方程式赛车悬架系统设计分析

方程式赛车悬架系统设计分析摘要：Formula SAE，是由各国 SAE，即汽车工程师协会举办的一项学生方程式赛车比赛。中国年汽车工程师协会于 2010 年首次举办大学生方程式赛车（ CFSAE） 。悬架的设计对 FSAE 赛车的性能有很大影响，运动过程中各向的力都通过悬架传递到车身。本文根据 FSAE 大赛的要求对赛车的悬架系统进行设计分析，内容包括悬架的设计要求、设计方法、轮辋的选择、轮胎的选择、赛车轮距和轴距的确定、悬架结构形式的确定、悬架二维图形的绘制、结合赛规确定偏频、并计算悬架的刚度等参数、悬架三维模型的建立、悬架关键零件力学分析、运动学分析及优化设计等。运用ADAMS 软件对双横臂悬架系统进行分析，研究汽车运动过程中悬架各定位参数的变化特性。关键词： FSAE 双横臂悬架 设计分析 MSC.ADAMSSuspension Design and Analysis of Formula SAE RacecarAbstract:Formula SAE，the SAE national, organized by the Society of Automotive Engineers Formula One racing for a student. Chinese Society of Automotive Engineers organized by Students for the first time Formula One racing(CFSAE) in 2010. The design of the suspension of FSAE has a great influence on the performance of the car. In the process of the movement to force through the suspension transfer to the body. According to the requirements of the FSAE competition in the suspension system design analysis, content including suspension design requirements, design method, rim selection, the tyre choice, between the determination of the car and axle space, suspension structure forms of sure, suspension two-dimensional graphics rendering, combined with the rules of the game to determine the partial frequency, and calculate the stiffness of the suspension parameters, establishment of three-dimensional suspension model, mechanics analysis for the suspension key parts , kinematics analysis and optimization design. Using ADAMS software to analysis the double wishbone suspension system, study the automobile suspension movement process each positioning parameter of the variation characteristics.Keywords：FSAE Wishbone Suspension Design and Analysis MSC.ADAMS目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 FSAE 大学生方程式汽车大赛简介 .11.3 赛事意义 .41.4 课题的主要任务 .52 FSAE 悬架设计 .62.1 FSAE 底盘规则概 况 .62.2 悬架概述 .82.3 悬架设计要求 .92.4 悬架结构的选型 .102.5 双横臂独立悬架导向机构的设计 .112.6 FSAE 赛车悬架参数 .152.7 车轮定位参数 .232.8 弹性元件、减震器的选择与布置 .242.9 A 臂材料与尺寸 .252.10 连接件及轴承的选择 .262.11 CAD 图与 CATIA 三维实体图 .292.12 主要零件的受力分析 .403 方程式悬架的运动仿真 .453.1 ADAMS 软件简介 .453.2 ADAMS 基本模块 .463.3 前悬架模型的建立 .473.4 模型的仿真 .533.5 仿真曲线的后期处理 .60结 论 .66参 考 文 献 .67致 谢 .691 绪论1.1 引言悬架是现代汽车上的重要总成之一 1，由于双横臂悬架有较好的运动特性，因此在越来越多的轿车的前悬上得到应用，特别是在赛车上，更是得到广泛运用，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。