FSAE赛车总布置、悬架设计及整车操稳性分析

分类号:U27;U4610710-2011222003专业硕士学位论文FSAE赛车总布置、悬架设计及整车操稳性分析周东玉导师姓名职称刘晶郁教授申请学位级别硕士专业学位类别及领域名称车辆工程论文提交日期2013年5月13日论文答辩日期2013年6月14日学位授予单位长安大学FSAERacingCarLayout,SuspensionDesignAndHandlingStabilityAnalysisADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate:ZhouDongyuSupervisor:Prof.LiuJingyuChang’anUniversity,Xi’an,China摘要FSAE方程式汽车大赛是一项国际性赛事,论文以长安大学CHD2012型FSAE赛车设计为背景,对赛车的总体布置和悬架进行设计,并对赛车操纵稳定性进行分析研究。论文利用CAD软件,基于人机工程学的方法,对赛车进行总体布置设计,确定了赛车基本形式、赛车总成、整车尺寸及质量参数。同时研究分析了FSAE赛车悬架设计的关键参数,确定了赛车双横臂悬架的具体结构,设计并计算了悬架结构及其相关参数。并利用多体动力学软件ADAMS中的car模块,基于赛车设计参数,建立起赛车悬架、转向、车身、制动等子系统模型及整车模型。论文利用赛车虚拟样机模型对赛车悬架系统进行K特性分析,通过车轮平行跳动和反向跳动试验得出了悬架参数变动规律,对目标参数的调整方法进行了讨论。论文分析了悬架侧倾中心垂直位置和横向位置变动对赛车操稳性的影响,论述了控制侧倾中心横向位置的重要性。通过对转向系统进行的转向仿真试验,研究了赛车在转向时主销内倾角和后倾角对车轮外倾角的不同影响程度,同时研究了转向系断开点垂直坐标对转向关系及在车轮跳动时不同垂直坐标值对车轮束角的影响。为了更好的评价赛车的操纵稳定性,论文还结合操纵稳定性评价标准和FSAE赛车评分规则,改进了赛车操稳性的试验和评价方法,通过虚拟实验对赛车的稳态性能、瞬态响应特性和转向轻便性等性能进行了分析评价。研究了车轮外倾角、前轮束角、悬架刚度、前轮主销偏置距对车辆稳定性的影响。仿真分析结果表明:车轮具有适当的负外倾角更有利于提高赛车的侧向稳定性;前轮束角为负或朝负的方向变化时,赛车趋于不足转向,同时车辆系统的响应速度变快;前悬架刚度增加会使赛车趋于不足转向;负的主销偏置距更有利于赛车制动时的方向稳定性。通过论文研究以期对FSAE赛车的悬架设计提供有意义的参考。关键词:FSAE赛车、总体布置设计、悬架设计、仿真分析、操纵稳定性、参数调校IAbstractFSAE(FormulaSAECompetitionisaninternationalevent,thegamehasreceivedwideattentionofthosevehiclesandrelatedmajorsstudentsofgreatcollegesanduniversitiesoftheworld.ThispaperdoessomeresearchinFSAEonthegenerallayoutandsuspensionracingdesign,andsomesimulationanalysisforthesuspensionandvehiclehandlingstability.ItalsodosomeresearchontherelevantparameterssuspensionkinematicsandtheimpactofwholevehiclehandlingstabilitybasedonthedesignofChang’anUniversityFSAEracingcar.Atfirst,afterthestudyofthegeneralvehiclelayouttechnologyroadmap,thispaperdoesoveralllayoutdesignbasedonergonomicswithCADtechnique,andthendeterminesthebasicform,assembly,vehiclesizeandqualityparametersoftheracing,sumsuptheworkflowandmaincontentoftheFSAEcaroveralllayout.ThispaperalsoresearchandanalysisofthekeytargetparametersanddesignmethodsofFSAEracingsuspensiondesign,anddeterminethedoublewishbonesuspensionspecificstructureandcalculatetherelevantparametersofthesuspension.Then,basedontheparametersofthecar,establishessuspension,steering,body,brakesubsystemmodel,andtheassemblyofthevehiclemodelwithvirtualprototypingtechnology.Secondly,studytheKcharacteristicsofsuspensionsystemwiththewheelparallelbeatingandreversebeatingexperimenttomakesurethescopeofsuspensionparametervariations,andresearchtheimpactofKingpininclinationandcasterangletothecamberangleinthesteeringtest.ThispaperalsocombinesthestabilityevaluationcriteriawithFSAEracingratingscriteriatomakesomeanalysisandevaluationinthefieldsofthesteady-stateperformance,transientresponseandthesteeringagility.Finally,throughcomparingtheresultsofthetest,thispaperdoessomestudiesontheeffectsofthecamberangle,toeangle,suspensionstiffness,kingpinoffsetparameterstothehandlingstabilityofthecar,thendiscussesthemethodoftheracingparametertuningforthehandlingstability.Keywords:FSAEracing,overalllayoutdesign,suspensiondesign,simulationanalysis,handlingandstability,tuningparametersII目录IIIIVV7.1轮胎外倾角对侧向稳定性的影响.............................