CN108973581B - 一种应用于方程式赛车的可调悬架系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用方程式赛车的可调悬架系统，包括两套前悬架总成、两套后悬架总成、Z型横向稳定杆总成、第三阻尼总成和整车控制器。所述两套前悬架总成和两套后悬架总成均是关于赛车纵向中心线对称的布置形式，Z型横向稳定杆总成和第三阻尼总成和后悬架总成是通过耳片和螺栓刚性连接，整车控制器是安装在车架上面。在避震器上加装与阀门相连接的步进电机，在赛车运动过程中采集整车状态，通过整车控制器，主动控制电机输出轴的旋转角度，保证输出的阻尼的匹配赛车工况，来实时调节悬架阻尼。设计了可以调整长度的前摇臂和后摇臂，从而调节悬架的传递比和刚度。

Description

一种应用于方程式赛车的可调悬架系统

技术领域

本发明属于方程式悬架技术领域，具体涉及一种应用方程式赛车的可调悬架系统。

背景技术

方程式赛车，是以共同的方程式(规则限制)所造出来的赛车，赛车必须依照国际汽车联合组织制定颁发的车辆技术规则规定的程式制造，包括车体结构、长宽度等。大学生方程式赛车(FSAE)是其中的一种，由在校大学生组队参加，设计简化版的一级方程式赛车，要求赛车在加速、制动、操控性方面都有较高水准并且足够稳定耐久。

大学生方程式赛车的设计一般要求其悬架具有一定的调节能力，调节的对象可以是悬架阻尼或者悬架刚度。

目前方程式赛车的可调悬架中阻尼调节的部分主要根据车手反馈，手动调节。刚度调节的部分主要是依靠前后悬的横向稳定器被动的改变悬架刚度，这两种调节方式都有很明显的缺点。根据车手反馈来手动调节阻尼，无法解决实际赛车所处多变工况下，对阻尼的不同需求。仅使用横向稳定器来调节悬架刚度，所能调节刚度范围较小，调节精度较低。同时，现有的方程式赛车悬架无法根据赛车状态实时、有效地调节悬架阻尼，并且，赛车在急加(减)速状态下，横向稳定器无法提供足够悬架刚度阻尼，导致车身俯仰角度较大所带来的操稳性影响和不安全性。

发明内容

为了保证赛车各工况下最佳悬架性能，根据工况以及赛车状态及时有效的调节悬架刚度阻尼，提高赛车在急加(减)速状态下的安全性，本发明提供了一种应用于方程式赛车的可调悬架系统。

一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，包括两套前悬架总成1、两套后悬架总成2、Z型横向稳定杆总成3和第三阻尼总成4。所述两套前悬架总成1分别安装在方程式赛车两个前轮的内侧，所述两套后悬架总成2、Z型横向稳定杆总成3和第三阻尼总成4安装在方程式赛车两个后轮之间的支架上。

所述前悬架总成1包括前阻尼调节总成14，所述前阻尼调节总成14包括第一步进电机141和第一避震器142，所述第一避震器142上套装第一弹簧143，所述第一步进电机141用于调整第一避震器142的阻尼大小。所述两套前悬架总成1之间连接U型横向稳定杆总成19。

所述后悬架总成2包括后阻尼调节总成24，所述后阻尼调节总成24包括第二步进电机241和第二避震器26，所述第二避震器26上套装第二弹簧261，所述第二步进电机241用于调整第二避震器26的阻尼大小。所述两套后悬架总成2安装第二步进电机241的一端分别连接在方形耳片34的两侧，两套后悬架总成2的另一端分别连接在两个后轮内侧的四边形后摇臂片23上，两个后轮内侧的四边形后摇臂片23上还分别连接Z型横向稳定杆总成3的两端和第三阻尼总成4的两端，所述Z型横向稳定杆总成3的中间位置通过连接器35连接在方形耳片34的上侧。所述第三阻尼总成4包括第三步进电机421和第三避震器42，所述第三步进电机421用于调整第三避震器42的阻尼大小。

