“夢想4.0號”賽車行駛系設計（含UG三維圖）
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摘要
隨著2010 年我國開始舉辦大學生方程式賽車比賽以來，越來越多的高校開始了對
FSAE 賽車的研究、制造與調試。到2017 年，我國大學生方程式汽車大賽由剛開始的20
多支車隊發展到了80 多支。為了我校行知車隊在2017 年10 月襄陽舉辦的第八屆中國
大學生方程式汽車大賽中取得優異的成績，本文對新一季的“夢想4.0 號”賽車的行駛
系統進行了設計與優化。根據2017 年方程式大賽規則，結合以往設計經驗，對“夢想4.0 號”賽車懸架和
車架進行設計計算。在懸架方面，對懸架類型進行了選型，選定車輪定位參數以進行了
懸架幾何設計和剛度與阻尼的計算。在車架方面，基于人機工程學和賽車總布置要求，
對車架進行了設計。然后利用CATIA 軟件對懸架總成和車架進行了三維建模。利用
ADAMS/Car 對車輪定位參數以及側傾中心高度進行了仿真，分析各參數隨輪跳的變化規
律，找出其不合理的性能參數，用ADAMS/insight 對其進行多目標優化。并用ADAMS/Car
對車輪中心剛度、乘適剛度、側傾剛度和傳動比進行仿真，仿真結果和理論設計計算進
行對比，驗證理論計算的正確性。用ANSYS 軟件對懸架關鍵零部件搖臂進行了有限元仿
真分析，驗證其強度是否符合要求。對于車架的分析，本文用ANSYS 對車架進行多種工
況下的強度分析，以及進行了扭轉剛度、彎曲剛度的仿真分析與計算，結果表明“夢想
4.0 號”賽車車架符合強度與剛度要求
- 內容簡介：
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設計說明書中北大學“夢想4.0號”賽車行駛系設計學生姓名：學號：學院：機械與動力工程學院專業：車輛工程指導教師：20年月中北大學“夢想4.0號”賽車行駛系設計摘要隨著2010年我國開始舉辦大學生方程式賽車比賽以來，越來越多的高校開始了對FSAE賽車的研究、制造與調試。到2017年，我國大學生方程式汽車大賽由剛開始的20多支車隊發展到了80多支。為了我校行知車隊在2017年10月襄陽舉辦的第八屆中國大學生方程式汽車大賽中取得優異的成績，本文對新一季的“夢想4.0號”賽車的行駛系統進行了設計與優化。根據2017年方程式大賽規則，結合以往設計經驗，對“夢想4.0號”賽車懸架和車架進行設計計算。在懸架方面，對懸架類型進行了選型，選定車輪定位參數以進行了懸架幾何設計和剛度與阻尼的計算。在車架方面，基于人機工程學和賽車總布置要求，對車架進行了設計。然后利用CATIA軟件對懸架總成和車架進行了三維建模。利用ADAMS/Car對車輪定位參數以及側傾中心高度進行了仿真，分析各參數隨輪跳的變化規律，找出其不合理的性能參數，用ADAMS/insight對其進行多目標優化。并用ADAMS/Car對車輪中心剛度、乘適剛度、側傾剛度和傳動比進行仿真，仿真結果和理論設計計算進行對比，驗證理論計算的正確性。用ANSYS軟件對懸架關鍵零部件搖臂進行了有限元仿真分析，驗證其強度是否符合要求。對于車架的分析，本文用ANSYS對車架進行多種工況下的強度分析，以及進行了扭轉剛度、彎曲剛度的仿真分析與計算，結果表明“夢想4.0號”賽車車架符合強度與剛度要求。關鍵詞：大學生方程式賽車，懸架系統，車架，仿真分析，有限元Designoftherunningsystemofdream4.0racingcaratNorthCentralUniversityabstractSince2010,ourcountrybegantoholdtheformularacingcompetition,moreandmorecollegesanduniversitiesbegantostudy,manufactureanddebugtheFSAEracingcar.By2017,ouruniversityformulaautomobilecompetitionhaddevelopedfrommorethan20teamsinthebeginningtomorethan80.nordertoachievetheexcellentresultsoftheeighthChinesecollegestudentsFormulaOnecarraceheldinXiangyanginOctober2017,thispaperdesignedandoptimizedthedrivingsystemoftheDream4.0racingcarinthenewseason.Accordingtotheformulacompetitionrulesof2017,combinedwiththepastdesignexperience,thedesignandcalculationofthesuspensionandframeofdreamNo.4racingcarwerecarriedout.Intheaspectofsuspension,thetypeofsuspensionisselected,andtheparametersofwheelalignmentareselectedtodothegeometricdesignofsuspensionandthecalculationofstiffnessanddamping.Intheframe,basedontheergonomicsandthegenerallayoutrequirementsofthecar,theframewasdesigned,andthenthe3DmodelingofthesuspensionassemblyandtheframewascarriedoutbyusingCATIAsoftware.ThewheelalignmentparametersandtherollcenterheightaresimulatedbyusingADAMS/Car.Thechangerulesofeachparameterwithwheeljumpareanalyzed,andtheunreasonableperformanceparametersarefound.Themulti-objectiveoptimizationiscarriedoutbyusingADAMS/insight.TheADAMS/Carisusedtosimulatethewheelcenterstiffness,ridestiffness,rollstiffnessandtransmissionratio.Thesimulationresultsarecomparedwiththetheoreticaldesigncalculationstoverifythecorrectnessofthetheoreticalcalculation.ThefiniteelementsimulationanalysisoftherockerarmofthekeypartsofsuspensioniscarriedoutbyusingANSYSsoftwaretoverifywhetherthestrengthmeetstherequirements.Fortheanalysisoftheframe,thispaperusedANSYStoanalyzethestrengthoftheframeundervariousconditions,andthetorsionstiffness,bendingstiffnesscalculationandsimulationanalysis,resultsshowthatthedream4carframewithstrengthandstiffnessrequirements.Keywords：FSAEracing，SuspensionSystem，Frame，Simulationanalysis，FiniteelementI目錄1、緒論.11.1課題研究背景.11.2FSAE賽車行駛系國內外研究現狀.31.2.1FSAE賽車行駛系國外研究現狀.31.2.2FSAE賽車行駛系國內研究現狀.41.3課題研究的內容及目的.52、“夢想4.0號”賽車前后懸架設計.72.12017中國大學生方程式大賽規則對懸架系統的設計要求.72.2“夢想4.0號”賽車賽車輪胎、輪輞的選型以及減震器選擇.72.3“夢想4.0號”賽車懸架系統的選型.92.4“夢想4.0號”賽車懸架參數與設計.102.4.1車輪定位參數的選定.102.4.2“夢想4.0號”賽車懸架幾何設計.132.4.3懸架剛度與阻尼的計算.172.5懸架關鍵零部件設計.243、“夢想4.0號”賽車車架設計.293.1FSAE賽車車架介紹.293.2車架材料選擇.303.3車架結構設計.313.4車架有限元分析.343.4.1車架不同工況強度分析.343