................................................747.2弹簧刚度对整车稳定性及侧向极限的影响.............................................................747.3轮胎束角调节对赛车稳定性的影响.........................................................................767.4横向稳定杆对赛车操稳性的影响.............................................................................777.5调整前后车轮束角及加装前/后横向稳定杆赛车稳态相应的影响比较................777.6主销偏置距对赛车制动稳定性的影响.....................................................................787.7本章小结....................................................................................................................79结论及建议..............................................................................................................................80结论...................................................................................................................................80建议...................................................................................................................................81参考文献.................................................................................................................................82致谢.........................................................................................................................................85VI长安大学硕士学位论文1第一章绪论1.1FSAE赛事简介FSAE赛事最初在美国举行,由美国汽车工程协会(theSocietyofAutomotiveEngineers简称SAE主办。该项赛事主要面向各高校的在读大学生,赛事要求车队在一年时间内,设计、制造出一辆在加速、制动及操稳性等方面有优异表现,并且足够耐久,能够完成所有比赛项目的赛车。为了使参赛者们更好的展现想象力和创造力,赛事规则只对赛车的形式,轮胎及整车主要尺寸,发动机功率,及赛车的安全性做了要求。为了达到赛事目的,参赛者们假想自己作为公司的设计人员,考虑如何设计出一辆符合规则要求,性能优异,并且能够赚取商业利润的赛车。在这其中,许多除与汽车及相关专业以外的同学也加入比赛,展示他们在宣传、策划营销方面的才能,FSAE赛事可以说是大学生们展示自己才华的舞台。FSAE赛事为参赛者提供了一个很有价值的工程实践项目的参与机会。在项目进行的过程中,参赛者需要对项目的内容、时间节点做详尽的安排,并且负责赛车的成本控制、零部件采购、以及赛车的设计制造和测试。在这个项目中,参赛队员们需要不断地相互沟通,互相协调,亲自主导参与赛车设计制造的全过程。在这样的过程中,参赛者们充分发挥了自己的专业知识水平和想象力,团队意识和创新精神得到了良好的锻炼。FSAE比赛项目分为两大部分,一是静态项目,二是动态项目,每个项目的分值不同,总共为1000分(具体项目及分值如表1.1。参加比赛的赛车不仅要参加动态项目的比赛,还要参加静态项目的比赛,动态项目的计分公式以时间为基本参数计算,各项目时间最少者分数为此单项赛事的满分,最后各单项比赛成绩相加得出总成绩,分数最高者为当届冠军。表1.1FSAE赛事比赛项目及分值静态项目动态项目总分设计报告成本报告商业报告直线加速8字绕环高速避障耐久赛燃油经济性10001501007575501503001001.2FSAE赛事国内外发展及技术现状第一章绪论2FSAE赛事最早课追溯到美国70年代中期的一次由几所大学举办的小型的越野汽车比赛。这次比赛之后,在美国汽车工程协会(SAE密尔沃基(Milwaukee部分的的工程师和B&S公司的倡议和支持下,在1976年举办了比赛内容更为丰富的SAEMiniBaja比赛,其内容和包括静态项目和动态项目,但这依然是一种越野赛事。1978年,在休斯顿大学的KuntMarshek的建议下,举办者在1979年举办了与SAEMiniIndy的比赛,这是一种场地赛车比赛。1980年,通过观察MiniIndy赛事,有人建议为了更好的发挥设计者的能力,赛事规则应当更加开放,尽可能减少对赛车设计的限制,赛事委员会很快接受了这一建议,在1981年,以FormulaSAE命名的赛事正式开始举行[1]。FSAE赛事创办至今已经有超过三十年的历史。经过多年的发展,FSAE赛车比赛现在已经扩展到世界各大洲,成为在多个国家设立有分站比赛,成为在汽车领域有相当影响的赛车比赛。近些年,除传统汽油发动机的赛车比赛外,各大赛事也纷纷开展以混合动力和纯电动为动力的FSAE的赛事,以激励各车队对新能源汽车技术的研究,促进新能源汽车技术的发展。目前FormulaSAE系列赛已经包括单不仅仅如下17个比赛[2](如图1.1。图1.1FSAE比赛世界分布图近年来,FSAE赛事在亚洲得到了长足的发展。许多亚洲国家都也都在积极的参与此项赛事。日本、泰国、等国家每年都会在本国举办FSAE赛事。随着亚洲国家的高校对FSAE赛车比赛参与的不断扩展和不断深入,亚洲高校的水平也不断提长安大学硕士学位论文高。近年来,日本、新加坡等国的高校车队不断地在国际比赛中取得良好成绩,使得亚洲国家对FSAE的关注不断提高,进一步推动了FSAE在亚洲的发展。在中国,同济大学、湖南大学是中国大陆最早参与到该项赛事的高校。同济大学于2008年开始制作第一辆赛车,于2009年前往日本参加日本赛,曾于2012年前往德国观摩德国赛。湖南大学在2007年就制作了一台赛车去参加在美国本土的比赛。从2010年开始,FSAE正式在中国设置分站赛(简称FSC,由中国汽车工程协会主办。清华大学、同济大学、湖南大学、吉林大学、哈尔滨工业大学(威海、北京理工大学、厦门理工学院、华南理工大学,河南科技大学等40多所高校积极参与其中。