毕业设计（论文）-巴哈赛车悬架系统设计

毕业设计（论文）巴哈赛车悬架系统设计学院（系）：专业班级：学生姓名：指导教师：

摘要在巴哈赛车的设计过程中，为了应对复杂的越野道路工况，在不降低赛车其他性能的前提下，需要设计一款具有良好的抗侧倾、抗震和耐冲击性能的悬架系统，此悬架系统还应具备足够大的压缩行程以提供赛车足够的通过性。本次毕业设计首先对现有的悬架形式进行了研究并选取了合适的巴哈赛车悬架形式，前悬架采用双横臂式独立悬架，后悬架采用多连杆式独立悬架；其次通过将大学本科所学基础知识与专业知识相结合，以理论为基础，从需求出发对巴哈赛车的前、后悬架系统进行结构和参数设计，并利用CATIA对悬架结构进行三维建模；再次，通过计算机分析软件ANSYS和Adams对设计进行建模和分析，验证了悬架杆件力学性能的可靠性和运动学参数的合理性，最终设计出了一款能够充分满足设计要求的巴哈赛车悬架系统。关键词：双横臂式独立悬架、多连杆式独立悬架、CATIA建模、ANSYS分析、Adams仿真

ABSRACTDuringthedesignofBajaracingoff-roadvehicle,inordertothroughthetracks,whichareinacomplexoff-roadconditionsuccessfully,thedesignofsuspensionshouldpossesssuperiorabilityofanti-rolling,againstvibrationandshock.Otherwise,thesuspensionsystemshouldalsohaveenoughcompressiontraveltomeettherequirementoftrafficability.Thisgraduationdesignaimtothroughtheanalysisofnormaltypesuspensionsystem,thenitwasdesignedtousethedouble-wishboneindependentsuspensionasfrontsuspension,themulti-linkindependentsuspensionasrearsuspension.Thenthroughusingthecombinationofbasicknowledgeandprofessionalinformationtocalculatethedimensionsizeandstructure.BuildtheCATIA3Dmodelsofsuspensionbyusingtheparameters.ThenthroughthecomputerassistantsoftwaresuchasANSYSandAdamstosimulatetheworkingconditionandloadcharacteristic.Accordingtotheresultsofanalysisandsimulation,thereliabilityofdesignandtheaccuracyofhardpointhavebeenproved.Finally,thedesignofsuspensionsystem,whichmeetsallthedesignrequirementandcompetitionrules,hadbeencompleted.Keywords:Double-wishboneindependentsuspension;Multi-linkindependentsuspension;CATIAthree-dimensionalmodels;ANSYSanalysis;AdamsSimulation.目录第1章绪论 11.1、巴哈赛车悬架系统概述 11.1.1、研究背景 11.1.2、国内外发展情况和现状 11.2、研究的内容和方法 2第2章巴哈赛车悬架系统的结构分析 42.1、巴哈赛车悬架作用 42.2、巴哈赛车悬架的组成 42.2.1、悬架系统的结构 42.2.2、巴哈赛车常用悬架 42.2.3巴哈赛车悬架选型 62.3、巴哈赛车悬架的要求 82.4、本章小结 9第3章前悬架设计 103.1、前悬架设计 103.1.1、设计输入参数 103.1.2、承载特性 103.2、零部件设计 123.2.1、螺旋弹簧设计 123.2.2、减振器设计 163.2.3、导向机构设计 183.3、前悬架CATIA三维建模 223.4前悬架硬点分析 233.5、运动学特性分析 253.6、本章小结 28第4章后悬架设计 294.1、悬架布置位置确定 294.1.1、前摇臂车身固定点选择 304.1.2、后拉杆车身固定点选择 304.1.3、减振器车身固定点选择 314.2、后悬架结构设计 324.2.1、前摇臂设计 324.2.2、后拉杆设计 334.3、减振器参数设计 354.4、后悬架CATIA建模 374.5、本章小结 38第5章巴哈赛车悬架系统分析及仿真 395.1、前悬架静力学分析 395.1.1、巴哈赛车前悬架上横臂静力学分析 395.1.2、巴哈赛车前悬架下横臂静力学分析 405.1.3、巴哈赛车后悬架前摇臂静力学分析 415.2、巴哈赛车前悬架运动学特性分析 425.2.1、Adams建模思路 425.2.2、Adams建模分析 435.3、本章小结 45结论 461、研究结论 462、设计亮点 463、未来展望 46致谢 48参考文献 49第1章绪论1.1、巴哈赛车悬架系统概述1.1.1、研究背景巴哈大赛起源于1976年的美国，其名称取自于西班牙语越野车的意思。参赛队伍历时数月自主设计、选型、加工、制造、试验等最终完成一台符合大赛要求的小型越野赛车，根据规定，赛车采用中置后驱的布置形式。本项赛事面向全国各类职业院校及高校低年级学生，旨在培养具有实践性的车辆工程人才。为了测试各车队赛车的综合性能，比赛场地通常选取道路情况极为复杂的路面如坑道、陡坡、水塘等，而在应对此类路面时，赛车悬架需要承受巨大的冲击载荷，因此悬架的设计对于赛车的整体性能发挥起着至关重要的作用。除此之外，由于巴哈赛车的结构特点，以及动力性能要求，其结构较为紧凑，尤其是前悬架布置空间，在与车架匹配的同时，还需要为转向拉杆提供足够的布置空间。同时，在巴哈赛车悬架系统的后悬架设计中，考虑到中置后驱的整车布置形式，后悬架需承担较大的重量，同时与驱动轴相连，所以，它还应当具有使赛车动力性正常发挥的重要作用。因此，巴哈赛车的悬架系统是一个赛车综合性能匹配度极高的设计，同时也具有很大的创新空间。1.1.2、国内外发展情况和现状巴哈大赛自2015年引进中国以来，很快受到各大工科院校的欢迎，在巴哈大赛中，不仅可以让高校学生学习更多更实际的汽车知识，同时也可以增进各高校之间的友谊，促进学术交流。悬架系统作为巴哈赛车的重要总成之一，在面对恶劣的比赛环境时，对赛车性能有着重大的影响，也是参赛队伍设计、优化的重心。悬架主要分为非独立悬架和独立悬架，非独立悬架虽然在结构和制造成本方面具有一定的优势，但左、右侧车轮在遇到不平路面上下跳动时，会相互牵连，进而降低赛车驾驶的稳定性和乘坐的舒适性，且对于其简单的结构而言，各机构自由度小也会造成驾驶稳定性的下降。在悬架形式方面，由于巴哈小型越野车属于参赛车型，在有效控制成本的情况下，各车队尽可能地选用性能优秀的悬架形式。因此，在巴哈赛车悬架的设计过程中，考虑到前悬架需要承担转向作用，但承载力较小，故大多采用双横臂独立悬架；而对于后悬架，按照巴哈比赛规则要求采用的中置后驱赛车设计，后悬架需要承载很大的重量，故各车队采用了各自创新的以单纵臂为设计基础的单纵臂多连杆式独立悬架，从而使后悬架兼具承载能力强和保证赛车操作稳定性的优点。1.2、研究的内容和方法图1.1毕业设计整体流程本课题通过对巴哈大赛比赛规则和比赛道路情况的研究，结合悬架系统的基本性能要求和设计思路，运用所学过的力学、机械学等基础知识，对悬架进行结构设计，并确定各零部件的材料和几何尺寸。在参数、材料确定的基础上，利用CATIA三维建模软件建立该悬架的三维模型，并通过ADAMS等软件进行仿真分析，从而获得一套操作稳定性、动力性等各项性能符合大赛要求且具有一定竞争实力的巴哈赛车独立悬架系统。

