮跳时第三弹簧只起到增加线刚度的作用，且在反向轮跳、侧倾和阶跃转向等情况下将保持压缩的距离，即对侧倾不产生或只有微小影响。并且在制动过程中第三弹簧的刚度越大则车身的制动点头角度越小，能有效抑制制动点头，且第三弹簧的刚度值占前悬架三个弹簧的比重越大，第三弹簧的刚度变化对悬架线刚度变化影响也越大。