FSAE赛车悬架系统设计

小组成员：许珈旗杜雅鲜黄业兴设计思路整车主要框架参数选择和确定弹性元件和减震器的选择导向机构零部件的设计车轮定位参数的设计与优化推杆使不等长双横臂独立悬架FSC赛车双横臂悬架一般有以下两种设计方案，推杆式双横臂独立悬架与拉杆式双横臂独立悬架。考虑比赛规则对悬架设计的要求、装配、调试难易程度、可靠性等因素，最终确定赛车前悬架和后悬架均采用推杆使不等长双横臂独立悬架。FSAE赛事规则要求轮辋最小直径为203.2,mm,（8英寸），轮辋空间的大小直接影响着立柱的设计，而立柱的大小有决定着上下横臂的距离，如图，为CATIA中建立的8英寸的轮辋模型。轮辋模型FSAE赛事规则要求赛车轴距至少有1525mm（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1590mm。前后轮距的确定是在轴距已定的情况下，根据经验公式（1）进行初选：B=kL（1）式中：B———轮距，mm；L———轴距，mm；k———系数，取0.55~0.64。经过初步估算，初定的赛车部分技术参数。名称参数轴距（mm)1590前轮距（mm)1200后轮距（mm)1160整车整备质量（kg)220总质量（kg)280前后载荷分配43/57表1.赛车部分技术参数侧倾中心侧倾中心高度：前悬架30mm，后悬架60mm。后轴稍高的侧倾中心有至少俩优点，其一是后轴可以使用较软弹簧，因为这的侧倾力矩较小，其二就是保持侧倾轴尽可能平行于赛车主惯性轴。侧倾中心抗制动前俯角制动抗点头是指制动时悬架抵抗因纵向载荷转移引起前悬架弹簧压缩变形的能力。抗前俯率由式(2-1)确定。（2-1）式中——前悬架纵倾中心到地面的高度(mm)；——制动力分配系数；——轴距(mm)；——前悬架纵倾中心到前轴中心的距离(mm)；——质心的高度(mm)。抗驱动后仰角抗驱动后仰角可减小后轮驱动汽车车尾的下沉量或前轮驱动汽车车头的抬高量。与抗制动前俯角不同的是，只有当汽车为单桥驱动时，该性能才起作用。对于独立悬架而言，当纵倾中心位置高于驱动桥车轮中心时，这一性能方可实现。考虑到车架的加工问题，若上下横臂轴轴线不平行，车架加工难度会非常大，所以本次设计将上下横臂轴轴线设计成都和地面平行，即纵倾中心在无限远处。%10011hdLed1e1dLh磨胎半径和偏频的选取1.磨胎半径前悬磨胎半径初定为，后悬的定为2.偏频赛车的偏频范围一般在2.4-3.4Hz之间偏频低，悬架软能更好的缓和路面冲击，整车平顺性好；偏频高悬架偏硬，高刚度能更好地控制重心，操纵稳定性更好对于赛车出于操控性能的考虑采取前高后底。最终选取的偏频为：前悬架3.0Hz，后悬架2.8Hz。mmaF5mmaR40悬架刚度的计算由总布置给出的整车数据，赛车的总质量220+60=280kg，轴荷比为43:57。则前轮单轮簧载质量为49.45kg，后轮单侧簧载质量为65.55kg。前轮一侧乘适刚度：后轮一侧乘适刚度：车轮处静挠度：前轮后轮22RFFFK4fm17.22N/mmπ22RRK4fm19.88N/mmRRπsFFRFdmg/K27.62mmsRRRdmg/K31.85mm三.弹性元件和减振器的选择与计算弹性元件：而其配套的弹簧可供选用的分别有：300LBS/in、350LBS/in、400LBS/in、450LBS/in刚度。经过计算，我们选择前弹簧刚度为350LBS/in。减振器：经过计算与分析，最终确定本辆赛车选用直径D=20mm的充气式减振器，这种减振器的优点是在不利于车辆连续行驶的路面上行驶时，能够体现出更加优良的阻尼力，是有着十分出色的工作的持续性和高速特性。前后悬架立柱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：轮毂轴承安装位及螺栓安装孔；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，如图所示。后立柱建模前立柱建模横臂的设计上、下横臂长度的确定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0.67左右。本设计的上下横臂比值分别为0.87和0.86。因此我们初选前悬上横臂长为277mm，下横臂长为344mm，同理后悬上下横臂长分别为266mm，315mm.横臂建模悬架吊耳的设计在设计悬架吊耳的时候主要考虑三个方面，首先吊耳的强度要满足设计要求，其次要注重轻量化的优化设计，另外设计的吊耳要有足够的空间保证悬架在运动过程中，杆端轴承与向心轴承不与吊耳发生干涉的现象。在材料的选择上与车架焊接连接的吊耳采用的是45号钢，与立柱连接的吊耳采用的是7075铝。单片吊耳整体式吊耳减震器吊耳摇臂吊耳四.车轮定位参数的确定和优化1.车轮外倾角由于赛车经常需要快速转弯，希望能够最好的发挥轮胎性能，使其在转弯的过程中，最大的提供侧向力，所以赛车设计常把它设置为负角度，从而最大程度利用轮胎的附着能力，并且希望随轮跳变化尽量小。在常见的车轮跳动范围内，其变化量一般控制在1°以内。车轮行程在-30~30mm，车轮的外倾角悬架模型车轮外倾角变化范围为-0.855°-1.372°，变化较小，这将减小轮胎侧向滑移，提高汽车的操纵稳定性，符合设计要求。2.车轮前束角前轮前束角必须和前轮外倾角相匹配，前轮外倾角越大，前束角就越大。前轮外倾角减小了，甚至为负值，相应地前轮前束角也应减小甚至为负值。在汽车的设计过程中，如果前束角设置的合理，可使前束角引起的侧向力与车轮外倾引起的外倾推力相互抵消，从而会大大的降低轮胎的磨损以及汽车动力的消耗。车轮前束角随车轮上下跳动时的变化曲线如所示前束角变化范围较理想为：车轮上跳时,正前束0.32°/50mm。仿真结果前束角的变化范围为0.21°/30mm，即-0.525°--0.328°/30mm，变化较小，这将减小轮胎侧向滑移，提高汽车的操纵稳定性，从而符合设计要求。车轮跳动车轮前束角3主销后倾角主销后倾角的设计应保证汽车具有适当的回正力矩，其稳定效应是通过前轮转向时凭借路面对轮胎的侧向反力来实现的。主销后倾角随车轮上下跳动时的变化曲线如所示。主销后倾角车轮跳动4.主销内倾角能使转向轮自动回正，从理论上讲主销内倾角越大，汽车的转向轮和整个汽车的前半部分抬得越高，转向轮的回正力矩就越强，因此汽车急转弯后，松开方向盘，车轮就能自动回正，主销内倾角还能使转向轻便。一般主销内倾角的设置不大于8°。一般认为理想情况下在车轮上跳时，主销内倾角的增加应尽量减小，以避免主销内倾角变化过大。如图所示，车轮跳动过程中该主销内倾角的变化范围为5.75o-6.28o/30mm，变化幅度不大，满足设计要求。车轮跳动主销内倾角通过上述和初步计算，得到前后悬架的参数如下表2。名称前悬架后悬架名称前悬架后悬架悬架偏频3.0Hz2.8Hz磨胎半径5mm40mm悬架侧倾中心高度30mm60mm主销后倾角2.7°推杆长度526mm327mm主销内倾角5.8°上横臂长度277mm266mm车轮外倾角-1.0°下横臂长度344mm315mm车轮前束角-0.5°谢谢观赏