第2章巴哈赛车悬架系统的结构分析2.1、巴哈赛车悬架作用为应对多变的道路情况，车架与之间需通过悬架进行弹性连接，从而衰减冲击载荷，缓和行驶过程中车辆的剧烈运动，提高整车的可靠性.其次，悬架系统承担着垂直方向上的种种受力，如地面支持力、车身压力等，此外还包括车身扭转等情况带来的纵向反力和侧向反力，从而保证巴哈赛车行驶过程中的稳定性。最后，悬架系统的运动学参数如前束角、车轮内倾角等还会影响赛车转向性能和动力性能的发挥。2.2、巴哈赛车悬架的组成2.2.1、悬架系统的结构悬架根据左右车轮是否关联运动可分为独立悬架和非独立悬架，由于巴哈赛车需具备较高的通过性，即面对复杂多变的道路情况，左右车轮的干涉应尽可能小。同时，相比于非独立悬架，独立悬架的结构设计更为开放，整体质量较轻，因此独立悬架形式势必成为首选。巴哈赛车悬架系统的组成相较于普通乘用车而言相对简单，但元件及结构的基本构成仍然不变主要以摇臂作为导向机构，以螺旋弹簧减振器总成作为弹性、阻尼元件。通常情况下，摇臂采用万向节与立柱相连，从而作用于车轮；在摇臂的内侧则通过铰链与车架相连。2.2.2、巴哈赛车常用悬架独立悬架的在分类上可根据其工作特点分为拖曳臂式、单纵臂式、双横臂式、多连杆式等，而在巴哈赛车中，较为常见的是双横臂式独立悬架和多连杆式独立悬架（1）双横臂式独立悬架双横臂式悬架是指有两根横臂的独立悬架系统。双横臂式独立悬架根据上下横臂的长度相等于不相等又可分为等长双横臂式和不等长双横臂式，如表2.1。表2.1两种双横臂式独立悬架的优缺点等长双横臂不等长双横臂车轮上下跳动时，主销内倾角有轻微变化在车轮上下跳动时，能保持主销内倾角不变轮距变化较小轮距变化较大，易产生轮胎的磨损巴哈赛车中为了方便比赛过程中的调整，及与其他系统之间的匹配，同时保证轮距不会发生较大变化，以减小轮胎磨损，多选用不等长双横臂式独立悬架。双横臂悬架一般用作轿车的前、后悬架，巴哈赛车由于其工作的复杂道路情况，双横臂悬架的选用可以满足多方位的需求，同时还可以是整个前轴的空间布局更具灵活性，如图2.1所示。图2.1双横臂式独立悬架实体

图2.1双横臂式独立悬架实体图2.2多连杆式独立悬架实体多连杆式独立悬架的纵臂近乎平行于汽车纵向轴线，特点是结构简单、车轮跳动时除主销后倾角有较大变化外，其他角度无变化。在巴哈赛车中，后悬架的可选用形式相较于前悬架而言更多，且创新和设计的可能性更大，因此，单纵臂式独立悬架在巴哈赛车的设计过程中不再是单一的悬架形式，而是在多连杆是独立悬架的基础上，集成了单纵臂和拖曳臂式独立悬架的特点，以在可行范围内，综合各类悬架形式的优点，适应巴哈赛车后悬架空间紧凑的情形和满足结构简单、质量轻便、可承载动力系统并具有辅助动力性和操纵性发挥的悬架设计要求，如图2.2图2.2多连杆式独立悬架实体2.2.3巴哈赛车悬架选型巴哈赛车的前悬架需要承受少量载荷，但是前悬架具有辅助转向系统工作的功用，使车辆在转向时保持良好的操作性和稳定性，同时充分发挥转向性能和动力性能。因此前悬架的结构应具有良好的适应性能，同时为了保护转向拉杆，应尽可能减小横向载荷，甚至选用一种横向载荷几乎为零的悬架形式。另外，为了实现车身高度的优化，尽可能降低巴哈赛车的重心，还应当选用一种在垂直方向上具有良好匹配性能的悬架形式。因此，在本设计中，选用双横臂式独立悬架。为方便后续校核计算，初选摇臂材料为4130结构钢（30CrMo），其杨氏模量为2.11E+11，泊松比为0.279，以满足上述需求。相比于前悬架较小的承载需求，由于巴哈赛车采用的是中置后驱的布置形式，所以车身车架的后部位置需要安装发动机、减速器等重要部件，且承载较大，故需要选取具有较强承载能力的悬架形式。另外，为了降低悬架系统的制造和设计成本，且使其便于维修和具有较高的维修接近性，所以需选取结构较为简单，最好为简单连杆构成的悬架形式。综上所述，可选择的悬架形式包括单纵臂、多连杆和拖曳臂三种形式，但是结合后悬架位置与车身匹配的关系，需考虑空间的利用和减振器安装位置的预留，仅选用其中一种悬架形式无法完全满足上述所有要求，故在巴哈赛车的设计的过程中需要独具创新地开发一种兼具多种有点、符合尽可能多要求的悬架形式。本次设计中，选取单纵臂和多连杆相结合的悬架形式。在布置过程中，前摇臂选取为具有单纵臂特征的三角形摇臂，后摇臂为具有双连杆特征的平行四边形结构摇臂，初选结构同前悬架摇臂为4130结构钢。

