fsae懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)思路概述

1、FSAE 懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)思路概述幫*,劉機(jī)械【摘要】使用CAD繪圖Excel軟件對(duì)的懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。在確定所用懸架的類型之后，先后對(duì)懸架側(cè)傾中心、懸架縱傾性能（包括前懸架抗制動(dòng)性能和后懸架抗驅(qū)動(dòng)性能）、前后輪轂和立柱的設(shè)計(jì)、懸架運(yùn)動(dòng)比變化曲線以及阻尼器彈簧剛度進(jìn)行了選擇和優(yōu)化，最終確定了懸架設(shè)計(jì)方案?！尽繎壹茉O(shè)計(jì)，側(cè)傾中心，縱傾性能，懸架運(yùn)動(dòng)比，彈簧剛度The suspenkinematics reassignment of Tianjin University FSAEHou Yabang, Liu SongtaoTianjin University College of Mec

2、hanical and EngineeringAbstract: Using CAD software and Excel to design and optimization Tianjin University FSAEsuspenkinematics. After determining the type of suspen, we select and optimists the roll center,pitch performanuspen(including anti-braking performance of the front suspenand anti-driveper

3、formance of rear suspen), front and rear wheel hub and the column , suspenmovement curveand the spring stiffness, and ultimay determine the suspendesign.Key words: Suspendesign, roll center, pitch performance, motion ratio ,spring stiffness1 引言懸架一般分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩類。非獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是左、右車輪用一根整體軸連接，再經(jīng)過懸架與車架連接；獨(dú)

4、立懸架則是左、右車輪通過各自的懸架與車架連接。相對(duì)于非獨(dú)立懸架，獨(dú)立懸架的簧下質(zhì)量小、占用空間小、彈性元件只承受垂直力可以用剛度小的彈簧，可以很好地改善汽車行駛平順性；左、右車輪互不影響，可減少車身的傾斜和振動(dòng)。獨(dú)立懸架又分為不等長(zhǎng)雙橫臂式、單橫臂式、雙縱臂式、單縱臂式、單斜臂式、麥弗遜式等幾種。由于不等長(zhǎng)雙橫臂懸架設(shè)計(jì)靈活，可以通過合理選擇空間導(dǎo)向桿系的交接點(diǎn)位置以及導(dǎo)向臂長(zhǎng)度，進(jìn)而獲得合適的懸架運(yùn)動(dòng)特性。在考慮以上懸架。的基礎(chǔ)上，的選擇使用不等長(zhǎng)雙橫臂2 懸架側(cè)傾分析作者簡(jiǎn)介：幫（1988-），男，:；方向：內(nèi)燃機(jī)燃燒過程在簡(jiǎn)單的二維模型上，對(duì)前、后懸架的組成部分進(jìn)行空間考慮，包括輪轂、輪

5、胎、以及控制臂等，不斷地改變輪距、控制臂長(zhǎng)度、離地間隙、主銷長(zhǎng)度、車輪外傾角、主銷傾角等進(jìn)行調(diào)整，以確定這些如何影響側(cè)傾中心變化。側(cè)傾中心是車架同側(cè)上、下等效 A 臂的延長(zhǎng)線交點(diǎn)與同側(cè) 車輪中心線與地面接觸點(diǎn)之間連線與車架中心線的交點(diǎn)，這個(gè)交點(diǎn)與地面之間的距離就是懸架靜態(tài)側(cè)傾中心高度。前懸架平面示意圖如圖 1 所示。后懸架設(shè)計(jì)原理相似。圖1 前懸架設(shè)計(jì)原理平面示意圖在上述平面模型相關(guān)參數(shù)的多次調(diào)整中，確定出合適的前、后輪距、主銷長(zhǎng)度、主銷內(nèi)傾角、前后懸架靜態(tài)側(cè)傾中心高度等。在確定懸架的側(cè)傾參數(shù)后，進(jìn)行了前、后立柱和輪轂等部件的平面設(shè)計(jì)。同時(shí)參照的剎車片、選擇的輪輞、半軸來確定前、后立柱和輪轂的

