FSAE电动赛车前悬架的设计与分析（含CAT三维图）
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cat
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摘要
本文主要阐述了此次毕业的思路和所做工作。首先对此次毕业设计的背景FSAE赛事进行了阐述。随后对于此次毕业设计的研究对象设计FSAE赛车前悬架的国内外研究现状进行了说明和比较。随后确定此次设计的参考对象为中北大学行知车队所设计的FSAE赛车。随后对已经确定的悬架结构进行结构选择和各个主要部件的设计，最后进行绘图工作。此次FSAE电动赛车前悬架的设计主要参考了大学生方程式汽车大赛的设计流程及要求。主要进行了以下几个方面的学习和研究：
1.首先研究双横臂式悬架、单纵臂式悬架、双纵臂式悬架、麦弗逊悬架等不同悬架结构的性能，通过对比在这些悬架结构中根据FSAE电动赛车性能的要求选出最适合FSAE电动赛车的悬架结构。
2.根据设计确定最基本的赛车参数。根据这些基本参数和相关公式对已确定的悬架结构进行参数设计，其中参数计算包括：选定车轮定位参数，对悬架结构的几何设计，各种刚度的计算，阻尼系数的计算等。
3.根据上一步参数设计计算所得，进一步计算确定出悬架结构中上下横臂、螺
旋弹簧、减振器各个零件的设计计算和摇臂、转向节、防侧倾杆等结构的相关设计。
4.根据之前所确定的各个主要构件的结构尺寸，利用CATIA三维软件绘制出各个构件以及所需零件的三维模型图。再根据赛车的空间尺寸进行装配设计，并通过CATIA三维软件对各个构件进行装配，最后得出FSAE电动赛车前悬架的三维模型。
关键词: FSAE电动赛车，前悬架系统，参数计算，三维模型。
- 内容简介：
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XXXXXXX设计说明书第I页共页目录1绪论111FSAE赛事概述112悬架的研究背景213悬架运动学的研究现状2131国外研究现状2132国内研究现况314研究的目的及意义42悬架系统设计921悬架的概述和设计流程9211悬架的概述9212FSAE赛车前悬架的设计流程1022FSAE赛车前悬架系统的选择10221悬架系统的类型及分析对比10222FSAE电动赛车前悬架结构的方案分析及选择113悬架的参数设计1331赛车的基本参数1332赛车悬架的参数设计13321车轮定位参数13322悬架几何参数14323赛车前悬架的刚度计算17XXXXXXXXX设计说明书第II页共页33前悬架设计参数总结194FSAE赛车前悬架主要结构元件的设计2041前悬架上下横臂的设计20411前悬架上下横臂的尺寸计算20412前悬架上下横臂的结构设计20413前悬架上下横臂的空间布置2142弹性元件的设计2243FSAE电动赛车前悬架减振器的设计2344转向节的设计2545摇臂的设计2646防侧倾杆设计2647推杆的设计2748螺栓紧固件的选用27481下横臂与推杆装配的螺栓紧固件的选用27482推杆接头与摇臂装配的螺栓紧固件的选用28483摇臂与减振器装配的螺栓紧固件的选用2849前悬架结构三维装配图285设计总结与展望29参考文献30致谢32XXXXXXXXXXX设计说明书第1页共34页1绪论11FSAE赛事概述FSAE（FORMULASAE）系列赛事是一项面向大学生的综合性工程教育赛事，由SAE（SOCIETYOFAUTOMOBILEENGINEERING,美国汽车工程师协会）主办，自1987年开办以来，距今已有30多年的实践，赛事遍及全世界各地。这个赛事的宗旨在于提高世界各地大学本科生及研究生团队设想、设计、制造小型方程式赛车的能力。为了能够给这些大学生团队提供最大的设计灵活性和充分展示他们想象力和创造力的空间，这个赛事对于整车的硬性限制总体来说是比较少的。在这些车队参加比赛之前，他们一般都要花费八至十二个月的时间去设计、制造、检测赛车等工作以及完成赛前准备。在和来自世界其他大学的车队的比赛过程中参加比赛的车队也能够证明和展示自身的创造力和工程技术能力。FORMULASAE向全世界各地的大学生提供了一个参与意义重大的综合项目的机会。由参与的车队负责管理整个项目，包括设计流程工作的分配，基本成本预算以及成本控制、采购设备、材料、部件以及制造和测试。FORMULASAE为这些参加比赛的学生提供了一个较为真实的工程经历。参与FORMULASAE赛事的队员们经受考验，面对挑战，具有创造性思维，培养实践能力。这些队员们相对同龄人有专业的优势，这保证了他们在以后的工作经历中能够在与其他人合作时更高效地完成项目。该赛事的最终目标是由学生独立构思、独立设计和制造一辆小型方程式赛车。通过这次比赛能够提高参与学生的知识水平、培养他们的创造力和想象力。在这样一项具有非常意义的工程项目中，能使参与的学生获得宝贵的实践经验，同时也能够提供给他们一个专注于团队工作的机会，在这期间能够锻炼合作、沟通技巧，培养团队精神。由于FSAE项目能够培养高素质综合人才，在欧美等发达国家的学校眼中，大学生FSAE项目是每个理工类学校都非常重视的一个比赛项目。基本每个学校都有自己的FSAE车队，他们带领自己的车队参加自己所在区域的比赛。FSAE系列赛是，得到了学校、企业、社会的支持和普遍认可。自然是来源于他们比较成熟的技术和管理经验也比较丰富。相对于美国与欧洲，中国FSAE项目起步较晚，中国首届大学生方程式汽车大赛由中国汽车工程师学会主办，于2010年11月在上海国际赛车场成功举行，XXXXXXXXX设计说明书第2页共34页首届比赛参赛队伍共有21支，包括清华大学、吉林大学、北京理工大学、同济大学、华南理工大学、湖南大学等国内开设有车辆工程专业的高校。