工作时，在前阻尼调节总成14、后阻尼调节总成24和第三阻尼总成4的实时控制作用下实现主动调节悬架阻尼的功能。

进一步限定的技术方案如下：

所述前悬架总成1还包括齿圈11、前立柱12、前上横臂13、固定耳片15、前摇臂16、前下横臂17和前摇臂片18。所述齿圈11安装在前轮轮毂的内侧，前轮轮毂的上下分别连接一个前立柱12，所述前上横臂13为两根上连接杆组成的人字形结构，两根上连接杆交汇的一端连接在前轮轮毂的上方的前立柱12上，两根上连接杆的另一端分别通过固定耳片15连接在第一避震器142和赛车框架上。所述前下横臂17为两根下连接杆组成的人字形结构，两根下连接杆交汇的一端连接在前轮轮毂的下方的前立柱12上，两根下连接杆的另一端分别通过固定耳片15连接在第一避震器142和U型横向稳定杆总成19上。所述前摇臂16的一端和两根上连接杆交汇处连接，所述前摇臂16的另一端连接在第一避震器142下端的前摇臂片18上。

所述前摇臂16包括杆端轴承161、防松螺母162、摇臂管163和接头164。所述摇臂管163的两端分别连接一个接头164，接头164用防松螺母162锁紧，接头164的外侧端部连接杆端轴承161。旋转两端旋向相反的杆端轴承161，通过预留的前悬摇臂拉杆杆端轴承161长度，得到杆端轴承旋出量的不同，再由防松螺母162固定，从而来获得不同长度的前悬摇臂拉杆，利用前悬摇臂拉杆的长度的改变而获得不同的悬架传递比，在前轮载荷固定的情况下，改变悬架的刚度，再根据赛车运行的工况优选最合适的悬架刚度。

所述后悬架总成2还包括后上横臂21、后摇臂22和后下横臂25。所述后上横臂21为两根连接杆组成的人字形结构，两根连接杆交汇的一端连接在后轮轮毂的上方的后立柱上，两根连接杆的另一端分别通过固定耳片15连接在赛车框架上。所述后下横臂25的一端连接在后轮轮毂的下方的后立柱上，后下横臂25的另一端通过固定耳片15连接在赛车框架上。所述后摇臂22的一端连接在四边形后摇臂片23上，后摇臂22的另一端连接在后下横臂25的临近后轮轮毂处。所述后阻尼调节总成24包括第二步进电机241和第二避震器26，所述第二避震器26上套装第二弹簧261，所述第二步进电机241用于调整第二避震器26的阻尼大小。

所述Z型横向稳定杆总成3还包括两根第一连接杆31、连接杆螺母32、第二稳定杆33和连接销轴36。所述第二稳定杆33的两端分别连接一根第一连接杆31的一端，并用连接杆螺母32锁紧。第一连接杆31的另一端通过连接销轴36连接在四边形后摇臂片23上。

所述第三阻尼总成4还包括两根第二连接杆41、U型耳片43和一字型耳片44。所述第三避震器42的两端分别通过U型耳片43连接一根第二连接杆41一端，第二连接杆41另一端通过一字型耳片44连接到四边形后摇臂片23上。

所述第一步进电机141、第二步进电机241和第三步进电机421的型号相同，型号为：24BYJ48减速步进电机，额定功率为12W。

所述第一避震器142、第二避震器26和第三避震器42的型号相同，型号为OhlinsTTX25。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

(1)在避震器上加装与阀门相连接的步进电机，在赛车运动过程中采集整车状态，通过整车控制器，主动控制电机输出轴的旋转角度，保证输出的阻尼的匹配赛车工况，来实时调节悬架阻尼。

(2)设计了第三阻尼装置，保证在赛车急加速急减速的情况下，起到减缓赛车俯仰程度，提高赛车操稳性的同时也提高了安全性。

(3)设计了横置式和纵置式两种第三阻尼布置形式以满足不同赛车的需求。

(4)设计了加装正反旋向的杆端轴承和螺母的前摇臂和后摇臂，通过不同的旋向可以使得前摇臂和后摇臂伸长或者缩短，从而调节悬架的传递比和刚度，并且带有细牙螺距的杆端轴承可以保证调节的精度。

