ChinaFSAE方程式赛车悬架系统设计分析

毕业设计说明书学院：机械工程系(专业)：车辆工程题目：方程式赛车悬架系统设计分析毕业设计（论文）中文摘要题目方程式赛车悬架系统设计分析摘要：FormulaSAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的一项学生方程式赛车比赛。中国年汽车工程师协会于2010年首次举办大学生方程式赛车（CFSAE）。悬架的设计对FSAE赛车的性能有很大影响，运动过程中各向的力都通过悬架传递到车身。本文根据FSAE大赛的要求对赛车的悬架系统进行设计分析，内容包括悬架的设计要求、设计方法、轮辋的选择、轮胎的选择、赛车轮距和轴距的确定、悬架结构形式的确定、悬架二维图形的绘制、结合赛规确定偏频、并计算悬架的刚度等参数、悬架三维模型的建立、悬架关键零件力学分析、运动学分析及优化设计等。运用ADAMS软件对双横臂悬架系统进行分析，研究汽车运动过程中悬架各定位参数的变化特性。关键词：FSAE双横臂悬架设计分析MSC.ADAMS河北工业大学2012届本科毕业设计说明书河北工业大学2012届本科毕业设计说明书目录1绪论................................................................11.1引言..............................................................11.2FSAE大学生方程式汽车大赛简介......................................11.3赛事意义..........................................................41.4课题的主要任务....................................................52FSAE悬架设计.......................................................62.1FSAE底盘规则概况..................................................62.2悬架概述..........................................................82.3悬架设计要求......................................................92.4悬架结构的选型...................................................102.5双横臂独立悬架导向机构的设计.....................................112.6FSAE赛车悬架参数.................................................152.7车轮定位参数.....................................................232.8弹性元件、减震器的选择与布置.....................................242.9A臂材料与尺寸....................................................252.10连接件及轴承的选择...............................................262.11CAD图与CATIA三维实体图..........................................292.12主要零件的受力分析...............................................403方程式悬架的运动仿真...............................................453.1ADAMS软件简介....................................................453.2ADAMS基本模块....................................................463.3前悬架模型的建立.................................................473.4模型的仿真.......................................................533.5仿真曲线的后期处理...............................................60结论................................................................66参考文献...........................................................67致谢.................................................错误!未定义书签。河北工业大学2012届本科毕业设计说明书第1页1绪论1.1引言悬架是现代汽车上的重要总成之一[1]，由于双横臂悬架有较好的运动特性，因此在越来越多的轿车的前悬上得到应用，特别是在赛车上，更是得到广泛运用，其设计好坏对操纵稳定性、平顺性和安全性有着重要的影响。操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度,而且也是决定汽车高速安全行驶的一个主要性能[2]。本文根据中国FSC大赛规则对赛车的悬架系统进行了设计与分析。汽车的四轮定位决定了整车的运动性能，前转向轮的定位整合了转向与悬架系统的所有几何参数[3]。悬架的运动学性能直接影响操纵稳定性等汽车使用性能，而正确的车轮定位参数能够使赛车的运动性能得到良好地发挥，同时还能够增加赛车的安全性与舒适性提高轮胎的使用寿命[4]，减轻驾驶员的驾驶疲劳。前轮定位参数包括主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前束。主销与导向机构配合的合理与否直接影响到赛车的诸多性能，从而影响整车的优劣。1.2FSAE大学生方程式汽车大赛简介1.2.1FormulaSAEFormulaSAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车[5]。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE方程式（FormulaSAE）系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（FormulaSAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力河北工业大学2012届本科毕业设计说明书第2页的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容[6]。2008年FormulaSAE系列赛包括以下九个比赛：1)美国密歇根，FormulaSAE，由SAE举办；2)美国加利福尼亚，FormulaSAEWest,由SAE举办；3)美国弗吉尼亚，FormulaSAEVIR，由SAE协办；4)澳大利亚，FormulaSAEAustralasia，由澳洲SAE举办；5)巴西，FormulaSAEBrasil，由巴西SAE举办；6)意大利，FormulaSAEItaly，ATA举办；7)英国，FormulaStudent，由ImechE举办；8)德国，FormulaStudentGermany；9)日本，FormulaSAEJapan。2009年的比赛包括美国的密歇根、加州和弗吉尼亚赛，以及英国、巴西、意大利、日本、德国、澳大利亚赛。2010年10月，中国第一届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。2011年10月，中国第二届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。1.2.2比赛规则简介比赛规则非常开放，以鼓励学生的原创设计和各种形式的赛车的出现。比赛的基本原则如下：1)开轮/开舱；2)使用排量不超过610cc的四冲程汽油机；河北工业大学2012届本科毕业设计说明书第3页3)安装内径20mm的进气限流阀；4)轴距不小于1525mm；5)轮辋不小于8英寸；6)必须能够制动全部四个车轮；7)悬架行程不小于50.8mm（2英寸）；8)大量安全和结构强度要求；9)整车成本不大于25000美元（按规则计算）。1.2.3评定项目简介比赛通过一系列静态和动态的项目来评判汽车的优劣，这些项目包括：技术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经济性。通过给这些项目打分来评判汽车的性能。项目分值分配如表1-1所示。表1-1成绩评定项目分值分配表环节名称分值静态项目陈述75工程设计150成本分析100动态项目加速性75弯道性能50操作稳定性150燃油经济性50耐久性300总体两项总分10001.2.4中国大学生方程式大赛简介中国大学生方程式汽车大赛（以下简称CFSAE）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，评比的是学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案，以及把赛车制造成产品的过程。这不是一场竞速比赛或节油比赛，而是汽车人河北工业大学2012届本科毕业设计说明书第4页才综合素质的比拼，这项赛事通过全方位考核提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调五方面的综合能力，从而全面地提升综合素质。未来支撑中国汽车产业的脊梁必将在这些学生中产生，这也是赛事最大的意义所在，举办中国FSAE大赛的目的，就是为中国汽车产业的发展做长期的人才积蓄。FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。2010年中国举办第一届FSAE，北京理工大学代表队以总分第一的成绩获得总冠军。2011年的中国第二届FSAE北京理工大学代表队以总分第一的成绩蝉联国军。2011年，我校代表队“兴冀车队”（图1.1）第一次参加中国FSAE赛事。图1.1兴冀车队1.3赛事意义目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学河北工业大学2012届本科毕业设计说明书第5页生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争