王越， 葉家名， 吳昊， 姚永玉

（洛陽(yáng)理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 車輛工程系，河南洛陽(yáng)471023）

0 引言

卡丁車發(fā)源于20世紀(jì)50年代的美國(guó)，其中文名稱來自于KARTING的譯音，意為微型運(yùn)動(dòng)汽車?？ǘ≤嚨慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，僅由1臺(tái)車架、1臺(tái)兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)與4個(gè)獨(dú)立車輪組成[1]。因?yàn)槠漶{駛簡(jiǎn)單、刺激又安全的特點(diǎn)，卡丁車迅速風(fēng)靡全球。因?yàn)榭ǘ≤嚨牡妆P低、無懸掛系統(tǒng)的特點(diǎn)，所以卡丁車只能在符合標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)地內(nèi)行駛?？ǘ≤嚨鸟{駛樂趣也僅限于平整的場(chǎng)地內(nèi)，但是在創(chuàng)新發(fā)展的步伐下，未來的卡丁車運(yùn)動(dòng)不應(yīng)該被場(chǎng)地所限制，而應(yīng)該在更廣泛的場(chǎng)地條件上給人們帶來樂趣。將卡丁車裝上懸掛系統(tǒng)，可以明顯提升其地形適應(yīng)性能，并能在保持低成本的同時(shí)給人們帶來與傳統(tǒng)卡丁車不一樣的感受。由于卡丁車的低成本、優(yōu)越的操控特性和速度感，使得卡丁車運(yùn)動(dòng)被很多人所接受，并且卡丁車一般都有固定的行駛場(chǎng)地，賽道都事先根據(jù)卡丁車的駕駛特性設(shè)計(jì)好了。

在國(guó)外，對(duì)于簡(jiǎn)單的卡丁車車架，印度Chandigarh大學(xué)的學(xué)生Akashdip Singh Sembhi[2]使用ANSYS有限元分析軟件對(duì)其所設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行了關(guān)于各種工況下的撞擊沖擊的情形模擬，分析車架的在這種情況下的可靠性。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)“加大號(hào)卡丁車”——FSC方程式賽車車架設(shè)計(jì)不再是簡(jiǎn)單的鋼管支撐結(jié)構(gòu)，已經(jīng)開始應(yīng)用了新材料的單殼體車架。江蘇大學(xué)的宋文兵和左言言[3]就利用CATIA設(shè)計(jì)一種鋼管桁架結(jié)構(gòu)和單體殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合式車架，在HyperMesh中建立有限元模型，對(duì)車架的單體殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化。

對(duì)于加裝懸架的越野卡丁車，國(guó)內(nèi)外大部分人都將其歸為巴哈賽車或方程式賽車之類，而本項(xiàng)目所研究的是一輛可以進(jìn)行輕度越野、在良好路面上又不失動(dòng)力性的越野卡丁車，其定位介于方程式賽車和巴哈賽車之間。本項(xiàng)目結(jié)合了卡丁車發(fā)展趨勢(shì)，借助大學(xué)生科技創(chuàng)新制作項(xiàng)目，以汽車設(shè)計(jì)理論為指導(dǎo)，以現(xiàn)代造型技術(shù)為手段，以汽車操控性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，以3D打印技術(shù)制作卡丁車的操控系統(tǒng)為創(chuàng)新點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作了一輛動(dòng)力性好、可以進(jìn)行輕度越野、在良好路面上行駛且又不失動(dòng)力性的越野卡丁車。

1 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目的主要技術(shù)性能參數(shù)要求如表1所示，為實(shí)現(xiàn)表1所示的各項(xiàng)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)制作思路如圖1所示。

2 車架設(shè)計(jì)

2.1 輕量化前的受力分析

大學(xué)生方程式賽車與巴哈賽車一般是將發(fā)動(dòng)機(jī)固定在車架上[4]，但由于其后懸架采用復(fù)合縱臂式后橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)后橋受到?jīng)_擊向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出鏈輪與后橋傳動(dòng)齒輪連接的鏈條長(zhǎng)度會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，導(dǎo)致普通的張緊機(jī)構(gòu)不能有效工作。因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)將發(fā)動(dòng)機(jī)固定于縱臂上，使得發(fā)動(dòng)機(jī)和后橋受到?jīng)_擊時(shí)可同時(shí)運(yùn)動(dòng)，兩者處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，所以鏈條長(zhǎng)度將不會(huì)變化。

