關(guān)于FSAE懸架和車架的介紹

1、 關(guān)于大學(xué)生方程式賽車懸架和車架設(shè)計(jì)的介紹時(shí)間：1997-04-07作者：Edmund F. Gaffney III and Anthony R. Salinas密蘇里大學(xué)羅拉分校摘要本文將基于在UM-Rolla的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)FSAE賽車的懸架和車架設(shè)計(jì)的介紹。羅列了基本理論和方法，對(duì)于一個(gè)新的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)可以有一個(gè)基準(zhǔn)來(lái)參考。下面以UM-Rolla的1996年FSAE賽車為例。介紹FSAE是一個(gè)學(xué)生的競(jìng)賽，由美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)舉辦，要求大學(xué)生設(shè)計(jì)，制造一輛小型方程式賽車去參加比賽?；谝患姨摂M公司另一個(gè)工程師小組去開(kāi)發(fā)一臺(tái)小型方程式賽車。因?yàn)樵撥囕v定位于周末休閑賽車，所以公司最多在每臺(tái)車上話費(fèi)8

2、500美元。競(jìng)賽規(guī)則限制賽車最多不超過(guò)610cc和擁有一個(gè)限流閥的發(fā)動(dòng)機(jī)。其他的規(guī)則需要賽車的懸架行程大于50mm和軸距大于1524mm。賽車也滿足安全要求，如側(cè)面防撞保護(hù)。競(jìng)賽分為靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目。靜態(tài)項(xiàng)目包括成本報(bào)告，營(yíng)銷報(bào)告，和設(shè)計(jì)報(bào)告。動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括直徑15.25m的八字繞樁，91.44m的直線加速， 0.8km的高速避障，44km的耐久賽以及燃油經(jīng)濟(jì)性。該比賽旨在為大學(xué)生提供一個(gè)相似于日后工作中面臨問(wèn)題的經(jīng)歷。為了參加FSAE，學(xué)生小組從項(xiàng)目工作提綱上分配到任務(wù)直到賽車完成。工程設(shè)計(jì)方面，團(tuán)隊(duì)合作方面，項(xiàng)目管理以及財(cái)務(wù)已經(jīng)納入了FSAE的基本規(guī)則。該文章包含了懸架和車架設(shè)計(jì)的一些基本

3、概念，也突出了Um-Rolla在設(shè)計(jì)1996年賽車懸架和車架時(shí)所用的一些方法。懸架部分列出了設(shè)計(jì)的基本參數(shù)和具體案例，車架部分討論了如何在FSAE設(shè)計(jì)的約束之中得到一個(gè)折中的方案。最后，設(shè)計(jì)部分給出了Um-Rolla 1996年賽車設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)要概述。1996車隊(duì)在77支參賽車隊(duì)中，設(shè)計(jì)報(bào)告獲得12名，總成績(jī)19名。1.懸架幾何懸架幾何方面關(guān)注于懸架設(shè)計(jì)的一些基礎(chǔ)性知識(shí)并著重于UM-Rolla隊(duì)1996年的設(shè)計(jì)。FSAE的懸架由于受過(guò)彎速度的限制只能在汽車動(dòng)力學(xué)很狹隘的一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)作，正如你所知道的，過(guò)彎速度又是受到跑道尺寸的限制。因此，F(xiàn)SAE懸架的設(shè)計(jì)應(yīng)該嚴(yán)格遵守比賽的要求。例如，汽車的輪

4、距和軸距是影響操作穩(wěn)定性至關(guān)重要的因素。這兩個(gè)方面不僅影響著載荷轉(zhuǎn)移，同時(shí)還影響著過(guò)彎半徑。此外，我們不僅只能關(guān)注于懸架的幾何學(xué)方面，還得考慮元件的價(jià)格還有市場(chǎng)上是否能買得到。例如，內(nèi)側(cè)懸架很容易在市場(chǎng)上買到而外側(cè)懸架可能比較便宜些而且制作起來(lái)也更加容易些。UM-Rolla隊(duì)使用推桿驅(qū)動(dòng)的螺旋彈簧獨(dú)立懸架系統(tǒng)。做出這樣的決定主要是因?yàn)槭艿桨惭b技術(shù)的限制。此外，不管是對(duì)裁判還是對(duì)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，內(nèi)側(cè)懸架更為適合如今的賽車。盡管我們所討論的是上下臂不等長(zhǎng)的懸架系統(tǒng)，但你要知道的是這其中的大部分概念對(duì)于其他的懸架系統(tǒng)也同樣適合。輪距如圖1所示，輪距是汽車左右兩側(cè)車輪中心線之間的距離。對(duì)于過(guò)彎來(lái)說(shuō)，這是非

5、常重要的一個(gè)概念，因?yàn)樗梢缘种浦亓ψ饔糜谫|(zhì)心的慣性力（CG）和作用于輪胎的側(cè)向力所共同產(chǎn)生的傾覆力矩。對(duì)于賽車設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，輪距是影響賽車橫向負(fù)荷轉(zhuǎn)移的一個(gè)至關(guān)重要的因素。這也就是說(shuō)，在懸架的運(yùn)動(dòng)分析之前，設(shè)計(jì)者一定要對(duì)輪距有個(gè)深刻的了解。圖1.輪距（1996前懸前視圖）當(dāng)我們確定輪距的時(shí)候，前后輪的輪距并不一定要相同。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，對(duì)于后輪驅(qū)動(dòng)的賽車而言，通常前輪的輪距要大一些。這種設(shè)計(jì)理念是為了通過(guò)將抗拒側(cè)翻的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到前輪來(lái)增大出彎時(shí)后輪的牽引力。基于FSAE 方程式賽車的過(guò)彎速度和驅(qū)動(dòng)力重量比 (horsepower-to-weight ratio)，這種設(shè)計(jì)理念必須要牢記。軸距軸距當(dāng)

