FSCE车队论文

1、大学生方程式赛车一.大学生方程式赛车悬架系统参数优化设计 大学生方程式赛车系列赛事（Formula SAE）由美国汽车工程师协会（SAE International） 创办于 1979 年。经过了 30 年的发展，目前在全球范围内已经在 11 个国家举办。由于其特有的教学实践方式及赛事本身的专业性，在大学生中深受欢迎。由于该赛事除了考核赛车的动力性，也对赛车的操控性及设计方法同等重视，因此在赛车的结构上的设计及优化就需要相当细腻的处理。而悬架系统作为赛车的“四肢”，直接影响赛车的操控性及平顺性，甚至赛车在赛道上的行驶姿态，因此，其优化设计的重要性更加不可忽视。 大学生方程式赛车当前已经风靡全球

2、。其设计形式可谓五花八门。作为一款赛车，悬架系统对于其整车性能的影响不可忽视。为了能够使赛车的操控性能最优化，对于不同的赛车，即使采用相同的悬架结构形式，也应该具有不同的设计参计。1赛车基本参数在进行赛车悬架系统的详细参数设计之前，根据已知的发动机及其套件重量、车手体重 及其传动系统重量，可以初步估算出前后轴荷分布比例 FZ1/ FZ2=44/56。通过该前后轴荷分布比例，设置赛车的稳态转向性能为不足转向，根据式 2-11，即稳定性因数 K>0,可以得到赛车前后轴荷分布的关系如式 2-2 所示，其中 a/b=56/44，则可推出前后悬架刚度之比 k1/ k2>44/56。根据规则规

3、定，为使赛车能够通过半径为 4.5m 的弯道，根据 R=L/sin,L 为轴距，为外侧车轮最大转角，可设置赛车轴距参考值为 1600mm。除此以外，通过测量，也可确定出质心高度 hg。试举例整车参数如表 1 所示。 表 1 整车基本参数表轴距1600mm前后轴荷比44/56前后轴重心高度 hg152.27mm/250mm满载质量300kg 至此，在悬架系统参数优化设计中将用到的参数已经全部求出。接来将对悬架系统几个部分的优化设计的详细内容进行说明。2悬架系统参数优化设计 2.1 侧倾中心优化 侧倾中心作为整车前、后轴横断面的瞬时转动中心，直接影响整车侧倾轴线的位置，从 而确定了整车侧倾力矩的大

4、小。因此，为了能够减小赛车过弯时的侧倾力矩，须要使所设计 的悬架结构的侧倾中心靠近质心位置。但是为了避免侧倾中心过高引起车轮在跳动过程中产 生较大的角度变化，须要找到一个最佳的侧倾中心高度。由于在这里所设计的赛车上采用横臂结构悬架，侧倾中心位置由上、下横臂间张角决定。 若横臂 aa与 bb平行，且都平行于地面时，侧倾中心高度 hW=0，即 W 在赛车中性面与 地面的交点处。为了能够适当的升高侧倾中心，本文采用将下横臂与车架连接点 b、d 上移， 使下横臂上斜的方式，提高侧倾中心的高度。根据式 3-12侧倾中心的高度计算公式，可以 算得 hW。 式 3-1 中，B1为轮距，k 为与 ab长度相关

5、。通过代入数值计算得到，当下横臂倾斜角 度为 7.07°时，hW 为 104mm。前文已经提到，通过测量前轴处质心高度为 152.27mm。根 据中国大学生方程式赛车大赛规则中描述3，在进行 8 字绕环项目时，侧向加速度大小为 0.9g。则此时前轴所产生的侧倾力矩为3-2 ，与 TW相反方向的力矩 T1阻止赛车侧倾。通过计算， TW< T1。 可见经过调整后的侧倾中心高度合理。 采用相同方法求得后侧倾中心高度为 123.1mm，而后轴质心高度为 250mm，通过计算 验证是合理的。通过大量的实验证明1，侧倾轴线前低后高的整车性能较好。通过本文优化设计后前后轴侧倾中心符合前低后高

6、的合理设计。 2.2 悬架减震性能优化计算 根据公路输入-车辆平度表示方法4，这里选取 A 级公路路面激励频率作为目标对象。 该级别公路路面激励波长期望值为 0.625m，根据规则中描述，在进行复杂赛道比赛时，赛 车最高平均速度为 48km/h，根据计算可知频率期望值为 21.3Hz。因此在进行悬架刚度设计 时，应该尽量使悬架偏频避免与路面激励频率发生共振。 前文通过计算求得前后轴荷分布 Mf=132kg，Mr=168kg。则前轮单轮载荷为 66kg，后轮 单轮载荷为 84kg。悬架偏频计算如式 3-3传统 Formula 1 赛车采用悬架刚度为 175N/mm，减震器阻尼为 0.7 整备质量

7、不得低于 600kg5。由于大学生方程式赛车的整备质量为 200 至 250kg，为了避免悬架刚度过大，本文 中进行优化设计时选取前悬刚度 k1=70N/mm。则前悬偏频 n1=0.52Hz。则后悬刚度 k2<89.1N/mm，取 k2=89N/mm，n2=0.52Hz，则 n1=n2，未在路面激励频率的共振范围。 除此以外，为了保证悬架系统能够具有上下至少各 25.4mm 跳动能力，还需要对计算得 到的悬架刚度利用 ADAMS 进行仿真验算。如图 4 所示为所用轮胎的刚度曲线。轮胎的径 向刚度为 128N/mm。在仿真模型中将轮胎等效为弹簧减震器，并设置其阻尼为 1，悬架减 震器阻尼为