2.3、巴哈赛车悬架的要求在巴哈大赛的赛场中，有许多高低势差较大的路面，如坑道，滚木等如图2.1，在通过此类路面时，悬架系统的上下跳动区间极大，且需要承受较大的冲击载荷。如图2.3（a）在通过炮弹坑时，应尽可能保证车轮不陷入坑能，因此赛车在保证一定速度的前提下，悬架系统需具有一定的抗俯仰性能；在通过诸如泥坑如图2.3（b）、水塘的路面时，应当使赛车具有一定的离地间隙，以避免发动机进水而导致停转；如图2.3（c）（d）在通过此类较为颠簸的路面时，悬架系统应该具有良好的抗震性能和衰减振动的能力。（a）炮弹坑（b）泥坑（c）石块路（d）滚木2.3巴哈比赛赛道2.4、本章小结前悬架在选型和设计方面，由于其悬架形式较为典型，且在各类大学生赛车比赛中运用广泛，因此有大量资料、文献可供参考。然而，后悬架形式虽然基于普通独立悬架，但各车队的理解和优化方向都有所不同，因此，在设计过程中除了基本的设计过程以外，综合车架、动力总成的设计考虑也是必不可少的。本章在结合悬架特点和赛车需求的情况下对前后悬架的形式进行了确定。最终前悬架选用双横臂式独立悬架，后悬架选用多连杆式独立悬架。