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 2。本文根据中国 FSC 大赛规则对赛车的悬架系统进行了设计与分析。汽车的四轮定位决定了整车的运动性能，前转向轮的定位整合了转向与悬架系统的所有几何参数 3。悬架的运动学性能直接影响操纵稳定性等汽车使用性能，而正确的车轮定位参数能够使赛车的运动性能得到良好地发挥，同时还能够增加赛车的安全性与舒适性提高轮胎的使用寿命 4，减轻驾驶员的驾驶疲劳。前轮定位参数包括主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前束。主销与导向机构配合的合理与否直接影响到赛车的诸多性能，从而影响整车的优劣。1.2 FSAE大学生方程式汽车大赛简介1.2.1 Formula SAE Formula SAE，是由各国 SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业 7 个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车 5。自 1981 年创办以来，FSAE 已发展成为每年由 7 个国家举办的 9 场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。 SAE 方程式（Formula SAE）系列赛源于 1978 年。第一次比赛于 1979 年在美国波斯顿举行，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。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 2 页 的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用 8 至 12 个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。 为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车, 并要求原型车实际耗资应低于 2.5 万美元（该规则 09 年已经取消） 。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容 6 。2008 年 Formula SAE 系列赛包括以下九个比赛： 1) 美国密歇根，Formula SAE，由 SAE 举办； 2) 美国加利福尼亚，Formula SAE West,由 SAE 举办； 3) 美国弗吉尼亚，Formula SAE VIR，由 SAE 协办； 4) 澳大利亚，Formula SAE Australasia，由澳洲 SAE 举办； 5) 巴西，Formula SAE Brasil，由巴西 SAE 举办； 6) 意大利，Formula SAE Italy，ATA 举办； 7) 英国，Formula Student，由 ImechE 举办； 8) 德国，Formula Student Germany； 9) 日本，Formula SAE Japan。 2009 年的比赛包括美国的密歇根、加州和弗吉尼亚赛，以及英国、巴西、意大利、日本、德国、澳大利亚赛。 2010 年 10 月，中国第一届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。 2011 年 10 月，中国第二届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。1.2.2 比赛规则简介比赛规则非常开放，以鼓励学生的原创设计和各种形式的赛车的出现。比赛的基本原则如下： 1) 开轮/开舱；2) 使用排量不超过 610cc 的四冲程汽油机；河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 3 页 3) 安装内径 20mm 的进气限流阀；4) 轴距不小于 1525mm； 5) 轮辋不小于 8 英寸； 6) 必须能够制动全部四个车轮； 7) 悬架行程不小于 50.8mm（2 英寸）； 8) 大量安全和结构强度要求； 9) 整车成本不大于 25000 美元（按规则计算）。