中国大学生方程式汽车大赛的开展深受广大汽车爱好者和莘莘学子的喜爱,它已成为中国未来汽车工程师竞技和交流的平台。FSAE赛事自开赛以来,赛车的技术水平不断提高。各个车队争先恐后运用新科技,开发新技术。目前,许多车队的研发水平已经很高,已经广泛使用先进的CAE、CAD、CAM技术,如ANSYS、ADAMS、CATIA、UG等。其他新技术新材料的使用也相当常见,在赛车设计过程中,轻量化的观念已经升入人心,各车队为赛车轻量化倾尽全力,采用各种新型材料,如碳纤维材料,7075铝,4130高强度结构钢等,赛车的质量由原来普遍的250Kg降低到不可思议的130Kg左右;为了提高发动机的性能,涡轮增压技术也被广泛使用,采用此技术后,发动机功率和扭矩普遍提高15%以上;其他技术方面,如TCS技术,涡轮增压技术,以及集成式方向盘,无线数据传输技术也受到各个车队的推崇;另外,车队对于赛车的研究也更加细致化,许多车队已经开始研究FSAE赛车的空气动力学性能,并研制相关空气动力学套件。随着新技术在FSAE赛车上的不断应用,赛事各项目的速度被不断刷新,如FSAEFomularSAEMichigan参赛赛车的75米加速时间已由2006年赛季的4.236秒降到2011年的3.945秒,这一时间随着技术的不断发展还在一次次被刷新。时至今日,FSAE赛事动态项目对赛车的操稳性要求已经很高,如在8字绕环项目中,赛车的横向加速度的性能等级下限为0.9G[3]。为满足如此高标准的性能要求,赛车的总体布置设计和底盘设计就显得尤为重要,而悬架则是底盘系统的重要部分[4]。3第一章绪论整车的总体布置设计是在新车开发和改型车辆开发的最重要的工作之一,它决定了到整车的总体尺寸,基本性能,以及车辆各部件及总成的布置位置,制定了车辆最初的设计目标。目前整车开发在国内外已有了较为规范的流程,各研发公司都有自己的研发流程。关于总体布置设计的内容主要有:1、调查研究设计任务,进行调查研究和制定设计原则阶段;2、选型和制定设计任务书阶段;3、技术设计阶段4、汽车总装配图的绘制阶段;5、修改及定型阶段[5]。汽车人机工程是整车总体布置研究中的一个重要内容。RAMSIS软件是专门用于成员仿真的软件,其目前已经在在全球70%的轿车制造商在使用,在中国如上海汽车、一汽汽研院也将其应用于技术研发,使用RAMSIS能够在只有少量CAD数据的情况下进行大量的人机工程学分析,极大的减少了后期的整改工作[6]。由于CATIAV5最早提出了人机设计与分析的解决方案,其软件中的人体模型包含104组测量数据,100多个无约束连接等,常用于视野分析、坐姿分析,运动舒适角度分析及课触及范围分析等,其人机工程模块可以随时将人体模型导入设计产品模型中,为人机工程分析带来了极大的方便[7]。总体布置目前另一个经常研究的内容是整车总布置参数化设计,有一种方法是以autoCAD为支撑软件,使用Autolisp、ADS以及高级语言编程的三种方法实现整车总体布置的参数化设计,此方法还可将总布置的性能计算,总成图库,运动校核及参数化设计软甲联接使用[8]。汽车总体设计专家系统的研制试图以UG、SQLSserver7.0和VC++6.0作为开发环境,数据库、利用人工智能技术、参数化绘图技术开发一种总体布置的专家系统,这种系统能够基于专家知识推理出各阶段所需要的参数,最终绘制出总布置图,并可进行运动校核[9]。FSAE赛事虽然已经发展了30多年,国外有的高校参赛时间超过20年,积累了丰富的FSAE赛车总体设计的经验和成果。但是在中国此项赛事才刚刚开始,国内针对FSAE整车赛车开发的研究还很少,还不够深入,目前国内相关论文大都为赛车的操稳性及零部件部件优化的内容,如湖南大学的柴天、刘美燕、张武等对FSAE赛车的操稳性研究[10];针对FSAE整车布置的只有华南理工大学李金三的大学生方程式赛车的总体布置设计及优化[11]。悬架是底盘最重要的部分之一,车辆操纵稳定性能和平顺性与悬架有直接的关系[12]。目前,国内外关于悬架性能的研究已经较为广泛,从钢板弹簧悬架到麦弗逊悬架,从双横臂悬架到多连杆悬架,对悬架做了很多研究。针对悬架设计开发的方4长安大学硕士学位论文法和内容主要包括悬架参数的优化,CAD、CAE技术的使用为参数化建模和优化带来了方便,使悬架开发周期大大缩短。国外对于悬架设计在长久的数据积累支持下建立了悬架设计参数和结构类型的专家系统和知识库。国内汽车企业和科研院所也努力掌握悬架的设计技术,但这一类研究主要是针对于普通道路上驾驶的乘用车和商用车,针对FSAE赛车的悬架设计及性能的研究较少。国内目前针对FSAE赛车悬架研究,仅有哈尔滨工业大学的李嫚的优化设计及分析[10]以及湖南大学刘美燕的FSAE的赛车悬架仿真分析及操纵稳定性虚拟实验[13]。虽然在悬架的设计方法上提出了一些新方法,但对于FSAE赛车悬架的研究还不够深入。1.3论文的选题内容和研究意义长安大学已经参加了2011年FSC赛事,为了备战2012年的比赛,需要在原来的设计经验基础上,对新赛季的赛车进行全新设计。本文主要对长安大学CHD2012型2012年FSAE赛车的总体布置及悬架进行设计研究。本论文主要的研究内容如下:(1FSAE赛车的总体布置的设计,包括赛车形式确定,主要总成选定以及赛车动力及质量参数的计算,方案校核及总布置方案确定。(2对FSAE赛车悬架结构,参数进行研究,探究各参数对悬架各参数指标的影响,设计计算悬架具体参数,并对悬架结构进行设计。利用ADAMS/car建立赛车悬架模型,研究悬架的各个参数的变化范围和趋势,探究调整悬架性能的方法。(3利用ADAMS/car建立赛车的整车模型,结合国标试验及评价方法进行赛车虚拟样机的仿真试验及评价分析,得出赛车的操稳性中稳态转向,响应速度,及转向轻便性等操稳性的基本特性指标。(4通过对比试验,研究车轮束角,外倾角及弹簧刚度等参数对赛车操稳性的影响。总结研究结论,为赛车调校提出可行性意见,并对赛车的改进设计提出参考意见。基于赛车和普通车辆的差异,本文将从赛车性能要求实际出发,对赛车的总体布置以及悬架系统进行设计,并研究整车及悬架的性能以及相关参数对悬架系统性能及整车操纵稳定性的影响。在保证一定平顺性的基础上对其整体系统进行设计,5第一章绪论力求使赛车具有良好操纵稳定性。在初步完成对赛车的总体设计结束后,为了更多更深入地了解赛车的性能,利用ADAMS软件对悬架,转向,和整车进行虚拟试验,得出悬架和整车的基本性能。为进一步提高赛车操纵稳定性性能提供数据积累,为此后的赛车设计积累经验。6长安大学硕士学位论文7第二章方程式赛车总体布置设计总体布置设计主要是对赛车的整体的动力参数、尺寸参数、质量参数及各部件的空间位置进行确定,以及对车辆的动力学进行计算等[14],对于FSAE赛车来说还要按照规则检测设计方案,保证设计在规则范围内进行。FSAE赛车的总体布置设计必须按照赛事规则的要求,对规则要求的参数进行严格控制。其规则对于赛车的总体布置要求如下:1、裸露式车轮和敞开式驾驶舱2、发动机排量不超过610cc,必须安装直径为20mm的进气限流阀3、轴距不小于1525mm4、较小轮距不小于较大轮距的75%5、轮辋尺寸不小于8英寸6、紧急制动时四个轮必须能够全部抱死,并且不能跑偏7、悬架行程不小于50.8mm8、大量的结构强度要求、如材料及其尺寸的要求等2.1赛车基本形式的确定方程式规则规定:FSAE赛车的基本形式要求为MR(发动机中置后轮驱动驱动形式,车轮外露,驾驶舱敞开有四个车轮的方程式赛车的形式。