单座Buggy 开发日记(My Kit Buggy Building Diary)——[持续更新中……]

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 22:54

  这帖子是在ATVchina 上发过的，现将它完全移植过来。

  本人，一名汽车底盘工程师，虽在国内汽车研发行当就职，对ATV 却了解甚少。最近偶然登陆ATV china 才发现这里却也自有一片天地，还好机械想通，恶补几天就开始想自己设计制造一辆Mini Buggy 当然了这在国外是稀疏平常的事情。

面就以开发汽车之流程来尝试开发一辆单座的Mini Buggy ,这个过程可能要持续很长时间，希望我能够坚持下来。好了废话少说，先定基本参数

首先给我的小车先取个名字Kit Buggy 并给它赋予神圣的使命，这车子造出来，不单要能开动，要能飞跃，还要能跑拉力赛（吹牛？？不管咋样，我给自己定的这个目标）....言归正传

轴距（Wheel Base） : 1600-1900mm 暂定1800mm

前轮距(Front Track): 1400-1500mm 暂定1500mm

后轮距(Rear Track ): 1300-1500mm 暂定 1450mm

前轮胎（Front tyre）标准ATV 胎 23-7-10

后轮胎（Rear trye）标准ATV 胎 22-10-10

发动机（engine）250cc-400cc 水冷发动机（发动机位置决定了风冷机器肯定适应不了长时间工作），暂定250cc水冷（好买）

车架(Frame): 钢管弯曲焊接，尚无具体方案

前悬架（Front Suspension）: 双横臂悬架(Double Wishbone)，尚无具体方案。

后悬架（Rear Suspension）: 拖拽臂式悬架（Trailing Arm），尚无具体方案…
一片空白…….该如何下手，仿照老外帖子，以日记形式记录这台车从设计开始的过程.

[ 本帖最后由 nba 于 2013-8-22 16:56 编辑 ]

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 22:58

根据既定的参数开始搭建前后悬架的动力学模型并仿真，目的是为了确定所有的连接硬点（也就是常说的球销、衬套连接点）

前悬架多刚体动力学模型如下

目前的多体动力学软件很多，ADAMS Motionview CarSim等等对于搭建一个双横臂悬架模型来说还是比较简单的，但复杂的在后头，反复的调试硬点是个枯燥的事情，还好，buggy 对悬架的某些特性可能并不如公路车那般苛刻（这是通过越野车与乘用车之对比所得结论）

要有最小的Bump Steering(前轮在上下跳动时由于杆系的不协调导致的转向,要求越小越好）
最小的轮距变化（对于双横臂悬架来说，尽可能的将上下摆臂内点左右靠近，外点拉大），合适的Camber 变化（在乘用车上非常重要的参数，目的只有一个确保轮胎地面间始终有好的附着，对于越野车来说可适当放宽，对ATV 类的buggy 来说我想也可放宽了，当然对后轮来说还是要注意这个参数，因为它直接决定了传动轴内球笼的窜动量）

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 22:59

对于动力学模型的调试是个反复的过程，我就不一一赘述了，大致来说
1 调上下控制臂内外点，通过平行跳动来确定出合适的主销(King Pin )内倾角变化.
2 调节转向横拉杆内外点Y(内外)Z(上下)方向坐标来得到最小的bump steering
3.调节转向横拉杆内外点X (前后) 方向来得到合理的转向阿克曼

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:00

调试模型是个反复的过程中间过程不再赘述，下图是King Pin 完成后的样子
开始调整转向横拉杆内外点Y Z 来防止bumper steering

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:02

图示为Bumper Steering 调整的点对比

下图为调整前后轮跳时前束的变化，左侧是模型，中间是没有调整横拉杆内外点时的模拟（设置的上跳140mm下跳100mm）可以看出前束的变化是相当的大，实车如果是这样，那这车没法开了，呵呵，通过几轮调整，右边的动画就好多了，呵呵，当然了不能单凭肉眼看看了事，每一轮调整都是去对比Toe-Wheel Travel 曲线来进行对比的。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:06

