“梦想4.0号”赛车行驶系设计（含UG三维图）
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摘要
随着2010 年我国开始举办大学生方程式赛车比赛以来，越来越多的高校开始了对
FSAE 赛车的研究、制造与调试。到2017 年，我国大学生方程式汽车大赛由刚开始的20
多支车队发展到了80 多支。为了我校行知车队在2017 年10 月襄阳举办的第八届中国
大学生方程式汽车大赛中取得优异的成绩，本文对新一季的“梦想4.0 号”赛车的行驶
系统进行了设计与优化。根据2017 年方程式大赛规则，结合以往设计经验，对“梦想4.0 号”赛车悬架和
车架进行设计计算。在悬架方面，对悬架类型进行了选型，选定车轮定位参数以进行了
悬架几何设计和刚度与阻尼的计算。在车架方面，基于人机工程学和赛车总布置要求，
对车架进行了设计。然后利用CATIA 软件对悬架总成和车架进行了三维建模。利用
ADAMS/Car 对车轮定位参数以及侧倾中心高度进行了仿真，分析各参数随轮跳的变化规
律，找出其不合理的性能参数，用ADAMS/insight 对其进行多目标优化。并用ADAMS/Car
对车轮中心刚度、乘适刚度、侧倾刚度和传动比进行仿真，仿真结果和理论设计计算进
行对比，验证理论计算的正确性。用ANSYS 软件对悬架关键零部件摇臂进行了有限元仿
真分析，验证其强度是否符合要求。对于车架的分析，本文用ANSYS 对车架进行多种工
况下的强度分析，以及进行了扭转刚度、弯曲刚度的仿真分析与计算，结果表明“梦想
4.0 号”赛车车架符合强度与刚度要求
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设计说明书中北大学“梦想4.0号”赛车行驶系设计学生姓名：学号：学院：机械与动力工程学院专业：车辆工程指导教师：20年月中北大学“梦想4.0号”赛车行驶系设计摘要随着2010年我国开始举办大学生方程式赛车比赛以来，越来越多的高校开始了对FSAE赛车的研究、制造与调试。到2017年，我国大学生方程式汽车大赛由刚开始的20多支车队发展到了80多支。为了我校行知车队在2017年10月襄阳举办的第八届中国大学生方程式汽车大赛中取得优异的成绩，本文对新一季的“梦想4.0号”赛车的行驶系统进行了设计与优化。根据2017年方程式大赛规则，结合以往设计经验，对“梦想4.0号”赛车悬架和车架进行设计计算。在悬架方面，对悬架类型进行了选型，选定车轮定位参数以进行了悬架几何设计和刚度与阻尼的计算。在车架方面，基于人机工程学和赛车总布置要求，对车架进行了设计。然后利用CATIA软件对悬架总成和车架进行了三维建模。利用ADAMS/Car对车轮定位参数以及侧倾中心高度进行了仿真，分析各参数随轮跳的变化规律，找出其不合理的性能参数，用ADAMS/insight对其进行多目标优化。并用ADAMS/Car对车轮中心刚度、乘适刚度、侧倾刚度和传动比进行仿真，仿真结果和理论设计计算进行对比，验证理论计算的正确性。用ANSYS软件对悬架关键零部件摇臂进行了有限元仿真分析，验证其强度是否符合要求。对于车架的分析，本文用ANSYS对车架进行多种工况下的强度分析，以及进行了扭转刚度、弯曲刚度的仿真分析与计算，结果表明“梦想4.0号”赛车车架符合强度与刚度要求。关键词：大学生方程式赛车，悬架系统，车架，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目录1、绪论.11.1课题研究背景.11.2FSAE赛车行驶系国内外研究现状.31.2.1FSAE赛车行驶系国外研究现状.31.2.2FSAE赛车行驶系国内研究现状.41.3课题研究的内容及目的.52、“梦想4.0号”赛车前后悬架设计.72.12017中国大学生方程式大赛规则对悬架系统的设计要求.72.2“梦想4.0号”赛车赛车轮胎、轮辋的选型以及减震器选择.