附图说明

图1本发明在整车上的总装示意图。

图2本发明前悬架总成示意图。

图3本发明后悬架总成示意图。

图4本发明前摇臂结构和装配位置示意图。

图5本发明后悬架总成、Z型横向稳定杆总成和第三阻尼总成装配示意图。

图6本发明前阻尼调节总成示意图。

图7本发明实施例二(第三阻尼总成纵置式)示意图。

上图中序号：前悬架总成1、齿圈11、前立柱12、前上横臂13、前阻尼调节总成14、第一步进电机141、第一避震器142、第一弹簧143、固定耳片15、前摇臂16、杆端轴承161、防松螺母162、摇臂管163、接头164、前下横臂17、前摇臂片18、U型横向稳定杆总成19；后悬架总成2、后上横臂21、后摇臂22、四边形后摇臂片23、后阻尼调节总成24、第二步进电机241、后下横臂25、第二避震器26、第二弹簧261、三角形后摇臂片27；Z型横向稳定杆总成3、第一连接杆31、连接杆螺母32、第二稳定杆33、方形耳片34、连接器35、连接销轴36；第三阻尼总成4、第二连接杆41、第三避震器42、第三步进电机421、U型耳片43、一字型耳片44、长腰型耳片45、整车控制器5。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例一

参见图1～图6，一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，包括两套前悬架总成1、两套后悬架总成2、Z型横向稳定杆总成3、第三阻尼总成4和整车控制器5。所述两套前悬架总成1和两套后悬架总成2均是关于赛车纵向中心线对称的布置形式，Z型横向稳定杆总成3和第三阻尼总成4和后悬架总成2是通过耳片和螺栓刚性连接，整车控制器5是安装在车架上面。

所述前悬架总成1还包括齿圈11、前立柱12、前上横臂13、前阻尼调节总成14、固定耳片15、前摇臂16、前下横臂17、前摇臂片18。所述齿圈11安装在前轮轮毂的内侧，前轮轮毂的上下分别连接一个前立柱12，所述前上横臂13为两根上连接杆组成的人字形结构，两根上连接杆交汇的一端连接在前轮轮毂的上方的前立柱12上，两根上连接杆的另一端分别通过固定耳片15连接在第一避震器142和赛车框架上。所述前下横臂17为两根下连接杆组成的人字形结构，两根下连接杆交汇的一端连接在前轮轮毂的下方的前立柱12上，两根下连接杆的另一端分别通过固定耳片15连接在第一避震器142和U型横向稳定杆总成19上。所述前摇臂16的一端和两根上连接杆交汇处连接，所述前摇臂16的另一端连接在第一避震器142下端的前摇臂片18上。所述前阻尼调节总成14包括第一步进电机141和第一避震器142，所述第一避震器142上套装第一弹簧143，所述第一步进电机141用于调整第一避震器142的阻尼大小。所述两套前悬架总成1之间连接U型横向稳定杆总成19。

所述后悬架的总成2包括后上横臂21、后摇臂22、四边形后摇臂片23、后阻尼调节总成24、后下横臂25和第二避震器26。所述后上横臂21为两根连接杆组成的人字形结构，两根连接杆交汇的一端连接在后轮轮毂的上方的后立柱上，两根连接杆的另一端分别通过固定耳片15连接在赛车框架上。所述后下横臂25的一端连接在后轮轮毂的下方的后立柱上，后下横臂25的另一端通过固定耳片15连接在赛车框架上。所述后摇臂22的一端连接在四边形后摇臂片23上，后摇臂22的另一端连接在后下横臂25的临近后轮轮毂处。