赛车基本布置形式如图2.1所示:图2.1FSAE赛车的基本布置形式2.2赛车各总成的选定车辆上唯一与地面直接接触的汽车部件就是轮胎,它是车辆力一切力和力矩的来源,是它在控制车辆的方向及稳定[15]。第二章FSAE赛车总体布置设计8普通汽车的轮胎是为人们日常的乘坐与运输活动而设计的,寿命都很长,这些轮胎能够涉水,通过柏油,水泥等干湿路面,在这些路面上各方便性能都相对均衡。赛车轮胎则不同,这些轮胎更加专业化,更加侧重于于赛车的性能发挥,它们的设计目标之一就是使赛车产生更大的加速度。一般场地赛的赛车轮胎分为干胎和雨胎,干胎主要用于干燥的柏油或水泥路面,雨胎用于潮湿和有积水的路面。干胎的特征是没有花纹,这样轮胎与地面的接触面增加,能够承受的外力也就越大。雨胎则有花纹,起给轮胎的排水作用。一条雨天轮胎可以在一秒时间内,排除数十升的积水。为了增加赛车的离地距离,同一品牌的雨胎比干胎的直径更大。轮胎材质不同,性能也不一样,比如F1赛车使用的热熔轮胎,轮胎温度达到100摄氏度左右时,胎面材质变成凝胶态,故可提高抓地力。赛车轮胎达到最佳工作温度,其附着系数可以达到1.6[16],远远大于普通乘用车的轮胎附着系数0.8。附着系数的增加,使赛车加速及制动时间更短。另外,轮胎的大小对赛车的设计也有很大影响。相同宽度的大轮胎能使悬架有更多的设计和调整空间。通常FSAE赛车选用的轮胎有两种规格,一种是内径13英寸,另一种是内径8英寸,前者由于使用的轮辋尺寸大,给悬架的设计带来了方便,后者则相反,通过对比发现,13寸轮胎优势更大[17],CHD2012型FSAE赛车选用的是Hoosier43162轮胎(如图2.2所示,规格如下表2.1所示。图2.2轮胎(干胎表2.1Hoosier43162型轮胎参数表尺寸规格发动机的选择必须满足赛事规则的相关规定。赛事规则对于发动机的限制如下:“驱动赛车的发动机必须为四冲程、排量610cc以下的活塞式发动机”。对于赛车来说,发动机的扭矩越大,赛车的加速度也就越大。CHD2012型FSAE赛车选用铃木GSX600型发动长安大学硕士学位论文图2.3GSX600发动机悬架是将车轮和车架相连接的部件,悬架将承受来自地面通过车轮传递各种力和力矩,同时悬架的设计也影响着在跳动时的轮胎姿态,这也极大影响着轮胎与地面的接触特性,决定着轮胎的极限性能能否充分发挥。换句话说,一台良好的赛车必须要有一个性能良好的悬架系统。对于FSAE赛车来说,悬架的设计是否成功也在很大程度上决定了整个赛车性能的水平,在悬架的选择上,设计主要考虑悬架性能、零部件复杂程度、和成本。赛车中常见的悬架形式有:麦弗逊式(如图2.4a,双横臂式(如图2.4b,及多连杆式(如图2.4c[18]。abc图2.4常见的独立悬架形式第二章FSAE赛车总体布置设计麦弗逊式:基本上是由弹簧和避震装置以及下臂组成及简单结构。减振器的上端与车身连接,下端由A臂支撑,除了零件数量少,质量轻以外,悬架行程能够很好保证,可吸收大范围来自路面的震动。在WRC拉力赛中的赛车比较常见。双横臂式:由于有上下两个A形臂,所以称为双A臂,也成双横臂。随着A臂的形状和位置的不同,其能够比较自由的控制加减速时车辆的姿态和车轮运动时的参数变化,又由于双横臂悬架具有良好的刚度,所以其常常用于重视操纵稳定性的跑车中。同时,也应为零部件多而且结构复杂,需要较大的安装空间。多连杆悬挂:此种悬架属于双A臂悬架的进化形,不过相对于双A臂悬架的两个安装臂来说,多连杆悬架则需要3-5个安装臂来解决车轴的位置。由于各安装臂相互分离,配置的自由度极高,能够方便更细腻的调校。同时,再有数根安装臂共同支撑的情况下可以精确的控制悬架系统的变化,使轮胎接地性更佳。在高性能的FF型车辆上以及大马力的后轮驱动车辆中,常使用此种悬架,以确保车辆高速时的动态稳定性。跟双横臂一样,多连杆悬挂同样需要占用较多的空间,制造成本较双横臂更高。综合考虑:麦弗逊式悬挂不能满足赛车的苛刻的性能要求,多连杆式悬架设计难度大,花花费高。双横臂式悬架性能好,造价低,技术要求适中。设计选用双横臂式悬架。另外,由于FSAE赛车悬架常有拉杆式悬架和推杆式悬架,考虑赛车的美观,前悬架采用拉杆式(pullrod,后悬架再用推杆形式(pushrod,如图2.5所示车轮上跳时,拉杆式悬架,拉杆受到拉力,而推杆收到压力。图2.5悬架推拉杆结构汽车转向系统是用于改变或保持汽车行驶方向的专门机构,因此,转向系统的性能直接影响着汽车的操纵稳定性和安全性。通常所说的路感,大部分信号会通过转向系传递给驾驶员,“路感”必须重视起来,凭借转向盘(反作用力,将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶者,驾驶者对得到的“路感”信号判断后进而操纵方向盘,控制汽车10长安大学硕士学位论文11[19]。有人认为转向盘力应当随着侧向加速的的增加而线性增大。大学生方程式赛车的转向系由于制造成本,技术工艺,以及质量控制等因素,普遍没有转向助力装置。这也使我们在设计时必须要考虑如何控制转向力的大小。常见的转向器结构形式有:齿轮齿条式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式、循环球式转向器。齿轮齿条式转向器结构简单、紧凑、体积小、质量轻;传动效率高达90%,制造成本低,在轻型车辆和赛车上广泛使用。而由于整个赛车质量比较轻,不需要采用动力转向装置,这种转向器也十分符合方程式赛车的转向要求。设计方程式赛车将采用齿轮齿条式转向器。由于悬架为独立悬架,故转向梯形采用断开式转向梯形。其优点是与独立悬架配合使用时,能够保证一侧车轮上、下跳动时不会影响另一侧车轮[20]。转向梯形的具体布置形式为梯形前置下置,如图2.6所示。图2.6转向梯形结构形式规则(2012赛事规则7.2制动测试一节对赛车有如下要求:赛车的制动系统将被进行动态测试,测试时,赛车将首先在制动检查官规定的直道上加速,在直道末端,赛车必须制动至静止,并要求四轮抱死且不跑偏。制动器结构方案分析:盘式与鼓式鼓式制动器比较,由于盘式制动器体积小、质量轻、抗热衰退性能好等许多优点[21],故采用盘式制动器。盘式制动形式根据制动钳的运动情况,分为固定钳式和滑动钳式:滑动钳式制动器轴向和径向尺寸小;无制动盘油道或油管,冷却条件好,制动液气化可能性低;成本低等优点。但因为有滑动件,没有固定钳式刚度好。但考虑到布置空间、冷却、及成本问题,故采用滑动钳式。通常制动系统驱动机构形式采用液压式简单制动,制动系统常见分路系统有II型和X型形式。如图2.7所示,X型结构比较简单,但难以保证同轴两轮制动力相等;II型也很简单,其缺点是某一轴失效时制动效能变坏(前轴失效时后轴抱死侧滑,且制动力严第二章FSAE赛车总体布置设计12重不足,后轴失效前轴抱死易出现失去转弯制动能力,但能保证汽车两侧制动力相等,防止跑偏,考虑到前后制动比例调整的方便性,保证两侧车轮制动力大小相等,以及安装布置的灵活性和低成本,选用II型。布置简图如图2.8:图2.7常用分路系统形式图2.8II型制动系统简图2.3整车人机工程布置当设计一辆新车时,人机工程的布置应该是首位的[22]。