72.3“梦想4.0号”赛车悬架系统的选型.92.4“梦想4.0号”赛车悬架参数与设计.102.4.1车轮定位参数的选定.102.4.2“梦想4.0号”赛车悬架几何设计.132.4.3悬架刚度与阻尼的计算.172.5悬架关键零部件设计.243、“梦想4.0号”赛车车架设计.293.1FSAE赛车车架介绍.293.2车架材料选择.303.3车架结构设计.313.4车架有限元分析.343.4.1车架不同工况强度分析.343.4.2车架刚度仿真分析.384、“梦想4.0号”赛车悬架仿真.414.1车辆动力学介绍.414.2FSAE建模介绍.414.3“梦想4.0号”赛车前悬建模及仿真分析.414.3.1前悬建模.41II4.3.2前悬运动学仿真分析.434.4“梦想4.0号”赛车后悬建模与仿真.504.4.1后悬建模.504.4.2后悬运动学仿真分析.525、2016参赛纪实.576、总结与展望.596.1总结.596.2展望.59附录.61参考文献.64致谢.66第1页共66页1、绪论1.1课题研究背景FSAE（FormulaSocietyofAutomotiveEngineers）方程式汽车大赛最早起源于1978年，那时美国举行了一个叫迷你印地（MiniIndy）的小型方程式赛车比赛。我国也于2010年在上海成功举办了首届中国大学生方程式汽车大赛（FSAE），到现在已经成功举办了7届，我国高校80多个车队加入了这个行列。这项比赛是各国汽车工程师协会为了挑战在校大学生或研究生赛车团队在小型休闲赛车方面的设计、加工、制造及创新能力而发起的一场赛事。大赛要求各个高校车队在12个月内自行设计和制造出一辆在加速、制动和操控性能以及耐久和燃油经济性等各个方面都能表现优异的小型单座休闲的方程式赛车。这项比赛到现在为止已经有30多年的历史了，其中德国、英国、澳大利亚、日本、巴西、意大利和中国等国家在美国举办之后相继加入了这一赛事。现在，FSAE发展迅速，在赛车设计方面越来越多的创新理念融入了里面，在制造方面也越来越精细。这项赛事给在校大学生提供了一个创新和实践的机会，为汽车行业培养了大量的具有扎实的理论基础、非凡的创新能力、高超的工程实践能力的年轻工程师。在一年的时间里，参赛团队要做好设计和加工方面的时间节点安排，在设计的时候也要考虑成本以及加工费，根据自己车队的实际情况做好预算（包括设备、材料等），这也给学生提供了一个团队工作的机会。中北大学行知车队也于2014年开始参加这个比赛，2017年将会参加中国第八届大学生方程式汽车大赛。2014年和2015年，行知车队在静态赛的成本报告项目中分别获得了第四和第五名的好成绩，2015年还获得了“优胜奖”。2016年，“梦想3.0号”赛车成功跑完耐久，是行知车队参加比赛以来第一次完赛，最后获得了总成绩“三等奖”的好成绩。经过三届的比赛，现在行知车队在比赛技巧以及赛车设计制作方面也已经积累了很多宝贵的经验。图1.1、图1.2、图1.3为中北大学行知车队前三年已经参赛的的FSAE赛车。第2页共66页图1.1中北大学2014年参赛赛车图1.2中北大学2015年参赛赛车图1.3中北大学2016年参赛赛车比赛规则中，对赛车的总体设计做出以下要求：（1）赛车式样：赛车必须车轮外露和座舱敞开（方程式赛车式样），并且四个车轮不能在一条直线上；（2）车身：除了驾驶舱必须开口以外，从赛车最前端到主防滚架（或者防火墙）的这段空间里，不允许车身上有深入驾驶舱的开口。允许在前悬架的零件处有微小的开口。（3）轴距：赛车的轴距至少为1525mm（60英寸）。（4）轮距：赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。（5）可视性：技术检查表格上的所有条目必须在不借助工具（比如内窥镜或是镜子）的情况下清楚地呈现给技术检查官。呈示时可以通过拆卸或移动车身板件来实现1。在评分方面，规则中专门提出了测评内容。