第3章前悬架设计前悬架选用双横臂式独立悬架，首先利用赛车整体设计的主要参数作为输入参数，对悬架的载荷进行分析。此后，通过悬架的承载特性对零部件进行设计。之后对设计进行设计建模，以指导硬点分析。通过确定的硬点，分析悬架的运动学参数。3.1、前悬架设计3.1.1、设计输入参数为使设计更贴近实际，按照巴哈大赛赛车实际情况选取部分输入参数如表3.1。表3-1设计相关参数名称数值单位车长2930mm轴距1460mm前轴轮距1340mm后轴轮距1250mm落地前离地间隙350mm落地后离地间隙320mm落地前减振器长度600mm质心高度390mm前后载荷比42:58整车整备质量194Kg总质量274Kg3.1.2、承载特性为了使前后轴垂向振动是相互独立，选取巴哈赛车悬架质量分配系数ε=1，并用,表示前后轴的自由振动频率。一般汽车前后悬架偏频之比约为/=[1]。前，后悬架的偏频与接近且应使略高于，以免发生较大的车身纵向叫振动，对于前，后悬架静饶度值和的匹配，推荐取（3.1）该车整车整备质量为194kg，因此最大总质量为M=194+80=274kg簧上质量为总质量的78%，计算簧上质量为Kg为了应对悬架在实际工作过程中的种种不确定因素，因此需在上述质量的基本上，预留过度加载时的簧上质量，从而获得实际满载簧上质量为230Kg，前后质量载荷比为42：58，簧载质量占总质量的82%，非簧载质量占18%[2]。因此簧载质量=274╳82%=224.68Kg。由于前后悬架载荷比42:58得前悬架承载质量=96.6Kg非簧载质量=274╳18%=49.32Kg前轮单侧非簧载质量为12.33Kg，前悬架单侧簧载质量为35.97Kg，后悬架=128.08Kg，同理，后轮单侧非簧载质量为14.75Kg，后悬架单侧簧载质量为44.56Kg。根据以往车辆的悬架偏频参数，初步选取偏频前悬架=2.6Hz,后悬架偏频为=2.9Hz./=0.88符合要求。前后载荷比42:58汽车的偏频的计算公式如下：（3.2）其中g=9.8,为前悬架刚度，且QUOTEQUOTE为前后悬架的簧载质量。代入数值计算得同理得静挠度计算（3.3）（2）动挠度计算悬架动挠度是指从满载静平衡位置开始悬架压缩到结构允许的最大变形。取=70（3.4）3.2、零部件设计3.2.1、螺旋弹簧设计（1）螺旋弹簧类型的选择本次设计选用螺旋弹簧。将弹性元件总成置于车架外部，用以减少车架结构，同时为转向横拉杆预留空间，并实现弹簧与车架的良好匹配。由于赛车在通过圆木桩、水坑等高低差较大的区域过程中将遭受较大冲的，因此应尽可能调节其工作载荷以适应此类工况。设计时选取的弹簧最大工作力，并预设弹簧的最大变形量为50mm。图3.1弹簧结构图表3.2簧载质量与非簧载质量比例关系（2）选则弹簧材料，确定其许用应力因为巴哈赛车悬架系统对弹性特性要求较高，其载荷较大，工况恶劣，需选择综合性能优良的弹簧材料，选用硅锰弹簧钢丝（60Si2MnA），可知=（0.4-0.47）；与d有关，初选d=8mm，查机械手册得：=1618，=1568=（0.4-0.47）=647.2-760.46，取（3）初选旋绕比表3.3旋绕比选值初选C’=7（4）求出曲度系数K（3.5）（3.6）综上，d=8mm无法满足设计要求，需重新选取，取d=10mm，对应=730；C=6。校核后符合强度要求。（5）确定弹簧中径（3.7）（6）确定有效线圈（3.8）取=7在两端各一圈支承圈的情况下，弹簧总圈数为8。（7）选取完全并紧高（3.9）（3.10）（8）设计、（3.11）初步选择弹簧设计载荷高度，悬架高度。（9）确定，（10）计算、、和为弹簧完全压紧时载荷，为悬架跳动最大高度时弹簧的载荷，、为台架试验时上、下极限位置载荷。（3.12）（3.13）（3.14）（3.15）（11）剪切应力，（3.16）（3.17）（3.18）（3.19）（12）校核最大剪切应力所以强度符合要求。（13）寿命计算（3.20）（3.21）（3.22）（14）弹簧自由高和最小工作高度（3.23）（3.24）（15）稳定性校核（3.25）弹簧高、径比小于许用值2.5，所以弹簧稳定。3.2.2、减振器设计（1）减振器及其形式的选择减振器主要用以应对巴哈赛车行驶过程中可能承受的各类载荷，在一定程度上衰减振动。为应对巴哈大赛时赛道中的坑洼、圆滚木、水坑等路面弹簧应具有良好的抗震、减振效果，同时也不至于太硬而过度牺牲驾驶平顺性。因此本设计中巴哈赛车悬架系统选用双向充气减震器。（2）确定相对阻尼系数其中为阻力，为减振器阻尼系数。图3.2减振器的阻力-位移特性与阻力-速度特性（3.26）式中c为悬架刚度，为簧载质量值的选取影响悬架减振性能，其值较大时，振动能衰减的快，但无法实现较好的抗震性能；值过小则传到车身的冲击也较小，但振动衰减的比较慢。因此，设计时取与的平均值，的范围时0.25～0.35。初取=0.30。（3）确定减振器阻尼系数δ首先根据如下公式进行变型（3.27）（3.28）（3.29）（4）确定最大卸荷力由于减震器为标准件，而本次设计的巴哈赛车承载性能要求较小，弹簧工作载荷在较小范围内，因此此处不再赘述卸荷力分析情况（5）减振器尺寸的确定减振器可通过工作缸直径按照国家标准进行选型。(为减振器工作最大需用应力，通常取3～4，为连杆长度QUOTE与缸筒直径的比值，通常选取0.4～0.5。取)（3.32）取。综上分析，巴哈赛车贮油筒直径取壁厚为,材料为20钢。巴哈赛车悬架系统减震器工作缸行程，有效行程，减振器总长。3.2.3、导向机构设计（1）巴哈赛车悬架侧倾中心及横向平面内上、下横臂的布置方案由于巴哈赛车的特殊工况，为了满足车辆具有极高的通过性和操纵性，巴哈赛车的双横臂式独立悬架的侧倾中心不能通过一般的分析方法定出。需要通过一系列的试验验证等方式，结合比赛实际情况和比赛规则确定，在此设计报告中，通过数学几何分析的方式，根据以往赛车的车架、车身、转向系统等位置的基本参数，建立平面模型，进行初步的计算和分析，由图3.3所示。图3.3双横臂式独立悬架侧倾中心的确定其中：N-车轮接地点；G-下摇臂与立柱连接点；E-上摇臂与立柱连接点；P-上、下摇臂延长线交点；ω-车身转向侧倾中心点；α-上摇臂水平夹角；β-下摇臂水平夹角；σ-上、下摇臂与立柱连接点连接的垂直夹角；a-立柱与轮毂中心的间距；c-上、下摇臂与立柱连接点的间距；d-下摇臂与立柱连接点和车轮接地点间距；-转向侧倾中心高度；-P点高度；k-P点与立柱的间距初选；；；；已知通过上述参数可初步获得出侧倾中心高度：（3.33）式中：（3.34）（3.35）（2）纵向平面内上、下横臂的布置方案为了提高巴哈赛车的稳定性，一般希望主销后倾角悬架弹簧压缩时后倾角增大并在弹簧压缩时后倾角减小，用以实现悬架抗前倾的设计要求。纵向平面内上、下横臂有六种布置方案，如图3.4所示。图3.4纵向平面内上、下横臂轴布置方案图中（a）、（b）、（f）方案中主销后倾角的变化规律贴近巴哈赛车的设计要求，为方便后续设计进行，初选第（b）种方案,所以QUOTE。（3）上、下横臂长度的确定巴哈赛车悬架设计时，选用不等长双横臂以增加悬架使用寿命，初选上、下横臂长度之比为0.6；为使巴哈赛车前轮定位角度的变化小，选取上、下横臂长度之比为1.0，并取上、下横臂长度之比为0.9。因此本设计初选尺寸下摆臂长度，，即上摆臂长度。