.4.2車架剛度仿真分析.384、“夢想4.0號”賽車懸架仿真.414.1車輛動力學介紹.414.2FSAE建模介紹.414.3“夢想4.0號”賽車前懸建模及仿真分析.414.3.1前懸建模.41II4.3.2前懸運動學仿真分析.434.4“夢想4.0號”賽車后懸建模與仿真.504.4.1后懸建模.504.4.2后懸運動學仿真分析.525、2016參賽紀實.576、總結與展望.596.1總結.596.2展望.59附錄.61參考文獻.64致謝.66第1頁共66頁1、緒論1.1課題研究背景FSAE（FormulaSocietyofAutomotiveEngineers）方程式汽車大賽最早起源于1978年，那時美國舉行了一個叫迷你印地（MiniIndy）的小型方程式賽車比賽。我國也于2010年在上海成功舉辦了首屆中國大學生方程式汽車大賽（FSAE），到現在已經成功舉辦了7屆，我國高校80多個車隊加入了這個行列。這項比賽是各國汽車工程師協會為了挑戰在校大學生或研究生賽車團隊在小型休閑賽車方面的設計、加工、制造及創新能力而發起的一場賽事。大賽要求各個高校車隊在12個月內自行設計和制造出一輛在加速、制動和操控性能以及耐久和燃油經濟性等各個方面都能表現優異的小型單座休閑的方程式賽車。這項比賽到現在為止已經有30多年的歷史了，其中德國、英國、澳大利亞、日本、巴西、意大利和中國等國家在美國舉辦之后相繼加入了這一賽事。現在，FSAE發展迅速，在賽車設計方面越來越多的創新理念融入了里面，在制造方面也越來越精細。這項賽事給在校大學生提供了一個創新和實踐的機會，為汽車行業培養了大量的具有扎實的理論基礎、非凡的創新能力、高超的工程實踐能力的年輕工程師。在一年的時間里，參賽團隊要做好設計和加工方面的時間節點安排，在設計的時候也要考慮成本以及加工費，根據自己車隊的實際情況做好預算（包括設備、材料等），這也給學生提供了一個團隊工作的機會。中北大學行知車隊也于2014年開始參加這個比賽，2017年將會參加中國第八屆大學生方程式汽車大賽。2014年和2015年，行知車隊在靜態賽的成本報告項目中分別獲得了第四和第五名的好成績，2015年還獲得了“優勝獎”。2016年，“夢想3.0號”賽車成功跑完耐久，是行知車隊參加比賽以來第一次完賽，最后獲得了總成績“三等獎”的好成績。經過三屆的比賽，現在行知車隊在比賽技巧以及賽車設計制作方面也已經積累了很多寶貴的經驗。圖1.1、圖1.2、圖1.3為中北大學行知車隊前三年已經參賽的的FSAE賽車。第2頁共66頁圖1.1中北大學2014年參賽賽車圖1.2中北大學2015年參賽賽車圖1.3中北大學2016年參賽賽車比賽規則中，對賽車的總體設計做出以下要求：（1）賽車式樣：賽車必須車輪外露和座艙敞開（方程式賽車式樣），并且四個車輪不能在一條直線上；（2）車身：除了駕駛艙必須開口以外，從賽車最前端到主防滾架（或者防火墻）的這段空間里，不允許車身上有深入駕駛艙的開口。允許在前懸架的零件處有微小的開口。（3）軸距：賽車的軸距至少為1525mm（60英寸）。（4）輪距：賽車較小的輪距（前輪或后輪）必須不小于較大輪距的75%。（5）可視性：技術檢查表格上的所有條目必須在不借助工具（比如內窺鏡或是鏡子）的情況下清楚地呈現給技術檢查官。呈示時可以通過拆卸或移動車身板件來實現1。在評分方面，規則中專門提出了測評內容。參賽車輛將在一系列的靜態和動態項目中進行測評，包括：技術檢查、成本與制造分析、營銷報告、賽車設計、單項性能測試和良好的賽道耐久性1。其中技術檢查不計分，但是在進行動態賽之前，賽車必須通過技術檢查，否則無法繼續比賽。各項分數如表1.1所示第3頁共66頁表1.1各比賽項目及分值靜態項目分數動態項目分數技術檢查不計分直線加速測試75成本與制造分析1008字繞環測試50營銷報告75高速避障測試150賽車設計150效率測試100耐久測試300靜態項目總分325動態項目總分675總分10001.2FSAE賽車行駛系國內外研究現狀1.2.1FSAE賽車行駛系國外研究現狀FSAE賽事發展到今，國內外各個高校車隊對方程式賽車的研究也越來越深入。國外高校對FSAE賽車研究比較早，所以對于方程式賽車的零部件設計及優化甚至加工制造更加豐富與成熟，在賽車行駛系方面技術積累相當多。在懸架方面，例如，美國一所高校對大學生方程式所用的輪胎的特點和各項性能進行對比研究，對于提高輪胎的各項使用性能有了一個相對全面的理論依據2；兩個美國工程師比較詳細地說明了賽車各系統構件的設計優化和制造要點以及賽車各項性能的設計理論，目前，在FSAE圈子里，成為了經典的設計學習教材3。