表1 越野卡丁車主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 越野卡丁車的設(shè)計(jì)制作思路

為了在卡丁車上加裝懸架，傳統(tǒng)的卡丁車車架結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足要求。但是由卡丁車衍生出來的FSAE和BAJA賽車車架結(jié)構(gòu)形式是一個(gè)很好的借鑒[5-6]，同時(shí)因?yàn)椴糠至慵褂玫氖巧碁┠ν熊嚨牟考?，因此沙灘摩托車的車架結(jié)構(gòu)也具有一定的參考價(jià)值。

考慮成本與實(shí)際情況后，本車型車架材料選用廣泛使用的15F鋼材。該材料在市場(chǎng)上經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易采購(gòu)、易焊接。綜合以上考慮，初始車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

設(shè)計(jì)過程中對(duì)車架的靜態(tài)、加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等典型工況進(jìn)行了分析。此處僅以靜態(tài)工況分析結(jié)果進(jìn)行說明。

在靜態(tài)工況下，約束左前懸架安裝點(diǎn)x方向平動(dòng)、右前懸架安裝點(diǎn)yz方向平動(dòng)、左后懸架安裝點(diǎn)xz方向平動(dòng)、右后懸架安裝點(diǎn)xyz方向平動(dòng)，對(duì)車架上對(duì)應(yīng)的位置施加對(duì)應(yīng)零件的重力，在前減震器安裝點(diǎn)施加沿z軸正向的支持力，在后減震器安裝點(diǎn)施加沿z軸正向的支持力，最后對(duì)車架施加重力加速度即可求解。選用四面體linear Tetrahedron單元類型，劃分大小為5 mm。求解結(jié)果如圖3與圖4所示。

由圖3可知，車架整體的應(yīng)力值比較小，最大值出現(xiàn)在副環(huán)與車架上平面的連接處，最大應(yīng)力為49.2 MPa，此處是管件連接處，易出現(xiàn)應(yīng)力集中。由于最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于15F鋼材的屈服強(qiáng)度，故車架存在很大的優(yōu)化空間。

由圖4可得車架位移最大值為0.891 mm，出現(xiàn)在后避震器的安裝平面處，屬于可接受范圍內(nèi)。

2.2 輕量化后的ANSYS分析

車架的輕量化設(shè)計(jì)重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行：鋼管組合結(jié)構(gòu)，通過鋼管尺寸的優(yōu)化來對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)；對(duì)部件裝配布局的調(diào)整；整車的兼容性；對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。輕量化改進(jìn)后的車架三維模型如圖5所示。

圖2 輕量化前的車架設(shè)計(jì)

圖3 輕量化前的靜態(tài)工況應(yīng)力

圖4 輕量化前的靜態(tài)工況位移

圖5 輕量化后的車架設(shè)計(jì)

由圖6可觀察到，車架整體的應(yīng)力值比較小，最大值出現(xiàn)在副環(huán)和車架上平面的連接處，最大應(yīng)力為32.3 MPa，對(duì)比之前車架的49.2 MPa，優(yōu)化了34.3%。同時(shí)車架后半部分的應(yīng)力分布比優(yōu)化前更均勻。

由圖7可知，車架位移最大值為0.39 mm，對(duì)比輕量化前的0.891 mm，優(yōu)化56.2%，最大值出現(xiàn)在后避震器的安裝平面處，屬于可接受范圍內(nèi)。

經(jīng)過其它典型工況分析后可得其輕量化前后參數(shù)對(duì)比情況，如表2所示。

圖6 輕量化后的靜態(tài)工況應(yīng)力

圖7 輕量化后的靜態(tài)工況位移

表2 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

3 懸架系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

3.1 懸架系統(tǒng)的選型

傳統(tǒng)卡丁車沒有懸架系統(tǒng)，而本項(xiàng)目創(chuàng)新性地為卡丁車裝配懸架系統(tǒng)?？紤]到卡丁車發(fā)動(dòng)機(jī)后置后驅(qū)前輪轉(zhuǎn)向的布置形式，再根據(jù)越野卡丁車工作環(huán)境的特殊性及制作加工成本等因素，為了保證懸架運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)不變，以及駕駛員的舒適性，經(jīng)過綜合分析，決定前懸架采用不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架（如圖8），后懸架選用非獨(dú)立懸架[7]。