参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进行测评，包括：技术检查、成本与制造分析、营销报告、赛车设计、单项性能测试和良好的赛道耐久性1。其中技术检查不计分，但是在进行动态赛之前，赛车必须通过技术检查，否则无法继续比赛。各项分数如表1.1所示第3页共66页表1.1各比赛项目及分值静态项目分数动态项目分数技术检查不计分直线加速测试75成本与制造分析1008字绕环测试50营销报告75高速避障测试150赛车设计150效率测试100耐久测试300静态项目总分325动态项目总分675总分10001.2FSAE赛车行驶系国内外研究现状1.2.1FSAE赛车行驶系国外研究现状FSAE赛事发展到今，国内外各个高校车队对方程式赛车的研究也越来越深入。国外高校对FSAE赛车研究比较早，所以对于方程式赛车的零部件设计及优化甚至加工制造更加丰富与成熟，在赛车行驶系方面技术积累相当多。在悬架方面，例如，美国一所高校对大学生方程式所用的轮胎的特点和各项性能进行对比研究，对于提高轮胎的各项使用性能有了一个相对全面的理论依据2；两个美国工程师比较详细地说明了赛车各系统构件的设计优化和制造要点以及赛车各项性能的设计理论，目前，在FSAE圈子里，成为了经典的设计学习教材3。一个美国高校车队设计悬架的整个过程，他们采用了拉杆式双横臂悬架，有效的降低了赛车的重心，在设计时采用了多种仿真和结构分析软件，分析了多种受载情况下各零部件的受力情况，为赛车其他模块儿设计提供数据4。文献一个俄罗斯高校对于悬架几何做了一个详细的研究5。目前，世界各国车队在车架方面的研究也累积了丰富的经验，都利用计算机技术对车架做了强度与刚度的分析与计算，而且计算机辅助软件也越来越丰富。现在，世界上普遍使用的CAE有限元仿真分析软件有：HyperWorks、ANSYS、MSC.NASTRAN、MARC、PATRAN、ABAQUS、LS-DYNA、ADINA、ANSA等，这些软件对于结构力学分析和零部件优化有很大作用。在汽车车架研究方面，国外CAE有限元分析技术的研究起步较早，CAE技术现己比较成熟。大学生方程式也将有限元分析作为设计中不可或缺的设计分析方第4页共66页法，有限元主要可以用于零部件的强度、刚度分析，以及疲劳耐久分析和性能分析。在FSAE赛车车架结构分析与优化方面，国外高校已经普遍将其作为赛车设计的一个标准流程，并通过建立虚拟样机来代替实车。因为参加大学生方程式赛车都是各高校精心手工打造，基本上一年一辆，不是量产车，我们不可能对其进行大部分试验，所以通过建立虚拟样机进行实验，这样不仅提高了设计效率，缩短了开发周期还降低了成本，这对于大学生来说，是很重要的。一个国外车队结合理论分析，讲述了路面激励对车架振动的影响。对车架进行扭转、压力刚度以及强度和对车架进行模态分析，使其达到理想的轻量化6。德国斯图加特大学详细的对大学生方程式进行CAE仿真分析，在轻量化方面做的非常好，而且赛车性能和加工工艺也较为突出7。1.2.2FSAE赛车行驶系国内研究现状我们国内各高校对FSAE赛车研究较晚，但也有几所高校也有了自己独特的研究成果，其发表的论文也国内的经典教材。湖南大学的张武利用ADAMS/Car对于赛车的操纵稳定性进行了动力学仿真8；湖南大学的柴天结合多年的FSAE赛车设计以及制造经验，比较详细的介绍了赛车各个系统设计要点，并且对湖南大学3辆FSAE赛车用ADAMS/Car进行了整车仿真，通过对3辆赛车轮胎特性、偏频的对比分析，研究了其对整车性能的影响9。湖南大学刘美燕以2007年湖南大学方程式赛车为研究对象，利用ADAMS/Car对悬架和整车进行了运动学仿真分析，对操纵稳定性做了详细的介绍10。北京理工大学的倪俊等对方程式轮胎模型做了简要介绍，在建模过程以及轮胎使用技巧方面提供了很有用的建议，供国内各个高校参考使用11。