FSAE赛车悬架系统设计

1、小组成员：许珈旗 杜雅鲜 黄业兴设计思路整车主要框架参数选择和确定弹性元件和减震器的选择导向机构零部件的设计车轮定位参数的设计与优化推杆使不等长双横臂独立悬架FSC赛车双横臂悬架一般有以下两种设计方案，推杆式双横臂独立悬架与拉杆式双横臂独立悬架。考虑比赛规则对悬架设计的要求、装配、调试难易程度、可靠性等因素，最终确定赛车前悬架和后悬架均采用推杆使不等长双横臂独立悬架。FSAE FSAE 赛事规则要求轮辋最小直径为赛事规则要求轮辋最小直径为203.2,mm,203.2,mm, （8 8 英寸），英寸），轮辋空间的大小直接影响着立柱的设计，而立柱的大小有决轮辋空间的大小直接影响着立柱的设计，而立柱

2、的大小有决定着上下横臂的距离，如图，为定着上下横臂的距离，如图，为CATIACATIA中建立的中建立的8 8英寸的轮辋英寸的轮辋模型。模型。轮辋模型轮辋模型FSAE FSAE 赛事规则要求赛车轴距至少有赛事规则要求赛车轴距至少有1525mm1525mm（60 60 英寸），英寸），轴距增大将会使整车质量增加，有悖于轻量化原则，故轴距增大将会使整车质量增加，有悖于轻量化原则，故轴距确定过程中，综合考虑了人机工程学、发动机大小轴距确定过程中，综合考虑了人机工程学、发动机大小与布置、轮胎宽度及悬架上下与布置、轮胎宽度及悬架上下A A 臂的安装空间要求，测臂的安装空间要求，测算确定轴距为算确定轴距为1

3、5159 90mm0mm。前后轮距的确定是在轴距已定的。前后轮距的确定是在轴距已定的情况下，根据经验公式（情况下，根据经验公式（1 1）进行初选：）进行初选： B =kL B =kL （1 1）式中：式中：B B轮距，轮距，mmmm； L L轴距，轴距，mmmm； k k系数，取系数，取 0.550.640.550.64。经过初步估算，初定的赛车部分技术参数。经过初步估算，初定的赛车部分技术参数。名称名称参数参数轴距（轴距（mm)mm)15159 90 0前轮距（前轮距（mm)mm)1 120200 0后轮距（后轮距（mm)mm)11601160整车整备质量整车整备质量（kg)kg)22022

4、0总质量（总质量（kg)kg)280280前后载荷分配前后载荷分配43/5743/57 表表1.1.赛车部分技术参数赛车部分技术参数侧倾中心侧倾中心侧倾中心高度：前悬架侧倾中心高度：前悬架30mm30mm，后悬架，后悬架60mm60mm。后轴稍高的侧倾中。后轴稍高的侧倾中心有至少俩优点，其一是后轴可以使用较软弹簧，因为这的侧心有至少俩优点，其一是后轴可以使用较软弹簧，因为这的侧倾力矩较小，其二就是保持侧倾轴尽可能平行于赛车主惯性轴。倾力矩较小，其二就是保持侧倾轴尽可能平行于赛车主惯性轴。侧倾中心抗制动前俯角抗制动前俯角 制动抗点头是指制动时悬架抵抗因纵向载荷转移引起前悬制动抗点头是指制动时悬架

5、抵抗因纵向载荷转移引起前悬架弹簧压缩变形的能力。抗前俯率由式架弹簧压缩变形的能力。抗前俯率由式(2-1)(2-1)确定。确定。 （2-12-1）式中式中 前悬架纵倾中心到地面的高度前悬架纵倾中心到地面的高度(mm)(mm)； 制动力分配系数；制动力分配系数； 轴距轴距(mm)(mm)； 前悬架纵倾中心到前轴中心的距离前悬架纵倾中心到前轴中心的距离(mm)(mm)； 质心的高度质心的高度(mm)(mm)。抗驱动后仰角抗驱动后仰角 抗驱动后仰角可减小后轮驱动汽车车尾的下沉量或前轮驱抗驱动后仰角可减小后轮驱动汽车车尾的下沉量或前轮驱动汽车车头的抬高量。与抗制动前俯角不同的是，只有当汽车为单桥驱动时，

6、动汽车车头的抬高量。与抗制动前俯角不同的是，只有当汽车为单桥驱动时，该性能才起作用。对于独立悬架而言，当纵倾中心位置高于驱动桥车轮中心该性能才起作用。对于独立悬架而言，当纵倾中心位置高于驱动桥车轮中心时，这一性能方可实现。时，这一性能方可实现。考虑到车架的加工问题，若上下横臂轴轴线不平行，车架加工难度会非常考虑到车架的加工问题，若上下横臂轴轴线不平行，车架加工难度会非常大，所以本次设计将上下横臂轴轴线设计成都和地面平行，即纵倾中心在无大，所以本次设计将上下横臂轴轴线设计成都和地面平行，即纵倾中心在无限远处。限远处。%10011hdLed1e1dLh磨胎半径磨胎半径和偏频的选取和偏频的选取1.1

