大學(xué)生方程式賽車懸架設(shè)計(jì)

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附件附件C:譯文大學(xué)生方程式賽車懸架設(shè)計(jì)大學(xué)生方程式賽車懸架設(shè)計(jì)加布里埃爾德波拉愛(ài)德華多圣保羅大學(xué)摘要獨(dú)立完成一次大學(xué)生方程式賽車的懸架設(shè)計(jì)。首先分析賽規(guī)，通常，賽規(guī)會(huì)對(duì)懸架的最小行程和軸距作出限制，并且給出本次設(shè)計(jì) 所要達(dá)成的最終目的，除此之外還會(huì)評(píng)判出得分最高的一個(gè)團(tuán)隊(duì)。本 文會(huì)討論到輪胎的運(yùn)動(dòng)，并詳細(xì)分析前后懸架的拉桿不等長(zhǎng)的擺臂。 維度論是基于CAD的尺寸限制發(fā)展出來(lái)的。在總的力與時(shí)間的圖上分 析了暫態(tài)穩(wěn)定、控制和操縱性能。在分析運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)時(shí)創(chuàng)建了多 體模型。該模型能模仿側(cè)翻，駕駛和操縱并且能進(jìn)行幾何調(diào)整，使得 彈簧和阻尼器實(shí)現(xiàn)其性能。刖言美國(guó)汽車工

2、程師學(xué)會(huì)舉辦的大學(xué)生方程式汽車大賽激勵(lì)學(xué)生 們?nèi)ピO(shè)計(jì)、制作一個(gè)小的方程式風(fēng)格的賽車，并參加比賽。競(jìng)爭(zhēng)的基 礎(chǔ)是假設(shè)一個(gè)公司集合了一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)來(lái)制造一個(gè)小的方程式賽 車。第一步是分析賽事規(guī)則，賽規(guī)限制懸架系統(tǒng)的最小輪距為 50mm , 軸距大于1524mm。FSAE懸架工作在一個(gè)狹窄的車輛動(dòng)力學(xué)范圍， 這是由于賽道尺寸決定的有限過(guò)彎速度，140公里每小時(shí)為最高速度和 60公里每小時(shí)為轉(zhuǎn)彎最高速度。比賽的動(dòng)態(tài)部分包括15.25m的直徑防滑墊，91.44m的加速項(xiàng)目，0.8km的越野賽，44km耐力賽。設(shè)計(jì)目標(biāo)已經(jīng)給定并且會(huì)評(píng)判出得分最高的十個(gè)團(tuán)隊(duì)。懸架系統(tǒng)的幾何部分集中在一些懸架設(shè)計(jì)理念和亮點(diǎn)的

3、基本領(lǐng)域。因此，F(xiàn)SAE懸架設(shè)計(jì)應(yīng)該集中在競(jìng)賽的限制因素方面。例如，車輛輪距寬度和軸距是決定汽車操縱性設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素。這兩個(gè)尺寸不 僅影響重量傳遞還影響轉(zhuǎn)彎半徑。設(shè)計(jì)目標(biāo)是首先滿足賽則，其次降 低系統(tǒng)重量，創(chuàng)造最大的機(jī)械抓地力，提供快速響應(yīng)，準(zhǔn)確的傳輸驅(qū) 動(dòng)程序的反饋，并能調(diào)節(jié)平衡。輪胎和車輪懸架設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了“由外而內(nèi)”的方法，先選擇滿足賽 車要求的輪胎，然后設(shè)計(jì)懸架以適應(yīng)輪胎參數(shù)。短的比賽時(shí)間和低速 的比賽項(xiàng)目都要求輪胎快速達(dá)到其工作溫度。輪胎對(duì)于車輛操縱性很 重要，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)充分地調(diào)查輪胎尺寸及可用的化合物材料。輪胎 的尺寸在這一階段的設(shè)計(jì)中很重要， 因?yàn)樵诖_定懸架的幾何結(jié)構(gòu)

