FSAE賽車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、小組成員：許珈旗 杜雅鮮 黃業(yè)興設(shè)計(jì)思路整車主要框架參數(shù)選擇和確定彈性元件和減震器的選擇導(dǎo)向機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)車輪定位參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化推桿使不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立懸架FSC賽車雙橫臂懸架一般有以下兩種設(shè)計(jì)方案，推桿式雙橫臂獨(dú)立懸架與拉桿式雙橫臂獨(dú)立懸架。考慮比賽規(guī)則對(duì)懸架設(shè)計(jì)的要求、裝配、調(diào)試難易程度、可靠性等因素，最終確定賽車前懸架和后懸架均采用推桿使不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立懸架。FSAE FSAE 賽事規(guī)則要求輪輞最小直徑為賽事規(guī)則要求輪輞最小直徑為203.2,mm, 203.2,mm, （8 8 英寸），英寸），輪輞空間的大小直接影響著立柱的設(shè)計(jì)，而立柱的大小有決輪輞空間的大小直接影響著立柱的設(shè)計(jì)，而立

2、柱的大小有決定著上下橫臂的距離，如圖，為定著上下橫臂的距離，如圖，為CATIACATIA中建立的中建立的8 8英寸的輪輞英寸的輪輞模型。模型。輪輞模型輪輞模型FSAE FSAE 賽事規(guī)則要求賽車軸距至少有賽事規(guī)則要求賽車軸距至少有1525mm1525mm（60 60 英寸），英寸），軸距增大將會(huì)使整車質(zhì)量增加，有悖于輕量化原則，故軸距增大將會(huì)使整車質(zhì)量增加，有悖于輕量化原則，故軸距確定過程中，綜合考慮了人機(jī)工程學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)大小軸距確定過程中，綜合考慮了人機(jī)工程學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)大小與布置、輪胎寬度及懸架上下與布置、輪胎寬度及懸架上下A A 臂的安裝空間要求，測(cè)臂的安裝空間要求，測(cè)算確定軸距為算確定軸距為

3、15159 90mm0mm。前后輪距的確定是在軸距已定的。前后輪距的確定是在軸距已定的情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（情況下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（1 1）進(jìn)行初選：）進(jìn)行初選： B =kL B =kL （1 1）式中：式中：BB輪距，輪距，mmmm； L L軸距，軸距，mmmm； k k系數(shù)，取系數(shù)，取 0.550.64 0.550.64。經(jīng)過初步估算，初定的賽車部分技術(shù)參數(shù)。經(jīng)過初步估算，初定的賽車部分技術(shù)參數(shù)。 表表1.1.賽車部分技術(shù)參數(shù)賽車部分技術(shù)參數(shù)側(cè)傾中心側(cè)傾中心側(cè)傾中心高度：前懸架側(cè)傾中心高度：前懸架30mm30mm，后懸架，后懸架60mm60mm。后軸稍高的側(cè)傾中。后軸稍高的側(cè)傾中心有至少倆優(yōu)

4、點(diǎn)，其一是后軸可以使用較軟彈簧，因?yàn)檫@的側(cè)心有至少倆優(yōu)點(diǎn)，其一是后軸可以使用較軟彈簧，因?yàn)檫@的側(cè)傾力矩較小，其二就是保持側(cè)傾軸盡可能平行于賽車主慣性軸。傾力矩較小，其二就是保持側(cè)傾軸盡可能平行于賽車主慣性軸。側(cè)傾中心抗制動(dòng)前俯角抗制動(dòng)前俯角 制動(dòng)抗點(diǎn)頭是指制動(dòng)時(shí)懸架抵抗因縱向載荷轉(zhuǎn)移引起前懸制動(dòng)抗點(diǎn)頭是指制動(dòng)時(shí)懸架抵抗因縱向載荷轉(zhuǎn)移引起前懸架彈簧壓縮變形的能力?？骨案┞视墒郊軓椈蓧嚎s變形的能力?？骨案┞视墒?2-1)(2-1)確定。確定。 （2-12-1）式中式中 前懸架縱傾中心到地面的高度前懸架縱傾中心到地面的高度(mm)(mm)； 制動(dòng)力分配系數(shù)；制動(dòng)力分配系數(shù)； 軸距軸距(mm)(mm)