8、 0.7。通过在车上加载一个阶跃力，得到如图 5 所示的衰减的位移震荡图。该位 移为车架中性面的一个节点。可见，最大位移完全满足 25.4mm 的要求。并且由于减震器阻 尼作用，振动并没有一直持续而是迅速衰减，有助于提高赛车的操控性、平顺性和舒适性。2.3 横臂长度比例校核仿真及车轮外倾角和主销内倾角变化范围 随着悬架跳动，车轮的外倾角也会发生变化。上下横臂的长度关系将直接影响外倾角的 变化范围。因此，为了尽可能缩小车轮外倾角的变化范围，需要对上下横臂的长度比例进行 优化设计。 在 ADAMS 中将悬架三维模型简化为 YZ 平面内的二维模型进行仿真计算，得到如图 610 所示的曲线图。计算时设

9、置悬架跳动范围为-30mm30mm，所设计的上横臂（L1）与 下横臂（L2）长度之比：前悬 L1/L2=0.89，后悬 L1/L2=0.853 结论 通过上述的计算与仿真工作，赛车的悬架系统基本结构参数能够得到优化设计。最终确 定悬架基本参数如下： 前悬刚度 k1=70N/mm，前悬上横臂倾角1=0，前悬下横臂倾角1=7.07°，前轮外倾 角1=2°，前悬横臂长度比 L1/L2=0.89； 后悬刚度 k2=89N/mm，后悬上横臂倾角2=0，后悬下横臂倾角2=7.18°，后轮外倾 角2=1°，后悬横臂长度比 L1/L2=0.85。 优化后的悬架系统能够有

10、效的提升赛车性能。然而由于大学生方程式赛车本身的特殊 性，基于仿真和计算结果所设计制造出的悬架系统仍然需要通过实验加以深入的校核。 除此以外，悬架系统的设计不仅需要本文中所优化的基本结构参数，还需要更加细节的 结构设计。因此，根据以上基本参数的优化结果，对悬架的力学结构、机械传动结构、轻量 化、工艺性分析等方面仍然还有许多因素需要考虑。综合这些设计之后才能实现比较理想的 完整的悬架系统的设计。2 大学生方程式赛车转向系统 机械转向系统主要由转向操作机构，转向器，转向传动机构三大部分组成。它的作用：保持或改正汽车行驶反向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。 转向系统的设计

11、应着眼于：在狭窄的赛道中行驶需要精确的转向系统来传达车手的意图，减轻驾驶强度，使驾驶员尽量少的碰到筒桩。制动系统方案论证分析与选择1液压制动系统液压制动系在轿车和轻型货车上得到了广泛应用。液压制动系的传力介质是制动油液，利用制动油液将驾驶人作用于制动踏板上的力转换为油液压力，通过管路传至车轮制动器，再将油液压力转换为使制动蹄张开的机械推力。其优点是作用滞后时间短（0.1-0.3s),工作压力大（可达10MPa-12MPa),缸径尺寸小，可布置在制动器内部作为制动蹄的张开机构或制动块的压紧机构，使之结构简单、紧凑、质量小、造价低。但其有限的力传动比限制了它在汽车上的适用范围。另外，液压管路在过渡

12、受热时会形成气泡而影响传输，即产生所谓“气阻”使制动效能降低甚至失效；而当气温过低时，由于制动液的粘度增大，使工作的可靠性降低，以及当有局部损坏时，使整个系统都不能继续工作。 2气压制动系 气压制动系是动力制动系最常见的型式，其制动原能是空气压缩机产生的压缩空气，由于可获得较大的制动驱动力，且主车与被拖的挂车以及汽车列车之间制动驱动系统的连接装置结构简单、连接和断开均很方便，因此被广用于总质量为8t以上尤其是15t以上的载货汽车和客车。气压制动系必须采用空气压缩机、储气筒、制动阀等装置，使其结构复杂、笨重、轮廓尺寸大、造价高，管路中气压的产生和撤除均较慢，作用滞后时间较长,故当制动阀到制动气室

13、和储气罐的距离较远时，有必要加设启动的第二控制元件-继动阀，及快放阀；管路工作压力较低。因而制动器室的直径达，只能置于制动器之外，在通过杆件及凸轮或锲块驱动制动蹄，使非簧载质量增大，另外制动气室排气时也有较大噪声。3全液压动力制动系 全液压动力制动系除具有一般液压制动系统的优点外，还具有操作轻便、制动反应快、制动能力强、受气阻影响较小、易于采用制动力调节装置和防滑移装，及可与动力转向、液压悬架、举升机构及其他辅助设备共同液压泵和储油等优点。其结构复杂、精密件多，对系统的密封性要求也较高，故并未得到广泛应用，目前仅用于某些高级轿车、大型客车以及极少数的重矿用自卸汽车上。 4伺服制动系 伺服制动系是在人力液压制动系的基础上加设一套除其他能源提供的助力装置，使人力与动力可兼用，即兼用人力和发动机动力作为制动能源的制动系，在正常情况下，其输出工作压力主要由动力伺服系统产生而在动力伺服系统失效时，仍可全由人力驱动液压系统产生一定程度的制动力。因此，在中级以上的轿车及轻、中型客、货汽车上得到了广泛的应用。按伺服系统能源的不同，又有真空伺服制动系、气压伺服制动系和液压伺服制动系之分，其伺服能源分别为真空能负气压能、气压能和液压能。 综合考虑以往经验以及经费、效能等各方面因素，可以选择简单液压制动系统。 安全考虑，还可加上一个防抱死系统。 防抱死制动系统ABS全