推杆摇臂设计报告.docx

1、推杆摇臂设计报告基于 MATLAB 和 CATIA 的大学生方程式赛车悬架系统推杆摇臂设计报告指导老师 ：舒红宇学 生：黄志宇学 号：20156260专业班级 ：车辆工程 04 班. . .重庆大学方程式赛车创新实践班二一七年二月. 专业 .专注 . . .一、引言与轿车悬架不同 ，由于车架的限制 ，导致赛车悬架系统中的减震器和弹簧不能直接与车架相连 ，为了保证赛车平稳行驶和衰减振动的需要，需在减震器 (弹簧 )和悬架横臂之间加装一推杆或拉杆以传递赛车行驶过程中的垂向力 ，如图 1 所示。在赛车转向行驶时 ，由于赛车的载荷转移使得悬架系统的垂向刚度成为了影响汽车操纵稳定性的重要因素 。车轮跳动

2、量与弹簧长度变化量之比 (传动比 )是联系车轮中心刚度和弹簧刚度之间的桥梁 。理想的传动比特性在车轮跳动的过程中应维持一定值 ，这样的传动比可以简化弹簧的设计难度 ，然而由于赛车的空间限制和推杆的加装使得弹簧轴线不一定沿垂向布置，这使得获得恒定的传动比成为了赛车悬架机构设计的难题 。. 专业 .专注 . . .图 1 悬架结构图. 专业 .专注 . . .二、悬架系统方案选型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 。赛车上的双横臂悬架一般有以下三种设计方案 ：推杆不等长双横臂悬架 、拉杆不等长双横臂悬架和无推拉杆不等长

3、双横臂悬架 。综合比较上述三种赛车悬架设计方案 ，并考虑比赛规则对悬架设计的要求 、悬架的制造 、装配、调试难易程度 、可靠性等因素 ，确定赛车前悬架和后悬架均采用推杆不等长双横臂独立悬架 ，如图 2 所示。图 2 推杆不等长双横臂悬架优点是：具有双横臂悬架的优点 ；推杆大部分时间承受轴向压力 ，对杆件型材料来说 ，一般抗压强度要大于抗拉强度 ，即使赛车长时间工作，悬架也不容易折断损坏 ；减振器外置有利于方便调节其阻尼。. 专业 .专注 . . .缺点是：推杆下端直接连接到下控制臂上 ，使得下控制臂承受较大弯矩；减振器和摇臂布置于车架上部 ，整车的重心位置升高 ，不利于赛车的操纵稳定性 ；没有

4、充分利用了车架内的空间 ，不利于赛车车身的流线设计 。三、参数计算3.1 摇臂简介摇臂主要有四个安装孔 ，分别为与车架 、减震器 、推杆、横向稳定杆的铰接孔 ，而其铰接孔和弹簧及推杆的角度决定了悬架的传递比， 在已定的传递比情况下可确定其安装孔的几何关系 ，如图 3所示。图 3 摇臂模型及受力图. 专业 .专注 . . .3.2 悬架刚度计算已知整车参数如 表 1 所以，可进行以下参数计算 。整车质量 簧上质量 msm 非簧质量 m s 轴距 l 前轮距 t F 后轮距 t Rm（kg ） （kg ） （ kg ） （m ） （m ） （m ）321 281.2 39.8 1.55 1.15

5、1.10质心到后质心到侧倾质心高度 h轮胎刚度前悬架侧倾后悬架侧倾轴水平距中心轴线距K T中心高度中心高度(m)(kN/m)Z RF (m)Z RR (m)离 b(m)离 H (m)852.5 0.27 0.2505 190000 0.035 0.045质心到前轴轮胎半径 r前后载荷比 水平距离 a（m ）(m)0.232 45:55 697.5表 1 赛车参数（1）悬架乘适刚度 （轮胎接地点相对车架或车身单位垂直位移时所受的垂向力 ）前轴单侧悬架乘适刚度 ： K RF 4 2 f F2 msmlf. 专业 .专注 . . .后轴单侧悬架乘适刚度 ： K RR 4 2 f R2 msmlr（2

6、）车轮中心刚度 （车轮中心相对车架或车身单位垂直位移时所受到的垂向力 ）前悬架车轮中心刚度 ：后悬架车轮中心刚度 ：KTKRFK WFK RFK TKTKRRK WRK RRK T（3）侧倾角刚度 （车架或车身侧倾单位转角时悬架给车架或车身总的恢复弹性力矩 ）前悬架角刚度 ： K F(tF2 )KlF KrF180(KlFKrF )式中， K lFK rFK WF后悬架角刚度 ： K R(tR2 )K lR K rR180(KlRKrR )式中， K lRKrRKWR（4）侧倾增益 （1g横向加速度下车架或车身侧倾转角的大小）mg HAy K F K R式中， 为车身侧倾角 。（5）侧倾时载荷

