FSAE赛车悬架设计与优化.docx
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FSAE赛车悬架设计与优化
FSAE赛车悬架设计与优化
摘要
悬架作为赛车的重要总成之一，对赛车的整体性能影响巨大。
本文以FSAE大赛为背景，以浙江科技学院Attacker3赛车为研究对象，以Attacker2赛车为参照对象，进行一下几项研究与设计：
1、对比螺旋弹簧减震器和空气弹簧减震器，分析两种减震器的刚度变化差异与其在赛车上的不同表现，进行避震器类型选择
2、利用Adams/Car模块建立赛车前后悬架模型，进行运动学仿真分析，并以此为依据，对悬架进行优化，利用Adams/Insight模块对前后悬架的参数进行优化
3、利用Catia建立前后悬架的三维模型，导入Ansys中建立有限元分析模型进行强度分析，并据此进行结构优化
关键词：
FSAE赛车空气避震器运动分析结构优化
Abstract
Suspensionasoneofthemostimportantpartoftheracecar,hasagreatinfluenceontheVehicleperformanceoftheracecar.Inthispaper,inthebackgroundofFormulaSAE,wecarryoutthesestudieswiththeAttacker3fromZhejiangUniversitywithscienceandtechnologyastheobjectandAttacker2asthereference:
1:
CamparingHelicalspringandairspring,findingthedifferencesoftheirstiffnesschangeandperformanceintestsasbasisforchoosingthem.
2:
BuildingfrontsuspensionmodelandrearsuspensionmodelonAdams,anddoingthekinematicsimulationanalysis.Basedontheresult,Performthesuspensionparametersobjective-optimizationdesignonAdams.
3.Buildingthemainpartsofthesuspensionmodels,andimportingthemintoAnsystocarryingoutthestaticanalysis.Accordingtoit,doinglightweightdesign.
摘要。
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目录。
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第一章绪论。
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1.1FSAE大赛简介。
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1.2国内外悬架研究现状。
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第二章悬架系统方案的选择。
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2.1悬架形式的选择。
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2.2避震器类型的选择。
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第三章悬架参数选择。
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3.1轮胎轮辋的选择。
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3.2轴距轮距的选择。
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3.3轮胎定位参数的选择。
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3.4悬架刚度与阻尼的计算。
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第四章Adams运动仿真优化。
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第五章Catia模型建立与Ansys应力分析。
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第六章总结。
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致谢。
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第一章绪论
1.1FSAE大赛介绍
FormulaSAE（FSAE）由国际汽车工程师学会（SAEInternational）于1978年开办，其概念源于一家虚拟制作工厂，向所有大学生设计团队征集设计制造一辆小型的类似于标准方程式的赛车，要求赛车在加速、制动、操控性方面都有优异的表现并且足够稳定耐久。
