（光学工程专业论文）fsae赛车前悬架仿真分析及转向节优化研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员签名( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 呼毛景 c 念j 2 l 巳互坐婚勰蔽) 泓牝 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：互松 签字日期：- , p - q 碑脑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权合肥工业大学可以将学位论文的全部或部分论文内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 立核 签字日期：x 小1 年午月叫厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月e l 电话： 邮编： f s a e 赛车前悬架仿真分析及转向节优化研究 摘要 悬架是赛车上的重要总成之一，它对赛车的各项性能有着重要的影响，尤 其是对赛车的操纵稳定性影响很大，而高速赛车对操纵稳定性的要求又非常地 高，所以，本文在多体动力学的基础上对前悬架进行了优化研究。另外，转向 节作为赛车上的主要承载件，关系着前轮定位的大部分参数。为保证前轮的各 个定位参数在赛车行驶过程中的准确性，就要使转向节具有足够的刚度和强度， 但也不能使转向节过于笨重，本文在有限元分析的基础上，在保证各个参数的 情况下，进行转向节优化，实现了减轻零件质量的目的。 本文根据中国大学生方程式汽车大赛规则( 2 0 1 0 版) 要求，进行了f s a e 赛车的悬架及相关零部件的设计和制造，在a d a m s c a r 环境下，建立了f s a e 赛车前、后悬架的仿真虚拟模型并进行了整车虚拟模型的装配，然后通过实车 试验验证了所建立的虚拟模型的准确性。在此基础上运用所建立的前悬架的虚 拟模型进行了仿真分析。分析了前悬架系统的车轮定位参数随车轮跳动的变化 曲线，然后利用a d a m s i n s i g h t 模块对该赛车前悬架的相应定位参数进行了 优化。优化结果表明：优化后的前悬架大大改善了赛车的运动学性能。此外， 建立了转向节的有限元模型，并进行了静力学计算和模态分析。在此基础上提 出了转向节的两种结构改进方案。综合比较两种方案的优缺点得出第二种改进 方案是可行的改进方案。通过利用有限元计算的结果指导转向节的设计和优化 工作，大大地缩短了转向节的设计开发的周期，降低了开发成本。 本论文的研究工作为赛车的设计、制造与调试提供了重要的理论依据，也 为合肥工业大学下一届赛车的制作积累了宝贵资料。文中所用到的理论与方法， 对其他车辆的设计与制造也具有一定的参考价值。 关键词：f s a e ，赛车，悬架，转向节，优化 t h es i m u l a t i o no ff r o n ts u s p e n s i o na n ds t e e r i n g k n u c k l eo p t i m i z a t i o no ff s a er a c i n g a b s t r a c t s u s p e n s i o ni s o n eo ft h ei m p o r t a n t i m p o r t a n t e f f e c to nt h ep e r f o r m a n c eo f a s s e m b l i e so nt h er a c i n g ，i th a s a n t h er a c i n g ，e s p e c i a l l yf o rh a n d l i n g s t a b i l i t y a n dh i g h s p e e dr a c i n g c a l l sf o rb e t t e rh a n d l i n gs t a b i l i t yp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ，t h ef r o n ts u s p e n s i o nw a so p t i m i z e do nt h eb a s i so fm u l t i - b o d yd y n a m i c s i nt h i sp a p e r i na d d i t i o n ，t h es t e e r i n