大学生方程式赛车悬架设计

大学生方程式赛车悬架设计

加布里埃尔·德·波拉爱德华多

圣保罗大学摘要

独立完成一次大学生方程式赛车的悬架设计。首先分析赛规，通常，赛规会对悬架的最小行程和轴距作出限制，并且给出本次设计所要达成的最终目的，除此之外还会评判出得分最高的一个团队。本文会讨论到轮胎的运动，并详细分析前后悬架的拉杆不等长的摆臂。维度论是基于CAD的尺寸限制发展出来的。在总的力与时间的图上分析了暂态稳定、控制和操纵性能。在分析运动学和动力学时创建了多体模型。该模型能模仿侧翻，驾驶和操纵并且能进行几何调整，使得弹簧和阻尼器实现其性能。

前言

美国汽车工程师学会举办的大学生方程式汽车大赛激励学生

们去设计、制作一个小的方程式风格的赛车，并参加比赛。竞争的基础是假设一个公司集合了一个工程师团队来制造一个小的方程式赛车。第一步是分析赛事规则，赛规限制悬架系统的最小轮距为50mm，轴距大于1524mm。FSAE悬架工作在一个狭窄的车辆动力学范围，这是由于赛道尺寸决定的有限过弯速度，140公里每小时为最高速度和60公里每小时为转弯最高速度。比赛的动态部分包括15.25m的直径防滑垫，91.44m的加速项目，0.8km的越野赛，44km耐力赛。

设计目标已经给定并且会评判出得分最高的十个团队。悬架系统的几何部分集中在一些悬架设计理念和亮点的基本领域。因此，

FSAE悬架设计应该集中在竞赛的限制因素方面。例如，车辆轮距宽度和轴距是决定汽车操纵性设计成功与否的关键因素。这两个尺寸不仅影响重量传递还影响转弯半径。设计目标是首先满足赛则，其次降低系统重量，创造最大的机械抓地力，提供快速响应，准确的传输驱动程序的反馈，并能调节平衡。

轮胎和车轮

悬架设计过程中采用了“由外而内”的方法，先选择满足赛车要求的轮胎，然后设计悬架以适应轮胎参数。短的比赛时间和低速的比赛项目都要求轮胎快速达到其工作温度。轮胎对于车辆操纵性很重要，设计团队应当充分地调查轮胎尺寸及可用的化合物材料。轮胎的尺寸在这一阶段的设计中很重要，因为在确定悬架的几何结构之前，轮胎的尺寸必须已知。例如，一个给定了车轮直径的轮胎高度决定，如果轮胎内部被组装起来了，下球接头应当离地面多近。

设计者应当意识到提供对于给定车轮直径的轮胎尺寸的数量是有限的。因此，考虑到轮胎对于汽车操纵性的重要性，选择轮胎的过程应当有条不紊。由于轮胎在地面上的部分对抓地力有很大的影响，有时希望使用宽的轮胎，增加牵引力。然而，切记宽的轮胎使回转质量增加，而这又使FSAE发动机的加速受到限制。

相比较使用宽轮胎而引起的牵引力的增加，这些增加的回转质量也许会对整车的性能产生更大的损害。宽轮胎不仅增大质量，而且使受热的橡胶数量增加。因此比赛用的轮胎必须设计成在某一特定的

温度范围内最有效地工作。这些添加的材料可以防止轮胎超出最佳温度范围。

在选择轮胎的过程中，设计者必须考虑到轮胎如何影响整个系统的性能。例如，FSAE赛事的天气状况也许决定了竞赛中应当选用哪种轮胎混合料和轮胎尺寸。选用的轮胎其工作温度从48℃提高到60℃。如果在比赛过程中，天气预测是晴朗暖和，参赛团队将会选用较硬的混合料

根据图2应当选用型号为R25A的混合料。对红外辐射敏感的轮胎的温度和两轴加速度数据记录表明所选用的混合料能最好地实现轮胎的目标。这也是非常标准的，是最轻松的公路赛的轮胎测试，并有最小的质量惯性矩。