倪俊等人发表了多篇关于赛车各种外界条件下的赛车操纵稳定性仿真分析，利用ADAMS/Car对赛车操纵稳定性进行了仿真，深入分析了有稳态回转、蛇形绕桩实验等12；倪俊等人考虑了空气动力学因素，使模型更加接近实际，在此基础上进行了进行了稳态回转实验、转向盘角阶跃输入实验、转向轻便性实验及回正性试验13。利用ADAMS/Car建立了赛道模型，模拟了赛车行驶中遇到的典型侧风工况，分析了FSAE赛车遇到侧风时的稳定性14。文哈工大的李嫚很详细的介绍了他们学校参加比赛赛车的设计过程，利用ADAMS/Car对悬架和整车进行仿真优化，用ANSYS对FSAE赛车主要受力部件进行有限元分析，从其应力和应变两方面确定是否满足结构要求15。2013年哈工大范雪梅除了讨论悬架设计方法和仿真分析方法以外，并且分析了碳纤维复合材料在悬架中的应用，研究了碳纤维管和金属胶粘的连接方法与工艺，并做了验证，为碳纤维复合材料在悬架上的应用提供了有力的依据16。华南理工大第5页共66页学的吴建瑜很详细的介绍了双叉臂悬架的设计和刚度计算方法，成为了国内FSAE赛车设计必备参考教材17。在车架方面，国内高校也逐步应用了有限元分析法，虽然没有国外早期研究有限元法在FSAE赛车上应用成熟，但经过7个赛季的发展，国内各高校也积累了很多经验。北京理工大学在有限元分析这一块儿，已经达到了较高的水平，他们的FSAE赛车无论是结构设计还是轻量化在国内都是做的非常好的。特别他们从2015赛季开始，黑鲨VI历史性的首次使用单体壳承载式车身，替代了原有的钢管桁架式车架，满足整车轻量化和高扭转刚度的要求。河北工业大学吴亮亮用HyperMesh对FSAE赛车车架进行多种工况分析（静态弯曲、扭转、满载加速、满载转弯、翻车），得到各种工况下的应力和位移云图，对结果进行分析。还用有限元软件对车架模型进行了模态分析，对实车车架进行了模态实验，二者进行了对比分析。文献中还介绍了一种远程在线测试系统，在车架薄弱点安装应变片，检测赛车车架在不同工况下应力变化，为轻量化设计提供了可验证的数据18。南京理工大学倪晓菊利用ABAOUS对车架进行不同工况（弯曲、激励、扭转、弯扭组合）的力学分析，计算车架的强度和刚度。为了防止共振，利用ABAOUS软件对车架进行动力学分析，主要是车架的模态分析，包括自由模态和约束模态的分析，并且根据分析结果提出结论,并用电阻式应变仪对2015年比赛实车车架进行静力试验，把试验结果和有限元模型静力分析结果进行比较，验证模型的可靠性19。同济大学余海燕等用了单体壳是一种新型结构技术，车架和车身为一体代替了传统钢架结构，比传统钢架车架车身质量减少34%。文中用不同碳纤维和铝蜂窝板作为车身主材对FSAE赛车进行单体壳车身设计，通过对比，选择出了合适的碳纤维材料。并用有限元分析方法对单体壳车身进行了优化分析20。中北大学李越辉详细介绍了ANSYS有限元分析在车架上的应用，对车架进行了五种极限工况下的强度分析、弯曲刚度及扭转刚度分析、模态分析31。1.3课题研究的内容及目的为了参加2017年10月中旬在襄阳举办的第八届中国大学生方程式汽车大赛，根据中国大学生方程式汽车大赛赛事规则和赛车制造标准要求，对中北大学“梦想4.0号”赛车行驶系统进行匹配计算分析，计算行驶系统及总成各部件的设计参数，完成行驶系统总成的设计及优化。行驶系统包括车架、悬架、车轮、轮胎和车桥等，在FSAE方程式赛车设计上，我们不说车桥，本文主要研究悬架和车架，并运用多体动力学软件ADAMS和静力学分析软件ANSYS对悬架和车架进行仿真分析。第6页共66页结合前三辆“梦想号”的行驶系统设计以及制造上的不足，并参考其他高校设计优点，将“梦想4.0号”赛车悬架和车架更好的匹配，分析悬架运动学参数的变化规律，为“梦想4.0号”赛车的调试提供理论依据和确保赛车具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。方程式赛车设计是倾向于操纵稳定性的，并不太多考虑舒适性。借助ANSYS软件的辅助设计，在车架保持高扭转刚度的同时，做到轻量化设计。