gk n u c k l eb e a r sm o s to ft h e f r o n tw h e e l a l i g n m e n tp a r a m e t e r sa st h em a i nl o a dp a r t o nt h er a c i n g t h es t e e r i n gk n u c k l e s h o u l dh a v es u f f i c i e n ts t i f f n e s sa n ds t r e n g t ht oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h ef r o n t w h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r si nt h er a c i n gd r i v i n g ，b u td on o tm a k et h es t e e r i n g k n u c k l et o oh e a v y s ot h es t e e r i n gk n u c k l ew a so p t i m i z e dt or e d u c ei t sq u a l i t yi n c a s eo fe n s u r i n gt h ea c c u r a c yo ft h ef r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r so nt h eb a s i s o ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ef s a er a c i n g ss u s p e n s i o nw a sd e s i g n e da n dm a d ea c c o r d i n gt of o r m u l a s a eo fc h i n ac h i n e s er u l e s ( 2 010v e r s i o n ) f s a er a c i n g sm o d e lw a se s t a b l i s h e d a f t e rt h ef r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o nc r e a t e di na d a m s c a ra n dv e r i f i e db yr e a l v e h i c l et e s t s t h e nt h e f r o n t s u s p e n s i o nm o d e lw a ss i m u l a t e d a n dt h ef r o n t s u s p e n s i o na l i g n m e n tp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e da f t e ra n a l y z i n gt h ec u r v e o ft h e m c h a n g i n gw i t ht h ew h e e l s j u m p i n g t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e r a c i n gw a si m p r o v e dg r e a t l y f u r t h e r m o r e ，t h es t a t i cc a l c u l a t i o na n dm o d a la n a l y s i s w e r ec a r r i e do u ta f t e rt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es t e e r i n gk n u c k l e w a s e s t a b l i s h e d ，t h e nt w oi m p r o v i n gs c h e m e sf o rs t e e r i n gk n u c k l e w e r ep r o p o s e d a f t e r c o m p a r i n gt h e s et w oi m p r o v i n gs c h e m e s ，w ek n o wt h es e c