毕业设计(论文)-F1赛车前悬架设计.doc

毕 业 设 计毕 业 设 计 院系名称院系名称 机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 2015 年年 6 月月 8 日日设计题目设计题目 F1 赛车前悬架设计赛车前悬架设计 学生姓名学生姓名 学学 号号 专业班级专业班级 车辆工程车辆工程 11-4 班班 指导教师指导教师 I 目 录 中文摘要.1 Abstract.2 1 绪 论.3 1.1 设计背景及意义.3 1.2 国内外发展现状.4 1.2.1 国外发展现状.4 1.2.2 国内发展现状.4 1.3 选题的主要内容.4 2 FSAE 方程式赛车前悬架设计.5 2.1 悬架系统概述.6 2.1.1 FSAE 赛车悬架选型.6 2.1.2 FSAE 赛车悬架控制臂选材.7 2.1.3 设计要求.8 2.1.4 设计流程概述.9 2.2 悬架参数设计.9 2.2.1 轮辋和轮胎的选择.9 2.2.2 轮距和轴距的选择.9 2.2.4 四轮定位参数的初定.10 2.3 悬架模型的建立.11 2.3.1 悬架几何.11 2.3.2 抗反特性的计算.12 2.3.3 弹簧刚度和阻尼的计算.13 2.3.3.1 悬架偏频的选取.13 2.3.3.2 适乘刚度的计算.14 2.3.3.3 悬架静挠度的计算.14 2.3.3.4 悬架传递比的计算.14 2.3.3.5 弹簧刚度的计算.15 2.3.3.6 弹簧的选择.15 2.3.3.7 悬架线刚度及无横向稳定杆侧倾角刚度的计算.17 2.3.3.8 避震器阻尼的选择.18 2.3.4 悬架三维建模.18 3 前悬架优化和分析.20 3.1 悬架建模.20 3.2 前悬架仿真.20 II 3.3 前悬架优化.22 3.3.1 设置目标函数.23 3.3.2 设计变量.23 3.3.3 增加约束条件和优化结果分析.23 3.4 关键部件力学分析.27 3.4.1 立柱的受力分析.27 总 结.31 致 谢.32 参考文献.33 1 F1 赛车前悬架设计 摘要：FSAE 是面向大学生的国际赛事，选题以合肥工业大学云电车队的赛车为研 究对象，对赛车的前悬架系统进行合理分析和设计。在赛车整车中悬架的作 用十分重要，因为悬架设计的好与坏直接影响赛车的操纵稳定性和乘员舒适 性。故悬架系统的设计有着举足轻重的地位，因此对 FSAE 赛车悬架的分析 和设计是有必要的。（1）出于整车布置的考虑和比较不同结构形式悬架的优缺点之后，本设计决 定采用不等长双横臂独立悬架。通过对钢管材质和碳纤维材质的比较，决定 控制臂和导向臂采用钢管材质。（2）设计基本参数，如四轮定位、悬架线体 几何、悬架刚度等，按照计算成果绘制前悬架的零件图和装配图。（3）用 Adams/Car 模块建立一个仿真模型进行仿真，找出需要优化的参数。在 Adams/Insight 模块进行优化设计，改进硬点坐标后再次对其仿真，对优化前 后两次运动学特性加以比较，优化后的悬架性能得到提升。接下来，利用 Ansys 分析立柱力学特性，分析的结果满足结构要求。关键词：FSAE 双横臂独立悬架 建模仿真 多目标优化 强度校核 2 The front suspension design of F1 Abstract：FSAE is the international tournament for college students.This paper design and analyze the cars front suspension system based on the car of Yun Racing Team in Hefei University of Technology.The suspension has an important influence on the stability and smoothness of the cars handling stability.Therefore,in the design of the car,the suspension system plays a really important role.So it is necessary to design and analyze the FSAE car suspension.Firstly,according to the arrangement