悬架的机构设计方面的要求主要集中在可靠性、调整简便性、结构合理性、轻量化等方面。本文研究目的在于将依照机械设计的原则,在借鉴国内外优秀赛车的设计与制造经验的同时,对中北大学行知车队前三届赛车的悬架机构和车架的设计工作进行总结,继承优点并改进不足,以求在2017年中国大学生方程式汽车大赛中的设计答辩环节和分值比重较大的动态项目上取得优异成绩。第7页共66页2、“梦想4.0号”赛车前后悬架设计悬架是车架与车轮之间一切传力连接装置的总称，通常包括了弹性原件、减震器与导向机构，在赛车上一般还有防倾杆23。在进行悬架的设计与计算之前，首先需要确定一些整车参数。根据整车结构、尺寸和参数来设计悬架系统，并与车身车架系统和转向系统相协调。本文设计的“梦想4.0号”大学生方程式赛车整车参数如下：整备质量（载人65kg）m：275kg簧上质量（估计）sm：235kg单个轮边质量：10kg轴距l：1525mm前轮距fB：1200mm后轮距rB：1170mm轴荷比（估计）：45/55质心高度：300mm质心到前轴距离fl：849.75mm质心到后轴距离rl:695.25mm最小离地间隙：35mm最小转弯半径：3500mm2.12017中国大学生方程式大赛规则对悬架系统的设计要求大赛规则对悬架要求如下1：1、赛车所有车轮必须安装有功能完善的、带有减震器的悬架。在有车手乘坐的情况下，轮胎的跳动行程至少为50.8mm（2英寸），其中向上25.4mm（1英寸），向下25.4mm（1英寸）。如果赛车没能表现出适合比赛的操控能力，或是没有经过认真的设计，裁判有权取消赛车的参赛资格。2、在技术检查中，悬架的所有的安装点必须可以被呈示给裁判，无论是可以直接看到或是通过移除覆盖件来实现。3、轮距与赛车质心必须协调布置以保证足够的侧倾稳定性。侧倾稳定性将通过倾斜实验台测试来检测。测试时，赛车必须能在倾斜台侧向倾斜60时，不发生侧翻。相当于赛车在承受1.7g的侧向加速度时，不会发生侧翻。2.2“梦想4.0号”赛车赛车轮胎、轮辋的选型以及减震器选择鉴于FSAE赛事中的动态比赛是追求速度与操纵性的比赛，轮胎是赛车唯一接地的部分，因此轮胎的性能起到了关键性作用。依据FSAE赛事规则要求赛车轮胎直径必须至少为203.2（8.0英寸）。目前国内赛事尺寸大多为10英寸和13英寸，国外已经有车对用了更小的8英寸轮胎了。FSAE赛事主流轮胎品牌为美国Hoosier轮胎、德国第8页共66页Continental轮胎、中国的佳通轮胎等。轮胎尺寸有10英寸和13英寸。赛车轮胎都为热熔胎，胎质较软，升温快，胎面很容易融化，然后可以牢牢粘附在地面上，能够产生很强的抓地力。根据国内外赛事的多年经验筛选，专注于赛车轮胎的Hoosier品牌凭借其全面的尺寸型号和优异的性能，逐渐脱颖而出成为主流。整车转动惯量是指车辆相对质心的横摆转动惯量，直接影响着车辆的横摆角加速度。由于车轮是处于赛车最靠外部分的部件，因此其对于整车转动惯量影响极大，通过降低车轮质量来降低整体转动惯量，效果最为明显。通常，降低车轮质量的做法，是选用小尺寸参数的轮胎轮辋、自制轻质轮辐或使用质量更轻的材料(例如碳纤维材质的轮辋)。降低车轮质量意味着更轻的整车质量、更小的非簧载质量和更小的整车转动惯量，对整车多方面性能都有较大的提升。同时车轮的自身的转动惯量还影响着动力传动系统的输出响应和制动响应，车轮自身转动惯量越大，动力输出和制动响应越差。相对小直径车轮，直径较大的车轮自身转动惯量较大，必将导致整体加速度的下降。另一方面，相同驱动力输出的条件下，大直径车轮就意味着大尺寸的传动系统零部件；相同制动器制动力的条件下，就意味着更大的制动盘直径，同时还造成很多其他附件的尺寸的增加，因此造成了不可忽视的隐形增重。综合以上多种因素考虑，为了使赛车性能得到提升，质量小、惯量小的小尺寸参数的车轮应用越来越广泛(目前国内普及的小尺寸轮辋为10英寸直径轮辋，国外已有车队在用8英寸直径的轮辋，但由于需要定制轮胎未能得到普及)，在FSAE赛事中已成为趋势。