一個美國高校車隊設計懸架的整個過程，他們采用了拉桿式雙橫臂懸架，有效的降低了賽車的重心，在設計時采用了多種仿真和結構分析軟件，分析了多種受載情況下各零部件的受力情況，為賽車其他模塊兒設計提供數據4。文獻一個俄羅斯高校對于懸架幾何做了一個詳細的研究5。目前，世界各國車隊在車架方面的研究也累積了豐富的經驗，都利用計算機技術對車架做了強度與剛度的分析與計算，而且計算機輔助軟件也越來越豐富。現在，世界上普遍使用的CAE有限元仿真分析軟件有：HyperWorks、ANSYS、MSC.NASTRAN、MARC、PATRAN、ABAQUS、LS-DYNA、ADINA、ANSA等，這些軟件對于結構力學分析和零部件優化有很大作用。在汽車車架研究方面，國外CAE有限元分析技術的研究起步較早，CAE技術現己比較成熟。大學生方程式也將有限元分析作為設計中不可或缺的設計分析方第4頁共66頁法，有限元主要可以用于零部件的強度、剛度分析，以及疲勞耐久分析和性能分析。在FSAE賽車車架結構分析與優化方面，國外高校已經普遍將其作為賽車設計的一個標準流程，并通過建立虛擬樣機來代替實車。因為參加大學生方程式賽車都是各高校精心手工打造，基本上一年一輛，不是量產車，我們不可能對其進行大部分試驗，所以通過建立虛擬樣機進行實驗，這樣不僅提高了設計效率，縮短了開發周期還降低了成本，這對于大學生來說，是很重要的。一個國外車隊結合理論分析，講述了路面激勵對車架振動的影響。對車架進行扭轉、壓力剛度以及強度和對車架進行模態分析，使其達到理想的輕量化6。德國斯圖加特大學詳細的對大學生方程式進行CAE仿真分析，在輕量化方面做的非常好，而且賽車性能和加工工藝也較為突出7。1.2.2FSAE賽車行駛系國內研究現狀我們國內各高校對FSAE賽車研究較晚，但也有幾所高校也有了自己獨特的研究成果，其發表的論文也國內的經典教材。湖南大學的張武利用ADAMS/Car對于賽車的操縱穩定性進行了動力學仿真8；湖南大學的柴天結合多年的FSAE賽車設計以及制造經驗，比較詳細的介紹了賽車各個系統設計要點，并且對湖南大學3輛FSAE賽車用ADAMS/Car進行了整車仿真，通過對3輛賽車輪胎特性、偏頻的對比分析，研究了其對整車性能的影響9。湖南大學劉美燕以2007年湖南大學方程式賽車為研究對象，利用ADAMS/Car對懸架和整車進行了運動學仿真分析，對操縱穩定性做了詳細的介紹10。北京理工大學的倪俊等對方程式輪胎模型做了簡要介紹，在建模過程以及輪胎使用技巧方面提供了很有用的建議，供國內各個高校參考使用11。倪俊等人發表了多篇關于賽車各種外界條件下的賽車操縱穩定性仿真分析，利用ADAMS/Car對賽車操縱穩定性進行了仿真，深入分析了有穩態回轉、蛇形繞樁實驗等12；倪俊等人考慮了空氣動力學因素，使模型更加接近實際，在此基礎上進行了進行了穩態回轉實驗、轉向盤角階躍輸入實驗、轉向輕便性實驗及回正性試驗13。利用ADAMS/Car建立了賽道模型，模擬了賽車行駛中遇到的典型側風工況，分析了FSAE賽車遇到側風時的穩定性14。文哈工大的李嫚很詳細的介紹了他們學校參加比賽賽車的設計過程，利用ADAMS/Car對懸架和整車進行仿真優化，用ANSYS對FSAE賽車主要受力部件進行有限元分析，從其應力和應變兩方面確定是否滿足結構要求15。2013年哈工大范雪梅除了討論懸架設計方法和仿真分析方法以外，并且分析了碳纖維復合材料在懸架中的應用，研究了碳纖維管和金屬膠粘的連接方法與工藝，并做了驗證，為碳纖維復合材料在懸架上的應用提供了有力的依據16。華南理工大第5頁共66頁學的吳建瑜很詳細的介紹了雙叉臂懸架的設計和剛度計算方法，成為了國內FSAE賽車設計必備參考教材17。在車架方面，國內高校也逐步應用了有限元分析法，雖然沒有國外早期研究有限元法在FSAE賽車上應用成熟，但經過7個賽季的發展，國內各高校也積累了很多經驗。北京理工大學在有限元分析這一塊兒，已經達到了較高的水平，他們的FSAE賽車無論是結構設計還是輕量化在國內都是做的非常好的。特別他們從2015賽季開始，黑鯊VI歷史性的首次使用單體殼承載式車身，替代了原有的鋼管桁架式車架，滿足整車輕量化和高扭轉剛度的要求。河北工業大學吳亮亮用HyperMesh對FSAE賽車車架進行多種工況分析（靜態彎曲、扭轉、滿載加速、滿載轉彎、翻車），得到各種工況下的應力和位移云圖，對結果進行分析。