毕业设计(论文)-F1赛车前悬架设计.doc
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1、 毕 业 设 计毕 业 设 计 院系名称院系名称 机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 2015 年年 6 月月 8 日日设计题目设计题目 F1 赛车前悬架设计赛车前悬架设计 学生姓名学生姓名 学学 号号 专业班级专业班级 车辆工程车辆工程 11-4 班班 指导教师指导教师 I 目 录 中文摘要.1 Abstract.2 1 绪 论.3 1.1 设计背景及意义.3 1.2 国内外发展现状.4 1.2.1 国外发展现状.4 1.2.2 国内发展现状.4 1.3 选题的主要内容.4 2 FSAE 方程式赛车前悬架设计.5 2.1 悬架系统概述.6 2.1.1 FSAE 赛车悬架选型.6 2.1.2
2、 FSAE 赛车悬架控制臂选材.7 2.1.3 设计要求.8 2.1.4 设计流程概述.9 2.2 悬架参数设计.9 2.2.1 轮辋和轮胎的选择.9 2.2.2 轮距和轴距的选择.9 2.2.4 四轮定位参数的初定.10 2.3 悬架模型的建立.11 2.3.1 悬架几何.11 2.3.2 抗反特性的计算.12 2.3.3 弹簧刚度和阻尼的计算.13 2.3.3.1 悬架偏频的选取.13 2.3.3.2 适乘刚度的计算.14 2.3.3.3 悬架静挠度的计算.14 2.3.3.4 悬架传递比的计算.14 2.3.3.5 弹簧刚度的计算.15 2.3.3.6 弹簧的选择.15 2.3.3.7
3、悬架线刚度及无横向稳定杆侧倾角刚度的计算.17 2.3.3.8 避震器阻尼的选择.18 2.3.4 悬架三维建模.18 3 前悬架优化和分析.20 3.1 悬架建模.20 3.2 前悬架仿真.20 II 3.3 前悬架优化.22 3.3.1 设置目标函数.23 3.3.2 设计变量.23 3.3.3 增加约束条件和优化结果分析.23 3.4 关键部件力学分析.27 3.4.1 立柱的受力分析.27 总 结.31 致 谢.32 参考文献.33 1 F1 赛车前悬架设计 摘要:FSAE 是面向大学生的国际赛事,选题以合肥工业大学云电车队的赛车为研 究对象,对赛车的前悬架系统进行合理分析和设计。在赛
4、车整车中悬架的作 用十分重要,因为悬架设计的好与坏直接影响赛车的操纵稳定性和乘员舒适 性。故悬架系统的设计有着举足轻重的地位,因此对 FSAE 赛车悬架的分析 和设计是有必要的。(1)出于整车布置的考虑和比较不同结构形式悬架的优缺点之后,本设计决 定采用不等长双横臂独立悬架。通过对钢管材质和碳纤维材质的比较,决定 控制臂和导向臂采用钢管材质。(2)设计基本参数,如四轮定位、悬架线体 几何、悬架刚度等,按照计算成果绘制前悬架的零件图和装配图。(3)用 Adams/Car 模块建立一个仿真模型进行仿真,找出需要优化的参数。在 Adams/Insight 模块进行优化设计,改进硬点坐标后再次对其仿真
5、,对优化前 后两次运动学特性加以比较,优化后的悬架性能得到提升。接下来,利用 Ansys 分析立柱力学特性,分析的结果满足结构要求。关键词:FSAE 双横臂独立悬架 建模仿真 多目标优化 强度校核 2 The front suspension design of F1 Abstract:FSAE is the international tournament for college students.This paper design and analyze the cars front suspension system based on the car of Yun Racing Team
6、 in Hefei University of Technology.The suspension has an important influence on the stability and smoothness of the cars handling stability.Therefore,in the design of the car,the suspension system plays a really important role.So it is necessary to design and analyze the FSAE car suspension.Firstly,