对于赛车的人机工程来说,舒适的架势姿势是很重要的,只有确定良好的驾驶姿势,驾驶员才能在长时间的驾驶过程中保证操作正确、敏捷、感觉轻松、不会疲倦。驾驶员上半身应当得到有力的支撑,该状态是驾驶员舒适、敏捷做出相应驾驶动作的必要前提;对于踏板类汽车,驾驶员应在上半身不动的情况下有力的踩到踏板极限位置,同时腿部与方向盘无干涉;另外一个很重要的一点是:调整好座椅与方向盘的关系,确保车手被安全带固定在座椅上时,手能轻易握住方向盘,同时肘部的角度在120左右,即不能太近也不能太远,这样驾驶员的手腕能够灵活掌握方向盘[23]。根据人机工程学理论及驾驶员实际坐姿感受体验,利用CATIA人机工程模块,选用于中国人第95百分位的男性数据[24]相同的人体模型进行人机工程布置。驾驶员人机工程布置如图2.9所示,图中a1为靠背角,a2为大腿和腰的角度,a3为大腿和小腿的角度,a4为脚与小腿的角度,a5肘部关节的角度。表2.2为人体部分关节的角度。长安大学硕士学位论文13图2.9驾驶员人机布置图表2.2人体部分关节角度表人体模型a1(°a2(°a3(°a4(°a5(°a6(°第95百分位491201108611015第50百分位5212010790107172.4整车尺寸参数在设计初期确定的车辆的基本结构尺寸和车辆的基本总成在对车辆的性能有较大影响,如制动,加速及过弯性能,同时也是判断一辆车几何通过能力的重要参数。在对对主要总成的尺寸了解以后,在人机工程布置的基础上,可以进行整车尺寸参数的确定。赛事规则规定:静态检测时,按男性第95百分位的人体模板测试,男性第95百分位二维模板的尺寸如表2.3所示。表2.3第95百分位人体模板尺寸佩戴有头盔的头部用直径为300mm(11.81英寸肩膀及颈部区域用直径为200mm(7.87英寸的圆代表髋部和臀部用直径为200mm(7.87英寸用一条长为490mm(19.29英寸的直线连接两个直径为200mm圆的圆心用一条280mm(11.02英寸的直线连接位于上方的直径为200mm和300mm的头部圆的圆心。在总布置尺寸设计时,需加入第95百分位的人体模板进行设计,以保证赛车整体尺寸满足比赛人体模板的测试要求。如图2.10和图2.11所示,图中E表示的是规则中要求检测时测量的前环和主环最高点连线与模板间的距离,此距离要大于50mm。第二章FSAE赛车总体布置设计14图2.10总体布置整车尺寸图(侧视图2.11总体布置整车尺寸图(俯视轴距是赛车设计时的一个很基本,很重要的参数,它在很大程度上决定了整车的纵向尺寸,如赛车总长,驾驶舱空间,发动机安装空间,传动系安装空间等等。在通过性上,更短的轴距能使赛车更加灵活,通过性能更好,而长轴距则恰恰相反。在动力学特性上,短轴距使赛车在加速或制动时有更大的轴荷转移,带给各部件更大载荷,同时赛车的平顺性一般情况下也变的更差。而长轴距会是平顺性变好,在加速和制动时,对赛车的影响也变小。也就是说,轴距越长舒适性越好,越短,车辆的灵活性越好。根据中国大学生方程式汽车大赛规则,赛车前后轴最小轴距要大于等于1525mm。耐久赛与高速避障赛道是卡丁车赛道,赛道多弯且急,对赛车的灵活性要求较高。赛车轴距在设计期间会与驾驶舱空间、发动机空间、及传动系空间相互影响,故轴距不易太长安大学硕士学位论文小,太小则赛车纵向方向总体布置困难。综上所述:赛车要有良好的灵活性,且要有足够空间要保证各部件的安装空间位置,并且要满足规则,赛车的轴距L3(如图2.11定为1550mm。轮距是指车轮在车辆支承平面(一般就是地面上留下的轨迹的中心线之间的距离。一般说来,轮距越大,横向稳定性越好,抗侧倾能力变强,横向布置空间变大,使零部件的布置更加方便。但轮距宽了,赛车的几何通过性就会变差,整车质量也会增加。轮距小,悬架侧倾角刚度减小,赛车侧倾稳定性变差,但几何通过性变好。根据规则(2012FSAE规则规定:赛车较小的轮距(前轮或后轮必须不小于较大轮距的75%。根据国内外FSAE赛车设计数据,及2010年美国Michigan赛事赛车数据[25]统计可知:90%以上的赛车在坐入一个68kg车手时,前后轴轴荷分配大约为45/55,前轴负荷小,后轴负荷大,质量影响汽车的稳定性系数K,即前轴轴荷越大,越趋于不足转向,前轴轴荷越小,越趋于过多转向,悬架的刚度同样也影响车辆在转向时的稳定性,前悬刚度越大,越趋于不足转向,越小,则趋于过多转向。考虑到赛车在不同车手驾驶时的感觉不同,赛车应具有良好的可调性,所以设计目标为赛车初始状态应具有近乎中性转向的状态。轮距越大,车辆侧倾时轮荷的垂直转移量就越小,反之越大。质量参数保持不变的情况下,轮荷转移大的轮轴使平均轮胎侧偏刚度更小(相对于轮荷转移较小的轮轴,前悬刚度大于后悬刚度会使赛车趋于不足转向,故赛车的前轮距大于后轮轮距。初步定为前轮轮距W2为1200mm,后轮轮距W3为1150mm。由于质量分配不理想而导致的过多转向的趋势,可由悬架的设计和调整来保证赛车有适宜赛车手的稳态转向特性。前/后轮轴线分别到车辆最前/后端的距离称为悬长,如果前后悬位置有质量很大的部件,车辆的转动惯量就会变大,降低车辆的运动性能,因此从结构上看,质量大的零部件应尽可能的向赛车的中部靠拢,以减少车辆的转动惯量,提高赛车的运动性能尤其是曲线运动的能力。在满足规则的情况下,设计应尽量使赛车更加紧凑,以减轻赛车质量,同时也能降低制造成本。经过人机工程的考量和对整车主要部件的反复协调布置后,整车尺寸的基本数据如表2.4所示。15第二章FSAE赛车总体布置设计16表2.4整车尺寸参数表长(mm宽(mm高(mm前悬(mm后悬(mm离地间隙(mm前轮距(mm后轮距(mm轴距(mm280014001150800300301200115015502.5整车质量参数整车质量是决定车辆运功性能的重要因素,车辆越轻,发动机的负荷就越小,在动力性方面车辆的表现就会更佳,同时也降低了对制动力的要求。几乎所有的车辆动力学性能都与质量有着密切联系,降低整车质量的好处不胜枚举。另外,由于发动机负荷减小,质量的降低对经济型也有好处。表2.5为赛车质量参数(以前轴在地面的投影线与赛车中心面的交点为坐标原点表。表2.5赛车各部件质量及质心位置参数表系统/部件质量(Kg质心X坐标(mm质心Z坐标(mm发动机及进排气系统801200350车架及车身45600320悬架(前1220250悬架(后111480280车轮及轮边部件(前240255车轮及轮边部件(后261550255传动系111550255转向系5150260冷却系5700255油箱及电瓶10750210座椅及防火墙6810400踏板总成5-300130驾驶员68700360整车满载质量308852.5312根据掌握的零部件质量数据和赛车各部件的基本布置位置(如表2.5所示计算赛车的轴荷分配和质心高度。(1轴荷计算:长安大学硕士学位论文17=169.3Kg=138.7Kg式中G为赛车满载质量,为前后载荷,为后轴载荷,m为各部件或系统的质量,x为坐标值,L1为轴距。(2质心高度计算:式中G为赛车满载质量,为赛车质心高度,z为垂直方向坐标值,m为各部件质量。查阅了众多FSAE方程式赛车的设计资料,结合目前自身的设计和制造水平,赛车的整备质量设计为240Kg,车手质量为68Kg,故整车设计的满载质量为308Kg。设计时轴荷分配为前45%后55%。