1.2.3 评定项目简介比赛通过一系列静态和动态的项目来评判汽车的优劣，这些项目包括：技术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经济性。通过给这些项目打分来评判汽车的性能。 项目分值分配如表 1-1 所示。表 1-1 成绩评定项目分值分配表环节名称 分值陈述 75工程设计 150静态项目成本分析 100加速性 75弯道性能 50操作稳定性 150燃油经济性 50动态项目耐久性 300总体 两项总分 10001.2.4 中国大学生方程式大赛简介中国大学生方程式汽车大赛（以下简称 CFSAE）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。这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，评比的是学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案，以及把赛车制造成产品的过程。这不是一场竞速比赛或节油比赛，而是汽车人河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 4 页 才综合素质的比拼，这项赛事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、沟通与协调五方面的综合能力，从而全面地提升综合素质。未来支撑中国汽车产业的脊梁必将在这些学生中产生，这也是赛事最大的意义所在，举办中国 FSAE 大赛的目的，就是为中国汽车产业的发展做长期的人才积蓄。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。2010 年中国举办第一届 FSAE，北京理工大学代表队以总分第一的成绩获得总冠军。2011 年的中国第二届 FSAE 北京理工大学代表队以总分第一的成绩蝉联国军。2011 年，我校代表队“兴冀车队” （图 1.1）第一次参加中国 FSAE 赛事。图 1.1 兴冀车队1.3 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，使学河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 5 页 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 CATIA 、UG、 ANSYS 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 7。Formula SAE 赛事是一项极具考验学生持之以恒精神的赛事。它考验着每名队员的耐力，在每一个阶段都会出现各种各样的问题，而这问题的解决需要细心、耐心、不厌其烦的一遍一遍的摸索。在有限的条件下，任何一处结构的设计都很难一次完成，强度不够，运动干涉这些都是常会遇到的问题，这些问题的解决也要花很大的心思和精力。由于 Formula SAE 赛事是一个边学边做，边做边学习的过程。总是在失败中慢慢的成功。通过 FSAE 大赛可以学到很多书本上学不到的东西，并且能够将知识转化为专业技能，同时还能锻炼.学生的团队合作能力和责任感。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。1.4 课题的主要任务本次毕业设计主要进行方程式赛车悬架系统设计任务，根据方程式赛车的设计要求进行，按照汽车悬架结构开展赛车悬架设计工作。赛车设计参数：1) 发动机排量 610cc；轴距1525mm；轮辋不小于 8 英寸；2) 必须能够制动全部四个车轮；悬架行程50.8mm（2 英寸） ；河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 6 页 3) 轮辋公称直径：13 ；4) 胎面宽度 160mm/6；5) 轮胎外径 530mm/20.8；6) 前轮距必须不小于后轮距的 75%；毕业设计内容：确定赛车悬架结构型式，完成悬架结构图纸，悬架与车架连接件图纸，完成悬架结构的计算分析，确定弹性元件、导向杆、减震器的型式与结构。2 FSAE悬架设计2.1 FSAE底盘规则概况2.1.1 悬架赛车必须在前后轮装配有可以自由工作的、并有减震器的悬架，并且悬架在坐有车手的情况下可以在分别抬起和压下 25.4mm。如果赛车没有严谨的悬架运行表现，或不能表现出适合比赛的操控能力，检察官员保留有取消赛车参赛资格的权利。