关于FSAE悬架和车架的介绍

1、 关于大学生方程式赛车悬架和车架设计的介绍时间：1997-04-07作者：Edmund F. Gaffney III and Anthony R. Salinas密苏里大学罗拉分校摘要本文将基于在UM-Rolla的设计团队经验对FSAE赛车的悬架和车架设计的介绍。罗列了基本理论和方法，对于一个新的团队来说可以有一个基准来参考。下面以UM-Rolla的1996年FSAE赛车为例。介绍FSAE是一个学生的竞赛，由美国汽车工程学会举办，要求大学生设计，制造一辆小型方程式赛车去参加比赛。基于一家虚拟公司另一个工程师小组去开发一台小型方程式赛车。因为该车辆定位于周末休闲赛车，所以公司最多在每台车上话费8

2、500美元。竞赛规则限制赛车最多不超过610cc和拥有一个限流阀的发动机。其他的规则需要赛车的悬架行程大于50mm和轴距大于1524mm。赛车也满足安全要求，如侧面防撞保护。竞赛分为静态项目和动态项目。静态项目包括成本报告，营销报告，和设计报告。动态项目包括直径15.25m的八字绕桩，91.44m的直线加速， 0.8km的高速避障，44km的耐久赛以及燃油经济性。该比赛旨在为大学生提供一个相似于日后工作中面临问题的经历。为了参加FSAE，学生小组从项目工作提纲上分配到任务直到赛车完成。工程设计方面，团队合作方面，项目管理以及财务已经纳入了FSAE的基本规则。该文章包含了悬架和车架设计的一些基本

3、概念，也突出了Um-Rolla在设计1996年赛车悬架和车架时所用的一些方法。悬架部分列出了设计的基本参数和具体案例，车架部分讨论了如何在FSAE设计的约束之中得到一个折中的方案。最后，设计部分给出了Um-Rolla 1996年赛车设计方法的简要概述。1996车队在77支参赛车队中，设计报告获得12名，总成绩19名。1.悬架几何悬架几何方面关注于悬架设计的一些基础性知识并着重于UM-Rolla队1996年的设计。FSAE的悬架由于受过弯速度的限制只能在汽车动力学很狭隘的一个领域内运作，正如你所知道的，过弯速度又是受到跑道尺寸的限制。因此，FSAE悬架的设计应该严格遵守比赛的要求。例如，汽车的轮

4、距和轴距是影响操作稳定性至关重要的因素。这两个方面不仅影响着载荷转移，同时还影响着过弯半径。此外，我们不仅只能关注于悬架的几何学方面，还得考虑元件的价格还有市场上是否能买得到。例如，内侧悬架很容易在市场上买到而外侧悬架可能比较便宜些而且制作起来也更加容易些。UM-Rolla队使用推杆驱动的螺旋弹簧独立悬架系统。做出这样的决定主要是因为受到安装技术的限制。此外，不管是对裁判还是对供应商来说，内侧悬架更为适合如今的赛车。尽管我们所讨论的是上下臂不等长的悬架系统，但你要知道的是这其中的大部分概念对于其他的悬架系统也同样适合。轮距如图1所示，轮距是汽车左右两侧车轮中心线之间的距离。对于过弯来说，这是非

5、常重要的一个概念，因为它可以抵制重力作用于质心的惯性力（CG）和作用于轮胎的侧向力所共同产生的倾覆力矩。对于赛车设计者来说，轮距是影响赛车横向负荷转移的一个至关重要的因素。这也就是说，在悬架的运动分析之前，设计者一定要对轮距有个深刻的了解。图1.轮距（1996前悬前视图）当我们确定轮距的时候，前后轮的轮距并不一定要相同。举个例子来说，对于后轮驱动的赛车而言，通常前轮的轮距要大一些。这种设计理念是为了通过将抗拒侧翻的负荷转移到前轮来增大出弯时后轮的牵引力。基于FSAE 方程式赛车的过弯速度和驱动力重量比 (horsepower-to-weight ratio)，这种设计理念必须要牢记。轴距轴距当