7、.磨胎半径磨胎半径前悬磨胎半径初定为前悬磨胎半径初定为 ，后悬的定为，后悬的定为2.2.偏频偏频赛车的偏频范围一般在赛车的偏频范围一般在2.4-3.4Hz2.4-3.4Hz之间偏频低，悬架软能更好之间偏频低，悬架软能更好的缓和路面冲击，整车平顺性好；偏频高悬架偏硬，高刚度的缓和路面冲击，整车平顺性好；偏频高悬架偏硬，高刚度能更好地控制重心，操纵稳定性更好对于赛车出于操控性能能更好地控制重心，操纵稳定性更好对于赛车出于操控性能的考虑采取前高后底。的考虑采取前高后底。最终选取的偏频为：前悬架最终选取的偏频为：前悬架3.0Hz3.0Hz，后悬架，后悬架2.8Hz2.8Hz。mmaF5mmaR40悬架

8、刚度的计算悬架刚度的计算由总布置给出的整车数据，赛车的总质量由总布置给出的整车数据，赛车的总质量220+60=280kg220+60=280kg，轴荷比为，轴荷比为43:5743:57。则前轮单轮簧载质量为则前轮单轮簧载质量为49.45kg49.45kg，后轮单侧簧载质量为，后轮单侧簧载质量为65.55kg65.55kg。前轮一侧乘适刚度：前轮一侧乘适刚度：后轮一侧乘适刚度：后轮一侧乘适刚度：车轮处静挠度：车轮处静挠度： 前轮前轮 后轮后轮22RFFFK4 fm17.22N/mm22RRK4 fm19.88N/mmRRsFFRFdm g/K27.62mmsRRRdmg/K31.85mm三三.

9、.弹性元件和减振器的选择与计算弹性元件和减振器的选择与计算弹性元件：弹性元件：而其配套的弹簧可供选用的分别有：而其配套的弹簧可供选用的分别有：300LBS/in300LBS/in、350LBS/in350LBS/in、400LBS/in400LBS/in、450LBS/in450LBS/in刚度。经过计算，我们选择前弹簧刚刚度。经过计算，我们选择前弹簧刚度为度为350LBS/in350LBS/in。减振器：减振器：经过计算与分析，最终确定本辆赛车选用直径经过计算与分析，最终确定本辆赛车选用直径D=20mmD=20mm的充气的充气式减振器，这种减振器的优点是在不利于车辆连续行驶的路式减振器，这种

10、减振器的优点是在不利于车辆连续行驶的路面上行驶时，能够体现出更加优良的阻尼力，是有着十分出面上行驶时，能够体现出更加优良的阻尼力，是有着十分出色的工作的持续性和高速特性。色的工作的持续性和高速特性。前后悬架立柱考虑到赛车上立柱需连接悬架、轮毂轴承和制动器卡钳，因此其结构设计应具备3 个方面：轮毂轴承安装位及螺栓安装孔； 悬架球头销的安装形式及安装位；制动卡钳的安装位及安装孔。满足这3 个方面后，方可自由设计其形状和连接件。但前悬架立柱还需特别考虑转向梯形臂的连接， 设计的前后悬架立柱三维模型，如图所示。后立柱建模前立柱建模横臂的设计横臂的设计上、下横臂长度的确定上、下横臂长度的确定为便于布置发

11、动机，双横臂式独立悬架一般设计为上横臂短为便于布置发动机，双横臂式独立悬架一般设计为上横臂短和下横臂长，考虑到不等长臂对轮胎跳动的影响，和下横臂长，考虑到不等长臂对轮胎跳动的影响， 希望轮距希望轮距变化要小一些，以减小轮胎的磨损程度，提高使用寿命，因变化要小一些，以减小轮胎的磨损程度，提高使用寿命，因此一般选择上下横臂长度的比值在此一般选择上下横臂长度的比值在0.670.67左右。本设计的上下左右。本设计的上下横臂比值分别为横臂比值分别为0.870.87和和0.860.86。因此我们初选前悬上横臂长为因此我们初选前悬上横臂长为277mm277mm，下横臂长为，下横臂长为344mm344mm，同

12、，同理后悬上下横臂长分别为理后悬上下横臂长分别为266mm266mm，315mm.315mm.横臂建模悬架吊耳的设计悬架吊耳的设计在设计悬架吊耳的时候主要考虑三个方面，首先吊耳的强度要满足设计在设计悬架吊耳的时候主要考虑三个方面，首先吊耳的强度要满足设计要求，其次要注重轻量化的优化设计，另外设计的吊耳要有足够的空间要求，其次要注重轻量化的优化设计，另外设计的吊耳要有足够的空间保证悬架在运动过程中，杆端轴承与向心轴承不与吊耳发生干涉的现象。保证悬架在运动过程中，杆端轴承与向心轴承不与吊耳发生干涉的现象。在材料的选择上与车架焊接连接的吊耳采用的是在材料的选择上与车架焊接连接的吊耳采用的是4545号