o n do n ei s b e t t e r t h e t i m ea n dt h ec o s to ft h ed e s i g nw e r ec u td o w ng r e a t l yb yu s i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t s r e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rp r o v i d e da ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i s f o rt h e r a c i n g sd e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n dd e b u g g i n g a n dt h et h e o r ya n dm e t h o di n v o l v e d i nt h ep a p e rc a na l s ob eu s e di 1 1o t h e rv e h i c l e s d e s i g na n dm a n u f a c t u r e k e y w o r d s lf s a e ，r a c i n g ，s u s p e n s i o n ，t h es t e e r i n gk n u c k l e , o p t i m i z a t i o n 致谢 三年的研究生生涯转眼间就结束了，回想从刚踏进合肥工业大学校门到即 将离开可爱的母校，思绪万千，这一路走来有太多美好的记忆，太多需要感谢 的人。 首先应该感谢张代胜教授和陈朝阳教授，感谢两位导师在我研究生学习期 间在生活上、学习上无微不至的关怀，是你们深厚的学术功底、严谨的治学态 度指导我顺利完成学业。两位老师高尚的人格品质和豁达宽广的胸襟使我受益 匪浅，是我一生学习的榜样。 还要感谢谭继锦副教授和车队姜武华老师在学习上给予的指导和帮助，感 谢陈无畏教授对论文提出的宝贵意见，感谢徐建中老师、王荣贵老师在项目完 成期间给予的指导和帮助。在研究生阶段的学习中，从各位老师身上学习到的 丰富的理论知识和扎实的实践能力将是我今后工作中的宝贵财富，各位老师锲 而不舍的钻研精神和对人生对事业真诚和严谨的态度，将是我人生道路上的指 路明灯。 感谢我的家人，是你们一直支持和鼓励我，让我在科研学习的路上从不惧 怕困难和挫折，我将用我最大的努力报答你们。 最后感谢我身边的同学、实验室的研究生，是大家共同创造了一个温馨的 学习环境和美好的生活环境，是你们陪伴我度过令我今生难忘的幸福时光。 即将离开之际，祝福你们工作、学习和生活愉快，把我最真挚的感激之情 送给这许许多多关心、爱护我的人! 谢谢你们! 作者：王松 2 0 1 1 年4 月 目录 第一章绪论”l 1 1中国f s a e 赛事简介l 1 2本文研究的目的及意义“2 1 3多体系统动力学及有限元技术的国内外研究概况2 1 3 1多体系统动力学的国内外研究概况”2 i 3 2有限元技术的国内外研究概况5 1 4赛车悬架系统的国内外研究概况”5 1 5课题的来源和研究的主要内容”8 第二章f s a e 赛车悬架的设计及虚拟模型的建立1 1 2 1f s a e 赛车悬架概述l1 2 1 1f s a e 赛车悬架概述1 1 2 1 2f s a e 赛车悬架参数1 1 2 2f s a e 赛车悬架的设计与制造1 1 2 2 1轮辋的选择1 2 2 2 2轮胎的选择1 2 2 2 3轴距和轮距的确定1 2 2 2 4初始运动学设计和优化1 3 2 2 5三维模型建立和空间安装1 8 2 2 6悬架零件强度分析2 1 2 2 7悬架零部件加工和组装3 2 2 3f s a e 赛车整车虚拟模型的建立3 3 2 3 1a d a m s 软件简介3 4 2 3 2车辆建模参数准备3 5 2 3 3前悬架仿真虚拟模型的建立3 6 2 3 4后悬架仿真虚拟模型的建立“3 8 2 3 5整车虚拟模型的装配3 8 2 3 6 虚拟模型的验证3 9 2 4本章小结4 l 第三章f s a e 赛车前悬架仿真及优化4 2 3 1前悬架的仿真一4 2 3 2前悬架的优化分析”4 4 3 3本章小结4 7 第四章f s a e 转向节有限元分析及优化4 8 4 1f s a e 转向节概述4 8 4 2有限元法的基本理论与方法4 8 4 2 1弹性力学的基本假定4 9 4 2 2弹性力学问题j 4 9 