6、然也必须要纳入设计师的考虑范围。轴距是指汽车前后轮车轴之间的距离。它同时也受到负荷转移的影响，不过是在纵向。除了具有抗减速前倾和加速后仰的特性外，轴距还影响到重心（CG）位置的布置，但是对于悬架系统的运动学特性而言却影响不大。然而，在设计过程的初期轴距就要被确定下来，因为这对整车的安装起着非常大的作用。在轮距和轴距确定之前，设计师可以研究其他参赛者的车并以此作为自己赛车设计计算的一个基准。包括轮距和轴距在内的FSAE赛车说明书，可以在SAE出版的赛事说明中找到。1996年UM-Rolla队使用的是1727mm的轴距，1270mm的前轮距和1219mm的后轮距。尽管这个轴距足够胜任FSAE赛事的

7、尺寸要求，但是他们还是想将下一辆他们所设计的赛车轴距提高到1854.2mm。这种改动试图去提高赛车在高速下入弯时的稳定性。轮胎和车轮在考虑完轴距和轮距之后，紧接着要确定下来的是轮胎和车轮。考虑到轮胎对于赛车的操作稳定性起着非常大的作用，小组中的每一个成员必须对轮胎的尺寸和材料是否可以买到有个彻底的深入的调查了解。例如，对于车轮直径给定的赛车而言，轮胎高度决定了球关节（装在车轮内部）与地面之间的距离。轮胎尺寸-设计师应该意识到对于车轮直径给定的赛车而言轮胎尺寸是受到限制的。因此，考虑到轮胎尺寸对于操作稳定性的重要性，在轮胎的选择上我们需要谨慎。因为轮胎与地面的接触面积对抓地力起着非常大的作用，所

8、以通常我们会使用更宽的轮胎来提升牵引力。然后，同时我们也必须要记住宽轮胎增加了旋转质量，这将会使本来就受到限制的发动机负荷增大。相比较宽轮胎所增加的牵引力而言，由于增加负荷所导致的总体性能上或许反而会有害。宽轮胎不但增加了总重量，而且还无疑的会增加橡胶材料的耗材。既然赛车轮胎是被设计用来更为有效的在特殊的温度范围内运作，增加进去的材料可能会阻止胎温上升到最佳的温度范围内。UM-Rolla队1996年赛车的胎温被设定在最小值71的范围内。在整车装配过程中设计师也要考虑轮胎对整体装配的影响。例如，气候的变化可能会影响到赛车对轮胎材料和尺寸的选择。另一个需要考虑的因素是轮胎的价格，因为这里的开销可能

9、会是整体赛事预算最大的一个部分。在1996年的比赛中，UM-Rolla队从613种轮胎中选择了20种作为赛车的前后轮。由于质心的降低，他们选择了更窄的轮胎所以同去年相比胎温可能会更好一些。这次调整使得轮胎的运作温度从48°升到了60°。天气预报赛事那天的气候将会很凉爽，所以他们带来了一套软硬不同的轮胎。队伍选择了更硬的轮胎因为天气可能会更加晴朗。车轮的选择-一旦轮胎确定下来了，下一个提上工作日程的是轮盘选择。通常情况下，车轮直径是固定的而且只允许做细小的修改。因此，在研究车轮之前必须要在心目中有一套明确的设计目标。通常来说，立柱，制动卡盘和旋转部分被放在车轮里面,这也就导致

10、轮盘要偏置一定的距离来为此腾出空隙。如果轮子的侧面形状确定下来的话对于悬架的几何布置是非常有利的。例如，球关节的布置就受到轮子侧面形状的限制。对于轮子选择所要考虑的其他因素有：开销，可得性，螺栓圆周，还有重量。例如，三轮缘尽管贵些，但是却有着非常显著的优势，比如说可以提供更多的偏置和横向布置，这也利于在设计过程中进行调整和改动。根据先前的一辆车的设计经验，1996年的赛事UM-Rolla队设计了一系列满足要求的三轮缘轮盘。赛车的四个轮子都是。这种轮盘的选择满足了轮胎的经常性更换，缩减了开支，同时也使得对轮胎材料、尺寸和加工的选择范围更加宽广。几何现在设计师可以为悬架系统设定几个可能会用到的参数

11、。比如说外倾增量（camber gain）、侧倾中心定位（roll center placement）还有磨合半径（scrub radius）。对于这些参数的选举，我们应当以怎样让赛车按照所设定的运行为基准。设想赛车在过弯时，悬架系统的设定应当尽可能多的让轮胎与地面接触。例如，试车时你会发觉，受外倾增量所决定的车身侧倾和悬架行程在一定程度上决定了过弯时是否获得最佳特性。当悬架行程是以负荷转移和悬架刚度为参数的函数时，车身侧倾量取决于侧倾刚度。一旦这些基本参数确定下来，必须要对所设想的悬架进行模拟。但是在模拟之前，我们一定要对球关节位置，内控制臂枢轴点（inner control arm piv