所述Z型横向稳定杆总成3包括两根第一连接杆31、连接杆螺母32、第二稳定杆33和连接销轴36。所述第二稳定杆33的两端分别连接一根第一连接杆31的一端，并用连接杆螺母32锁紧。第一连接杆31的另一端通过连接销轴36连接在四边形后摇臂片23上。所述第三阻尼总成4包括两根第二连接杆41、U型耳片43和一字型耳片44。所述第三避震器42的两端分别通过U型耳片43连接一根第二连接杆41一端，第二连接杆41另一端通过一字型耳片44连接到四边形后摇臂片23上。

参见图4，前悬架总成1和后悬架总成2分别采用的前摇臂16和后摇臂22的伸缩件都是相同的结构形式。以前悬架总成1为例，前摇臂16是由杆端轴承161，防松螺母162，摇臂管163，接头164组成，旋转两端旋向相反的杆端轴承161，通过预留的前悬摇臂拉杆杆端轴承161长度，得到杆端轴承旋出量的不同，再由防松螺母162固定，从而来获得不同长度的前悬摇臂拉杆，由于前悬摇臂拉杆的长度的改变从而获得不同的悬架传递比，在前轮载荷固定的情况下，改变悬架的刚度，在根据赛车运行的工况优选最合适的悬架刚度。

前悬架总成1可调的实施方式：

前悬架总成1的连接所使用的连接方式是拉杆式，采用的悬架的类型也是双横臂悬架，悬架通过前上横臂13和前下横臂17和固定耳片15与车架连接，当赛车悬架处于压缩工况下，前摇臂片18与第一避震器142连接的点会绕着前摇臂片18与车架连接点做顺时针旋转一定的角度，前摇臂片18和前摇臂16同样绕着前摇臂片18与车架连接点做顺时针旋转相同的角度，第一弹簧143和第一避震器142被压缩。悬架处于伸张工况时正好旋转方向相反，为逆时针，第一弹簧143和第一避震器142被拉伸，在第一避震器142被压缩或者伸张过程中，整车控制器5会按照传感器采集的数据，计算出整车实时速度和加速度，从而根据算法，控制第一避震器142的第一步进电机141实时调整前悬阻尼，使赛车一直处于最佳的状态。

后悬架总成2可调的实施方式：

参见图3和图5，后悬架总成2和减震器连接所使用的连接方式是推杆式，采用的悬架的类型同样也是双横臂悬架，后上横臂21和后下横臂25都是通过悬架与车架连接耳片连接，当赛车悬架处于压缩和伸张工况下，四边形后摇臂片23与后摇臂22连接点相对于第二避震器26与后悬避震器耳片连接点的运动状态和前悬相同，调节方式也是通过控制第二步进电机241和第三步进电机421来实时调整后悬悬阻尼，使赛车一直处于最佳的状态。

参考图5，第二连接杆41是通过螺栓连接在四边形后摇臂片23和第三避震器42之间。当赛车在加速工况下，由于赛车的驱动轮是后轮，并且载荷分配上后轮的轮荷要大于前轮的轮荷，这样导致后面悬架是处于压缩状态的，赛车会呈现一种车头上抬的趋势，左右两个第二连接杆41与四边形后摇臂片23的两个连接点同时赛车中心线方向沿着弧线运动，这样导致第三避震器42被压缩，但是，由于每个避震器都具有减缓冲击的作用，这样就抑制了赛车后悬压缩的速度，就相当于在赛车加速情况下，主动增加了后悬架的阻尼，抑制赛车俯仰程度，增加了赛车的安全。当赛车在减速工况下，导致后面悬架是处于伸张的状态，第二连接杆41与四边形后摇臂片23的两个连接点同时远离赛车中心线方向运动，这样导致第三避震器42被拉伸，但是，由于每个避震器都具有减缓冲击的作用，这样就抑制了赛车后悬伸张的速度，就相当于在赛车减速情况下，主动增加了后悬架的阻尼，抑制赛车俯仰，在不提高侧倾刚度的同时，提高悬架刚度，提高轮胎回弹速度，提高悬架相应速度，增加贴地性能增加赛车的安全程度。