5、； 前懸架縱傾中心到前軸中心的距離前懸架縱傾中心到前軸中心的距離(mm)(mm)； 質(zhì)心的高度質(zhì)心的高度(mm)(mm)。抗驅(qū)動(dòng)后仰角抗驅(qū)動(dòng)后仰角 抗驅(qū)動(dòng)后仰角可減小后輪驅(qū)動(dòng)汽車車尾的下沉量或前輪驅(qū)抗驅(qū)動(dòng)后仰角可減小后輪驅(qū)動(dòng)汽車車尾的下沉量或前輪驅(qū)動(dòng)汽車車頭的抬高量。與抗制動(dòng)前俯角不同的是，只有當(dāng)汽車為單橋驅(qū)動(dòng)時(shí)，動(dòng)汽車車頭的抬高量。與抗制動(dòng)前俯角不同的是，只有當(dāng)汽車為單橋驅(qū)動(dòng)時(shí)，該性能才起作用。對(duì)于獨(dú)立懸架而言，當(dāng)縱傾中心位置高于驅(qū)動(dòng)橋車輪中心該性能才起作用。對(duì)于獨(dú)立懸架而言，當(dāng)縱傾中心位置高于驅(qū)動(dòng)橋車輪中心時(shí)，這一性能方可實(shí)現(xiàn)。時(shí)，這一性能方可實(shí)現(xiàn)。考慮到車架的加工問題，若上下橫臂軸軸線不

6、平行，車架加工難度會(huì)非?？紤]到車架的加工問題，若上下橫臂軸軸線不平行，車架加工難度會(huì)非常大，所以本次設(shè)計(jì)將上下橫臂軸軸線設(shè)計(jì)成都和地面平行，即縱傾中心在無大，所以本次設(shè)計(jì)將上下橫臂軸軸線設(shè)計(jì)成都和地面平行，即縱傾中心在無限遠(yuǎn)處。限遠(yuǎn)處。%10011hdLed1e1dLh磨胎半徑磨胎半徑和偏頻的選取和偏頻的選取1.1.磨胎半徑磨胎半徑前懸磨胎半徑初定為前懸磨胎半徑初定為 ，后懸的定為，后懸的定為2.2.偏頻偏頻賽車的偏頻范圍一般在賽車的偏頻范圍一般在2.4-3.4Hz2.4-3.4Hz之間偏頻低，懸架軟能更好之間偏頻低，懸架軟能更好的緩和路面沖擊，整車平順性好；偏頻高懸架偏硬，高剛度的緩和路面沖

7、擊，整車平順性好；偏頻高懸架偏硬，高剛度能更好地控制重心，操縱穩(wěn)定性更好對(duì)于賽車出于操控性能能更好地控制重心，操縱穩(wěn)定性更好對(duì)于賽車出于操控性能的考慮采取前高后底。的考慮采取前高后底。最終選取的偏頻為：前懸架最終選取的偏頻為：前懸架3.0Hz3.0Hz，后懸架，后懸架2.8Hz2.8Hz。mmaF5mmaR40懸架剛度的計(jì)算懸架剛度的計(jì)算由總布置給出的整車數(shù)據(jù)，賽車的總質(zhì)量由總布置給出的整車數(shù)據(jù)，賽車的總質(zhì)量220+60=280kg220+60=280kg，軸荷比為，軸荷比為43:5743:57。則前輪單輪簧載質(zhì)量為則前輪單輪簧載質(zhì)量為49.45kg49.45kg，后輪單側(cè)簧載質(zhì)量為，后輪單側(cè)

8、簧載質(zhì)量為65.55kg65.55kg。前輪一側(cè)乘適剛度：前輪一側(cè)乘適剛度：后輪一側(cè)乘適剛度：后輪一側(cè)乘適剛度：車輪處?kù)o撓度：車輪處?kù)o撓度： 前輪前輪 后輪后輪22RFFFK4 fm17.22N/mm22RRK4 fm19.88N/mmRRsFFRFdm g/K27.62mmsRRRdmg/K31.85mm三三. .彈性元件和減振器的選擇與計(jì)算彈性元件和減振器的選擇與計(jì)算彈性元件：彈性元件：而其配套的彈簧可供選用的分別有：而其配套的彈簧可供選用的分別有：300LBS/in300LBS/in、350LBS/in350LBS/in、400LBS/in400LBS/in、450LBS/in450LB

9、S/in剛度。經(jīng)過計(jì)算，我們選擇前彈簧剛剛度。經(jīng)過計(jì)算，我們選擇前彈簧剛度為度為350LBS/in350LBS/in。減振器：減振器：經(jīng)過計(jì)算與分析，最終確定本輛賽車選用直徑經(jīng)過計(jì)算與分析，最終確定本輛賽車選用直徑D=20mmD=20mm的充氣的充氣式減振器，這種減振器的優(yōu)點(diǎn)是在不利于車輛連續(xù)行駛的路式減振器，這種減振器的優(yōu)點(diǎn)是在不利于車輛連續(xù)行駛的路面上行駛時(shí)，能夠體現(xiàn)出更加優(yōu)良的阻尼力，是有著十分出面上行駛時(shí)，能夠體現(xiàn)出更加優(yōu)良的阻尼力，是有著十分出色的工作的持續(xù)性和高速特性。色的工作的持續(xù)性和高速特性。前后懸架立柱考慮到賽車上立柱需連接懸架、輪轂軸承和制動(dòng)器卡鉗，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)具備3