12、ot points）和轮距有个深入的了解。对运动几何进行模拟最简单的方式是使用运动分析软件，因为这样的话在对几何的关系进行检查的时候每一个点的坐标位置都可以及时修改。如果专门的运动分析软件得不到的话那么我们可以继续使用CAD软件，权且当是把悬架重画了一遍，只不过那些点都可以运动而已。在设计时设计师要牢记在心的是设计是一个反反复复的过程，在此期间，妥协是在所难免的。例如，由于安装的限制所设想的磨合半径达不到。此外在虚拟时设计师也不能漫无目的的改那些点的坐标。应当在改动之前就要把可能会出现的结果都设想好。例如，当变动下叉臂的长度使得下叉臂是上叉臂长度的四倍时，就应当在此之前就设想好车轮相对于底盘的

13、外倾是个什么样的变化。在设想结果之前可以采取的一种方式是找出车轮相对于底盘的瞬心位置。另一种方式是使用受球关节限制相对于底盘运动的弧线。（Another method is to use the arcs that the ball joints circumscribe relative to the chassis.）对于确定悬架各点相对于瞬心坐标位置的完整解释参照Milliken。磨合半径，主销内倾角和主销后倾角-磨合半径或者说主销偏移，是指车轮中心线和上下球关节连线（或转向节主销轴线）之间的距离，如图2所示。当主销轴线同地面的交点位于车轮内部的时候认定磨合半径为正。磨合半径尽量保持小一

14、些因为太大会导致过度转向。当然，留一些正的磨合半径是必要的因为在转弯时这会为驾驶员提供一定的转向回正。图2.磨合半径在正视图下，主销内倾角（KPI）是主销轴线和车轮中心线之间的角度。为了减小磨合半径，可以尝试去调整主销内倾角，但前提是靠近车轮中心线的球关节不好安装。我们可以通过减小主销轴线与地面的交点同车轮中心线之间的距离的方式来减小磨合半径。当然如果调整的过度了也是存在一定的缺陷的，譬如说，转弯时外侧车轮由于外倾肯定会由此而推动轮胎的一部分离开地面。不过固定的车轮外倾和正的主销后倾可以用来抵消同主销内倾角有联系的外倾增量。在侧视图下，主销后倾角是主销轴线偏离铅垂线的角度，并且以偏向车尾为正。

15、由于有正的主销后倾的作用，在过弯时外侧车轮的主销内倾会帮助来抵消同主销内倾角和车身侧倾有关的主销后倾。主销后倾还会导致车轮在围绕转向节主销转的时候上下跳动，这将会引起四个轮子负荷的交叉转移。此外，主销后倾还会对转弯后的转向回正起到一个推动作用。UM-Rolla队采用的是9.5mm的磨合半径，0°主销内倾角和4°的主销后倾角。这样子的设计需要将球关节安置在非常靠近车轮中心线的位置，这也就要求在静态模拟程序中要留有足够大的检测空间。侧倾中心-一旦基本的参数确定下来，我们就可以对悬架的运动进行分析。运动学分析包括每个车轮的瞬心分析，底盘相对于地面的分析如图3所示。被标注为IC的点

16、是车轮相对于底盘的瞬心。图中所标注的其他点，譬如说侧倾中心，是指底盘相对于地面的侧倾枢纽。前后轮侧倾中心的连线称为侧倾轴线。对于大多数赛车来说，质心位于侧倾轴线的上面，于是当赛车转弯时惯性力就会以侧倾轴线为基准产生一个力矩。这种力矩会促使赛车有向外侧翻的趋势。理想情况下，车身的侧倾量将会很小所以弹簧和横向稳定杆的使用将会增加些刚度，这就使得另一方面我们可以增加轮胎的柔韧性。然而，为了使倾覆力矩足够的小，质心一定要靠近侧倾轴线。这也就表明侧倾中心最好同质心高度差不多。不幸的是，不管侧倾中心位于地面的上面抑或是下面，在过弯时都会对底盘产生一个顶推力。比方说，如果侧倾中心在地面上面，这个顶推力就会使