第一届比赛于1979年在美国休斯顿举行，比赛名为SAE迷你印地车赛（SAEMini-Indy），这也是唯一一次比赛以此命名，参赛的13支队伍中有11支完赛。
当时的规则是制作一台5马力的木制赛车，在整车设计方面将会限制很少，以为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间。
而这一理念延续至今。
自中国2010年举办第一届全国大学生方程式汽车大赛以来，时至今日，全国已有油车车队7余支，电车车队也达到了30多支。
2.2国内外悬架研究现状（未完）
第二章悬架系统方案的选择
2.1悬架形式的选择
2.1.1悬架的分类及其特点
汽车悬架可分为两大类：
非独立悬架和独立悬架。
非独立悬架是两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架（或车身）连接。
非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但由于其舒适性及操纵稳定性都较差，在现代轿车中基本上已不再使用，多用在货车和大客车上。
独立悬架的特点是车桥做成断开式的，每一侧的车轮可以单独地通过弹性悬架与车架（或车身）连接，两侧车轮可以单独跳动，互不影响。
单横臂式具有结构简单，侧倾中心高，抗侧倾能力较强的优点。
但随着现代汽车速度的提高，侧倾中心过高会引起车轮跳动时轮距变化大，轮胎磨损加剧，而且在急转弯时左右车轮垂直力转移过大，导致后轮外倾增大，减少了后轮侧偏刚度，从而出现高速甩尾的严重情况。
双横臂式独立悬架系统按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架系统。
等长双横臂式悬架系统在车轮上下跳动时，能保持主销内倾角不变，但轮距变化大，造成轮胎磨损严重，现已很少用。
对于不等长双横臂式悬架系统，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置、就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。
2.1.2悬架设计方案的比较及其选型
根据比赛规则，赛车所有车轮必须安装有功能完善的、带有减震器的悬架。
在有车手乘坐的情况下，轮胎的跳动行程至少为50.8mm（2英寸），其中向上25.4mm（1英寸），向下25.4mm（1英寸）。
轮距与整车重心必须联合起来以提供充足的侧倾稳定性。
由于高速赛车对操纵稳定性要求较高，同时基于结构、成本费用、空间尺寸等的考虑，赛车一般都采用双横臂式独立悬架。
鉴于往年的经验和考虑到悬架的制造、装配、调试的难易程度、可靠性等因素，我们确定赛车前后悬架都采用推杆不等长双横臂独立悬架。
其优点在于推杆长时间受到轴向压力，对于杆类零件来说，抗压强度一般大于抗拉强度，即使赛车长时间工作，悬架也不容易损坏，减震器外置也方便调节其阻尼。
2.2避震器类型的选择（未完）
一般来说，市场上的避震器由弹性元件和减震器组成。
弹簧减震器的弹性元件为螺旋弹簧，空气弹簧避震器的弹性元件为空气。
螺旋弹簧作为弹性元件，有固定的劲度系数，结构简单可靠，不需润滑。
但是，就是因为每个螺旋弹簧的劲度系数一定，对赛车调教时就需要拆装不同劲度系数的弹簧进行试验，便捷性很差。
空气弹簧作为弹性原件，有良好的非线性特性，刚度可通过调节气压改变，方便调教。
但是劣势也显而易见，不仅造价高，而且需要定时要保养。
在前两年使用螺旋弹簧的基础上，我们决定对两种弹簧在赛车上的表现做一个对比，观察空气弹簧是否更适合在赛车上使用。
第三章悬架参数选择
3.1轮胎轮辋的选择
根据赛事要求6.3.1[1]，赛车轮辋直径必须至少为203.2mm（8.0英寸）。
本赛事常用轮辋尺寸为10英寸和13英寸两种。
为了保证赛车的动力性能，我们沿用了去年的keizer10in轮辋。
轮胎方面，前后轮都采用了hoosier的18*7.5-10的轮胎。
对比上年的轮胎，大小一致的轮胎有利于提高车辆的稳定性，并且大轮胎有利于提高汽车的改善转向反应、更大的接地面积、提高抓地力、加强对路面的全面掌控感。
3.2轴距轮距的选择
根据赛事要求2.3[1]，赛车的轴距至少为1525mm（60英寸），而去年的轴距选择了1540mm。
为了保证发动机、减速器等总成的拆装维护的便利性，适当加长了轴距，定为1560mm。
根据赛事要求2.4[1]，赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。
为了轻量化的目标，后轮距适当减少为1160mm，前轮距沿用1200mm以保证稳定性，1160mm是否适用，由计算论证。
3.3轮胎定位参数的确定
车轮定位参数是指车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角和前束角，用以保证对前轮在底盘上空间位置的精确定位。
它们的主要作用是保证车辆直线行驶稳定性及转向轻便性，使前轮转向后车轮具有自动回正作用。
同时，要求前束和外倾有合理的匹配关系，使车轮在直线或转向行驶时磨损最小。
主销内倾角:
为由车前看转向轴中心线与垂直线所组成的角度。
有了主销内倾角可使车重平均分布在轴承之上，保护轴承不易受损，并使转向力平均，转向轻盈。
反之，若主销内倾角为0
，则车重和地面的反作用力会在轴承处受损，转向也会变得沉重。
此外，主销内倾角也是前轮转向后回正力的来源。
增大内倾角可使主销轴线与路面支点到车轮中心平面与地面交线距离减小，从而减小转向时方向盘上的力，使转向操作轻便。
