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探索制造公差对FSAE赛车前悬架相关的设计指标在性能上的影响

安德鲁 约翰 布鲁申诺夫斯基 密歇根大学

摘要

本文的目的是探究分析加工和制造公差在大学生方程式汽车大赛(FSAE)赛车前悬挂性能的影响。这个问题将会使用MSC ADAMS分析软件,更具体地说是建立车辆悬架模型和利用实验设计(DOE)方法评价悬架制造公差的变化形成的悬架曲线。结果将包含实验设计的结果和悬架外倾角,前束角、和侧倾中心位置的曲线,包括车轮完整行程的变化情况。本研究的结论是说明在制造车辆时的公差改变时，悬架的优化设计目标将怎么变化。

引言

本研究的关键问题是理解制造公差将如何影响FSAE赛车辆悬架性能的。这样的车的设计过程是利用开发设计目标去构建车辆,以反映这些目标。据悉,悬架的设计是一个重要方面,控制车辆的稳定性和驾驶。当微小的变化影响悬架硬点,对悬架特性的影响就会被放大,就可能提供不到理想的性能。因此,汽车的制造公差可能会导致这些微小的变化。本研究的动机不仅是探究公差的影响的知识,也为了拥有能更好地理解通过改变悬架硬点调去控制调整车辆的能力。这个悬架的研究使用的设计实验的优化设计方法在车辆动力学领域并不新鲜,在全世界是一个相对标准的做法。事实上在2000年,Motoyama、Yamanaka和Hoshino进行了利用ADAMS软件研究汽车悬挂系统优化的实验[1]。这份报告的目标是向特定的FSAE车辆的前悬挂。这些评估外倾角,前束角、和侧倾中心位置给定一组公差,和现在有关的结论用于未来FSAE密歇根大学汽车设计。

研究重点

我们在完成本研究过程中做了几个决定去收窄研究重点。第一个决定是集中在前悬挂,不包括车辆的后方。由于悬架几何相似,后悬挂装置可以将提供类似的结果。下面的图1显示的计算机中创建的前悬架ADAMS模型。

图1 前悬架ADAMS模型

设计选择推杆悬架形式,推杆安装在下控制臂，并激活弹簧/阻尼器，通过安装在底盘的摇臂。上面图1中可以看到悬挂组件的位置的描述。

根据选择把重点放在前悬挂后,这项研究是限于悬架外倾角,前束角、和侧倾中心位置。研究仅限于这些特点的原因是由于未知的实验结果,和最初决定他们是最重要的验证对象。

最后限制研究的重点是探索在只有横向(Y)和垂直(Z)车辆的方向得到一个宽容度。纵轴可以添加额外的外倾角和前束角的变化,然而由于侧倾中心的定义和定位过程中,公差在这个方向上预计不会影响侧倾中心的位置。为了保持在实验中的一致性，从初始阶段的研究的纵向方向被删除。

设计思路

在讨论设计思路之前,必须指出这项研究调查了制造公差导致悬架硬点不同于他们的设计,并且不考虑悬架组件的合规效果。本研究主要集中在悬架几何和运动学,不详细描述完整的涉及整个车辆设计。

设计一个悬架是一个复杂的过程,涉及到妥协和设计组件并使车辆去最好的适应外界激励的能力。悬架几何影响悬架组件的相对运动以及力和负载是如何传递到整个车辆的[3, p.607]。选择悬架几何和总体设计应该最充分地提供所需的性能和响应。一个妥协的车辆悬架的设计是有限的约束;是有限空间允许为每个组件的数量。通常在比赛车辆的结构是更紧凑,进一步限制了设计,然而这并非总是如此。从可行的悬架几何图形,设计精炼通过优化悬架的设计目标和系统权衡最终决定最终的几何。这是一个概括的过程，涉及在设计一个悬架并且下面的章节将详细说明在这个研究中每一个悬架的特征参数重要性。

外倾角-外倾角是指车辆轮子顶部的倾角,更具体地说是车轮与垂直平面的夹角[3, p .46]。根据FSAE的比赛规则,侧倾角的定义是车辆的车轮向外倾斜,而负外倾角是相反的。在车辆的前面,车辆的侧向力外倾角大大影响轮胎与地面的接触。这一代的侧向力或外倾推力,影响操控和车辆的稳定性,尤其是赛车在急速过弯。接触的面积是轮胎与地面接触。这种接触导致外倾推力，这是一个额外的轮胎侧向力。需要注意的是,要注意，该横向力由于外倾横向推力取决于车轮相对于地面，而不是车辆的倾斜。描述正和负外倾角以及这些横向力的图显示于图2