4 2 3 有限元软件的介绍5 1 4 3 有限元模型的建立5 1 4 3 1模型处理5 1 4 3 2网格划分5 2 4 3 3约束和加载5 4 4 4 有限元分析计算5 7 4 4 1 静力学计算5 7 4 4 2模态分析5 8 4 5 本章小结6 0 第五章f s a e 转向节的结构改进设计6 1 5 1转向节改进概述6 1 5 2 转向节的第一种改进方案6 1 5 2 1转向节的改进方案的总述”6 1 5 2 2转向节改进后的有限元分析”6 1 5 2 3第一种改进方案的优缺点”6 2 5 3转向节的第二种改进方案”6 3 5 3 1第二种转向节的改进方案总述6 3 5 3 2第二种改进方案的转向节有限元分析6 3 5 3 3第二种改进方案的优缺点”“ 5 4 不同改进方案的总结6 5 5 5 本章小结6 5 第六章结论与展望6 6 6 1 结论”6 6 6 2展望- 6 7 参考文献6 8 硕士期间参与的科研项目”7 1 攻读硕士学位期间发表的论文7 1 插图清单 图1 1 方程式赛车轮毂6 图1 5 侧视图8 图1 - 6 俯视图8 图1 7 悬架结构1 0 图2 1 轴距选择示意图1 3 图2 2 前悬架设计平面示意图1 4 图2 3 后悬架设计平面示意图一1 5 图2 - 4 前立柱、轮毂平面设计原理图1 6 图2 5 悬架抗纵倾原理图“1 6 图2 1 0 前悬架传力机构模型图2 0 图2 1 5 轮毂的加载受力分析图2 2 图2 1 6 轮毂的总的位移图2 2 图2 1 7 轮毂的等效应力云图”2 3 图2 1 8 轮毂的安全系数云图2 3 图2 1 9a 臂的加载图2 4 图2 2 0 a 臂的总位移图2 4 图2 2 1a 臂的等效应力云图2 5 图2 2 2a 臂的安全系数图2 5 图2 2 4 a 臂的y 方向的位移图“2 6 图2 2 5a 臂的z 方向的位移图2 6 图2 2 6 a 臂在制动状态下的加载图2 7 图2 2 7 a 臂在制动时的总的位移图2 7 图2 2 8a 臂在制动时的等效应力云图2 8 图2 2 9a 臂在制动时的安全系数云图“2 8 图2 - 3 0a 臂在制动时的x 方向的位移图2 9 图2 3 1a 臂在制动时的y 方向的位移图2 9 图2 3 2 a 臂在制动时的z 方向的位移图3 0 图2 3 3 摇臂的加载图3 1 图2 3 4 摇臂的总的位移图3 1 图2 3 5 摇臂的等效应力云图3 2 图2 4 0 整车仿真模型“3 9 图3 1 悬架仿真分析流程图4 2 图3 2 前轮主销内倾角随车轮上下跳动的变化曲线“4 3 图3 3 前轮主销后倾角随车轮上下跳动的变化曲线4 3 图3 - 4 前轮外倾角随车轮上下跳动的变化曲线4 4 图3 5 前轮前束随车轮上下跳动的变化曲线4 4 图3 8 前轮前束角随车轮上下跳动的变化曲线“4 6 图4 1 单元分析步骤框图4 9 图4 - 2 整体分析步骤框图5 0 图4 3 转向节导入的s o l i d 模型5 2 图4 4 转向节网格划分简图5 2 图4 5b e a m 4 的分析图5 3 图4 6b e a m 4 梁单元与s o l i d 4 5 单元耦合图5 4 图4 7 转向节与各个部件作用关系简图5 5 图4 8 转向节受力简图5 5 图4 9 转向节约束图5 6 图4 1 0 转向节下铰接处约束图5 6 图4 1 1 转向节作用力加载和端面约束简图5 7 图4 1 2 模型修改前的应力云图5 8 图4 1 3 模型修改前的应变云图”5 8 图5 1 第一种改进方案的转向节三维模型6 1 图5 2 第一种改进方案的转向节网格划分模型6 2 图5 5 第二种改进方案的转向节实体模型6 3 图5 - 6 第二种改进方案的转向节网格划分模型“ 表格清单 表1 1 项目名称和最高得分表”2 表1 2 赛车总体尺寸规格表”8 表1 3 悬架参数表9 表2 1 仿真结果4 0 表2 2 时间对比”4 1 表3 1 优化前后参数的变化量对比”4 7 表5 i 不同改进方案的比较表”6 5 第一章绪论 1 1中国f s a e 赛事简介 。 大学生方程式汽车大赛由美国汽车工程师协会( s a e ) 于1 9 7 9 年创办，目前 已经有二十余年的历史，美国、英国、德国、意大利、澳大利亚及巴西都举办 该赛事，日本也于2 0 0 3 年加入该赛事的推广，借以培养和训练汽车工程人才。 2 0 1 0 年第一届中国大学生方程式汽车大赛由中国汽车工程学会、中国二十所大 学汽车院系、易车集团联合发起举办。 