而质量更轻、惯量更小的碳纤维材质轮辋随着工艺的成熟和价格的降低，应用也越来越广泛。鉴于以上考虑，再加上资金以及其他条件考虑，“梦想4.0”所用轮辋和“梦想3.0”一样，依旧采用自制轮辋、轮辐为一体的铸造式铝合金轮辋，如图2.1所示轮辋实物图。“梦想4.0号”赛车所采用轮胎为Hoosier187.5-10R25B，较去年佳通轮胎Giti186.0-10胎面宽度更宽，接地面积更大，而且Hoosier胎比Giti胎面更软，更容易融化，这样“梦想4.0号”赛车比“梦想3.0号”赛车有了更好的抓地力以及性能更加优异。大学生方程式赛车注重操纵稳定性，因此需要良好避震功能的减震器，“梦想4.0号”赛车所选减震器为FOX双向可调阻尼减震器，专门为FSAE方程式设计，在市场上可以直接购买，如图2.2所示。第9页共66页图2.1轮辋实物图图2.2FOX减震器实物图2.3“梦想4.0号”赛车悬架系统的选型FSAE赛车虽然不像F1赛车那样的高速赛车，但大学生方程式赛道的弯道远远多于其他赛车赛道，因此对赛车的操控稳定性要求很高。同时考虑到FSAE赛车整体结构、成本费用、可加工性、空间尺寸、相比其他悬架双横臂悬架设计自由度大、较小的非簧载质量等方面考虑，FSAE赛车一般都采用独立悬架中的不等长双横臂悬架。赛车上的不等长双横臂独立悬架一般有3种设计方案：推杆不等长双横臂悬架、拉杆不等长双横臂独立悬架和叉臂不等长不等长双横臂独立悬架24。（1）推杆不等长双横臂独立悬架推杆不等长双横臂悬架如图2.3a所示。其主要优点是：推杆在大多数时间承受轴向压力，一般杆件型材料的抗压强度要大于抗拉强度，因此即使赛车长时间运动，悬架推杆也不容易被折断或损坏；这种布置方式的减振器一般外置，这样方便调节阻尼。缺点主要有：推杆下端直接铰接到下控制臂端点附近，这使得下控制臂承受了较大弯矩；摇臂和减震器布置在车架的上部，整车的质心升高，侧倾角度增大，不利于赛车的操纵稳定性；没有充分利用了车架的内部空间，不利于赛车车身的流线型设计。（2）拉杆不等长双横臂独立悬架拉杆不等长双横臂独立悬架如图2.3b所示。其主要优点是：摇臂和减震器布置在车架底部，使整车的质心下降，有利于提高赛车的操纵稳定性；充分利用了车架内部空间，有利于车身的流线设计。缺点主要有：拉杆在大部分时间承受轴向拉力，如果材料选用不合适的话，悬架在恶劣运动情况下，拉杆容易被拉断；减振器内置不方便调节阻尼。（3）叉臂不等长双横臂独立悬架叉臂不等长双横臂独立悬架如图2.3c所示。其主要优点是：减振器一端铰接到车第10页共66页架上，另一端直接铰接到下控制臂上，没有推、拉杆和摇臂，大大减轻了簧下质量；减振器外置方便调节其阻尼；省去中间传力机构，悬架系统工作更稳定。缺点是减振器下端直接铰接到下控制臂上，使得下控制臂承受较大弯矩；悬架的工作行程相对较短，不利于赛车操纵稳定性和平顺性；不利于横向稳定杆的安装。a推杆驱动b拉杆驱动c叉臂驱动图2.3不等长双横臂独立悬架设计方案2.4“梦想4.0号”赛车悬架参数与设计悬架参数设计包括了选定车轮定位参数、悬架几何的设计、偏频选择、刚度计算和阻尼计算等。2.4.1车轮定位参数的选定车轮定位参数主要包括车轮外倾角、车轮前束角、主销内倾角和主销后倾角，其对车辆的操纵稳定性、转向性能和轮胎寿命有重要影响。在车辆行驶过程中，车轮相对于车架的运动和车轮受力一般都会引起车某些轮定位参数的改变而发生变化，为了将车轮定位参数的变化规律控制在合理的范围内，设计时一般通过合理地设计悬架和转向系统来做到。图2.4显示了“梦想4.0号”赛车前悬主销内倾角为4。和主销后倾角4。；图2.5显示了“梦想4.0号”赛车前悬外倾角为-1.5。；图2.6显示了“梦想4.0号”赛车前悬前束角为-1。其中UBJ表示控制臂外上球铰，LBJ表示控制臂外下球铰。图2.4“梦想4.0”前悬主销内倾角和主销后倾角第11页共66页图2.5“梦想4.0”前悬外倾角图2.6“梦想4.0”前悬前束角（1）车轮外倾角车轮外倾角是车轮中心平面与垂直线在汽车横向平面内的夹角23。