悬架阻尼调节机构分布于整车所有避震器上面，以前悬避震器为例，由第一步进电机141，第一避震器142，第一弹簧143，齿圈11组成，通过轮速传感器和齿圈11，可以在赛车运动过程中，传感器会产生的脉冲信号，通过对脉冲信号的频率分析，测得整车速度，再根据XYZ方向的加速度，再通过整车控制器5，根据赛车状态实时控制步进电机输出轴带动避震器阀门，旋转一定的角度，从而实时主动调节悬架阻尼的功能。

实施例二

第三阻尼总成有不同的布置形式，其中主要有横置式和纵置式两大类型，主要的区别是三个避震器轴线与赛车纵向中心线的位置来确定，当避震器轴线与赛车纵向中心线垂直时候，悬架左右避震器传递的力直接通过第二连接杆41施加在第三避震器42两端。本发明实施例一是根据赛车后部空间，基于防止干涉的原则下，采用第三阻尼横置式。参见图7，当避震器轴线与赛车纵向中心线水平时候，第三阻尼总成为纵置式，左右悬架传递的力是通过后摇臂22施加到三角形后摇臂片27，再通过第二连接杆41连接到长腰型耳片45，最后到第三避震器42，通过第三避震器42来减缓赛车在急加减速的俯仰程度。不同的布置形式的第三阻尼总成主要是根据赛车的空间大小来选择的，并且按照三个避震器前后左右位置的不同，相同布置形式下又可以演变成其他的类型，但工作原理都是一致的。所述长腰型耳片45是平行于车轴轴线，通过三个螺栓和螺母分别与第二连接杆41，第三避震器42第二连接杆41连接。当赛车加速或者减速时，后轮左右悬架压缩或者伸长量相同时，由于左右两个第二连接杆41所施加给长腰型耳片45的力的方向和大小相同，长腰型耳片45在沿避震器轴线运动过程中会保持和车轴轴线平行，不会发生发生转动，第三阻尼总成4会起作用，可以抑制赛车俯仰；当赛车发生侧倾时，长腰型耳片45会由于左右两个第二连接杆41所施加的力的大小相同，方向相反，长腰型耳片45会发生转动直至左右悬架力平衡，第三阻尼总成4不会起到作用。

以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，包括两套前悬架总成(1)、两套后悬架总成(2)、Z型横向稳定杆总成(3)和第三阻尼总成(4)；所述两套前悬架总成(1)分别安装在方程式赛车两个前轮的内侧，所述两套后悬架总成(2)、Z型横向稳定杆总成(3)和第三阻尼总成(4)安装在方程式赛车两个后轮之间的支架上；

其特征在于：所述前悬架总成(1)包括前阻尼调节总成(14)，所述前阻尼调节总成(14)包括第一步进电机(141)和第一避震器(142)，所述第一避震器(142)上套装第一弹簧(143)，所述第一步进电机(141)用于调整第一避震器(142)的阻尼大小；所述两套前悬架总成(1)之间连接U型横向稳定杆总成(19)；

所述后悬架总成(2)包括后阻尼调节总成(24)，所述后阻尼调节总成(24)包括第二步进电机(241)和第二避震器(26)，所述第二避震器(26)上套装第二弹簧(261)，所述第二步进电机(241)用于调整第二避震器(26)的阻尼大小；所述两套后悬架总成(2)安装第二步进电机(241)的一端分别连接在方形耳片(34)的两侧，两套后悬架总成(2)的另一端分别连接在两个后轮内侧的四边形后摇臂片(23)上，两个后轮内侧的四边形后摇臂片(23)上还分别连接Z型横向稳定杆总成(3)的两端和第三阻尼总成(4)的两端，所述Z型横向稳定杆总成(3)的中间位置通过连接器(35)连接在方形耳片(34)的上侧；所述第三阻尼总成(4)包括第三步进电机(421)和第三避震器(42)，所述第三步进电机(421)用于调整第三避震器(42)的阻尼大小；