7、according to the arrangement demand of the finished cars and the comparison of suspension structure,i decide to use the unequal double-wishbone type suspension.Through the comparison of steel tube material and carbon fiber material,decide to use the steel tube material in the control arm and the gui
8、de arm.Then design the suspension parameters,including four-wheel alignment parameters,suspension geometry,stiffness and the damping calculation,accord to the calculation results,draw the parts drawings and assembly drawings of the front suspension.Last,build motion simulation model in Adams/Car mod
9、ule,and make simulation analysis on the model.And find out the changing range and the unreasonable direction parameters as the target of optimization.Then carry on the multi-objective optimization design om the Adams/Insight module,and carry on the simulation analysis again after modification of har
10、d point coordinates.Compare the kinematic characteristics of the optimization before and after.The main performance of the optimized suspension is improved.Secondly,use Ansys to analyze the column in mechanical analysis.The results show that the column meets the structural requirements.Keywords:Form
11、ula SAE Double-wishbone suspension Modeling and simulation Multi-objective optimization Strength check 3 1 绪 论 1.1 设计背景及意义 FSAE 赛事由汽车工程协会举办,以大学生团队为参赛主体的方程式赛车赛事。大学生团队由该校一名指导教师和在校本科生及研究生组成。规定在 12 个月的时间内,按照赛事规则进行设计、加工和制造,并使其赛车的加速性能、制动性和操控性等方面都表现优异且足够稳定耐久。同时车的成本要低廉、维修方便、耐用可靠。与此同时,为了满足赛车市场销售的需求,该车的造型要美观并
12、且乘坐舒适,使用通用性的零部件。赛事自创办以来,已经发展 37 年;赛事举办国家由最初的美国发展到美国、加拿大、德国、英国、日本、印度、中国等遍布亚洲、欧洲、美洲的 15个国家。在各国越来越重视这一赛事的同时,数以万计的学生从这项赛事中收获了知识和工程实践经验。FSAE 大赛可以说是未来中国汽车工业发展的摇篮。我们学校的 FSAE 赛车团队在各个方面都有十分优秀的表现,下面的图片所示为我校的FSEC(方程式纯电动赛车)赛车。图 1.1 合工大 FSAE 赛车 悬架在赛车操纵稳定性方面的作用非常重要,其运动特性对赛车动力学和对从轮胎传递到车架的力和力矩的响应也十分重要。对赛车整车而言,悬架性能对