悬架的所有的接合点必须可以被技术检查官员看到，无论是可以直接看到或是通过移除覆盖件来实现。2.1.2 离地间隙必须有足够的离地间隙来防止赛车在行驶时的任何部分（除了轮胎）接触地面。并且在乘坐有车手的时候，任何时候在全车底部最小必须有 25.4mm（1 英寸）的静态离地间隙。2.1.3 车轮赛车的轮胎直径必须大于等于 203.2mm（8.0 英寸） 。任何只使用一个锁紧螺母的轮胎装配系统必须配有一个装置来固定和锁紧螺母和车轮，防止螺母松动。2.1.4 轮胎赛车可装备如下两套轮胎：干胎在检查时安装在赛车上的轮胎定义为干胎。干胎尺寸任意，型号任意。他们可以是光头胎，也可是有纹的。河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 7 页 雨胎雨胎可以是如下规定的任何型号和尺寸的有花纹和沟槽的样式：1）花纹和沟槽的图案必须是由轮胎厂商塑造成型的，任何被刻制的花纹沟槽必须有文件证明它是符合比赛的相关规定的。2）沟槽最浅为 2.4mm（3/32 英寸） 。备注：车队自己手刻的花纹和沟槽是特别禁止的。每套轮胎在静态评定开始后，轮胎的成份和尺寸，或轮辋的型号和尺寸不能改变。不能使用轮胎保暖器。在静态评定开始后，任何牵引力提升方法都不准采用。2.1.5 转向转向系统必须至少在两只车轮上起作用。转向系统必须有有效的(转向系)转向角限制器（止档）来防止转向连接处锁止（四连杆机构在一个节点处反转） 。限止器可安置在转向柱，或齿条上,并且必须防止轮胎在行驶时接触悬架、车身或车架部件。允许的转向系统空程总共为 7 度（在方向盘上测量）后轮转向只有当机械限止器限制了转向角沿正前方3 度时，才允许安装。转向轮必须与前轮机械连接，诸如前轮“线控转向”是禁止的。方向盘必须安装快速分离器，车手在正常行驶并配戴手套时可以启用快速分离器。方向盘轮廓必须为连续闭合近圆形或近椭圆形。例如：方向盘的外轮廓可以有一些部分趋向直线，但不可以有内凹的部分。 （新内容）不允许使用 H 形，8 型或不完全方向盘。2.1.6 千斤顶支撑环在赛车的最后部必须安装有千斤顶支撑环。它须能支撑起整辆车的重量，并且能和官方的“快速千斤顶”配合使用。千斤顶支撑环的要求为：站在车后一米（3 英寸）处可视；外观颜色为桔色；水平方向呈圆柱形，与车身中心线垂直；由圆柱形、外经 25-29mm（11 1/8 英寸）的铝管或钢管制成；最短长度 300mm（12 英寸） ；在其圆周下半部分的长度至少为 280mm（11 英寸） 。管子的高度必须满足如下条件：河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 8 页 在技术检查时从支撑管底部必须最少有 75mm（3 英寸）的离地间隙。当支撑管底部离地 200mm（7.9 英寸）,弹簧完全松弛的状态下不接触地面。2.1.7 侧倾稳定性轮距与车重力中心必须联合起来以提供充足的侧倾稳定性。侧倾稳定性将在一个倾斜台上用一个合格/不合格测试来评估，当车身与水平线倾斜成任意方向 60 度角，相当于 1.7G，车都不能翻滚，倾斜测试将由最高的车手坐在正常行驶位置进行测试 8、9 。2.2 悬架概述悬架是现代汽车上的重要总成之一，是车架（或承载式车身）与轿车（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。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 10、11 。典型的悬架结构主要由弹性元件、导向装置、减震器和横向稳定器等组成 12。各组成部分的功能如下：1) 弹性元件功能：支撑垂直载荷,缓和和抑止不平路面引起的振动和冲击.弹性元件主要有钢板弹簧,螺旋弹簧,扭杆弹簧,气弹簧和橡胶弹簧等 13。原理：用具有弹性较高材料制成的零件，在车轮受到大的冲击时，动能转化为弹性势能储存起来，在车轮下跳或回复原行驶状态时释放出来。2) 导向装置导向机构的作用是传递力和力矩,同时兼起导向作用。在汽车的行驶过程当中,能够控制车轮的运动轨迹。3) 减震器功能: 减振器是产生阻尼力的主要元件,其作用是迅速衰减汽车的振动,改善汽车的行驶平顺性,增强车轮和地面的附着力.另外,减振器能够降低车身部分的动载荷,延长汽车的使用寿命.目前在汽车上广泛使用的减振器主要是筒式液力减振器,其结构可分为双筒式,单筒充气式和双筒充气式三种。工作原理：在车轮上下跳过程中，减振器活塞在工作腔内往复运动，使减振器液河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 9 页 体通过活塞上的节流孔，由于液体有一定的粘性和液体通过节流孔时与孔壁间产生摩擦，使动能转化成热能散发到空气中，从而达到衰减振动功能。