YX-5 FSC赛车悬架设计与制作毕业设计.doc

第1章 绪论 YX-5 FSC赛车悬架设计与制作毕业设计第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 大学生方程式赛车的总体概述大学生方程式汽车大赛，首次举办与1981年，在此之后在各国汽车工程协会的帮助下使其蓬勃发展，使得更多的大学生参与其中，通过这个平台锻炼自己的能力，提高自己的专业技能，对汽车专业有了更深的了解。同时，赛事也要求参加比赛的大学生对整辆赛车的设计于制作要在一年之内完成，并且要严格满足大赛的规则，还要具有一定的操控性能。我国首次于2010年进行FSC比赛，这项赛事在中国大学生中广受欢迎，取得了较大的成功。第一届比赛共有20支车队参赛，以后规模逐渐扩大，到第六届已有超过60支车队报名参赛。大赛包括主要包括静态项目与动态项目，而静态项目又包括技术答辩、市场营销、成本答辩。在技术答辩与成本答辩当中，不仅仅要考验队员对专业知识的掌握，对整辆赛车的了解，还要求队员要有足够优异的表达能力，从而使技术裁判对赛车有了感官的认知。动态赛包括耐久赛、直线加速、高速避障等，同学们制作的赛车的性能通过这样的动态赛才能展现出来。裁判通过各个车队在各个赛事中的综合表现进行评分，从而评判各校赛车队的性能，得出各个车队的成绩。通过这项赛事，同学们可以更多的了解到赛车运动、市场营销等方面的知识，同时激发更多同学的兴趣，使其参与其中。在制作赛车的过程当中，学生可以将书本上学到的知识与实践相结合，综合提高自己的专业知识。1.1.2 大学生方程式赛车的研究意义当前，中国的汽车工业已经蓬勃发展，但是还不是真正的汽车技术强国。而中国从汽车制造大国向技术强国迈进，已成为国人迫切的目标，而人才的培养至关重要。 中国大学生方程式赛车活动组织举办的目的就是对汽车专业人才的培养。在整车的设计阶段，培养了学生的设计能力提高了他们的专业素养。只有当学生对专业知识有了一定的积累，对整车系统有了一定的把握才能够独立的去完成对某一个系统的设计，包括这个系统的零部件；在赛车零件的加工阶段又使学生对加工工艺有了更深的了解。队员在设计零件的时候就会考虑到零件的加工工艺与加工工序包括车、铣、钻孔、线切割等等。在与加工师傅的交流过程中使得队员对零件加工有了更深的认识，用最为简单的工序加工出合格的零件，价格又要尽量便宜，从而控制成本。在参赛阶段培养的是大学生的临场应变能力与团队协作能力。在比赛过程要比多项静态项目与动态项目，难免会遇到突发状况，这就要考验一个车队怎样去合作，共同应对难关。大学生在参与的这一年过程当中无疑是充满挑战的过程。首先参与者要能过熟练掌握CAD、CATIA、UG等二维与三维操作软件以方便对以后的设计。另外在这个过程中还会遇到各种各样的问题，零件原材料的购买、加工工厂的寻找，正是不断的客服这些困难，才锻炼了自己的心智，为以后步入社会打下坚实的基础。1.2 悬架系统概述汽车悬架系统是车轮与车架之间的一切连接装置的总成。它主要由弹性元件、减振器、和导向机构三部分组成，另外在多数悬架系统中还附加有横向稳定杆。其中，弹性元件起到缓冲的作用，减振器起到减振的作用，导向机构起到导向的作用，横向稳定杆能够有效的减弱汽车在转弯时的侧倾角度。弹性元件包括螺旋弹簧、钢板弹簧、空气弹簧和扭杆弹簧。轿车一般多用的是螺旋弹簧，钢板弹簧与空气弹簧多用于货车或客车，扭杆弹簧多应用与轻型客车或货车1。由于路面不是绝对的平整，所以当汽车在行驶过程中会不断的受到来自地面的冲击，这种冲击力通过车轮不断地传到车架或车身，使乘坐人员与驾驶人员感到不舒适，对于货车而言，严重的话还有可能造成货物的损坏。弹性元件就是缓和这种冲击，尽量使乘坐人员感到舒适，确保货物的完好。当弹性元件不断的受到冲击时，便会持续地发生振动而这种振动也会使乘坐人员与驾驶人员感到不适，减振器的便会使这种振动迅速减弱，消除振动的快慢还与阻尼力有关，阻尼力越大振动消除的就越快，但是阻尼力也不能过大，太大的话冲击载荷便会加大，会有可能造成某些零件的损坏。导向机构的形式各有不同，主要是把纵向反力、侧向反力以及这些力所造成的力矩传递到车架上，所以起到一个传力的作用，另外导向机构还控制车轮在跳动时随车架的摆动轨迹，所以导向机构在传力的同时还有着导向的作用。图1-1 悬架的结构形式简图当汽车在高速转弯的时候，汽车车架或车身相对于地面会发生一定角度的侧倾，而横向稳定杆的存在就是减弱这种侧倾角度，增强汽车的稳定性。目前汽车上可以分为非独立悬架(图1-1a)与独立悬架(图1-1b)。