13、整车操纵的稳定性有着很大的影响,所以对整车设计而言悬架系统设计起着非比寻常的作用。双 A 臂独立悬架的最主要的特征是,如果想要使悬架获得合适的运动特性,则应在车轮上下跳动时,合理选择空间导向杆系的硬点位置、控制臂的长度及布置;并且当侧倾中心和纵倾中心恰当时,即可将车轮定位参数和轮距的变化量限定在合理的范围内。因为这些优势,双 A 臂独立悬架正在广泛地使用在 FSAE 赛车上。同 4 时基于赛车的悬架设计和研究也可以为乘用车悬架系统设计的轻量化和结构优化提供参考。1.2 国内外发展现状 1.2.1 国外发展现状 大学生方程式大赛起源于美国,因为国外起步比较早,所以对 FSAE 赛车的深入研究和分
14、析也比较早。目前,在整车系统和零部件设计优化等方面,国外学校的方程式赛车队已经积累了非常多的经验,掌握的相关技术已经比较成熟,例如文献1对汽车动力学进行了系统的研究。而且赛事发展更加丰富,从燃油赛车发展到燃油、混合动力、燃气和纯电动等多个动力源项目的比赛。因此,在 FSAE 赛车悬架设计方面也积累了很多经验.我们可以查询到很多有关方面的文献。尤其是在悬架的几何分析、空间优化、以及利用各种软件对悬架的力学性能进行分析等方面。设计也具有很好的创新性,文献2基于整车需要设计了钢板弹簧悬架。在 FSAE 不断的发展过程中,双横臂独立悬架的好处越来越受到各个车队的认可,同时在能够充分保证赛车的可靠性和经
15、济性的基础上,碳纤维材质的悬架也应用到赛事中来,有效改善了赛车的轻量化程度。1.2.2 国内发展现状 与国外不同的是,FSC 大赛开始于 2010 年,中国汽车工程学会联合中国 21 所大学院校在上海举办了首届大赛3。由于起步晚,所以在赛车的设计方面的研究相对较少但是仍可以找到关于赛车悬架设计的资料,其中包括湖南大学文献4操稳性的研究、哈尔滨工业大学文献5、6对碳纤维悬架的研究和华南理工大学文献7对悬架的设计及北京理工大学文献8-10在悬架和轮胎的设计及选型方面做出了很多贡献,为国内车队在设计方面和研究方面的发展给予了巨大的帮助。1.3 选题的主要内容 选题主要以合肥工业大学云电动方程式赛车为
16、基础,设计和优化大学生方程式赛车的前悬架,主要内容如下:(1)简要介绍了 FSAE 大赛的基本情况,并阐述了国内外 FSAE 赛车有关悬架设计方面的发展水平。(2)对大学生方程式赛车悬架定型进行有序的选择,对 A 臂的材质进行选择,5 确定了钢管双 A 臂独立悬架的布置形式;(3)主要讲述了赛车前悬架的设计方法,其中包括了悬架几何、车轮的定位参数、悬架偏频的选择和对悬架阻尼的计算。并建立前悬架 Catia 三维模型。(4)建立前悬架仿真模型,这里的模型采用的是 Adams/Car 模块,对前轮进行运动学仿真,利用 Adams/insight 模块分析灵敏程度,这里的灵敏程度反应的是硬点坐标位置
17、对车轮定位参数的影响,通过调整悬架控制臂硬点坐标位置来优化车轮定位参数变化特性。(5)利用 Ansys 软件对立柱进行分析,并根据往届设计经验保证其可靠性和强度。6 2 FSAE 方程式赛车前悬架的设计 2.1 悬架系统概述 2.1.1 FSAE 赛车悬架选型“赛车悬架的作用是联接车轮或减震器、车桥与汽车的承载系统之间具有弹性联系,并且具有缓和冲击、传递载荷、衰减振动和调节汽车行驶中的车身位置等作用11。”汽车悬架分为两大类,即独立悬架和非独立悬架。由表 2.1 可以看出非独立悬架具有簧下质量大、不利于提高汽车平顺性等缺陷,一般应用于载货汽车;而独立悬架的占用的空间而且小簧下质量比较小、弹性元
18、件只承受垂直的力,可以采用低刚度的弹簧降低车身振动频率。因此,在赛车上独立悬架应用得更加广泛12。表 2.1 两种悬架形式的比较 特点 非独立悬架 独立悬架 备注 汽车平顺性 较差 好 非独立悬架指纵置钢板弹簧 簧下质量 大 小 不平路面车身侧倾度 大 小 轴转向特性 有 无 占用空间 大 小 表 2.2 独立悬架各特性比较 特性 双横臂式 单横臂式 单纵臂式 单斜臂式 麦弗逊式 扭转梁随动臂式 侧倾中心高度 比较低 比较高 比较低 居中 比较高 比较低 7 轮距 变化小 变化大 不变 变化不大 变化很小 不变 悬架侧倾角钢度 较小,需横稳器 较大 较小,需横稳器 居中 较大 较大 横向钢度
19、大 大 小 较小 大 大 轴距 不变 不变 变 变化小 不变 变 由表 2.2 我们可以看出,独立悬架具有多种形式,考虑到方程式赛车速度高和对操纵稳定性有较高要求1314,且根据赛车总布置的需求同时参考各国内外车队的悬架布置形式,本设计选用双横臂独立悬架。此种悬架的主要优点是设计弹性好,侧倾中心位置及定位参数方便调整,可自行选定悬架 A 臂的长度,便于转向机构布置和转向特性调节。主要缺点是结构相对复杂,但在运动空间不足问题上可由赛车高弹性刚度来弥补,因此不会造成大的影响。2.1.2 FSAE 赛车悬架控制臂选材 纵观 2014 年国内 FSAE 大赛赛车悬架,控制臂的选材可以分为两类:碳纤维材