12FSAE电动赛车悬架的研究背景悬架系统的结构以及性能的好坏会直接影响汽车的操纵稳定性和汽车的行驶平顺性等整车性能。也就是说，想要拥有良好的整车性能的前提是必须要有一个良好的悬架系统。对于FSAE电动赛车来说，悬架设计是否达到最优也决定了整个赛车的性能水平。悬架的设计包括了合理选择悬架系统的形式，对悬架各个元件进行合理的设计和选择，对于悬架系统进行运动学分析和静力学分析，在悬架系统满足参赛要求的前提下，也能够使悬架的性能参数尽可能达到最优。13FSAE赛车悬架运动学的研究现状现如今，方程式赛车是世界上最受欢迎的汽车赛事。FSAE赛车在被制造出来以后就不断地打破人们对于速度的认识和理解。FSAE赛车除了速度比其他类型的汽车高的特点以外，它在高速运动的过程中，控制力也比其他类型的汽车好很多。但是由于FSAE赛车速度过高这一点，设计师所面临的问题也有很多稳定操作性和行驶平稳性的性能要求比其他类型的汽车高出许多；赛车高速过弯时，可能会使赛车出现翻滚和报废的可能等。想要解决这些问题，就必须着重考虑轮胎的特性，悬架的特性，转向和阻尼特性等。所以无论是国内还是国外的FSAE赛车设计师都将解决思路放在悬架的优化设计上。以下对国内外FSAE赛车的悬架系统的研究进行了解。131国外对于赛车悬架的研究现状国外发达国家对于赛车的研究起步较早。文献中对赛车系统动力学进行了详细的论述，并且首次提出了悬架机构中传动比这一概念。同时国外的研究学者也对车轮定位参数进行了准确的定义，总结分析了车轮定位参数的作用以及它们对赛车操纵稳定性的影响，轮胎和路面之间的力和力矩对于车轮定位值产生的影响，并且提供了一些典型车型的车轮定位参数的变化曲线，这些变化曲线都是通过实际测试得到的，可以利用这些变化曲线来进行对车辆操纵稳定性的评价，但是并未给出如何确定赛车悬架机构的办法2。由阿达姆措莫托所著的汽车行驶性能和安培正人所著的汽车的运动与操纵，他们都介绍了悬架运动学对于汽车行驶性能的相关影响，同时也做出了悬架运动学对于汽车操纵稳定性的影响方面较为系统的分析3,4。由此可以看出，国外研究学者对于赛车悬架系统的研究是特别深入的，而且对于悬架系统设计的发展XXXXXXXXXXXX设计说明书第3页共34页做出了极大的贡献。国外研究设计师对于FSAE赛车悬架的设计经历了从简单到复杂，从设计思路缺失到设计理念完整的过程5。力学模型也由最初的线性模型发展到了非线性的多体系统模型6。而且模型的自由度也由最初的只有两个自由度逐渐发展到了多个自由度7，这直接决定了赛车动力学研究对象的范围。国外大学对于FSAE赛车的关注度和积极性都是极高的。美国劳伦斯大学在对本校FSAE赛车的悬架设计过程当中为了降低整车的重心，充分利用车架内空间，前后悬架均采用了拉杆不等长双横臂式悬架。使用了许多计算机辅助设计软件来设计悬架的各个部件，并且使用有限元分析软件来分析确定悬架各部件在多种负载条件下的最大应力和扭矩，为相应部件材料选择提供了依据。澳大利亚南昆士兰大学FSAE赛车悬架的设计，以推杆不等长双横臂悬架为设计对象，文献对该大学设计过程中前轮定位参数的选取，控制臂、转向节、摇臂、防侧倾杆的设计，弹簧阻尼器的选取等都进行了讨论。下图11为国外大学所设计的FSAE赛车模型。图11国外大学车队FSAE赛车132国内对于赛车悬架研究现况我国从80年代才开始逐步开展对汽车悬架运动学的研究，研究成果则多见于90年代。中国工程院院士郭孔辉所著的汽车操纵稳定性对悬架运动学进行了最为系统的分析，并且在国内首次提出了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学的研究方法9。吉林大学的林逸教授等人在90年代也先后在各报刊发表文章对橡胶元件的基本性能进行了分析和阐述，并且对独立悬架中橡胶元件对汽车操纵稳定性和行驶平顺性的影响进行了研究，在这研究期间提出了处理运动学问题的思路和方法10。华南理工大学的黄向东于1994年发表的文章中介绍了分析汽车悬架系统的新方法一一有限元分析，对几种常见的悬架结构模型进行了有限元分析和讨论，在文章中论述了悬架XXXXXXXXXXX设计说明书第4页共34页结构有限元模型的可靠性和准确性，同时也提出了建立不同悬架结构模型时的难点和技术关键，为以后学者进行相关悬架结构的有限元分析奠定了基础11。国内大学现在对于FSAE赛车的关注度也在不断提高。湖南大学、长安大学、华南理工大学都建立了自己的赛车车队，并且都在国进行的赛事上取得了不错的成绩。文献1014以为湖南大学的HNU2008型FSAE赛车为研究对象，以性能分析为核心，以多体系统动力学理论为基础，利用机械系统仿真软件。建立湖南大学整车虚拟样机，初步实现了在计算机上对于FSAE赛车的整车动力学的操纵稳定性的仿真分析，对所建立的整车模型进行了6项典型的操纵稳定性的仿真实验，对比了改进前后赛车的操纵稳定性能。图12为湖南大学FSAE赛车。图12湖南大学车队FSAE赛车14研究的目的及意义此次研究课题所研究的FSAE赛车与一般汽车的性能要求有所差异，从FSAE赛车性能的实际情况出发，首先相应当确定此次毕业设计FSAE赛车前悬架的结构类型。一般来说，汽车的悬架结构系统分为非独立悬架结构和独立悬架结构,非独立悬架虽然具有结构简单；制造方便；维修方便；工作可靠等优点。但是非独立悬架的缺点也不容忽视由于在实际整车布置时的限制，所以非独立悬架的前悬架一般不会有足够长度的弹性元件；占用空间大；簧下质量较大，影响汽车的平顺性，也破坏了汽车的接地性；当左右车轮不同步跳动时，汽车的车轮会左右摇摆，这种情况很容易使汽车的前轮产生偏振；前轮跳动时，非独立悬架很容易与转向传动机构产生运动干涉。