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FSC大学生方程式赛车悬架设计与研究FSC大学生方程式汽车悬架设计与研究摘要悬架的系统设计与优化，是汽车总体设计中极其重要的一个环节。
本设计以北京理工大学珠海学院FSC车队2020年赛车悬架系统的结构设计为研究目标，主要进行了几个方面的研究工作。
本设计结合赛事规则要求，先确定设计思路，对轮距、轴距、前后悬架立柱等相关部件进行计算与设计，分析车轮定位参数对赛车性能的影响，在确定采用不等长双横臂式悬架结构后，选择弹性元件、减振器、导向机构与其他元件的类型，确保其符合赛车悬架设计的相关原则，并利用CATIA软件对其中重要元件进行三维建模设计，最后，基于ADAMS仿真平台，建立赛车悬架的运动学仿真模型，对其进行仿真分析，得到悬架参数模型后，对初选参数进行结果分析，并利用ADAMS对悬架参数进行优化。
关键词：大学生方程式赛车；悬架系统；结构设计；仿真优化Design and Study of Suspension for a FSC CarAbstractThe design and optimization of suspension system is an essential part of the overall design for a race car. This design takes the suspension system of FSC race car designed by the race team ,which is from Beijing institute of technology, Zhuhai, as the research objective. The the design mainly work in several aspects. This design was based on the competition rules of FSC. The calculation of the wheel track and spread of axles as well as the design of some related components including the front and rear suspension column have been conducted after a clear idea of the design had been made. The next step is the analysis of wheel alignment parameters in order to make out whether it affects the performance of the car. When unequal-length wishbone suspension is selected, the paper chose the type of flexible components, absorder, guide mechanism and other parts, and make sure it in the line with some basic principles. After that, we established 3D model with the help of the software of CATIA. Finally, based on the simulation platform of ADAMS, the kinematics simulation model of racing car suspension was established, and the simulation analysis was carried out. After the suspension parameter model was obtained, the results of primary parameters were used to analyze, and the suspension parameters were optimized by ADAMS.Keywords: FSC Race Car; Suspension system; Design of Structure;Simulate and Optimize目录1绪论 (1)1.1本设计的目的与意义 (1)1.2FSC大赛概况 (1)1.3国内外方程式赛车悬架的研究现状 (2)1.3.1国外研究现状 (2)1.3.2国内研究现状 (3)1.4设计研究的主要内容 (3)1.5本章小结 (4)2悬架系统设计 (5)2.1设计原理与思路 (5)2.2悬架形式的确定 (7)2.3相关部件的设计与选型 (8)2.3.1轮辋与轮胎的选型 (8)2.3.2车轮定位参数 (8)2.3.3 轴荷比、轴距与轮距的设计 (9)2.3.4 悬架导向机构的设计 (10)2.3.5 性能参数的计算 (11)2.3.6 前后悬架立柱的设计 (13)2.3.7 