FSC方程式赛车悬架系统设计与运动学分析毕业论文

2020-04-12 16:08:34

摘要

对于赛车来说，悬架部分对于整车操纵稳定性有重大的影响。本文以操纵稳定性作为设计的方向，以计算机作为辅助工具，设计出一套满足各项性能的悬架系统。

本文首先从大学生方程式赛车悬架的选型开始，结合整车的设计要求，确定侧倾中心、四轮定位参数轴距，轮距等，并通过对于悬架几何进行设计计算，得到所需的悬架硬点坐标，悬架刚度等参数。再利用之前得到的悬架几何，在adams CAR模块中中建立悬架的模型，对四轮定位参数及轮距的变化进行运动学的仿真，根据仿真的结果判断车轮定位参数等随着轮跳的变化情况，对于变化不合理的参数首先利用insight进行灵敏度分析，，并根据分析的结果对其进行重新的优化，保证其各项参数都在合理的范围之内。在参数最终确定之后，根据整车的受力状况，利用ANSYS进行分析，保证其轻量化的同时满足强度和刚度方面的要求。

关键字：悬架；操纵稳定性；运动学分析；强度

Abstract

For the car, the suspension part has a significant impact on the stability and stability of the vehicle. In this paper, the steering stability is taken as the design direction, and the computer is used as an auxiliary tool to design a suspension system that satisfies every performance.This article starts with the selection of the suspension of the Chinese Formula One race car, and combines the design requirements of the vehicle to determine the roll center, the wheel alignment of the wheel alignment parameters, the wheelbase, etc., And by design calculation of suspension geometry, the parameters such as the rigid point coordinate and suspension stiffness are obtained.. Then in the adams CAR to establish a suspension model for kinematic simulation.. For the irrational parameters, the sensitivity analysis is first performed using Insight, and the optimization is performed according to the analysis result to ensure that all the parameters are Within a reasonable range. After the parameters are finalized, according to the force conditions of the vehicle, ANSYS is used for analysis to ensure that it is light weight while meeting the strength and stiffness requirements.

Key Words: Suspension; Handling Stability; Kinematic Analysis; Strength

第1章绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3本文研究内容 2

第2章 FSC赛车悬架类型和基本参数的确定 3

2.1悬架类型的对比及结构选型 3

2.1.1 FSC悬架类型的分析对比 3

2.1.2 FSC悬架的结构选型 3

2.2悬架四轮定位参数的确定 3

2.2.1车轮外倾角 3

2.2.2车轮前束角 4

2.2.3主销内倾角 4

2.2.4主销后倾角 4

2.3悬架内外硬点坐标的确定 6

2.3.1横向平面计算 6

2.3.2纵向平面的计算 8

2.3.3水平方向计算 9

2.4弹性元件和阻尼原件的选型及其位置确定。 9

2.4.1弹性元件和阻尼元件的选型 9

2.4.2弹性元件和阻尼元件位置的确定 11

2.5本章小结 12

第3章悬架运动学仿真及其多目标优化 13

3.1悬架的运动学仿真分析 13

3.2悬架多目标的优化 15

3.2.1优化目标的确定及其灵敏度分析 15

3.2.1优化结果与分析 16

3.4本章小结 17

第4章主要零件的设计及其强度分析 18

4.1摇臂的设计及其强度分析 18

4.1.1摇臂的设计 18

4.1.2摇臂的强度分析 19

4.2推杆的设计及其强度分析 21

4.2.1推杆的设计 21

4.2.2推杆的强度分析 21

第5章结论 23

5.1本文总结 23

5.2未来展望 23

参考文献 25

致谢 26

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

中国大学生方程式大赛是由中国汽车工程协会主办，全国高校参与的一项全国赛事。它是由在校大学生在一年的时间内，自己动手设计制造一辆赛车并参加比赛，极大的提高了大学生的动手能力以及对于知识的灵活运用的能力。从2010年举办以来吸引了众多的高校参与，同时也为中国培养了大批的汽车人才。对于目前国内大学生方程式赛车的发展现状来看，还有很大的发展空间。