4) 横向稳定器功能：解决汽车的舒适性与运动性之间的矛盾，增加悬架的侧倾角刚度。工作原理：通过减小悬架垂直刚度，能降低车身震动固有频率，达到改善汽车平顺性的目的。但因为悬架的侧倾角刚度 和悬架垂直刚度之间是正比关系，所以减小垂直刚度的同时使侧倾角刚度 也减小，并使车厢侧倾角增加，从而降低了舒适性与行驶安全性。而有了横向稳定器，就可以做到在不增大悬架垂直刚度的条件下增大悬架的侧倾角刚度 14 。2.3 悬架设计要求本次毕业设计主要进行方程式赛车悬架系统设计任务，根据方程式赛车的设计要求进行，按照汽车悬架结构开展赛车悬架设计工作。赛车设计参数：发动机排量 610cc；轴距1525mm；轮辋不小于 8 英寸；必须能够制动全部四个车轮；悬架行程50.8mm（2 英寸） ；轮辋公称直径：13 ；胎面宽度 160mm/6；轮胎外径 530mm/20.8；前轮距必须不小于后轮距的 75%；毕业设计内容：确定赛车悬架结构型式，完成悬架结构图纸，悬架与车架连接件图纸，完成悬架结构的计算分析，确定弹性元件、导向杆、减震器的型式与结构。具体原则如下：1) 应该具有合适的减震性能，能快速衰减震动。2) 应该能够保证赛车具有良好的操纵稳定性，转向时，赛车具有中性的转向特性；3) 车轮跳动时，应不使车轮的定位参数变化过大，转向杆系与悬架导向机构的运动相协调。4) 制动和加速时保证车身稳定，减小车身俯仰。在转弯时，侧倾幅度不能太大。5) 要有良好的降噪隔声能力。6) 能可靠地传递车身与车轮之间的一切力和力矩，在满足零部件轻的同时还要有足够的强度和寿命（当然对于赛车，寿命往往只有几个小时近百公里，但河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 10 页 是我们制造的 FSAE 赛车同时需要让车手平时练习，所以寿命还是需要有保障的） 。7) 结构紧凑，占用空间要小。由于本次设计的是赛车的悬架，根据大赛规则的要求及赛车设计的实际情况， ，本次设计的悬架系统主要要满足以上的第 1） 、2） 、3） 、4） 、6） 、7）条原则。2.4 悬架结构的选型2.4.1 独立与非独立悬架悬架分为独立悬架（左、右车轮通过各自的悬架与车架（或车身）连接）和非独立悬架（左、右车轮用一根整体轴连接，再经过悬架与车架（或车身）连接。非独立悬架 独立悬架图 2.1 独立悬架与非独立悬架独立悬架的优点为：簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只承受垂直力，可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低，改善了汽车行驶平顺性；由于采用断开式车轴，因此能降低发动机的位置高度，使整车的质心高度下降，又改善了汽车的行驶稳定性；左、右车轮各自独立运动互不影响，可减少车身的倾斜和振动，同时在起伏的路面上能获得良好的地面附着能力 15。 独立悬架结构形式可分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、单斜臂式、烛式、麦弗逊式、扭转梁随动臂式和多连杆式等几种类型。双横臂式悬架有如下特点：侧倾中心高度比较低，车轮跳动时车轮外倾角与主销内倾角均有变化，轮距变化小，轮胎磨损速度慢，悬架侧倾角刚度较小，横向刚度大 16。除去轻量化，高强度，方便设计的优点外，更在操控性上有更高要求的赛车比赛中，悬架一般都会调校的较硬，这对车辆稳定性提出了更高的要求，双横臂独立悬架可以针对这个问题通过对悬架控制臂的适当调整改变车辆性能，最大限度的利用轮胎的各向摩擦力，从而使赛车性能河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 11 页 得到更大的提升。 17双横臂式独立悬架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 18。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大(与单横臂式相类似)，造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，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。目前不等长双横臂式悬架已广泛应用在轿车的前后悬架上，部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬架结构。 192.4.2 前、后悬架方案的选择目前汽车的前、后悬架采用的方案有：前轮和后轮均采用非独立悬架；前轮采用独立悬架，后轮采用非独立悬架；前轮与后轮均采用独立悬架等几种方案。