减震器的选型 (13)2.3.8悬架基本参数 (15)2.4章节小结 (16)3 悬架三维建模与装配 (17)3.1悬架零部件的三维建模 (17)3.2悬架的装配 (18)3.3章节小结 (19)4 ADAMS悬架建模与仿真 (20)4.1悬架动力学建模 (20)4.2悬架仿真 (21)4.3仿真结果分析 (23)4.4章节小结 (25)5硬点坐标的优化 (26)5.1仿真结果优化 (26)5.2优化前后结果分析 (28)5.3章节小结 (31)6 结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)附录 (35)附录1英文文献原文 (35)附录2中文翻译 (43)附录3前悬架左耳片CAD二维图 (49)附录4前悬架左立柱CAD二维图 (50)1绪论1.1本设计的目的与意义悬架，作为汽车连接车架与车桥的传力装置，是现代汽车上的重要总成之一。
＠＠［１］陈启武．香菇与姬松茸［Ｍ］．贵阳：贵州科技出版社，２００３：１９－２０．＠＠［２］陈义厚，李定国．稻草水洗撕裂机的研制［Ｊ］．机械设计与制造，２００４ （２）：１１２－１１３．＠＠［３］沈再春．农产品加工机械与设备［Ｍ］．北京：中国农业出版社，１９９９：４５－ ４８．＠＠［４］刘德军．农作物秸秆丝化加工特点及机理分析［Ｊ］．农机化研究，２００４ （７）：５８－６０．＠＠［５］郭艳．盘刀式切碎器刀刃曲线对切割能耗的影响［Ｊ］．吉林农大学报， ２００３（２）：３８－３９．＠＠［６］姚维祯．畜牧机械［Ｍ］．北京：中国农业出版社，１９９６：８３－９１．ＦＳＡＥ赛车双横臂悬架优化设计１００１－３９９７（２０１１ ） １０－０１２０－０３吴健瑜罗玉涛黄向东华南理工大学广东省汽车工程重点实验室，广州５１０６４０Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ－ｗｉｓｈｂｏｎｅ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ ＦＳＡＥ ｒａｃｉｎｇ ｃａｒ ＷＵ Ｊｉａｎ－ｙｕＬＵＯ Ｙｕ－ｔａｏ ＨＵＡＮＧ Ｘｉａｎｇ－ｄｏｎｇ ［摘 要］利用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ模块建立大学生方程式赛车（ＦＳＡＥ）双横臂独立悬架仿真模型；对模型进行运动学仿真，对表征悬架运动学性能的参数进行分析以确定优化目标；利用ＡＤＡ ＭＳ／Ｉｎｓｉｇｈｔ模块通过设定设计变量、综合目标函数和约束条件进行多目标优化设计；根据优化结果修改悬架的运动学仿真模型，再次进行仿真分析，并比较优化前和优化后悬架的综合性能；仿真结果表明，优化后的悬架综合性能得到明显提高，证明了多目标优化设计方法的有效性和正确性。
ＦＳＡＥ赛车；双横臂独立悬架；建模仿真；优化设计ＴＨ １６； Ｕ４６３．３ Ａ２０１０－１２－２１中央高校基本科研业务费专项资金资助（ ２００９ＺＺ００２９）万方数据万方数据＠＠［１］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．＠＠［２］刘虹，王其东．基于ＡＤＡＭＳ双横臂独立悬架的运动学仿真分析［Ｊ］．合 肥工业大学学报，２００７，３０（１ ）：５７－５９．＠＠［３］褚志刚，邓兆祥，胡玉梅，等．汽车前轮定位参数优化设计［Ｊ］．重庆大 学学报，２００３，２６（２ ）：８７－８９．＠＠［４］何耀华，闵斌云．基于ＡＤＡＭＳ的双横臂独立悬架的优化设计［Ｊ］．拖拉 机与农用运输车，２００６，３３（６）：７３－７４．＠＠［５］于海峰，于学兵．基于ＡＤＡＭＳ的双横臂独立悬架优化仿真分析［Ｊ］．机 械设计与制造，２００７（ １０）：５６－５８．＠＠［６］宋传学，蔡章林．基于ＡＤＡＭＳ／ＣＡＲ的双横臂独立悬架建模与仿真［Ｊ］． 吉林大学学报，２００４，３４（４）：５５４－５５８．＠＠［７］李文君，蒋永林，高树新，等．双横臂独立悬架空间运动学分析［Ｊ］．汽车 工程，２００６，２８（６ ）：５２９，５５８－５６０．＠＠［８］郭孔辉．汽车操纵动力学［Ｍ］．长春：吉林科学技术出版社，１９９１．＠＠［９］吕振华，常放，杨道华，等．利用ＡＤＡＭＳ对双横臂独立悬架进行仿真 分析［Ｊ］．汽车科技，２００５（５）：７－８．＠＠［１０］杨荣山．轿车底盘平台开发中多目标优化理论的研究及应用［Ｄ］．广 州：华南理工大学，２００９．＠＠［ １１ ］ Ｌｙｎｎ Ａｌｆｒｅｄ，Ｓｍｉｄ Ｅｄｚｋｏ，ｅｔ ａｌ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｈｙｂｒｉｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｕｓｉｎｇ ＡＭＥＳｉｍ ａｎｄ Ｍａｔｌａｈ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉ ｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００５（ ５８０５ ）： ２４－４０．万方数据。