中国大学生方程式汽车大赛秉持“中国创造擎动未来 的远大理想，立足 于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家方程式汽车大 赛的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流 盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。该赛事致力于为国内优秀汽 车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制 造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专 业学生的综合素质，为中国汽车产业的的发展进行长期的人才积蓄，促进中国 汽车工业从“制造大国 向“产业强国的战略方向迈进。 赛事对赛车各系统的材料，结构等都提出了一些具体规定，但是比赛规则 比较开放，以鼓励学生的原创设计。比赛的基本规则如下： 赛车必须车轮外露和座舱敞开、且四个车轮不能在一条直线上； 2 0 1 0 年中国大学生方程式汽车大赛统一采用春风c f l 8 8 发动机；轴距不小 于1 5 2 5 m m ( 6 0 英寸) ；轮辋不小于8 英寸；赛车较小轮距必须不小于较大轮距 的7 5 ；在测试中能够抱死所有四个车轮；悬架行程不小于5 0 8 r a m ( 2 英寸) ； 大量安全和结构强度要求；整车成本不大于8 万元。 比赛车辆必须由学生自行构思、设计、制造和维修，在此过程中不能有专 业的机械工程师、汽车工程师、赛车手、机械师或相关的专业人员直接参与。 2 0 1 0 年中国大学生方程式汽车大赛的比赛项目如表1 1 所示，通过这些项 目来系统的评判车队的设计、制造和测试的能力【l 】。 项目分值分配如表1 1 。 表1 1 项目名称和最高得分表 项目名称最高分值 静技术检查不计分 态成本与制造分析 10 0 项 营销报告 7 5 目 赛车设计 15 0 动 直线减速测试 7 5 态 8 字绕环测试 5 0 项 高速避障测试 15 0 燃油经济性测试 1 0 0 目 耐久测试 3 0 0 总 1 0 0 0 分 1 2本文研究的目的及意义 汽车悬架系统对汽车整车的操纵稳定性、乘坐舒适性等行驶动力学性能有 很重要的影响，对汽车总布置、运动校核有很重要的意义。在传统过程中，必 须边试验边改进悬架系统设计、试验、试制，整个产品研发时间长，且需要花 费大量的财力。基于a d a m s 的虚拟样机技术的使用可大大缩短悬架系统设计 开发时间，使产品开发费用和成本更低，产品质量也更好，提高产品的系统性 能，得到最优而且具有创新的设计产品。 本课题通过对f s a e 赛车进行整车动力学研究，应用大型仿真软件a d a m s 建立f s a e 赛车的悬架及整车的仿真分析模型，验证了模型的准确性，然后通 过仿真分析得出悬架的各项性能参数，分析悬架性能参数并进行了前悬架的优 化。为赛车的设计、制造与调试提供了重要的理论依据，也为合肥工业大学下 一届赛车的制作积累了宝贵资料。最后进行了f s a e 赛车转向节的有限元分析 工作，并且提供了转向节的结构改进设计方案，在保证各个参数的前提下，提 高了赛车的操控性能，同时也减轻了零件的质量，降低了赛车的设计制造成本。 1 3多体系统动力学及有限元技术的国内外研究概况 1 3 1多体系统动力学的国内外研究概况 。 以经典力学为基础发展起来的，用以研究多体系统的运动规律的科学被称 为多体系统动力学。按运动状态的不同，可以将其分为三种基本模型：即多刚 2 体系统动力学、多柔体系统动力学以及刚柔混合多体系统。 汽车是一个复杂的非线性机械系统，包含惯性、弹性和阻尼等动力学特征， 各运动和传动机构之间的相互耦合作用使车辆的相关动态特征变得非常地复 杂。车辆的前悬架和转向系统，是确定了主销内、后倾角等车轮定位参数的多 杆式机构。车轮定位参数与车辆的操纵稳定性等性能的关系非常密切，在仿真 分析中必须获得车轮定位参数随车轮跳动的变化情况。在实际的行驶过程中， 汽车会受到比较复杂的外部载荷，各种情况下汽车各个部件的相对坐标和受力 状况各不相同，因此，运动学及动力学的分析也有相当的难度，过去使用简化 条件下的图解法等方法分析汽车如此复杂的空间机构难度相当大，不精确且需 要大量时间。 在研究汽车各项功能的过程中，建模、分析和求解是对汽车动力学研究的 关键所在。车辆自身就是多体系统，外在工况的作用更加复杂，再算上人一一 车一一环境的影响，使汽车动力学的分析有较大难度。由于理论方法与计算手 段的限制，这门学科的发展一直很难有较大进展，根本原因之一是由于没有较 好的办法解决较多受力条件下多自由度分析模型的建立和求解的问题。