方程式赛车的双横臂独立后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后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双横臂独立悬架，但是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后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后悬架，包括对称设置在车架后部两侧的独立悬架总成，所述的独立悬架总成包括与后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后臂杆相连；其特征在于：两侧的连接块分别铰接有一组连接板，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；两个连接块之间设有第三弹簧，所述的第三弹簧包括活塞底座，活塞底座上设有第一限制台沿，活塞底座的前部设有活塞前杆，活塞前杆的末端设有第二限制台沿，第一限制台沿与第二限制台沿之间设有减振弹簧；两侧连接块的底部设有支承座，支承座固定在车架的两侧。

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

前述的方程式赛车的双横臂独立后悬架中，所述的连接板上设有多个通孔，所述短轴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后悬架中，所述后立柱的底部还设有第二分离吊耳，第二分离吊耳铰接有限制臂，限制臂与车架底部相连。

前述的方程式赛车的双横臂独立后悬架的线刚度的控制方法，所述的后悬架线刚度为：

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

所述的kwf为：

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

所述的krf为：

krf＝4π²ff²msmrf(3)

其中krf为后悬(含轮胎)单侧乘适刚度，ff为后悬架的偏频，msmrf为后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后悬固有频率，mfsm为后悬架的簧载质量。

与现有技术相比，本发明两侧的连接块经短轴与连接板相连，两个连接板之间设置防侧倾杆，防侧倾杆固定在车架上。连接块上连接后悬推杆，后悬推杆与后立柱相连，后立柱与后悬轮边相互配合连接，以此实现两个独立后悬架的连接。两个连接块之间设置带减振弹簧的第三弹簧，第三弹簧的两端分别与两个连接块相铰接，这种互联结构一方面使得后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，另一方面在后悬架反向轮跳或侧倾运动中，对两侧后悬架影响甚微，从而提高整车的操纵稳定性。此外，通过仿真分析可以得出通过改变第三弹簧的刚度就可以灵活调整车辆的抵制制动点头的效果，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，所述短轴的末端设有与通孔相配合的调节螺栓，使防侧倾杆与短轴的连接更加方便。

本发明的后立柱的底部还设有第二分离吊耳，第二分离吊耳铰接有限制臂，限制臂与车架底部相连，限制臂能增强后立柱的稳固性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是互联双横臂独立后悬架的安装结构示意图；

图3是独立悬架总成的局部放大结构示意图

图4是同向轮跳对弹簧压缩量的关系示意图；

图5是反向轮跳与弹簧压缩位移示意图；

图6是反向轮跳第三弹簧位移细微变化曲线示意图；

图7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8是第三弹簧不同刚度的制动点头角度变化示意图；

图9是第三弹簧不同刚度下制动车身点头角度对比示意图；

图10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；

图11是第三弹簧不同阻尼系数下车身加速点头角度对比。

附图标记：1-防侧倾杆吊耳，2-防侧倾杆，3-连接板，4-通孔，5-调节螺栓，6-短轴，7-连接块，8-独立弹簧，9-活塞前杆，10-第三弹簧，11-第三弹簧，12-活塞底座，13-后悬上横臂前管，14-后悬推杆，15-后悬轮边，16-后悬上横臂后管，17-后立柱，18-后悬推杆吊耳，19-后悬下三角块，20-限制臂，21-后悬下横臂后管，22-后悬下横臂前管，23-后悬上三角块，24-车架，25-第一限制台沿，26-第二限制台沿，27-支承座，28-后臂杆，30-上分离吊耳，31-下分离吊耳，32-第二分离吊耳。