开题报告况附件：参考文献格式学术期刊作者﹒论文题目﹒期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于3人，则写前三位作者的名字后面加“等”，作者之间以逗号隔开。
例如：[1]李峰，胡征，景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展. 无机化学学报，2001, 17(3): 315~324[2] J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorods.Journal of Crystal Growth, 2001,233:5～7学术会议论文集作者﹒论文题目﹒文集编者姓名﹒学术会议文集名称，出版地：出版者，出版年份：页次例如：[3] 司宗国，谢去病，王群﹒重子湮没快度关联的研究﹒见赵维勤，高崇寿编﹒第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集，北京：中国高等科学技术中心，1996：105 图书著者﹒书名﹒版本﹒出版地：出版者，出版年﹒页次如果该书是第一版则可以略去版次。
例如：[4]韩其智，孙洪洲﹒群论﹒北京：北京大学出版社，1987﹒101预印本作者﹒论文题目﹒预印本编号（出版年份）例如：[5]Xiaofeng Guo and Jianwei Qiu﹒The leading power corrections to the structure functions﹒hep—ph/9810548(1998)学位论文作者﹒论文题目﹒学士(或硕士、博士)学位论文. 出版地：出版者，出版年份例如：[6]陈异. 纳米粒子形貌控制研究. 硕士学位论文. 北京：中国科学院, 2002电子文献主要责任者. 电子文献题名﹒电子文献的出处或可获地址. 发表或更新日期例如：[7] 王明亮. 关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展. /pub/wml.txt/980810-2.html, 1998-08-16专利专利所有者. 专利名称. 专利国别：专利号，日期.例如：[8] 姜锡洲.一种温热外敷药制备方案. 中国专利：881056073，1989-07-26.。
第1章绪论1.1、FSAE概述1.1.1、背景Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of Automotive Engineers 简称SAE）主办。
SAE 是一个拥有超过60000 名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。
Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980 年在美国举办了第一届赛事。
比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。
目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。
比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。
Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发展成为一个拥有大约20 竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车队。
Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。
由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。
Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。
Formula SAE 队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。
出于此项比赛的宗旨，参赛学生们是被一个假象的制造公司雇佣，让他们制造一辆原型车，用于量产前的各项评估。
目标市场就是那些会在周末去参加高速穿障比赛（Autocross）的非专业车手。
因此，这些赛车在加速、制动、和操控性方面要有非常好的表现。
它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。
另外，这些赛车的市场竞争力会因为一些附加因素，比如美观、舒适性和零件的兼容性而得到提升。
制造公司日产能力要达到4 辆，并且原型车的造价要低于25,000 美元。
对于设计团队来说，挑战在于要在一定的时间和一定的资金限制下，设计和制造出最能满足这些目的的原型车。
每一项设计将会与其他的设计一起参与比较和评估从而决出最佳整车。
FSAE赛车悬架设计袁振(1)，尹伟奇(2)，刘爽(1)1.清华大学汽车工程系，2.清华大学物理系【摘要】本文的目的是完成对清华大学FSAE车队2010年赛车的悬架设计，为车队以后的工作留下一份设计和分析思路。
