大学生方程式赛车悬架设计.docx

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大学生方程式赛车悬架设计

前言

1.1目的与意义

悬架通过吸收车辆振动来改善乘坐舒适度[1]。

悬架运动学特性是一些悬架结构参数随车轮跳动的变化规律,与悬架的导向机构有关.。

这些参数的变化会使车轮的地面附着情况及滚动趋向发生变化,进而影响车辆的动力性、制动性和操纵稳定性等性能[2][3][4]。

双横臂悬架系统常用在后轮驱动的汽车中，双横臂独立悬架是现代汽车常用的结构形式，特别是在赛车上得到了广泛的应用，其设计好坏对操纵稳定性、平顺性和安全性有着重要的影响[5]。

操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度,而且也是决定汽车高速安全行驶的一个主要性能。

FSAE赛车悬架系统进行设计的目的与意义，在于探讨悬架运动学参数的变化规律，为赛车调试提供理论依据。

确保赛车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。

确保所设计悬架在车队赛车上运用的可行性和可靠性。

1.2赛事概述

1.2.1赛事简介

中国大学生方程式汽车大赛（以下简称"FSAE"）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。

FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。

FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。

比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。

在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。

同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。

1.2.2赛事意义

目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。

从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。

大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：

一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；

二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；

大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。

在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIAUGANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。

与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。

FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。

1.3国内外研究现状

1.3.1国内研究现状

我国从80年代开始逐步开展对汽车悬架运动学的研究，研究成果则多见于90年代。

其中，中国工程院院士郭孔辉所著的《汽车操纵稳定性》对悬架运动学作了最为系统的分析，并且在国内首次提出了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学[6]。

吉林大学的林逸教授等人在90年代也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元件的基本性能，着重分析了独立悬架中橡胶元件对汽车操纵稳定性的和平顺性的影响，并提出了处理运动学问题的思路和方法[7]。

清华大学张越今博士著的《汽车多体动力学及计算机仿真》一书，重点介绍了整车多体系统弹性模型的建立方法[8]。

文献[9]运用ADAMS/Car软件建立了某车双横臂独立悬架模型，在理论验证的基础上揭示了该悬架的运动规律。

实验结果证明：

适当调整下控制臂与车架前安装点的位置，可使悬架的抗点/抬头性能、悬架刚度和侧倾角刚度得到明显改善。

仿真分析结果与理论计算结果对比表明，该方法可以准确地计算悬架的多种性能参数。

文献[10]利用ADAMS，建立了某双横臂独立悬架虚拟样机模型，并进行了运动学仿真分析。

在对车轮的侧向滑移进行详细分析的基础上，进一步优化设计，从优化结果看，车轮接地点侧向滑移量可以显著降低，轮胎的磨损情况将大为改善。

文献[11]作者利用空间解析几何的方法，对双横臂独立悬架进行运动学分析，由于此方法计算过程中无需进行坐标变换，简化了运动分析过程,使得计算更加方便，易于工程实际应用。

文献[12]通过运用ADAMS软件对双横臂独立悬架进行数学建模、仿真，分析该悬架的几个定位参数在车轮上下跳动时的变化，保证了汽车具有不足转向特性和回正特性，从而更好地指导设计。

1.3.2国外研究现状

国外发达国家对车辆悬架运动学的研究起步较早，几乎同步于独立悬架诞生之日。

德国的Prof.J.Reimell（耶尔森·赖姆帕尔）著的《汽车底盘技术》对各种悬架运动学作了详细的分析，对车轮定位参数做了准确的定义，分析了他们的作用及其对整车操纵稳定性的影响。

在悬架运动学分析中，描述了弹簧变形过程中车轮定位值的变化过程：

描述了弹簧各部件及铰接处具有弹性，由轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位值的变化，并且给出了一些典型车型的车轮定位参数的变化曲线，这些变化曲线都是实测得到的，可以用来进行操纵稳定性的评价[13]。

由阿达姆·措莫托著的《汽车行驶性能》和安培正人著的《汽车的运动与操纵》，介绍了悬架运动学对汽车行驶性能的影响，在悬架运动学对汽车操纵稳定性的影响方面进行了较为系统的分析[14][15]。

WolfgangMatschinsky编写的《车辆悬架》从悬架的理论建模、橡胶支撑的模型出发对悬架运动学特性的理论分析作了较为深入的研究。

在悬架运动学分析中，将悬架简化成多连杆机构，用图解法来分析轮胎的跳动所引起的悬架变形；在悬架动力学分析中，则对悬架模型作了受力分析，推导出变形与力的关系，并将橡胶衬套铰接的处理简化成三根两两垂直的弹簧[16]。

