基于悬架匹配的越野卡丁车的整体优化设计

王越， 叶家名， 吴昊， 姚永玉

（洛阳理工学院 机械工程学院 车辆工程系，河南洛阳471023）

0 引言

卡丁车发源于20世纪50年代的美国，其中文名称来自于KARTING的译音，意为微型运动汽车。卡丁车的结构设计简单，仅由1台车架、1台两冲程发动机与4个独立车轮组成[1]。因为其驾驶简单、刺激又安全的特点，卡丁车迅速风靡全球。因为卡丁车的底盘低、无悬挂系统的特点，所以卡丁车只能在符合标准的场地内行驶。卡丁车的驾驶乐趣也仅限于平整的场地内，但是在创新发展的步伐下，未来的卡丁车运动不应该被场地所限制，而应该在更广泛的场地条件上给人们带来乐趣。将卡丁车装上悬挂系统，可以明显提升其地形适应性能，并能在保持低成本的同时给人们带来与传统卡丁车不一样的感受。由于卡丁车的低成本、优越的操控特性和速度感，使得卡丁车运动被很多人所接受，并且卡丁车一般都有固定的行驶场地，赛道都事先根据卡丁车的驾驶特性设计好了。

在国外，对于简单的卡丁车车架，印度Chandigarh大学的学生Akashdip Singh Sembhi[2]使用ANSYS有限元分析软件对其所设计的车架进行了关于各种工况下的撞击冲击的情形模拟，分析车架的在这种情况下的可靠性。目前，国内对“加大号卡丁车”——FSC方程式赛车车架设计不再是简单的钢管支撑结构，已经开始应用了新材料的单壳体车架。江苏大学的宋文兵和左言言[3]就利用CATIA设计一种钢管桁架结构和单体壳结构的复合式车架，在HyperMesh中建立有限元模型，对车架的单体壳结构进行尺寸优化。

对于加装悬架的越野卡丁车，国内外大部分人都将其归为巴哈赛车或方程式赛车之类，而本项目所研究的是一辆可以进行轻度越野、在良好路面上又不失动力性的越野卡丁车，其定位介于方程式赛车和巴哈赛车之间。本项目结合了卡丁车发展趋势，借助大学生科技创新制作项目，以汽车设计理论为指导，以现代造型技术为手段，以汽车操控性、安全性、燃油经济性为优化目标，以3D打印技术制作卡丁车的操控系统为创新点，设计制作了一辆动力性好、可以进行轻度越野、在良好路面上行驶且又不失动力性的越野卡丁车。

1 设计思路

本项目的主要技术性能参数要求如表1所示，为实现表1所示的各项性能指标，设计制作思路如图1所示。

2 车架设计

2.1 轻量化前的受力分析

大学生方程式赛车与巴哈赛车一般是将发动机固定在车架上[4]，但由于其后悬架采用复合纵臂式后桥结构，当后桥受到冲击向上运动时，发动机输出链轮与后桥传动齿轮连接的链条长度会产生较大的波动，导致普通的张紧机构不能有效工作。因此本项目设计将发动机固定于纵臂上，使得发动机和后桥受到冲击时可同时运动，两者处于相对静止状态，所以链条长度将不会变化。

表1 越野卡丁车主要技术指标

图1 越野卡丁车的设计制作思路

为了在卡丁车上加装悬架，传统的卡丁车车架结构已经无法满足要求。但是由卡丁车衍生出来的FSAE和BAJA赛车车架结构形式是一个很好的借鉴[5-6]，同时因为部分零件使用的是沙滩摩托车的部件，因此沙滩摩托车的车架结构也具有一定的参考价值。

考虑成本与实际情况后，本车型车架材料选用广泛使用的15F钢材。该材料在市场上经济实惠且易采购、易焊接。综合以上考虑，初始车架结构设计方案如图2所示。

设计过程中对车架的静态、加速、制动、转弯等典型工况进行了分析。此处仅以静态工况分析结果进行说明。

在静态工况下，约束左前悬架安装点x方向平动、右前悬架安装点yz方向平动、左后悬架安装点xz方向平动、右后悬架安装点xyz方向平动，对车架上对应的位置施加对应零件的重力，在前减震器安装点施加沿z轴正向的支持力，在后减震器安装点施加沿z轴正向的支持力，最后对车架施加重力加速度即可求解。选用四面体linear Tetrahedron单元类型，划分大小为5 mm。求解结果如图3与图4所示。