還用有限元軟件對車架模型進行了模態分析，對實車車架進行了模態實驗，二者進行了對比分析。文獻中還介紹了一種遠程在線測試系統，在車架薄弱點安裝應變片，檢測賽車車架在不同工況下應力變化，為輕量化設計提供了可驗證的數據18。南京理工大學倪曉菊利用ABAOUS對車架進行不同工況（彎曲、激勵、扭轉、彎扭組合）的力學分析，計算車架的強度和剛度。為了防止共振，利用ABAOUS軟件對車架進行動力學分析，主要是車架的模態分析，包括自由模態和約束模態的分析，并且根據分析結果提出結論,并用電阻式應變儀對2015年比賽實車車架進行靜力試驗，把試驗結果和有限元模型靜力分析結果進行比較，驗證模型的可靠性19。同濟大學余海燕等用了單體殼是一種新型結構技術，車架和車身為一體代替了傳統鋼架結構，比傳統鋼架車架車身質量減少34%。文中用不同碳纖維和鋁蜂窩板作為車身主材對FSAE賽車進行單體殼車身設計，通過對比，選擇出了合適的碳纖維材料。并用有限元分析方法對單體殼車身進行了優化分析20。中北大學李越輝詳細介紹了ANSYS有限元分析在車架上的應用，對車架進行了五種極限工況下的強度分析、彎曲剛度及扭轉剛度分析、模態分析31。1.3課題研究的內容及目的為了參加2017年10月中旬在襄陽舉辦的第八屆中國大學生方程式汽車大賽，根據中國大學生方程式汽車大賽賽事規則和賽車制造標準要求，對中北大學“夢想4.0號”賽車行駛系統進行匹配計算分析，計算行駛系統及總成各部件的設計參數，完成行駛系統總成的設計及優化。行駛系統包括車架、懸架、車輪、輪胎和車橋等，在FSAE方程式賽車設計上，我們不說車橋，本文主要研究懸架和車架，并運用多體動力學軟件ADAMS和靜力學分析軟件ANSYS對懸架和車架進行仿真分析。第6頁共66頁結合前三輛“夢想號”的行駛系統設計以及制造上的不足，并參考其他高校設計優點，將“夢想4.0號”賽車懸架和車架更好的匹配，分析懸架運動學參數的變化規律，為“夢想4.0號”賽車的調試提供理論依據和確保賽車具有良好的操縱穩定性和行駛平順性。方程式賽車設計是傾向于操縱穩定性的，并不太多考慮舒適性。借助ANSYS軟件的輔助設計，在車架保持高扭轉剛度的同時，做到輕量化設計。懸架的機構設計方面的要求主要集中在可靠性、調整簡便性、結構合理性、輕量化等方面。本文研究目的在于將依照機械設計的原則,在借鑒國內外優秀賽車的設計與制造經驗的同時,對中北大學行知車隊前三屆賽車的懸架機構和車架的設計工作進行總結,繼承優點并改進不足,以求在2017年中國大學生方程式汽車大賽中的設計答辯環節和分值比重較大的動態項目上取得優異成績。第7頁共66頁2、“夢想4.0號”賽車前后懸架設計懸架是車架與車輪之間一切傳力連接裝置的總稱，通常包括了彈性原件、減震器與導向機構，在賽車上一般還有防傾桿23。在進行懸架的設計與計算之前，首先需要確定一些整車參數。根據整車結構、尺寸和參數來設計懸架系統，并與車身車架系統和轉向系統相協調。本文設計的“夢想4.0號”大學生方程式賽車整車參數如下：整備質量（載人65kg）m：275kg簧上質量（估計）sm：235kg單個輪邊質量：10kg軸距l：1525mm前輪距fB：1200mm后輪距rB：1170mm軸荷比（估計）：45/55質心高度：300mm質心到前軸距離fl：849.75mm質心到后軸距離rl:695.25mm最小離地間隙：35mm最小轉彎半徑：3500mm2.12017中國大學生方程式大賽規則對懸架系統的設計要求大賽規則對懸架要求如下1：1、賽車所有車輪必須安裝有功能完善的、帶有減震器的懸架。在有車手乘坐的情況下，輪胎的跳動行程至少為50.8mm（2英寸），其中向上25.4mm（1英寸），向下25.4mm（1英寸）。如果賽車沒能表現出適合比賽的操控能力，或是沒有經過認真的設計，裁判有權取消賽車的參賽資格。2、在技術檢查中，懸架的所有的安裝點必須可以被呈示給裁判，無論是可以直接看到或是通過移除覆蓋件來實現。3、輪距與賽車質心必須協調布置以保證足夠的側傾穩定性。側傾穩定性將通過傾斜實驗臺測試來檢測。測試時，賽車必須能在傾斜臺側向傾斜60時，不發生側翻。相當于賽車在承受1.7g的側向加速度時，不會發生側翻。2.2“夢想4.0號”賽車賽車輪胎、輪輞的選型以及減震器選擇鑒于FSAE賽事中的動態比賽是追求速度與操縱性的比賽，輪胎是賽車唯一接地的部分，因此輪胎的性能起到了關鍵性作用。依據FSAE賽事規則要求賽車輪胎直徑必須至少為203.2（8.0英寸）。目前國內賽事尺寸大多為10英寸和13英寸，國外已經有車對用了更小的8英寸輪胎了。