今天还是围绕前悬架的多刚体模型进行调试，Camber VS Bump
Toe VS Bump 基本无大问题了，当然后续还是有调的可能的，因为这些参数之间不是独立的，调整这个必然影响到另一个。另外到具体件的结构设计阶段有时为了成本、通用性等因素还是会相互妥协一些。
目前在前悬架在调整转向阿克曼特性，通俗点讲就是要让车子在转向时两个前轮的转向回转中心重合并落在后轴轴线上。
顺便把后悬架的多刚体模型搭建了起来，因为这些悬架形式在软件数据库中都有现成模版，只需调入并更改具体参数。
后悬架动力学模型如下图

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:08

前悬架动力学模型暂时告一段落（后续等整车模型搭建起来肯定还会有调整的）今天将后悬架动力学模型模拟了一下，恼火的事情发生了。无论我怎么调整轮跳时的前束变化还是很大，另一个轮距变化以及轮胎前后方向窜动都很厉害，如下图

自己分析问题在于

单座的Buggy 车身较窄拖拽臂前点在车轴方向上距离轮心较远，容易造成外倾漂移。
拖拽臂前点太靠后（轴距决定的）造成轮跳时前后窜动比较厉害。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:21

其实一直对于拖拽臂式悬架特性就不是特别感冒，就算是四轮定位能调整到位。但这种悬架在后轮驱动时不是特别稳定，举例说明

当车子经过一个飞跃落地时弹簧压缩，车身下沉，如果此时再有加速动作，由于此时拖拽臂前点有可能在车轮中心下方，后轮的推力向下的分力增大，出现的情况就是，车子赖在地上升不起来。
起步时由于拖拽臂前点在轮心之上，后轮的推力有向上的分力，所以此时的感觉便是车子后部被拼命抬起，当然了这对于后驱的车子加速是有利的。

鉴于此，以及本人比较对双横臂悬架情有独钟，所以果断的做出一个决定，后悬架也用双横臂（双横臂悬架是目前悬架类型中解耦性最好的一种悬架，所谓解耦性就是值力的相互干涉程度，比如双横臂悬架，即使加载一个很大的纵向(X向)驱动力也不会影响到它在垂向（Z向）及侧向（Y向）的柔度… 另外双横臂悬架也是侧向刚度最大的一种悬架，转向响应最快最直接，这也说明了为什么超级跑车基本都是前后双横臂悬架）
下图为双横臂后悬架，对双横臂后悬架来说，调整起来非常简单，因为不涉及转向，所以用可以简化为平面四连杆运动，只需关注轮距及外倾的变化。应该一两轮调整就能到位。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:24

周六没什么事，进展较快。进过几日的调试，动力学模型基本没啥致命问题了，当然了还不能说完美。细节的问题只有在真正设计件的时候才能发现并适当的调整参数。今天进入一个里程碑的时间，前悬架的几何模型建立起来了，所谓几何模型就是我们通常所说的数模，这是实实在在可以拿去加工的数据。动力学模型只是在探索悬架的运动特性以及力传递方面有用。因为之前做过类似的悬架模型模板，所以搭建起来也不费劲就是将动力学模拟后得出的硬点输入到悬架几何模型里面这属于CAD 范畴，而且是关联起来的，也就是说后期我调整参数后所有关联的模型都会随之改变。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:25

这是前悬架的种子部件，所有前悬架的各个零部件形状都来源于它，而它又来源于动力学模型所得出的硬点

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:25

利用种子部件创建出的前悬架几何模型（各部件细节尚未处理)
子件
   1 上控制臂总成
   2 下控制臂总成
   3 转向节总成
   4 轮毂轴承(带法兰）
   5 减震器总成
   6 轮辋
   7 轮胎