4、之前， 輪胎的尺寸必須已知。例如，一個(gè)給定了車輪直徑的輪胎高度決定， 如果輪胎內(nèi)部被組裝起來(lái)了，下球接頭應(yīng)當(dāng)離地面多近。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)意識(shí)到提供對(duì)于給定車輪直徑的輪胎尺寸的數(shù)量是 有限的。因此，考慮到輪胎對(duì)于汽車操縱性的重要性，選擇輪胎的過(guò) 程應(yīng)當(dāng)有條不紊。由于輪胎在地面上的部分對(duì)抓地力有很大的影響， 有時(shí)希望使用寬的輪胎，增加牽引力。然而，切記寬的輪胎使回轉(zhuǎn)質(zhì) 量增加，而這又使FSAE發(fā)動(dòng)機(jī)的加速受到限制。相比較使用寬輪胎而引起的牽引力的增加， 這些增加的回轉(zhuǎn)質(zhì) 量也許會(huì)對(duì)整車的性能產(chǎn)生更大的損害。寬輪胎不僅增大質(zhì)量，而且 使受熱的橡膠數(shù)量增加。因此比賽用的輪胎必須設(shè)計(jì)成在某一特定的 溫度范圍內(nèi)

5、最有效地工作。這些添加的材料可以防止輪胎超出最佳溫 度范圍。在選擇輪胎的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者必須考慮到輪胎如何影響整個(gè) 系統(tǒng)的性能。例如， FSAE 賽事的天氣狀況也許決定了競(jìng)賽中應(yīng)當(dāng)選 用哪種輪胎混合料和輪胎尺寸。選用的輪胎其工作溫度從48 C提高到60C。如果在比賽過(guò)程中，天氣預(yù)測(cè)是晴朗暖和，參賽團(tuán)隊(duì)將會(huì)選用 較硬的混合料根據(jù)圖 2應(yīng)當(dāng)選用型號(hào)為 R25A 的混合料。 對(duì)紅外輻射敏 感的 輪胎的溫度和兩軸加速度數(shù)據(jù)記錄表明所選用的混合料能最好 地實(shí)現(xiàn)輪胎的目標(biāo)。這也是非常標(biāo)準(zhǔn)的，是最輕松的公路賽的輪胎測(cè) 試，并有最小的質(zhì)量慣性矩。一旦已選定要用的輪胎尺寸，下一步應(yīng)該選擇車輪。通常，車 輪尺寸是固

6、定值且允許有微量的修正。因此，在買車輪之前，心里有 一些設(shè)計(jì)目標(biāo)是很重要的。一般而言，懸架支柱、制動(dòng)鉗和轉(zhuǎn)子安裝 在車輪內(nèi)，這就要求輪間隙補(bǔ)償。如果車輪輪廓已知，通常懸架的幾 何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單些。例如，球形接頭的位置被限制在由車輪輪廓 所限定的區(qū)域。在選擇車輪時(shí)其他需要考慮的因素包括:成本、實(shí)用性、螺 栓圈和重量。例如，三片式輪圈，盡管昂貴，但在提供補(bǔ)償和可以在 設(shè)計(jì)過(guò)程中改變的剖面圖時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。選中的四個(gè)車輪的尺寸都 是 613。選擇車輪時(shí)允許輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，降低了成本并增大輪胎尺寸、混 合料和制造商的選擇范圍。概念和維度方法像前懸架一樣在后懸架中采用帶有推桿的雙 A 形擺臂 和 連桿 。其

7、調(diào)整的目的是使競(jìng)賽的每個(gè)項(xiàng)目都得到提高。在設(shè)計(jì)的開(kāi) 始階段，一些尺寸如:軸距，重心位置，車輪和輪胎尺寸，已經(jīng)在標(biāo) 準(zhǔn)的基礎(chǔ)上選定并且在模型中評(píng)估（仿真） 。履帶寬度是左右輪中心線之間的距離。這個(gè)尺寸對(duì)于轉(zhuǎn)彎很重 要，因?yàn)樗艿窒谥亓Γ?CG ）和輪胎橫向力中心的慣性力產(chǎn)生的傾 覆力矩。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，履帶寬度很重要，因?yàn)樗且环N影響橫向 重量轉(zhuǎn)移的因素。并且，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)知道履帶寬度的確定應(yīng)當(dāng)在懸架 幾何結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析之前。選擇履帶寬度時(shí)，前后懸架的 履帶寬度沒(méi)必要保持一樣。例如，后輪驅(qū)動(dòng)賽車上前懸架的履帶寬度 一般要寬一些。這個(gè)設(shè)計(jì)理念是通過(guò)減少車身側(cè)傾的相對(duì)于所述前輪 胎的后輪反