因此， 模型简化就成为最好的办法，使古典力学从新使用成为可能，结果使车辆的诸 多重要的特性没有相当精确的定量分析。但计算机技术的迅猛进步，使我们在 处理诸如此类问题上有了质的飞跃。有限元和模态分析技术，还有多体系统动 力学也因此得到了发展。从此在车辆技术领域很快使用了此类理论方法。 国外汽车系统动力学的研究经历了由开环研究到闭环研和由试验研究到理 论研究的发展。力学模型慢慢经历了由线性多体系统模型到非线性多体系统模 型的发展；模型自由度也从两个增长到了十个，在文献【2 】简单叙述了上述进程。 人们也开始从研究稳态响应特性到研究瞬态响应特性和转弯特性。文献p 】描述 了多体动力学程序在车辆中采用多刚体系统模型的模拟应用情况，文献【4 j 考虑 了在弹性车架的基础上建立了只含两个物体的汽车模型。 二十世纪六十年，国际航天事业在迅速发展的同时，也遇到了诸多问题， 其中就有关于宇宙和机械领域的工程问题解决这一问题，世界航天大国如美国、 德国、前苏联的一些科学家开始着手研究多体动力学。六十年代末，关于多体 动力学的各种理论与方法较为系统的被提出；此时，多体系统动力学结合运动 生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等学科成为了一门 具有广泛用途的新兴力学分支。七十年代初，部分多刚体系统动力学分析软件 相继产生，而多柔体系统动力学的理论研究工作也在同一时间展开。这以后， 多系统动力学不断完善，其中有三次重要的会议：19 9 7 年，首次国际多体系统 动力学研讨会：1 9 8 3 年，机械系统动力学计算机分析与优化讲会；1 9 8 5 年，第 二次国际多体系统动力学研讨会。在这三次会议上，有关多体系统动力学研究 的最新理论与成果被展示出来。三次会议为多体系统动力学的发展奠定了基础， 3 并推动了多体动力学走向成熟的进程。二十世纪八十年代的中后期，大量的相 关文献和有关专著的发表也加快了多柔体系统动力学理论的发展。1 9 8 9 年- 1 9 9 0 年德国斯图加特大学的s c h i e h l e n 教授对当今世界上多体系统动力学领域的十 七个研究团体的工作内容和成果进行了研究，并汇编成册，即多体系统手册。 而在该手册介绍的多体软件中，已有八个软件考虑了柔性体。目前，包括 a d a m s ，d a d s ，d i s c o s 等许多世界著名软也已经拥有了有关柔性体的分析 功能。 国内在进行汽车动力学的研究中运用多刚体系统动力学的方法进行分析和 计算的工作开始的比较晚。在上个世纪七十年代，一汽技术中心和清华大学同 时进行了汽车动力学方面的研究工作，主要集中在乘坐舒适性、操控性能指标 的评价方法、试验方法及操控性能力学模型的建立方法、模型的计算方法、性 能的预测方法和优化设计方法等方面。七十年代，力学模型自由度从二自由度 线形模型发展到了三至五自由度乃至十三个自由度的非线形模型，力学模型的 功能也从对汽车稳态、瞬态响应的分析，发展到了对车辆的转弯、制动等性能 的分析，此外在文献【5 】中第一次研究了车辆悬置系统以上的弹性体的一阶扭转 振动对车辆摆振性能的影响。 在上个世纪9 0 年代初，在汽车技术的研究中开始应用多柔体系统动力学理 论和方法。这意味着车辆动力学的研究开始向一个新的阶段发展，文献【o j 中， 把车身系统看做柔性体来处理，运用了集中质量法的离散化过程以减少自由度， 并且把转动惯量的影响也考虑在内了，文献【j 7 】中把汽车悬架作为一个子结构来 处理，运用模态综合方法，并且采用模态坐标来描述车身的变形情况，利用约 束条件组装整个系统以便联合求解，文献【8 1 中论述了在离散化的过程中各阶模 态的选择对计算结果精度的影响，在文献【8 9 】中论述了悬挂系统中普遍使用的 弹性约束( 橡胶铰链) 对车辆相关性能的影响和处理办法。在很多其他的文献中 还讨论了车辆碰撞过程中安全带的变形情况对人体运动的相关影响。总而言之， 研究人员在力图用各种方法将柔性体应用到多体动力学研究中。 国内多体动力学的研究得到较快发展是自1 9 8 6 年在北京举行的多刚体动 力学研讨会和1 9 8 8 年在长春举行的多柔体动力学研讨会之后才算正式开始的。 19 9 2 年，多体系统动力学理论、计算方法和应用学术会议在上海召开，使理论 与计算方法研究、工程应用研究和试验研究三方面取得了更新的进展，也标志 着我国多体系统动力学的研究进入了一个新的阶段。 近些年来，计算结构力学的理论与计算方法的研究不断深入，而f e a 应用 软件系统的成功开发与在工程结构的计算机辅助分析中的应用，使新产品的开 发与设计的周期大大地缩短。