17、悬架向底盘弯曲。通常来说这种弯曲不是我们想要的，这就得看悬架是怎么设计的了，因为这种弯曲会导致车轮外倾的增加，这样的话就会减少轮胎同地面的接触面积。相反的，如果侧倾中心位于地面下面的话，悬架就会剧烈颠簸，或者当侧向力作用于轮胎时相对于底盘升高。因此，最好将侧倾中心设计成接近地面以此来降低当有侧向力作用时底盘在垂直面上的运动。图3.前轮侧倾中心由于侧倾中心是个瞬时值，所以得明白的是侧倾中心会随着悬架的运动而变化。因此，设计者们一定要检查侧倾中心的迁移，确保顶推力和倾覆力矩在可控范围内遵循线性变化。比方说，如果侧倾中心在运动时越过了地面，则会导致悬架的上下颠簸，后果就是操作的不稳定性。1996年U

18、M-Rolla队的赛车前轮侧倾中心高度位于地面下面35.6mm处，后轮位于地面上面35.6mm处。因为先前的车从未有过侧倾中心位于地面下面的经历，所以这次的设计纯粹算是一种尝试。因为可能会存在很大的侧倾力矩，设计师们设计了足够多的车轮外倾增量来补偿由于软弹簧和没有横向稳定杆所导致的车身侧倾。对于赛车的操作性来说，设计者们非常的满意，但是他们还是决定了下一辆车的前后侧倾中心都位于地面上面，目的是对两种设计进行直接的比较。车轮外倾角-车轮外倾角是指垂直面下车轮顶端远离车辆中心线时车轮中心线与铅垂线所成的角度，并规定此时为正方向。可以通过调整转向节上的球关节来调整车轮外倾角。由于轮胎接地面积受到车轮

19、外倾角的控制，所以悬架的设计必须要使得车轮外倾角非常好调整，确保能够适应急转弯。比方说，在小的试车场上的车轮外倾角与极限赛事中的急转弯可能不同。轮胎上产生的极大的侧向力可能会导致负的车轮外倾角。当然，车轮外倾角会随着车轮上下运动或转向时发生变化。由于这种变化的产生，设计师就要对悬架系统进行细致的设计来补偿受最大侧向力（受底盘和车轮运动影响）影响的外倾角变化。对于车轮垂直运动的外倾角补偿或增量受到控制臂结构的影响。调整上下叉臂的长度，可以获得不同的外倾增量。不同的叉臂长度可以使得球关节相对于底盘有着不同的运动弧线。上下叉臂相互所成的角度同样也会对外倾角的增量有所影响。因为外倾角增量是一个链接几何

20、的函数，所以对于弯曲和颠簸来说，所得到的量是不一样的。比方说，悬架的设计需求外倾角弯曲时1°25mm，颠簸时2°25mm。固定的外倾角可以补偿车身侧倾，然而，增加的外倾角也会对操作稳定性的其他方面有所影响。比方说，过分僵硬的外倾角可能会减少轮胎的接地面积，因此而直接影响到赛车的直线制动和加速性。相似的情况，悬架运动时过多的外倾增量可能会导致轮胎部分地方失去对地面的接触。过弯时主销后倾角同样也会增加整体的外倾增量。对于正的主销后倾角，过弯时外侧车轮可能会有负的外倾角，同时内侧车轮有正的外倾角。当车轮只转很小的一个度数时主销后倾所引起的车轮外倾增量可能会很小到可以忽略不计。但是

21、，FSAE赛车在赛事中的急转弯可以使用主销后倾来增加外倾量。由于没有使用横向稳定杆，1996年的赛事UM-Rolla队使用了非常大的外倾增量。这种低转速高侧倾力矩需要悬架能够补偿受车身侧倾和悬架运动所致的正外倾量。他们通过对主销后倾角和控制臂的设计来获得外倾增量。结论FSAE的悬架设计不仅要在动态赛中取得好成绩，还要关注在静态赛中的情况。对于动态赛来说，设计者们要关注它的几何情况，确保各种情况下（刹车，加速，转向）轮胎的大部分能够与地面接触。悬架的设计还得关注到制作的难易度和开销分析。为了减小1996年赛车的开销和复杂性，UM-Rolla队设定了一个系统，确保车轮，轮毂，轴承在赛车的每个地方都

