FSAE赛车悬架系统结构设计

悬架是汽车上的减振保稳部件， 对汽车的操纵稳 定性和行驶平顺性具有决定性作用， 其结构设计的好 坏将直接影响乘坐舒适性。 文章以中国大学生方程式 汽车大赛（Formula SAE of China，简称 FSAE）中的实车 为例，对其悬架系统进行了结构设计。
1 设计思路
FSAE 赛事规则要求赛车悬架应该保证汽车具有 良好的行驶平顺性；合适的衰减振动能力；良好的操纵 稳定性；赛车制动和加速时能保证车身稳定，减少车身 纵倾，转弯时车身侧倾角合适；结构紧凑，避免发生运 动干涉； 能可靠地传递车身和车轮之间的各种力和力 矩，保证有足够的强度和使用寿命；便于布置、维修和 保养[1]。 依据赛事规则要求初步拟定 FSAE 赛车悬架结
2012 年 9 月
设计·创新
2.3 前后悬架立柱 立柱是 FSAE 赛车特有的关键底盘部件， 用于连
接悬架和转向系统，并为制动系统部件提供安装位。 赛 车前后悬架的结构不同，后轮为驱动轮，前轮有转向系 统，因此前后悬架配套的立柱结构亦不相同，需分开单 独设计。 考虑到赛车上立柱需连接悬架、轮毂轴承和制 动器卡钳，因此其结构设计应具备 3 个方面：轮毂轴承 安装ຫໍສະໝຸດ Baidu及螺栓安装孔； 悬架球头销的安装形式及安装 位；制动卡钳的安装位及安装孔。 满足这 3 个方面后， 方可自由设计其形状和连接件。 但前悬架立柱还需特 别考虑转向梯形臂的连接， 设计的前后悬架立柱三维 模型，如图 3 所示。
终选取 FOX VAN R 型减振器作为赛车悬架弹性元件，
其模型和实物，如图 4 所示，孔对孔距离 220 mm，最大
压缩量为 71.12 mm。
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虑到不等长臂对轮胎跳动的影响， 希望轮距变化要小 一些，以减小轮胎的磨损程度，提高使用寿命，因此一 般选择上下横臂长度的比值在 0.6 左右。本设计的上下 横臂比值分别为 0.8 和 0.86，三维模型，如图 5 所示。因 FSAE 赛车所选的侧倾中心高度要高于地面，且侧倾中心 高度比较低，所以上下横臂布置在汽车的横向平面内。
1 = 1 +1 KR KW KT
（3）
式中：KW— ——悬架刚度，N/m； KT— ——轮胎径向刚度，取 KT =3×106 N/m。 由式（3）可计算出前后悬架刚度（KW1，KW2）分别为
16 783，29 874 N/m。
再根据悬架运动比可以确定弹簧刚度和有效行
程，弹簧刚度和有效行程是减振器选型的重要参数，最
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（8 英寸），常用的赛车轮辋尺寸为 254 mm（10 英寸）和 330.2 mm（13 英寸），如使用 254 mm（10 英寸）轮辋将 可能导致转向系统的转向立柱布置困难， 造成悬架上 下 A 臂的受力情况复杂，此处文献[1]选用 330.2 mm （13 英寸）的轮辋。 轮胎是非常复杂的部件，对于 FSAE 赛事来说， 由研发团队自身设计和制造轮胎是非常困 难的，通常根据选择的轮胎型号购买成品。 此处匹配直 径为 330.2 mm（13 英寸）轮辋，选用德国的 205/510R13 型轮胎。 图 2 示出选用轮辋的三维模型图。
图 4 FSAE 赛车悬架减振器模型及实物图
3.2 悬架导向机构的设计 导向机构不仅要承受来自悬架的各种力和力矩，
而且还应具有导向作用， 使车轮在汽车不同运行工况 下能按照一定的轨迹运动。 因此导向机构的设计主要 是确定机构参数和上下横臂的布置方案。
悬架导向机构的参数选取包括抗前俯率、 抗前俯 角、水平斜置角、初始斜置角、销头中心距、主销后倾 角、主销内倾角、侧倾中心高度、纵倾中心位置和悬架 臂长等[4-5]。 FSAE 赛车悬架上下横臂的布置方案包括确 定上下横臂的长度和 3 个方面的布置（横向平面布置、 纵向平面布置和水平面布置）[4]。 为便于布置发动机，双 横臂式独立悬架一般设计为上横臂短和下横臂长，考
图 6 FSAE 赛车悬架摇臂三维模型