8、抗量， 增加后懸架轉(zhuǎn)彎時(shí)的牽引力。 基于轉(zhuǎn)角速度和 FSAE 汽車的馬力與重量比，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮這個(gè)理念。? 軸距也需要確定。 軸距定義為前后軸中心線之間的距離。 它也 影響重量轉(zhuǎn)移，但是在縱向方向上。除了抗點(diǎn)頭和抗后坐性，相 對(duì)于重心位置的軸距對(duì)懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能并沒(méi)有很大影響。然而，軸距應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段確定，因?yàn)檩S距對(duì)部件的 組裝有很大的影響。較短的軸距帶來(lái)更快的系統(tǒng)響應(yīng)，部分程度上是 由于減小了橫擺慣性矩和輪胎瞬態(tài)效應(yīng)。這種快速反應(yīng)在狹窄的賽道 上很重要。以履帶寬度和軸距為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)師應(yīng)該研究競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的 賽車尺寸來(lái)作為自己的計(jì)算基準(zhǔn)。參賽隊(duì)伍的 FSAE 說(shuō)明書(shū)，包括履 C5重

9、慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附件附件C:譯文帶寬度和軸距，可以在 SAE 發(fā)布的活動(dòng)項(xiàng)目中找到。 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以為懸掛系統(tǒng)設(shè)置一些所需的參數(shù)。這些參 數(shù)通常包括外傾角增益、側(cè)傾中心的位置和主銷偏距。這些參數(shù)的選 擇應(yīng)基于車輛預(yù)期如何執(zhí)行。通過(guò)在一個(gè)角落里觀察汽車的姿勢(shì)，懸 架系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成保持盡可能多的輪胎與地面接觸。例如，在試車場(chǎng) 上車身的側(cè)傾和懸架行程在一定程度上確定外傾角增益為多少時(shí)能達(dá) 到最佳的轉(zhuǎn)彎效果。底盤(pán)卷的數(shù)量可以由側(cè)傾剛度來(lái)決定，而懸架行 程量是重量轉(zhuǎn)移和車輪速率的函數(shù)。一旦這些基本參數(shù)確定了，懸架系統(tǒng)就必須進(jìn)行建模以獲得 所需的效果。開(kāi)始建模之前，球形接頭的

10、位置、內(nèi)部控制臂樞軸點(diǎn)和 履帶寬度必須是已知的。建立幾何模型的最簡(jiǎn)單的方法是使用一個(gè)運(yùn) 動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)程序，因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)程序上為快速檢查某點(diǎn)對(duì) 幾何體結(jié)構(gòu)的影響，點(diǎn)的位置可以很容易地修改。沒(méi)必要使用專門(mén)的 運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算機(jī)軟件， 當(dāng)只需簡(jiǎn)單地重繪懸架的點(diǎn)移動(dòng)時(shí)可以使用 CAD 軟件。當(dāng)設(shè)計(jì)懸架的幾何結(jié)構(gòu)時(shí)，切記設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，而折 衷是不可避免的。在 CAD 模型中進(jìn)行分析的參數(shù)有側(cè)傾中心、懸架擺臂尺寸、 主銷偏距、抗后坐、抗點(diǎn)頭和后傾角、外傾角和主銷角度。選擇第一 組數(shù)據(jù)，它是 MBS( ADAMS/Car )中的最優(yōu)結(jié)果。車輪的平行位移、 反方向的位移、底盤(pán)滾動(dòng) ; 轉(zhuǎn)向和靜態(tài)載荷

11、仿真已完成。例如，由于組裝的制約理想的主銷偏距幾乎不可能得到。所 以在建立懸架模型時(shí)，設(shè)計(jì)師不應(yīng)該不考慮后果就盲目的修改模型上 的點(diǎn)。例如，當(dāng)下 A 形臂比上 A 形臂長(zhǎng)四倍時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)觀察車輪是 如何相對(duì)于底盤(pán)外傾的。有一種方法可以觀察到這種結(jié)果，即車輪相 對(duì)底盤(pán)的瞬時(shí)中心位置。另一種方法是使用球形接頭圓周相對(duì)于底盤(pán) 的圓弧。有關(guān)確定由瞬心位置決定的懸架點(diǎn)位置的完整說(shuō)明，請(qǐng)參閱 米利肯。主銷偏距、主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角。主銷偏距或主銷偏移距是車輪的中心線與由球窩接頭或者轉(zhuǎn) 向軸所定義的線和地平面的交點(diǎn)之間的距離。當(dāng)轉(zhuǎn)向軸與地面相交并 位于車輪中心線的內(nèi)側(cè)時(shí)，定義主銷偏距為正。主銷偏距量應(yīng)盡量