6、設(shè)計(jì)。前立柱、輪轂的設(shè)計(jì)原理圖如圖 2 所示，后立柱和輪轂設(shè)計(jì)與前懸架相似。輪胎通過輪轂鎖止螺母來固定。3 懸架縱傾分析在考慮靜態(tài)側(cè)傾中心之后，在二維平面模型上進(jìn)行抗縱傾性能分析。針對(duì) 四輪制動(dòng)和后輪 驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)前懸架進(jìn)行抗制動(dòng)縱傾性和后懸架抗驅(qū)動(dòng)縱傾性進(jìn)行優(yōu)化。前懸架抗制動(dòng)縱傾性和后懸架抗驅(qū)動(dòng)縱傾性原理類似，如圖 3 所示。雙橫臂前懸架的上下橫臂之間有一個(gè)夾角，它們的交點(diǎn)形成了在縱傾平面內(nèi)的等效擺動(dòng)中心，也叫縱傾中心。前懸架的抗制動(dòng)縱傾性效果能夠通過特征參量 Jf 來表示。Jf=phL/He式中：p前橋制動(dòng)力比率；h前懸架等效擺動(dòng)中心離地高度；（1-1）L軸距；H懸掛質(zhì)量的質(zhì)心高度；e前

7、懸架等效擺動(dòng)中心到對(duì)應(yīng)車輪接地點(diǎn)的水平距離。2圖2 前立柱、輪轂平面設(shè)計(jì)原理圖圖3 懸架抗縱傾原理圖后懸架的抗驅(qū)動(dòng)縱傾性效果能夠通過特征參量Jr來表示。Jr=hL/He式中：h后懸架等效擺動(dòng)中心離地高度；（1-2）L軸距；H懸掛質(zhì)量的質(zhì)心高度；e后懸架等效擺動(dòng)中心到對(duì)應(yīng)車輪接地點(diǎn)的水平距離。在大多數(shù)轎車中，其前懸架的抗制動(dòng)因數(shù) Jf 折衷為 20%25%，很少超過 50%。在平面圖上通 過調(diào)整上下橫臂固定鉸點(diǎn)與水平線的夾角，一般情況下上下橫臂與水平線的夾角在正負(fù) 5之內(nèi)。在這個(gè)調(diào)整范圍內(nèi)，找到比較合適的前懸架抗制動(dòng)因數(shù)和后懸架的抗驅(qū)動(dòng)因數(shù)。如下表 1、表 2 所示。紅色字體代表選擇的縱傾安裝角

8、度。3表1 前懸架縱傾穩(wěn)定性分析上橫臂傾角/（前高后 低）30-320-2縱傾中心到車輪中心的水平距離 e/mm 164426296556219432896570下橫臂傾角（前低后高）縱傾中心高度h/mm前橋制動(dòng)力比率p 質(zhì)心高度 H/mm前懸架的抗點(diǎn)頭因數(shù) Jf軸距L/mm555444296382725.6305.43826113003003003003003000.50.50.50.50.50.51800180018001800180018000.5400.4360.3320.4180.3480.279表2后懸架縱情穩(wěn)定性分析上橫臂傾角/（前低后高） 30-320-2縱傾中心到車輪中心的水

9、平距離e/mm 174427896955232734896970后懸架的抗抬尾因數(shù) Jf（制動(dòng)時(shí)） 0.5120.4180.3250.3970.3340.272后懸架抗垂尾效果（驅(qū)動(dòng)時(shí)） 1.020.840.650.790.670.54下橫臂傾角/（前高后低）縱傾中心高度h/mm質(zhì)心高度H/mm后橋制動(dòng)力比率p 軸距L/mm555444297.63897533083896323003003003003003000.50.50.50.50.50.51800180018001800180018004 懸架阻尼器彈簧的選擇在完成懸架側(cè)傾和縱傾分析后，通過估算前、后懸架的偏頻和簧載質(zhì)量，按公式（1-3