图 7 示出赛车悬架推杆的三维模型， 推杆是简单 的传力杆，由 1 根两端带螺纹的无缝钢管和 2 个杆端关 节轴承组成，一端与下横臂相连，另一端与摇臂相连。
图 7 FSAE 赛车悬架推杆三维模型
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综上，设计的 FSAE 赛车悬架主要参数，如表 2 所示。
图 2 FSAE 赛车轮辋三维模型图
2.2 轴距和轮距
FSAE 赛事规则要求赛车轴距至少有 1 525 mm
（60 英寸），轴距增大将会使整车质量增加，有悖于轻量
化原则，故轴距确定过程中，综合考虑了人机工程学、发
动机大小与布置、 轮胎宽度及悬架上下 A 臂的安装空
间要求，测算确定轴距为 1 720 mm。 前后轮距的确定是
a 前悬架上横臂
b 前悬架下横臂
c 后悬架上横臂
d 后悬架下横臂
图 5 FSAE 赛车前后悬架上下横臂三维模型
由于赛车悬架减振器的布置近似水平位置，所以减 振器和下横臂间需要另设摇臂和推杆连接，摇臂三维模 型，如图 6 所示。 摇臂左上端与减振器相连，右下端与推 杆相连，通过中间孔固定在车架上并可绕车架旋转。
Structure Design of FSAE Racing Car Suspension System
Abstract: In order to establish virtual prototype car model for FSAE and based on competition rules of FSAE, the paper introduces the suspension system structure design of racing car. Selection and design of rim, wheel track as well as front and rear suspension strut have been conducted. When unequal -length wishbone suspension is selected, the paper calculates the major dimensions of flexible components, absorber and guide mechanism, establishes 3D model with the help of the software of Pro/E as well as conducts strength check for major supporting parts by software of SolidWorks. The results show that the maximum displacement of the supporting parts is 4.260×10-3，2.838×10-2 mm respectively, a pretty small deformation. Therefore, the suspension design can meet the requirements of FSAE racing car, which also provide reference for car research and production. Key words： FSAE; Racing car; Suspension; Structure design; Strength check
2第0192（ 期9）
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姨 fn
=
1 2π
KR m
（2）
式中：fn —— —悬架的偏频，Hz；
KR —— —悬架的乘适刚度，N/m；
m— ——轴上载荷，kg。
由前轴载荷（m1 = 80 kg）和 fn1 计算得前乘适刚度：
KR1 =16 690 N/m；由后轴载荷（m2 = 120 kg）和 fn2 计算得 后乘适刚度：KR2 =29 579 N/m。 KR 是悬架和轮胎串联的 等效刚度，可用式（3）表示：
表 2 FSAE 赛车悬架主要参数表