独立悬架非独立悬架非独立悬架按结构可分纵置钢板弹簧非独立悬架、螺旋弹簧非独立悬架、空气弹簧非独立悬架、油气弹簧非独立悬架等。钢板弹簧在货车上应用较为广泛，钢板弹簧通常通过铰链与吊耳纵向布置地固定在车架上，这样可以使得弹簧在变形时两包耳中间之间的距离可以发生改变，这也是货车中采用较多的一种连接形式。在螺旋弹簧非独立悬架中左右车轮通过一根轴相连，通常还包括纵向推力杆、横向推力杆、加强杆等部分。空气弹簧非独立悬架由空气压缩机、空气滤清器、车身高度控制阀、空气弹簧、储气罐、压力调节器等组成。空气弹簧通常应用于客车上，并且随压缩行程的不同，可以实现变刚度的调节，另外空气弹簧也可以实现车身高度的自动调节，很大程度上提高了行驶的平顺性。独立悬架系统主要包括横臂式独立悬架、纵臂式独立悬架、车轮沿主销移动的悬架、单斜臂式独立悬架。横臂式主要有单横臂与双横臂式两种，但是单横臂逐渐已被淘汰，当车轮跳动时，车轮的平面发生变化，致使轮距改变较大，对轮胎磨损较大，而且对转向操纵性有一定影响。双横臂式悬架又可以分为等长双横臂与不等长双横臂悬架。等长双横臂悬架使得在车轮在跳动过程中，主销的参数大致不会发生变化，但是轮距的变化较大，造成轮胎滑移2。而不等长双横臂可以使车轮与主销的变化范围都不太大，因此在轿车上应用较多。纵臂式悬架包括单纵臂式悬架与双纵臂式悬架。单纵臂式悬架通常用于后轮。双纵臂式悬架包括两个等长的纵臂，所以可以用于转向轮。车轮沿主销移动的悬架包括烛式悬架与麦弗逊式悬架。烛式悬架的优点是可以控制主销参数与车轮定位参数不会发生较大的变化，但缺点是减震套筒承受着很大的侧向力，加大套筒与主销之间的摩擦阻力，严重是会有损坏，因此烛式悬架逐渐被淘汰。麦弗逊式悬架主要由滑柱与摆臂组成，相对烛式悬架使得滑柱的受力减小。麦弗逊悬架的主销为摆臂与轮毂的铰接点与车架与减震器铰接点之间的连线，因此当车轮跳动时，主销参数会有一定的改变，这种变化范围也比较小。另外麦弗逊悬架的优点是占用的布置空间较小，便于其他零件的布置，所以麦弗逊被广泛应用于轿车的前悬当中。悬架系统种类繁多，不同类型的车有着不同的功用，因此所选用的悬架类型也各不相同。汽车设计工程师通常会根据车的大小与功用来选取悬架的类型，最终期望的目的是使该类型汽车有更好的操控性与平顺性。而同一类型的悬架也可以通过选取不同磅数的弹簧来调整悬架的刚度，这也是悬架调校的一部分。赛车更为看重的是操控稳定性，这对悬架调校要求的更多，也更为复杂一些，赛车悬架一般刚度比较高，且前后悬架一般都会附加横向稳定杆，使其调校范围更大一些。赛车一般是牺牲了一部分平顺性，来大到较好操控性，使轮胎与地面有更佳的接触，附着力也有所提高。1.3 国内外研究现状国外开展汽车的赛事运动比较早，历史上首次汽车比赛出现在19世纪末，到1950年国际汽联首次举办了世界锦标赛，并一直举办到今天，这期间也是F1这项顶级赛事蓬勃发展的阶段。大学生方程式汽车大赛(FSAE)首届比赛于1979年在美国休斯顿进行。30多年来，FSAE已发展成为每年有15个国家举办的20场赛事。国外发达国家对赛车运动学的研究起步较早，美国的William F Milliken和Douglas L. Miliken合著的Race Car Vehicle Dynamics，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3。Design of a Suspension for a Formula Student Race Car介绍了瑞典皇家理工学院2004年FSAE赛车的悬架设计过程。前后悬架均采用了拉杆不等长双横臂式悬架。运用Adams软件进行建模，研究不同的系统环境对主销内倾角、主销后倾角、侧倾中心高度等等参数的影响，对所设计的悬架进行了优化4。中国开展的汽车比赛较晚，但发展比较迅速，其中影响力比较大的是中国房产锦标赛(CTCC)，全国拉力锦标赛(CRC)。我国开始对汽车悬架的研究起源于80年代，对悬架的研究成果多出现在90年代，吉林大学于1997年建立了汽车动态模拟国家重点实验室，展开了对汽车系统动力学与控制的研究，包括汽车的整车、总成及关键零部件的进行动力学建模、分析和研究。合肥工业大学的阮五洲利用Adams软件创建了双横臂独立悬架的模型，详细地分析了悬架的性能曲线，并且利用遗传算法对悬架进行优化。广汽本田汽车有限公司的邹海峰工程师利用Adams/car软件对即将开发的车型的悬架进行分析，对悬架和整车的主要性能事先预测，为悬架的优化提供了可靠的数据，缩短了产品的开发周期，提高了汽车产品的设计质量。