德国的M.米奇克在《汽车动力学》卷C中详细介绍了汽车操纵稳定性和悬架性能之间的关系，并根据各种不同实车数据分析了不同子系统如转向系统、助力系统及悬架系统的各个参数对整车操纵稳定性的影响[17]。

文献[18]针对双横臂悬架，建立了开环和闭环1/4整车实验模型，利用点对点坐标方程的方法，用10个质点所建立的31×31稀疏矩阵取代具体模型，经过约束及自由度处理后，等价方程能全面的表达模型特性，接着对该数学方程模型进行测试实验，分析了位移和加速度变化曲线。

文献[19]详细介绍了澳大利亚南昆士兰大学2005年FSAE赛车悬架的设计过程。

包括前轮定位参数的选取、控制臂、转向节、摇臂和防侧倾杆的设计、弹簧阻尼器的选取等。

另外，还利用有限元软件对之前偏重的转向节和轮毂进行了结构优化设计。

文献[20]和文献[21]详细介绍了各种赛车的设计过程，包括悬架所有参数的定义和选取原则、悬架的正视、侧视与空间几何学、悬架各种参数对悬架的影响程度、悬架的类型、防侧倾杆的设计、弹簧与阻尼器的计算选择等，是赛车悬架设计的重要理论依据。

1.4研究方法与实施方案

1.4.1研究方法

车轮定位参数：

以整车参数为基础，通过几何作图确定各定位参数；

刚度与阻尼：

参考各版本汽车设计丛书，选取合适公式进行计算；

零部件设计：

使用UG软件，做出各零件模型，然后装配；

强度校核与运动学分析：

应用UG软件中的对应模块，对悬架进行校核与分析。

1.4.2实施方案

FSAE赛事规则要求赛车悬架应该保证汽车具有良好的行驶平顺性；合适的衰减振动能力；良好的操纵稳定性；赛车制动和加速时能保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角合适；结构紧凑，避免发生运动干涉；能可靠地传递车身和车轮之间的各种力和力矩，保证有足够的强度和使用寿命；便于布置、维修和保养。

依据赛事规则要求FSAE赛车悬架系统设计的流程为：

选择轮辋和轮胎；

确定轮距和轴距；

车轮定位参数的确定；

弹性元件和减震器的选择与计算；

导向机构零部件设计；

强度校核。

摘要

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。

其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证汽车操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。

本文设计严格遵守FSAE（大学生方程式赛车）规则及赛车设计具体参数要求。

提出三种悬架设计方案，通过比较结构优缺点来确定悬架的类型为：

不等长双横臂式独立悬架。

悬架设计过程分为：

悬架参数计算，包括车轮定位参数选定，悬架几何计算，悬架刚度计算，减震器选型与计算；

建立三维模型，包括转向节，上横臂，下横臂，推杆，减震器和车轮与转向节连接部分设计，装配；

对关键部件进行有限元分析；

运动学仿真。

关键词：

大学生方程式赛车，悬架，双横臂，建模，运动仿真

Abstract

Thesuspensionsystemisoneofthemostimportantassembliesinmodernvehicle.Itconnectsframe（orbody）withaxles（orwheels）flexibly.Thesuspensionsystemcanconvertforcesandmomentsfromwheelsintoframe（orbody）,andabsorbtheshockandvibration.Ensuringtherideperformance,itcanalsokeepthecontactbetweenwheelsandground,andcanmakethecartoobtainvehiclehandling,stability,andhighspeedcapability.

ThisdesignfollowsthespecificrulesofFSAE（FormulaStudentracingcar）racingdesignandparameters.Threetypesofsuspensiondesignareproposed.Ensuringtherideperformance,itcanalsokeepthecontactbetweenwheelsandground,andcanmakethecartoobtainvehiclehandling,stability,andhighspeedcapability.

Suspensiondesignprocessisdividedinto:

Suspensionparametercalculation,includingwheelalignmentparameters,thesuspensiongeometry,stiffness,andshockabsorbersselection;

Athree-dimensionalmodel,includingsteeringknuckles,upperarm,lowerarm,pushrod,shockabsorbers,andassembly;

Finiteelementanalysisofthekeycomponents;

Kinematicssimulation.

Thesemodeling,finiteelementanalysisandkinematicssimulationarerunninginUGNX8.0software.Thecalculationappliestheknowledgeofmaterials,mechanicaldesign,automobiledesignandtheory.

Keywords:

fsae,suspension,doublewishbone,modeling,kinematicssimulation

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