demand of the finished cars and the comparison of suspension structure,i decide to use the unequal double-wishbone type suspension.Through the comparison of steel tube material and carbon fiber material,decide to use the steel tube material in the control arm and the guide arm.Then design the suspension parameters,including four-wheel alignment parameters,suspension geometry,stiffness and the damping calculation,accord to the calculation results,draw the parts drawings and assembly drawings of the front suspension.Last,build motion simulation model in Adams/Car module,and make simulation analysis on the model.And find out the changing range and the unreasonable direction parameters as the target of optimization.Then carry on the multi-objective optimization design om the Adams/Insight module,and carry on the simulation analysis again after modification of hard point coordinates.Compare the kinematic characteristics of the optimization before and after.The main performance of the optimized suspension is improved.Secondly,use Ansys to analyze the column in mechanical analysis.The results show that the column meets the structural requirements.Keywords：Formula SAE Double-wishbone suspension Modeling and simulation Multi-objective optimization Strength check 3 1 绪 论 1.1 设计背景及意义 FSAE 赛事由汽车工程协会举办，以大学生团队为参赛主体的方程式赛车赛事。大学生团队由该校一名指导教师和在校本科生及研究生组成。规定在 12 个月的时间内，按照赛事规则进行设计、加工和制造，并使其赛车的加速性能、制动性和操控性等方面都表现优异且足够稳定耐久。同时车的成本要低廉、维修方便、耐用可靠。与此同时，为了满足赛车市场销售的需求，该车的造型要美观并且乘坐舒适，使用通用性的零部件。赛事自创办以来，已经发展 37 年；赛事举办国家由最初的美国发展到美国、加拿大、德国、英国、日本、印度、中国等遍布亚洲、欧洲、美洲的 15个国家。在各国越来越重视这一赛事的同时，数以万计的学生从这项赛事中收获了知识和工程实践经验。FSAE 大赛可以说是未来中国汽车工业发展的摇篮。我们学校的 FSAE 赛车团队在各个方面都有十分优秀的表现，下面的图片所示为我校的FSEC（方程式纯电动赛车）赛车。图 1.1 合工大 FSAE 赛车 悬架在赛车操纵稳定性方面的作用非常重要，其运动特性对赛车动力学和对从轮胎传递到车架的力和力矩的响应也十分重要。对赛车整车而言，悬架性能对整车操纵的稳定性有着很大的影响，所以对整车设计而言悬架系统设计起着非比寻常的作用。双 A 臂独立悬架的最主要的特征是，如果想要使悬架获得合适的运动特性，则应在车轮上下跳动时，合理选择空间导向杆系的硬点位置、控制臂的长度及布置；并且当侧倾中心和纵倾中心恰当时，即可将车轮定位参数和轮距的变化量限定在合理的范围内。