13、钢，与立柱连接的号钢，与立柱连接的吊耳采用的是吊耳采用的是70757075铝。铝。单片吊耳 整体式吊耳减震器吊耳摇臂吊耳四四. .车轮定位参数车轮定位参数的确定和优化的确定和优化1. 1. 车轮外倾角车轮外倾角由于赛车经常需要快速转弯，希望能够最好的发挥轮胎性能，使其在转弯由于赛车经常需要快速转弯，希望能够最好的发挥轮胎性能，使其在转弯的过程中，最大的提供侧向力，所以赛车设计常把它设置为负角度，从而最的过程中，最大的提供侧向力，所以赛车设计常把它设置为负角度，从而最大程度利用轮胎的附着能力，并且希望随轮跳变化尽量小。在常见的车轮跳大程度利用轮胎的附着能力，并且希望随轮跳变化尽量小。在常见的车轮

14、跳动范围内，其变化量一般控制在动范围内，其变化量一般控制在1 1以内。以内。车轮行程在车轮行程在-303 30mm，车轮的外倾角悬架模型车轮外倾角变化，车轮的外倾角悬架模型车轮外倾角变化范围为范围为-0.855- 1.372，变化较小，这将减小轮胎侧向滑移，提，变化较小，这将减小轮胎侧向滑移，提高汽车的操纵稳定性，符合设计要求。高汽车的操纵稳定性，符合设计要求。2.2.车轮前束角车轮前束角前轮前束角必须和前轮外倾角相匹配，前轮外倾角越大，前束角就越大。前前轮前束角必须和前轮外倾角相匹配，前轮外倾角越大，前束角就越大。前轮外倾角减小了，甚至为负值，相应地前轮前束角也应减小甚至为负值。在轮外倾角减

15、小了，甚至为负值，相应地前轮前束角也应减小甚至为负值。在汽车的设计过程中，如果前束角设置的合理，可使前束角引起的侧向力与车汽车的设计过程中，如果前束角设置的合理，可使前束角引起的侧向力与车轮外倾引起的外倾推力相互抵消，从而会大大的降低轮胎的磨损以及汽车动轮外倾引起的外倾推力相互抵消，从而会大大的降低轮胎的磨损以及汽车动力的消耗。力的消耗。车轮前束角随车轮上下跳动时的变化曲线如所示车轮前束角随车轮上下跳动时的变化曲线如所示前束角变化范围较理想为：车轮上跳时前束角变化范围较理想为：车轮上跳时, ,正前束正前束0.320.32/50mm/50mm。仿真结果前束。仿真结果前束角的变化范围为角的变化范围

16、为0.210.21/30mm/30mm，即，即-0.525-0.525- -0.328- -0.328/30mm/30mm，变化较小，这，变化较小，这将减小轮胎侧向滑移，提高汽车的操纵稳定性，从而符合设计要求将减小轮胎侧向滑移，提高汽车的操纵稳定性，从而符合设计要求。车轮跳动车轮前束角3 3 主销后倾角主销后倾角主销后倾角的设计应保证汽车具有适当的回正力矩，其稳定主销后倾角的设计应保证汽车具有适当的回正力矩，其稳定效应是通过前轮转向时凭借路面对轮胎的侧向反力来实现的。效应是通过前轮转向时凭借路面对轮胎的侧向反力来实现的。主销后倾角随车轮上下跳动时的变化曲线如所示主销后倾角随车轮上下跳动时的变化

17、曲线如所示。主销后倾角车轮跳动4.4.主销内倾角主销内倾角能使转向轮自动回正，从理论上讲主销内倾角越大，汽车的转向轮和整能使转向轮自动回正，从理论上讲主销内倾角越大，汽车的转向轮和整个汽车的前半部分抬得越高，转向轮的回正力矩就越强，因此汽车急转个汽车的前半部分抬得越高，转向轮的回正力矩就越强，因此汽车急转弯后，松开方向盘，车轮就能自动回正，主销内倾角还能使转向轻便。弯后，松开方向盘，车轮就能自动回正，主销内倾角还能使转向轻便。一般主销内倾角的设置不大于一般主销内倾角的设置不大于8 8。一般认为理想情况下在车轮上跳时，主销内倾角的增加应尽量减小，以一般认为理想情况下在车轮上跳时，主销内倾角的增加应尽量减小，以避免主销内倾角变化过大。如图所示，车轮跳动过程中该主销内倾角的避免主销内倾角变化过大。如图所示，车轮跳动过程中该主销内倾角的变化范围为变化范围为5.75o-6.28o/30mm5.75o-6.28o/30mm，变化幅度不大，满足设计要求。，变化幅度不大，满足设计要求。车轮跳动主销内倾角通过上述和初步计算，得到前后悬架的参数通过上述和初步计算，得到前后悬架的参数如下表如下表2 2。 名称名称 前悬架前悬架 后悬架后悬