10、個(gè)方面：輪轂軸承安裝位及螺栓安裝孔； 懸架球頭銷的安裝形式及安裝位；制動(dòng)卡鉗的安裝位及安裝孔。滿足這3 個(gè)方面后，方可自由設(shè)計(jì)其形狀和連接件。但前懸架立柱還需特別考慮轉(zhuǎn)向梯形臂的連接， 設(shè)計(jì)的前后懸架立柱三維模型，如圖所示。后立柱建模前立柱建模橫臂的設(shè)計(jì)橫臂的設(shè)計(jì)上、下橫臂長(zhǎng)度的確定上、下橫臂長(zhǎng)度的確定為便于布置發(fā)動(dòng)機(jī)，雙橫臂式獨(dú)立懸架一般設(shè)計(jì)為上橫臂短為便于布置發(fā)動(dòng)機(jī)，雙橫臂式獨(dú)立懸架一般設(shè)計(jì)為上橫臂短和下橫臂長(zhǎng)，考慮到不等長(zhǎng)臂對(duì)輪胎跳動(dòng)的影響，和下橫臂長(zhǎng)，考慮到不等長(zhǎng)臂對(duì)輪胎跳動(dòng)的影響， 希望輪距希望輪距變化要小一些，以減小輪胎的磨損程度，提高使用壽命，因變化要小一些，以減小輪胎的磨損程度

11、，提高使用壽命，因此一般選擇上下橫臂長(zhǎng)度的比值在此一般選擇上下橫臂長(zhǎng)度的比值在0.670.67左右。本設(shè)計(jì)的上下左右。本設(shè)計(jì)的上下橫臂比值分別為橫臂比值分別為0.870.87和和0.860.86。因此我們初選前懸上橫臂長(zhǎng)為因此我們初選前懸上橫臂長(zhǎng)為277mm277mm，下橫臂長(zhǎng)為，下橫臂長(zhǎng)為344mm344mm，同，同理后懸上下橫臂長(zhǎng)分別為理后懸上下橫臂長(zhǎng)分別為266mm266mm，315mm.315mm.橫臂建模懸架吊耳的設(shè)計(jì)懸架吊耳的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)懸架吊耳的時(shí)候主要考慮三個(gè)方面，首先吊耳的強(qiáng)度要滿足設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)懸架吊耳的時(shí)候主要考慮三個(gè)方面，首先吊耳的強(qiáng)度要滿足設(shè)計(jì)要求，其次要注重輕量化的優(yōu)化設(shè)

12、計(jì)，另外設(shè)計(jì)的吊耳要有足夠的空間要求，其次要注重輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，另外設(shè)計(jì)的吊耳要有足夠的空間保證懸架在運(yùn)動(dòng)過程中，桿端軸承與向心軸承不與吊耳發(fā)生干涉的現(xiàn)象。保證懸架在運(yùn)動(dòng)過程中，桿端軸承與向心軸承不與吊耳發(fā)生干涉的現(xiàn)象。在材料的選擇上與車架焊接連接的吊耳采用的是在材料的選擇上與車架焊接連接的吊耳采用的是4545號(hào)鋼，與立柱連接的號(hào)鋼，與立柱連接的吊耳采用的是吊耳采用的是70757075鋁。鋁。單片吊耳 整體式吊耳減震器吊耳搖臂吊耳四四. .車輪定位參數(shù)車輪定位參數(shù)的確定和優(yōu)化的確定和優(yōu)化1. 1. 車輪外傾角車輪外傾角由于賽車經(jīng)常需要快速轉(zhuǎn)彎，希望能夠最好的發(fā)揮輪胎性能，使其在轉(zhuǎn)彎由于賽車經(jīng)