华南理工大学吴健瑜总结了赛车悬架的设计流程，在ADAMS/Car模块下创建悬架仿真模型，进行悬架运动学仿真分析。以悬架的评价指标为准则，对仿真结果进行详细分析，找出变化范围和方向不合理的性能参数，并作为悬架优化设计的目标依据。在ADAMS/Insight模块下对悬架进行试验设计，根据运动学仿真结果和试验设计结果，对悬架进行多目标优化设计。1.4 本章小结本章首先阐述了介绍了大学生方程式大赛的历史以及阐述了其重要意义，简要介绍了悬架系统的分类和组成，并简单陈述了国内外悬架系统研究开发的现状。只要选取合适的横臂长度以及布置角度，不等长双横臂式独立悬架就可以使前轮定位参数变化以及轮距变化均在可控的限定范围之内，使赛车具有良好的行驶稳定性与平顺性。目前，几乎所有的赛车采用的是不等长双横臂式独立悬架，另外在中高级轿车的前后悬架上不等长双横臂式独立悬架也已得到广泛应用。5 第2章 悬架系统设计 第2章 悬架系统设计2.1 赛车悬架设计思路根据赛事的规则与要求，首先拟定YX-5赛车悬架系统的设计思路。如下:1) 确定了解整车主要框架参数，包括轮距，轴距，质量等。2) 确定前后悬架的布置形式，一般是双横臂式，主要确定是拉杆式布置还是推杆式布置。3) 确定主销参数以及决定赛车性能参数的范围，偏频围、侧倾率、悬架行程，侧倾中心高度等。4) 估计簧上质量与簧下质量四个车轮载荷。初设偏频值，推算出悬架刚度，侧倾角刚度，侧倾率等。5) 计算极限工况下横向与纵向的载荷转移量，与悬架的行程（无横向稳定杆）。根据前后侧倾角刚度与侧倾率、悬架行程，设计前后横向稳定杆。6) 计算极限工况下横向与纵向的载荷转移量，与悬架的行程（有横向稳定杆）。验证在此偏频下其他性能参数是否满足要求，如不满足，做稍微修改，反复验证。7) 选取传递比(MR)弹簧刚度，因为弹簧刚度一般为整数，所以选取的传递比应以弹簧刚度为基准。8) 上面计算与选型完成后，在重新对初值进行校核。悬架的设计计算就是一个反复迭代与校核的过程，使主要性能参数都在设置范围内。9) 在计算完成后便进行悬架的结构设计，主要是悬架几何的确定（正视、侧视）悬架几何确定后，接下来设计传递比，摇臂，推杆与减震器的布置，以及横向稳定杆的布置。10) 在CATIA中进行三维的绘制与装配，检查干涉。 11) 在ADAMS中进行建模与优化。2.2 悬架系统方案的选定1汽车悬架的结构类型主要分为两类：独立悬架与非独立悬架。非独立悬架是由一根整体式车桥将两侧车轮相连，车轮与车桥共同通过弹性原件与车架相连。非独立悬架具有工作可靠，结构简单的特点。独立悬架的结构特点是车桥是做成断开式的，每一侧的车轮能够单独通过弹性元件与车架相连，两侧车轮可以单独的跳动，从而互不影响。独立悬架具有以下优点：1) 在弹簧一定的变形范围内，两侧车轮能够独立跳动而不会互相影响，可以减弱汽车在行驶过程中的震动，提高行驶的稳定性。2) 独立悬架拥有更小的非簧载质量，可以在汽车行驶过程中减弱来自地面的冲击，提高汽车平均行驶速度。独立悬架按照结构可以分为三大类。1) 车轮在汽车的横向平面内上下摆动的悬架是横臂式独立悬架，分别有单横臂式与双横臂式。 图2-1 双横臂悬架图2-2 单纵臂式悬架2) 车轮在汽车的纵向平面内上下摆动的悬架是纵臂式独立悬架，分别有单纵臂式与双纵臂式图2-3 双纵臂式独立悬架3) 车轮沿主销移动的悬架，包括：麦弗逊式悬架和烛式悬架。图2-4 烛式悬架图2-5 麦弗逊式悬架其中，双横臂悬架按照横臂的长度等长与否又分为等长双横臂独立悬架和不等长双横臂独立悬架。在等长双横臂悬架中，当车轮上下跳动时，车轮的平面没有发生倾斜，但是轮距发生了交大的变化，增加了车轮滑移的可能性。在不等长双横臂独立悬架中，只要上下横臂的长度选择适当，可以有效控制主销与车轮的角度以及轮距的变化范围，同时不大的轮距变化，可以通过较软的轮胎变形来适应。因此不等长双横臂独立悬架在轿车前轮上广泛应用。对于对操控性要求更高的赛车比赛中，不等长双横臂独立悬架被广泛应用于前后悬架中。此次设计的YX-5 FSC赛车悬架系统选用的是双横臂独立悬架。 悬架作为赛车的重要组成系统，其性能就更尤为重要了。但是赛车设计时，赛事规则(包括对车辆和赛事的规则要求)是设计者首先必须考虑的。FSC赛事对赛车悬架提出的具体规则为：赛车必须配备一个具有减震器的可完全操控的悬架系统，前后车轮的有效行程至少为 50.8mm(2英寸)，其中包括25.4mm(1英寸)的上跳行程与 25.4mm(1英寸)的回弹行程；有固定的驾驶员座位；技术检查时，所有悬架安装点必须可见，直接能看到或者打开盖子能看到。