一旦已选定要用的轮胎尺寸，下一步应该选择车轮。通常，车轮尺寸是固定值且允许有微量的修正。因此，在买车轮之前，心里有一些设计目标是很重要的。一般而言，悬架支柱、制动钳和转子安装在车轮内，这就要求轮间隙补偿。如果车轮轮廓已知，通常悬架的几何结构的设计要简单些。例如，球形接头的位置被限制在由车轮轮廓所限定的区域。

在选择车轮时其他需要考虑的因素包括：成本、实用性、螺栓圈和重量。例如，三片式轮圈，尽管昂贵，但在提供补偿和可以在设计过程中改变的剖面图时具有明显优势。选中的四个车轮的尺寸都是6~13。选择车轮时允许轮胎转动，降低了成本并增大轮胎尺寸、混合料和制造商的选择范围。

概念和维度方法

像前悬架一样在后悬架中采用带有推杆的双A形摆臂和连杆。其调整的目的是使竞赛的每个项目都得到提高。在设计的开始阶段，一些尺寸如：轴距，重心位置，车轮和轮胎尺寸，已经在标准的基础上选定并且在模型中评估（仿真）。

履带宽度是左右轮中心线之间的距离。这个尺寸对于转弯很重要，因为它能抵消在重力（CG）和轮胎横向力中心的惯性力产生的倾覆力矩。对于设计师来说，履带宽度很重要，因为它是一种影响横向重量转移的因素。并且，设计师应当知道履带宽度的确定应当在悬架几何结构的运动学和动力学分析之前。选择履带宽度时，前后悬架的履带宽度没必要保持一样。例如，后轮驱动赛车上前悬架的履带宽度一般要宽一些。这个设计理念是通过减少车身侧倾的相对于所述前轮胎的后轮反抗量，增加后悬架转弯时的牵引力。基于转角速度和FSAE 汽车的马力与重量比，设计者应当考虑这个理念。

•轴距也需要确定。轴距定义为前后轴中心线之间的距离。它也影响重量转移，但是在纵向方向上。除了抗点头和抗后坐性，相对于重心位置的轴距对悬架系统的运动学性能并没有很大影响。

然而，轴距应在设计过程的早期阶段确定，因为轴距对部件的组装有很大的影响。较短的轴距带来更快的系统响应，部分程度上是由于减小了横摆惯性矩和轮胎瞬态效应。这种快速反应在狭窄的赛道上很重要。以履带宽度和轴距为出发点，设计师应该研究竞争对手的赛车尺寸来作为自己的计算基准。参赛队伍的FSAE说明书，包括履

带宽度和轴距，可以在SAE发布的活动项目中找到。

运动学和动力学

设计人员现在可以为悬挂系统设置一些所需的参数。这些参数通常包括外倾角增益、侧倾中心的位置和主销偏距。这些参数的选择应基于车辆预期如何执行。通过在一个角落里观察汽车的姿势，悬架系统可以设计成保持尽可能多的轮胎与地面接触。例如，在试车场上车身的侧倾和悬架行程在一定程度上确定外倾角增益为多少时能达到最佳的转弯效果。底盘卷的数量可以由侧倾刚度来决定，而悬架行程量是重量转移和车轮速率的函数。

一旦这些基本参数确定了，悬架系统就必须进行建模以获得所需的效果。开始建模之前，球形接头的位置、内部控制臂枢轴点和履带宽度必须是已知的。建立几何模型的最简单的方法是使用一个运动学和动力学的计算机程序，因为在计算机程序上为快速检查某点对几何体结构的影响，点的位置可以很容易地修改。没必要使用专门的运动学计算机软件，当只需简单地重绘悬架的点移动时可以使用CAD 软件。当设计悬架的几何结构时，切记设计是一个反复的过程，而折衷是不可避免的。

在CAD模型中进行分析的参数有侧倾中心、悬架摆臂尺寸、主销偏距、抗后坐、抗点头和后倾角、外倾角和主销角度。选择第一组数据，它是MBS（ADAMS/Car）中的最优结果。车轮的平行位移、反方向的位移、底盘滚动;转向和静态载荷仿真已完成。

例如，由于组装的制约理想的主销偏距几乎不可能得到。所