由图3可知，车架整体的应力值比较小，最大值出现在副环与车架上平面的连接处，最大应力为49.2 MPa，此处是管件连接处，易出现应力集中。由于最大应力值远远小于15F钢材的屈服强度，故车架存在很大的优化空间。

由图4可得车架位移最大值为0.891 mm，出现在后避震器的安装平面处，属于可接受范围内。

2.2 轻量化后的ANSYS分析

车架的轻量化设计重点从以下几个方面来进行：钢管组合结构，通过钢管尺寸的优化来对车架进行轻量化设计；对部件装配布局的调整；整车的兼容性；对其强度进行优化。轻量化改进后的车架三维模型如图5所示。

图2 轻量化前的车架设计

图3 轻量化前的静态工况应力

图4 轻量化前的静态工况位移

图5 轻量化后的车架设计

由图6可观察到，车架整体的应力值比较小，最大值出现在副环和车架上平面的连接处，最大应力为32.3 MPa，对比之前车架的49.2 MPa，优化了34.3%。同时车架后半部分的应力分布比优化前更均匀。

由图7可知，车架位移最大值为0.39 mm，对比轻量化前的0.891 mm，优化56.2%，最大值出现在后避震器的安装平面处，属于可接受范围内。

经过其它典型工况分析后可得其轻量化前后参数对比情况，如表2所示。

图6 轻量化后的静态工况应力

图7 轻量化后的静态工况位移

表2 优化前后参数对比

3 悬架系统匹配设计

3.1 悬架系统的选型

传统卡丁车没有悬架系统，而本项目创新性地为卡丁车装配悬架系统。考虑到卡丁车发动机后置后驱前轮转向的布置形式，再根据越野卡丁车工作环境的特殊性及制作加工成本等因素，为了保证悬架运动时转向轮定位参数不变，以及驾驶员的舒适性，经过综合分析，决定前悬架采用不等长双横臂式独立悬架（如图8），后悬架选用非独立悬架[7]。

3.2 减震系统

图8 前悬架-双横臂式独立悬架

螺旋弹簧和减震器一起构成了汽车悬架系统的减震系统，螺旋弹簧只能沿着轴线被压缩，从而承受来自轴线方向的力[8]。但其在承受力被压缩时，回弹时的弹力较大，减震器可以在弹簧回弹时起到缓冲作用，从而使汽车运行更加平稳。因此弹簧和减震器一起配合，相互弥补，缺一不可[9]。

3.2.1 相对阻尼系数φ的选择

相对阻尼系数取得较大时，能够使由于螺旋弹簧回弹引起的振动更快地衰减，但同时也把经过较大颠簸时的冲击力更大程度地传给驾驶员，从而容易使驾驶员驾驶疲劳，影响驾驶舒适程度。当相对阻尼取得较小时，减震器的变化刚好与上述情况相反，使得振动衰减得很慢。因此选择合适的相对阻尼系数对于汽车的行驶平顺性异常重要。

由于越野卡丁车的行驶路况复杂，行驶条件相对苛刻，驾驶员更需要悬架以最大的速度衰减汽车经过颠簸路面的振动，因此考虑选择较大的相对阻尼系数，取φ=0.35。

3.2.2 阻尼系数δ

通过相对阻尼系数φ和阻尼系数δa之间的关系，我们可以进一步求出阻尼系数，计算公式为

阻尼系数δ计算过程为

式中：C为悬架刚度；ms为簧上质量。

3.2.3 最大卸荷力F0的确定

最大卸荷力指的是当减震器振动速度过快时，为防止减震器损坏，就使卸荷槽打开，从而限制了减震器所能承受的最大阻尼力，就相当给减震器加了一个 “保险开关”。最大卸荷力F0计算过程为