10、）估算出懸架在車輪處的等效剛度。（1-4）估算出來。后輪距確定的情況下，前后懸架的側(cè)傾角剛度也可以按照公式（1-3）式中：f前、后部分車身的固有頻率，Hz；K前、后懸架的等效剛度，N/m; m前、后懸架的簧載質(zhì)量，Kg。（1-4）式中：K前、后懸架的等效剛度，N/m;4前、后懸架的側(cè)傾角剛度，Nm/（）;B前、后輪距，m。由于 FSAE 規(guī)則要求在坐有車手的情況下懸架能夠壓縮和抬起 1 英寸（25.4mm），車輪上下跳動(dòng)量在 50mm 以上，一般的阻尼器有效行程 50mm-70mm，故的懸架運(yùn)動(dòng)比 R 估算值在 1 左右，懸架運(yùn)動(dòng)比的大小是由懸架的傳力機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系決定的，在車輪跳動(dòng)過程中懸架運(yùn)

11、動(dòng)比的變化一般是非線性的，懸架運(yùn)動(dòng)比 R 按公式（1-5）計(jì)算：(1-5)在懸架側(cè)傾中心、縱傾中心和運(yùn)動(dòng)比 R 基本確定的基礎(chǔ)上，開始前后懸架的傳力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖 5 所示。彈簧阻尼器對(duì)來說，設(shè)計(jì)和加工難度很大，所以決定采用成品的方式。在參考大多數(shù)阻尼器的長(zhǎng)度和行程之后，彈簧剛度可以根據(jù)公式(1-6)計(jì)算。(1-6)式中： 彈簧剛度，N/m;K懸架車輪處等效剛度，N/m; R懸架運(yùn)動(dòng)比。按照公式（1-3）可以確定懸架車輪處等效剛度 K，并且懸架運(yùn)動(dòng)比 R 在 1 左右變化，基本可以計(jì)算出彈簧剛度 Ks，進(jìn)而可以選擇減震器型號(hào)。如表 3 所示，在基本確定懸架簧載質(zhì)量和靜態(tài)懸架比 R 的情況下，通

12、過計(jì)算彈簧剛度、偏頻、阻尼器靜態(tài)壓縮行程和車輪靜態(tài)跳動(dòng)量的關(guān)系，在滿足車輪跳動(dòng) 25.4mm 的前提下，最終確定前懸架彈簧剛度如表 3 中紅色字體所示的參數(shù)。后懸架彈簧選取原則和前懸架相似。表3前懸架彈簧剛度選取原則表前懸架簧載質(zhì)量/Kg靜態(tài)安裝懸架比 R1221.23阻尼器初始?jí)嚎s行程（mm）前偏頻f1(Hz)彈簧剛度KS（N/m）彈簧剛度 KS（lbs/in）車輪跳動(dòng)（mm）2.1160369030.938.02.2176009928.234.72.31923610825.831.72.42094511723.729.12.52272712721.826.82.62458213820.224.82.72650914818.723.02.82850916017.421.45然后，通過懸架比的理想變化規(guī)律來對(duì)傳力機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在整個(gè)優(yōu)化過程中，考慮到的包括阻尼器靜態(tài)長(zhǎng)度、阻尼器力臂大小和傳力桿力臂大小等。圖 4、圖 5 分別為前懸架傳力機(jī)構(gòu)示意圖和前懸架懸架比變化規(guī)律圖，后懸架傳力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路與前懸架類似，此處不再詳述。在圖 5 中可以看出，前懸架懸架比變化規(guī)律理想，符合設(shè)計(jì)要求。圖4 懸架傳力機(jī)構(gòu)示意圖圖5 懸架比R與車輪跳動(dòng)的變化關(guān)系5 結(jié)論1) 在確定懸架基本類型的基礎(chǔ)上，通過使用 CAD 繪圖的方法，對(duì)懸架的側(cè)傾和縱