22、相同。设计悬架几何仅仅只是做车非常小的一个部分。一个出色的悬架系统不可能自动的就会造出一辆速度很快的车。尽管这篇文章所讨论的是在设计方面，对与成功来说，设计和安装同样重要。由于受到时间的限制，所设计的第一个悬架可能并不会获得很好的操作稳定性。在赛车完成后，改变设计也是非常常见的。对于整个团队来说，各个部分之间相互妥协是非常重要的，因为只有这样才能确保在比赛之前完成制作和测试。2. 车架车架的目的是为前后悬架的安装提供一个刚性的连接点，同时为赛车的不同系统提供安装点。前后悬架的相对运动使得悬架硬点产生不一致的现象，车架必须提供一个在表现车辆性能范围内的不会发生屈服的连接点。车架的形式多种多样，有

23、空间桁架式，单体壳式，梯形式等。最流行的是管状的空间桁架式。空间桁架式车架是将一系列的管件结合一起连接一些必要的组成结构。然而大多数的概念和理论适用于其他的底盘设计形式。图4.Um-Rolla 1996年车架设计图刚度悬架的设计目标是车辆在适用的路面上时能使轮胎与地面平稳接触。通常，悬架系统的设计是在车架是一个刚性体的假设下进行的。例如，在车架刚度不够的情况下，前后悬之间会发生我们不希望看到的变形。例如，一个扭转载荷施加在一个没有偏转的车架中（如图5）。图5.车架变形Um-Rolla已经发现，在大多数情况下，底盘是有足够的刚度使其在比赛中不会屈服失效。但是，我们应当采取一些谨慎的措施确保连接点

24、不会发生屈服。例如，发动机的连接点必须要有足够的刚性来降低发生失效的可能。扭转刚度扭转刚度是车架在承受扭转载荷时抵抗弹性变形的能力4。Um-Rolla采用FEA来分析1996车架的扭转刚度。该方案运用简单的杆和梁单元模型显示，车架的扭转刚度大约在2900N/m。1996车架的重量大约在27kg，折让Um-Rolla相信对于两天的比赛需要来说，车架有些重。但是，一些额外的结构也被添加以保证其安全性。另外，传动系统支架的明显加强可以使这辆赛车在几个学期内作为车手培训的工具。如1996车架的优化，不同刚度和重量的比率做了一些比较。车架可以做的极其刚性通过添加一些材料。但是，这种添加材料的方法由于增加

25、了车辆的重量而导致整车的性能降低。显然，扭转刚度不是分析车架刚度的唯一方法。抗弯刚度也是分析车架的一种途径。然而，抗弯刚度不像扭转刚度那么重要，以为弯曲变形不会影响车轮负荷4。由于FSAE设计时间节点的限制，Um-Rolla使用了扭转刚度分析，以确定不同车架设计的相对刚度。三角形式三角形式设计可以用来提高车架的刚度，三角是一种最简单的结构而不是机构。显然，车架是一个结构，扭转刚性要强于机构。因此，我们要尽最大努力使车架适用更多的三角结构。想到车架是一些杆件的集合体，这些杆件通过铰接连接，可以使设计人员定位在机构设计中。设计者可以通过查看一个节点上是否有至少三根杆件来给载荷提供卸载路径来优化他们

26、的车架。Um-Rolla选择使用薄壁钢管来设计1996车架。这就需要很明显的三角结构来设计车架，因为薄壁钢管在拉伸和压缩方面的力学表现优异但是在弯曲方面表现的就很差。在受到大而复杂载荷地方，尽可能的使用三角结构，比如悬架和发动机的安装点。图6.三角结构车架（车架侧视图）之前Um-Rolla的车架缺乏足够的三角结构对于产生较大载荷部件。这些部件被连接在车架的某根杆的中点上。正如所料，这根管件如同简支梁一样产生了较大的弯曲形变。尽管那些设计仅仅是在比赛短短的几天内，但是，他们无一例外的因为管件和耳片断裂而失败。对于1996年的赛车，所有的受力较大的部件均使用三角结构的连接方式。截面惯性矩截面惯性矩

27、对于结构刚度有很大的影响。因此，距离轴线越远的材料，将会抵抗更大的扭转和弯曲。这个概念通过对基本车架添加侧边仓结构得到体现。图7.侧边结构（车架俯视图）图7展示了三角形式的侧边仓结构用来提高1996车架的扭转刚度。这些材料也增加了侧面碰撞保护。侧边仓的添加离底盘轴线中心尽可能的远，增大前后悬架之间部分的截面惯性矩。大部分的FSAE成功的赛车拥有侧边仓用来提高安全性和扭转刚度。除了应用侧边仓结构来提高底盘的刚度，1996赛车开始了使用环形管件连接下管来提高车架的刚度。1997年FSAE规则强调主环，和车架基体的材料在制造的时候必须使用0.049英寸壁厚的4130钢管1。因为这些钢管比0.035英