式中，v为活塞运动的最大速度，取0.3 m/s。

3.2.4 减震器主要尺寸的选择

减震器工作缸的直径D计算过程为

式中：[P]为缸内最大许应压力，取3.5 MPa；γ为活塞杆与缸径的比值，取0.35。

依据QC/T491-1999《汽车筒式减震器尺寸系列技术条件》，减震器工作缸直径的标准有20、30、40、50、65 mm，因此取D=30 mm。

储油缸的直径一般取工作缸直径的1.35～1.50倍，因此储油缸直径Dc计算过程为

综上所述，根据QC/T491-1999，选择减震器工作缸直径为30 mm，初选壁厚为2 mm，减震器的复原力在1000～2800 N之间，减震器的压缩阻力不大于1000 N。根据模拟计算结果，最终选择了各参数较为接近的GS125型减震器。

4 制作与测试

4.1 钢管切割及切口处理

钢管之间坡口处理时应尽量贴合，由于钢管的两端比中间更容易被焊穿，每端预留了5～10 mm的余量。采用专用机床进行加工，可描绘出坡口曲线，然后依照曲线进行切割。

对焊时，在焊接之前采用角磨机对每个管件进行相贯线形状坡口打磨，以减小焊接应力，增加焊接强度。

4.2 焊接过程

依照车架几何角度焊接对应的钢管，焊接时保证焊缝平整，强度合格。焊接顺序依次为：前环→车架底平面→主环→车架上平面→副环→发动机支架→车架其他部分的零件安装座。

前桥的焊接采用分层焊接方式，先将前桥焊接成一个整体，然后再将前桥焊在车身上。该方式的优点是前桥是整体，便于后续前桥拆装而不会破坏结构。

4.3 安装调试

根据空间布局、操作方便性及舒适性等要求对转向系统、座椅、离合器踏板、刹车踏板、油门踏板风门拉杆等机构进行了安装与调试。

操控性方面：首次安装的挡杆反馈差，离合踏板轻缓无力，几乎没有反馈。于是对挡杆机构进行了调整，离合踏板更换弹簧。

舒适性方面：在首次安装基础上增加倒车镜，调整座椅滑轨位置。

动力性方面：最高车速时没能发挥到最好的性能，于是将发动机端链轮从原来的14齿换成了17齿。

4.4 车身制作

根据车头形状结构、车身宽度、车身长度确定前翼位置、长度和宽度。然后利用KT板造型，做好前翼后，再到车头焊接前翼安装点，将制作好的前翼进行安装与加固。然后分别对侧翼、尾翼、尾部整流罩的造型进行制作，其制作步骤与前翼基本类似。在造型结束后，对车身进行上色处理，首先对整车喷底漆，待底漆干后，再按照所设计的图案进行喷漆。车身效果如图9所示。

图9 卡丁车KT板尾翼

4.5 行驶性能测试

经过学校封闭道路的测试后，该项目团队对越野卡丁车完成了转弯半径、加速性能、最高车速、制动性能、越野能力、操作性能、高速入弯性能及可靠性能等多方面的测试内容，并读取了测试数据，具体测试数据如表3所示。

改进后，整车机动性得到改善，动力性及制动性得到进一步提高。该卡丁车在低速时能输出较大的转矩，高速时能保持很好的操作性能，驾驶员能够很好地对卡丁车进行操控，可实现高速入弯及漂移等高难度动作。

以校园道路的减速带和下水管道圆盖的洼陷为激振源，分别测试了车辆以15 km/h的速度。越过减速带和井盖的车身振动时的加速度检测结果显示，该悬架系统对振动的衰减较为明显。但由于悬架弹簧刚度较大，后续工作中在操控性和舒适性之间的平衡上还有调整的空间。

表3 道路测试结果

5 结论

本项目创新地为卡丁车装上悬架系统，可以使其地形适应性能大大提升，并且最大程度上减少路面的颠簸对驾驶者的影响；重点从钢管组合结构、钢管尺寸的优化对车架进行轻量化设计。悬架系统的设计使越野卡丁车在通过坑洼的路面时，还可以保证良好的操控性能。这对小型卡丁车、厂区内运输小车、观光区游览车及低速电动汽车加装独立悬架系统提供了很好的设计思路和优化方法。