方程式賽車懸架設(shè)計

劉慧　任峰　李龍海

摘 要：為了實現(xiàn)駕駛的安全性以及舒適性，緩解車身沖擊，提高車輛使用利用率，針對大學(xué)生方程式賽車（簡稱FSAE大賽）規(guī)則，設(shè)計可以符合大賽的規(guī)則，實現(xiàn)整體輕量化的雙橫臂懸架不容忽視。首先，通過整車參數(shù)確定所用數(shù)據(jù)是否符合車輛駕駛，再根據(jù)公式確定具體數(shù)值，其次運用CATIA軟件對所設(shè)計的零件進(jìn)行三維建模，立體分析;在ANSYS中進(jìn)行有限元的懸架零件進(jìn)行調(diào)試分析，最后對于優(yōu)化后的懸架對實車進(jìn)行驗證。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式賽車;雙橫臂懸架;CATIA三維建模;ANSYS分析

1 引言

雙橫臂獨立懸架具有出色的運動特性，因為上臂的高度低，有利于降低車頭的高度，從而達(dá)到改進(jìn)車身的目的。因此，這種懸架具有很好的安全性舒適性，所以本文的研究成果將為懸架的設(shè)計提供些許幫助。

2 整車參數(shù)

我們需要對賽車的速度，駕駛，剎車制動，耐久性在比賽過程中進(jìn)行測試優(yōu)化[1]。得到符合本次賽車的使用數(shù)據(jù)，賽車在轉(zhuǎn)向過程中，如若速度過快，則會發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象，對車手造成一定的傷害，因此，我通過對懸架進(jìn)行增加加速度的方式設(shè)計。以求達(dá)到防止側(cè)翻的目的[2]。根據(jù)賽道情況和比賽規(guī)則等因素，整車參數(shù)為：整車質(zhì)量=260kg，整車寬度=1540mm，最小轉(zhuǎn)彎半徑R=3500mm，軸距L=1650mm，主銷距K=1190mm，前輪距=1220mm左右，后輪距=1180mm。根據(jù)以上參數(shù)則可通過公式R=L/sin（β）計算出賽車外輪理想最大轉(zhuǎn)角約為28.1°。

3 懸架所需參數(shù)的選定

車輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是在懸架線剛度（前、后輪菏計算所得到的）[3]受其側(cè)傾角大小影響。其中懸架偏頻，在沒有阻尼的情況下簧上質(zhì)量的固有頻率[4]。側(cè)傾增益：車架在賽車的側(cè)傾加速度是1的前提下轉(zhuǎn)過的角度。從上述內(nèi)容中，總結(jié)得到的主要參數(shù)為：前/后懸架線剛度：20.09/14，74;前/后懸架側(cè)傾角剛度：934/765;前/后懸架偏頻：2.8/3.3;側(cè)傾增益：-3。

4 懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)定

懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是：懸架系統(tǒng)中傳遞力、力矩的，車輪在一定規(guī)律下對車身的運動的一種構(gòu)件[5]。懸架的動力學(xué)特性主要體現(xiàn)在車橋的擺振和縱向性能分析上，這些都是懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容。賽車可以實現(xiàn)自發(fā)回正的基礎(chǔ)是：轉(zhuǎn)向性、穩(wěn)定性[6]。車輪定位參數(shù)，如表1示：

有橫向加速度時，離心力在質(zhì)心位置時側(cè)傾中心轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生讓車側(cè)傾的力矩，側(cè)傾中心與質(zhì)心在一個點時車輛會保持平穩(wěn)，從而可以盡可能的減緩車手壓力[7]側(cè)傾中心（通過CATIA三維軟件的虛擬約束來設(shè)置側(cè)傾中心高度得到的）由圖1所示，其公式為：

[1]

其中，hp=ksinβ+d（β是懸架下橫臂與水平面的夾角）

縱傾中心是車輛進(jìn)行加速、減速或者制動時，車身圍繞旋轉(zhuǎn)的中心線，可以近似看作與地面是近似平行的[8]。

5 懸架前搖臂、前立柱

CATIA視野中，可以進(jìn)行各個零件的裝配，組裝以及調(diào)整，十分簡約方便快捷，是我們工科里十分重要的一個軟件。懸架分布于前后兩個部位并各有一對，且有不等長的橫叉桿連接[9]，如圖2所示分布于前后兩個部位并各有一對。

計算搖臂的連接孔的受力， 是通過ANSYA來分析出位置所受到的應(yīng)力得到的。為使車輛盡可能的輕量化，我們需要對零件進(jìn)行材料的選擇。運用ANSYSY有限元對立柱的模型、耳片的模型進(jìn)行強(qiáng)度校核。圖3為上述受力分析圖，可知：最大應(yīng)力是168.17Mpa，最大應(yīng)變力是0.002345，選擇的鋁材是正確的。

6 實車驗證

基于上述設(shè)計對實車進(jìn)行驗證，在冬天零下二十度的天氣下由我隊車手親自駕駛賽車進(jìn)行了速度測試，轉(zhuǎn)彎測試，以及靈敏性的測試;同時，我們還為此設(shè)置了路障，就是為了研究我隊賽車的懸架系統(tǒng)是否可以穩(wěn)定工作，是否會出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，是否會因天氣寒冷而出現(xiàn)斷折的現(xiàn)象。圖4，5就是我們進(jìn)行實車驗證的圖片，賽車手在車中熟練的駕駛賽車，以確保賽車的整體安全性以及操縱桿穩(wěn)定性。最后經(jīng)由實車驗證，車手在行駛過程中，沒有出現(xiàn)不安全的現(xiàn)象，因此是一次成功的驗證。

7 結(jié)語

懸架作為整車的一個不可小覷的組成部分，其中對于雙橫臂式懸架的設(shè)計極其復(fù)雜，在設(shè)計時需要將部分因素趨近于理想化，本次設(shè)計主要以CATIA軟件作為工具，建立三維實體裝配的模型，以ANSYS有限元部分零件進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，得到的符合所需的材料，從而對材料的利用率有所提高以及增加了車體輕量化的目的，最終通過完成懸架設(shè)計而實現(xiàn)整車設(shè)計。從而為賽車的駕駛提供更高的安全行駛性，也為懸架的研究和理論成果提供了幫助。希望通過對本文的論述，可以推進(jìn)賽車懸架進(jìn)一步的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[8]施長政.FSAE賽車的設(shè)計與制造[D].青島大學(xué)，2013.

[9]公選課《汽車文化》課外學(xué)習(xí)環(huán)境存在問題及對策.《黑河學(xué)刊》.2013年12期.楊岳華.