6、然也必須要納入設(shè)計(jì)師的考慮范圍。軸距是指汽車前后輪車軸之間的距離。它同時(shí)也受到負(fù)荷轉(zhuǎn)移的影響，不過(guò)是在縱向。除了具有抗減速前傾和加速后仰的特性外，軸距還影響到重心（CG）位置的布置，但是對(duì)于懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性而言卻影響不大。然而，在設(shè)計(jì)過(guò)程的初期軸距就要被確定下來(lái)，因?yàn)檫@對(duì)整車的安裝起著非常大的作用。在輪距和軸距確定之前，設(shè)計(jì)師可以研究其他參賽者的車并以此作為自己賽車設(shè)計(jì)計(jì)算的一個(gè)基準(zhǔn)。包括輪距和軸距在內(nèi)的FSAE賽車說(shuō)明書(shū)，可以在SAE出版的賽事說(shuō)明中找到。1996年UM-Rolla隊(duì)使用的是1727mm的軸距，1270mm的前輪距和1219mm的后輪距。盡管這個(gè)軸距足夠勝任FSAE賽事的

7、尺寸要求，但是他們還是想將下一輛他們所設(shè)計(jì)的賽車軸距提高到1854.2mm。這種改動(dòng)試圖去提高賽車在高速下入彎時(shí)的穩(wěn)定性。輪胎和車輪在考慮完軸距和輪距之后，緊接著要確定下來(lái)的是輪胎和車輪。考慮到輪胎對(duì)于賽車的操作穩(wěn)定性起著非常大的作用，小組中的每一個(gè)成員必須對(duì)輪胎的尺寸和材料是否可以買到有個(gè)徹底的深入的調(diào)查了解。例如，對(duì)于車輪直徑給定的賽車而言，輪胎高度決定了球關(guān)節(jié)（裝在車輪內(nèi)部）與地面之間的距離。輪胎尺寸-設(shè)計(jì)師應(yīng)該意識(shí)到對(duì)于車輪直徑給定的賽車而言輪胎尺寸是受到限制的。因此，考慮到輪胎尺寸對(duì)于操作穩(wěn)定性的重要性，在輪胎的選擇上我們需要謹(jǐn)慎。因?yàn)檩喬ヅc地面的接觸面積對(duì)抓地力起著非常大的作用，所

8、以通常我們會(huì)使用更寬的輪胎來(lái)提升牽引力。然后，同時(shí)我們也必須要記住寬輪胎增加了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，這將會(huì)使本來(lái)就受到限制的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大。相比較寬輪胎所增加的牽引力而言，由于增加負(fù)荷所導(dǎo)致的總體性能上或許反而會(huì)有害。寬輪胎不但增加了總重量，而且還無(wú)疑的會(huì)增加橡膠材料的耗材。既然賽車輪胎是被設(shè)計(jì)用來(lái)更為有效的在特殊的溫度范圍內(nèi)運(yùn)作，增加進(jìn)去的材料可能會(huì)阻止胎溫上升到最佳的溫度范圍內(nèi)。UM-Rolla隊(duì)1996年賽車的胎溫被設(shè)定在最小值71的范圍內(nèi)。在整車裝配過(guò)程中設(shè)計(jì)師也要考慮輪胎對(duì)整體裝配的影響。例如，氣候的變化可能會(huì)影響到賽車對(duì)輪胎材料和尺寸的選擇。另一個(gè)需要考慮的因素是輪胎的價(jià)格，因?yàn)檫@里的開(kāi)銷可能

9、會(huì)是整體賽事預(yù)算最大的一個(gè)部分。在1996年的比賽中，UM-Rolla隊(duì)從613種輪胎中選擇了20種作為賽車的前后輪。由于質(zhì)心的降低，他們選擇了更窄的輪胎所以同去年相比胎溫可能會(huì)更好一些。這次調(diào)整使得輪胎的運(yùn)作溫度從48°升到了60°。天氣預(yù)報(bào)賽事那天的氣候?qū)?huì)很涼爽，所以他們帶來(lái)了一套軟硬不同的輪胎。隊(duì)伍選擇了更硬的輪胎因?yàn)樘鞖饪赡軙?huì)更加晴朗。車輪的選擇-一旦輪胎確定下來(lái)了，下一個(gè)提上工作日程的是輪盤選擇。通常情況下，車輪直徑是固定的而且只允許做細(xì)小的修改。因此，在研究車輪之前必須要在心目中有一套明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通常來(lái)說(shuō)，立柱，制動(dòng)卡盤和旋轉(zhuǎn)部分被放在車輪里面,這也就導(dǎo)致

10、輪盤要偏置一定的距離來(lái)為此騰出空隙。如果輪子的側(cè)面形狀確定下來(lái)的話對(duì)于懸架的幾何布置是非常有利的。例如，球關(guān)節(jié)的布置就受到輪子側(cè)面形狀的限制。對(duì)于輪子選擇所要考慮的其他因素有：開(kāi)銷，可得性，螺栓圓周，還有重量。例如，三輪緣盡管貴些，但是卻有著非常顯著的優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)可以提供更多的偏置和橫向布置，這也利于在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整和改動(dòng)。根據(jù)先前的一輛車的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，1996年的賽事UM-Rolla隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列滿足要求的三輪緣輪盤。賽車的四個(gè)輪子都是。這種輪盤的選擇滿足了輪胎的經(jīng)常性更換，縮減了開(kāi)支，同時(shí)也使得對(duì)輪胎材料、尺寸和加工的選擇范圍更加寬廣。幾何現(xiàn)在設(shè)計(jì)師可以為懸架系統(tǒng)設(shè)定幾個(gè)可能會(huì)用到的參數(shù)