参数名称 悬架偏频 / Hz 侧倾中心高度 / mm 推杆长度 / mm 上横臂长度 / mm 下横臂长度 / mm 主销后倾角 （ / °） 主销内倾角 （ / °）
前悬架 2.3 18 516 396 495 1.2 5.0
后悬架 2.5 37 416 400 465 0.0 0.0
为 1 180 mm，前轮距比后轮距大有利于赛车快速避障。
表 1 示出初定的赛车部分技术参数。
表 1 FSAE 赛车部分技术参数
参数名称 赛车长度 / mm 赛车高度 / mm 轴距 / mm 前轮轮距 / mm 后轮轮距 / mm 赛车质量 / kg 前后载荷比
数值 2 800 1 260 1 720 1 240 1 180
4 装配与校核
将所建的赛车悬架各主要零部件的三维模型导入
软件 Pro/E 中装配， 得到的前后悬架三维总装配模型，
构的设计流程，如图 1 所示。
选择轮辋和轮胎
确定轮距和轴距
弹性元件和减振器的选择与计算
导向机构零部件设计
强度校核 图 1 FSAE 赛车悬架结构的设计思路
2 相关部件的选择与设计
2.1 轮辋和轮胎 FSAE 赛事规则要求轮辋最小直径为 203.2 mm
* 基金项目：江苏省道路载运工具新技术应用重点实验室开放基金项目（BM2008206008）
由悬架与簧载质量组成的振动系统其固有频率是 汽车行驶平顺性的重要参数之一， 当前后振动相互独 立时，前后车身振动的频率称为偏频。 偏频的大小直接 关系到悬架性能。 偏频低则悬架软，赛车舒适性好；偏 频高则悬架硬，赛车操控性好。 为了防止汽车行驶时前 后悬架产生共振，前后悬架偏频值的设定均不同。 对赛 车而言，平顺性的要求可降低，故此处偏频的选取比一 般轿车的偏频要大，初步选择前悬架的偏频 fn1 =2.3 Hz， 后悬架的偏频 fn2 =2.5 Hz。 偏频确定后，悬架的静挠度 同时也就确定了，根据式（2）可计算出悬架的乘坐舒适 性刚度[4]：
200 40:60
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图 3 FSAE 赛车前后悬架立柱三维模型
3 悬架主要部件设计
悬架可分为非独立悬架和独立悬架 2 类， 相对于 非独立悬架，独立悬架的簧下质量小、占用空间小且左 右车轮互不影响，可减少车身的倾斜和振动，按不同结 构独立悬架分为不等长双横臂式、 单横臂式、 双纵臂 式、单纵臂式、单斜臂式及麦弗逊式等几类[3]。 由于不等 长双横臂悬架设计灵活， 可通过合理选择空间导向杆 系的交接点位置以及导向臂长度， 获得合适的悬架运 动特性， 因此赛车悬架类型确定为不等长双横臂式悬 架。 典型悬架结构一般由弹性元件、减振器以及导向机 构等组成。 3.1 弹性元件和减振器的选择与计算
在轴距已定的情况下，根据经验公式（1）进行初选[1]：
B = kL
（1）
式中：B— ——桥车的轮距，mm；
L— ——桥车的轴距，mm；
k— ——系数，取 0.55~0.64。
经初步估算赛车轮距在 1 200 mm 左右，因适当增
大轮距有利于增加悬架的侧倾角刚度， 使汽车的横向
稳定性更好[2]，故初定前轮轮距为 1 240 mm，后轮轮距
2012（9）
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FOCUS 技术聚焦
FSAE 赛车悬架系统结构设计 *
牛礼民 张杰坤 刘超 (安徽工业大学机械工程学院)
摘要：为配合建立中国大学生方程式汽车大赛（FSAE）赛车的虚拟样机模型，根据 FSAE 赛事规则要求，对赛车悬架系统进 行了结构设计。 根据设计思路对轮辋、轮距及前后悬架立柱等相关部件进行了选择与设计，在确定采用不等长双横臂式悬架 类型的基础上对弹性元件、减振器和导向机构的主要结构尺寸进行了设计计算，并应用软件 Pro/E 进行了三维建模设计，同 时在 SolidWorks 环境下对前后摇块进行了强度校核。 结果表明，前后摇块的最大合位移分别为 4.260×10-3，2.838×10-2 mm， 最大变形均很小，设计的 FSAE 赛车悬架系统能够满足参赛要求，为进一步的实车研制提供了参考依据。 关键词：FSAE； 赛车； 悬架； 结构设计； 强度校核