考虑到实用性与价格等因素车上一般都不全采用独立悬架，但是对于操控性有更高要求的车上一般前、后悬都采用独立悬架。参考同类赛车结构并结合 FSAE 赛车情况决定前后悬架最后都选取不等长双横臂式独立悬架。考虑到整车质量和对空气阻力要求较高等因素，上下横臂均用管件，前后悬架上下臂采用 A 字形臂，根据车架结构的布置，前悬采用对称式的结构，后悬采用非对称式的结构。2.5 双横臂独立悬架导向机构的设计2.5.1 悬架横臂的定位角独立悬架中的横臂铰链轴大多为空间倾斜布置，为了描述方便，将横臂空间定位角定义为：横臂轴的水平斜置角 ，悬架抗前俯角 ，悬架斜置初始角 。河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 12 页 图 2.2 、角度的定义2.5.2 纵向平面内上、下横臂轴的布置方案上、下横臂轴在纵向平面内的布置形式直接决定了抗制动前俯角，而抗前俯角的匹配对主销后倾角的变化有较大影响 20。为了提高汽车的制动稳定性和舒适性，一般希望主销后倾角的变化规律是：在悬架弹簧压缩时后倾角变大，在弹簧拉伸时主销后倾角减小，用以产生制动时因主销后倾角变大而作用在转向节上的防止制动前俯的力矩 21,22。图 2.3 纵向平面内上、下横臂轴布置方案图 2.3 给出了六种可能匹配布置方案的主销后倾角随车轮跳动的变化曲线，图中 表示主销后倾角。第 4、5 方案的 变化规律为压缩行程 减小，拉伸行程 增大，这与所希望的规律正好相反，因此不易用在汽车前悬中；方案 3 虽然注销后倾角河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 13 页 的变化最小，但其抗前俯的作用也小；第 1、2、6 方案主销后倾角的变化规律是比较好的，在现代汽车中得到广泛应用 23。综合上述分析为了减小赛车的制动前俯采用的是方案 1：1=-1,2=5。2.5.3 横向平面内上、下横臂轴的布置方案上、下横臂在横向平面内的布置方案主要有以下三种：图2.4 横向平面内上、下横臂轴的布置方案比较图 4 中 a、b、c 三种方案可以清楚的看到，上、下横臂布置不同，所得到的侧倾中心位置也不同。方案 c）所示上、下臂平行的布置方式车轮跳动时能最大程度地保持垂直，所以这种布置方案产生的车轮偏振以及转向轮绕主销的自激摆振最小。若上、下臂长度与它们的离地高度成反比，则侧倾中心高度在车轮跳动时保持不变。缺点是跳动时车轮外倾角变化不大。方案 b）中，单个车轮的跳动瞬心位于车轮之外，直接导致的结果就是车轮外倾角在悬架压缩行程变小，伸张行程增大，产生不足转向效应。由于 FSAE 赛车经常处于转向工况，且需要车轮外倾角的变化趋势为：车轮上跳时车轮外倾角变大，下落时外倾角变化不大。很明显这种布置方不适合 FSAE 赛车。方案 a ）广泛应用于 FSAE 赛车，这是由于通过合理的设计，这种布置形式能提供最好的操纵性，最小的轮胎磨损以及轮胎噪声。当侧倾中心位于地面之上时，能减小转弯时车身的侧倾角，且车轮外倾角变化趋势符合上述 FSAE 赛车的需要。当下控制臂内安装点下移时，侧倾中心降低，整车重心降低，当侧倾中心刚好处于地面时，赛车的轮距变化最小，车轮外倾角变化最小，随之产生的车轮偏振也最小 24。综合上述分析，最终采用方案 a） ，上横臂与水平方向夹角为 6，下横臂与水平方向夹角为-1。河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 14 页 2.5.4 水平面内上、下横臂轴的布置方案上、下横臂轴线在水平面内的布置方案有三种，如图 2.5 所示：图 2.5 水平面内上、下横臂轴的布置方案a) 1和 2皆为正值 b） 1为正值， ， 2为零 c） 1为正值， 2为负值下横臂轴 M-M 和上横臂轴 N-N 与纵轴线的夹角，分别用 1和 2来表示，称为机构上、下横臂轴的水平斜置角。一般规定前端远离汽车纵轴线的夹角为正，反之为负；平行者为零。上、下横臂轴斜置角不同的组合方案，对车轮跳动时前轮定位参数的变化规律有很大影响。图中 b） 、c）方案主销后倾角随车轮的上跳而增大；方案 a）则主销后倾角随车轮的上跳有较少的增加甚至减少（当 11时小，故推荐取fc2=(0.80.9)f c1。故设计悬架静挠度f c1= 30mm ， f c2= 28mm前、后悬偏频与静挠度的关系可由式（2-3）求出:（2-3）11/5cfn22/5cfn代入数据可以求解得前、后悬架的偏频分别为： Hzfnc89.23/511022前后偏频比为 6./21n符合FSAE高负升力赛车的标准。估算前后轴荷为:前轴荷m 1=100KG,后轴荷m 2=130KG,根据式（2-4）可计算出悬架乘适刚度:（2-4）211)(nc22)(nc代入已知数据可以求得前、后悬架的乘适刚度分别为：mNm/1.37)89.