2.6整车动力性计算根据FormulaSAE的比赛规则和国外车队的比赛经验,通常FormulaSAE赛车在典型赛道上最长直道末端的最高时速约为110km/h,除了起步外,在比赛中通常只会用到2挡、3挡和4挡总共3个档位。所以在确定末级减速比的时候,就可以以发动机在最大功率点的转速在4挡时来计算,按设计速度110km/h来计算赛车的末级主减速比。根据GSX600发动机的功率特性曲线可知,最大功率大约出现在转速n=13500rpm时,发动机的功率和扭矩拟合曲线如下图所示。图2.12发动机功率-转速曲线图第二章FSAE赛车总体布置设计18图2.13发动机扭矩-转速曲线图然而,发动机在加装20mm的限流阀后,600cc发动机的功率和扭矩通常会下降15-25%[25],最大功率点转速也会减小。赛车的变速箱为六速变速器,在不改动变速箱传动比的情况下,为了使赛车满足直线加速比赛的要求(75米小于5.8秒,主减速比以赛车百公里加速时间最少为优化目标,利用以下公式(2.1、2.2、2.3、2.4,经过优化计算,赛车的主减速比定为3.35。dtdumAuCGiGfriiTFaDTgtqtδη+++==15.2120(2.1]([1wftFFFmdtdu--=δ(2.2duadt1=(2.3Aadutuut===⎰⎰211(2.42.7整车尺寸检测及总布置方案的确定在FSAE赛车总体布置却设计过程中,根据车队设计经验,在确定各总成的设计和空间位置的过程中,首先要在总布置预先规定的区域内,确定悬架的设计,然后再进行车架,传动系及车身的最终设计,当然,各部分设计人员在设计期间的充分沟通是非常重要的。在设计进行过程中,总体布置需要对不断地审核各个方案,其中重要的一个内容就是对按照规则赛车进行检测,防止设计后期才发现设计不符合规则而导致的方案大长安大学硕士学位论文19量修改。FSAE比赛对赛车的检测有很多,其中之一就是对赛车空间检测,内容包括1、主框检测(如图2.14,2、腿部空间检测(如图2.15,2、驾驶舱开口尺寸检测(如图2.16,3、男性第95分位人体模板检测(如表2.3和图2.10,但不仅仅是这些内容,具体检测内容及检测方法详见参考文献[25]中国方程式汽车大赛2012版规则。图2.14赛车外框检测示意图图2.15腿部空间检测模板图2.16驾驶舱开口空间检测模板第二章FSAE赛车总体布置设计20在赛车的主要总成选型结束,以及初步的总布置方案完成后,总体布置还要对赛车上所有部件的位置进行确定,如电瓶,油箱,水箱等。检测工作实际上是伴随的赛车的设计不断进行的,每当有零部件改动时,就需要对布置方案做检测。此阶段的总布置设计工作经过与各个组不断交流协调,同时进行运动部件校核,空间测试等工作,赛车的总布置设计最终完成。赛车的详细设计和总体布置工作是与2012长安大学2012年FSAE车队的其他成员共同完成的。赛车总体布置参数如表如下表所示,总布置三维图如图2.11所示,表2.4为整车总布置完成后整车主要参数表。表2.4整车参数表总长L1(mm2600前悬L2(mm800总宽W1(mm1420后悬(mm360总高H1(mm1160最小离地间隙(mm30mm前舱高H2(mm600整备质量(Kg240轴距(mm1550满载质量(Kg310前轮距W2(mm1200轴荷分配(Kg45/55后轮距W3(mm1150质心高度(mm312图2.17CHD2012型FSAE赛车三维布置图长安大学硕士学位论文2.8本章小结本章内容主要是:1、确定了整车的基本形式为MR形式;2、通过各系统方案的对比,确定了赛车的轮胎采用13寸赛车专用胎,发动机为铃木GSX-600型发动机,悬架形式采用双横臂结构形式,转向梯形采用断开式转向梯形;3、应用人机工程方法确定了赛车的长、宽、高、轴距、轮距等基本尺寸;4、对赛车各部件质量参数进行统计,求解出赛车的质心位置,的到赛车的质量参数;5、根据赛车的百公里最小加速性时间选定主减速比为3.35;6、参照规则,对方案进行校验,确定总布置方案。21第三章FSAE赛车悬架设计第三章FSAE赛车悬架设计由第二章内容已经确定了赛车悬架的基本结构形式为双横臂结构形式,另外,由于比赛要求,FSAE赛车悬架设计的重点是赛车的操纵稳定性能。本章将具体介绍CHD型FSAE赛车悬架的设计研究。3.1双横臂悬架具体结构的确定悬架的几何设计实际上是为了控制轮胎运动,当然,对于不同的车来说,悬架设计的意义也不一样[26],对于一辆FSAE赛车来说,控制轮胎运动的目的重要之一就是如何使轮胎发挥抵抗更大侧向力的能力。一般来说,悬架的设计是从悬架正视图(车辆前视图的几何设计的开始的,由于悬架的几何直接影响悬架的侧倾中心,所以悬架正视图的几何设计也对车辆的侧倾特性有很大影响,如当车身发生侧倾时,由于悬架侧倾中心位置发生变化(包括垂直方向很水平方向,由车身重力和侧离心力引起的侧倾力矩就会变化;另外,车轮外倾角和主销内倾角的变化也与悬架正视几何的特点有直接关系。瞬时转动中心(InstantCenter能够影响车轮跳动时的横向滑移量,当车轮上跳时,瞬时转动中心在地面上方时,车轮向外侧滑移,瞬时转动中心在地平面上时,距离不变车轮不滑移,当在地面以下时,车轮向内滑移,如图3.1所示:图3.1瞬时转动中心垂直位置对轮距的影响瞬时转动中心对车轮外倾角的相对轮跳动行程的变化是由影响的,瞬时转动中心距离IC与车轮中心平面的距离Li越远,轮胎外倾角的变化率就越小[26]。CHD2012型FSAE赛车根据计算设定l为1.5m。高度为100mm。22长安大学硕士学位论文左右车轮的瞬时转动中心与相应应车轮的连线的交点就是侧倾中心(如图3.2中RC。侧倾中心在垂直方向距离地面的高度成为侧倾中心高度(。侧倾中心位置是影响悬架侧向性能的重要参数,当侧向力与作用在侧倾中心时,就没有侧倾力矩,车身就不会转动。由于侧倾中心的位置是随悬架运动而瞬时变动的,因而侧倾中心高度是瞬时变动的。侧倾中心越高,由侧向力引起的侧倾力矩就越小,反之亦然。图3.2双横臂悬架几何正视图侧倾中心的位置也影响着车辆的侧倾力矩,前后悬侧倾中心的连线为车辆的侧倾轴线,侧倾轴线的位置影响了车辆转弯时的侧倾力矩。车辆质心到侧倾轴线的纵向垂直距离是悬挂质量离心力引起的侧倾力矩的力臂。车辆质心到侧倾轴线的横向有效距离是悬挂质量重力引起的侧倾力矩的力臂。同时也影响非悬挂质量的离心力引起的侧倾力矩。当侧倾中心的高度急剧下降或向弯道内侧移动方向时,侧倾力矩就会急剧增加。对于没有横向稳定杆的车辆来说,如果在设计时忽略了这一点,赛车的侧倾角由于侧倾力矩的突然变大,可能就很难受到控制。由于侧倾中心在这轮运动情况下不是固定的,而其影响了弯道时的车身姿态,所以侧倾中心在车轮上下运动过程中变化量不应过大,包括垂直方向和水平方向。CHD2012型FSAE赛车前悬架侧倾中心高度为45mm,后悬架为80mm。3.2悬架有关参数的确定和计算偏频是与车辆的舒适性和安全性密切相关的参数之一,指汽车前后部分车身的固有频率和(亦称偏频。对于乘用车来说,后悬架的偏频一般在1-1.6Hz,对于舒适性要求低一些的货车来说,悬架偏频一般在1.5-2.2Hz之间[4]。FSAE赛车比赛的正常道路为平滑的水泥或柏油路面,赛车在正常驾驶时不会有强烈的震动,同时相比舒适性,由第三章FSAE赛车悬架设计24于赛车更加注重操纵稳定性和安全性,因此悬架的偏频易选的高一些,悬架静挠度直接影响车身振动的偏频,如式3.1所示。