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后悬架，构成如图1-3所示，包括对称设置在车架24后部两侧的独立悬架总成，所述的独立悬架总成包括与后悬推杆14连接的连接块7，连接块7上连接有独立弹簧8，独立弹簧8的另一端与车架24的后臂杆28相连。两侧的连接块7分别铰接有一组连接板3，两组连接板3之间设有防侧倾杆2，防侧倾杆2上设有防侧倾杆吊耳1，防侧倾杆吊耳1通过焊接的方式固定在车架24上。所述的连接板3上设有多个通孔4，所述短轴6的末端设有与通孔4相配合的调节螺栓5，使防侧倾杆2与短轴6的连接更加方便。两个连接块7之间设有第三弹簧11，所述的第三弹簧11包括活塞底座12，活塞底座12上设有第一限制台沿25，活塞底座12的前部设有活塞前杆9，活塞前杆9的末端设有第二限制台沿26，第一限制台沿25与第二限制台沿26之间设有减振弹簧10。两侧连接块7的底部设有支承座27，支承座27通过焊接的方式固定在车架24的两侧。所述后立柱17的底部还设有第二分离吊耳32，第二分离吊耳32铰接有限制臂20，限制臂20与车架24底部相连，限制臂20能增强后立柱17的稳固性能。

如附图2和附图3所示，所述的独立悬架总成包括固定在后悬轮边15上的后立柱17，后立柱17的上部设有上分离吊耳30，上分离吊耳30上经球销连接有后悬上三角块23，后悬上三角块23的两个底角分别设有后悬上横臂前管13和后悬上横臂后管16，后悬上横臂前管13的端部经球销与车架24相连，后悬上横臂后管16的端部经球销与车架24相连。所述的后立柱17的下部设有下分离吊耳31，下分离吊耳31上经球销连接有后悬下三角块19，后悬下三角块19的两个底角分别设有后悬下横臂前管22和后悬下横臂后管21，后悬下横臂前管22的端部经球销与车架24相连，后悬下横臂后管21的端部经球销与车架24相连。所述的后悬下三角块19上还设有后悬推杆吊耳18，后悬推杆吊耳18与后悬推杆14相铰接。

使用方程式赛车的双横臂独立后悬架，进行后悬架线刚度的控制。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后悬架线刚度，以此得到最佳的后悬架线刚度。所述的后悬架线刚度的确定，包括后悬单侧乘适刚度、后悬单侧车轮的线刚度和后悬架侧倾角刚度的确定，所述后悬架线刚度为：

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

所述的kwf为：

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

所述的krf为：

krf＝4π²ff²msmrf(n/m)(3)

其中krf为后悬(含轮胎)单侧乘适刚度，ff为后悬架的偏频，且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为后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后悬固有频率，该值较考虑轮胎刚度的悬架偏频值相对偏大，mfsm为后悬架的簧载质量。

本发明的防侧倾杆的两端设置连接板，连接板经短轴与连接块相连，连接块的底部固定在车架上，连接块上连接后悬推杆，后悬推杆与后立柱相连，后立柱与后悬轮边相互配合连接，以此实现两个独立后悬架的连接。两个连接块之间设置带第三弹簧的第三弹簧，第三弹簧的两端分别与两个连接块相铰接，这种互联结构使得后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，而在后悬架反向轮跳或侧倾运动中，对两侧后悬架影响甚微，从而提高后悬架的整车稳定性。此外，增加后悬架第三弹簧阻尼在一定范围内可以有效地减小抬头角度变化，车身姿态恢复更快，提高响应时间。

本发明人还对互联双横臂独立后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4所示：

在图4中分别为双横臂独立后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5所示。双横臂独立后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6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7所示。

图d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8所示。

图8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后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后悬架的线刚度，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)，后悬第三弹簧为125lbs/in或250lbs/in(独立弹簧均为250lbs/in)，仿真结果如图9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(后悬第三弹簧为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10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。

实施例6：直线加速的仿真分析

后悬架调节第三弹簧阻尼系数分别为：1ns/mm、10ns/mm及20ns/mm。保证独立弹簧均为250lbs/in，后悬第三弹簧刚度为125lbs/in。

在直线加速仿真如图11所示，仿真分析表明，后悬架第三弹簧的阻尼值为1ns/mm增加至10ns/mm时，在加速前期(0-4s)，抗抬头效果大幅提高，而10ns/mm提升至20ns/mm变化则相对较小，说明增加阻尼在一定范围内可以有效地减小车辆加速过程中的抬头角度变化。在4-4.5s内，增加阻尼在加速过程中导致点头变化相对提前，车身姿态恢复更快，响应时间有所缩短。

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后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。此外，在加速过程中增加后悬架第三弹簧阻尼在一定范围内可以有效地减小抬头角度变化，车身姿态恢复更快，提高响应时间。