7、转移设定赛车以 v 40 km h 通过半径 R 9m的最小弯道 ，则赛车所受的横向加速度为 ：Ayv 2Rg(40 3.6) 2(9 9.8) 1.4 g. 专业 .专注 . . .前轴由于横向加速度所引起的载荷转移为 ：WAyWK F HbZ(RF )FtFKF KRl后轴由于横向加速度所引起的载荷转移为 ：WAyWK RHbZ(RR )RtRKF KRl由以上公式 ，可以继续推导出来前后悬架乘适刚度 ：WF前悬架乘适刚度 ： K RFZWR后悬架乘适刚度 ： K RRZ3.3 偏频计算悬架偏频是指赛车簧上质量无阻尼情况下的固有频率 ，偏频越高 ，则悬架越硬 ，赛车的操控性越好 ；偏频越低

8、 ，则悬架越软 ，赛车的舒适性越好 ，能更好的缓冲路面冲击 。对于偏频来说 ，有以下几点作为选择的原则 ：1.前后悬架应选择不同的偏频以避免发生共振 。2.对于赛车来说 ，对于舒适度的要求要稍微弱一点 ，对赛车操控性的要求会更高一些 ，所以一般选择为 前高后低 。通常来说 ，FSAE 赛车的前后偏频一般取值在 2.43Hz 之间，且前高后低 。将偏频初步假设为 ： f F 2.1Hz , f R 2Hz . 专业 .专注 . . .由 3.2 中的公式 ，可计算出 ：前悬架偏频 ： f F1K RF2msmlf后悬架偏频 ： fR1K RR2msmlr3.4 计算结果最后的要求是我们所假设的偏

9、频与利用假设的偏频求出的偏频应该尽量的相同 ，且还需要保持前高后低 。在这里，利用 MATLAB 进行编程，可以求出较为合适的偏频 。利用 MATLAB 软件计算出的结果为： f F 2.84Hz, fR 2.74Hz 。在此偏频下 ，求出的偏频误差不超过 0.4Hz ，满足要求 。由此可以获得以下数据 ：前轴单侧悬架乘适刚度 ：24632N/m ；后轴单侧悬架乘适刚度 ：18752 N/m ；前悬架车轮中心刚度 ：28289 N/m ；后悬架车轮中心刚度 ：20806 N/m ；前悬架侧倾角刚度 ：326.4874Nm/；后悬架侧倾角刚度 ：219.6953 Nm/ ；侧倾增益 ：- 1.3

10、8 /g ；前轴横向载荷转移 ：647.1738N ；. 专业 .专注 . . .后轴横向载荷转移 ：484.4954N ；前悬架实际上跳行程 ：0.025mm ；后悬架实际下跳行程 ：0.026mm 。3.5 弹簧刚度及传动比计算弹簧是选购的 ，一般是给一个固定的弹簧 ，算出传动比 ，然后设计摇臂 。弹簧有如 表 2 所示下列型号 ：弹簧规格250300350400其他（ lb / in )K s ( kN / m ) 43.75 52.50 61.25 70.00 表 2 弹簧型号悬架传递比是指悬架跳动时车轮中心垂直位移和减振器弹簧轴向位移之比 ，会随悬架跳动发生改变 。传递比与横臂的布置

11、形式 、摇臂的结构 、减振器弹簧的位置联系在一起的 ，在悬架跳动时根据杠杆效应 ，传递比可以把车轮跳动量传递为减振器弹簧的运动 。根据传递比公式 MR KS ，综合考虑 ，前悬架选择 350（ lb / in ) 的弹簧 ，KW后悬架选择 250（ lb / in ) 的弹簧 ，计算得前 、后悬架传动比为 ：MR 1 1.71 , MR 2 1.51 。3.6 阻尼计算减震器的阻尼系数计算公式如下 ：. 专业 .专注 . . .=2 ms 4 ms f式中， 为相对阻尼系数 ， ms 为簧上质量 ， f 为偏频一般情况下 ，压缩行程的相对阻尼系数 Y 会取得小些 ，而伸张行程的相对阻尼系数 s

12、 会取得大些 。无内摩擦的弹性元件悬架取=0.250.35；有内摩擦的弹性元件悬架 ，取小些 。如果行驶路面条件较差 ， 应取大些 ；为避免悬架碰撞车架取 Y 0.5 S综合 FSAE对赛车平顺性的要求 ，确定压缩和伸张行程的阻尼系数为： Y 0.2, S 0.4 。则能计算得到以下数据 ：前悬架压缩阻尼系数 ：YF 4 Y msmlf f F 4 3.14 0.2 67.5 2.74 464.6Ns/ m前悬架回弹阻尼系数 ：SF 4 Smsmlf fF 4 3.14 0.4 67.5 2.74 929.2Ns/ m后悬架压缩阻尼系数 ：YR 4 Y msmlr f R 4 3.14 0.2