FSC赛车双横臂悬架一般有以下两种设计方案，推杆式双横臂独立悬架与拉杆式双横臂独立悬架。图2-6 推杆式布置图2-7 拉杆式布置推杆式双横臂独立悬架的优点：推杆承受的是轴向的压力，对杆件型材料来说，抗压强度一般要大于抗拉强度，即使赛车长时间工作，悬架也不容易折断损坏，安全系数较高；推杆易于布置，在悬架的运动过程中不易发生干涉。缺点：减震器与摇臂机构顶置，提高了赛车的重心，不利于操纵稳定11 性；推杆的布置不利于赛车车身的流线设计。拉杆式双横臂独立悬架的优点：减震器与摇臂机构下置，能够降低赛车的重心，提高行驶稳定性；充分利用车架的内部空间，有利于车身的流线设计。缺点：拉杆大部分时间承受拉力对杆件型材料来说，一般抗拉强度要小于抗压强度，如果材料选用不当的话，悬架在恶劣工作环境下，杆件容易被拉断；布置的空间比较紧凑，在运动过程中易产生干涉。综合比较上述两种赛车悬架设计方案，并考虑比赛规则对悬架设计的要求、装配、调试难易程度、可靠性等因素，最终确定YX-5赛车前悬架和后悬架均采用推杆使不等长双横臂独立悬架。2.3 悬架几何参数图2-8 悬架结构参数图2.3.1 瞬时中心的定义关于瞬时中心的定义将按顺序来说明。“瞬时”的意思是杆的连接在那一确切的位置。“中心”代表的是假想的，杆的连接处的瞬时转动点的有效投影点。图2-9表明了怎样一个长杆代替两个短杆。随着杆的连接时移动的，瞬时中心也是动的，所以合适的几何设计不仅建立在所有的瞬时中心随离地间隙的变化出现在它们期望的位置，也要随悬架的行程的变化，控制瞬 11时中心位置的变化与变化的快慢。图2-9 瞬时中心瞬时中心来源于在二维平面内的动态的学习。这样形象的表达出了两个物体之间的运动关系。在悬架设计中，将三维问题转化为二位问题可以变得很方便。这样我们讨论前视图和侧视图。我们做出经过车轮中心的铅垂面，一个平行于汽车的中心线，另一个垂直于汽车中心线。然后我们把悬架的关键点投影到这两个平面上。当我们用一条线连接球铰接点和控制臂之间的轴套，把它投影到包含上下横臂的平面，然后这两条先将在某点相交，这个交点便是杆的瞬时连接点。如果在前视图里做投影，得到的瞬时中心影响着外倾角的变化率、侧倾中心的某些信息、磨胎运动和一些决定着转向特性的某些数据。如果你在侧视图里作投影，得到的瞬时中心，将影响着车轮的运动路径，抗俯仰特性，主销后倾角的变化率。2.3.2 侧倾中心侧倾中心的高度是在前视图中，由轮胎的接地点与瞬时中心的连线与汽车中心线的投影的交点测量而得的。通过在汽车的两侧作图而得，这两条线的交点便是车的簧载质量相对地面的转动中心。这也并不一定是在汽车的中心线，尤其是对于非对称的悬架几何结构，或者是汽车在转弯的时候。很显然瞬时中心距离地面的高度，与轮胎的距离，在车轮的内侧还是外侧决定着侧倾中心的位置。13 图2-10 侧倾中心在簧载质量与非簧载质量之间，由侧倾中心建立了离心力的作用点。当一辆车转弯时，作用于中心的离心力，被轮胎与地面的摩擦力所抵消。如果适当的力与力矩(有关侧倾中心的)被显示出来，作用于CG的水平力可以转移到侧倾中心上来。侧倾中心越高围绕侧倾中心的侧倾力矩就越小。侧倾中心越低的话，侧倾力矩就越大。侧倾中心越高的话，作用于侧倾中心的水平力，也就力地面越高。这种水平作用力与它到地面的距离的乘积被认为是非侧倾力矩。最终确定的侧倾中心高度：前悬架30mm，后悬架60mm。后轴稍高的侧倾中心有至少俩优点，其一是后轴可以使用较软弹簧，因为这的侧倾力矩较小，其二就是保持侧倾轴尽可能平行于赛车主惯性轴。2.3.3 纵倾中心双横臂式独立悬架的纵倾中心可用作图法得出，作俩横臂转动轴的延长线，两线的交点即为纵倾中心。纵倾中心用来决定抗制动前俯角和抗驱动后仰角5。2.3.3.1 抗制动前俯角 制动抗点头是指制动时悬架抵抗因纵向载荷转移引起前悬架弹簧压缩变形的能力。抗前俯率由式(2-1)确定。 13 （2-1）式中 前悬架纵倾中心到地面的高度(mm)； 制动力分配系数； 轴距(mm)； 前悬架纵倾中心到前轴中心的距离(mm)； 质心的高度(mm)。2.3.3.2 抗驱动后仰角 抗驱动后仰角可减小后轮驱动汽车车尾的下沉量或前轮驱动汽车车头的抬高量。与抗制动前俯角不同的是，只有当汽车为单桥驱动时，该性能才起作用。对于独立悬架而言，当纵倾中心位置高于驱动桥车轮中心时，这一性能方可实现。考虑到车架的加工问题，若上下横臂轴轴线不平行，车架加工难度会非常大，所以本次设计将上下横臂轴轴线设计成都与地面平行，即纵倾中心在无限远处。