11、。比如說(shuō)外傾增量（camber gain）、側(cè)傾中心定位（roll center placement）還有磨合半徑（scrub radius）。對(duì)于這些參數(shù)的選舉，我們應(yīng)當(dāng)以怎樣讓賽車按照所設(shè)定的運(yùn)行為基準(zhǔn)。設(shè)想賽車在過(guò)彎時(shí)，懸架系統(tǒng)的設(shè)定應(yīng)當(dāng)盡可能多的讓輪胎與地面接觸。例如，試車時(shí)你會(huì)發(fā)覺(jué)，受外傾增量所決定的車身側(cè)傾和懸架行程在一定程度上決定了過(guò)彎時(shí)是否獲得最佳特性。當(dāng)懸架行程是以負(fù)荷轉(zhuǎn)移和懸架剛度為參數(shù)的函數(shù)時(shí)，車身側(cè)傾量取決于側(cè)傾剛度。一旦這些基本參數(shù)確定下來(lái)，必須要對(duì)所設(shè)想的懸架進(jìn)行模擬。但是在模擬之前，我們一定要對(duì)球關(guān)節(jié)位置，內(nèi)控制臂樞軸點(diǎn)（inner control arm piv

12、ot points）和輪距有個(gè)深入的了解。對(duì)運(yùn)動(dòng)幾何進(jìn)行模擬最簡(jiǎn)單的方式是使用運(yùn)動(dòng)分析軟件，因?yàn)檫@樣的話在對(duì)幾何的關(guān)系進(jìn)行檢查的時(shí)候每一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置都可以及時(shí)修改。如果專門的運(yùn)動(dòng)分析軟件得不到的話那么我們可以繼續(xù)使用CAD軟件，權(quán)且當(dāng)是把懸架重畫(huà)了一遍，只不過(guò)那些點(diǎn)都可以運(yùn)動(dòng)而已。在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)師要牢記在心的是設(shè)計(jì)是一個(gè)反反復(fù)復(fù)的過(guò)程，在此期間，妥協(xié)是在所難免的。例如，由于安裝的限制所設(shè)想的磨合半徑達(dá)不到。此外在虛擬時(shí)設(shè)計(jì)師也不能漫無(wú)目的的改那些點(diǎn)的坐標(biāo)。應(yīng)當(dāng)在改動(dòng)之前就要把可能會(huì)出現(xiàn)的結(jié)果都設(shè)想好。例如，當(dāng)變動(dòng)下叉臂的長(zhǎng)度使得下叉臂是上叉臂長(zhǎng)度的四倍時(shí)，就應(yīng)當(dāng)在此之前就設(shè)想好車輪相對(duì)于底盤的

13、外傾是個(gè)什么樣的變化。在設(shè)想結(jié)果之前可以采取的一種方式是找出車輪相對(duì)于底盤的瞬心位置。另一種方式是使用受球關(guān)節(jié)限制相對(duì)于底盤運(yùn)動(dòng)的弧線。（Another method is to use the arcs that the ball joints circumscribe relative to the chassis.）對(duì)于確定懸架各點(diǎn)相對(duì)于瞬心坐標(biāo)位置的完整解釋參照Milliken。磨合半徑，主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角-磨合半徑或者說(shuō)主銷偏移，是指車輪中心線和上下球關(guān)節(jié)連線（或轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線）之間的距離，如圖2所示。當(dāng)主銷軸線同地面的交點(diǎn)位于車輪內(nèi)部的時(shí)候認(rèn)定磨合半徑為正。磨合半徑盡量保持小一

14、些因?yàn)樘髸?huì)導(dǎo)致過(guò)度轉(zhuǎn)向。當(dāng)然，留一些正的磨合半徑是必要的因?yàn)樵谵D(zhuǎn)彎時(shí)這會(huì)為駕駛員提供一定的轉(zhuǎn)向回正。圖2.磨合半徑在正視圖下，主銷內(nèi)傾角（KPI）是主銷軸線和車輪中心線之間的角度。為了減小磨合半徑，可以嘗試去調(diào)整主銷內(nèi)傾角，但前提是靠近車輪中心線的球關(guān)節(jié)不好安裝。我們可以通過(guò)減小主銷軸線與地面的交點(diǎn)同車輪中心線之間的距離的方式來(lái)減小磨合半徑。當(dāng)然如果調(diào)整的過(guò)度了也是存在一定的缺陷的，譬如說(shuō)，轉(zhuǎn)彎時(shí)外側(cè)車輪由于外傾肯定會(huì)由此而推動(dòng)輪胎的一部分離開(kāi)地面。不過(guò)固定的車輪外傾和正的主銷后傾可以用來(lái)抵消同主銷內(nèi)傾角有聯(lián)系的外傾增量。在側(cè)視圖下，主銷后傾角是主銷軸線偏離鉛垂線的角度，并且以偏向車尾為正。

15、由于有正的主銷后傾的作用，在過(guò)彎時(shí)外側(cè)車輪的主銷內(nèi)傾會(huì)幫助來(lái)抵消同主銷內(nèi)傾角和車身側(cè)傾有關(guān)的主銷后傾。主銷后傾還會(huì)導(dǎo)致車輪在圍繞轉(zhuǎn)向節(jié)主銷轉(zhuǎn)的時(shí)候上下跳動(dòng)，這將會(huì)引起四個(gè)輪子負(fù)荷的交叉轉(zhuǎn)移。此外，主銷后傾還會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)彎后的轉(zhuǎn)向回正起到一個(gè)推動(dòng)作用。UM-Rolla隊(duì)采用的是9.5mm的磨合半徑，0°主銷內(nèi)傾角和4°的主銷后傾角。這樣子的設(shè)計(jì)需要將球關(guān)節(jié)安置在非常靠近車輪中心線的位置，這也就要求在靜態(tài)模擬程序中要留有足夠大的檢測(cè)空間。側(cè)傾中心-一旦基本的參數(shù)確定下來(lái)，我們就可以對(duì)懸架的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括每個(gè)車輪的瞬心分析，底盤相對(duì)于地面的分析如圖3所示。被標(biāo)注為IC的點(diǎn)