FSAE賽事主流輪胎品牌為美國Hoosier輪胎、德國第8頁共66頁Continental輪胎、中國的佳通輪胎等。輪胎尺寸有10英寸和13英寸。賽車輪胎都為熱熔胎，胎質較軟，升溫快，胎面很容易融化，然后可以牢牢粘附在地面上，能夠產生很強的抓地力。根據國內外賽事的多年經驗篩選，專注于賽車輪胎的Hoosier品牌憑借其全面的尺寸型號和優異的性能，逐漸脫穎而出成為主流。整車轉動慣量是指車輛相對質心的橫擺轉動慣量，直接影響著車輛的橫擺角加速度。由于車輪是處于賽車最靠外部分的部件，因此其對于整車轉動慣量影響極大，通過降低車輪質量來降低整體轉動慣量，效果最為明顯。通常，降低車輪質量的做法，是選用小尺寸參數的輪胎輪輞、自制輕質輪輻或使用質量更輕的材料(例如碳纖維材質的輪輞)。降低車輪質量意味著更輕的整車質量、更小的非簧載質量和更小的整車轉動慣量，對整車多方面性能都有較大的提升。同時車輪的自身的轉動慣量還影響著動力傳動系統的輸出響應和制動響應，車輪自身轉動慣量越大，動力輸出和制動響應越差。相對小直徑車輪，直徑較大的車輪自身轉動慣量較大，必將導致整體加速度的下降。另一方面，相同驅動力輸出的條件下，大直徑車輪就意味著大尺寸的傳動系統零部件；相同制動器制動力的條件下，就意味著更大的制動盤直徑，同時還造成很多其他附件的尺寸的增加，因此造成了不可忽視的隱形增重。綜合以上多種因素考慮，為了使賽車性能得到提升，質量小、慣量小的小尺寸參數的車輪應用越來越廣泛(目前國內普及的小尺寸輪輞為10英寸直徑輪輞，國外已有車隊在用8英寸直徑的輪輞，但由于需要定制輪胎未能得到普及)，在FSAE賽事中已成為趨勢。而質量更輕、慣量更小的碳纖維材質輪輞隨著工藝的成熟和價格的降低，應用也越來越廣泛。鑒于以上考慮，再加上資金以及其他條件考慮，“夢想4.0”所用輪輞和“夢想3.0”一樣，依舊采用自制輪輞、輪輻為一體的鑄造式鋁合金輪輞，如圖2.1所示輪輞實物圖。“夢想4.0號”賽車所采用輪胎為Hoosier187.5-10R25B，較去年佳通輪胎Giti186.0-10胎面寬度更寬，接地面積更大，而且Hoosier胎比Giti胎面更軟，更容易融化，這樣“夢想4.0號”賽車比“夢想3.0號”賽車有了更好的抓地力以及性能更加優異。大學生方程式賽車注重操縱穩定性，因此需要良好避震功能的減震器，“夢想4.0號”賽車所選減震器為FOX雙向可調阻尼減震器，專門為FSAE方程式設計，在市場上可以直接購買，如圖2.2所示。第9頁共66頁圖2.1輪輞實物圖圖2.2FOX減震器實物圖2.3“夢想4.0號”賽車懸架系統的選型FSAE賽車雖然不像F1賽車那樣的高速賽車，但大學生方程式賽道的彎道遠遠多于其他賽車賽道，因此對賽車的操控穩定性要求很高。同時考慮到FSAE賽車整體結構、成本費用、可加工性、空間尺寸、相比其他懸架雙橫臂懸架設計自由度大、較小的非簧載質量等方面考慮，FSAE賽車一般都采用獨立懸架中的不等長雙橫臂懸架。賽車上的不等長雙橫臂獨立懸架一般有3種設計方案：推桿不等長雙橫臂懸架、拉桿不等長雙橫臂獨立懸架和叉臂不等長不等長雙橫臂獨立懸架24。（1）推桿不等長雙橫臂獨立懸架推桿不等長雙橫臂懸架如圖2.3a所示。其主要優點是：推桿在大多數時間承受軸向壓力，一般桿件型材料的抗壓強度要大于抗拉強度，因此即使賽車長時間運動，懸架推桿也不容易被折斷或損壞；這種布置方式的減振器一般外置，這樣方便調節阻尼。缺點主要有：推桿下端直接鉸接到下控制臂端點附近，這使得下控制臂承受了較大彎矩；搖臂和減震器布置在車架的上部，整車的質心升高，側傾角度增大，不利于賽車的操縱穩定性；沒有充分利用了車架的內部空間，不利于賽車車身的流線型設計。（2）拉桿不等長雙橫臂獨立懸架拉桿不等長雙橫臂獨立懸架如圖2.3b所示。其主要優點是：搖臂和減震器布置在車架底部，使整車的質心下降，有利于提高賽車的操縱穩定性；充分利用了車架內部空間，有利于車身的流線設計。缺點主要有：拉桿在大部分時間承受軸向拉力，如果材料選用不合適的話，懸架在惡劣運動情況下，拉桿容易被拉斷；減振器內置不方便調節阻尼。（3）叉臂不等長雙橫臂獨立懸架叉臂不等長雙橫臂獨立懸架如圖2.3c所示。其主要優點是：減振器一端鉸接到車第10頁共66頁架上，另一端直接鉸接到下控制臂上，沒有推、拉桿和搖臂，大大減輕了簧下質量；減振器外置方便調節其阻尼；省去中間傳力機構，懸架系統工作更穩定。缺點是減振器下端直接鉸接到下控制臂上，使得下控制臂承受較大彎矩；懸架的工作行程相對較短，不利于賽車操縱穩定性和平順性；不利于橫向穩定桿的安裝。