独立悬架的优点是簧下质量小；悬架占用的空间小；弹性元件只受垂直力，所以在设计过程中可以选择刚度小的弹簧，降低车身振动频率，能够改善汽车操纵平稳性和行驶平顺性；左右车轮各自独立运动互不影响，这样会有效减少车身的倾斜和振动，XXXXXXXXXXXXX设计说明书第5页共34页获得更好的地面附着能力。通过比较独立悬架明显比非独立悬架更适合FSAE电动赛车。独立悬架的种类用图13来表示。图13独立悬架的种类单横臂式独立悬架的结构如图14所示，这种悬架结构的优点结构简单、紧凑、抗侧倾能力比较强，但同时也存在着悬架的侧倾中心比较高的缺点。在悬架发生变形时，悬架的侧倾中心较高会导致汽车车轮的轮距变大，从而加剧轮胎的磨损程度，减少轮胎的使用寿命。如果将单横臂式独立悬架安装于转向轮时，在车轮跳动的过程中，会使得主销内倾角和车轮的外倾角发生很大的变化，这样就会影响汽车的操纵稳定性，所以现在在前悬架上很少应用单横臂式独立悬架，一般会将其应用于汽车的后悬架。图14单横臂式独立悬架的结构示意图双横臂独立悬架的结构如图15所示，双横臂独立悬架根据上、下横臂的长度可分为等长双横臂和不等长双横臂悬架。双横臂悬架的运动学特性比较好；侧倾中心比XXXXXXXXXXXXX设计说明书第6页共34页较低；侧倾中心和纵倾中心由悬架横臂的安装位置确定，容易调整；在车轮跳动时可以使车轮定位参数车轮的前束等变化比较小12；轮距的变化小，故轮胎磨损速度慢可以保证汽车的操纵稳定性。多用于前悬架。图15双横臂式独立悬架的结构示意图单纵臂式独立悬架属于纵臂式独立悬架结构形式。单纵臂式悬架的侧倾中心较低；主销后倾角变化大；侧倾角钢度较低，需要用横向稳定器；结构简单；但是由于注销后倾角变化大这一特点导致单纵臂式独立悬架一般不用于转向轮，单纵臂式独立悬架结构如图16所示，双纵臂式独立悬架的结构如图25所示。图16单纵臂式独立悬架结构示意图双纵臂式独立悬架同单纵臂式独立悬架一样都属于纵臂式独立悬架结构形式。所以说双纵臂式独立悬架也具有同单纵臂式悬架一样的特点侧倾中心较低；主销后倾角变化大；侧倾角钢度较低，需要用横向稳定器；结构简单。但是不同点又在于双横XXXXXXXXXXXX设计说明书第7页共34页臂式悬架的主销后倾角不会发生很大的变化，因而双纵臂式独立悬架比单纵臂式独立悬架适用于转向轮。双纵臂式独立悬架系统结构示意图如下图17所示。图17双纵臂式独立悬架系统结构示意图麦弗逊式独立悬架系统的结构如下图18所示，麦弗逊式独立悬架是摆臂式悬架系统与烛式悬架系统的结合，麦弗逊式独立悬架系统主要是由滑动柱和横摆臂组成。与双横臂式独立悬架系统相比较，麦弗逊式独立悬架系统的优点是结构紧凑；在行驶过程中，当汽车身跳动时汽车的前轮定位参数变化比较小；悬架的侧倾角刚度比较大，因此不需要装配横向稳定器，可以实现轻量化的目标；麦弗逊独立悬架系统比之双横臂独立悬架系统取消了上横臂，所以占用的空间少，给发动机及转向系统的布置带来方便；有良好的操纵稳定性。麦弗逊式悬架系统多应用在发动机前值前轮驱动的中小型乘用车的前悬架系统上。图18麦弗逊独立悬架结构示意图XXXXXXXXXXXX设计说明书第8页共34页其次对赛车不同结构的悬架性能进行分析并且选择最合适的悬架结构，然后对于前悬架结构的基本参数进行相关计算，并且对于前悬架的结构构件进行设计，最后将这些设计计算所得的结构元件装配和最后的优化分析。在保证赛车的前悬架能够满足比赛性能要求的前提下，使赛车的整体性能得到提高。此次课题研究研究是以中北大学行知车队所设计的FSAE赛车如图19所示为研究对象，对此次所设计的赛车悬架系统进行设计和优化研究。主要目的在于探讨FSAE前悬架结构的形式以及结构元件的相关设计，还有运动学参数的变化规律等。这一研究课题能够为以后的赛车调试提供相关的理论依据和实验数据。通过这一课题研究及相关程度上的改进能够使赛车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。通过实验结果与设计结构相对比以及相应优化改进的过程，能够确保所设计的前悬架在车队赛车上运用的可行性和可靠性。此次研究课题的展开不仅对本校的研制赛车的前悬架进行了分析和优化，同时也对本校FSAE车队赛车的成功设计与制造提供了相关设计方法和设计流程。为以后本校车队参加中国大学生方程式汽车大赛并获得好名次带下了坚实的基础，同时也为本校FSAE车队的迅速发展和中国大学生方程式汽车大赛的未来发展提供了一份微薄的支持。图19中北大学行知车队FSAE赛车XXXXXXXXXXXX设计说明书第9页共34页2悬架系统设计FSAE电动赛车前悬架的设计是一个复杂且繁琐的过程，涉及的相关参数计算和需要考虑的因素也比较多。本章首先介绍FSAE赛车前悬架的主要设计流程，随后通过比较不同形式的悬架的性能特点来确定FSAE赛车前悬架的结构类型，然后进行多项参数设计计算，最后所根据选取或计算的参数对赛车前悬架进行零部件设计和装配设计。21悬架的概述和设计流程211悬架的概述正如本文开篇所提到的，悬架是汽车底盘系统中最为重要的组成结构之一。它的存在影响着汽车的操纵稳定性和行驶平顺性，是汽车的重要总成之一。悬架是由弹性元件，导向装置，减振器，缓冲块和横向稳定器等组成。导向装置由导向杆系组成，这一结构用来决定车轮相对于车架（或车身）的运动特性，并且传递除弹性元件传递的垂直力以外的各种力和力矩。当用纵制钢板弹簧作弹性元件时，它兼起导向装置的作用。弹性元件包括钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式。缓冲块是用来减轻车轴对车架或车身的直接冲撞或防止弹性元件产生过大变形的装置。横向稳定器能够使装有该结构的汽车有效减少转弯行驶时车身的侧倾角和横向角振动15。对悬架提出的设计要求有1能够保证汽车具有良好的行驶平顺性。2必须具有合适的衰减振动的能力。3能够保证汽车具有良好的操纵稳定性。