首先结合规则要求，确定赛车的偏频，进而计算出包括悬架刚度在内的有关参数，为更进一步的计算打下基础。
之后分析了车轮定位参数对赛车性能的影响，明确了赛车悬架设计的有关基本原则。
通过ADAMS软件完成了前悬架的参数模型，并结合整车设计参数，进行仿真分析。
利用ADAMS软件的优化功能，对悬架参数进行优化。
【关键词】FSAE，悬架设计，CATIA，ADAMSSuspension Design for FASE RacecarYuan Zhen(1), Yin Weiqi(2), Liu Shuang(1)1. Department of Automotive Engineering, Tsinghua University2.Department of Physics，Tsinghua UniversityAbstract:Tsinghua University FSAE program currently has no rigorous method for designing and analyzing the student-made racecars. This paper is to complete the suspension and to leave them not only a design but an idea of how to design. In suspension design process, I referred the general process. For the first, I combined regulatory requirements and determined the free frequency of the car. And then, I calculated a number of parameters, laying the foundation for the further calculation. For the next, I made it out how wheel alignment parameters will influence the performance of the car, and figured out some basic principles. I completed the parameter model of the front suspension with ADAMS. After that, I started to simulations. But results were not so satisfied. By using ADAMS Insight.，I got a set of ideal results with which the changes of wheel alignment parameters was within the range of experience.Key words: FSAE, Suspension design, CATIA, ADAMS1悬架设计的要求一般汽车悬架设计要求保证汽车具有良好的行驶平顺性，故悬架的固有频率应较低，普通乘用车偏频为0.5-1.5Hz。
对于赛车而言，舒适性则显得不是那重要，所以赛车悬架的偏频要高一些，具有适中负升力的赛车偏频为1.5-2Hz，具有高负升力的赛车，悬架的偏频为3-5Hz[1]。
悬架应该具有合适的减震性能，能快速衰减震动。
悬架应该能够保证赛车具有良好的操纵稳定性，转向时，赛车具有中性的转向特性；车轮跳动时，应不使车轮的定位参数变化过大，转向杆系与悬架导向机构的运动相协调。
赛车制动和加速时保证车身稳定，减小车身俯仰。
赛车在转弯时，侧倾幅度不能太大[2]。
能可靠地传递车身与车轮之间的一切力和力矩，在满足零部件轻的同时还要有足够的强度和寿命。
当然对于赛车，寿命往往只有几个小时近百公里，但是我们制造的FSAE赛车同时需要让车手平时练习，所以寿命还是需要有保障的。
2悬架主要性能参数的确定理论研究和使用经验证明：汽车前后悬架及其簧上质量组成的振动系统的固有频率是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一[3]。
根据比赛规则限定，悬架在坐有车手的情况下可以分别抬起和压下25.4mm。
故设计悬架静挠度1c f 30mm=，2c f 30mm=，则前后悬架偏频 1n 2.876Hz =，2n 2.876Hz =。
此数值适用于较小负升力的赛车，符合FSAE 赛车使用要求。
根据上文确定的偏频，可计算出悬架的刚度：2111c m (2n )53794N /m 53.8N /mm=π==轮胎在静止时，径向刚度主要受胎压影响。
设计选用轮胎型号为Hoosier 6x13赛车轮胎，当轮胎气压为2.4Bar 时，轮胎径向刚度为1350磅每英寸，折算为t c 236.5N /mm=。
1可求得l K 69.6N /mm =，对于一侧悬架l K '34.8N /mm =进而可求出减震器弹簧刚度。