主销后倾角：
为由车侧看转向轴中心线与垂直线所成的角度，向前为负，向后为正。
主销后倾角的存在可使转向轴线与路面的交会点在轮胎接地点的前方，可利用路面对轮胎的阻力让汽车保持直行。
主销后倾角越大的车的直行性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但却会使转向变得沉重。
车轮前束：
为由车正上方向下看，轮胎中心线与汽车纵向轴线所成的角度。
总前束值等于两个车轮的前束值之和，即两个轮胎中心线的夹角。
前束角的功用在于补偿轮胎因外倾角及路面阻力所导致的向内或者想向外滚动的趋势，以确保汽车的直进性。
负前束，使车转向响应更快，入弯快，减少过弯时间。
车轮外倾角：
为由车前方看轮胎中心线与垂直线所成的角度。
其角度的不同，改变轮胎与地面的接触点及施力点影响轮胎抓地力及磨损状况，并改变车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。
此外，外倾角的存在也会影响汽车的行进方向。
因此左右轮的外倾角必须相等，在力的平衡下不致影响汽车的直进性。
基于FSAE赛车的结构、操控性和使用情况考虑，国内外FSAE赛车车轮定位参数一般在表2-1所示的范围内选取。
表2-1FSAE赛车车轮定位参数取值范围
定位参数
外倾角
内倾角
后倾角
前束角
前悬架
-3°～0°
4°～8°
0°～5°
-2°～2°
后悬架
-3°～0°
0°
0°
0°
赛车的前轮定位参数一般是负外倾角搭配负前束，这样选择的原因主要有以下几点：
（1）负外倾角在赛车高速转弯时，能抵消因横向离心力导致车轮外倾角往正方向变化的趋势，使车轮保持和地面的良好接触，增强轮胎地面附着力，确保赛车顺利过弯。
（2）负前束能使赛车的转向响应更快。
赛车一般是在弯道比较多的赛道上行驶，负前束能使赛车入弯更快，减少过弯道的时间。
（3）负外倾角搭配负前束，确保赛车的直线行驶稳定性，减少轮胎磨损。
再由于去年转向会正力过小，今年的主销内倾角较去年增大1°，从而减小转向时方向盘上的力，使转向操作轻便。
结合主销后倾角越大的车的直行性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但却会使转向变得沉重，因此今年的主销后倾角也相应的减小了2°以加强赛车操纵性。
再由于去年转向会正力过小，今年的主销内倾角较去年增大1°，从而减小转向时方向盘上的力，使转向操作轻便。
结合主销后倾角越大的车的直行性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但却会使转向变得沉重，因此今年的主销后倾角也相应的减小了2°以加强赛车操纵性。
综合各种因素考虑以及与去年车轮定位参数表2-2的对比与优化，我校的FSAE赛车车轮定位参数如下表2-3所示
表1-22015车轮定位参数
定位参数
外倾角
内倾角
后倾角
前束角
前悬架
-1°（可调）
4°
4.5°
-1°（可调）
后悬架
-1°（可调）
0°
0°
0°（可调）
表1-32016车轮定位参数
定位参数
外倾角
内倾角
后倾角
前束角
前悬架
-1°（可调）
5°
2.5°
-1°（可调）
后悬架
-1°（可调）
0°
0°
0°（可调）
再由于去年转向会正力过小，今年的主销内倾角较去年增大1°，从而减小转向时方向盘上的力，使转向操作轻便。
结合主销后倾角越大的车的直行性越好，转向后方向盘的回复性也越好，但却会使转向变得沉重，因此今年的主销后倾角也相应的减小了2°以加强赛车操纵性。
3.4悬架刚度与阻尼计算
3.4.1刚度
3.4.1.1总刚度K（乘适刚度）
因为所以
所以
3.4.1.2悬架刚度
悬架和轮胎串联成为总的刚度，上面算出来的K为总刚度，还要去掉轮胎的刚度。
有公式
即
Kw为悬架刚度
KT为轮胎径向刚度参考资料KT=2000lb/in一磅是0.45359kg
即KT=350000N/m=350KN/m
所以
3.4.1.3弹簧刚度及传递比
弹簧是选购的，一般是给一个固定的弹簧，算出传递比，然后来设计摇臂
弹簧有如下型号系列
KITS1
（lbs/in）
150
175
200
225
KN/m
26.26
30.65
35.025
39.4
KITS2
（lbs/in）
150
250
350
450
KN/m
26.26
43.78
61.29
78.81
KITS3
（lbs/in）
350
450
550
650
KN/m
61.29
78.81
96.32
113.83
前悬架选350lb/in弹簧（61.29KN/m）
则摇臂传递比MR=
前悬架传递比MR1=1.5
后悬架选450lb/in弹簧（78.81KN/m）
后悬架传递比MR2=1.6
3.4.2悬架静挠度
悬架静挠度是指赛车静止时悬架上载荷与悬架刚度之比。
前悬架静挠度：
fc1=（Ms/2*g）/Kw1=（0.5/n1）^2=0.0230m=23.0mm
后悬架静挠度：
3.4.3侧倾角刚度
3.4.3.1目标0侧倾角刚度
h0是侧倾轴线的高度;
hs是簧载质量质心距侧倾轴线的距离。
簧载质量质心
=
在Ay的侧向加速度下，车身绕侧倾轴线转过角度φ，侧倾角刚度为
簧载质量离心力引起的侧倾力矩
侧倾后，簧载质量重力引起的侧倾力矩；
非簧载质量离心力引起的侧倾力矩；
则有：
所以有：
Rollgain:
侧倾增益，在1g侧向加速度下，车身的倾角。
车身倾角大，则不稳定；倾角小，则悬架太硬。
按照资料，取Rollgain=1.1˚/g
即在1g的侧向加速度下，车身倾角不应该大于1.1˚（0.0191986）.