3.3、前悬架CATIA三维建模（1）零件设计通过CATIA的零件设计模块，以各主要设计参数为基准，结合草图和实体建模，在绘制CATIA三维模型过程中，主要思路为建立一个合适的立方体模型，或视情况改为圆柱体模型。然后根据零件的各类特征对建好的实体模型进行切割，此建模思路相比于拼凑数个凸台而言具有更清晰的设计思路，同时也可以在一定程度上减少辅助线和辅助平面的数量，如图3.5所示为球头关节轴承的三维建模。图3.5球头关节轴承图3.7前悬架下摇臂图3.6前悬架上摇臂在运用CATIA软件对杆件进行建模时，通常采用创成式曲面设计。创成式曲面设计通过包络面的边界、中心点、中轴线等相关参数，对用户的目标区域进行面的铺陈。但需要注意的时，此处生成的面仅作为虚拟模型，不具有实体特性，即包络曲面无法进行实体装配，且无质量，如需进行计算机辅助力学计算，需要另外添加相应的实体特性和材料参数，如图3.6图3.7前悬架下摇臂图3.6前悬架上摇臂（2）前悬架总装CATIA模型总装过程中，基础零件的相互配合可以通过装配设计模块中的相合、接触、偏移约束等进行简单的装配，但在悬架设计过程中，左、右悬架以及前、后悬架的相对位置装配不能通过上述的装配元件实现准确的配合。因此需要使用高级装配，但本次设计基于我校2018赛季车架模型，因此根据车架的前后参数，添加了部分辅助线、辅助面，从而简化了空间相对位置装配，并使其变为平面相对位置装配，如图3.8所示的前单侧总装模型。3.8前悬架总装CATIA模型3.4前悬架硬点分析图3.9悬架三维分析模型根据CATIA建模所获得的硬点值关系及各结构参数，建立悬架的三维模型，如图3.9图3.9悬架三维分析模型根据空间模型可得前悬架各结构点三维参数，如下表：表3.4悬架硬点坐标参数相关点坐标（单位：mm）XYZAu（主销上支点）-0.68949.938642.174Bu（上三脚架前支点）102.514372.453697.05Cu（上三角架后支点）-87.867372.453719.213Du（上臂中点）-7.324372.453708.132Ad（主销下支点）-9.68926.938518.174Bd（下三脚架前支点）112.999369.588621.696Cd（下三角架后支点）-116.982369.588618.696Dd（下臂中点）-1.992369.588620.196Ju（减振器上支点）-7.605367.7461015.063Jd（减振器下支点）-2.053162.609591.879O（车轮中心点）-1.330556E（车轮接地中心）030.1240在设计过程中，为了节省空间以尽可能多地实现轻量化，在巴哈赛车的前悬架系统内的双横臂悬架形式采用较为简单的左、右对称结构，因此在悬架空间模型中，以上、下臂中点作为几何三角形的特征点D。本次设计中双横臂为A臂式，在分析过程中，为了简化计算过程，将其结构简化为摆臂（三角形结构），根据以后的坐标参数进行计算，如图3.10所示：图3.10悬架“三角形”设x，y，z为摇臂三角形各点的坐标，那么摇臂三角形根据其结构特征可呈现如下结构形式，通过利用三角形勾股定理，可计算各边长度：表3.5悬架“三角形”各边长度相关部分长度单位：mmlAB上343.042lBC上181.667lCA上340.207lAB下375.55lBC下230lCA下375.553.5、运动学特性分析悬架运动学参数反映了左、右车轮上、下运动过程中，前轮定位参数、轮距等参数相应的变化规律。这些规律与巴哈赛车悬架导向机构的设计息息相关，因此，它们不仅影响着巴哈赛车的驾驶操纵性和稳定性，同时还影响着转向性能和动力性能的发挥，更决定着悬架各组成部分的使用寿命等。（1）主销内倾角和后倾角主销内倾角是转向节主销轴线或假想的主销轴线在横向平面内向内倾斜时，和垂线之间的夹角，如图3.11所示：图3.11主销后倾角示意图主销内倾角可以有效减少转向操纵力、回跳和跑偏现象，从而改善车辆直线行驶过程中的操作稳定性。主销后倾角是法向平面内车轮转向轴线或主销轴线从垂直方向向后倾斜的一个角度。通常情况下令向垂线后倾斜的角度为正，如图3.12所示：图3.12主销后倾角示意图主销后倾角主要用于使车轮复位以及行驶稳定性的提高，其产生的回正力矩可以实现使车辆在行驶过程中偶遇外力时能自动回正。后倾角的角度不会影响轮胎磨。主销内倾角和后倾角可根据Au、Ad两点的坐标计算得出：（3.36）（3.37）（2）车轮外倾角和前束角如图3.13所示车轮外倾角是从巴哈赛车的正前方轮胎的几何中心线与地面垂线的夹角。图3.13车轮外倾角示意图车轮外倾角主要用于提高汽车行驶的安全性。外倾角可使车轮在转向时偏移量减小，从而减少转向力，并具有防止车轮脱离立柱、轮毂的作用。前束角是在纵向平面内，由轮胎的中心线与车辆的纵向轴线之间的夹角。轮胎中心线前端向内收束的角度为正前束角，反之为负前束角，如图3.14所示：图3.14前轮前束角示意图选择合适的前束角可以消除车轮外倾造成的不良后果。在车辆加载的时候，受到重力作用而使车轮外倾，导致车轮产生滑动和轮胎磨损。通过轮心O与车轮接地点E的坐标可计算车轮外倾角和前束角。另外，定义车轮外倾角为正，前束角内收为正：（3.38）（3.39）其中R为车轮半径R=282.5mm。3.6、本章小结本章主要通过数学计算方法和悬架空间位置关系，以基础设计计算公式为基础，对巴哈赛车前悬架主要位置参数及相关力学性能进行计算及校核，初步巴哈赛车获得前悬架关键数据，以及确保了巴哈赛车前悬架设计的可靠性。此后，结合设计参数对巴哈赛车前悬架进行CATIA三维建模，从而根据三维建模的位置点测量硬点相对位置关系，从而进行硬点分析。