工作时，在前阻尼调节总成(14)、后阻尼调节总成(24)和第三阻尼总成(4)的实时控制作用下，实现主动调节悬架阻尼的功能。

2.根据权利要求1所述的一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，其特征在于：所述前悬架总成(1)还包括齿圈(11)、前立柱(12)、前上横臂(13)、固定耳片(15)、前摇臂(16)、前下横臂(17)和前摇臂片(18)；所述齿圈(11)安装在前轮轮毂的内侧，前轮轮毂的上下分别连接一个前立柱(12)，所述前上横臂(13)为两根上连接杆组成的人字形结构，两根上连接杆交汇的一端连接在前轮轮毂的上方的前立柱(12)上，两根上连接杆的另一端分别通过固定耳片(15)连接在第一避震器(142)和赛车框架上；所述前下横臂(17)为两根下连接杆组成的人字形结构，两根下连接杆交汇的一端连接在前轮轮毂的下方的前立柱(12)上，两根下连接杆的另一端分别通过固定耳片(15)连接在第一避震器(142)和U型横向稳定杆总成(19)上；所述前摇臂(16)的一端和两根上连接杆交汇处连接，所述前摇臂(16)的另一端连接在第一避震器(142)下端的前摇臂片(18)上。

3.根据权利要求2所述的一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，其特征在于：所述前摇臂(16)包括杆端轴承(161)、防松螺母(162)、摇臂管(163)和接头(164)；所述摇臂管(163)的两端分别连接一个接头(164)，接头(164)用防松螺母(162)锁紧，接头(164)的外侧端部连接杆端轴承(161)；旋转两端旋向相反的杆端轴承(161)，通过预留的前悬摇臂拉杆杆端轴承(161)长度，得到杆端轴承旋出量的不同，再由防松螺母(162)固定，从而来获得不同长度的前悬摇臂拉杆，利用前悬摇臂拉杆的长度的改变而获得不同的悬架传递比，在前轮载荷固定的情况下，改变悬架的刚度，再根据赛车运行的工况优选最合适的悬架刚度。

4.根据权利要求1所述的一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，其特征在于：所述后悬架总成(2)还包括后上横臂(21)、后摇臂(22)和后下横臂(25)；所述后上横臂(21)为两根连接杆组成的人字形结构，两根连接杆交汇的一端连接在后轮轮毂的上方的后立柱上，两根连接杆的另一端分别通过固定耳片(15)连接在赛车框架上；所述后下横臂(25)的一端连接在后轮轮毂的下方的后立柱上，后下横臂(25)的另一端通过固定耳片(15)连接在赛车框架上；所述后摇臂(22)的一端连接在四边形后摇臂片(23)上，后摇臂(22)的另一端连接在后下横臂(25)的临近后轮轮毂处。

5.根据权利要求1所述的一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，其特征在于：所述Z型横向稳定杆总成(3)还包括两根第一连接杆(31)、连接杆螺母(32)、第二稳定杆(33)和连接销轴(36)；所述第二稳定杆(33)的两端分别连接一根第一连接杆(31)的一端，并用连接杆螺母(32)锁紧；第一连接杆(31)的另一端通过连接销轴(36)连接在四边形后摇臂片(23)上。

6.根据权利要求1所述的一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，其特征在于：所述第三阻尼总成(4)还包括两根第二连接杆(41)、U型耳片(43)和一字型耳片(44)；所述第三避震器(42)的两端分别通过U型耳片(43)连接一根第二连接杆(41)一端，第二连接杆(41)另一端通过一字型耳片(44)连接到四边形后摇臂片(23)上。

7.根据权利要求1所述的一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，其特征在于：所述第一步进电机(141)、第二步进电机(241)和第三步进电机(421)的型号相同，型号为24BYJ48，额定功率为12W。

8.根据权利要求1所述的一种应用于方程式赛车的可调悬架系统，其特征在于：所述第一避震器(142)、第二避震器(26)和第三避震器(42)的型号相同，型号为Ohlins TTX25。