所以目标侧倾角刚度
=39843N·m/rad
=695N·m/˚
3.4.3.2悬架的侧倾角刚度
KR1=24.22kN/m
KR2=19.66kN/m
则
=304.36N·m/˚
=230.86N·m/°
则=+=535.22N·m/°
显然还得加横向稳定杆
=-=695-535.22=159.78N·m/˚
3.4.3.3横向稳定杆侧倾角刚度的分配问题
上面已求得横向稳定杆侧倾角刚度=159.78N·m/˚
但是前后如何分配呢？
是平均分配，还是如何呢？
（1）稳定性因数
K=
K为稳定性因数
k1，k2为前后轮胎的侧偏刚度，为负值，因为咱们的轮胎前后一样，一般k1=k2，
有K==11.1/k<0
K<0，为过多转向。
赛车希望有稍微的过多转向，以求在过弯时迅速入弯。
但过多转向不宜大，因为过多转向会导致不稳定。
我们现在的情况就是过多转向。
（2）侧倾时轮荷重新分配
车身侧倾时，会有左右轮的轮荷重新分配。
前轮轮荷转移大，则增加不足转向。
后轮轮荷转移大，则增加过多转向。
轴荷分配是47%front,
则轮荷分配是52%front
即0.52（∆Fz1+∆Fz2）=∆Fz1
在1g的侧向加速度下，有1.1˚的车身侧倾角
∆Fz1=
∆Fz2=
有
所以有：
-1.12=43.35
+=695
所以=387.618N·m/˚=307.382N·m/˚
悬架侧倾角刚度=304.36N·m/˚=230.86N·m/°
所以=83.258N·m/˚=76.522N·m/˚
第四章Adams运动仿真优化
4.1Adams/Car模型建立
4.2前后悬架运动仿真
4.3Adams/Insight悬架参数优化
优化后的前悬车轮外倾角的变化率
优化后的前悬后倾角的变化率
优化后的前悬主销内倾角
优化后的前悬前束角的变化率
优化后的后悬车轮外倾角的变化率
优化后的后悬主销后倾角的变化率
优化的后悬主销内倾角的变化率
的后悬前束角的变化率
第五章Catia模型建立与Ansys应力分析
5.1基于Catia的悬架模型建立
前后立柱、轮边、摇臂等管件部位由于受力复杂，为了保证其强度刚度与轻量化，均采用7075铝材。
图1前立柱
前立柱（图1）上吊耳与下转向节臂采用分离式设计，方便维护。
上吊耳的分离式设计方便加垫片调节外倾角与内倾角。
图2后立柱
后立柱将限制臂吊耳做分离设计，极大减小了下部分的体积与质量，有效避免了立柱与轮辋的干涉。
由于后悬架推杆采用上置，后立柱上部分受力较大，便不做过多的减重处理。
而由于是后轮驱动，
5.2基于Ansys的悬架主要部件受力分析
第六章总结
参考文献
[1]中国大学生汽车方程式大赛规则，2016
[2]宋传学，蔡章林．基于ＡＤＡＭＳ／ＣＡＲ的双横臂独立悬架建模与仿真[J]．吉林大学学报（工学版），2004，34（4）：
554－558
[3]WilliamFMilliken,DouglasL.Miliken.RaceCarVehicleDynamics[M].SocietyofAutomotiveEngineersInc，2003
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