28、寸壁厚的钢管刚度更大，车架可以明显的提高刚度通过使用这种主环材料。负载路径在设计过程中，考虑载荷时如何传递到车架上是很重要的。一个载荷路径被描述为载荷通过传递路径消散在车架上。举个例子，图8显示了轮胎所承受的垂直载荷是如何通过立柱，推杆，摇臂，弹簧-减振器传递到车架上的。当然，合适的去调查所涉及的力，应当画出各个部件的自由体受力图。然而，这个概念被设计者用来直观的体现车架应该是一个怎样的结构。图8.前悬载荷传递路径防撞为了安全起见，Formula SAE组委会已经写清楚了一系列的规则来保护驾驶员承受来自前方，侧方以及翻转等一些情况下的撞击。在1996赛季设计工作开展的时候，Um-Rolla就发

29、现按照FSAE规则设计出来的车架是经过刚度优化的，显而易见的车架的强度已经足够大来适应不同的撞击工况。由于前端碰撞的可能性，更多必要的结构被应用于车架鼻头处相对于1996年的规则。在原有经验的基础上，我们团队相信，车辆在跑动过程中撞击固体如路肩或停车处的概率是很高的。所以，考虑到使驾驶者的脚步的安全，通过加装前部防撞结构来保障。装配任何一个FSAE系统必须包络于车架的外框中。这些部件的空间限制于管件现有的布置，但是这些布置是不利于车架的刚度8的。举个例子，驱动器占据车架的部分可以显著的增加车架的刚度。悬架悬架的包络大多数不会遇到干扰问题因此大多数部件在车架外部。然而，这是尤其重要的使悬架部件连

30、接部分增强刚度使载荷通过正确的路径传递到底盘的那些部件中8。设计车架过程中使控制臂连接到车架的刚性部分中有些时候是非常困难的。Um-Rolla发现改变控制臂连接之间的距离可以为控制臂优化载荷的传递路径。因为这些距离的改变不会影响悬架几何，因此控制臂的转动中心也不会受到影响。然而，减少控制臂的跨度，会降低控制臂的反应由加速和减速产生的力的能力。Um-Rolla发现悬架的设计应当适用于车架。这就允许设计人员去适配推杆和摇臂的载荷路径，所以这车架能有效率的反应这些载荷。动力传动系统正确的将动力传动系统安装在车架上对于提高车架的使用寿命是非常重要的。发动机，差速器和车架之间的相对刚度不像悬架系统和车架

31、之间的相对刚度那样重要。这是由于一个现象就是FSAE底盘布局中传动系统组件之间距离很短。关键的设计点是要确保车架在一个不正确的降档或者猛然释放离合的情况下不会发生破坏。Um-Rolla所经历过的大多数车架失败是由于发动机支架和差速器支架的破坏。当设计电机链盘和差速器链盘周围的车架部分时，足够大的间隙必须存在，这样可以使一系列的前后链盘可以使用。这种空间允许一个较宽范围的传动比的选择。Um-Rolla的几个进程已经建立起来却因无法改主减速比。这种无奈已经证明了当你试驾赛车在FSAE竞赛中狭窄空间和空间开阔的障碍赛时是一种缺陷。动力传动系统便于维修也是传动系统周围车架部分设计应该考虑的一个重要点。

32、Um-Rolla已经发现提供足够的空间可以减少直接拆除发动机和维护涉及发动机的机械部分的工作量，当你的发动机需要改变的时候。当然，我们也容易发现，足够大的空间也使维护电动机上的部件如离合，发电机和一些阀类开关变得比较简单。人机工程学由于驾驶员的身高以及体重不同，而且还在一个较宽的范围内，使车架与驾驶员的组合变得合适是一件非常困难的。每个驾驶员的交互都应该设计以至于它是适合于各种各样的驾驶员。Um-Rolla的1996项目可以使身高1.58M到1.90M的驾驶员来操作。控制系统控制系统比如方向盘和踏板周围的车架设计，是一个问题以确保车架的结构与驾驶员执行的动作不会干涉。另外，控制系统必须足够强度