图2 外倾角参考图

车辆外倾角的大小取决于车辆期望的响应的和车辆运行的环境。这包括事件的持续时间,车辆状况,车辆需要行驶的时间。为了补偿车辆侧倾时外倾角减小,可以在静止时应用额外的负外倾,或者在车轮行驶时的设计为负外倾角的增益。在设计时，要想有效利用外倾需要了解由于制造公差在车轮行程中车轮外倾角度和和外倾角增益如何变化。

前束角-前束角被定义为在车辆的纵向轴线和车轮的垂直平面之间的角度。toed-in,或正前束,是指被朝向车辆的中心轴的轮的前边缘,而toed-out,负前束,则相反[4,p.8]。束角的描述可以在下面的图3中可以看到

图3 束角参考图

汽车的轮胎的束角影响车辆转弯时的操纵能力和车辆在直线方向行驶的稳定性。与任何正在考虑的悬架的设计特点,束角是折衷的系统。具有典型正前束的车辆通常具有更好的直线稳定性,因为轮胎的回正作用。如果车轮设置负前束,小的转向角输入的情况下将有助于车辆进入弯道改善操控性,但减少直线稳定性。这些问题的严重程度不仅取决于前束的方向,而且还取决于在车辆上使用的脚趾的大小。在车辆行驶时相对于零前束，前束的角度设置也会导致额外的轮胎磨损。

上面列出的原因重要的考虑是你的车辆中的应用,也包括了驾驶技能和经验。在比赛中，经常可以假定司机宁愿通过弯道比直线稳定性更好的操控性。在这个方面,在赛道上能够快速入弯和出弯也是一个巨大的优势。当司机赛车技能和经验有限时，通过负前束帮助车辆入弯也可以提供好的结果。然而,车手的技术和容错率是成正比的。当车辆行驶时,车辆的初始设置是更相关的，有效地控制从车轮行程和其他干扰到车辆产生的束角的动态变化。基于所有的考虑，通过车轮行驶理解变为前束角是不仅对于预期设计重要的，但也有由于制造公差导致的变化。

侧倾中心位置-要解释侧倾中心的定义,首先需要定义瞬时回转中心的概念。值得注意的是，ADAMS通过微扰法发现瞬间中心和侧倾中心位置来自雅可比矩阵，而不是几何。从侧面看这个二维平面,用于车辆的给定侧的瞬时回转中心被定义为通过球窝接头和底盘绘制假想线的交叉点的上和下控制臂硬点[3, pp. 610-612]。画这些相交线的过程如图4所示,虚线代表的假想线。

图4 瞬时回转中心的绘制过程

一旦瞬时回转中心被确定,通过几何可以找到侧倾中心位置。侧倾中心是利用虚线从车辆每测轮胎的接地点连到另一侧的瞬时回转中心的交点 [3, p. 613]。侧倾中心高度被量化为侧倾中心与地面之间的距离。瞬时回转中心与侧倾中心之间的几何关系在图5中进行说明

图5 侧倾中心的几何描述

由于侧倾中心取决于悬架几何,在零车轮行程侧倾中心位于车辆的纵轴当使用对称悬挂设计。由于车轮的运动侧倾中心可以横向和纵向移动。如果考虑车轮平行跳动,两个车轮偏转方向相同的距离,侧倾中心将保持在车辆纵轴上。如果包含车轮反向跳动,另一个轮子移动相反的方向,在这种情况下,侧倾中心不一定限制在中心线。车辆可以设计为仅允许侧倾中心的垂直运动。这项研究将只专注于车轮平跳的情况。

侧倾中心影响车辆的横向载荷,因为它允许横向力作用在侧倾心。侧倾中心导致侧倾力矩的产生,他是一个侧倾中心到重心距离的函数。侧倾中心还产生了一个非滚动侧倾力矩,这是对车辆和横向力取决于侧倾中心的高度的结果[3, p. 614]。更高的侧倾中心的位置使侧倾中心更贴近质心并减小了侧倾力矩,因此减少力臂的长度。这种变化的缺点是由于侧倾中心位置离地面高导致的非滚动侧倾力矩的增加。如前所述,侧倾中心与悬架几何和轮胎通过瞬时回转中心。当车辆行驶时,车辆的横向载荷从一方转移到另一端,和侧倾中心的相对于地面的影响这个载荷传递的垂直位置。

当转弯发生载荷转移时,存在于接地点的内外轮胎横向力不再相等。因此,相连悬架的垂直力导致在侧倾中心的垂向力不为零。由于垂直力通过回转中心施加到车辆上;这个力通常称为悬架顶推力[4, p. 3]。这个垂直力的反应通过悬挂拾取点,并改变车辆重心的位置。这种重心位置的变化将增加或减少重心和侧倾中心之间的距离。由于在此之前的垂直距离影响所提到的侧倾力矩。无论是对于设计和车辆调教，此最终的结果是需要了解车轮行驶时的侧倾中心的位置和迁移，以便更好地理解横向载荷传递力和垂直力的产生。

