大学生方程式赛车悬架系统设计与仿真分析

吴雪玲，倪彰，何宇，张兴，顾迪，赵越

（江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213000）

大学生方程式赛车悬架系统设计与仿真分析

吴雪玲，倪彰，何宇，张兴，顾迪，赵越

（江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213000）

按照FSAE赛事对赛车及悬架系统的设计要求，以整车基本参数和设计规则为参照依据，选定轮胎、轮辋型号，利用CATIA软件建立了FSAE赛车悬架系统的几何模型，对减震器、横向稳定杆等进行结构设计，利用Adams/Insight软件对轮胎跳动时悬架参数变化进行对比分析与优化，并运用ANSYS软件对悬架的主要受力部件进行分析。优化和仿真结果表明设计的悬架系统满足参赛要求，为后期赛车制造及调试提供理论依据。

FSAE；悬架系统设计；CATIA；ANSYS

中国大学生方程式汽车大赛（简称FSAE）在2010年首次举办，迄今为止已经成功举办了7届，中国大学生方程式汽车大赛为培养学生汽车设计、加工制造、成本控制和车队成员间协作的能力提供了良好的工程实践平台； 此外，参与比赛可为各大参赛院校间提供广阔的交流平台，进而推动各院校间学术交流。

1 设计思路

FSAE赛事规则要求赛车悬架系统必须满足以下要求：能够保证赛车具备良好的行驶平顺性、良好的操纵稳定性、合适的衰减振动能力；能可靠的传递车轮和车身之间的各种力和力矩，保证有足够的强度和使用寿命；在赛车制动和加速时保证车身稳定，减小车身纵倾，确保转弯时车身侧倾角合适；便于布置和维护。根据赛事规则制定FSAE赛车悬架系统的初步设计流程，如图1所示。

图1 方程式悬架系统设计流程

2 前、后悬架基准参数计算选定

根据方程式大赛的规则，查阅相关的资料，确定主要基准参数，如表1所示；悬架系统车轮定位参数如表2所示。

表1 悬架基准参数

表2 车轮定位参数

3 减震器、横向稳定杆的设计

3.1 减震器的选取

赛车偏频的选取与悬架刚度有直接关系，为了避免共振，偏频的选取不宜一致，同时基于性能的考虑，综合去年FSAE赛车设计经验，此次赛车悬架偏频的选取为前悬n1=3.2Hz，后悬n2=2.6Hz。

利用赛车整车参数计算适乘刚度，以此来选择合适的弹簧。

根据计算数据并参照弹簧参数表，选择前悬为310lb/in,后悬为300lb/in的弹簧。对应的弹簧刚度分别为：

由此可计算出悬架的实际上跳行程，由于侧倾增益值1.91°/g，不在低负升力赛车的侧倾增益取值范围内（1.0～1.8g/），所以此次赛车总的侧倾角刚度530Nm/o，不满足设计要求，因此需要通过给前后悬架增加横向稳定杆来增加总的侧倾角刚度。

3.2 横向稳定杆设计

横向稳定杆的作用是避免赛车急速过弯时发生过大的横向侧倾，尽量保证赛车车身平衡，以此来增加赛车横向侧倾刚度、增强行驶平顺性。选择适当的前后悬架的侧倾角刚度比值，也有 助于赛车所需要的转向特性。横向稳定杆角刚度bCj为：

式中：d——稳定杆直径，mm；

4 建模及受力分析

主要部件建模、受力分析如下。

轮毂是用来连接轮胎钢圈，在与轴承过盈配合的面上施加固定，允许轮毂转动。轮毂材料选用为7075铝，轮毂结构与轮辋配合，采用四螺栓配合。在法兰盘上预留六个紧固圆孔，使用卡箍件对刹车盘进行固定，使得制动盘安装和拆卸简单化，如图2所示为前轮毂三维模型图。

利用ANSYS软件对前轮毂进行受力分析，在钢圈安装孔上施加3600N的力，同时在四个孔上施加300N·m的转矩，安全系数为5，受力分析结果如图3所示。

图2 前轮毂三维模型图

作为悬架系统最重要的部分之一，立柱上面连接着轮毂、悬架上下A臂和制动卡钳，并且承载整车质量。立柱受力复杂，且属于赛车的簧下质量,为提高赛车的操纵稳定性，在保证足够刚度的情况下需要尽量减轻立柱质量,后立柱三维模型图如图4所示。

图3 前轮毂应力云图

图4 后立柱三维模型图

利用Ansys对后立柱进行应力分析，施加后轮极限工况承受的制动力为605N,垂直载荷为4000N。两种工况组合的安全系数为4.7，受力分析结果如图5所示。

悬架各零部件的ANSYS应力分析宗旨在于使各个重要受力部件能够满足在各种工况下稳定工作。从以上立柱及轮毂受力云图可知，能够达到FSAE赛车设计要求。

5 悬架系统仿真分析

FSAE 赛车前后采用的均为不等长双横臂独立悬架，利用 Adams 软件，在 Adams里面建立虚拟实物模型，对车轮进行激励仿真分析，如图6所示。

图6 Adams整车模型

在本次仿真分析中，虚拟激振台设置上下跳动距离为25.4m，利用左侧和右侧车轮同步上下跳动来计算悬架跳动过程中各重要参数的变化规律。包括：主销内倾角、主销后倾角、轮胎束角、悬架刚度等，车轮跳动测试如图7所示。

图7 车轮跳动测试

悬架参数如果设计不合理，会导致定位参数变化过大，从而影响赛车性能，出现转向沉重，轮胎磨损严重等等问题。通过车轮跳动的测试，在各参数的变化曲线图中，可知该赛车在轮胎上下跳动时其主销内倾角和前束值的变化范围较大。因此要利用测试结果，对车轮定位参数进行优化设计，如图8。

改善车轮内倾角，优化后前束角变化呈直线变化，说明悬架上下跳动过程中内倾角变化较小，能够保证赛车具有较好的操纵稳定性，如图9所示为优化前后前束角变化对比图。

6 结语

以上所有悬架涉及的重要参数通过 ADAMS/car模块，建立出实物空间分布坐标以及变化量。同时，结合悬架运动仿真中出现的问题，对悬架系统主要参数进行了细致优化，最终的优化数据和曲线图表明，悬架的运动性能得到了显著提高。

图8 优化前后内倾角对比图

图9 优化前后前束角对比图

悬架系统的设计关乎整车的结构性能，本次设计，赛车悬架类型选定为不等长双横臂式独立悬架。通过反复计算确定各主要参数，利用CATIA、ANSYS、Adams等软件进行仿真分析，最终设计出满足大赛规则以及整车要求的悬架系统，为后面的赛车装配提供了理论基础。

[1]中国大学生方程式汽车大赛规则委员会.中国大学生方程式汽车大赛规则[S].北京：中国汽车工程学会，2016.

[2]肖生发,赵树朋.汽车构造（第2版）[M].北京：北京大学出版社，2012.7，354-357.

[3]罗永革,冯樱,汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]余志生,汽车理论[M].北京：清华大学出版社，2008.

[5]唐国兴,王永廉.理论力学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]（日）鸠田幸夫,渡边衡三,关根太郎.汽车设计造指南[M].北京：机械工业出版社， 2010.

U469

A

1671-0711（2017）05（上）-0122-03

江苏高校品牌专业建设工程一期项目：江苏理工学院汽车服务工程专业（PPZY2015A024）；江苏省大学生创新项目：大学生方程式赛车悬架系统建模仿真与优化及道路试验研究（11311711613）。