第4章后悬架设计后悬架采用的形式为多连杆式独立悬架，此类型悬架可根据需求改变摇臂或拉杆的组成。本文结合巴哈赛车的比赛实际工况需求，首先通过对后悬架布置位置的分析。此后通过确定的布置位置对悬架结构参数进行设计。再次，结合悬架参数对后悬架减振器的主要参数进行设计。最后建立CATIA三维模型4.1、悬架布置位置确定巴哈赛车的后悬架位置选点与结构设计之间密切相关，所以设计过程应当先根据已有车身车架的三维模型，结合不同结构的工作特点和承载特性，选取不同的连接点，作为摇臂连接车身与悬架的固定位置点。在车身车架的设计过程中，预留了相应的冷作硬化弯折点和三根钢管相交的点，以获取良好的匹配性。另外，为了适应独立悬架中，左、右车轮能独立上、下跳动，且具有足够的跳动空间，故摇臂与车身如图4.1的连接形式采用铰连接。4.1巴哈赛车后部防滚架示意图4.1.1、前摇臂车身固定点选择为了使摇臂能与防火墙良好的匹配，需要选取一个能够具有足够承载能力以抵抗应力变形的位置点，同时需考虑悬架整体高度和上下位置的关系，初选为防火墙车架中下部拐点处，但由于悬架两端的高度差过高，容易产生额外的负载，不仅增加了车架的负担，同时降低了悬架的可靠性，故需调整并降低固定点，将固定点下移至图示位置，以满足固定需要，并减小悬架两端高度差，并使车架能够获得来自多根杆件的支撑，以承受来自于悬架的载荷，如图4.2所示。图4.2前摇臂车身固定点4.1.2、后拉杆车身固定点选择为了预留发动机舱的空间，车架设计过程中在机舱后部设置了一个方形框架结构，以使底部发动机有空间可单独设置支架以实现承载和调整整车重心的设计需要，因此设置两根摇臂用以连接立柱与车架。另外，考虑到铰链布置空间，需设置合理的铰链与铰链间的间隙，铰链的初步布置位置如图4.3所示.图4.3后拉杆车身固定点4.1.3、减振器车身固定点选择后悬架需要承载发动机和变速器等重要部件，且均为重载，需要有足够的减振器行程，同时也需要选取足够稳定的结构节点，以适应极端的载荷情况，如图4.4所示。图4.4减振器车身固定点4.2、后悬架结构设计在设计巴哈赛车后悬架结构时，由于赛车的后驱形式，后悬架立柱需同时与驱动轴和前摇臂及后拉杆连接，为了使其结构的实际在满足强度、结构等要求的同时，还能够满足辅助动力性发挥的要求，设计时需考虑使前摇臂和后拉杆与立柱固定位置尽可能对称。4.2.1、前摇臂设计为了使前摇臂具有稳定的结构特点，同时便于之后调整后轮前束，主销倾角等硬点值，尤其需要考虑与立柱的匹配，初选固定位置点仅有一点，而为了方便硬点值的调整，前、后拉杆与立柱连接时均需设置两个固定点，因此可知至少需要建立三点构成的结构，初定如图4.5所示。图4.5前摇臂固定形式在设计前摇臂参数前，根据已有的轮胎半径、轮距、轴距等参数确定摇臂各连接点的相对坐标位置，并通过三维建模确定其参数，如图4.6所示：图4.6后悬架前摇臂相对位置示意图表4.1悬架关联点参数位置点名称XYZ车架连接点F690.5-952.5412.3立柱下连接点Sb913.1-1406.4290.2立柱上连接点Sa906.1-1403.8230.7车轮接地点T986.1-1423.3-28.1通过几何关系可得后悬架前摇臂上部分的尺寸为：（4.1）前摇臂下部分尺寸为：（4.2）前摇臂与立柱连接点的上下距离为：（4.3）简化设计尺寸为4.2.2、后拉杆设计后拉杆可根据选点及整车参数（包括侧倾中心、离地间隙等）直接设计后拉杆参数，如图4.7、4.8所示图4.7后拉杆车身位置结构示意图图4.8后拉杆车轮位置结构示意图选点及设计过程与前悬架类似，此处不再赘述，各位置点如下表：表4.2后悬架连接点坐标参数位置点名称XYZ车架上连接点Fa488.3-1584.8470.2车架下连接点Fb476.2-1580.4371立柱上连接点Ua908.2-1490.1206.5立柱下连接点Ub920.9-1491305.7利用上述位置点坐标及车架与悬架的匹配关系，计算各杆件尺寸参数：杆件a：（4.4）杆件b：（4.5）悬架立柱固定点间距c：（4.6）简化设计参数：4.3、减振器参数设计（1）减振器及其形式的选择后悬架需要承担更大的载荷，但无需过多承担辅助转向的作用，减振器形式方面延续前悬架的选择，仍选用充气弹簧。（2）相对阻尼系数的确定式中为阻力，为减振器阻尼系数。（4.7）初取=0.28。（3）减振器阻尼系数的确定（4.8）（4.9）（4.10）（4）最大卸荷力的确定（一般为～，A为车身振幅，取，为悬架固有频率）（4.11）（4.12）（5）减振器尺寸的确定(为工作缸最大允用压力一般取3～4，为连杆QUOTE与缸筒直径之比，双筒式一般取0.4～0.5。取)（4.13）为了减低制造成本，且使前后悬架中，尽可能多的部件具有互换性，故仍然将工作缸直径取为。贮油筒直径取壁厚为,材料为20钢。为了适应悬架位置点的布置，并在匹配车轮位置参数的前提下，选取合适的工作缸行程，有效行程，减振器总长。