2.3.4 磨胎半径磨胎半径定义是主销轴线的延长线和地面的交点到车轮中心平面和地面的交线的距离6。主销偏距可通过延长主销轴线交于地面求得。磨胎半径是前悬架设计的重要参数之一，前悬架设计的主要目标致意就是减小磨胎半径，因为它的存在会导致纵向力转向。高低不平的路上如果有磨胎半径，那轮胎的轨迹就不是一条严格的直线。一定的磨胎半径会使得轮胎产生侧向加速度，当向前加速时会改变轮胎的侧偏角，这就会反过来影响车辆的侧向运动。前悬磨胎半径初定为，后悬的定为。2.3.5 悬架正视几何在本次的设计之初就已经选定了轮胎、轮辋的尺寸。YX-5赛车选定的轮辋尺寸是8英寸，轮辋空间的大小直接影响着立柱的设计，而立柱的大小有决定着上下横臂的距离。如图2-11，为CATIA中建立的8英寸的轮辋模型。15 图2-11 轮辋模型在绘制悬架的正视几何时，首先根据轮辋空间的大小，做出上下横臂铰点之间的距离。根据车轮外倾变化率计算出等视摇臂的长度，即确定瞬时中心的位置。然后根据瞬时中心的位置，调整上下横臂的角度，以满足侧倾中心的高度。最后确定上下横臂的长度，上下横臂长度的比例在0.8左右。图2-12 悬架几何草图 152.4 悬架刚度的计算2.4.1 偏频的选取偏频是指车身的固有频率，是影响汽车行驶稳定性与平顺性的重要指标之一，偏频由簧载质量和悬架刚度决定。如果把汽车看成一个在弹性悬架上作单自由度振动的质量，由此可见 1) 在悬架承受一定的垂直载荷时，悬架的刚度越小，则偏频越低。但悬架刚度越小，在悬架承受一定的垂直载荷下，车轮上下运动的行程就越大。2) 当悬架刚度一定时，簧载质量越大，则悬架的静挠度就越大，偏频就越小。另外，簧载质量变化范围大的，偏频变化范围也越大。赛车的偏频范围一般在2.4-3.4Hz之间偏频低，悬架软能更好的缓和路面冲击，整车平顺性好；偏频高悬架偏硬，高刚度能更好地控制重心，操纵稳定性更好对于赛车出于操控性能的考虑采取前高后底。最终选取的偏频为：前悬架3.0Hz，后悬架2.8Hz。2.4.2 悬架刚度的计算由总布置给出的整车数据，赛车的总质量为220+60=280kg，轴荷比为43:57。前轮单轮簧载质量为49.45kg，后轮单侧簧载质量为65.55kg。前轮一侧乘适刚度： （2-2）后轮一侧乘适刚度： （2-3）车轮处静挠度： 前轮 （2-4）后轮 (2-5）19 式中 前轮单侧乘适刚度(N/mm)； 前侧频率(Hz)；前侧单轮簧载质量(kg)；后轮单侧乘适刚度(N/mm)； 后侧频率(Hz)；后侧单轮簧载质量(kg)；前轮静挠度(mm)；后轮静挠度(mm)。2.4.3 传递比的确定车轮与地面接触点和零件连接点间的传递比ix，y即表明行程不同，也表明两处的受力不同，图2-13为一个简单臂，其力与行程的传递比分别为 （2-6） （2-7）图2-13 传递比在车轮导向机构仅为单臂的独立悬架中就是这种关系。由于民用胎的数据对赛车轮胎的刚度进行估测(赛车轮胎气压为0.8个大气压)，轮胎径向刚度估为KT=140 N/mm乘适刚度与悬架刚度的关系为： （2-8） 17式中 KR乘适刚度(N/mm)；KW悬架刚度(N/mm)；KT轮胎径向刚度(N/mm)。得：， 在弹簧刚度的选取上，在减震器行程满足的基础上尽量选择弹簧刚度较小的型号。弹簧刚度越小，越能充分的利用减震器的行程，减弱地面对车架的冲击。又因为弹簧刚度的标准化，综合考虑最终选取的弹簧刚度为：传递比、悬架刚度与弹簧刚度之间的关系： （2-9）最终的前后传递比为： 在弹簧刚度、悬架刚度、传递比确定后可以通过设计合适的摇臂机构来满足传递比，另外在悬架的变化过程中传递比是一直在变化的，因此在设计摇臂机构的时候应当注意在悬架的运动行程中有效的控制传递比的变化范围，并且可以设计传递比的变化趋势。本次设计把传递比设计成随悬架行程的增大而变小，从而使悬架刚度增大，增强其操控稳定性。可以通过CATIA草图设计传递比的大小，并且模拟其随车轮跳动的变化趋势。如图2-14：图2-14 传递比草图23 2.5 侧倾角刚度的计算在计算侧倾角刚度之前首先要了解侧倾角刚度对侧偏刚度与侧倾力矩的分配的影响，以及侧偏刚度与侧倾力矩的分配对转向特性的影响。几乎所有的充气式轮胎与载荷并非成线性关系。见图 对于每个车轮承受相同载荷的车辆，在侧偏角一定时，每个车轮的侧向力也是一定的。当汽车急转向时，左右车轮的载荷会发生变化，内侧车轮的载荷减小，外侧车轮的载荷变大。因此两个车轮的平均侧向力减小。所以，轮胎需要有更大的侧偏角来保持转向时所需要的侧向力。