因为这些优势，双 A 臂独立悬架正在广泛地使用在 FSAE 赛车上。同 4 时基于赛车的悬架设计和研究也可以为乘用车悬架系统设计的轻量化和结构优化提供参考。1.2 国内外发展现状 1.2.1 国外发展现状 大学生方程式大赛起源于美国，因为国外起步比较早，所以对 FSAE 赛车的深入研究和分析也比较早。目前，在整车系统和零部件设计优化等方面，国外学校的方程式赛车队已经积累了非常多的经验，掌握的相关技术已经比较成熟，例如文献1对汽车动力学进行了系统的研究。而且赛事发展更加丰富，从燃油赛车发展到燃油、混合动力、燃气和纯电动等多个动力源项目的比赛。因此，在 FSAE 赛车悬架设计方面也积累了很多经验.我们可以查询到很多有关方面的文献。尤其是在悬架的几何分析、空间优化、以及利用各种软件对悬架的力学性能进行分析等方面。设计也具有很好的创新性，文献2基于整车需要设计了钢板弹簧悬架。在 FSAE 不断的发展过程中，双横臂独立悬架的好处越来越受到各个车队的认可，同时在能够充分保证赛车的可靠性和经济性的基础上，碳纤维材质的悬架也应用到赛事中来，有效改善了赛车的轻量化程度。1.2.2 国内发展现状 与国外不同的是，FSC 大赛开始于 2010 年，中国汽车工程学会联合中国 21 所大学院校在上海举办了首届大赛3。由于起步晚，所以在赛车的设计方面的研究相对较少但是仍可以找到关于赛车悬架设计的资料，其中包括湖南大学文献4操稳性的研究、哈尔滨工业大学文献5、6对碳纤维悬架的研究和华南理工大学文献7对悬架的设计及北京理工大学文献8-10在悬架和轮胎的设计及选型方面做出了很多贡献，为国内车队在设计方面和研究方面的发展给予了巨大的帮助。1.3 选题的主要内容 选题主要以合肥工业大学云电动方程式赛车为基础，设计和优化大学生方程式赛车的前悬架，主要内容如下：（1）简要介绍了 FSAE 大赛的基本情况，并阐述了国内外 FSAE 赛车有关悬架设计方面的发展水平。（2）对大学生方程式赛车悬架定型进行有序的选择，对 A 臂的材质进行选择，5 确定了钢管双 A 臂独立悬架的布置形式；（3）主要讲述了赛车前悬架的设计方法，其中包括了悬架几何、车轮的定位参数、悬架偏频的选择和对悬架阻尼的计算。并建立前悬架 Catia 三维模型。（4）建立前悬架仿真模型，这里的模型采用的是 Adams/Car 模块，对前轮进行运动学仿真，利用 Adams/insight 模块分析灵敏程度，这里的灵敏程度反应的是硬点坐标位置对车轮定位参数的影响，通过调整悬架控制臂硬点坐标位置来优化车轮定位参数变化特性。（5）利用 Ansys 软件对立柱进行分析，并根据往届设计经验保证其可靠性和强度。6 2 FSAE 方程式赛车前悬架的设计 2.1 悬架系统概述 2.1.1 FSAE 赛车悬架选型“赛车悬架的作用是联接车轮或减震器、车桥与汽车的承载系统之间具有弹性联系，并且具有缓和冲击、传递载荷、衰减振动和调节汽车行驶中的车身位置等作用11。”汽车悬架分为两大类，即独立悬架和非独立悬架。由表 2.1 可以看出非独立悬架具有簧下质量大、不利于提高汽车平顺性等缺陷，一般应用于载货汽车；而独立悬架的占用的空间而且小簧下质量比较小、弹性元件只承受垂直的力，可以采用低刚度的弹簧降低车身振动频率。因此，在赛车上独立悬架应用得更加广泛12。表 2.1 两种悬架形式的比较 特点 非独立悬架 独立悬架 备注 汽车平顺性 较差 好 非独立悬架指纵置钢板弹簧 簧下质量 大 小 不平路面车身侧倾度 大 小 轴转向特性 有 无 占用空间 大 小 表 2.2 独立悬架各特性比较 特性 双横臂式 单横臂式 单纵臂式 单斜臂式 麦弗逊式 扭转梁随动臂式 侧倾中心高度 比较低 比较高 比较低 居中 比较高 比较低 7 轮距 变化小 变化大 不变 变化不大 变化很小 不变 悬架侧倾角钢度 较小，需横稳器 较大 较小，需横稳器 居中 较大 较大 横向钢度 大 大 小 较小 大 大 轴距 不变 不变 变 变化小 不变 变 由表 2.2 我们可以看出，独立悬架具有多种形式，考虑到方程式赛车速度高和对操纵稳定性有较高要求1314，且根据赛车总布置的需求同时参考各国内外车队的悬架布置形式，本设计选用双横臂独立悬架。此种悬架的主要优点是设计弹性好，侧倾中心位置及定位参数方便调整，可自行选定悬架 A 臂的长度，便于转向机构布置和转向特性调节。