13、 67.5 2.64 447.6 Ns / m后悬架回弹阻尼系数 ：SR 4 S msmlr f R 4 3.14 0.4 67.5 2.64 895.3 Ns / m由以上数据可以为选择阻尼器型号提供依据 。. 专业 .专注 . . .四、摇臂的优化设计4.1 摇臂传递比悬架传递比指赛车轮胎跳动的行程的导数比上弹簧行程的导数 。dw即 MRds从减震器手册 中得到摇臂传递比的概念 ，用图 4 来表示图 4 摇臂传递比示意图其中 ABC代表摇臂的三个点 ，其中 C 是定点，为固定在车架上的一点 。AB 是可动点 。 v1 , v2 代表 2 根杆沿推杆方向上的速度 ， 1 表示为杆与 AC 垂

14、线的角度 ， 2 表示为杆与 BC 垂线的角度 ， R 表示为摇臂的角速度 ， l1 表示 AC 的长度， l2 表示 BC的长度， R 表示 AB 与 BC 之间的夹角 , R 为摇臂与水平线的夹角 ，1为推杆与竖直线的夹角 ， 2 为另一推杆与水平线的夹角 ， RD 为 2 根推杆的初始夹角 。A 点的速度 vA R L1 ,由速度投影定理可得到 ：v1 vA cos( 1 ) 即： v1 R l1 cos( 1 ) ，同理 v2 R l 2 cos( 2 ). 专业 .专注 . . .v1Rl1 cos(1 )l1 cos(1 )所以摇臂的传递比 iRl2 cos(2 )l2 cos(2

15、 )v2下面计算前悬架推杆摇臂的传递比 ，图 5 为前悬架的几何关系图。图 5 前悬架几何关系图中推杆铰接点与主销上点距离为 45mm ，上横臂有效长度为280.195mm 。退杆与上横臂夹角为 26.355 。设前摇臂传递比为 i ，则前悬架传递比为1 235.195 sin(35.199 )MR1 (45 235.195)i在前面我们求得前悬架 MR1 1.71，则有 i 0.81 ，即前摇臂的传递比为 0.81。同理，设后摇臂的传递比为 j ，则后悬架的传递比1250.3 sin(38.3 )MR2295.30j解得后摇臂的传递比为 j 0.793. 专业 .专注 . . .4.2 前摇

16、臂设计通过反复画图 ，最终得到如 图 6 所示摇臂三角形图 6 前摇臂三角形确定摇臂的三个点后 ，利用 CATIA 进行形状设计 。图 7 前摇臂设计图. 专业 .专注 . . .4.3 后摇臂设计由于后悬结构的特殊性 ，后悬推杆不能够和后轴在同一垂直平面内，而是和后轴垂直平面呈一定夹角 ，因此在计算其传递比的时候应计算将其等效为推杆与水平面的等效夹角 。在 CATIA 上通过定义点辅助作图 ，可以得到如 图 8 所示的示意图 。图 8 后摇臂三角形示意图前面已经计算出 ，后摇臂传递比为 0.793，通过反复取值 ，最终确定 l1 29.751mm, l2 26mm， l1和 l 2之间的夹角

17、为 53.233 。. 专业 .专注 . . .图 9 后摇臂三角形的水平投影水平面等效夹角我们取 60，则由投影关系 ，可以得到 ，实际摇臂三角形的尺寸 。实际的 l1l159.502mmcos60实际的 l2l252mmcos60其形状如 图 10 所示 。. 专业 .专注 . . .图 10 实际的后摇臂三角形后摇臂的形状设计如 图 11 所示 。图 11 后摇臂设计图. 专业 .专注 . . .五、附录MATLAB 程序clear allclcm=321;msm=281.2;ms=39.8;l=1.55;tf=1.15;tr=1.10;a=0.6975;b=0.8525;h=0.27;

18、H=0.2505;kt=190000;g=9.8;ay=1.4;zrf=0.035;zrr=0.045;z=0.03;m1=0.5*b*msm/l;m2=0.5*a*msm/l;ff0=2.1;fr0=2;while (ff03&fr03)krf=4*pi2*ff02*m1;krr=4*pi2*fr02*m2;kwf=kt*krf/(kt-krf);kwr=kt*krr/(kt-krr);kof=pi*tf2*kwf/360;. 专业 .专注 . . .kor=pi*tr2*kwr/360;wf=ay*m*g/tf*(kof*H/(kof+kor)+b*zrf/l);wr=ay*m*g/tr*(kor*H/(kof+kor)+a*zrr/l);krf=wf/z;krr=wr/z;ff=1/(2*pi)*sqrt(krf/m1);fr=1/(2*pi)*sqrt(krr/m2);if(abs(ff0-ff)=0.2&abs(fr0-fr)fr)ff0fr0endff0=ff0+0.01;fr0=fr0+0.01;end. 专业 .专注 .