4）当汽车制动或加速时，能够保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。5具有良好的隔声功能。6结构尽量紧凑、占用空间尺寸要小。7）能够可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。为了满足汽车具有良好的行驶平顺性这一设计要求，那么就必须要求由簧上质量和弹性元件组成的振动系统的固有频率应在合适的频段，并且尽可能低。当簧上质量XXXXXXXXXXXXXX设计说明书第10页共34页变化时，车身高度变化要小。当汽车在不平路面上行驶时，由于悬架的弹性作用，车身必然会在垂直方向上产生上下振动13。这样就无法保证行驶平顺性。所以，为了衰减这种振动和抑制车身以及车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架系统必须安装减振器。减振器能够提供给悬架以合理的阻尼，利用减振器的阻尼作用，就能够使汽车振动的振幅连续减小，直至振动停止。设计前悬架结构的前提必须是选择正确的悬架方案和参数，在车轮上下跳动时，必须要保证主销定位角变化不大和车轮运动与导向机构的运动要协调以及避免前轮摆振；当汽车进行转向的时候，使之稍有不足转向特性14。212FSAE赛车前悬架的设计流程现代FSAE赛车采用从外到内的设计过程，悬架设计流程如下（1）首先要确定赛车的主要框架参数，其中包括包括外形尺寸、重量、发动机马力等。（2）确定悬架系统结构形式，FSAE赛车一般都会选用双横臂式，主要是在拉杆不等长双横臂式悬架和推杆不等长双横臂式悬架之间选择。（3）确定FSAE赛车的前偏频。（4）对于簧上质量和簧下质量的估算以及对四个车轮独立负重的估算。（5）导向机构的设计（6）弹性元件的设计（7）减振器的计算与选择22FSAE电动赛车前悬架系统的选择221FSAE电动赛车前悬架系统结构的选择由于考虑到FSAE赛车对于赛车的操纵稳定性和行驶平顺性要求都很高，同时参考国内外先进的赛车悬架并且根据设计要求和预布置的安排，所以本次研究课题采用独立悬架。根据中国大学生方程式赛事规则手册所要求赛车悬架必须装配有减振器，并且在赛手开车的情况下悬架的上下行程不低于254MM；悬架的操纵稳定性和行驶平顺性必须达到相关要求15。结合赛事规则手册要求和各种悬架结构的性能特点，FSAE赛车悬架设计要满足以下要求（1）必须要具有合适的衰减震动的能力；（2）必须保证汽车具有良好的操纵稳定性和行驶稳定性；（3）赛车质量要轻；XXXXXXXXXXXXX设计说明书第11页共34页（4）驾驶员操作和控制赛车要容易；（5）整体结构便于安装并且易于调整；鉴于双横臂式独立悬架的制造、加工和便于安装等优点，确定此次课题研究所选用的前悬架为双横臂独立悬架。事实上，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、空间尺寸等方面的考虑，赛车一般都采用双横臂式独立悬架这一结构，例如F1赛车、F3赛车和FSAE赛车等都采用了双横臂式独立悬架。222FSAE电动赛车前悬架结构的方案分析及选择赛车上的双横臂独立悬架结构系统一般有三种结构设计方案，分别是推杆式不等长双横臂独立悬架，拉杆式不等长双横臂独立悬架和无推拉杆式双横臂独立悬架。以下便对这三种结构设计方案进行分析对比，用以确定最适合FSAE电动赛车的前悬架结构设计方案。方案一推杆式不等长双横臂独立悬架，结构设计如图21所示。图21推杆式不等长双横臂独立悬架结构示意图推杆式不等长双横臂独立悬架系统的结构优点是这种设计方案的侧倾中心比较低；侧倾中心和纵倾中心由悬架上下横臂的安装位置决定，这样就能通过对上下横臂安装位置的调整来改变侧倾中心和纵倾中心；在车轮跳动时，这种设计方案的车轮定位参数车轮的前束等的变化比较小；同时推杆能够很大程度上承受轴向压力，对于双横臂式独立悬架这类杆件型结构体来说，一般抗压强度会大于抗拉强度，通过推杆承受大部分轴向压力以使整体结构强度更大，这样一来即使赛车长时间工作，悬架也不容易折断损坏；另外减振器外置会方便调节其阻尼。这一结构设计也具有很多不足之处在这种结构设计方案中，推杆下端的部件直接连接到下横臂的某个杆上，这样使得下横臂的杆件承受了比较大的弯矩，会使得下横XXXXXXXXXXXXXX设计说明书第12页共34页臂结构的强度必须增大；同时减振器和摇臂都布置在车架的上部，这样会使得整个赛车的重心位置升高，不利于赛车的操纵稳定性和行驶平顺性；而且这种设计方案并没有充分利用车架内的空间，不利于赛车车身的流线设计16。方案二拉杆式不等长双横臂独立悬架，结构设计如图22所示。拉杆式不等长双横臂独立悬架结构的优点是侧倾中心比较低；侧倾中心和纵倾中心由悬架横臂的安装位置确定；减振器和摇臂布置在车架底部，这使得整车的重心位置下降，这样有利于赛车的操纵稳定性；布置上充分利用了车架内的空间，有利于车身的流线设计。图22拉杆式不等长双横臂独立悬架结构示意图结构的设计缺点在于拉杆大部分时间在承受轴向拉力，对于杆件型材料来说，一般抗拉强度会小于抗压强度，如果材料的抗拉刚度不能弥补这一缺陷的话，悬架在赛车急速运行的工作环境下，杆件容易被拉断；同时减振器内置会导致不方便调节阻尼。方案二无推拉杆式不等长双横臂独立悬架，结构设计如图23所示。图23无推拉杆式不等长双横臂独立悬架结构示意图XXXXXXXXXXXXX设计说明书第13页共34页无推拉杆式不等长双横臂独立悬架结构的优点是侧倾中心比较低；侧倾中心和纵倾中心由悬架横臂的安装位置确定；结构设计中减振器的一端连接在车架上，另一端直接连接在下控制臂上，省去了推拉杆和摇臂，大大减轻了悬架的质量，达到了汽车轻量化；同时减振器外置，这样布置的方案有利于方便调节其阻尼。