方程式赛车悬架设计

AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计
方程式赛车悬架设计
刘慧　任峰　李龙海
长春师范大学工程学院　吉林省长春市　130032　
摘 要： 为了实现驾驶的安全性以及舒适性，缓解车身冲击，提高车辆使用利用率，针对大学生方程式赛车（简称FSAE大赛）规则，设计可以符合大赛的规则，实现整体轻量化的双横臂悬架不容忽视。

首先，通过整车参数确定所用数据是否符合车辆驾驶，再根据公式确定具体数值，其次运用CATIA软件对所设计的零件进行三维建模，立体分析；在ANSYS中进行有限元的悬架零件进行调试分析，最后对于优化后的悬架对实车进行验证。

关键词：大学生方程式赛车；双横臂悬架；CATIA三维建模；ANSYS分析
1　引言
双横臂独立悬架具有出色的运动特性，因为上臂的高度低，有利于降低车头的高度，从而达到改进车身的目的。

因此，这种悬架具有很好的安全性舒适性，所以本文的研究成果将为悬架的设计提供些许帮助。

2　整车参数
我们需要对赛车的速度，驾驶，刹车制动，耐久性在比赛过程中进行测试优化[1]。

得到符合本次赛车的使用数据，赛车在转向过程中，如若速度过快，则会发生侧翻现象，对车手造成一定的伤害，因此，我通过对悬架进行增加加速度的方式设计。

以求达到防止侧翻的目的[2]。

根据赛道情况和比赛规则等因素，整车参数为：整车质量=260kg，整车宽度=1540mm，最小转弯半径R=3500mm，轴距L=1650mm，主销距K=1190mm，前轮距=1220mm左右，后轮距=1180mm。

根据以上参数则可通过公式R=L/sin（β）计算出赛车外轮理想最大转角约为28.1°。

3　悬架所需参数的选定
车辆的稳态响应是在悬架线刚度（前、后轮菏计算所得到的）[3]受其侧倾角大小影响。

其中悬架偏频，在没有阻尼的情况下簧上质
量的固有频率[4]。

侧倾增益：车架在赛车的侧
倾加速度是1的前提下转过的角度。

从上述
内容中，总结得到的主要参数为：前/后悬
架线刚度：20.09/14，74；前/后悬架侧倾
角刚度：934/765；前/后悬架偏频：2.8/3.3；
侧倾增益：-3。

4　悬架导向机构设定
悬架的导向机构是：悬架系统中传递力、
力矩的，车轮在一定规律下对车身的运动的
一种构件[5]。

悬架的动力学特性主要体现在车
桥的摆振和纵向性能分析上，这些都是悬架
导向机构的设计内容。

赛车可以实现自发回
正的基础是：转向性、稳定性[6]。

车轮定位参数，
如表1示：
有横向加速度时，离心力在质心位置时
侧倾中心转化，产生让车侧倾的力矩，侧倾
中心与质心在一个点时车辆会保持平稳，从
而可以尽可能的减缓车手压力[7]侧倾中心（通
过CATIA三维软件的虚拟约束来设置侧倾中
心高度得到的）由图1所示，其公式为：
h
w
=
B h p
2kcosβ+dtanθ+α[1]
其中k=c×
sin（90°+θ-α）
sin(α+β)
，h
p
=ksinβ+d
（β是悬架下横臂与水平面的夹角）
图1　侧倾中心几何图
纵倾中心是车辆进行加速、减速或者制
动时，车身围绕旋转的中心线，可以近似看
作与地面是近似平行的[8]。

表1
102AUTO TIME
AUTO TIME
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时代汽车
5　悬架前摇臂、前立柱
CATIA 视野中，可以进行各个零件的装配，组装以及调整，十分简约方便快捷，是我们工科里十分重要的一个软件。

悬架分布于前后两个部位并各有一对，且有不等长的横叉杆连接[9]，如图2所示分布于前后两个部位并各有一对。

图2　悬架系统装配模型
计算摇臂的连接孔的受力， 是通过ANSYA 来分析出位置所受到的应力得到的。

为使车辆尽可能的轻量化，我们需要对零件进行材料的选择。

运用ANSYSY 有限元对立柱的模型、耳片的模型进行强度校核。

图3为上述受力分析图，可知：最大应力是168.17Mpa，最大应变力是0.002345，选择的铝材是正确的。

图3　受力分析
6　实车验证
基于上述设计对实车进行验证，在冬天零下二十度的天气下由我队车手亲自驾驶赛
车进行了速度测试，转弯测试，以及灵敏性
的测试；同时，我们还为此设置了路障，就是为了研究我队赛车的悬架系统是否可以稳定工作，是否会出现损坏的现象，是否会因天气寒冷而出现断折的现象。

图4，5就是我们进行实车验证的图片，赛车手在车中熟练的驾驶赛车，以确保赛车的整体安全性以及操纵杆稳定性。

最后经由实车验证，车手在行驶过程中，没有出现不安全的现象，因此是一次成功的验证。

7　结语
悬架作为整车的一个不可小觑的组成部分，其中对于双横臂式悬架的设计极其复杂，
图4
图5
在设计时需要将部分因素趋近于理想化，本次设计主要以CATIA 软件作为工具，建立三维实体装配的模型，以ANSYS 有限元部分零件进行强度校核分析，得到的符合所需的材料，从而对材料的利用率有所提高以及增加了车体轻量化的目的，最终通过完成悬架设计而实现整车设计。

从而为赛车的驾驶提供更高的安全行驶性，也为悬架的研究和理
论成果提供了帮助。

希望通过对本文的论述，可以推进赛车悬架进一步的发展。

参考文献：
[1]张宁. FSEC 电动方程式赛车底盘设计及操纵稳定性仿真分析[D].辽宁工业大学，
2017.
[2]杨益. 车辆侧翻预警及半主动悬架防侧翻优化控制研究[D].吉林大学，2018.[3]张培培. 汽车悬架系统的动力学分析与仿真试验[D].长安大学，2005.
[4]李燕超. 电动汽车悬架系统优化与控制研究[D].青岛科技大学，2018.
[5]牛礼民，张杰坤，刘超.FSAE 赛车悬架系统结构设计[J].汽车工程师，2012（09）：31-34.
[6]姜立标，刘坚雄.FSAE 赛车前轮定位参数的优化研究[J].机械科学与技术，2013，32（02）：231-234.
[7]余志生.汽车理论（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2000.
[8]施长政.FSAE 赛车的设计与制造[D].青岛大学，2013.
[9]公选课《汽车文化》课外学习环境存在问题及对策.《黑河学刊》.2013年12期.杨岳华.。