16、是車輪相對(duì)于底盤的瞬心。圖中所標(biāo)注的其他點(diǎn)，譬如說(shuō)側(cè)傾中心，是指底盤相對(duì)于地面的側(cè)傾樞紐。前后輪側(cè)傾中心的連線稱為側(cè)傾軸線。對(duì)于大多數(shù)賽車來(lái)說(shuō)，質(zhì)心位于側(cè)傾軸線的上面，于是當(dāng)賽車轉(zhuǎn)彎時(shí)慣性力就會(huì)以側(cè)傾軸線為基準(zhǔn)產(chǎn)生一個(gè)力矩。這種力矩會(huì)促使賽車有向外側(cè)翻的趨勢(shì)。理想情況下，車身的側(cè)傾量將會(huì)很小所以彈簧和橫向穩(wěn)定桿的使用將會(huì)增加些剛度，這就使得另一方面我們可以增加輪胎的柔韌性。然而，為了使傾覆力矩足夠的小，質(zhì)心一定要靠近側(cè)傾軸線。這也就表明側(cè)傾中心最好同質(zhì)心高度差不多。不幸的是，不管側(cè)傾中心位于地面的上面抑或是下面，在過(guò)彎時(shí)都會(huì)對(duì)底盤產(chǎn)生一個(gè)頂推力。比方說(shuō)，如果側(cè)傾中心在地面上面，這個(gè)頂推力就會(huì)使

17、懸架向底盤彎曲。通常來(lái)說(shuō)這種彎曲不是我們想要的，這就得看懸架是怎么設(shè)計(jì)的了，因?yàn)檫@種彎曲會(huì)導(dǎo)致車輪外傾的增加，這樣的話就會(huì)減少輪胎同地面的接觸面積。相反的，如果側(cè)傾中心位于地面下面的話，懸架就會(huì)劇烈顛簸，或者當(dāng)側(cè)向力作用于輪胎時(shí)相對(duì)于底盤升高。因此，最好將側(cè)傾中心設(shè)計(jì)成接近地面以此來(lái)降低當(dāng)有側(cè)向力作用時(shí)底盤在垂直面上的運(yùn)動(dòng)。圖3.前輪側(cè)傾中心由于側(cè)傾中心是個(gè)瞬時(shí)值，所以得明白的是側(cè)傾中心會(huì)隨著懸架的運(yùn)動(dòng)而變化。因此，設(shè)計(jì)者們一定要檢查側(cè)傾中心的遷移，確保頂推力和傾覆力矩在可控范圍內(nèi)遵循線性變化。比方說(shuō)，如果側(cè)傾中心在運(yùn)動(dòng)時(shí)越過(guò)了地面，則會(huì)導(dǎo)致懸架的上下顛簸，后果就是操作的不穩(wěn)定性。1996年U

18、M-Rolla隊(duì)的賽車前輪側(cè)傾中心高度位于地面下面35.6mm處，后輪位于地面上面35.6mm處。因?yàn)橄惹暗能噺奈从羞^(guò)側(cè)傾中心位于地面下面的經(jīng)歷，所以這次的設(shè)計(jì)純粹算是一種嘗試。因?yàn)榭赡軙?huì)存在很大的側(cè)傾力矩，設(shè)計(jì)師們?cè)O(shè)計(jì)了足夠多的車輪外傾增量來(lái)補(bǔ)償由于軟彈簧和沒(méi)有橫向穩(wěn)定桿所導(dǎo)致的車身側(cè)傾。對(duì)于賽車的操作性來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)者們非常的滿意，但是他們還是決定了下一輛車的前后側(cè)傾中心都位于地面上面，目的是對(duì)兩種設(shè)計(jì)進(jìn)行直接的比較。車輪外傾角-車輪外傾角是指垂直面下車輪頂端遠(yuǎn)離車輛中心線時(shí)車輪中心線與鉛垂線所成的角度，并規(guī)定此時(shí)為正方向?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)向節(jié)上的球關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)整車輪外傾角。由于輪胎接地面積受到車輪

19、外傾角的控制，所以懸架的設(shè)計(jì)必須要使得車輪外傾角非常好調(diào)整，確保能夠適應(yīng)急轉(zhuǎn)彎。比方說(shuō)，在小的試車場(chǎng)上的車輪外傾角與極限賽事中的急轉(zhuǎn)彎可能不同。輪胎上產(chǎn)生的極大的側(cè)向力可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)的車輪外傾角。當(dāng)然，車輪外傾角會(huì)隨著車輪上下運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生變化。由于這種變化的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)師就要對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)來(lái)補(bǔ)償受最大側(cè)向力（受底盤和車輪運(yùn)動(dòng)影響）影響的外傾角變化。對(duì)于車輪垂直運(yùn)動(dòng)的外傾角補(bǔ)償或增量受到控制臂結(jié)構(gòu)的影響。調(diào)整上下叉臂的長(zhǎng)度，可以獲得不同的外傾增量。不同的叉臂長(zhǎng)度可以使得球關(guān)節(jié)相對(duì)于底盤有著不同的運(yùn)動(dòng)弧線。上下叉臂相互所成的角度同樣也會(huì)對(duì)外傾角的增量有所影響。因?yàn)橥鈨A角增量是一個(gè)鏈接幾何