主要缺点是结构相对复杂，但在运动空间不足问题上可由赛车高弹性刚度来弥补，因此不会造成大的影响。2.1.2 FSAE 赛车悬架控制臂选材 纵观 2014 年国内 FSAE 大赛赛车悬架，控制臂的选材可以分为两类：碳纤维材质和钢管材质。图 2.1 某碳纤维 A 臂悬架实物图 图 2.2 某钢管 A 臂悬架实物图 8 表 2.3 碳纤维管 A 臂与 4130 钢管 A 臂的比较 由表 2.3 我们可以看出，在相同的设计条件下，不论是碳纤维材质还是钢管材质，其设计的理论可靠性均可满足设计要求。但从成本角度考虑，碳纤维管件的价格是 100￥/m，钢管的价格是 27￥/m，钢管材质的价格是碳纤维价格的 27%。而在质量上规格为 14X1.5 的钢管重量是 0.47kg，规格为 20X2 的碳纤维管的重量是0.18kg。而对于大学生方程式车队而言，保证赛车的可靠性和安全性是第一要务，因此保证赛车的可靠性非常重要，在可靠性上因为焊接工艺相对于碳纤维的胶粘工艺更加成熟，而在比赛中因碳纤维悬架胶粘处松脱导致无法正常比赛的事故在 FSAE赛事上也常有发生。故本次 A 臂设计选用 4130 钢管材质（4130 钢指合金结构钢又名 30CrMo，抗拉强度b930MPa、屈服强度s785MPa、硬度229HB）。2.1.3 设计要求 大赛规则要求（悬架部分）：（1）轴距要求：赛车轴距至少为 1525mm；（2）基本要求：赛车的四个轮子都要安装功能完善的并有避震器的悬架。在载人时，轮胎的跳动行程上下分别为为 25.4mm。轮辋尺寸至少为 8 英寸。悬架通用要求：（1）确保汽车具有良好的乘员舒适性和纵稳定性；（2）具有合适的衰减振动能力；（3）汽车在转弯时车身侧倾角合适；（4）布置紧凑合理，避免发生运动干涉，尽量少得占用空间尺寸；（5）在保证零部件强度和可靠性及轻量化要求的前提下，有效传递车轮与车身之间的各种力和力矩，；（6）便于布置、维修和保养。对比项 碳纤维 钢管 备注 成本 高 低 在统一设计要求下进行比较 质量 轻 重 理论可靠性 满足 满足 实际可靠性 不高 高 9 2.1.4 设计流程概述 作为第三次参加 FSEC 比赛的车队，在参照往届车队经验的同时，将上届赛车的不足进一步改善，并在参考大量国内外其他学校的赛车设计报告之后，确定如下设计流程：（1）轮辋与轮胎的选择；（2）轴距和轮距的确定；（3）悬架偏频的计算；（4）初始运动学计算与优化；（5）零件结构模型设计和装配；（7）动态模拟仿真和参数优化；（8）强度校核。2.2 悬架参数设计 2.2.1 轮辋和轮胎的选择 因为规则要求轮辋的尺寸至少为八英寸。而现在供应商所提供的轮胎当中，适用于 FSEC 大赛的轮胎类型只有十英寸和十三英寸两种。因为轮胎尺寸的限制，轮辋也就局限于十英寸和十三英寸两种。考虑到我们上一年用的是十英寸轮辋，比较有借鉴意义；而且用 10 英寸的轮辋可以降低 30%左右的簧下质量和 60%左右的转动惯量15，对改善汽车行驶的操纵性有很大帮助。故轮胎选择 Hoosier 十英寸轮胎。2.2.2 轮距和轴距的选择 参照云电二代车的总体布置数据，考虑到今年在主环与前环的距离、电池与电机的位置、传动系统的布置形式等方面与去年类似，故其总布置尺寸与上代车类似。但考虑到去年车架后部空间紧张，故与去年车架相比，轴距和轮距略有加长。今年轴距初定为 L=1570mm，在初定了轴距的情况下，可由经验公式（2.1）初定轮距：BkL （2-1）式中：B桥车的轮距，mm；L桥车的轴距，mm；k系数，取 0.550.64；10 经初步估算：赛车的轮距在 1000mm 左右。且查阅往年 FSAE 车队的资料，前轮距均大于后轮距，有资料表明，这有利于提高赛车的过弯能力和不足转向趋势13。初取前轮距 1200mm。2.2.4 四轮定位参数的初定 车轮定位参数是指车轮的外倾角、主销内倾角、主销后倾角和前轮前束角，主要作用是精确定位前轮在底盘上的空间位置。车轮定位参数的作用是保证车辆在在转向时轻便，直线行驶时保持稳定，同时使前轮转向后车轮有自动回正能力。前轮前束和车轮外倾也要合理匹配，才能减小车轮在直线或转向行驶时的磨损。国内外 FSAE 赛车车轮定位参数通常按照表 2.4 所提示的范围内选取。表 2.4 赛车车轮定位参数取值范围概况 在赛车的定位参数中，负 外倾角搭配负前束角的主要有以下几点原因：（1）在赛车高速转弯时，负外倾角可以中和横向离心力导致的车轮外倾角往正方向变化的趋势，增强轮胎对地面的附着力，确保赛车过弯流畅。