如果发生在前轮胎，前部将向外滑出，车辆具有不足转向特性。如果发生在后轮胎，后部将向外滑，车辆具有过多转向特性。侧向力/lb图2-15 轮胎侧偏特性对于产生不足或过度转向的影响，取决于前后轴侧倾力矩的分配。如果前轴的侧倾力矩分配较大，则车辆具有不足转向特性，如果后轴侧倾力矩分配较大，侧车辆具有过多转向特性。进一步说，侧倾力矩的分配影响着左右车轮垂直载荷的转移，而垂直载荷的转移影响的侧偏刚度。就这样建立了侧倾力矩与侧偏刚度的联系，而侧倾角刚度的大小又影响着侧倾力矩的分配。侧倾角刚度是指汽车侧倾时，单位车厢转角下，悬架系统给车厢的总的弹性恢复力矩7。而对侧倾角刚度的提供有两个来源，由弹簧提供与横向稳定杆提供。通过对侧倾力矩的分配计算而得的侧倾角刚度与由弹簧提供的侧倾角刚度进行比较，从而判断需不需要附加横向稳定杆。 19前弹簧提供的侧倾角刚度：后弹簧提供的侧倾角刚度: 式中 前弹簧侧倾角刚度(Nm/)； 前轮距(mm)。侧倾载荷的转移来自于两方面：1) 有侧向力引起的侧向载荷转移。此机制是由于侧向力作用在车轴上所引发的，并产生一个瞬时影响，它与车身的侧倾角和侧倾力矩的分配无关。2) 有车辆侧倾引起的侧向簧载转移，其影响与侧倾的动力学相关，并进而引发转向状态变化的滞后。此侧向载荷转移直接与前、后侧倾力矩分配相关。一般情况下，车辆侧倾力矩的分配有偏向前轮的倾向：1) 相对于载荷，前轴弹簧刚度通常比后轴弹簧刚度略微小一些，然而，大多数轿车均使用独立前悬架，由于有效的能增大前悬架弹簧的间距，因而增大了前轴的侧倾刚度。2) 设计者一般也努力提高前悬架的侧倾刚度以保证极限转向时的不足转向特性。3) 稳定杆通常用于前轴以提高前悬架的侧倾刚度。4) 如果利用稳定杆来减少车身的倾斜，一般情况下会安装在前轴，或前、后轴都安装。图2-16 车身侧倾轴线21 对整车考虑，惯性力对侧倾轴线产生力矩为 (2-10) (2-11)则求解得： (2-12)上式对侧向加速度求导，得到侧倾率 (2-13)根据赛车性能设计，初定侧倾率为1/g前后侧倾力矩为赛车设计的初衷是使赛车趋向于中性转向，则前后侧倾力矩相等前悬架由横向稳定杆提供的侧倾角刚度为后悬架由横向稳定杆提供的侧倾角刚度为2.6 弹簧、减震器的选择计算减震器是悬架系统中最重要的组成部件之一。一般采用的是弹簧和减震器一体式的结构。在汽车的行驶中起到缓冲和减震的作用。而其配套的弹簧可供选用的分别有：300LBS/in、350LBS/in、400LBS/in、450LBS/in刚度。减震器可设计成压缩阻尼与回弹阻尼微调，甚至压缩阻尼可锁死的状态。2.6.1 圆柱形螺旋弹簧的计算最小工作载荷=0N，最大工作载荷=1567N，工作行程h=30mm，弹簧外径不小于46mm。 21弹簧类别：类受循环载荷作用次数在次范围内及受冲击载荷的弹簧端部结构：端部并紧，磨平，支撑圈为1圈弹簧材料：碳素弹簧钢丝C级参数计算：初算弹簧刚度： (2-14)工作极限载荷(N)：因是类载荷，故2221N(2-15)弹簧材料直径d及弹簧中径D与有关参数：根据条件查机械设计手册表7-2-19得：表3-1 弹簧材料直径d及弹簧中径D与有关参数dD85022206.86324有效圈数： (2-16)按照机械设计手册表7-2-10取标准值n=5.5总圈数n(圈)： (2-17)弹簧刚度(N/mm)： (2-18)工作极限载荷下的变形量(mm)： (2-19)节距t(mm)： (2-20)自由高度(mm)：29 (2-21)取标准值弹簧外径(mm)： (2-22)弹簧内径(mm)： (2-23)螺旋角（度）： (2-24)展开长度L(mm)： (2-25)验算：最小载荷时的高度(mm)： (2-26)最大载荷时的高度(mm)： (2-27)极限载荷时的高度(mm)： (2-28)实际工作行程h(mm)： (2-29)工作区范围： (2-30) (2-31)高径比： (2-32) 23故不需要进行稳定性验算，所以前弹簧选用刚度为350LBS/in。2.6.2 减震器的选择与计算当我们计算好了弹簧的相关尺寸和参数的时候，我们就需要为我们的弹簧配合一个合适的减振器了。大多数我们选择的减振器需要满足以下三个个条件。首先，减振器的工作速度必须在合适的范围内，在此基础上再确保油液的压力适当。只有这样，我们的减振器的阻力值才会比较稳定了，而且我们也不用担心油封的状态；其次，要有合适的安装尺寸与足够的工作行程。