另一方面，工业技术的发展，对多体系统动力学 的要求也越来越复杂，其规模也越来越庞大。这些情况都对多体系统动力学的 未来研究带来了极大挑战与诸多问题。 4 1 3 2有限元技术的国内外研究概况 国外对汽车总成及零部件的有限元法分析研究始于6 0 年代中后期，并随着 现代计算机技术的快速发展，在汽车结构设计中大量使用计算机辅助设计与分 析技术，目前，国外在汽车结构设计与分析中的有限元法的应用已经比较成熟， 并取得大量研究成果。国外对汽车结构的有限元分析有应用范围广、模型精细 化程度高、有限元软件自动化程度高的特点。c a e 技术在国外发展的比较成熟。 由于我国汽车研发工作起步较晚，有限元法的使用研究也相对比较落后。 但经过大量研究人员的努力，我国汽车工业在c a e 技术尤其是有限元法的研究 方面也取得了一定成果。骨安涛、常国振研究了汽车车架设计计算的有限元法， 较早的将有限元法引进汽车车架的设计工作【1 0 】。郑兆昌等人应用大型结构软件 s a p 5 p 对货车车架进行了动态分析，提出了利用车架模态分析结果直接对结构 动态特性进行评价的方法【l l 】。高光波、王丽英应用参数化有限元分析技术，对 车架进行了静强度分析【1 2 】。于国飞、黄红武等人利用有限元软件对赛车车架的 强度及刚度进行了分析与计算，利用有限元分析来指导车架的设计，在国内首 次将有限元技术应用在方程式赛车车架的分析【l3 1 。 目前我国计算机c a e 及有限元法的应用仍存在以下问题： ( 1 ) c a e 技术及有限元法应用面向设计、特别是面向早期设计的研究较少， 大部分研究还主要是是对成品的分析。因此不能完全发挥c a e 技术缩短产品开 发周期的潜力。 ( 2 ) 从分析的内容来看，往往分析目标单一，并据此进行修改，不能进行全 局、系统的分析。从应用方面来讲，有限元分析还主要应用在结构的强度分析 方面，在碰撞、振动、噪声等方面的模拟计算才刚刚起步，对汽车结构或部件 的各项性能进行系统分析的实例还未广泛进行。 今后，随着计算机技术的快速发展，有限元法作为一种有着坚实理论基础 和广泛应用领域的数值分析方法，必将在车架的设计及结构优化中发挥更大的 作用。 1 4 赛车悬架系统的国内外研究概况 近年来f 1 的悬挂结构的研究一直没有新的突破，几乎所有车队的赛车前 后悬架都采用了推杆( p u s h r o d ) 式的双重叉骨悬挂系统( d o u b l ew i s h b o n e s u s p e n s i o n ) ，也有加上控制臂，名为”多环节”( m u l t il i n k ) 的悬挂系统。基本上， 都属于双重叉骨悬挂系统的范畴，将推杆的动作通过摇臂传递到弹簧制动组 ( s p r i n gd a m p e ru n i t ) 上。另外，曾经一度流行的电子控制悬挂系统，即活动悬挂 系统( a c t i v es u s p e n s i o n ) 现在已被禁止使用【l 引。 最近，为考虑车身中的空间效率和交换时的工作效果，不采用普通的弹簧 圈而采用利用金属棒韧性的扭力弹簧( t o r s i o n v a n c es p r i n g ) 的做法渐渐成为主 5 流。究竟这个结构和普通的汽车悬挂有什么不同呢? 典型的汽车悬挂系统：麦弗逊式可算得上汽车最常见的悬挂系统，很多汽 车都采用这种结构。这种结构的优点是构造简单、方便安装和维修。一般而言， 麦弗逊式悬挂的悬挂行程为1 0 1 5 厘米。 f 1 悬挂系统：由推杆、摇臂、扭力杆、减震器和碳纤维制成的叉形臂组成。 悬挂行程为2 厘米。 弹簧v s 扭力杆：f l 赛车采用扭力杆扭曲后所产生的弹性来起到弹簧的作 用，一般汽车用的弹簧其实就是一条做成螺旋状的扭力杆。f 1 的悬挂虽然有点 古怪，但和普通汽车的悬挂运作大同小异：车轮上下运动的位移传到推杆； 推杆推动摇臂；摇臂压缩减震器并扭动扭力杆。 悬架调软或硬会显著地影响赛车的整体性能( 转弯速度、延直道行驶的离 地间隙、均衡制动甚至牵引力) 。 雨天和晴天的调整不一样：在雨天，对制动器和牵引力的要求最严格，而 且要使功率在路面上得到充分的发挥。赛车一般跑得很快，但要将制动器和发 动机的冷风通道全部或局部地盖住，使这些装置能更快地达到理想的工作温度。 干燥天气时：离地间隙1 0 毫米左右，用小翼板以减小阻力，硬弹簧，低轮胎压 力，发动机冷风通道完全打开，使发动机保持理想工作温度，制动器的冷风通 道完全打开，以冷却制动盘。