4.4、后悬架CATIA建模（1）零件设计后悬架结构相较于前悬架较为简单，零件部分主要与传动轴匹配，如图4.9所示为后悬架立柱的三维建模。图4.9后悬架立柱（2）创成式曲面设计后悬架杆件包括前摇臂及后拉杆，前摇臂CATIA模型如图4.10所示。图4.10后悬架前摇臂（3）后悬架总装后悬架的总装过程类似于前悬架，如图4.11所示。图4.11后悬架单侧总装模型前、后悬架建模完成后，通过镜像获得另一侧悬架，在以车架为基准的空间中对悬架系统进行总装，如图4.12所示。图4.12悬架与车架装配模型4.5、本章小结本章在空间几何的基础上，以车架和前、后轴相对位置为基准，对后悬架前、后拉杆位置进行了确定，同时结合相对位置关系，确定坐标，最后通过坐标位置计算获得各杆件尺寸。在巴哈赛车上多采用前摇臂配后拉杆的多连杆式独立悬架，从而获得符合要求的悬架形式。因此，前文采用了基于已知位置的空间连线方式，获得后悬架前、后拉杆的几何、位置尺寸并建立CATIA三维模型。第5章巴哈赛车悬架系统分析及仿真为了验证前后悬架设计杆件的力学强度和前悬架的运动学参数，本章运用ANSYSWorkbench模块对前悬架上、下横臂进行了静力学分析。根据第三章所分析的硬点参数，建立了Adams悬架模型，从而对前悬架运动学变化特性进行了仿真。5.1、前悬架静力学分析5.1.1、巴哈赛车前悬架上横臂静力学分析在本章中，利用第六章CATIA的巴哈赛车前悬架三维模型进行分析，首先在CATIA的product模块中将上、下横臂的装配体转换为零件体并以.model的文件格式保存，从而可以将其导入到ANSYS中。通过铰链摇臂两端，上横臂采用U型结构，此结构弯管处在受力时形变较为明显，根据前文所得单侧轮非簧载质量为12.33Kg，且臂承载面积约为0.025㎡，存在最大载荷为设置载荷为4833.36Pa，为应对巴哈大赛赛道上的复杂道路状况，预设载荷为6500pa。因此前悬架上横臂分析结果如图5.1所示。图5.1基于ANSYS的巴哈赛车前悬架上横臂静力学分析从分析结果可知，最大形变量为4.975e-6m，为可接受范围。但其最大形变位置出现在管材弯折处，且形变量具有一个较大的变化梯度，虽然此设计因为载荷轻，材料性能盈余等不存在实际性的使用问题，但仍然存在应力、应变分布不均等问题。5.1.2、巴哈赛车前悬架下横臂静力学分析在设置下横臂载荷时，仍然按照上述最大载荷设置，但下横臂与减振器相连，因此随减振器压缩和伸长的横臂力学性能变化为动力学变化特性。为了简化这一分析过程，按照减振器最大压缩量时产生反向支撑力，设置减振器安装处的反向载荷。第三章中提到减振器最大卸荷力为69.86N，但由于悬架单侧非簧载质量仅为12.33Kg，因此载荷力仍遵循车轮单侧非簧载质量，且减振器作用面积为0.0275㎡，计算得最大载荷为4393.96pa。由于弹簧选用为空气弹簧，根据其弹性衰减的非线性特性，在压缩行程的后端，弹簧较硬，可能存在极端载荷情况。为了规避风险，适当增大其载荷，故设设置减振器连接点载荷值为4500pa，而下横臂载荷面积为0.018㎡，故其最大计算载荷为6713pa。基于工况考虑适当上调数值以适应变化，设置最大载荷为8500pa，因此前悬架下横臂分析结果如图5.2所示。图5.2基于ANSYS的巴哈赛车前悬架下横臂静力学分析上述分析结果可知最大形变位置出现在车架固定点与减振器安装点之间，最大形变量为3.5564e-6m，下横臂相比于上横臂额外承受来自减振器的反向支撑力，故其最大形变量较小，但也因此受力情况更为复杂，故仍然存在较大的应力变化。综合分析上、下横臂静力学分析形变图可知，下摇臂形变由轴向变化，且变化均匀，而上横臂的弯管处形变方向复杂，故存在优化可能性。

5.1.3、巴哈赛车后悬架前摇臂静力学分析后悬架的形式为前摇臂、后拉杆构成的多连杆式独立悬架，因此在垂直方向上干涉极小，即车轮跳动对悬架力学性能影响较小，此外，巴哈赛车后悬架后拉杆为两端铰链连接，仅提供轴向限位作用，因此本文仅对后悬架承载时前拉杆的受力情况进行基于ANSYS的静力学分析。与前悬架横臂静力学分析类似，减振器卸荷力大于单侧非簧载质量，故选用非簧载质量作为拉杆承受载荷，其值为14.75Kg，简化后当量承载面积为0.0175㎡，计算在载荷为8260pa，考虑巴哈赛车实际工况，适当上调载荷，综上，设置载荷为9500pa。因为减振器选型与前悬架相同，故采用相同数值进行设置，即4500pa。分析结果如图5.3所示。图5.3基于ANSYS的巴哈赛车后悬架前拉杆静力学分析由上图分析可知，最大形变位置出现在摇臂车架固定点与减振器安装点，最大形变量为2.7516e-7m，形变量及其细微，符合设计的强度要求。从形变位置可知，巴哈赛车后悬架前拉杆变形点主要集中在三角形的上方杆件上，即下方构件承载极小，因此此处可作为设计优化的切入点。

5.2、巴哈赛车前悬架运动学特性分析5.2.1、Adams建模思路在进行运动学仿真之前，需要先对巴哈悬架系统进行建模，通过使用Adams/Car中的TemplateBuilder模块，建立分析模型，具体流程如图5.4。图5.4Adams建模思路

5.2.2、Adams建模分析将3D空间模型中的各点值按照一定关系，以硬点值的形式输入值Hardpoint创建模块，通过相互关联的各点创建GeneralPart，从而获得各构件的空间平面，为之后建立实体模型做准备。之后创建ConstructionFrames，以此获得与悬架系统相匹配的车架，从而使其成为固定结构，以便于运动学仿真时获得静态参照物。此后运用ForceElement和AttachmentPoint模块，创建弹簧等弹性元件以及悬架系统的可动连接点，从而构件悬架与车架之间的运动参照。最后输入主销外倾角和前轮前束角，作为运动学特征值参与运动学仿真。通过预仿真，检查建模是否正确，关系是否完整，待一切准备就绪后即可获得Adams运动学分析模型，如图5.5所示图5.5前悬架Adams模型在巴哈赛车的实际过程中，主销内倾角和前轮前束角作为极端情况值选取，但在巴哈赛车的实际行驶过程中，需要考虑上述参数随摇臂上、下运动的变化的特性。因此需要分析其运动型特性。在完成Adams的建模后，根据设计悬架减振器工作缸行程为140mm，分别设置悬架的平跳和左、右车轮独立跳动工况上、下行程分别为70mm、-70mm，跳动周期为100个单位时间，如图5.6,5.7所示。图5.6前悬架平跳分析参数设定图5.7前悬架车轮独立跳动分析参数设定根据上述跳动分析得到相应的巴哈赛车主销内倾角和前轮前束角变化特性曲线图5.8前悬架平跳状态下主销内倾角、前轮前束角变化特性图5.9前悬架车轮独立跳动状态下主销内倾角、前轮前束角变化特性由上图显示，在预设定主销内倾角和前轮前束参数后，悬架在跳动过程中，以设定值为跳动范围，在悬架的上、下行程中跳动未加载，即悬架无跳动，图中时间横坐标为50时上述参数均为0。根据Adams默认左、右跳动规律，左、右参数呈对称，其中主销内倾角在上、下跳动过程中的变化规律以静态中心为基准基本呈对称。而前轮前束则显示，其在压缩过程的变化，即右侧车轮的0-50s，明显小于下落时的变化情况，前轮前束角的变化区间为（-1.7,3.5）,主销内倾角变化区间为（-1.7,1.1）。上述数据均在设计参数范围内，且未产生较大偏差，因此运动学参数设计可靠5.3、本章小结本章通过结合前文设计参数和三维建模，运用ANSYS软件，对具有承载要求的悬架杆件结构进行了初步的静力学分析，并对本次巴哈赛车悬架的设计进行了初步的验证。其次运用Adams对悬架系统进行了运动学建模，并在此基础上分析了主销内倾角和前轮前束角在车轮跳动时的变化特性，进一步排除了设计中干涉存在的可能性，并仿真了悬架的动态特性。