13、常需要快速轉(zhuǎn)彎，希望能夠最好的發(fā)揮輪胎性能，使其在轉(zhuǎn)彎的過程中，最大的提供側(cè)向力，所以賽車設(shè)計(jì)常把它設(shè)置為負(fù)角度，從而最的過程中，最大的提供側(cè)向力，所以賽車設(shè)計(jì)常把它設(shè)置為負(fù)角度，從而最大程度利用輪胎的附著能力，并且希望隨輪跳變化盡量小。在常見的車輪跳大程度利用輪胎的附著能力，并且希望隨輪跳變化盡量小。在常見的車輪跳動(dòng)范圍內(nèi)，其變化量一般控制在動(dòng)范圍內(nèi)，其變化量一般控制在1 1以內(nèi)。以內(nèi)。車輪行程在車輪行程在-303 30mm，車輪的外傾角懸架模型車輪外傾角變化，車輪的外傾角懸架模型車輪外傾角變化范圍為范圍為-0.855- 1.372，變化較小，這將減小輪胎側(cè)向滑移，提，變化較小，這將減小輪胎

14、側(cè)向滑移，提高汽車的操縱穩(wěn)定性，符合設(shè)計(jì)要求。高汽車的操縱穩(wěn)定性，符合設(shè)計(jì)要求。2.2.車輪前束角車輪前束角前輪前束角必須和前輪外傾角相匹配，前輪外傾角越大，前束角就越大。前前輪前束角必須和前輪外傾角相匹配，前輪外傾角越大，前束角就越大。前輪外傾角減小了，甚至為負(fù)值，相應(yīng)地前輪前束角也應(yīng)減小甚至為負(fù)值。在輪外傾角減小了，甚至為負(fù)值，相應(yīng)地前輪前束角也應(yīng)減小甚至為負(fù)值。在汽車的設(shè)計(jì)過程中，如果前束角設(shè)置的合理，可使前束角引起的側(cè)向力與車汽車的設(shè)計(jì)過程中，如果前束角設(shè)置的合理，可使前束角引起的側(cè)向力與車輪外傾引起的外傾推力相互抵消，從而會(huì)大大的降低輪胎的磨損以及汽車動(dòng)輪外傾引起的外傾推力相互抵消，

15、從而會(huì)大大的降低輪胎的磨損以及汽車動(dòng)力的消耗。力的消耗。車輪前束角隨車輪上下跳動(dòng)時(shí)的變化曲線如所示車輪前束角隨車輪上下跳動(dòng)時(shí)的變化曲線如所示前束角變化范圍較理想為：車輪上跳時(shí)前束角變化范圍較理想為：車輪上跳時(shí), ,正前束正前束0.320.32/50mm/50mm。仿真結(jié)果前束。仿真結(jié)果前束角的變化范圍為角的變化范圍為0.210.21/30mm/30mm，即，即-0.525-0.525- -0.328- -0.328/30mm/30mm，變化較小，這，變化較小，這將減小輪胎側(cè)向滑移，提高汽車的操縱穩(wěn)定性，從而符合設(shè)計(jì)要求將減小輪胎側(cè)向滑移，提高汽車的操縱穩(wěn)定性，從而符合設(shè)計(jì)要求。車輪跳動(dòng)車輪前束

16、角3 3 主銷后傾角主銷后傾角主銷后傾角的設(shè)計(jì)應(yīng)保證汽車具有適當(dāng)?shù)幕卣?，其穩(wěn)定主銷后傾角的設(shè)計(jì)應(yīng)保證汽車具有適當(dāng)?shù)幕卣?，其穩(wěn)定效應(yīng)是通過前輪轉(zhuǎn)向時(shí)憑借路面對(duì)輪胎的側(cè)向反力來實(shí)現(xiàn)的。效應(yīng)是通過前輪轉(zhuǎn)向時(shí)憑借路面對(duì)輪胎的側(cè)向反力來實(shí)現(xiàn)的。主銷后傾角隨車輪上下跳動(dòng)時(shí)的變化曲線如所示主銷后傾角隨車輪上下跳動(dòng)時(shí)的變化曲線如所示。主銷后傾角車輪跳動(dòng)4.4.主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角能使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，從理論上講主銷內(nèi)傾角越大，汽車的轉(zhuǎn)向輪和整能使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，從理論上講主銷內(nèi)傾角越大，汽車的轉(zhuǎn)向輪和整個(gè)汽車的前半部分抬得越高，轉(zhuǎn)向輪的回正力矩就越強(qiáng)，因此汽車急轉(zhuǎn)個(gè)汽車的前半部分抬得越高，轉(zhuǎn)向輪的回正力矩就越強(qiáng)，因此汽車急轉(zhuǎn)彎后，松開方向盤，車輪就能自動(dòng)回正，主銷內(nèi)傾角還能使轉(zhuǎn)向輕便。彎后，松開方向盤，車輪就能自動(dòng)回正，主銷內(nèi)傾角還能使轉(zhuǎn)向輕便。一般主銷內(nèi)傾角的設(shè)置不大于一般主銷內(nèi)傾角的設(shè)置不大于8 8