（2）负前束角可提高赛车的转向响应速度。FSAE 赛道弯道比较多，负前束可使赛车入弯更快，减少过弯时间。（3）负外倾角搭配负前束角，可以保证赛车的直线行驶时的稳定性，减少轮胎的磨损。赛车的转向轻便性主要由主销内倾角和后倾角决定，同时也受到主销偏置距的影响。为了改善上代车反映出的转向沉重的问题，决定减小主销内倾角以减小回正力矩，提高转向轻便型。综合各种因素，本设计的车轮定位参数的取值如表 2.5 所示。表 2.5 云电车队车轮定位参数取值 定位参数 车轮外倾角 主销内倾角 主销后倾角 前轮前束角 前悬架-30 28 05-22 定位参数 车轮外倾角 主销内倾角 主销后倾角 前轮前束角 前悬架-1 3 3-1 11 2.3 悬架模型的建立 2.3.1 悬架几何 悬架几何一般包括悬架的正视几何、侧视几何和空间几何。根据已知的整车数据和车轮定位参数等，可以通过几何作图方法，初步确定外倾变化率、控制臂长度、控制臂角度、控制臂安装位置、主销偏距、传递比等参数。参照Race Car Vehicle Dynamics对赛车 A 臂端点进行了精确定位16。通过查阅国内外相关赛车悬架的设计报告，侧倾中心高度应该适中，因为当侧倾中心位置高时，由于侧倾中心到质心的距离变小，侧倾力矩会变小，从而使车身的侧倾角相应地变小。但是侧倾中心位置太高则会导致车身在倾斜时车轮的轮距变大，将缩减轮胎的使用寿命。在设计上、下 A 臂长度时，也要考虑到对轮胎的影响，为了降低轮胎的磨损程度，提高轮胎的使用寿命，当车轮上下跳动时，希望轮距的变化小，此时一般选择上、下 A 臂长度的比值在 0.6 左右。相反，为了保证汽车操纵稳定，一般选择上、下 A 臂长度的比值在 1.0 左右。为了兼顾轮胎使用寿命和操纵稳定性，本设计选定悬架上、下 A 臂的比值为 0.8。考虑到杆端轴承不能受较大剪切力，A 臂上均使用向心关节轴承。A 臂采用杆端接头与钢管装配的形式，提高了 A 臂结构的安全稳定性。已知条件有车轮定位参数、轴距 L=1570mm、前轮距=1200mm、最小离地间隙30mm，设前侧倾中心的离地高度为 15mm，主销垂直方向的长度为 160mm，上下控制臂长度比为0.8，考虑到车架前隔板与前环的连接，以及轮距的大小，初定上 A臂的长度为 270mm，为了提高转向轻便性，同时为了避免转向时控制臂与轮辋干涉，主销偏移距选为 50mm；下面是前悬架的线性三视图：12 图 2.3 前悬架几何 图 2.4 前悬架几何侧视图 2.3.2 抗反特性的计算 对于电池电机中置后驱的 FSAE 赛车而言，由于前桥主要受制动力，后桥主要受驱动力，因此既要考虑悬架的制动抗前俯特性，也要考虑其驱动抗后仰特性。抗前俯特性和抗后仰特性对赛车的制动和加速性能有着显著的影响，更影响了车身的振动和赛车的操纵性。前悬上下 A 臂的纵向面角度的布置角度设计为 6和 0，如上图所示相关参数：整车质心高度 H=250mm；轴距 L=1570m；13 2.3.3 弹簧刚度和阻尼的计算 2.3.3.1 悬架偏频的选取 根据查阅相关资料以及 FSAE 其他车队的经验，可以得出以下结论：表 2.6 悬架偏频比较 偏频高 悬架硬 操控性好 控制整车重心，稳定性好 偏频低 悬架软 平顺性好 缓和路面冲击，接地性增强 悬架刚度直接影响赛车偏频的选取。FSAE 赛车悬架偏频一般选取范围在2.0Hz-5.0Hz 之间。对于附升力适中的赛车，偏频选取在 1.5Hz-3.0Hz，对于附升力较大的赛车，偏频选取在 3.0Hz-5.0Hz。赛车偏频的选取前后悬架不宜一致，主要是为了避免共振。悬架偏频中，前偏频高后偏频低是基于性能的考虑；前偏频低后偏频高是基于平顺性的考虑。综合往年的 FSAE 经验以及去年的比赛情况，对悬架偏频选取为：前悬：1n=3.0Hz；后悬：2n=2.6Hz 表 2.7 整车参数表 参数名称 参数值 整备质量（kg）290 簧上质量（kg）240 轴距（mm）1570 前轮距（mm）1200 质心到前轴的水平距离（mm）706.5 质心到后轴的水平距离（mm）863.5 质心高度（mm）250 最小离地间隙（mm）30 14 2.3.3.2 适乘刚度的计算 根据赛车质量和车手重量计算簧载质量，设簧上质量为 280kg（整车质量340kg），则可由下式得到每个车轮的簧载质量：（2-2）式中：m指前轴每个车轮的簧载质量；2m指整车簧载质量；b指后轴到质心水平距离；L指轴距。