摘 要

悬架是汽车车架与车桥或车轮之间一切传力与连接装置的总称，是现代汽车上的重要组成之一。本次设计以武汉理工大学WUTE车队2015年的比赛用车为研究基础，结合大学生方程式赛车比赛规则和比赛场地的特点，从大学生方程式赛车底盘设计方向，依照机械设计的原理以及中国大学生方程式汽车大赛的规则,对悬架机构进行设计与分析。提出大学生方程式赛车双横臂悬架设计的基本思路，确定了大学生方程式赛车悬架设计的基本方向。为大学生方程式赛车悬架设计过程提供一定的设计指导思想同时也为未来武汉理工大学WUTE车队赛车的设计提供一定的帮助和指导。

关键词：大学生方程式赛车；双横臂悬架；参数设计；建模仿真

Abstract

The suspension is connected with the power transmission apparatus in general between car frame and axle or wheel all, it is an important component of modern car. Taking Wuhan University WUTE racing team in 2015 as the research object, combining the characteristics of arrangement FSAE racing rules and track from the Formula Student racing chassis design point of view, in accordance with the principles and rules of Chinese mechanical design competition Formula Student car of design and analysis suspension agencies. Basic idea proposed Formula Student racing double wishbone suspension design parameters developed to determine the basic direction of the Formula Student racing suspension design. To avoid blindly Formula Student racing suspension design work, while developing the correct design guidelines and the future of car design to provide some help and guidance.

Keyword：Formula Student Racing；Double wishbone suspension；Parameter Design；Modeling and Simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1悬架类型 1

1.2悬架研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3 FSAE赛事简介 3

1.4研究的内容与意义 5

第2章 悬架方案选型 6

2.1悬架设计要求 6

2.2悬架设计方案选型 6

第3章 悬架参数设计 9

3.1车轮定位参数的确定 9

3.2悬架刚度计算 10

3.2.1偏频选取 10

3.2.2侧倾角增益初选 10

3.2.3赛车基本参数 10

3.2.4刚度初步计算 11

3.2.5悬架刚度的验证 12

3.3悬架几何设计 13

3.4阻尼计算 15

第4章 悬架零部件的设计 17

4.1转向节设计 17

4.2控制臂设计 17

4.3摇臂的设计 18

4.4横向稳定杆设计 19

4.5 悬架系统装配设计 21

第5章 悬架零部件的结构强度仿真分析 23

5.1悬架关键零部件的力学分析 23

5.2悬架的结构强度仿真分析 25

5.2.1转向节强度仿真 25

5.2.2控制臂强度仿真 28

5.2.3摇臂强度仿真 29

5.2.4主要零件强度仿真结果 29

5.3悬架零部件的轻量化 30

5.3.1 摇臂的轻量化 31

5.3.2转向节的轻量化 32

第6章 悬架的运动建模与仿真 34

6.1悬架的评价指标 34

6.2悬架的运动学仿真 34

总结 37

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1悬架类型

悬架主要由三部分构成，弹性元件，导向机构和减震器，如图1.1所示，在常见的双轴车辆上，悬架可分成非独立悬架和独立悬架两类^[1]。

非独立悬架：该类型悬架在结构上的特点为两车轮由同一轴固定连接，并通过弹性元件（多为钢板弹簧）与车架（或车身）连接。

独立悬架：该类型悬架在结构上的特点为两车轮互不影响，可独立运动，单独与车架（或车身）连接。

由于独立悬架有更好的运动特性，被大多数乘用车所采用，对于赛车而言，也均采用独立悬架的形式。独立悬架又可分为：横臂式独立悬架，纵臂式独立悬架，单斜臂式独立悬架，烛式悬架和麦弗逊式悬架。按导向机构的特点又分为：双横臂式，单横臂式、单纵臂式、单斜臂式和麦弗逊式等^[1]。

图1.1 独立悬架和非独立悬架

FSAE赛事规则规定, 赛车必须在前后轮装配有可以自由工作的、 并有减振器的悬架; 悬架行程(车轮中心点垂直位移)不少于50.8mm(2英寸),并且悬架在坐有车手的情况下可以再分别抬起和压下25.4mm(1英寸); 轮距与整车重心必须联合起来以提供充足的侧倾稳定性^[2]。基于此，综合考虑成本，空间尺寸以及结构要求，本次设计选取了在方程式赛车中广泛应用的不等长双横臂悬架的设计。

1.2悬架研究现状

大学生方程式比赛（FSAE）从创办到现在已经走过了三十多年。在三十多年的成长过后，该赛事现在已扩展到全球，成为了一个在多个国家设有分站，有众多国际知名的行业相关企业支持的国际性的大学生工程设计竞赛。悬架是车辆尤其是赛车的关键结构，良好的悬架性能可以极大的提高比赛成绩，因此，各个赛事中车队对悬架的设计都十分重视，同时也开发新的技术，运用新的科技。自这项赛事开展以来，各学校的赛车技术水平不断提高。

1.2.1国外研究现状

目前，国外许多学校的研发水平已经很高，已经广泛使用先进的CAE、CAD、CAM 技术。同时新材料的使用也十分普遍，例如在悬架控制臂的加工上，各车队倾尽全力的去实现轻量化，采用了多种类型的新材料，如碳纤维，7075 AL，4130 高强度结构钢等，同时为了追求更高的性能，利用多传感器进行数据采集技术也被使用，使得在调试过程中，悬架的性能可以提高15%以上；在其他的技术方面，例如 TCS，数据集成方向盘，以及无线数据传输等技术也在不断的应用与比赛中。

在国外的研究文献中，Sahil Kakria和 Daljeet Singh. 在CAE Analysis, Optimization and Fabrication of Formula SAE Vehicle Structure之中着重对CAE建模和FSAE车辆结构分析和改善其特性进行了仿真研究，对多体动力学（MBD）的模型进行运动学分析（悬架车轮行程计算）和使用实验设计（DOE）分析侧倾中心研究。采用有限元模型对振型、固有频率和振型进行了确定，并进行了模态分析和线性静力分析，如图1.2 中所示。此外，扭转刚度的变化，在底盘上进行了研究。最终得出Thapar大学2014年的悬架模型^[3]。