合适的安装尺寸在设计之初就以及确定，在选择好弹簧刚度之后，减震器的工作行程也就大致可以算出来了，所以在选择减震器的时候，一定要保证大于该工作行程；另外，减振器的散热必须好，在高速度高频率的工作件下，如果不能保证正常的温度的话，阻力值是持稳定的，严重的话可能造成减振器过早的损坏。拥有足够的散热面积能够确保防止发生这样的事。另外，还有一些关于设计减振器时应当满足的基本要求：在减振器的使用期间必须要保证汽车行驶平顺性和稳定性。根据结构形式不同，减振器分为摇臂式和筒式两种。其中筒式减振器具有工作压力小的优秀特点，并且因为其工作性能的稳定而在现代汽车上得到广泛应用。本设计中选择单筒液力式减振器。在减振器卸荷阀打开前，阻力与减振器的振动速度的关系为 (2-33)式中 减振器阻尼系数； 卸荷速度，一般为0.150.3m/s，取。1) 相对阻尼系数 (2-34)式中 悬架系统的垂直刚度； 簧上质量。减振器的阻尼只是作为悬架系统的一个性能，它还与选取的弹性元件的刚度以及整个悬架系统的质量有关，当对他们进行匹配才会产生综合的阻尼效果。因此，还要充分考虑悬架的刚度和簧载质量，这也是直接决定振动衰减程度的值的依据。由资料得到的是结果是大家把减振器的相对阻尼系数31 定在01之间的。如果我们把这个数值取得过大，这就会使得运动性质接近于非周期性，因此把相对阻尼系数也同样称做非期系数。对于无内摩擦的弹性原件悬架，取相对阻尼系数的范围0.250.35，选为0.308。2) 减振器阻尼系数 (2-35)不同悬架的导向机构杠杆比不同，参赛赛车减振器的具体计算由下式决定：减振器阻尼系数的确定 (2-36)故 3) 主要尺寸参数 筒式减振器工作缸直径D可由最大卸荷力和允许压力来近似求得： (2-37)式中 工作缸最大允许压力，取34MPa，此处； 连杆直径与工作缸筒直径之比，单筒式减振器取0.300.35，此处；必须圆整为标准值：20，30，40，50，65圆整后 =20mm经过计算与分析最终确定本辆赛车选用充气式减振器，这种减振器的优点是在不利于车辆连续行驶的路面上行驶时，能够体现出更加优良的阻尼力，是有着十分出色的工作的持续性和高速特性。还有一种可能出现的现象称之为泡沫化现象，这是一种不利的状态，它很有可能会造成减振器的工作空程，进而造成阻尼力间歇性的失效，这种现象通常出现在连续且高速的状况下。但是当我们向减震器中冲入氮气的时候，我们会发现这种不利的现象就消失了，从而提高了整车乘座舒适和高速的操稳性。除了以上介绍的有点以外，我们通过实验证明了此减振器的使用寿命远远高于其他类型的减振器，这也会提高整个悬架系统的使用寿命。 252.7 悬架的结构设计2.7.1 悬架装配设计图在综合考虑布置空间与悬架的性能要求后，前后悬架的布置如图前悬架装配：图2-17 前悬架装配图后悬架装配图：图2-18 后悬架装配图35 前后悬架总装配图:图2-19 总装图对于设计悬架时，横臂首先要考虑轴向长度，角度等问题。这两个设计因素确实和赛车空间设计布置相互影响相互制约，此外轴距、传动轴角度等诸多问题同样影响着悬架设计者的思维(赛车重量分配比又制约着轴距的确定，发动机位置制约又制约着传动轴的角度)9。对于FSC赛车横臂的设计，大多数设计者的选择是采用F1赛车横臂的设计原则，也就是前悬后掠(承受制动力)，后悬前掠(承受推动力)。我们就拿后悬架来举例说明，我们为得到后横臂较大的前掠几何角度，我们就必须使得悬架的前支点尽可能的靠近主环的位置。这样的设计思路被广泛的应用在赛车包括F1赛车的设计当中。其原因也很简单，赛车的加速性能是其主要的性能之一，此时后悬架会承受很大的推动力的作用，再对横臂进行的受力分析可以知道，横臂前端的杆与纵向方向夹角越小，越有利于将其所受到的弯曲受力改变成为压弯受力，也就是受力状态会更好。2.7.2 立柱设计对于立柱的设计如图2-20，在立柱整体结构的尺寸确定上是个需要从重量和受力两反面进行折衷考虑的，立柱的高度受轮辋内部空间的限制，在保证立柱可安装的前提下尽可能保证立柱的高度，会使得立柱的尺寸的极大化，也就意味着立柱的重量的增加，这也就增加了非簧载质量，这对赛车的 27性能来说是不利的；但是立柱高度的增加可以增加上下横臂与立柱连接点的长度，也就是增加主销的长度，从下横臂与立柱连接点的受力来说，这是有利的。由于今年采用10in的轮辋，轮辋本身的内部空间就不大，并且立柱的材料是铝制的，对于受力的因素考虑来说是可以优先于非簧载质量增加的不利因素。对于立柱宽度与厚度的设计主要是由轴承的尺寸选择及制动钳的安装尺寸决定的。