20、的函數(shù)，所以對(duì)于彎曲和顛簸來(lái)說(shuō)，所得到的量是不一樣的。比方說(shuō)，懸架的設(shè)計(jì)需求外傾角彎曲時(shí)1°25mm，顛簸時(shí)2°25mm。固定的外傾角可以補(bǔ)償車身側(cè)傾，然而，增加的外傾角也會(huì)對(duì)操作穩(wěn)定性的其他方面有所影響。比方說(shuō)，過(guò)分僵硬的外傾角可能會(huì)減少輪胎的接地面積，因此而直接影響到賽車的直線制動(dòng)和加速性。相似的情況，懸架運(yùn)動(dòng)時(shí)過(guò)多的外傾增量可能會(huì)導(dǎo)致輪胎部分地方失去對(duì)地面的接觸。過(guò)彎時(shí)主銷后傾角同樣也會(huì)增加整體的外傾增量。對(duì)于正的主銷后傾角，過(guò)彎時(shí)外側(cè)車輪可能會(huì)有負(fù)的外傾角，同時(shí)內(nèi)側(cè)車輪有正的外傾角。當(dāng)車輪只轉(zhuǎn)很小的一個(gè)度數(shù)時(shí)主銷后傾所引起的車輪外傾增量可能會(huì)很小到可以忽略不計(jì)。但是

21、，F(xiàn)SAE賽車在賽事中的急轉(zhuǎn)彎可以使用主銷后傾來(lái)增加外傾量。由于沒(méi)有使用橫向穩(wěn)定桿，1996年的賽事UM-Rolla隊(duì)使用了非常大的外傾增量。這種低轉(zhuǎn)速高側(cè)傾力矩需要懸架能夠補(bǔ)償受車身側(cè)傾和懸架運(yùn)動(dòng)所致的正外傾量。他們通過(guò)對(duì)主銷后傾角和控制臂的設(shè)計(jì)來(lái)獲得外傾增量。結(jié)論FSAE的懸架設(shè)計(jì)不僅要在動(dòng)態(tài)賽中取得好成績(jī)，還要關(guān)注在靜態(tài)賽中的情況。對(duì)于動(dòng)態(tài)賽來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)者們要關(guān)注它的幾何情況，確保各種情況下（剎車，加速，轉(zhuǎn)向）輪胎的大部分能夠與地面接觸。懸架的設(shè)計(jì)還得關(guān)注到制作的難易度和開(kāi)銷分析。為了減小1996年賽車的開(kāi)銷和復(fù)雜性，UM-Rolla隊(duì)設(shè)定了一個(gè)系統(tǒng)，確保車輪，輪轂，軸承在賽車的每個(gè)地方都

22、相同。設(shè)計(jì)懸架幾何僅僅只是做車非常小的一個(gè)部分。一個(gè)出色的懸架系統(tǒng)不可能自動(dòng)的就會(huì)造出一輛速度很快的車。盡管這篇文章所討論的是在設(shè)計(jì)方面，對(duì)與成功來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)和安裝同樣重要。由于受到時(shí)間的限制，所設(shè)計(jì)的第一個(gè)懸架可能并不會(huì)獲得很好的操作穩(wěn)定性。在賽車完成后，改變?cè)O(shè)計(jì)也是非常常見(jiàn)的。對(duì)于整個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，各個(gè)部分之間相互妥協(xié)是非常重要的，因?yàn)橹挥羞@樣才能確保在比賽之前完成制作和測(cè)試。2. 車架車架的目的是為前后懸架的安裝提供一個(gè)剛性的連接點(diǎn)，同時(shí)為賽車的不同系統(tǒng)提供安裝點(diǎn)。前后懸架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得懸架硬點(diǎn)產(chǎn)生不一致的現(xiàn)象，車架必須提供一個(gè)在表現(xiàn)車輛性能范圍內(nèi)的不會(huì)發(fā)生屈服的連接點(diǎn)。車架的形式多種多樣，有

23、空間桁架式，單體殼式，梯形式等。最流行的是管狀的空間桁架式。空間桁架式車架是將一系列的管件結(jié)合一起連接一些必要的組成結(jié)構(gòu)。然而大多數(shù)的概念和理論適用于其他的底盤設(shè)計(jì)形式。圖4.Um-Rolla 1996年車架設(shè)計(jì)圖剛度懸架的設(shè)計(jì)目標(biāo)是車輛在適用的路面上時(shí)能使輪胎與地面平穩(wěn)接觸。通常，懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在車架是一個(gè)剛性體的假設(shè)下進(jìn)行的。例如，在車架剛度不夠的情況下，前后懸之間會(huì)發(fā)生我們不希望看到的變形。例如，一個(gè)扭轉(zhuǎn)載荷施加在一個(gè)沒(méi)有偏轉(zhuǎn)的車架中（如圖5）。圖5.車架變形Um-Rolla已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，底盤是有足夠的剛度使其在比賽中不會(huì)屈服失效。但是，我們應(yīng)當(dāng)采取一些謹(jǐn)慎的措施確保連接點(diǎn)