这样的结构设计会出现一些问题减振器下端直接连接到下控制臂上，虽然会使汽车减轻了质量，达到了赛车轻量化的目标，但是会使得下控制臂承受较大弯矩；同时悬架行程相对较短，对于赛车操纵稳定性和行驶平顺性都会产生不好的影响。通过对以上三种赛车双横臂式独立悬架设计方案的比较与分析，并结合大学生方程式赛车的赛事规则对于悬架设计的要求、悬架的制造、装配、调试难易程度、可靠性等因素的考量，确定了此次研究课题电动赛车前悬架会采用推杆不等长双横臂独立悬架。3悬架的参数设计悬架参数设计包括动挠度、静挠度、刚度计算、车轮定位参数的选定、侧倾中心、纵倾中心和阻尼计算等。31赛车的基本参数根据最初毕业设计任务书的要求，首先能够确定的是此次设计赛车的基本参数，如下表31所示表31赛车的基本参数赛车的质量200KG赛车手的质量65KG赛车的整车质量265KG赛车的前轮距1100MM赛车的轴距1570MM32赛车悬架的参数设计321车轮定位参数车轮定位参数包括车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角和前束角，这几个车轮定位参数用以确定在汽车底盘上对于前悬架空间位置的精确定位。这几个参数的的主XXXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第14页共34页要作用是用来保证车辆在直线行驶时，操纵稳定性以及转向轻便性的性能好坏，同时使在前轮转向的情况下后车轮具有自动回正的功能。更为重要的是这几个参数对于前束和外倾有合理的匹配关系有一定的要求，这样使得车轮在直线或转向行驶时磨损的程度达到最小。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32所示的范围内选取1720。表32FSAE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30480522FSAE赛车的前轮定位参数一般是负的外倾角搭配负的前束角，这样选择搭配的原因主要有以下几点（1）负的外倾角在赛车高速转弯时，可以将因横向离心力所导致的车轮外倾角往正方向变化的趋势以抵消，这样使得车轮能够和地面保持良好的接触，也增强了轮胎地面附着力，这样可以确保赛车顺利过弯。（2）负的前束能够使赛车的弯道转向响应时间更短。FSAE赛车一般是在弯道比较多的赛道上行驶，负的前束角能使赛车入弯更快，减少过弯道的时间，提高比赛获胜机率。（3）负的外倾角搭配负的前束角，这样能够确保赛车的直线行驶稳定性，减少轮胎磨损，提高赛车行驶时间。综合以上各个因素考虑，此次课题研究FSAE电动赛车车轮定位参数取值如表33所示。表33此次课题研究FSAE赛车前悬架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15601322悬架几何参数悬架几何包括悬架正视几何、悬架侧视几何和悬架空间几何这几方面。根据FSAE电动赛车总布置参数、车轮定位参数和中国大学生方程式赛车比赛赛事规则手册对于车架空间尺寸的规定和相关要求等因素，通过几何作图的方法，初步确定FSAE电动XXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第15页共34页赛车前悬架的外倾变化率、主销偏距、主销拖距、传动比、上下控制臂长度、上下控制臂角度、控制臂安装位置等几何参数。以下，对这些几何参数和有关位置参数设计计算公式进行了说明（1）前悬架正视几何前悬架正视几何是指从汽车横向的垂直平面来研究悬架的几何关系，FSAE电动赛车前悬架的正视几何如图31所示。图31FSAE电动赛车前悬架的正视几何1）确定控制臂内点根据轮辋的直径和偏置位置确定控制臂外上球铰UBJ和外下球铰LBJ；根据选定的侧倾外倾变化率，通过公式31求出上下横臂前视摆臂长度即上下横臂等效长度FVSALENGTH，并作垂线AA根据设计所要求的静态侧倾高度，连接轮胎中心的接地点B和侧倾中心RC并延长于垂线AA交于点IC，点IC即为赛车前悬架的转动瞬心；将外上球铰和瞬心、外下球铰和瞬心分别连接，得到的两条直线和车架的高宽线相交，就可以得到上控制臂内点UCAP和下控制臂内点LCAP。LFVSA（T2）1DD（31）式中LFVSA为等效横臂长度；T为轮距；为侧倾外倾变化率。2外倾角变化率外倾角变化率的定义是车轮中心在垂直方向上跳动单位位移时外倾角的变化量。外倾角变化率是前视上下摆臂长度的函数，关系如式32所示XXXXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第16页共34页DDTAN11LFVSA32式中，LFVSA为等效横臂长度。3）主销偏距主销偏距的定义是主销轴线的延长线与地面的交点到车轮中心的平面和地面交线的距离，如图31中的E表示。主销偏距可以通过延长主销轴线交于地面求得。4）传动比传动比的定义是指悬架跳动时车轮中心垂直位移与减振器弹簧轴向位移的比值。传动比的大小和上下横臂的空间布置结构、摇臂的形状、减振器弹簧的等有关，传动比在悬架上下跳动时是变化的。通过设置传动比，利用杠杆效应，可以将悬架在车轮中心的大位移缩小为减振器弹簧的小位移21。5）轮距变化正视图的转动瞬心IC会影响轮距也发生变化。当转动瞬心在地面的上方时，车轮的接地点会随着车轮的上跳而向外移动，此时轮距增加；当转动瞬心在地面的下方时，车轮的接地点随着车轮的上跳而向内移动，此时轮距减小。当转动瞬心刚好在地平面时，车轮的接地点随着车轮的上跳而向上移动，此时轮距不变。（2）前悬架侧视几何前悬架侧视几何是根据汽车的纵向平面来研究前悬架结构的几何关系。如图32所示。侧向摆臂SVSA可以控制汽车行驶方向的运动和力，根据侧视几何能够确定的典型的悬架参数有制动抗点头、加速抗后坐、轴距变化等。