a推桿驅動b拉桿驅動c叉臂驅動圖2.3不等長雙橫臂獨立懸架設計方案2.4“夢想4.0號”賽車懸架參數與設計懸架參數設計包括了選定車輪定位參數、懸架幾何的設計、偏頻選擇、剛度計算和阻尼計算等。2.4.1車輪定位參數的選定車輪定位參數主要包括車輪外傾角、車輪前束角、主銷內傾角和主銷后傾角，其對車輛的操縱穩定性、轉向性能和輪胎壽命有重要影響。在車輛行駛過程中，車輪相對于車架的運動和車輪受力一般都會引起車某些輪定位參數的改變而發生變化，為了將車輪定位參數的變化規律控制在合理的范圍內，設計時一般通過合理地設計懸架和轉向系統來做到。圖2.4顯示了“夢想4.0號”賽車前懸主銷內傾角為4。和主銷后傾角4。；圖2.5顯示了“夢想4.0號”賽車前懸外傾角為-1.5。；圖2.6顯示了“夢想4.0號”賽車前懸前束角為-1。其中UBJ表示控制臂外上球鉸，LBJ表示控制臂外下球鉸。圖2.4“夢想4.0”前懸主銷內傾角和主銷后傾角第11頁共66頁圖2.5“夢想4.0”前懸外傾角圖2.6“夢想4.0”前懸前束角（1）車輪外傾角車輪外傾角是車輪中心平面與垂直線在汽車橫向平面內的夾角23。車輪頂端相對于車體向外傾斜定義為正的外傾角，反之，向內傾斜定義為負的外傾角15。在傳統汽車上，前輪外傾角通常為0。或者+1。以下的小角度，其為正值為了彌補重型汽車滿載時車橋變形引起的車輪內傾。而賽車在以較高車速轉彎時，會產生較大的離心力引起車輪外傾，所以賽車一般取負的外傾角保證車輪和地面始終能保持良好的接觸，保證賽車盡管高速時也能順利通過各種彎道。（2）前束角前束角是車輪平面與車身前進方向的夾角24。正前束角是輪胎中心線前端向內收束，反之為負前束角15。前輪由于負的外傾角在車輪滾動時有向內滾動的趨勢，增加負前束可以減小輪胎的邊滾邊滑；再者，賽車行駛的賽道彎道很多，故一般設置為負的前束角，減少賽車在入彎過程和彎道行駛中的時間，從而也能提高轉向的靈敏程度。而通常情況下，負前束角搭配負外傾角，能確保賽車的直線行駛穩定性，減少輪胎起熱和輪胎磨損。而后輪取“內八字”，正的前束角可以增加轉向不足，而“夢想4.0號”賽車第12頁共66頁設計初衷為了增加入彎響應，轉向設計接近中性或者稍微不足，因此，后輪前束角設計為-1。（3）主銷內傾角和磨胎半徑主銷內傾角是主銷與垂直線在汽車橫向平面內的夾角24。如圖2.4所示，主銷內傾角為正，因為車輪繞主銷旋轉會陷入地下，故主銷內傾角利用自身的重力產生回正力矩，有利于改善汽車的操縱穩定性。向地面垂直線內側傾斜的角度稱為正內傾角，反之為負內傾角。但是其與轉向輕便性屬于互相矛盾的兩個目標量，所以賽車的主銷內傾角越大，轉彎時需要克服的回正力矩就越大，而輕便性就會越差，需要選擇一個可以好好平衡的值。磨胎半徑是主銷延長線落地點與車輪接地印記中心線的距離，也稱主銷偏移距24。圖2.4磨胎半徑為41.931mm，為正值。磨胎半徑可以看成表征主銷內傾角回正效應的一個參數，過大會使轉向沉重。磨胎半徑越大，輪胎接地面的牽引力或制動力產生的繞主銷旋轉的轉矩會越大，理想情況下左右輪的轉矩會相互抵消，但當左右牽引力或制動力不等或工藝誤差造成左右輪外形參數不嚴格相等時，會產生一個總的轉向力矩，直接反饋到方向盤上。（4）主銷后傾角主銷后傾角是主銷與垂直線在汽車縱向平面內的夾角。向地面垂直線后面傾斜的角度稱為正主銷后傾角，反之為負主銷后傾角。主銷后傾角也是用來提供轉向的回正力矩，其越大，直線穩定性就越好，自動回正作用也越強，但同樣也會增加轉向的沉重。而在選取后傾角時都會選擇使得其具有隨輪胎的跳動而逐漸增大的規律，用來抵消制動點頭時后傾角的減小。表2.1為FSAE賽車車輪定位參數一般取值范圍，表2.2為中北大學行知車隊“夢想4.0”車輪定位參數取值。表2.1FSAE賽車車輪定位參數取值范圍()定位參數車輪外傾角前束角主銷后傾角主銷內傾角前懸架-30-220518后懸架-30000第13頁共66頁表2.2中北大學行知車隊“夢想4.0號”賽車車輪定位參數取值（）定位參數車輪外傾角前束角主銷后傾角主銷內傾角前懸架-1.5-144后懸架-1-1002.4.2“夢想4.0號”賽車懸架幾何設計1、懸架正視幾何懸架正視幾何是從汽車橫向垂直平面來研究懸架的幾何關系。前懸架的正視幾何如圖2.6所示。2.7雙叉臂獨立懸架正視幾何圖（1）確定控制臂外點根據輪輞直徑和偏置確定控制臂外上球鉸（UBJ）和外下球鉸（LBJ），如圖2.7；上下球鉸之間距離為主銷長度。