24、不會(huì)發(fā)生屈服。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的連接點(diǎn)必須要有足夠的剛性來(lái)降低發(fā)生失效的可能。扭轉(zhuǎn)剛度扭轉(zhuǎn)剛度是車架在承受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)抵抗彈性變形的能力4。Um-Rolla采用FEA來(lái)分析1996車架的扭轉(zhuǎn)剛度。該方案運(yùn)用簡(jiǎn)單的桿和梁?jiǎn)卧Ｐ惋@示，車架的扭轉(zhuǎn)剛度大約在2900N/m。1996車架的重量大約在27kg，折讓Um-Rolla相信對(duì)于兩天的比賽需要來(lái)說(shuō)，車架有些重。但是，一些額外的結(jié)構(gòu)也被添加以保證其安全性。另外，傳動(dòng)系統(tǒng)支架的明顯加強(qiáng)可以使這輛賽車在幾個(gè)學(xué)期內(nèi)作為車手培訓(xùn)的工具。如1996車架的優(yōu)化，不同剛度和重量的比率做了一些比較。車架可以做的極其剛性通過(guò)添加一些材料。但是，這種添加材料的方法由于增加

25、了車輛的重量而導(dǎo)致整車的性能降低。顯然，扭轉(zhuǎn)剛度不是分析車架剛度的唯一方法?？箯潉偠纫彩欠治鲕嚰艿囊环N途徑。然而，抗彎剛度不像扭轉(zhuǎn)剛度那么重要，以為彎曲變形不會(huì)影響車輪負(fù)荷4。由于FSAE設(shè)計(jì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的限制，Um-Rolla使用了扭轉(zhuǎn)剛度分析，以確定不同車架設(shè)計(jì)的相對(duì)剛度。三角形式三角形式設(shè)計(jì)可以用來(lái)提高車架的剛度，三角是一種最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)而不是機(jī)構(gòu)。顯然，車架是一個(gè)結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)剛性要強(qiáng)于機(jī)構(gòu)。因此，我們要盡最大努力使車架適用更多的三角結(jié)構(gòu)。想到車架是一些桿件的集合體，這些桿件通過(guò)鉸接連接，可以使設(shè)計(jì)人員定位在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)查看一個(gè)節(jié)點(diǎn)上是否有至少三根桿件來(lái)給載荷提供卸載路徑來(lái)優(yōu)化他們

26、的車架。Um-Rolla選擇使用薄壁鋼管來(lái)設(shè)計(jì)1996車架。這就需要很明顯的三角結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)車架，因?yàn)楸”阡摴茉诶旌蛪嚎s方面的力學(xué)表現(xiàn)優(yōu)異但是在彎曲方面表現(xiàn)的就很差。在受到大而復(fù)雜載荷地方，盡可能的使用三角結(jié)構(gòu)，比如懸架和發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝點(diǎn)。圖6.三角結(jié)構(gòu)車架（車架側(cè)視圖）之前Um-Rolla的車架缺乏足夠的三角結(jié)構(gòu)對(duì)于產(chǎn)生較大載荷部件。這些部件被連接在車架的某根桿的中點(diǎn)上。正如所料，這根管件如同簡(jiǎn)支梁一樣產(chǎn)生了較大的彎曲形變。盡管那些設(shè)計(jì)僅僅是在比賽短短的幾天內(nèi)，但是，他們無(wú)一例外的因?yàn)楣芗投瑪嗔讯?。?duì)于1996年的賽車，所有的受力較大的部件均使用三角結(jié)構(gòu)的連接方式。截面慣性矩截面慣性矩

27、對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度有很大的影響。因此，距離軸線越遠(yuǎn)的材料，將會(huì)抵抗更大的扭轉(zhuǎn)和彎曲。這個(gè)概念通過(guò)對(duì)基本車架添加側(cè)邊倉(cāng)結(jié)構(gòu)得到體現(xiàn)。圖7.側(cè)邊結(jié)構(gòu)（車架俯視圖）圖7展示了三角形式的側(cè)邊倉(cāng)結(jié)構(gòu)用來(lái)提高1996車架的扭轉(zhuǎn)剛度。這些材料也增加了側(cè)面碰撞保護(hù)。側(cè)邊倉(cāng)的添加離底盤軸線中心盡可能的遠(yuǎn)，增大前后懸架之間部分的截面慣性矩。大部分的FSAE成功的賽車擁有側(cè)邊倉(cāng)用來(lái)提高安全性和扭轉(zhuǎn)剛度。除了應(yīng)用側(cè)邊倉(cāng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高底盤的剛度，1996賽車開(kāi)始了使用環(huán)形管件連接下管來(lái)提高車架的剛度。1997年FSAE規(guī)則強(qiáng)調(diào)主環(huán)，和車架基體的材料在制造的時(shí)候必須使用0.049英寸壁厚的4130鋼管1。因?yàn)檫@些鋼管比0.035英

28、寸壁厚的鋼管剛度更大，車架可以明顯的提高剛度通過(guò)使用這種主環(huán)材料。負(fù)載路徑在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮載荷時(shí)如何傳遞到車架上是很重要的。一個(gè)載荷路徑被描述為載荷通過(guò)傳遞路徑消散在車架上。舉個(gè)例子，圖8顯示了輪胎所承受的垂直載荷是如何通過(guò)立柱，推桿，搖臂，彈簧-減振器傳遞到車架上的。當(dāng)然，合適的去調(diào)查所涉及的力，應(yīng)當(dāng)畫(huà)出各個(gè)部件的自由體受力圖。然而，這個(gè)概念被設(shè)計(jì)者用來(lái)直觀的體現(xiàn)車架應(yīng)該是一個(gè)怎樣的結(jié)構(gòu)。圖8.前懸載荷傳遞路徑防撞為了安全起見(jiàn)，F(xiàn)ormula SAE組委會(huì)已經(jīng)寫(xiě)清楚了一系列的規(guī)則來(lái)保護(hù)駕駛員承受來(lái)自前方，側(cè)方以及翻轉(zhuǎn)等一些情況下的撞擊。在1996賽季設(shè)計(jì)工作開(kāi)展的時(shí)候，Um-Rolla就發(fā)