前悬架的侧视几何如下图所示。图32前悬架侧视几何图XXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第17页共34页1）抗制动点头制动抗点头的定义是汽车制动时，悬架抵抗因为纵向载荷转移所引起的前悬架弹簧压缩变形的能力。制动抗点头百分比可以根据式33确定DBFLTANFH10033式中，为前轮制动系统分配比例系数，L为赛车的轴距，为前悬架转动瞬心IC同前轮的接地点A之间的连线与地面的夹角，H为整车的质心高度。2）主销拖距主销拖距的定义是主销轴线的延长线与地面的交点到过车轮中心的横向垂直平面和地面的交线的距离。主销拖距可以通过延长主销轴线交于地面来求得。3）轴距变化赛车悬架侧视图的转动瞬心IC会影响轴距的变化。对于前悬架，当转动瞬心IC在车轮的内上方或者外下方时，赛车车轮中心会随着车轮上跳而向外移动，此时轴距会增加；当转动瞬心IC在车轮的外上方或内下方时，赛车车轮中心会随着车轮上跳而向内移动，此时轴距会减小。323赛车前悬架的刚度计算此次设计通过选定前悬架的偏频来逐步计算前悬架的各种刚度，包括赛车乘适刚度、车轮中心刚度、侧倾角刚度、防侧倾杆刚度、弹簧刚度等等，最后计算前悬架行程和弹簧行程。前悬架的偏频对前悬架的软硬、赛车的操稳性、行驶平顺性的都存在一定的影响；若选取的偏频低，则悬架偏软，低刚度能更好的缓冲地面冲击，赛车行驶平顺性更好；若选取的偏频高，则悬架偏硬，高刚度能更好的控制赛车重心，整车的操纵稳定性更好。国内外FSAE赛车的前后偏频一般在243OHZ范围，并且前悬架的偏颇高于后悬架的偏颇22。所以，此次研究设计对于FSAE电动赛车前悬架的偏颇选为28HZ。要进行刚度计算，首先要确定的是此次设计赛车的各个基本参数以及有关设计参数，如下表34所示XXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第18页共34页表34赛车前悬架的计算参数赛车整车质量M265KG簧上质量估算值MU216KG前后轴荷分配前轴45后轴55赛车轴距L1570MM赛车前轮距T1100MM质心到前轴水平距离A760MM质心到后轴水平距离B810MM静态侧倾中心高度Z56MM偏颇N28HZ（1）赛车前轴左右车轮簧上质量MU1MU205BMUL05081216157557KG（34）（2）前轴单侧悬架乘舒刚度（悬架等效刚度）C142N2MU143142282557172223N/M（35）（3）前悬架车轮中心刚度确定轮胎刚度为CT140000N/M,则前悬架的车轮中心刚度CWC1CTCTC1172223140000140000172223196381N/M（36）（4）前悬架侧倾角刚度CT2CLCR180CLCR31411219638118022044NM/（37）式中CL与CR相等等于CW。（5）前轴横向载荷转移1）假设赛车以速度为40KM/H通过半径为9M的弯道，则赛车的横向加速度为AV2RG4036299814（38）2前轴由于横向加速度所引起的载荷转移W中北大学2017届毕业设计说明书第19页共34页WAMGTCHCCWBZL142659811204402820442029081005611595N（39）（6）前悬架实际上跳行程YWC15951722230035M（310）（7）根据悬架几何可以确定前后悬架的传动比IR138（311）（8）前悬架的弹簧刚度KSCWIR21963811382373988N/M（312）（9）前悬弹簧实际行程ZS2YIR20035138005M（313）33前悬架设计参数总结通过以上这些章节的计算过程，可以得出此次FSAE电动赛车前悬架的相关设计参数。根据计算得出的这些参数可以进行以后的悬架主要构件设计，现在将基本参数计算结果汇总记录在表35中。表35FSAE电动赛车前悬架的基本参数悬架参数前悬架车轮外倾角15主销内倾角6主销后倾角0前束角1外倾变化率027/CM传动比138制动抗点头0赛车整车质量265KG簧上质量估算值216KG赛车轴距1570MM赛车前轮距1100MM质心到前轴水平距离990MM质心到前轴水平距离810MM静态侧倾中心高度56MMXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第20页共34页续表35偏颇28HZ悬架等效刚度172223N/M车轮中心刚度196381N/M侧倾角刚度2044NM/弹簧刚度373988N/M悬架工作行程35MM弹簧工作行程50MM4FSAE赛车前悬架主要结构元件的设计41前悬架上下横臂的设计411前悬架上下横臂的尺寸计算根据公式41可以得出LFVSA1TANDDZ1TAN（027）212MM（41）选择前悬架主销长度L1为254MM,根据图31FSAE电动赛车前悬架正视几何图，可以得出以下结论L1L下K1,L上L下K2（42）在公式42中，L1表示前悬架主销长度，L上表示前悬架上横臂的等效长度，L下表示前悬架下横臂的等效长度。当K1K208，则通过公式315可以求得L上254MM,L下3175318MM412前悬架上下横臂的结构设计FSAE电动赛车的上下横臂是由两根142MM的钢管根据角度30焊接而成，并且在两根钢管的交叉处再焊接一块扇形钢板。焊接的这块扇形板上开有孔，孔内开有螺纹，用来与赛车上的转向节相连接，通过这一方法可以实现将上横臂连接到转向节上。下横臂也做成同样的结构，这样可以将下横臂也连接到转向节上。但是下横臂由于要安装推杆这一结构，所以在下横臂的结构设计中在组成下横臂的两根钢管中的某一个钢XXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第21页共34页管上另外焊接一个钢板支架，中间开有螺栓孔，以方便安装推杆，如图42所示。