在轴向设计时，主要考虑了轴承中心平面与主销的距离，距离越小轴承的受力越好，但是距离越小意味着主销越深入轮辋内部，这就增加了车轮跳动时或前轮转向时，横臂与轮辋干涉的危险。图2-20 后立柱建模图2-21 前立柱建模29 2.7.3 横臂的设计对于横臂而言，其主要作用是连接车架与车轮，承担传力和导向的作用。在赛车的制动、加速、转弯的工况中，横臂受力较大，但横臂一般不会断裂，折弯，危险工况一般出现在横臂的连接点处，因此悬架横臂不只在总体结构的设计上需要考虑受力的合理性，也要充分考虑每一个连接点的受力。本次设计的悬架横臂材料选用的是4130钢管，钢管规格为141.5mm。对于横臂铰点处的设计是采用的杆端轴承与向心轴承。杆端轴承的优点是承受轴向受力能力强，方便悬架的安装与调节，缺点是承受切向受力的能力较弱。向心轴承在承受切向与轴向能力方面较强，但是，由于与横臂焊接在一起，不能够进行调节。由于横臂与立柱连接处的铰点受力比较复杂，采用的向心轴承通过轴承套与横臂焊接在一起的方案，而横臂与车架连接处的铰点受力较小，采用的是杆端轴承与横臂螺纹连接。在横臂张角的设计时，要考虑到，横臂对制动力与驱动力的承受能力，另外还有考虑轮辋的空间，不影响转向。图2-22 横臂建模 29图2-23 杆端轴承图2-24 向心轴承2.7.4 悬架吊耳的设计在设计悬架吊耳的时候主要考虑三个方面，首先吊耳的强度要满足设计要求，其次要注重轻量化的优化设计，另外设计的吊耳要有足够的空间保证悬架在运动过程中，杆端轴承与向心轴承不与吊耳发生干涉的现象。在材料的选择上与车架焊接连接的吊耳采用的是45号钢，与立柱连接的吊耳采用的是7075铝。与车架焊接连接的吊耳，一般有两种方式，分为31 单片式与整体式，单片式吊耳焊接简单、质量轻，但是强度较低，定位角度较低。整体式吊耳定位方便、强度大，但是质量较大。综合强度与质量考虑车架吊耳最终采用的是整体式吊耳如图。在设计整体式吊耳的时候对其进行有限元分析，对其进行轻量化设计，同时考虑线切割工艺，最终设计如图这样在满足结构强度的前提下，尽量减轻零部件的质量。 图2-25 单片吊耳 图2-26 整体式吊耳图2-27 减震器吊耳 图2-28 摇臂吊耳2.5 本章小结本章主要总结了悬架系统的设计思路，主要包括了悬架偏频的选取，悬架刚度、侧倾角刚度的计算，以及弹簧与减振器的选取。另外对悬架系统部分零部件的结构设计进行了介绍，包括立柱、横臂、吊耳等部件的设计，对结构轻量化与强度进行综合分析，以达到制作过程的方便性，装配零部件的可靠性，以及在此之上的紧凑性。 31第3章 悬架建模与仿真分析 第3章 悬架建模与仿真分析3.1 ADAMS软件介绍ADAMS软件是MSC公司的一款软件，包括Car、Chassis、Driveline、Flex、Insight、PostProcessor等8个模块，另外还可以根据客户的需求人为添加其他模块。ADAMS软件是全球应用最为广泛的仿真软件之一，在机械行业占有很大的份额。其中子模块Adams/Car因其专业性，在汽车行业中应用更为广泛。能够对悬架系统、传动系统、制动系统甚至整车进行仿真分析，输出相关性能曲线与相关性能参数，能够有效地降低产品的研发周期，提高工作效率。快速建立高精度的车辆模板，包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等子系统在内的精确的参数化数字汽车，可通过高速动画直观的再现各种工况下的车辆运动学和动力学响应，并输出操纵稳定性、制动性、加速性、乘坐舒适性和安全性等性能指标参数，从而减少对物理样机的依赖。Adams/Car模块具有以下优点：1) 能够在建立物理实体模型之前探究设计的性能并且进行优化； 2) 与物理模型的分析相比，在Adams/Car中分析虚拟模型更快，而且更节约成本； 3) 改变分析的类型和方法更快更容易； 4) 提供更安全的工作环境； 5) 不用实物测试平台就可完成假设性分析。Adams/Car模块提供了两种运行模式：标准模式和模板模式；不同的模式对应着不同的界面和功能。模板模式为设计人员提供了设计空间，可以自行建立所需要的系统模型。然后转入到标准模式中进行仿真分析。 在Adams/Car中建立车辆的仿真模型，总结起来有以下几个步骤：1) 物理模型的简化。将整车化为几个主要的系统，然后理清每个系统中的零部件，以及它们之间的运动关系，定义拓扑结构。将部件定义为“general part”(整合零件)。 2) 确定“hard point”(硬点)。所谓硬点就是系统中各个零件之间的连接点，主要确定零件的大小与相对空间位置。3) 创建零件。在硬点创建完