n=5/(3.1理论分析证明:若汽车以较高车速驶过单个路障,时的车身纵向角振动要比时小[14]。前悬静挠度选择:26mm后悬静挠度选择:26mm,,在(2.2-3.4范围,取为3.0(=23846N/m、在(2.4-3.8范围内,取等于3.2(=26923N/m,和分别为前后悬架刚度。悬架刚度是在车厢固定的情况下,在轮心处施加的使轮心发生单位垂直位移的垂直力。悬架的侧倾角刚度是指单位车厢转角下悬架系统给车厢的弹性恢复力偶矩。已知悬架的线刚度,可根据式3.2算出悬架的侧倾角刚度。(3.2式中:为悬架侧倾角刚度,为悬架线刚度,B为轮距。由式3.2可计算出前悬架侧倾角刚度式中:为前悬架侧倾角刚度,为后悬架侧倾角刚度,为赛车侧倾角刚度。为了既有良好的平顺性,又兼有良好的安全性,乘用车常常加装横向稳定杆,不影响车辆平顺性的基础上,增加车辆的侧倾角刚度,改善车辆的安全性。悬架刚度及侧倾角刚度是反映车辆悬架对车辆侧倾运动姿态影响的重要参数。由式3.2可以看出:悬架刚度越大,侧倾角刚度就越大,也就是单位车厢侧倾角所需要的侧倾力矩就越大。悬架刚度、侧倾角刚度越大,相同侧倾力矩情况下侧倾角就会减小。对于加装横向稳定杆的悬架,侧倾角刚度变大,相同侧倾力矩下,侧倾角减小;另长安大学硕士学位论文25外由于加装横向稳定杆后,在侧倾时两侧车轮的垂直载荷变化更大,导致轮胎的平均侧偏刚度减小,所以理论上对于前悬加装横向稳定杆,能够使车辆有趋于不足转向特性的趋势,后悬架加装横向稳定杆能够使车辆有趋于减少不足转向的趋势。总体来说,悬架刚度和侧倾角刚度越大,车辆的操纵稳定性会好一些,但是乘坐舒适性变差。乘用车中,大多数侧倾角都在5°左右,然而赛车的侧倾角一般在2°左右,甚至更小。在F1赛车上,由于空气动力学的下压力作用,车身侧倾角极小[27]。CHD2012型FSAE赛车设计在1.0g的侧向加速度时侧倾角计算如下(3.3(3.4(3.5(3.6(3.7式中:为总侧倾力矩,由悬挂质量离心力引起的侧倾力矩,为由悬挂质量重力引起的侧倾力矩,为非悬挂质量引起的侧倾力矩。车身在1g侧向加速度的情况下,侧倾角为1.63°,控制在了2°以内。3.3车轮参数的设定车轮外倾角(camberangle是车轮平面与地面的夹角,向外为正,向内为负(如图3.3所示为负外倾角。车轮外倾角影响与地面接触面积。同时也影响车轮承受侧向力的大小。由于车轮在上下跳动过程中外倾角是变化的,所以必须通过特定的悬架几何设计来保证赛车转弯时轮胎与地面保持良好的接触。第三章FSAE赛车悬架设计26图3.3车轮外倾角由上一节的计算可知,赛车在1g侧向加速度的情况下,车身侧倾角为1.63°。由于侧倾外倾的作用,车轮上跳时的外倾角会受到侧倾角的影响。当车身收到侧倾力倾斜时,一侧车轮上跳,另外一侧则下跳,两侧车轮行程相同。根据1g侧向加速度车身侧倾角的计算如下:(3.8(3.9前轮车轮总行程为34mm(左右各17mm,后轮为32.7mm。也就是说,赛车在1g侧向加速度时,弯道前外侧车轮向上跳动17mm,后外侧车轮上跳16.35mm。为了保证外侧车轮与地面良好的接触,前后外侧车轮上跳相应行程时的变化量应当与车身侧倾角相同,即此时外倾角应为-1.63°。然而轮胎外倾角的变动与主销内倾角的变动量是一样的,为了减小主销内倾角的变动量,外倾角预置位-1°,同时要求车轮上跳相应位置时的外倾角为-0.63°左右。车轮束角的定义是从车辆的上方看,车轮与车辆中心平面的夹角即为车轮束角,向内为正束角(toein,向外为负束角(toeout,如图3.4所示的为正束角(toein。图3.4车轮束角长安大学硕士学位论文27在车辆直线行驶时,车轮会受到来自地面的纵向作用力,当作用力与车轮主销间存在力臂时,会关于主销产生回转力矩,回转力矩的方向与主销的位置和纵向力的方向有关。车辆由于零部件之间间隙的存在,会随着力矩转动,为了使车轮直线行驶,减少轮胎磨损,驱动轮有负束角,从动轮有常设为正束角[28]。图3.5驱动力和阻力对车轮束角的影响束角对车辆的弯道性能也有影响,在过弯时,为减少过多转向的趋势,弯道外侧车轮前轮应当有减小正束角的趋势,后轮应当有增加正束角的趋势[28],如图3.6所示。图3.6车轮束角对操稳性的影响3.4主销参数设置赛车转向时,回正力矩反馈到方向盘上传递给驾驶员,使驾驶员对之产生对路况及车辆状态的判断,就是平时所说的“路感”。方向盘回正力矩的大小取决于多个参数,转向系的传动比,以及主销参数(如图3.7所示和轮胎的定位参数,这些参数或多或少都影响着路感[27]。第三章FSAE赛车悬架设计28图3.7主销位置几何参数从车辆正面看向轮胎时,固定轮辋的连接点的轴线向内倾斜一个角度,称之为主销内倾(如图3.7中的。主销轴线上侧向车辆内侧倾斜时为正,反之为负。主销内倾角的主要作用是抑制来自路面的作用力(如遇到突起障碍物等,防止方向盘失去控制,它影响车辆的直线行驶的稳定性,回正力矩以及方向盘力。主销内倾角越大,回正力矩M越大(如式3.10,方向盘转向力F也越大(如式3.11[29]。主销内倾角赛车内倾角一般设定为3°至8°。CHD-FSAE赛车设定为6.3°。(3.10(3.11主销内倾角的存在产生了主销偏移距离(如图3.7中的,这使得汽车直线行驶稳定性得到了改善,这也是主销内倾角的一个主要作用。主销偏移距是指从转向轮接地点到转向主销轴与路面的交点之间左右方向的距离。主销偏置距还能影响车辆制动时的方向稳定性。当转向轮的两个车轮制动力不同时(如图3.8,若左前轮制动力大于右前轮,即21bbFF>,制动力相差F∆,横摆力臂一般为0.5倍轮距L,顾产生的横摆力矩为M=0.5*LF⨯∆,方向为逆时针,该力矩使整车向左跑偏;同时,主销偏移距引起的作用长安大学硕士学位论文29在车轮上的力矩,当主销偏移距为正时,如图所示Rs,同样引起偏转力矩ssetkingpinoffrFM⨯∆=,方向为逆时针,因前轮为转向轮,此力矩就加剧了整车向左跑偏的趋势;当主销偏置距为负时,主销偏置距所引起的车轮偏转力矩为顺时针方向,这样抵消了横摆力矩M产生的车辆向左跑偏的趋势,因而负的主销偏置距对车辆制动时的方向稳定性有所帮助[30]。图3.8主销偏置距对车辆制动时方向稳定性的影响当主销内倾角变大或向车轮外侧移动时,主销偏置距会向负方向变化,从而减小转向时驾驶员加在方向盘上的力,使转向操纵轻便,同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力[29]。为了得到较好的回正性能及直线行驶的稳定性,主销内倾角的取值一般较大,一般范围在5º~8º之间,但也不能取得过大,主销内倾角度太大时,会导致轮胎加速磨损,以及转向盘力过大的不良后果[31]。主销内倾角在车轮转向时会影响车轮外倾角,车轮外倾角会朝正方向变化。所以在设定注销内倾角时也要考虑到这一点。从汽车的侧面看,主销轴线与垂直方向(YZ平面向后或向前形成的夹角称为主销后倾角或前倾角(如图3.7。主销后倾角除了有抑制车轮横向振动的效果,同时还能有使车轮产生回正力矩的作用,如果左右车轮后倾角不同则车辆会偏向角度较大的那一侧。主销后倾角越大,车速越高,稳定力矩越大,但后倾角不宜太大,否则转向力会变得沉重。主销后倾角的取值范围一般在1°至3°。