其中應該盡量加大上球鉸和下球鉸之間的間隔，以分散側向力。還有下球鉸應配置在輪輞內側較低位置，可以降低側傾中心位置，但注意不要與輪輞發生干涉。（2）橫向平面內上、下叉臂的布置橫向平面內上、下叉臂的布置與側傾中心的位置要求有關，上、下叉臂的布置方式主要有3種形式，如圖2.8所示。普通的汽車為了使車輪與車身在轉彎時傾斜方向一致（增強不足轉向效應），在前懸中通常采用b類或者c類布置方案；而對于注重過彎速度的FSAE賽車來說，為了使車輪在上跳過程中車輪外傾角變小（用以抵消側向力帶來的輪胎外傾和側偏角，增強輪胎的抓地力），前、后懸架均采用a類布置方案。第14頁共66頁a布置1b布置2c布置3圖2.8上下叉臂在橫向平面內的布置（3）側傾中心側傾中心是指車廂的側傾軸線通過前后軸橫斷面上的瞬時轉動中心。一般認為，側傾中心位于汽車的前進方向的軸線上，但是沒有明確地指出側傾中心一定在汽車的縱向對稱面上。為了方便分析，假設側傾中心位于對稱面上。側傾中心的高度隨導向機構的布置形式不同而不同，可用圖解法或實驗法求得。本設計中“夢想4.0號”賽車不等長雙橫臂獨立懸架的側傾中心位置通過作圖法得出，如圖2.9所示。靜態瞬心為Ic，Ic點的距地高度為hp。將靜態瞬心Ic點與車輪接地中點相連，即可在賽車的正視平面內獲得側傾中心Rc，高度為hw。側傾中心高度對整車影響很大。側傾中心越高，側傾中心到汽車質心距離越小，側傾力矩越小，車身的側傾角也會越小。雖然賽車注重操控穩定性，需要較大的側傾剛度，但側傾中心位置也不能太高。側傾中心高度越高，舉升效應越大。舉升效應是指，懸架瞬心高于地面，轉向時外側輪胎所受的側向力會使車輪圍繞瞬心旋轉，“舉起”了車身，其輪距變化大，且會導致輪胎磨損加劇24。該力矩的力臂是瞬心高度，瞬心越高，側傾中心越高，舉升效應越大。側傾中心高度一般在地面與質心之間，對于FSAE賽車來說，其接近地面。因為后懸比前懸較軟一些，而且賽車后部重心高于前部，所以后懸側傾中心高于前懸。“夢想3.0號”賽車前側傾中心為10mm，后側傾中心為30mm，其側傾角略大。結合前三輛“夢想號”的設計經驗，“夢想4.0號”賽車初定前懸架的靜態側傾中心高度fh為35mm,后懸架的靜態側傾中心高度rh為50mm。第15頁共66頁圖2.9雙橫臂獨立懸架側傾中心的確定（圖中：為上臂傾角；為下臂傾角；為主銷內傾角；a為主銷偏距（磨胎半徑）；c為主銷長度；d為下球鉸（LBJ）距地面距離；B1為輪距。）（4）確定控制臂內點。如圖2.7，根據控制臂外上球鉸（UBJ）和外下球鉸（LBJ）的位置和預選定的側傾外傾系數，通過式（2.1）求出前視擺臂長度（fvsalength），作垂線AA；連線輪胎中心接地點B和已初定的側傾中心cR并延長交垂線AA于點cI，即為懸架的轉cI動瞬心；分別連接外上球鉸和瞬心、外下球鉸和瞬心，兩條直線和車架的高寬線相交，可得上控制臂內點（UCAP）和下控制臂內點（LCAP）。)/1/()2/1(ddLfvsa（2.1）式中，t為輪距，dd/為側傾外傾系數（車廂側傾引起的外傾角變化率，稱為側傾外傾系數；一般轎車的前側傾外傾系數范圍為0.610.88。，后側傾外傾系數為00.86。）；可見前視擺臂越長，側傾外傾系數越大。（5）外傾角變化率外傾角變化率定義是車輪中心垂直方向跳動單位位移時外傾角的變化量。它是前視擺臂長度的函數，關系如式（2.2）所示：)/1(tan/1fvsaLdzd（2.2）式中，fvsaL為前視橫擺臂長度。可見，前視擺臂長度越長，則外傾角變化率越小。（6）傳動比傳動比的定義是懸架跳動時車輪中心垂直位移比上減振器彈簧軸向位移。傳動比的大小和控制臂的空間布置結構、搖臂的形狀、減振器彈簧的布置有關，在懸架跳動時是第16頁共66頁變化的17。通過設置傳動比，利用杠桿效應，把懸架在車輪中心的大位移縮小為減振器彈簧的小位移。（7）輪距變化正視圖的轉動瞬心cI影響輪距的變化。當轉動瞬心在地面上方時，車輪接地點隨著車輪上跳而向外移動，輪距增加；當轉動瞬心在地面下方時，車輪接地點隨著車輪上跳而向內移動，輪距減小。當轉動瞬心剛好在地平面時，車輪接地點隨著車輪上跳而向上移動，此時輪距不變。2.懸架側視幾何懸架側視幾何是從汽車縱向平面來研究懸架的幾何關系。前后懸架的側視幾何如圖2.10所示。縱傾中心IC的位置決定了一系列的抗反特性。對于后驅的賽車，可以考慮的抗反特性有以下三個：制動時前懸的抗前俯特性（
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