29、現(xiàn)按照FSAE規(guī)則設(shè)計(jì)出來(lái)的車架是經(jīng)過(guò)剛度優(yōu)化的，顯而易見(jiàn)的車架的強(qiáng)度已經(jīng)足夠大來(lái)適應(yīng)不同的撞擊工況。由于前端碰撞的可能性，更多必要的結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于車架鼻頭處相對(duì)于1996年的規(guī)則。在原有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們團(tuán)隊(duì)相信，車輛在跑動(dòng)過(guò)程中撞擊固體如路肩或停車處的概率是很高的。所以，考慮到使駕駛者的腳步的安全，通過(guò)加裝前部防撞結(jié)構(gòu)來(lái)保障。裝配任何一個(gè)FSAE系統(tǒng)必須包絡(luò)于車架的外框中。這些部件的空間限制于管件現(xiàn)有的布置，但是這些布置是不利于車架的剛度8的。舉個(gè)例子，驅(qū)動(dòng)器占據(jù)車架的部分可以顯著的增加車架的剛度。懸架懸架的包絡(luò)大多數(shù)不會(huì)遇到干擾問(wèn)題因此大多數(shù)部件在車架外部。然而，這是尤其重要的使懸架部件連

30、接部分增強(qiáng)剛度使載荷通過(guò)正確的路徑傳遞到底盤的那些部件中8。設(shè)計(jì)車架過(guò)程中使控制臂連接到車架的剛性部分中有些時(shí)候是非常困難的。Um-Rolla發(fā)現(xiàn)改變控制臂連接之間的距離可以為控制臂優(yōu)化載荷的傳遞路徑。因?yàn)檫@些距離的改變不會(huì)影響懸架幾何，因此控制臂的轉(zhuǎn)動(dòng)中心也不會(huì)受到影響。然而，減少控制臂的跨度，會(huì)降低控制臂的反應(yīng)由加速和減速產(chǎn)生的力的能力。Um-Rolla發(fā)現(xiàn)懸架的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)適用于車架。這就允許設(shè)計(jì)人員去適配推桿和搖臂的載荷路徑，所以這車架能有效率的反應(yīng)這些載荷。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)正確的將動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在車架上對(duì)于提高車架的使用壽命是非常重要的。發(fā)動(dòng)機(jī)，差速器和車架之間的相對(duì)剛度不像懸架系統(tǒng)和車架

31、之間的相對(duì)剛度那樣重要。這是由于一個(gè)現(xiàn)象就是FSAE底盤布局中傳動(dòng)系統(tǒng)組件之間距離很短。關(guān)鍵的設(shè)計(jì)點(diǎn)是要確保車架在一個(gè)不正確的降檔或者猛然釋放離合的情況下不會(huì)發(fā)生破壞。Um-Rolla所經(jīng)歷過(guò)的大多數(shù)車架失敗是由于發(fā)動(dòng)機(jī)支架和差速器支架的破壞。當(dāng)設(shè)計(jì)電機(jī)鏈盤和差速器鏈盤周圍的車架部分時(shí)，足夠大的間隙必須存在，這樣可以使一系列的前后鏈盤可以使用。這種空間允許一個(gè)較寬范圍的傳動(dòng)比的選擇。Um-Rolla的幾個(gè)進(jìn)程已經(jīng)建立起來(lái)卻因無(wú)法改主減速比。這種無(wú)奈已經(jīng)證明了當(dāng)你試駕賽車在FSAE競(jìng)賽中狹窄空間和空間開(kāi)闊的障礙賽時(shí)是一種缺陷。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)便于維修也是傳動(dòng)系統(tǒng)周圍車架部分設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的一個(gè)重要點(diǎn)。

32、Um-Rolla已經(jīng)發(fā)現(xiàn)提供足夠的空間可以減少直接拆除發(fā)動(dòng)機(jī)和維護(hù)涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分的工作量，當(dāng)你的發(fā)動(dòng)機(jī)需要改變的時(shí)候。當(dāng)然，我們也容易發(fā)現(xiàn)，足夠大的空間也使維護(hù)電動(dòng)機(jī)上的部件如離合，發(fā)電機(jī)和一些閥類開(kāi)關(guān)變得比較簡(jiǎn)單。人機(jī)工程學(xué)由于駕駛員的身高以及體重不同，而且還在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)，使車架與駕駛員的組合變得合適是一件非常困難的。每個(gè)駕駛員的交互都應(yīng)該設(shè)計(jì)以至于它是適合于各種各樣的駕駛員。Um-Rolla的1996項(xiàng)目可以使身高1.58M到1.90M的駕駛員來(lái)操作。控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)比如方向盤和踏板周圍的車架設(shè)計(jì)，是一個(gè)問(wèn)題以確保車架的結(jié)構(gòu)與駕駛員執(zhí)行的動(dòng)作不會(huì)干涉。另外，控制系統(tǒng)必須足夠強(qiáng)度

33、的安裝在車架上，這樣當(dāng)車輛在行駛過(guò)程中它的連接部分不會(huì)發(fā)生屈服。車架不能干涉駕駛者在駕車過(guò)程中的所有操作動(dòng)作。駕駛員的手臂在這片區(qū)域中是一個(gè)極其重要的部分。在過(guò)去，Um-Rolla已經(jīng)設(shè)計(jì)出的車子很難保證體型較大的駕駛員的胳膊能夠在駕駛艙內(nèi)。所幸的是，這個(gè)方面在1996年的底盤中通過(guò)增大駕駛艙截面積得到了彌補(bǔ)。車架的設(shè)計(jì)者應(yīng)該將目光放在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之上，這樣在設(shè)計(jì)的過(guò)程中其他的一些疏忽將會(huì)降低。舉個(gè)例子，之前的一支車隊(duì)在底盤裝配的時(shí)候遇到了一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)他們將方向盤直接裝在齒輪齒條上面的時(shí)候。這是個(gè)錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)，因?yàn)榉较虮P和齒輪齒條之間的萬(wàn)向節(jié)無(wú)法彎曲90度。安全帶最重要的是，安全帶的安裝點(diǎn)必須足夠強(qiáng)