每一次的比赛，每辆车要参加四项不同的动态测试。取得优秀的成绩，不仅在于车手的水平，更在于整车的性能。而对于操纵稳定性的最直接的体现就是转向悬架的设计。根据近几年的比赛情况来看国内赛车的设计仍存在着各方面的问题，主要表现在如下几个方面：1.零件设计强度未达到标准，导致比赛过程中出现零件断裂。2.轮胎定位参数不准确，进而影响操纵稳定性。3.悬架和转向对于运动学的优化不够充分，导致在直线加速行驶时，出现摆振的现象。4.因侧倾刚度设计不合理，导致轮胎离地，或者是赛车滑出赛道。5.赛车抗俯仰能力较弱，进而导致前翼蹭地，影响赛车正常行驶。而本文研究的目的就是针对于目前国内赛车在比赛中普遍出现的问题，进而设计出性能优异的悬架系统。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

从方程式赛车到房车比赛，国外在赛车领域的发展领的远远领先于国内。在悬架方面从开始推式的双横臂悬架发展到拉式的双横臂悬架最后再到推式双横臂悬架。也正是赛车领域的进步促进了整个汽车行业的进步

Milliken和William F^[1]所编写的《Race Car Vehicle Dynamics》对于赛车结构进行了充分的讲解，尤其是悬架方面，从轮胎的受力分析到轮胎性能参数的讲解再到四轮定位参数的选择，从导向机构的设计到减震器弹簧的选取，全面的讲解了赛车悬架的设计过程。Pereira J C D C, Silva A O D, Pinho G F^[2]等人研究了一种从双横臂悬架的几何特性开始进行主动悬架设计的方法，利用几何模型的运动状态生成方程来确定每个自由度引起的弹簧变形，最后转换成与控制开发具有相同运动状态的简化模型。利用这种方法实现了新悬架初始参数简化模型和更接近于实际动态模型的快速转换。在汽车运动仿真方面，MDI公司为了更好的进行汽车的动力学的仿真，开发出了adams CAR模块，大大的提高了各大汽车公司进行运动仿真的效率，降低了研发的成本。

1.2.2国内研究现状

由于国内汽车行业的发展相起步比较的晚，对于赛车领域的研究少之又少。但是针对于大学生方程式的研究近几年相对来说比较的火热，并且对于赛车常用的双横臂悬架的研究也取得了不少的进步。

北京理工大学的王建，林海英^[3]等人编著的《大学生方程式设计》一书，详细的讲解了方程式赛车设计基本理论以及设计思路。并且集合国内比较优秀车手的驾驶经验，使其能够从驾驶员的角度来完成转向悬架部分的设计。广汽研究院的叶锦文^[4]等通过对于悬架几何结构的研究发现了确定双横臂悬架侧倾中心的方法，对于后续对于悬架几何及运动学的分析提供了理论的支持。重庆车辆研究院的龚国彬^[5]等利用ADAMS,MATLAB等软件工具，运用运动学和动力学等知识，对于悬架的硬点坐标进行优化仿真，最终获得良好的运动学特性，提高了整车的操纵稳定性。

1.3本文研究内容

针对于目前国内方程式赛车表现出来的问题，本文的设计内容主要有如下三个方面：

（1）根据18赛季WUT车队方程式赛车的设计目标及其整车布置情况，分析不同悬架类型对于整车的影响，最终完成对于悬架结构的选型。并根据整车的布置情况，确定赛车的四轮定位参数，侧倾中心的高度，悬架的刚度和阻尼，完成悬架的各零部件位置的确定。

（2）利用Adams Car模块对设计的悬架进行运动学仿真，并对仿真的结果进行分析对比得到需要进一步优化的目标。在Insight模块中对于所有的硬点坐标进行灵敏度分析，得到对于优化目标影响最大的优化变量，并最终完成硬点坐标的优化。

（3）对于受力情况复杂的零部件形状优化，在追求轻量化的同时，保证零件有足够的强度和刚度。

第2章 FSC赛车悬架类型和基本参数的确定

2.1悬架类型的对比及结构选型

2.1.1 FSC悬架类型的分析对比

在FSC赛事中，主要的悬架形式包括推式双横臂，拉式双横臂以及多连杆结构。目前为止，使用推式双横臂的车队较多，推式双横臂的次之，多连杆结构的最少。具体分析如表2.1。

表2.1 三种悬架结构的优缺点分析

优点

缺点

推式双横臂

1.拆装方便

2.布置简单，调教方便

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