*(0)2(211nc 503乘适刚度是悬架和轮胎串联的等效刚度，他们之间的关系可由式（2-5）表示：（2-5）TWKc1轮胎径向刚度TK车轮刚度，也叫悬架刚度，是弹簧在车轮处的等效刚度W河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 24 页 取轮胎的径向刚度为 ，由式（2-6）计算：mNKT/180（2-6）cKTW.可得 mNKW/0.381/75.2传递比，也叫杠杆比，是车轮行程与其产生的弹簧行程的比值初选杠杆比 。1RM弹簧刚度和有效行程是减振器选择的重要参数，其中弹簧刚度可由式（2-7）计算得出：（2-7）2)(RWSMK可得， mNKS/38175.2减震器的有效行程 计算式为式（2-8）：ds（2-8）RWSMd其中 为车轮跳动行程，取为30mm，从而求得减震器有效行程为：WdmS301即弹簧的有效行程为 30mm。此处估取前轮距为 B1=665mm，后轮距为 B2=865mm，则前后悬架的侧倾角刚度可按式（2-9）计算：（2-9）/2KW由此可得前、后悬架的侧倾角刚度分别为： )/(80.16NmK473922.7 车轮定位参数四轮定位参数：河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 25 页 1) 主销后倾角主销在汽车的纵向平面内有向后的一个倾角，即主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角，能够形成稳定的回正力矩。现代高速汽车由于轮胎气压降低弹性增加，从而，引起稳定力矩的增加，因此，主销后倾角可以减小，甚至为零。2) 主销内倾角主销在汽车的横向平面内有向内倾斜的一个角度，即主销轴线和地面垂直线在汽车横向断面内的夹角，该角也有使车轮产生自动回正的作用。主销内倾角是在前立柱的设计中得到的，由机械加工实现。3) 前轮外倾角前轮外倾角是指通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角 30。若空车时车轮正好垂直于路面，则满载时，车桥会因为受载而产生变形，从而出现车轮内倾，这样将会加速轮胎的偏磨。由于 FSAE 赛车非载货汽车，因此在设计时可以根据有驾驶员乘坐时的整车质量来设计，因此，前轮外倾角可以设计的很小，甚至为零度。4) 前轮前束汽车的两前轮的前边缘距离 B 小于后边缘距离 A，A-B 之差即称为前轮前束。这样的设计可以使车轮在每一瞬时滚动方向接近于正前方，从而很大程度上减轻和消除了由于车轮外倾而产生的不良后果。前束可以通过改变横拉杆的长度来调整 31。各参数如表 2-2 所列。表 2-2 悬架车轮定位参数 单位：（）主销内倾角 主销后倾角 车轮外倾 车轮前束前悬架 4 2 0 0后悬架 0 0 0 02.8 弹性元件、减震器的选择与布置汽车的弹性元件包括钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧和气体弹簧等。钢板弹簧主要用在非独立悬架中，且布置需要较大空间。扭杆弹簧由于适合的弹簧刚度所要求的扭杆长度过长，不宜布置。气体弹簧成本较高，结构设计复杂，占用空间比较大。螺旋弹簧安置所需的纵向空间不大，质量较轻，且成本不高。考虑到弹性元件布置所需空间和成本，最终决定选用螺旋弹簧，并加装减振器。布置形式为减震器套在螺旋弹河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 26 页 簧内部。减振器与拉杆通过摇臂连接，以改变传力方向，并将弹簧减振器布置在车身下部，从而可以达到降低整车质心高度的目的，从而提高赛车的稳定性。结构形式如图 2.16：图 2.16 减震器布置方案2.9 A臂材料与尺寸在选取A臂材料及尺寸的时候就涉及到了悬架每根杆的受力情况。在受力方面，前悬架需要考虑静态时车重、制动时的地面制动力和质心的惯性力引起的前轮负荷加大；后悬架需要考虑静态时的车重、制动、加速时的地面制动力和加速时引起的后轮负荷加大，另外还要考虑弯道行驶时，离心力引起的外侧悬架负荷加大。静态时，按质量分配，可计算出前后轮垂向载荷，进而计算出前后悬架静态受力。加速或制动时，最大加速度或最大减速度都是由轮胎的附着系数决定，根据轮胎的特性，可以计算赛车的最大加速度或减速度，得到前后轮纵向载荷；由此加速度引起的负荷转移，需要考虑赛车的重心高度，继而转化为前后轮的垂向载荷变化值。赛车在弯道行驶，离心力作用于质心，离心力的大小取决于弯道的半径和赛车的速度，也要受车轮附着系数的制约，这里需要对弯道和车速进行估计，算出合理的加速度数值，进而得出车轮横向载荷；根据质心高度，可以计算出内外侧垂向载荷变化河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 27 页 值。