由于FSAE赛车在高速运行情况下横臂受力较大，所以钢板支架尽量焊接在靠近悬架下横臂钢管的交叉点处，因为这个地方的抗弯能力相对较大。FSAE电动赛车前悬架的上横臂结构如图41所示，下横臂结构如图42所示。图41上横臂结构图42下横臂结构413前悬架上下横臂的空间布置FSAE赛车悬架的上下横臂的布置包括四个方面横向平面的布置、纵向平面的布置和水平平面的布置，以下会对这几种布置进行见到的介绍1横向平面的布置在汽车的横向平面内，根据悬架的上、下横臂布置方式的不同，分为以下三种布置方式XXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第22页共34页图43上下横臂在横向平面内的布置通过图43可以看出悬架上下横臂的布置不同，则侧倾中心的位置不同，由于此次设计的FSAE电动赛车所选的侧倾中心高度要高于地面，并且侧倾中心的高度比较低，所以选择（A）布置方案。（2）纵向平面的布置当抗前俯角为0时，赛车车轮主销后倾角变化最小。由于FSAE赛车必须具有很好的整车操纵稳定性，所以前悬架偏频也比普通汽车高；FSAE电动赛车是钢管焊接空间析架式车架，考虑到车架制作的便利性。前悬架上臂和下臂的抗前俯角都设为0。（3）水平平面的布置由于FSAE电动赛车是由钢管焊制的空间析架式车架，并且为了车架制作的简易性和便利性，以及车架与前悬架连接点的安装方便快捷等因素，前悬架的上横臂和下横臂都应该与纵向轴线平行。42弹性元件的设计汽车悬架的弹性元件有多种结构形式，常见的悬架弹性元件的结构形式有钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧、扭杆弹簧等等23。钢板弹簧普遍用于非独立悬架，一般适合用于货车上，当然也会用于某些高级的轿车的悬架上。扭杆弹簧顾名思义是一根由弹簧做成的杆，扭杆的截面既可以是圆形，也可以制作成矩形或者空心圆的形状。扭杆弹簧具有质量轻、蓄能高、结构简单等特点，在汽车的悬架中也比较常见。空气弹簧是利用密封在容器的空气的可压缩性来实现的。空气弹簧一般就有比较理想的特性特征，而且其刚度也是可变的。一般在大型客车上使用比较广泛。螺旋弹簧结构简单、质量小和制作方便，所这一类型的弹簧广泛用于独立悬架。而且螺旋弹簧的弹簧刚度可以随着载荷的变化而变化，有利于改善汽车的行驶平顺性。XXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第23页共34页并且由于螺旋弹簧所需要的安装空间小，这种弹簧结构在赛车中应用比较广泛。所以此次设计选择螺旋弹簧做为弹性元件。一般压缩螺旋弹簧的螺旋角69，此次设计选择螺旋角为8。则根据公式43可以算出节距T。TANTD243式中T指的是螺旋弹簧的节距，此次设计中选为50MM，D2指的是螺旋弹簧的圈径。通过公式43可得TAN85314D2D25TAN831411312MM弹簧指数C是D2与丝径D之比，C值一般都在49之间选择，此次设计C值选为6。则根据公式44可以求得丝径D。CD2D44当C6时，可以算出D2MM根据以上数字，用CATIA画出弹性元件的结构示意图如图44所示。图44弹性元件的结构示意图43FSAE电动赛车前悬架减振器的设计在汽车悬架结构系统中，如果只有弹性元件却没有摩擦或阻尼元件，那么这个汽车的车身振动将会无休止的延续下去，这样汽车的操纵稳定性和行驶平顺性就不复存在了。正是因为这样，汽车的悬架结构设计中必须考虑带有衰减振动的阻尼力。也就是说，汽车悬架系统中必须装有专用的减振装置。XXXXXXXXXXXXXX设计说明书第24页共34页汽车悬架系统中用的最多的减振器是筒式液力减振器，原因是其质量小、工作可靠、工作性能稳定。筒式减振器一般分为三种，分别是单筒式减振器、双筒式减振器和充气式减振器24。FSAE电动赛车不同于一般类型的汽车，FSAE电动赛车对于赛车的操纵稳定性和行驶平顺性都具有较高的要求，换而言之就是说FSAE电动赛车对于减振器的要求较高，所以为了使赛车能够具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性，需要具有较好的避振功能的减振器，一般选用专用阻尼可调的赛车型减振器。FSAE电动赛车减振器的布置近似于与车身平行，左右采用对称形式。理论上减振器阻尼系数计算公式如下2MU4MUN45式中，为相对阻尼系数，为簧上质量，N为偏频。一般情况下，会将压缩行程时的相对阻尼系数取得小些，伸张行程时的相对阻尼系数取得大些。在设计过程中，先选取与的平均值。对于不存在内摩擦的弹性元件悬架，在025035之间取值；对于存在内摩擦的弹性元件悬架，值取得小些。对于行驶路面条件较差的汽车，值应取大些，一般取03；为了避免悬架与车架产生碰撞，取考虑到FSAE电动赛车对行驶平顺性有一定的要求，综合以上考虑，确定压缩和回弹阻尼相对系数如下03，S04由公式45可分别计算前悬架减振器的压缩和回弹阻尼系数FSAE电动赛车前悬架压缩阻尼系数4MUN431455703285877NSM46FSAE电动赛车前悬架回弹阻尼系数S4SMUN431455704287835NSM47FSAE电动赛车前悬架压缩、回弹阻尼系数的计算可以为赛车悬架选择合适的阻尼器型号提供一定的依据。此次毕业设计中所选用的减振器结构示意图如图45所示。XXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第25页共34页图45减振器结构示意图44转向节的设计转向节是汽车转向桥上的主要零件之一转向节，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。