12、小， 因?yàn)樗赡軙?huì)導(dǎo)致過(guò)多的轉(zhuǎn)向力。然而，少量的正主銷偏距量也是可 取的，因?yàn)樗鼤?huì)通過(guò)方向盤(pán)為駕駛員提供反饋。主銷內(nèi)傾角（ KPI ）是從車輛的前面看轉(zhuǎn)向軸和車輪中心線之 間的角度。如果接近車輪中心線的球窩接頭的組裝行不通，為減小主 銷偏距， KPI 可以摻入到懸架設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向軸，主銷偏距會(huì)隨 KPI 的加入而減小， 這樣轉(zhuǎn)向軸與地平面的交點(diǎn)會(huì)更靠近車輪中心線。 KPI 取值的缺點(diǎn)是在外側(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外傾角必定會(huì)拉動(dòng)部分輪胎脫 離地面。但是，靜態(tài)外傾角或正后傾角可用于抵消 KPI 所引起的正外 傾角增益。后傾角是從汽車的側(cè)面觀察時(shí)轉(zhuǎn)向軸的角度， 且當(dāng)轉(zhuǎn)向軸朝 向車輛的后方傾斜時(shí)，定義后傾

13、角為正。當(dāng)后傾角為正，拐角處的外 側(cè)車輪將會(huì)產(chǎn)生負(fù)的外傾角，從而幫助抵消 KPI 和車身側(cè)傾引起的正 外傾角。當(dāng)車輪繞轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，后傾角也會(huì)引起車輪的升降，而這會(huì)引起對(duì) 角式穿過(guò)底盤(pán)的重量轉(zhuǎn)移。主銷后傾角也是有益的，因?yàn)樗鼤?huì)為駕駛 員提供有關(guān)回轉(zhuǎn)力的反饋。 懸架設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇了 9.5mm 的主銷偏距、 7的 KPI 及 4后傾角。 這種設(shè)計(jì)要求球窩接頭放置在靠近車輪中心 線的位置，這需要在實(shí)體建模程序中進(jìn)行大量的余隙檢查。必須定義 A 形臂安裝點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)。 下 A 形臂的安裝點(diǎn)大部 分是由于組裝的需要而產(chǎn)生的，至于外部的安裝點(diǎn)必須低至車輪允許 的高度且寬度在履帶寬度和結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)向

14、軸必須定義成能 夠放置外部上方的安裝點(diǎn)。分析安裝點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)向角、后傾角、 KPI 和主 銷偏距的影響后，結(jié)果表明，對(duì)于典型的轉(zhuǎn)向角， 4的后傾角大致能 產(chǎn)生最佳的前輪外傾。組裝時(shí) KPI 將保持為最小值，因?yàn)樗鼘?duì)前輪外 傾有不良的影響，且主銷偏距將增大以提高一個(gè)輪鎖死的情況下駕駛 員的反饋和減少在狹窄彎道上轉(zhuǎn)向不足的時(shí)間。一旦基本參數(shù)都已確定， 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就可以開(kāi)始 了。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括車輪相對(duì)于底盤(pán)和底盤(pán)相對(duì)于地面的兩組瞬時(shí)中 心分析。 標(biāo)記為 IC 的點(diǎn)是車輪相對(duì)于底盤(pán)的瞬心。 滾動(dòng)中心是底盤(pán)相 對(duì)于地面旋轉(zhuǎn)的點(diǎn)。前后旋轉(zhuǎn)中心限定一條軸線，底盤(pán)在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中 將圍繞該軸線旋轉(zhuǎn)。由于大多數(shù)賽車

15、的重心位于該軸線上方，所以轉(zhuǎn) 彎時(shí)的慣性力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)側(cè)傾中心的扭矩。該轉(zhuǎn)矩將導(dǎo)致底盤(pán)朝向 拐角的外側(cè)旋轉(zhuǎn)。理想情況下，底盤(pán)側(cè)傾量會(huì)很小，因此所使用的彈 簧和防側(cè)傾桿是低剛度的構(gòu)件能增加輪胎的柔度。然而，對(duì)于一個(gè)小 側(cè)翻力矩，重心必須靠近側(cè)翻軸線。這樣布置方法將表明側(cè)傾中心必 須高于重心。不幸的是，如側(cè)傾中心在地平面的任意位置的上方或下 方，轉(zhuǎn)彎時(shí)，底盤(pán)上將會(huì)作用一個(gè)“頂升”的力。例如，如果側(cè)傾中 心是在地面以上，此“頂升”力使懸架相對(duì)于底盤(pán)向下運(yùn)動(dòng)。懸架下垂通常是不希望出現(xiàn)的情況，就懸架設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，懸架下 垂導(dǎo)致正外傾角，使輪胎與地面接觸的部分減少。相反，如果側(cè)傾中 心位于地平面的下方，當(dāng)輪胎