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:29

简单的一次镜像，右边的悬架全部现身

为了计算整车最后的重量，在设计的时候就要保证每个件的每一部分都要有它正确的材料，尤其材料的密度要正确

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:32

后悬架几何模型的搭建，么什么太难的地方，因为与前悬架同属于双横臂悬架类型，所以用相同的模板即可，无非是调整一下硬点坐标

前后悬架初具规模呀！啊哈哈哈

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:33

接下来的日子里，逐步完善悬架系统，建立转向系统，还有可能花更多的时间去考虑车架问题。目前以想到一个方法来设计车架----哈哈先卖个关子，到时候就知道了。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:35

在前后悬架几何模型搭建完毕后，这几天一直在捣鼓车架的设计。要说参考车型，那真是太多了，照着设计应该是非常的快，但这种小车就这个车架最重要也最有含量。所以这几天尝试各种方法来设计它，其中一个便是拓扑优化的方法。我不晓得此前的buggy设计中前人是否使用到这一理论，具体来说就是在给定的一个设计空间内，设置好载荷、边界条件以及设计目标（刚度最大，用料最省…）通过计算迭代，找到最佳的材料分布，然后按照这种材料分布来布置钢管走向…如下图是我计算的情况，应该说目前的方法没什么问题，现在最大的问题是载荷的模拟。是个难题，因为具体的车重及轴荷分布都不好估计，如果载荷有变差那优化的结果将千差万别，所以目前虽然已出结果但还是没底。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:40

经过反复斟酌对比，最终还是将车架的模型搭建起来了，当然有些结构是参考了现有车型，有些是理论优化的结果,如下图.
后期的调整是不会少的，比如空间了、连接了等等总之设计从来都不会不经过修改的。接下来的任务是将人机好好弄弄，接下来该给车架做个FEA 目的是检验车架的刚度、强度…

整个车架用料个人感觉有点重了，主体结构用到了32X2mm\25X2mm直缝焊管以及30X30方管就这样不饱含焊缝重量达到了48kg！！！跟我的目标38-40kg 还是重了不少，这也是后期优化的一个重点。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:41

顺便把前两天搭建的转向系统贴出来

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:42

激动人心的时刻到了，将前后悬架及车架调入一个装配件里面的效果，啊哈哈当然了，其中的座椅是我挪用了我之前设计的一款kit sport Car 的碳纤维座椅，显然不太适合buggy 这类奔奔跳跳的小车，那人可要受罪了。

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:44

补交作业2011-12-25 动力总成的无奈
现在还是在不断的晚上车架的优化方案，这里遇到了一个比较棘手的问题，没地方能找到250 水冷发动机的 3D 模型，这给设计车架带来的巨大的困难，我不知道具体这里要留多少，相比较这在国外的很多供应商就成熟完善多了。你可以在它的网站上下载各类3D 模型，当然了这个模型是没参数的，你是无法拿来生产的，只能用来布置。

好了，言归正传问题还得解决，搜索了很多地方只找到几张发动机外形2D 图，虽然不是我想要的机型及品牌，但250 机器外形应该差不多吧，所说义只能照葫芦画瓢做出一个很粗糙的3D 模型来帮助我做车架的布置，如下图

寒星1999 · 发表于 2012-7-7 23:45

今日边设计边整列了一下思绪，列了一个清单如果真干还需要很多的东西要买,
1.手动弯管机一台，预算400-600
2.电焊机一台预算 500-700
3.切割机一台预算200-300
4.钢锯预算 50
5 工作台拿木工板自制一个费用大约200 吧
6 扳手工具一套（可以借到，暂时可不买）
7 现在我能想到的最困难的事情是弯管后的切头，可能需要专用工具....

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2011-12-13 动力学模型搭建

2011-12-14 动力学模型调试

12月14号继续

2011-12-15 前悬架动力学模型调试+后悬架动力学模型建立

2011-12-16 后悬架改型

2011-12-17 后悬架动力学模拟及前悬架几何模型搭建

2011-12-19 后悬架几何模型搭建

2011-12-22 车架的设计

2011-12-27 重要历史性节点

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