20、质和钢管材质。图 2.1 某碳纤维 A 臂悬架实物图 图 2.2 某钢管 A 臂悬架实物图 8 表 2.3 碳纤维管 A 臂与 4130 钢管 A 臂的比较 由表 2.3 我们可以看出,在相同的设计条件下,不论是碳纤维材质还是钢管材质,其设计的理论可靠性均可满足设计要求。但从成本角度考虑,碳纤维管件的价格是 100¥/m,钢管的价格是 27¥/m,钢管材质的价格是碳纤维价格的 27%。而在质量上规格为 14X1.5 的钢管重量是 0.47kg,规格为 20X2 的碳纤维管的重量是0.18kg。而对于大学生方程式车队而言,保证赛车的可靠性和安全性是第一要务,因此保证赛车的可靠性非常重要,在可靠性
21、上因为焊接工艺相对于碳纤维的胶粘工艺更加成熟,而在比赛中因碳纤维悬架胶粘处松脱导致无法正常比赛的事故在 FSAE赛事上也常有发生。故本次 A 臂设计选用 4130 钢管材质(4130 钢指合金结构钢又名 30CrMo,抗拉强度b930MPa、屈服强度s785MPa、硬度229HB)。2.1.3 设计要求 大赛规则要求(悬架部分):(1)轴距要求:赛车轴距至少为 1525mm;(2)基本要求:赛车的四个轮子都要安装功能完善的并有避震器的悬架。在载人时,轮胎的跳动行程上下分别为为 25.4mm。轮辋尺寸至少为 8 英寸。悬架通用要求:(1)确保汽车具有良好的乘员舒适性和纵稳定性;(2)具有合适的衰
22、减振动能力;(3)汽车在转弯时车身侧倾角合适;(4)布置紧凑合理,避免发生运动干涉,尽量少得占用空间尺寸;(5)在保证零部件强度和可靠性及轻量化要求的前提下,有效传递车轮与车身之间的各种力和力矩,;(6)便于布置、维修和保养。对比项 碳纤维 钢管 备注 成本 高 低 在统一设计要求下进行比较 质量 轻 重 理论可靠性 满足 满足 实际可靠性 不高 高 9 2.1.4 设计流程概述 作为第三次参加 FSEC 比赛的车队,在参照往届车队经验的同时,将上届赛车的不足进一步改善,并在参考大量国内外其他学校的赛车设计报告之后,确定如下设计流程:(1)轮辋与轮胎的选择;(2)轴距和轮距的确定;(3)悬架偏
23、频的计算;(4)初始运动学计算与优化;(5)零件结构模型设计和装配;(7)动态模拟仿真和参数优化;(8)强度校核。2.2 悬架参数设计 2.2.1 轮辋和轮胎的选择 因为规则要求轮辋的尺寸至少为八英寸。而现在供应商所提供的轮胎当中,适用于 FSEC 大赛的轮胎类型只有十英寸和十三英寸两种。因为轮胎尺寸的限制,轮辋也就局限于十英寸和十三英寸两种。考虑到我们上一年用的是十英寸轮辋,比较有借鉴意义;而且用 10 英寸的轮辋可以降低 30%左右的簧下质量和 60%左右的转动惯量15,对改善汽车行驶的操纵性有很大帮助。故轮胎选择 Hoosier 十英寸轮胎。2.2.2 轮距和轴距的选择 参照云电二代车的
24、总体布置数据,考虑到今年在主环与前环的距离、电池与电机的位置、传动系统的布置形式等方面与去年类似,故其总布置尺寸与上代车类似。但考虑到去年车架后部空间紧张,故与去年车架相比,轴距和轮距略有加长。今年轴距初定为 L=1570mm,在初定了轴距的情况下,可由经验公式(2.1)初定轮距:BkL (2-1)式中:B桥车的轮距,mm;L桥车的轴距,mm;k系数,取 0.550.64;10 经初步估算:赛车的轮距在 1000mm 左右。且查阅往年 FSAE 车队的资料,前轮距均大于后轮距,有资料表明,这有利于提高赛车的过弯能力和不足转向趋势13。初取前轮距 1200mm。2.2.4 四轮定位参数的初定 车
25、轮定位参数是指车轮的外倾角、主销内倾角、主销后倾角和前轮前束角,主要作用是精确定位前轮在底盘上的空间位置。车轮定位参数的作用是保证车辆在在转向时轻便,直线行驶时保持稳定,同时使前轮转向后车轮有自动回正能力。前轮前束和车轮外倾也要合理匹配,才能减小车轮在直线或转向行驶时的磨损。国内外 FSAE 赛车车轮定位参数通常按照表 2.4 所提示的范围内选取。表 2.4 赛车车轮定位参数取值范围概况 在赛车的定位参数中,负 外倾角搭配负前束角的主要有以下几点原因:(1)在赛车高速转弯时,负外倾角可以中和横向离心力导致的车轮外倾角往正方向变化的趋势,增强轮胎对地面的附着力,确保赛车过弯流畅。(2)负前束角可
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