计算可以得出：前簧载质量：280 45%/263mkg 单侧悬架的适乘刚度的计算，可由公式：2214RKn m （2-3）式中 RK指单侧前悬架适乘刚度；1n指前悬架偏频。计算可以得出：22436322384/RKN m 2.3.3.3 悬架静挠度的计算 悬架静挠度指的是：赛车静止状态下，悬架上载荷与悬架刚度的比值。满载时静挠度只与偏频有关。其计算公式为：（2-4）式中：n为偏频，cf为挠度。因此前挠度为27.7cfmm 2.3.3.4 悬架传递比的计算 悬架传递比就是指赛车轮胎跳动行程的导数与弹簧行程的导数的比值。即 2swRKK M如图所示是前悬架基本几何尺寸。22bmmL5/cnf 15 111RwTKKK 图 2.5 悬架基本几何尺寸 各参数取整。其中推杆与下 A 臂夹角为 58.5 推杆铰接点与主销上点距离为 33mm，下 A 臂有效长度为 331mm.设摇臂传递比为i，则可得到悬架传递比。（摇臂传递比=动力臂/阻力臂）对于i的取值，我们一般希望选取一个合适的值，使得弹簧刚度为一个较易得的值，方便采购。2.3.3.5 弹簧刚度的计算 如果把悬架看做一个整体，则悬架刚度由两部分构成：轮胎在径向方向上的刚度和弹簧所具备的刚度，并且两部分是串联的。由串联弹簧刚度计算公式：（2-5）式中：TK为轮胎径向刚度；RK为悬架刚度，即适乘刚度。取350/TKKN m，而22.4/RKKN m 由公式可得：弹簧刚度23.9/WKKN m 由计算公式：2SWKKMR （2-6）可知，选取不同传递比（i值），可得到不同的弹簧刚度。2.3.3.6 弹簧的选择 16 图 2.6 弹簧结构图 表 2.8 弹簧参数表 Fits In Hole Size Fits Over Shaft Wire Size Reference Free Length Load Load Length(Ref.)Load Length Solid Height Approx.Spring Rate(15%)in mm in mm in mm lb kg in mm in mm lb/in N/mm 0.5 12.7 0.281 7.14 0.084x0.097 1 25.4 46.5 21.1 0.85 21.59 0.77 19.56 310 54.3 0.625 15.88 0.343 8.72 0.081x0.123 1 25.4 75 34 0.75 19.05 0.65 16.51 300 52.5 0.625 15.88 0.343 8.72 0.093x0.125 1.25 31.75 61.1 27.7 1.062 26.98 0.913 23.19 325 56.9 0.75 19.05 0.375 9.52 0.125x0.165 3 76.2 148.5 67.4 2.55 64.77 2.19 55.63 330 57.8 0.75 19.05 0.375 9.52 0.135x0.165 3.5 88.9 181.1 82.2 2.975 75.57 2.7 68.58 345 60.4 1 25.4 0.5 12.7 0.158x0.221 4.5 114.3 237.6 107.8 3.825 97.15 3.285 83.57 352 61.6 根据弹簧参数表，我们选择前后悬均为345/lb in，对应的弹簧刚度为60.4/SKKN m，则可以求得摇臂传递比为1.6MR。17 2.3.3.7 悬架线刚度及无横向稳定杆侧倾角刚度的计算 悬架的线刚度是指将车轮固定在地面上，让车厢做垂直运动，单位车厢的位移下，悬架系统施加给车厢的总弹性恢复力。若单轮在竖直方向的刚度视为SK,悬架的线刚度则为2SK。在计算悬架线刚时，我们把悬架所有的弹性元件看做是某一刚度的弹簧。在前面的计算中，我们得出的适乘刚度即为这一等效弹簧的数值。所以可以知道悬架线刚度为：2lRKK （2-7）则前悬架的侧倾角刚度（无横向稳定杆），由公式：（2-8）式中 aK指前悬架的侧倾角刚度；B指前轮轮距。计算可以得出：564/()aKN m 侧倾目标刚度的计算：赛车在转弯时由于有离心力，会使赛车绕侧倾轴线绕动。产生力矩作用的力有两个，分别是离心力yF和重力zG。图 2.7 侧倾示意图 212alKK B 18 图中G与W分别代表重心和侧倾中心位置。把车手看作赛车的一部分，则在前后轮荷分别为 45%和 55%的情况下，前侧倾中心高度为 30mmW。