16、被施加側(cè)向力時(shí)，懸架會(huì)產(chǎn)生連續(xù)撞擊 或相對(duì)于底盤(pán)向上運(yùn)動(dòng)。因此，靠近地平面的側(cè)傾中心會(huì)更加適合， 這樣可以減少側(cè)向力引起的底盤(pán)垂直移動(dòng)量。由于側(cè)傾中心是一個(gè)瞬 時(shí)中心，切記側(cè)傾中心將會(huì)隨懸架行程而移動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須 檢查側(cè)傾中心的移動(dòng)，為了得到預(yù)期的操縱性能， “頂升”力和側(cè)翻力 矩遵循一個(gè)相對(duì)線性的路徑。例如，如果側(cè)傾中心轉(zhuǎn)彎過(guò)程中總是穿 過(guò)地平面，那么車輪將相對(duì)于底盤(pán)向上或向下運(yùn)動(dòng)，這可能會(huì)前后不 一致的操縱性能。前輪的側(cè)傾中心低于地平面 35.6mm,后輪的側(cè)傾中 心高于地平面 35.6mm。由于較大的側(cè)翻力矩， 小組應(yīng)為懸架設(shè)計(jì)足夠的外傾角增益， 以彌補(bǔ)軟彈簧和無(wú)防側(cè)傾桿引起的車

17、身側(cè)傾。外傾角是車輪平面從垂 直方向觀察的角度，當(dāng)車輪頂部?jī)A斜地朝向車輛中心線，外傾角定義 為負(fù)。調(diào)整球窩接頭位置可以使轉(zhuǎn)向軸從垂直位置傾斜，最終能夠調(diào) 節(jié)車輛外傾。因?yàn)檩喬ヅc地面接觸部分的大小受到外傾角的影響，外 傾角應(yīng)該是容易調(diào)節(jié)的，以使懸架在最大轉(zhuǎn)彎處可以調(diào)整。例如，在 耐力賽項(xiàng)目中，小的試車場(chǎng)所需要的外傾角的量可能與其它的彎道不 盡相同。輪胎可以產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)彎力會(huì)在一些負(fù)外傾角下得以實(shí)現(xiàn)。然而，當(dāng)車輪通過(guò)懸架行程而移動(dòng)和車輪繞轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，外 傾角是可以改變的。由于這一變化，懸架系統(tǒng)必須抵消或補(bǔ)足底盤(pán)和 車輪的運(yùn)動(dòng)引起的外傾角變化，以便產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)彎力。對(duì)于車輪垂直 運(yùn)動(dòng)，外傾量的補(bǔ)償或

18、增益是由控制臂結(jié)構(gòu)決定的。外傾增益通常是 由于具有不等長(zhǎng)上下控制臂而獲得。不等長(zhǎng)控制臂將導(dǎo)致球形接頭相 對(duì)底盤(pán)的不同弧線移動(dòng)。 控制臂相對(duì)于彼此的角度也影響外傾增益量。 因?yàn)橥鈨A增益是連桿幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)， 對(duì)于下垂和連續(xù)撞擊兩種情況， 增益量并不一定要保持一致。例如，懸架設(shè)計(jì)可能需要每下垂 25mm 車輪外傾增加 1，每 撞擊 25mm 車輪外傾減小 2。靜態(tài)的車輪外傾可以增加以補(bǔ)償車身 側(cè)翻；但是，所增加的車輪外傾可能有損于操縱性的其他方面。例如， 過(guò)多的靜態(tài)車輪外傾可以減少輪胎與地面接觸部分，從而影響直線制 動(dòng)和加速。同樣，懸架行程中過(guò)多的外傾增益會(huì)導(dǎo)致部分輪胎與地面 接觸不良。車輪轉(zhuǎn)向時(shí)，主銷后傾角也增加了整車的外傾增益。對(duì)于 正的后傾角，轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)車輪會(huì)產(chǎn)生負(fù)的外傾角，而內(nèi)側(cè)車輪會(huì)產(chǎn)生 正的外傾角。如果輪子只轉(zhuǎn)了很小的角度，由車輪后傾引起的外傾增 益量是最小的。當(dāng)側(cè)傾力矩大而車輪速度低時(shí)，要求懸架補(bǔ)償?shù)妆P(pán)側(cè) 翻和懸架行程引起的正外傾角。外傾收益來(lái)自主銷后傾角和控制臂結(jié) 構(gòu)?？偨Y(jié)考慮到開(kāi)發(fā)方法學(xué)，模型可以作為競(jìng)賽方案。標(biāo)準(zhǔn)是必不可