实验设计-使用实验设计(DOE)包括一个系统的方法来确定一系列因素对试验的具体结果的影响。在本文的背景下,被用来评价悬架硬点位置变化后对不同的悬架特性的影响。实验方法的设计包括开发实验参数的矩阵。矩阵的每一行是一个排列,并描述每个悬架硬点的坐标。选择要包括排列的数量是基于点是如何相互作用和复杂性所需的。

方法

为了确定制造公差对车辆悬架性能的影响,车辆仿真软件是必需的。MSC ADAMS被选为本研究中使用的软件。MSC ADAMS是一种先进的软件包,能够执行设计,悬挂的深度分析和模拟。ADAMS是用于构造悬架模型,设计和构建实验设计,并分析具体成果。在MSC提供的FSEA赛车模板的帮助下[2],使用ADAMS Car模块建立了FSAE悬架模型。设计和建造试验模型使用ADAMS Insight，并在外部使用内置的求解器获得并利用ADAMS后处理分析结果

对于外倾角，前束角和侧倾中心位置，以及它们的迁移基准，或标称值，是通过模拟车轮完整行程的跳动得到，即上跳和下跳大约一英寸。这些标称用来描述每种特征下的静态值，以及车轮行驶时的斜率/线性，将因为制造公差的结果而改变。由ADAMS仿真的响应曲线利用MATLAB内部的一个运动学求解器验证了最初的设计是没有误差的。

设计实验筛选-对于每个悬架的特点,建立一个设计实验的筛选机制去确定在被实验的硬点中，筛选适用于对每个硬点的小扰动和以整体百分比的形式输出每个悬架硬点对悬架特性的影响。基于车辆对称，外倾角，前束角和侧倾中心位置使用的筛选以车辆左侧悬架为例。筛选的结果提供了完整的设计的基础。实验的筛选来看，选择了对悬架特性影响最大的外硬点。每个硬点对悬架特征的影响最小约为百分之一。在某些情况下,选择低于此限制值的硬点位置来安装横臂，其中一个或多个已满足要求。此外,如果在上跳或下跳时硬点满足这要求，而不考虑极限,那么也可以考虑。

完整的设计实验-一个完整的设计实验为每个悬挂的特性独立建造，并假定最大公差为plusmn;2.5毫米,这是基于在制造车辆的过程中使用的质量和机器和过程的能力估计最大公差。每个DOE运行一个模拟的全轮行驶的车辆的模拟。建议在ADAMS车上运行模拟，这样就可以创建每个置换的结果文件了。这些结果文件提供检查给定特征的实验结果迁移中的任意排列的能力。该还要求对每个排列的输出设置指定的响应。为了限制研究的复杂性和时间的要求，这是有限的数量较少的运行。用这种方式设置的排列集中在接近最大允许公差的点上。这提供了最坏的情况下，硬点偏离量最大的设计结果。作为一个侧面说明，当包括控制臂的时候，每一个控制臂都有一个给定方向的所有安装点绑在一起。这意味着当一个硬点向一个给定数量的任何方向移动，这样做的另一点。其原因是，每个控制臂的制造都有一个非常严格的公差，并且它可以被假定的安装点不能独立地移动到另一个。在下面的章节中描述了每一个悬架的特性。

外倾角—利用二次完全因子DOE建立一个专门用来检查车辆的外倾角的DOE模型，里面一共有243排列产生了DOE响应曲面。在此DOE所用的悬架硬点在下面列出（不分先后）：

内拉杆安装方向

外拉杆安装方向

下控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

上控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

上控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

对于外倾角是否响应输出分别发生在完整下跳最大值（正）的变化，以及当车轮处于充分上跳时发生的最小值（负）的变化。

前束角-利用交互完全因子DOE建造的模型旨在用于研究车辆的前束角的D实验，里面一共有128排列产生了DOE响应曲面。在此DOE所用的悬架硬点在下面列出（不分先后）：

内拉杆安装

内拉杆安装方向

外拉杆安装方向

外拉杆安装方向

下控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

上控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

上控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

为束角是否响应输出分别发生在充分上跳最大值（正）的变化，以及当车轮处于充分下跳时发生的最小值（负）的变化。

侧倾中心位置-使用线性完全因子DOE旨在探讨侧倾中心位置的影响实验，里面一共有256排列产生了DOE响应曲面。在此DOE所用的悬架硬点在下面列出（不分先后）假设每个硬点被用于车辆的左侧和右侧：

下控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

下控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

上控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

上控制臂方向

前底盘安装点

后底盘安装点

外球接头

对垂直侧倾的中心位置是否响应输出为最大值（正的）位置，这发生在充分下跳，以及当车轮处于充分上跳时发生的最小值（负）侧倾中心位置。

结果

本节将

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