若重心高度为300mm，最大侧向加速度为g2a。则可以算得mm270h。设yF个zG产生的力矩分别为yM和zM，则有：290 45%2 9.82557.8yFN 290 45%9.81278.9zGN 则有：-32557.8 270 cos210690yMNm -31278.9 270 sin21012zMNm 690 12702yzMMMNm 对前悬架而言，可计算得出目标侧倾角刚度为：1?702351/2degaNmKNm（）由于,1aaKK，弹簧的刚度足够提供转向的向心力，所以不需要加装横向稳定杆。2.3.3.8 避震器阻尼的选择 避震器的压缩和回弹阻尼计算：14y fymn （2-9)14s fsmn (2-10)式中 yf指前悬避震器压缩阻尼系数；sf指前悬避震器回弹阻尼系数；y指压缩相对阻尼系数（0.3）；s指回弹相对阻尼系数（0.4）。压缩行程的前减震器的阻尼：712.5yfN s 伸张行程的前减震器的阻尼：950.0sfN s 2.3.4 悬架三维建模 根据前面选定和计算的参数，利用 Catia 软件建立前悬架的三维模型零件图和总装图如下：19 图 2.8 前悬立柱 图 2.9 前悬摇臂 图 2.10 前悬架总装配图 20 3 前悬架优化和分析 3.1 悬架建模 利用 adams/car 模块进行建模,参考17-20，建立双横臂独立悬架的运动学模型。如图所示，前悬架模型中包含上、下 A 臂，推杆，避震器，车轮和立柱等。将 A 臂一端与立柱进行球铰连接；另一端与车架进行转动铰链；车轮与立柱进行转动铰链。在车架与地面固定铰连接的前提下，建立了前悬架运动学模型。图 3.1 前悬模型 3.2 前悬架仿真 首先设定所需的参数，然后设置轮胎上下跳动行程为 30mm（25.4mm），执行前轮双轮平行跳动仿真从而得到车轮定位参数随车轮跳动过程的变化曲线图。图 3.2 参数输入 21 从 Adams/postprocessor 中调出车轮参数的变化曲线：下面五图为车轮定位参数和侧倾中心随前轮双轮平行跳动时的变化曲线：车轮跳动时，主销内倾角变化：图 3.3 主销内倾角变化曲线 车轮跳动时，主销后倾角变化：图 3.4 主销后倾角变化曲线 车轮跳动时，车轮外倾角变化：图 3.5 车轮外倾角变化曲线 22 车轮跳动时，车轮前束变化：图 3.6 车轮前束变化曲线 车轮跳动时，侧倾中心变化：图 3.7 车轮侧倾中心曲线 由上图列如下表格：表 3.1 各参数随前轮双轮平行跳动的变化 参数 主销内倾 主销后倾 车轮外倾 前轮前束 侧倾中心 静态值 3.0 3.0 -1.0 1.0 15mm-30mm 1.25 2.996 -3.25 1.22 80mm 30mm 5.00 3.006 -7.00 0.77 0mm 变化量 3.75 0.010 -3.75 0.45 80mm 由图和表可知，主销内倾、车轮外倾和侧倾中心需要着重优化。3.3 前悬架优化 利用 adams/insight 模块分析出各点坐标对定位参数的影响灵敏度。23 3.3.1 设置目标函数 1()nijijf XfX（）(3-1)式中：if X（）是优化目标1,2,iN（）；iX是输入变量；n是优化目标的个数；j是优化方程。由仿真结果确定目标函数主要考虑主销内倾、车轮外倾以及侧倾中心的优化，同时观察主销后倾和前轮前束的变化范围。3.3.2 设计变量 影响车轮定位参数的变量有很多，如控制臂内、外点坐标，转向横拉杆内、外点坐标，弹簧刚度，减振器阻尼比等。对于弹簧刚度、减振器阻尼比、防侧倾杆刚度 3 个变量，基于技术调整难度和尽量简化优化设计过程的考虑，排除在设计变量之外。综合考虑，将上、下控制臂前后点的 y、z 坐标和横拉杆内点的 y、z 坐标共 10 个参数定为前悬架的设计变量。3.3.3 增加约束条件和优化结果分析 为了防止优化后的结果产生悬架和转向的干涉，同时受到车架的空间约束，将赛车的实际尺寸考虑在内，需要限定 10 个设计变量基于初始值的变化量范围，本设计将变量限定在mm10mm10-范围内。为了能够更好地优化，我们对每个定位参数的最大值和最小值均作为设计目标，据此掌握各个定位参数的变化范围。图 3.8 至图 3.11 分别展示了 10 个设计变量对 4 个设计目标的影响程度（敏感程度）。图 3.8 对主销后倾的影响 24 图 3.9 对前轮外倾的影响 图 3.10 对主销内倾的影响 图 3.11 对前轮前束的影响 图中看出，上控制臂前、后点 z 坐标，下控制臂前、后点 z 坐标和转向横拉杆内点 z 坐标 5 个变量对主销内倾，车轮外倾和前轮前束这 3 个设计目标的影响比较大。