车轮顶端相对于车体向外倾斜定义为正的外倾角，反之，向内倾斜定义为负的外倾角15。在传统汽车上，前轮外倾角通常为0。或者+1。以下的小角度，其为正值为了弥补重型汽车满载时车桥变形引起的车轮内倾。而赛车在以较高车速转弯时，会产生较大的离心力引起车轮外倾，所以赛车一般取负的外倾角保证车轮和地面始终能保持良好的接触，保证赛车尽管高速时也能顺利通过各种弯道。（2）前束角前束角是车轮平面与车身前进方向的夹角24。正前束角是轮胎中心线前端向内收束，反之为负前束角15。前轮由于负的外倾角在车轮滚动时有向内滚动的趋势，增加负前束可以减小轮胎的边滚边滑；再者，赛车行驶的赛道弯道很多，故一般设置为负的前束角，减少赛车在入弯过程和弯道行驶中的时间，从而也能提高转向的灵敏程度。而通常情况下，负前束角搭配负外倾角，能确保赛车的直线行驶稳定性，减少轮胎起热和轮胎磨损。而后轮取“内八字”，正的前束角可以增加转向不足，而“梦想4.0号”赛车第12页共66页设计初衷为了增加入弯响应，转向设计接近中性或者稍微不足，因此，后轮前束角设计为-1。（3）主销内倾角和磨胎半径主销内倾角是主销与垂直线在汽车横向平面内的夹角24。如图2.4所示，主销内倾角为正，因为车轮绕主销旋转会陷入地下，故主销内倾角利用自身的重力产生回正力矩，有利于改善汽车的操纵稳定性。向地面垂直线内侧倾斜的角度称为正内倾角，反之为负内倾角。但是其与转向轻便性属于互相矛盾的两个目标量，所以赛车的主销内倾角越大，转弯时需要克服的回正力矩就越大，而轻便性就会越差，需要选择一个可以好好平衡的值。磨胎半径是主销延长线落地点与车轮接地印记中心线的距离，也称主销偏移距24。图2.4磨胎半径为41.931mm，为正值。磨胎半径可以看成表征主销内倾角回正效应的一个参数，过大会使转向沉重。磨胎半径越大，轮胎接地面的牵引力或制动力产生的绕主销旋转的转矩会越大，理想情况下左右轮的转矩会相互抵消，但当左右牵引力或制动力不等或工艺误差造成左右轮外形参数不严格相等时，会产生一个总的转向力矩，直接反馈到方向盘上。（4）主销后倾角主销后倾角是主销与垂直线在汽车纵向平面内的夹角。向地面垂直线后面倾斜的角度称为正主销后倾角，反之为负主销后倾角。主销后倾角也是用来提供转向的回正力矩，其越大，直线稳定性就越好，自动回正作用也越强，但同样也会增加转向的沉重。而在选取后倾角时都会选择使得其具有随轮胎的跳动而逐渐增大的规律，用来抵消制动点头时后倾角的减小。表2.1为FSAE赛车车轮定位参数一般取值范围，表2.2为中北大学行知车队“梦想4.0”车轮定位参数取值。表2.1FSAE赛车车轮定位参数取值范围()定位参数车轮外倾角前束角主销后倾角主销内倾角前悬架-30-220518后悬架-30000第13页共66页表2.2中北大学行知车队“梦想4.0号”赛车车轮定位参数取值（）定位参数车轮外倾角前束角主销后倾角主销内倾角前悬架-1.5-144后悬架-1-1002.4.2“梦想4.0号”赛车悬架几何设计1、悬架正视几何悬架正视几何是从汽车横向垂直平面来研究悬架的几何关系。前悬架的正视几何如图2.6所示。2.7双叉臂独立悬架正视几何图（1）确定控制臂外点根据轮辋直径和偏置确定控制臂外上球铰（UBJ）和外下球铰（LBJ），如图2.7；上下球铰之间距离为主销长度。其中应该尽量加大上球铰和下球铰之间的间隔，以分散侧向力。还有下球铰应配置在轮辋内侧较低位置，可以降低侧倾中心位置，但注意不要与轮辋发生干涉。（2）横向平面内上、下叉臂的布置横向平面内上、下叉臂的布置与侧倾中心的位置要求有关，上、下叉臂的布置方式主要有3种形式，如图2.8所示。普通的汽车为了使车轮与车身在转弯时倾斜方向一致（增强不足转向效应），在前悬中通常采用b类或者c类布置方案；而对于注重过弯速度的FSAE赛车来说，为了使车轮在上跳过程中车轮外倾角变小（用以抵消侧向力带来的轮胎外倾和侧偏角，增强轮胎的抓地力），前、后悬架均采用a类布置方案。