3.2 減震系統(tǒng)

圖8 前懸架-雙橫臂式獨(dú)立懸架

螺旋彈簧和減震器一起構(gòu)成了汽車懸架系統(tǒng)的減震系統(tǒng)，螺旋彈簧只能沿著軸線被壓縮，從而承受來自軸線方向的力[8]。但其在承受力被壓縮時(shí)，回彈時(shí)的彈力較大，減震器可以在彈簧回彈時(shí)起到緩沖作用，從而使汽車運(yùn)行更加平穩(wěn)。因此彈簧和減震器一起配合，相互彌補(bǔ)，缺一不可[9]。

3.2.1 相對(duì)阻尼系數(shù)φ的選擇

相對(duì)阻尼系數(shù)取得較大時(shí)，能夠使由于螺旋彈簧回彈引起的振動(dòng)更快地衰減，但同時(shí)也把經(jīng)過較大顛簸時(shí)的沖擊力更大程度地傳給駕駛員，從而容易使駕駛員駕駛疲勞，影響駕駛舒適程度。當(dāng)相對(duì)阻尼取得較小時(shí)，減震器的變化剛好與上述情況相反，使得振動(dòng)衰減得很慢。因此選擇合適的相對(duì)阻尼系數(shù)對(duì)于汽車的行駛平順性異常重要。

由于越野卡丁車的行駛路況復(fù)雜，行駛條件相對(duì)苛刻，駕駛員更需要懸架以最大的速度衰減汽車經(jīng)過顛簸路面的振動(dòng)，因此考慮選擇較大的相對(duì)阻尼系數(shù)，取φ=0.35。

3.2.2 阻尼系數(shù)δ

通過相對(duì)阻尼系數(shù)φ和阻尼系數(shù)δa之間的關(guān)系，我們可以進(jìn)一步求出阻尼系數(shù)，計(jì)算公式為

阻尼系數(shù)δ計(jì)算過程為

式中：C為懸架剛度；ms為簧上質(zhì)量。

3.2.3 最大卸荷力F0的確定

最大卸荷力指的是當(dāng)減震器振動(dòng)速度過快時(shí)，為防止減震器損壞，就使卸荷槽打開，從而限制了減震器所能承受的最大阻尼力，就相當(dāng)給減震器加了一個(gè) “保險(xiǎn)開關(guān)”。最大卸荷力F0計(jì)算過程為

式中，v為活塞運(yùn)動(dòng)的最大速度，取0.3 m/s。

3.2.4 減震器主要尺寸的選擇

減震器工作缸的直徑D計(jì)算過程為

式中：[P]為缸內(nèi)最大許應(yīng)壓力，取3.5 MPa；γ為活塞桿與缸徑的比值，取0.35。

依據(jù)QC/T491-1999《汽車筒式減震器尺寸系列技術(shù)條件》，減震器工作缸直徑的標(biāo)準(zhǔn)有20、30、40、50、65 mm，因此取D=30 mm。

儲(chǔ)油缸的直徑一般取工作缸直徑的1.35～1.50倍，因此儲(chǔ)油缸直徑Dc計(jì)算過程為

綜上所述，根據(jù)QC/T491-1999，選擇減震器工作缸直徑為30 mm，初選壁厚為2 mm，減震器的復(fù)原力在1000～2800 N之間，減震器的壓縮阻力不大于1000 N。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，最終選擇了各參數(shù)較為接近的GS125型減震器。

4 制作與測(cè)試

4.1 鋼管切割及切口處理

鋼管之間坡口處理時(shí)應(yīng)盡量貼合，由于鋼管的兩端比中間更容易被焊穿，每端預(yù)留了5～10 mm的余量。采用專用機(jī)床進(jìn)行加工，可描繪出坡口曲線，然后依照曲線進(jìn)行切割。