而所有设计变量对主销后倾的影响都不大。图中，设计变量影响程度为正值的表示设计变量和设计目标是正相关关系，而负值表示负相关关系。这样就知道了设计目标受哪些设计变量的影响及与变量的相关性，就可以在 ADAMS/Insight 里对定位参数进行优化分析，求出设计变量值使目标函数取得最小值。25 表 3.2 前悬架优化变量的比较 设计变量 坐标初始值/mm 坐标优化值/mm 上控制臂前点 z 坐标 232.95 242.95 上控制臂后点 z 坐标 232.95 237.95 下控制臂前点 z 坐标 117.19 107.95 下控制臂后点 z 坐标 117.95 107.95 横拉杆内点 z 坐标 141.6 136.6 根据前面得到的优化结果，修改前悬架模型相应的硬点坐标，设置相同的仿真参数，再次进行前轮双轮平行跳动仿真试验。将悬架优化前后的运动学性能进行比较，以验证多目标优化分析结果的正确性。下面为优化前后各参数的比较：图 3.12 优化前后车轮外倾角变化曲线比较 图 3.13 优化前后主销内倾角变化曲线比较 26 图 3.14 优化前后主销后倾角变化曲线比较 图 3.15 优化前后前轮前束角变化曲线比较 图 3.16 优化前后侧倾中心高度变化曲线比较 27 表 3.3 优化前后比较 由上可知：（1）主销外倾变化量由之前的 3.75 减小到 2.6，减小了 1.15，优化效果明显。并且变化趋势正确，基本满足设计要求。（2）主销内倾变化量由之前的 3.75 减小到 2.5，减小了 1.25，优化效果较好。并且变化趋势正确，基本满足设计要求。（3）主销后倾变化量由之前的 0.01 增加到 0.52，增加了 0.51，优化结果合理，变化趋势正确，能够起到补偿赛车制动和加速时的后倾变化的作用。（4）前轮前束变化量由之前的 0.45 增加到 0.6，增加了 0.15，增幅不明显，变化趋势合理且能够与车轮外倾相匹配。（5）侧倾中心的垂直变化变小所以，前悬架在优化后有其参数有了一定的改善，对提高赛车的操稳有一定帮助作用。3.4 关键部件力学分析 3.4.1 立柱的受力分析 本设计的立柱采用 7075 铝合金材料，采用可调式耳片设计，可以根据不同的比赛项目调节车轮的倾角。立柱上用螺栓连接转向耳片，方便后期调整转向梯形角。立柱作为赛车悬架中重要的零部件之一，其结构强度及刚度对赛车的性能和可靠性有着直接的影响。前立柱在转向和制动时的工况最为恶劣，所以我们以此工况来检验前立柱的可靠性。由于时间、财力、物力等因素的限制，所以我们选择用 ANSYS软件进行分析，并进行优化。并根据往年经验保证其强度和轻量化21。参数 车轮外倾 主销内倾 主销后倾 前轮前束 初始值-1.0 3.0 3.0 1.0 优化前变量-3.75 3.75 0.01 0.45 优化后变量-2.6 2.5 0.52 0.6 28 （1）设置材料库参数。我们的立柱所用材料为 7075 铝合金，在材料库中没有找到与之一致的型号，所以需要自己对材料属性进行修改。图 3.17 材料参数输入 （2）导入模型到 Geometry 模块并进行几何清理，立柱模型是用 catiaV5R20 建立的，而分析需要用 ANSYS 14.0，模型不能直接导入，所以需要先转成合适的格式，在这里我们先转成 stp 格式。文献22和文献23导入后的模型没有发生破损的情况，但是有一些圆柱面变成了两半圆柱面组成的，所以需要进行几何清理，将两半圆柱面合成一个圆柱面。图 3.18 网格划分 29（3）在 Model 模块中进行网格划分并优化网格质量 模型导入成功后，我们就要在 Model 中进行网格的划分。在有限元分析中,划分网格的步骤十分关键。网格质量的好坏直接决定了分析精度的高低，因此,如何根据模型的受力情况和本身的几何特征利用软件的各种命令来提高质量网格具有很重要的意义。该立柱模型形状相对来说不是很规整，所以不适合采用六面体单元体。由于模型局部的几何形状的复杂程度以及所受到的约束和载荷不同，我们会针对分析的重点部位进行局部的加密。（4）在 Setup 和 Solution 模块中添加约束和载荷并运算 根据零件的工作状况，在这一步要在 Setup 模块中对零件的约束情况和加载情况进行设定。约束主要来自于上下两个硬点对其的固定。载荷则分别是赛车的重力