简化分析：横臂上的杆件可以认为是受到横向拉力的作用，而受力最大的杆件应该为通过摇臂与减震器连接的拉杆，通过摇臂1:1的改变力的方向，可以认为是拉杆直接受到螺旋弹簧垂直方向的弹力。本次设计估取的整车质量为280Kg，前后轴荷分配为45:55，则后轮减震器静载受力最大为280x（55/100）/2=77Kg，再加之1.7g的最大运动加速度可以求得减震器受力约为1300N，考虑到加速或减速时的载荷转移，估取减震器最大受力为2100N。在设计中悬架采用美标SAE4130钢管。SAE4130钢管屈服强度为1000Mpa，受力最大的杆件为减震器拉杆，为2100N，计算钢管横截面积如下： 2210.10mA由于钢管材料性能优异，所需截面积很小，考虑到悬架的刚度，选取钢管规格为12mmx1.65mm与12mmx2.65mm的钢管。A臂的安装如图2.17所示，规格为12mmx1.65mm的管与A臂的尖端接头焊接，另一端与一段30mm长的12mmx2.65mm管焊接，其中管12mmx2.65mm内部有M8的螺纹，焊接完成后端部与SA8E的关节轴承安装。图 2.17 A 臂的安装2.10 连接件及轴承的选择2.10.1 连接件的选择根据大赛规则要求，螺纹连接件的强度等级不得低于 8.8 级，同时要有必要的防松装置。本次设计中螺栓全部采用的是 8.8 级，配以弹簧垫圈和防松螺母，以使强度与防松方面都达到规则要求。具体的型号规格见表 2-3。河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 28 页 表 2-3 悬架各安装位置螺栓规格表前悬 后悬螺栓型号规格 数目 螺栓型号规格 数目上横臂与主销铰接点 M8x40 1 M8x40 1下横臂与主销铰接点 M8x40 1 M8x40 1上横臂与车架铰接点 M8x40 2 M8x40 2下横臂与车架铰接点 M8x40 2 M8x40 2拉杆与上横臂铰接点 M8x40 1 M8x40 1拉杆与摇臂铰接点 M8x40 1 M8x40 1摇臂与车架铰接点 M12x45 1 M12x45 1减震器与摇臂铰接点 M10x35 1 M10x35 1减震器与车架铰接点 M10x35 1 M10x35 1横向稳定杆拉杆与摇臂铰接点 M6x30 1 M6x30 1横向稳定杆与其拉杆的铰接点 M6x30 1 M6x30 1上横臂连接座与主销的连接点 M6x25 2 横拉杆安装座与后立柱的连接点 M6x20 2横拉杆与车架的铰接点 M8x40 1横拉杆与其安装座的铰接点 M8x40 1表 2-3 所列均为单侧轮所需螺栓规格及数目，且每枚螺栓都对应配有相应尺寸规格的平垫圈、弹簧垫圈和防松螺母。统计后所需的螺栓规格及数目如表 2-4 所列。表 2-4 悬架连接件规格、数目表规格 M6x20 M6x25 M6x30 M8x40 M10x35 M12x45螺栓数目 4 4 8 36 8 4规格 M6 M8 M10 M12平垫圈数目 16 36 8 4规格 M6 M8 M10 M12弹簧垫圈数目 16 36 8 4防松螺母 规格 M6 M8 M10 M12河北工业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 29 页 数目 16 36 8 4规格 M8 普通螺母数目 28 2.10.2 轴承的选择1) 悬架连接部位的轴承选择根据国外以及国内的 FSAE 赛车的配置来看，悬架的链接部位大都采用的是关节轴承，这种关节轴承大体上可以分为杆端关节轴承和向心关节轴承两大类，而杆端关节轴承又分为内螺纹杆端关节轴承和外螺纹杆端关节轴承两类。这种轴承最大的优点就是质量轻、无需另外添加润滑剂和安装使用方便等。本次设计采用的是 GEG-E 系列的向心关节轴承、SA-E 系列的外螺纹杆端关节轴承和 SI-E 系列的内螺纹杆端关节轴承。此外，摇臂与车架安装位置采用的是无孔自润滑轴承，尺寸规格为 12*16*20，即轴承内径为 12mm，外径为 16mm，轴承长度为 20mm。该轴承有自润滑功能，安装时需要与安装孔有过盈配合，压入安装孔中。悬架各安装部位所用轴承型号及数目如表 2-5 所列。表 2-5 悬架各安装部位所用轴承型号及数目前悬 后悬轴承型号 数目 轴承型号 数目上横臂与主销铰接点 GEG8E 1 GEG8E 1下横臂与主销铰接点 GEG8E 1 GEG8E 1上横臂与车架铰接点 SA8E 2 SA8E 2下横臂与车架铰接点 SA8E 2 SA8E 2拉杆与上横臂铰接点 SA8E 1 SA8E 1拉杆与摇臂铰接点 SA8E 1 SA8E 1摇臂与车