结论1、研究结论本文针对在巴哈设计过程中对悬架系统的要求，以2018赛季的巴哈赛车车架为设计基础：1、通过查阅文献资料和设计手册，了解了巴哈赛车悬架系统的设计需求，以及相关研究的发展现状及趋势，同时进行了参数设计及大部分强度的校核。另外，综合了2017赛季和2018赛季的设计经验，还设置了重要的运动学参数；2、利用计算机辅助设计软件CATIA，建立了双横臂式独立悬架和多连杆式独立悬架的各零件组成和装配图的三维实体模型；3、运用ANSYSWorkbench分析模块，对悬架杆件进行了初步的静力学分析，结合设计参数及选型结果，输入相应的载荷关系，验证了设计的可靠性；4、在悬架仿真分析软件ADAMS/Car中建立了前、后悬架的多体动力学模型，在添加了相关运动学参数和路面激励后分析巴哈赛车车轮跳动时悬架各参数的变化情况和变化规律，验证了悬架设计的可行性并得出分析结果。最终，设计出一款基本符合比赛规则和设计要求的巴哈赛车悬架系统。2、设计亮点在结构设计方面，通过前悬架上横臂通过采用U型弯管以避免减振器的安装干涉，同时使得悬架整体高度更易调节，以获得更为理想的车身离地高度；后悬架则通过使用导向功能和承载功能几乎独立的前摇臂、后拉杆形式，在解决后悬架重承载的问题的同时，避免了复杂结构所带来的设计困难、维修接近性差等问题；在设计过程方面，本次设计中通过采用ANSYS的静力学分析模块对悬架杆件进行了力学性能的校核，而不是采用简单的理论方式分析，从而避免了理论分析中，过度简化模型而导致的分析结果不准确。3、未来展望在本次设计中，所选用摆臂、拉杆的尺寸在满足要求的前提下仍然有稍许盈余，在未来的设计中，可以结合计算机辅助分析和试验，探索对悬架杆件进行进一步优化。另外，在前悬架的上横臂设计中，本次毕业设计采用的为立柱连接端弯管的连杆作为上横臂，虽然此设计有效调节了整车离地间隙并且避免了与减振器的干涉，但却未考虑弯管过程中对管件强度的破坏，因此，在未来的设计过程中，应当尽可能的避免此类加工，从而更好地确保设计的力学性能。

致谢每逢夏天的开始，必然有落幕和退场，如今我四年短暂的理工求学生涯也将画上一个句号，回头看这一路走来不敢称之为艰辛，但也的确不少坎坷。而在我前行道路上，少不了来自父母的支持，非常感谢父母含辛茹苦养育我，从最初的牙牙学语到如今独立生活、求学。在将来的学习、生活中，我会加倍努力，不辜负父母的期望。愿父母健康快乐。其次，我要感谢我的毕业设计指导老师田哲文，在我大二参加车队时，田老师就曾指导过我。大三时又有幸参与了田老师的转向操控性试验课程。如今，也是在田老师的悉心指导下，我才得以完成我大学本科的毕业设计。田老师的教导贯穿了我的大学生活，也给我带来了重要的影响。在毕业设计的过程中，当我遇到问题时，田老师的点拨也总能让我茅塞顿开，使我不断向前。田老师的指导和教诲，是我一生受用的财富，在毕业来临之际，在此向田老师表示由衷的感谢。再次，我要感谢我的辅导员董老师，在我大学本科的学习生涯中，董老师无微不至地关心着我，从日常的生活学习，到如今毕业时的升学。董老师的包容和理解，化解了我异乡求学的苦闷。董老师曾的鞭策依稀回荡在耳边，激励我面对一切困难，使我在今后的人生中更加自立、自强。另外，我还要感谢我的大学同学们，他们包括我的舍友、社团的同事、车队的队友，以及所有曾经帮助过我的同学，正是因为有他们的帮助，我才度过了一个快乐、充实的大学生活，也是因为他们在我困难时的帮助，才使我能够坦然面对挑战。尤其要提到的是潘德文、张一鸣、安玉霈同学，他们在生活和学习上的帮助，解决了我不少难题，曾今的畅聊也安抚过我躁动的心，是他们让我看到了友谊的珍贵。最后，十分感谢在百忙之中抽出时间评阅论文和参加论文答辩的老师，也感谢武汉理工大学为我提供的宝贵的学习平台。

参考文献[1]史文库，姚为民主编.汽车构造：下册[M].人民交通出版社，2014[2]过学迅主编.汽车设计[M].人民交通出版社，2004[3]李飞,吴华伟,姜杰.FSAE赛车双横臂悬架系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2018,32(05):77-81.[4]邓召文,徐成强,王保华.FSAE赛车悬架系统优化设计与刚度调校[J]