對(duì)焊時(shí)，在焊接之前采用角磨機(jī)對(duì)每個(gè)管件進(jìn)行相貫線形狀坡口打磨，以減小焊接應(yīng)力，增加焊接強(qiáng)度。

4.2 焊接過程

依照車架幾何角度焊接對(duì)應(yīng)的鋼管，焊接時(shí)保證焊縫平整，強(qiáng)度合格。焊接順序依次為：前環(huán)→車架底平面→主環(huán)→車架上平面→副環(huán)→發(fā)動(dòng)機(jī)支架→車架其他部分的零件安裝座。

前橋的焊接采用分層焊接方式，先將前橋焊接成一個(gè)整體，然后再將前橋焊在車身上。該方式的優(yōu)點(diǎn)是前橋是整體，便于后續(xù)前橋拆裝而不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)。

4.3 安裝調(diào)試

根據(jù)空間布局、操作方便性及舒適性等要求對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、座椅、離合器踏板、剎車踏板、油門踏板風(fēng)門拉桿等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了安裝與調(diào)試。

操控性方面：首次安裝的擋桿反饋差，離合踏板輕緩無力，幾乎沒有反饋。于是對(duì)擋桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，離合踏板更換彈簧。

舒適性方面：在首次安裝基礎(chǔ)上增加倒車鏡，調(diào)整座椅滑軌位置。

動(dòng)力性方面：最高車速時(shí)沒能發(fā)揮到最好的性能，于是將發(fā)動(dòng)機(jī)端鏈輪從原來的14齒換成了17齒。

4.4 車身制作

根據(jù)車頭形狀結(jié)構(gòu)、車身寬度、車身長(zhǎng)度確定前翼位置、長(zhǎng)度和寬度。然后利用KT板造型，做好前翼后，再到車頭焊接前翼安裝點(diǎn)，將制作好的前翼進(jìn)行安裝與加固。然后分別對(duì)側(cè)翼、尾翼、尾部整流罩的造型進(jìn)行制作，其制作步驟與前翼基本類似。在造型結(jié)束后，對(duì)車身進(jìn)行上色處理，首先對(duì)整車噴底漆，待底漆干后，再按照所設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行噴漆。車身效果如圖9所示。

圖9 卡丁車KT板尾翼

4.5 行駛性能測(cè)試

經(jīng)過學(xué)校封閉道路的測(cè)試后，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)越野卡丁車完成了轉(zhuǎn)彎半徑、加速性能、最高車速、制動(dòng)性能、越野能力、操作性能、高速入彎性能及可靠性能等多方面的測(cè)試內(nèi)容，并讀取了測(cè)試數(shù)據(jù)，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

改進(jìn)后，整車機(jī)動(dòng)性得到改善，動(dòng)力性及制動(dòng)性得到進(jìn)一步提高。該卡丁車在低速時(shí)能輸出較大的轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)能保持很好的操作性能，駕駛員能夠很好地對(duì)卡丁車進(jìn)行操控，可實(shí)現(xiàn)高速入彎及漂移等高難度動(dòng)作。

以校園道路的減速帶和下水管道圓蓋的洼陷為激振源，分別測(cè)試了車輛以15 km/h的速度。越過減速帶和井蓋的車身振動(dòng)時(shí)的加速度檢測(cè)結(jié)果顯示，該懸架系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的衰減較為明顯。但由于懸架彈簧剛度較大，后續(xù)工作中在操控性和舒適性之間的平衡上還有調(diào)整的空間。

表3 道路測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本項(xiàng)目創(chuàng)新地為卡丁車裝上懸架系統(tǒng)，可以使其地形適應(yīng)性能大大提升，并且最大程度上減少路面的顛簸對(duì)駕駛者的影響；重點(diǎn)從鋼管組合結(jié)構(gòu)、鋼管尺寸的優(yōu)化對(duì)車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使越野卡丁車在通過坑洼的路面時(shí)，還可以保證良好的操控性能。這對(duì)小型卡丁車、廠區(qū)內(nèi)運(yùn)輸小車、觀光區(qū)游覽車及低速電動(dòng)汽車加裝獨(dú)立懸架系統(tǒng)提供了很好的設(shè)計(jì)思路和優(yōu)化方法。