34、大去保證它不會(huì)再事故中發(fā)生破壞。它的安裝還必須是在緊繃狀態(tài)下不被全約束。這在Um-Rolla過(guò)去的車子中是個(gè)問(wèn)題，為適用于不同體型的駕駛者，布置安全帶的安裝點(diǎn)。逃生快速逃生在1997年的規(guī)則中是非常重要的要求，駕駛員必須在5s中之內(nèi)逃出賽車。過(guò)去的Um-Rolla賽車在快速逃生方面非常困難。那些賽車在設(shè)計(jì)的時(shí)候在鋼管結(jié)構(gòu)中僅僅為車手的腳部和腿部空進(jìn)留下165mm的高度空間。這是一種設(shè)計(jì)者為追求底盤剛度而犧牲人機(jī)工程的情況。結(jié)論很明顯，車架的設(shè)計(jì)是剛度，重量和裝配之間的妥協(xié)。其中，剛度是最重要的部分，因?yàn)樗绊懼嚨男阅?。如果?yīng)用太多的材料去提高車架的剛度，整車的性能會(huì)有所下降由于質(zhì)量的增加。

35、不僅要讓車架變得剛度大和輕，而且可以將整車的所有系統(tǒng)裝配進(jìn)去。因此，在車架的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要一些迭代去達(dá)到一種平衡。競(jìng)賽的時(shí)間節(jié)點(diǎn)可能會(huì)限制這些迭代的次數(shù)，以便賽車可以制造和測(cè)試。如果基本設(shè)計(jì)概念已經(jīng)被應(yīng)用于車輛而且一些想法已經(jīng)給予了每個(gè)子系統(tǒng)，最后的結(jié)果將會(huì)是建立了一個(gè)FSAE賽車的良好基礎(chǔ)。3.Um-Rolla 1996賽車設(shè)計(jì)方法盡管設(shè)計(jì)一個(gè)單一部件和系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的，但是將所有的部件和系統(tǒng)合并在一起確實(shí)一件比較困難的事，比如一輛方程式賽車。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)每個(gè)系統(tǒng)和部件的時(shí)候都必須在腦海中想一下它會(huì)在總裝配中影響到什么。比如，懸架的設(shè)計(jì)小組必須在左右控制臂連接點(diǎn)之間為車手的腿部留下足夠的空間。

36、本節(jié)將介紹用來(lái)設(shè)計(jì)Um-Rolla1996賽車的基本順序。這個(gè)順序不是唯一去設(shè)計(jì)車輛的途徑。但是，Um-Rolla發(fā)現(xiàn)這是對(duì)于FSAE車輛來(lái)說(shuō)是邏輯的順序。布局1996年的設(shè)計(jì)是通過(guò)車輛寬度和車輪的基本尺寸來(lái)確定車輛的參數(shù)。一旦這個(gè)工作完成后，駕駛員和發(fā)動(dòng)機(jī)的位置初步確定了到設(shè)計(jì)車輛質(zhì)心分布。一些設(shè)計(jì)被應(yīng)用于安裝重要或者難于安裝的系統(tǒng)。舉個(gè)例子，燃油系統(tǒng)必須安裝在中心附近以降低比賽過(guò)程中質(zhì)量變化的影響。懸架幾何當(dāng)車輛寬度和車輪基本參數(shù)被確定之后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)作出了一個(gè)輪胎和車輪初步選型。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)于一些基本的懸架參數(shù)：外傾增量，磨合半徑，側(cè)傾中心定位。這些都是需要的，這樣車隊(duì)就可以作出懸架的幾何模

37、型。懸架模型通過(guò)分析外傾角變化和側(cè)傾中心移動(dòng)。因?yàn)殪o態(tài)外傾角可能在測(cè)試的過(guò)程優(yōu)化。在懸架建模期間，小組通過(guò)觀察垂直方向和水平方向的側(cè)傾中心的運(yùn)動(dòng)和外傾角的變化量當(dāng)車輪相對(duì)于底盤垂直跳動(dòng)25mm和2度的側(cè)傾角時(shí)。在得到一個(gè)理想的懸架幾何之前做一些重復(fù)的優(yōu)化工作是非常必要的。當(dāng)懸架的設(shè)計(jì)工作敲定，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車架上可能的安裝位置以及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的基礎(chǔ)上開(kāi)始設(shè)計(jì)。懸架系統(tǒng)的建模過(guò)程也可用來(lái)降低轉(zhuǎn)向干涉。實(shí)體建模一旦初期的懸架設(shè)計(jì)定稿，接下來(lái)提上日程的便是懸架的實(shí)體建模。然后畫(huà)出初步的懸架部件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。在實(shí)體裝配模型中，讓?xiě)壹茉谶\(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，觀察控制臂，耳片，立柱和輪胎是否有干涉。檢查完懸架的干涉問(wèn)題之后，下一步要進(jìn)行的工作就是開(kāi)始設(shè)計(jì)車架。Um-Rolla使用CAE裝配軟件去完成車架結(jié)構(gòu)的建模。主要的部件，像發(fā)動(dòng)機(jī)和差速器，都要在模型中建出來(lái)。為了簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，只有安裝點(diǎn)或者草圖被輸入進(jìn)來(lái)。另外，要為沒(méi)有設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)在車架內(nèi)留有足夠的空間