悬架的侧倾角刚度2l 'B 32134.810 1.3308343Nm /rad 2=×××=这仅仅是在侧倾角较小时成立，实际上由于悬架杆系铰接点并非刚体，实际的侧倾角刚度要小一些。
3 悬架建模与仿真悬架建模的目的是为了验证已有悬架参数的合理性，针对不够理想的参数进行优化，提高悬架性能。
3.1 悬架建模FSAE 双横臂式前悬架的结构如图1所示，建立此仿真模型所需的几何定位参数(硬点坐标)通过参考美国MPI 大学2002年FSAE 赛车模型参数，力学特性参数(刚度、阻尼等特性)通过选用合适的模板获得。
在建模时抽象出上摆臂、下摆臂、主销、转向节、轮轴等刚体。
主销、转向节、轮轴为一体，上、下摆臂与主销以球铰联接，与副车架以衬套联接，转向节与转向拉杆以万向节铰接联接。
图1 ADAMS建立的赛车悬架3.2 初选参数结果分析赛车悬架静挠度和动挠度都为30mm，考虑一定富余量，来确定激振台的上下激振位移，上激振位移为前车轮上跳极限行程40.0mm，下激振位移为前车轮下跳极限行程40.0mm。
使左右车轮同步上下跳动，仿真分析车轮跳动过程中悬架主要性能参数的变化规律。
以车轮外倾变化规律为例：要求在轮跳过程中外倾角在车轮上跳时向减小的方向变化，-2±0.5°/50mm较为适宜，在下落时朝正值方向变化，变化幅度要尽可能的小。
从图2可知：前外倾角在轮跳过程变化范围为-2.1° 1.8°，基本符合经验取值。
有利于避免在制动时因左右制动力误差造成的直线行驶稳定性变坏和减小外倾角引起的地面对轮胎的侧向力使汽车有跑偏的趋势，同时减少轮胎的磨损。
图2 外倾角变化曲线3.3 悬架参数优化在整车运动过程中，由于路面存在一定不平度，并且由于弯道的存在，车轮和车身之间的相对位置以及车轮和地面的相对位置都将发生改变，这也将造成车轮定位参数的变动。
根据以上仿真结果分析，目前的悬架参数需要进行优化。
利用ADAMS/Insight模块，通过对悬架部分硬点坐标进行改变来达到优化的目的。
针对上下横臂共6个硬点18个坐标值进行迭代运算，每个参数变化的范围是10±mm。
计算量过大。
所以需要首先确定对不同参数对悬架定位参数的影响，从中挑出对影响较大的硬点坐标。
依次改变每个硬点的三个坐标作为单一变量，根据仿真结果判断其对悬架定位参数的影响，如表1。
表1 硬点坐标对定位参数的影响根据所得结果，将这8各参数作为Factors，车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角、侧倾中心高度作为Responses进行优化，表2是利用ADAMS/Insight优化后的参数，其中坐标原点位于左右车轮中心点连线的中点，单位为mm。
3外倾角变化范围缩小至-1.05° 0.75°，变化范围减小了50%。
并且在轮跳过程中外倾角在车轮上跳时向减小的方向变化，在下落时朝正值方向变化。
改善了制动时因左右制动力误差造成的直线行驶稳定性变坏和减小外倾角引起的地面对轮胎的侧向力使汽车有跑偏的趋势，且有利于减少轮胎的磨损。
图3 优化后的外倾角变化曲线4 悬架结构受力分析及强度校核在受力方面，前悬架需要考虑静态时车重、制动时的地面制动力和质心的惯性力引起的前轮负荷加大；后悬架需要考虑静态时的车重、制动、加速时的地面制动力和加速时引起的后轮负荷加大，另外还要考虑弯道行驶时，离心力引起的外侧悬架负荷加大。
静态时，按质量分配，可计算出前后轮垂向载荷，进而计算出前后悬架静态受力。
加速或制动时，最大加速度或最大减速度都是由轮胎的附着系数决定，根据轮胎的特性，可以计算赛车的最大加速度或减速度，得到前后轮纵向载荷；由此加速度引起的负荷转移，需要考虑赛车的重心高度，继而转化为前后轮的垂向载荷变化值。
赛车在弯道行驶，离心力作用于质心，离心力的大小取决于弯道的半径和赛车的速度，也要受车轮附着系数的制约，这里需要对弯道和车速进行估计，算出合理的加速度数值，进而得出车轮横向载荷；根据质心高度，可以计算出内外侧垂向载荷变化值。
根据以上分析结果，校核悬架每一根杆的最大受力情况如表3。
表3 悬架各处最大受力情况前悬架（N ） 后悬架（N ）UCA_Front 158 -379 350 UCA_Rear 198 -475 438 LCA_Front 1184 1244 LCA_Rear 1184 1244 Push_Rod 21342256设计在悬架采用美标SAE4130钢管焊接，SAE4130屈服强度为1000MPa ，受力最大的杆件为换向器推杆，受力2256N ，计算管材的横截面积如下222256A mm 2.256mm 1000== 由于钢管材料性能优异，所需横截面积很小，考虑到悬架的刚度，选取钢管规格为0.75inch 0.065inch φ×，换算成国际单位为19.05mm 1.65mm φ×。
5 总结通过对国内外资料的调研，确定了FSAE 赛车悬架的基本形式。
针对规则的要求，确定了赛车悬架的一些基本参数。
通过ADAMS 软件优化设计悬架导向杆系，优化目标是使得车轮定位参数在赛车悬架跳动过程中的变化规律符合经验要求。
最终得到的悬架硬点参数满足设计要求。
最后完成了对赛车悬架导向杆系的受力分析和强度校核。