33、的安装在车架上，这样当车辆在行驶过程中它的连接部分不会发生屈服。车架不能干涉驾驶者在驾车过程中的所有操作动作。驾驶员的手臂在这片区域中是一个极其重要的部分。在过去，Um-Rolla已经设计出的车子很难保证体型较大的驾驶员的胳膊能够在驾驶舱内。所幸的是，这个方面在1996年的底盘中通过增大驾驶舱截面积得到了弥补。车架的设计者应该将目光放在结构设计之上，这样在设计的过程中其他的一些疏忽将会降低。举个例子，之前的一支车队在底盘装配的时候遇到了一个问题，当他们将方向盘直接装在齿轮齿条上面的时候。这是个错误的设计，因为方向盘和齿轮齿条之间的万向节无法弯曲90度。安全带最重要的是，安全带的安装点必须足够强

34、大去保证它不会再事故中发生破坏。它的安装还必须是在紧绷状态下不被全约束。这在Um-Rolla过去的车子中是个问题，为适用于不同体型的驾驶者，布置安全带的安装点。逃生快速逃生在1997年的规则中是非常重要的要求，驾驶员必须在5s中之内逃出赛车。过去的Um-Rolla赛车在快速逃生方面非常困难。那些赛车在设计的时候在钢管结构中仅仅为车手的脚部和腿部空进留下165mm的高度空间。这是一种设计者为追求底盘刚度而牺牲人机工程的情况。结论很明显，车架的设计是刚度，重量和装配之间的妥协。其中，刚度是最重要的部分，因为它影响着整车的性能。如果应用太多的材料去提高车架的刚度，整车的性能会有所下降由于质量的增加。

35、不仅要让车架变得刚度大和轻，而且可以将整车的所有系统装配进去。因此，在车架的设计过程中需要一些迭代去达到一种平衡。竞赛的时间节点可能会限制这些迭代的次数，以便赛车可以制造和测试。如果基本设计概念已经被应用于车辆而且一些想法已经给予了每个子系统，最后的结果将会是建立了一个FSAE赛车的良好基础。3.Um-Rolla 1996赛车设计方法尽管设计一个单一部件和系统是简单的，但是将所有的部件和系统合并在一起确实一件比较困难的事，比如一辆方程式赛车。设计团队在设计每个系统和部件的时候都必须在脑海中想一下它会在总装配中影响到什么。比如，悬架的设计小组必须在左右控制臂连接点之间为车手的腿部留下足够的空间。

36、本节将介绍用来设计Um-Rolla1996赛车的基本顺序。这个顺序不是唯一去设计车辆的途径。但是，Um-Rolla发现这是对于FSAE车辆来说是逻辑的顺序。布局1996年的设计是通过车辆宽度和车轮的基本尺寸来确定车辆的参数。一旦这个工作完成后，驾驶员和发动机的位置初步确定了到设计车辆质心分布。一些设计被应用于安装重要或者难于安装的系统。举个例子，燃油系统必须安装在中心附近以降低比赛过程中质量变化的影响。悬架几何当车辆宽度和车轮基本参数被确定之后，设计团队作出了一个轮胎和车轮初步选型。设计团队对于一些基本的悬架参数：外倾增量，磨合半径，侧倾中心定位。这些都是需要的，这样车队就可以作出悬架的几何模

37、型。悬架模型通过分析外倾角变化和侧倾中心移动。因为静态外倾角可能在测试的过程优化。在悬架建模期间，小组通过观察垂直方向和水平方向的侧倾中心的运动和外倾角的变化量当车轮相对于底盘垂直跳动25mm和2度的侧倾角时。在得到一个理想的悬架几何之前做一些重复的优化工作是非常必要的。当悬架的设计工作敲定，转向系统在车架上可能的安装位置以及转向节臂的基础上开始设计。悬架系统的建模过程也可用来降低转向干涉。实体建模一旦初期的悬架设计定稿，接下来提上日程的便是悬架的实体建模。然后画出初步的悬架部件机构设计。在实体装配模型中，让悬架在运动范围内运动，观察控制臂，耳片，立柱和轮胎是否有干涉。检查完悬架的干涉问题之后，下一步要进行的工作就是开始设计车架。Um-Rolla使用CAE装配软件去完成车架结构的建模。主要的部件，像发动机和差速器，都要在模型中建出来。为了简化这个过程，只有安装点或者草图被输入进来。另外，要为没有设计完成的系统在车架内留有足够的空间