设计时将赛车的前轮注销后倾角设定为1.6°。(3.12第三章FSAE赛车悬架设计30(3.13主销后倾拖距是主销轴线和地平面的交点与轮胎接地点沿着车轮平面与地平面交线方向的距离。当主销轴线与地面平面的交点在轮胎接地点的前方时,为正的主销后倾拖距,反之为负。主销后倾角对操纵稳定性的影响主要是通过接地面上的后倾拖距实现的。后倾拖距的存在使地面侧偏力Fy造成回正力矩M=Fy,回正力矩M通过转向系杆系传递至方向盘,驾驶员感到轮胎受到的侧向力Fy,这就是转向轮的力反馈,这个过程也就是“路感”的来源的过程。另外,该回正力矩M使车轮产生一个附加的转向角∆δ,这就是转向轮的角反馈。后倾拖距在操纵稳定性中所起的作用,就在于增加了力反馈与角反馈。大多数汽车前移量(车轮主销中心主销拖距=0,因此后倾拖距完全由主销后倾角决定。但现在也有一些车≠0,这时主销后倾角不能充分说明反馈的程度。角反馈和力反馈对于车辆直线行驶的稳定性很重要,其不仅能使车辆在偶受外力车轮稍有偏转的情况下使车轮自动回正,而且能防止车轮的横向摆动,保证汽车直线行驶的稳定性。同时车轮良好的力特性和角特性(路感,可使驾驶员对车辆姿态有更准确的判断,让车与驾驶人之间有练好的交流沟通。一般情况下,负后倾拖距会使车轮直线稳定性变差,产生左右摆振的现象[32]。另外,在车轮转向时,主销后倾角对车轮外倾角变化也有明显的影响,由于主销后倾角的存在,弯道外侧车轮的外倾角会有向负方向变化的趋势。车轮主销位置参数如表2.5所示。表2.5前轮主销位置参数主销内倾角(°接地面主销偏置距(mm主销后倾角(°接地面主销后倾拖距(mm6.3-101.5103.5悬架结构设计为了减少车身侧倾角对车轮外倾角的影响,悬架横臂杆系应当越长越好。极端情况是一根刚性轴,此时车身侧倾时,车轮外倾角将不受车身外倾角的影响。为了使车轮上长安大学硕士学位论文31跳时产生负的车轮外倾角,选用上短下长结构形式的悬架。在与总体布置空间上相互协调后,悬架A臂如图3.9所示,尺寸参数如表2.6所示。图3.9悬架A臂数据表2.6前后悬架A臂尺寸表Fu(mmFua(°Fl(mmFla(°Fk(mmRu(mmRua(°Rl(mmRla(°Rk(mm320.210.929390.11.69251.8226.8+5.709261.5-1.945251.794表2.6中Fua为前悬架上A臂与水平面的夹角,Fla为前悬架下A臂与水平面的夹角,Rua为后悬架与水平面的夹角,Rla为后悬架下A臂与水平面的夹角,这些角度以车架连接点为原点,逆时针为正,顺时针为负。弹簧是独立悬架常用的弹性元件,弹簧的选择会影响摇块的设计,设计选择了刚度为50N/mm的弹簧。选择的减振器型号为PENSKE7800,总行程为50mm。根据悬架几何设计和总体布置的前悬架拉杆式,后悬架推杆式的方案,可以得到悬架在摇块位置的位移,根据力矩平衡公式,可以计算出另一端(减振器端需要的力和力矩。根据这些数据,设计出推拉杆及摇臂的结构尺寸(见表2.7,图中Fd/Rd分别为前、后悬架减振器安装尺寸,Frd/Rrd分别为前、后悬架摇臂连接减振器一端半径尺寸,Frp/Rrp分别为与前后悬架推拉杆连接端的半径尺寸,。图3.10摇摇臂与减振器和推拉杆连接结构图第三章FSAE赛车悬架设计32表2.7前后悬架对拉杆及摇臂几何尺寸表Fpul(mmfrl(mmfdl(mmf(°Rpus(mmrrl(mmrdl(mm(°417.4908682342.14087.5119.7表2.7中,为Frd与Frp的夹角,为Lrr与Lrd的夹角。悬架的设计时由于赛车设计的动挠度只有26mm,赛车悬架刚度也很大,制动点头、加速后仰的位移很小,所以悬架设计时,不考虑悬架抗纵倾特性。根据前面对悬架参数的计算,确定悬架几何硬点,绘制悬架三维图,FSAE赛车悬架设计方案如图3.11所示。图3.11悬架三维设计图3.6本章小结本章主要介绍了CHD2012型FSAE赛车悬架系统的设计,具体内容是:1、详细讨论了悬架结构参数,设计参数对悬架性能的影响;2、确定了前后悬架侧倾中心位置;3、通过计算得出悬架的侧倾角刚度,1G侧向及速度下的车身侧倾角,及车轮外倾角;4、确定悬架硬点,选用合适的弹性和阻尼部件5、绘制悬架三维图,完成了悬架的结构设计工作。长安大学硕士学位论文第四章多体动力学理论及赛车ADAMS虚拟样机的建立Adams是在机械行业应用较为广泛的多体动力学软件,它拥有的CAR模块,以及丰富的数据库,为赛车虚拟模型的建立提供了方便。同时其良好的后处理功能为研发人员提供了可视化的、易于理解的图表数据,为各总成及赛车性能指标的量化提供了方便。本章将介绍Adams软件的基本理论和赛车各系统及整车的建模过程。4.1多体动力学软件ADAMS简介Adams是多体动力学分析软件,它帮助研究人员方便的研究系统的运动学和动力学性能。Adams是英文AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem的缩写,是由美国MSCSoftware公司开发的机械系统动力学自动分析软件。作为CAE领域中使用范围最广、应用行业最多的机械系统动力学仿真工具,广泛用于汽车、航空、航天、铁道、兵器、工程设备及重型机械等行业,许多大公司、企业均采用Adams软件作为其产品研发、设计过程中机械系统动力学仿真的平台。Adams软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、动力学和运动学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。Adams软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。Adams是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析[33]。4.2ADAMS虚拟样机技术虚拟样机技术VPT(VirticalPrototypingTechnology是一种基于虚拟样机的数字化设计方法,是在产品开发的CAX如CAD、CAE、CAM等技术和DFX如DFA(DesignForAssembly,面向装配的设计、DFM(DesignForManufacture,面向制造的设计各领域技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模、仿真技术、现代信息技术,先进设计制造技术和现代管理技术,将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计,并对它33第四章多体动力学理论及赛车ADAMS虚拟样机的建立34们进行综合管理,从系统的层面来分析复杂系统,利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计预测和评估,以缩短产品开发周期,降低产品开发成本,改进产品设计质量,提高面向客户与市场需求的能力。与传统产品设计技术相比,虚拟样机技术强调系统的观点,涉及产品全生命周期,支持对产品的全方位测试、分析与评估,强调不同;领域的虚拟化的协同设计。Adams虚拟样机流程如图4.1所示。图4.1Adams虚拟样机流程4.3多体动力学的理论基础多提动力学是研