潮湿天气时：高离地间隙以适应雨季用轮胎本身 的加大的行程，加大翼板以提高向下的压力，使用软弹簧，较高的轮胎压力， 部分阻挡发动机的冷风通道以帮助发动机达到理想工作温度，制动器管道被盖 上以减弱对制动盘的冷却效果【l 。 方程式赛车的前后悬架是双a 形控制臂式悬架，这种类型的悬架具有重量 轻、强度高和易控制驾驶的优点。比赛路面可能非常颠簸。例如，在克里弗兰 赛道上，路面会随着赛道而变化几次，每次转换都会出现颠簸。冠军方程式赛 车悬架的作用是保持所有4 个车轮都与赛道紧贴，即使道路中出现一些不平的 现象【l6 1 。 图1 1 方程式赛车轮毂 图1 2 方程式赛车前悬图 6 双a 形控制臂可以固定轮毂，并可以使其在平面中上下移动。对角件连接 减振器和弹簧( 位于车手前部面板的下方) 。水平横拉杆提供转向输入，以旋转 轮毂。 冠军方程式赛车悬架还必须轻巧、紧凑。前悬架由安装到前轮毂的三角架 ( a 形控制臂) 、弹簧和减振器组成。弹簧、减振器以及防侧倾杆的同等物都安 装在车手前部的赛车项部【1 7 】。 后悬架与前悬架类似。主要区别在于它没有转向机构，而是增加了传动轴， 并且后悬架必须承受更大的重量。弹簧和减振器的分布与前悬架类似，但它们 更大些，并且向变速器侧折叠。 图1 3 赛车后悬架 图l _ 4 赛车离地间隙 为了使赛车获得最大性能，对悬架进行调整是整个赛车调整过程中比较重 要的部分。车队需要控制轮胎的前柬和后束，以及轮胎的正负外倾角和后倾角。 这些设置有助于调整转向不足和转向过度。车队甚至可以更换a 形控制臂从而 缩短或延长轴距【l 引。 因为悬架组件对于赛车的可靠性及其直线行驶的功能如此重要，因此 c a r t 规则明确规定了它们的制造方法。例如：所有高应力转向组件和悬架组 件应该由s a e4 1 3 0 钢或合金制成，这些材料由其制造商指定，具有相同的物 理属性。前后支柱可由镁合金或铝合金构成。按所用合金制造商的建议制成和 焊接所有这些部件后，在应用时必须对它们进行热处理，包括应力消除、正火、 退火和淬水。所有这些电镀部件都必须以1 9 0 6 摄氏度进行炉烘至少3 小时。 对于电镀已剥落的部件必须进行类似的烘烤，除非3 小时以内对它们进行重新 处理，部件不应以铜焊、锡焊或与不同的金属进行连接【l9 1 。对于高应力部件， 推荐进行喷丸处理。 与普通车辆不同的是，冠军方程式赛车行驶时非常贴近地面，而普通车辆 与地面有约1 0 1 5 厘米的间隙。正如图1 4 所示，该赛车的中心离地约2 3 厘 米，因此悬架系统不需要大幅度上下移动。即使上下移动不到2 5 厘米，行驶 也可能变得非常困难。 1 5 课题的来源和研究的主要内容 本课题来源于中国大学生方程式汽车大赛( f s a e ) ，以f s a e 赛车前悬架系 统和转向节为研究对象，对其进行动力学仿真研究和有限元分析。该赛车为齿 轮齿条式转向系统、双横臂式独立悬架，赛车总体尺寸规格见表1 2 ： 表1 - 2 赛车总体尺寸规格表 赛车尺寸规格前后 总长宽高 2 7 5 0 m m 1 3 8 3 m m 1 1 7 0 r a m 轴距 1 6 0 0 r a m 轮距 1 2 0 0 r a m1 1 5 0 r a m 满载质量( 包括6 8 k g 的车手 4 1k g 在内) 图1 5 侧视图 图1 - 6 俯视图 8 悬架参数见表1 - 3 ： 表1 3 悬架参数表 悬架参数前后 不等长双a 臂横臂，载荷不等长双a 臂横臂，载荷 悬架形式由推杆作用于弹簧和减振由推杆作用于弹簧和减振 器器 轮胎尺寸规格及配方 2 0 5 7 0 1 3l u 5 bh o o s i e r 2 0 5 x 7 0 1 3l 也5 bh o o s i e r 1 3 h x 7 ”k e i z e r a ia l u m i n u m13 仅7 “k e i z e ra ia i u m i n u m 轮辋宽度及结构 s e r i e sw h e e l s5 o f f s e t 多螺 s e r i e sw h e e l s5 o f f s e t 多螺 栓连接栓连接 质心设计高度 2 8 0 r a m 压缩行程2 8 r a m ，回弹行程 压缩行程2 8 r a m ，回弹行程 悬架设计行程 2 8 m m2 8 r a m 悬架的线刚度( 车架到轮 4 0 3 1 n m4 3 8 9 n m 心) 悬架的侧倾角刚度( 车架 到轮心) 10 0 6 2 n m ( d e g ) 悬架偏频 1 1 2 5 h z1 1 1 5 h z 6 0 的临界阻尼x 轴单位5 2 的临界阻尼x 轴单位 压缩阻尼 m m sm m s