由于本赛车是前轮转向、后轮不转向，所以前后转向节的设计是不同的。前转向节上下端螺栓孔分别安装上下控制臂外端的球头销，中间开有轴承孔和轴肩，下方设计有安装转向横拉杆外端球销的转向节臂，上方设计有安装制动钳的支架，如图46所示。为了减轻悬架总重量和保持应有的强度刚度，本赛车前后转向节均采用高强度铝合金2024通过数控机床来加工制造。图46前转向节设计图XXXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第26页共34页45摇臂的设计由于前悬架推杆、防侧倾杆布置方式不同，所以前、后摇臂的形状也是不同的。前摇臂采用四铰链式，一个采用轴销式铰链固定在车架上，整个摇臂绕着这个铰链转动，一个球销铰链连接推杆，一个球销铰链连接减振器，最后一个球销铰链连接防侧倾杆。摇臂的形状决定了悬架的传动比MR的值。在悬架的跳动过程中，摇臂的受力比较大，为保证摇臂的强度和安装精度，摇臂由45钢通过线切割加工而成。前摇臂分别如图47所示。图47前摇臂的设计结构示意图46防侧倾杆设计防侧倾杆结构是为了防止赛车在行驶过程中尤其是在转弯时，悬架系统出现侧倾现象，影响汽车的行驶平顺性和危及赛车手的安全。此次前悬架设计中防侧倾杆采用U型式，防侧倾竖直杆和防侧倾水平杆之间采用球头销连接，扭力杆做成可更换的，方便整车的侧倾刚度调校，如图48所示。XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第27页共34页图48反防侧倾杆设计结构示意图47推杆的设计有些汽车的悬架系统在车轴与车架之间布置有纵向或横向推力杆。推杆在车轮与车架之间传递力和力矩，并且决定了它们的结构形式。对于沿轴线方向传递力和力矩的推杆，一般用端部有接头的简单钢管制造。此次设计中为了能够达到易加工的的目的以及装配的便捷性，所以此次毕业设计中推杆结构采用的钢管尺寸与上下横臂的钢管尺寸相同，都采用的简单钢管，其接头结构与上下横臂的接头结构相同。此次毕业设计推杆结构形式示意图如下图49所示。图49推杆结构形式示意图48螺栓紧固件的选用481下横臂与推杆装配的螺栓紧固件的选用XXXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第28页共34页根据推杆接头的圆孔半径来选择螺栓紧固件。首先，由于接头圆孔直径为6MM，所以此次毕业设计中推杆接头处选用的螺栓紧固件为六角头螺栓GB/T57822000M630。选定的螺栓结构示意图如下图410所示。图410螺栓紧固件结构示意图482推杆接头与摇臂装配的螺栓紧固件的选用根据推杆接头的圆孔半径来选择螺栓紧固件。由于街头圆孔相同，所以螺纹规格可以选择与下横臂装配螺栓相同的公称直径DM6。但是由于安装长度不一样，所以选择的公称长度为45。所以此次毕业设计中摇臂与推杆的装配处选用的螺栓紧固件为六角头螺栓GB/T57822000M645。由于只是公称长度不同，螺栓紧固件的结构类型相似，此处不再展示螺栓结构示意图483摇臂与减振器装配的螺栓紧固件的选用根据摇臂安装孔与减振器安装孔的半径来选择螺栓紧固件。由于孔的直径为8MM，所以此次毕业设计中推杆接头处选用的螺栓紧固件为六角头螺栓GB/T57822000M845。虽然此处的六角螺栓与之前的螺栓之间公称半径和公称长度都不一样，但是其结构形式与之前的六角螺栓没有区别，所以此处也不展示摇臂与减震器装配所用螺栓结构示意图。49前悬架结构三维装配图根据以上计算和设计过程，根据前悬架结构的设计要求，将这些主要构件按照设计要求装配就能够得到此次设计FSAE电动赛车前悬架的三维装配模型，如下图411所示。XXXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第29页共34页图411FSAE电动赛车前悬架的三维装配模型5毕业设计总结与展望51毕业设计总结通过此次对“FSAE电动赛车前悬架的设计与分析”该课题的研究，收获颇多。此次毕业设计以中北大学行知车队的“大学生方程式赛车”为研究对象，通过应用计算、理论分析等手段对FSAE赛车的前悬架系统进行了设计及分析研究。此次毕业设计的研究成果主要包括以下几个方面（1）通过对独立悬架以及非独立悬架的分析比较，首先确定了前悬架的结构类型为独立悬架；其次通过比较各个悬架结构的优缺点，确定了前独立悬架的结构形式为双横臂式独立悬架；对于双横臂式独立悬架三种设计方案的优缺点的比较，最终选定FSAE电动赛车前悬架的结构形式为推杆不等长双横臂式独立悬架。（2）根据任务书中确定的原始参数，根据计算公式对前悬架结构设计所需的参数进行参数设计计算，包括车轮定位参数选定、悬架几何计算、悬架的各个刚度计算、阻尼系数计算等，为之后的悬架结构构件设计鉴定基础。（3）根据之前悬架基本参数设计的结果，进行前悬架各个结构主要构件的设计计算，再根据这些设计计算的结果在CATIA绘图软件中绘制前悬架系统结构的各个构件的装配模型。（4）根据之前的各个主要构件的装配图进行最终装配，最终得到FSAE电动赛车前悬架的三维装配结构。在此次毕业设计中，不仅是对FSAE电动赛车有了一定的了解，同时也对赛车悬架有了新的认识。在设计FSAE电动赛车的过程中，认识到了赛车悬架与普通汽车悬XXXXXXXXXXXXXXXX设计说明书第30页共34页架系统的差别。最为重要的是，在此次毕业设计中能够将之前所学习的汽车设计，机械设计等相关知识进行系统的认识和应用。参考文献1POLEGA,BD,JAWADBADESIGNOFFSAESUSPENSIONCOMPONENTSJWASHINGT
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