第14页共66页a布置1b布置2c布置3图2.8上下叉臂在横向平面内的布置（3）侧倾中心侧倾中心是指车厢的侧倾轴线通过前后轴横断面上的瞬时转动中心。一般认为，侧倾中心位于汽车的前进方向的轴线上，但是没有明确地指出侧倾中心一定在汽车的纵向对称面上。为了方便分析，假设侧倾中心位于对称面上。侧倾中心的高度随导向机构的布置形式不同而不同，可用图解法或实验法求得。本设计中“梦想4.0号”赛车不等长双横臂独立悬架的侧倾中心位置通过作图法得出，如图2.9所示。静态瞬心为Ic，Ic点的距地高度为hp。将静态瞬心Ic点与车轮接地中点相连，即可在赛车的正视平面内获得侧倾中心Rc，高度为hw。侧倾中心高度对整车影响很大。侧倾中心越高，侧倾中心到汽车质心距离越小，侧倾力矩越小，车身的侧倾角也会越小。虽然赛车注重操控稳定性，需要较大的侧倾刚度，但侧倾中心位置也不能太高。侧倾中心高度越高，举升效应越大。举升效应是指，悬架瞬心高于地面，转向时外侧轮胎所受的侧向力会使车轮围绕瞬心旋转，“举起”了车身，其轮距变化大，且会导致轮胎磨损加剧24。该力矩的力臂是瞬心高度，瞬心越高，侧倾中心越高，举升效应越大。侧倾中心高度一般在地面与质心之间，对于FSAE赛车来说，其接近地面。因为后悬比前悬较软一些，而且赛车后部重心高于前部，所以后悬侧倾中心高于前悬。“梦想3.0号”赛车前侧倾中心为10mm，后侧倾中心为30mm，其侧倾角略大。结合前三辆“梦想号”的设计经验，“梦想4.0号”赛车初定前悬架的静态侧倾中心高度fh为35mm,后悬架的静态侧倾中心高度rh为50mm。第15页共66页图2.9双横臂独立悬架侧倾中心的确定（图中：为上臂倾角；为下臂倾角；为主销内倾角；a为主销偏距（磨胎半径）；c为主销长度；d为下球铰（LBJ）距地面距离；B1为轮距。）（4）确定控制臂内点。如图2.7，根据控制臂外上球铰（UBJ）和外下球铰（LBJ）的位置和预选定的侧倾外倾系数，通过式（2.1）求出前视摆臂长度（fvsalength），作垂线AA；连线轮胎中心接地点B和已初定的侧倾中心cR并延长交垂线AA于点cI，即为悬架的转cI动瞬心；分别连接外上球铰和瞬心、外下球铰和瞬心，两条直线和车架的高宽线相交，可得上控制臂内点（UCAP）和下控制臂内点（LCAP）。)/1/()2/1(ddLfvsa（2.1）式中，t为轮距，dd/为侧倾外倾系数（车厢侧倾引起的外倾角变化率，称为侧倾外倾系数；一般轿车的前侧倾外倾系数范围为0.610.88。，后侧倾外倾系数为00.86。）；可见前视摆臂越长，侧倾外倾系数越大。（5）外倾角变化率外倾角变化率定义是车轮中心垂直方向跳动单位位移时外倾角的变化量。它是前视摆臂长度的函数，关系如式（2.2）所示：)/1(tan/1fvsaLdzd（2.2）式中，fvsaL为前视横摆臂长度。可见，前视摆臂长度越长，则外倾角变化率越小。（6）传动比传动比的定义是悬架跳动时车轮中心垂直位移比上减振器弹簧轴向位移。传动比的大小和控制臂的空间布置结构、摇臂的形状、减振器弹簧的布置有关，在悬架跳动时是第16页共66页变化的17。通过设置传动比，利用杠杆效应，把悬架在车轮中心的大位移缩小为减振器弹簧的小位移。（7）轮距变化正视图的转动瞬心cI影响轮距的变化。当转动瞬心在地面上方时，车轮接地点随着车轮上跳而向外移动，轮距增加；当转动瞬心在地面下方时，车轮接地点随着车轮上跳而向内移动，轮距减小。当转动瞬心刚好在地平面时，车轮接地点随着车轮上跳而向上移动，此时轮距不变。2.悬架侧视几何悬架侧视几何是从汽车纵向平面来研究悬架的几何关系。前后悬架的侧视几何如图2.10所示。纵倾中心IC的位置决定了一系列的抗反特性。对于后驱的赛车，可以考虑的抗反特性有以下三个：制动时前悬的抗前俯特性（
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