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fsae方程式賽車(chē)懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2010年,中國(guó)學(xué)生方程式汽車(chē)比賽(fsae)首次在7個(gè)地點(diǎn)舉行。中國(guó)學(xué)生方程式汽車(chē)比賽為學(xué)生培養(yǎng)汽車(chē)設(shè)計(jì)、制造、成本控制和團(tuán)隊(duì)成員合作能力提供了一個(gè)很好的項(xiàng)目實(shí)踐平臺(tái)。此外,參加比賽的機(jī)會(huì)為所有參加比賽的大學(xué)之間提供了一個(gè)廣闊的交流平臺(tái),以促進(jìn)各大學(xué)之間的學(xué)術(shù)交流。1增加加速度和操縱FSAE賽事規(guī)則要求賽車(chē)懸架系統(tǒng)必須滿(mǎn)足以下要求:能夠保證賽車(chē)具備良好的行駛平順性、良好的操縱穩(wěn)定性、合適的衰減振動(dòng)能力;能可靠的傳遞車(chē)輪和車(chē)身之間的各種力和力矩,保證有足夠的強(qiáng)度和使用壽命;在賽車(chē)制動(dòng)和加速時(shí)保證車(chē)身穩(wěn)定,減小車(chē)身縱傾,確保轉(zhuǎn)彎時(shí)車(chē)身側(cè)傾角合適;便于布置和維護(hù)。根據(jù)賽事規(guī)則制定FSAE賽車(chē)懸架系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)流程,如圖1所示。2基于之前和之后框架的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的計(jì)算根據(jù)方程式大賽的規(guī)則,查閱相關(guān)的資料,確定主要基準(zhǔn)參數(shù),如表1所示;懸架系統(tǒng)車(chē)輪定位參數(shù)如表2所示。3振動(dòng)器和水平穩(wěn)定桿的設(shè)計(jì)3.1懸架彈簧的選取賽車(chē)偏頻的選取與懸架剛度有直接關(guān)系,為了避免共振,偏頻的選取不宜一致,同時(shí)基于性能的考慮,綜合去年FSAE賽車(chē)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),此次賽車(chē)懸架偏頻的選取為前懸n1=3.2Hz,后懸n2=2.6Hz。利用賽車(chē)整車(chē)參數(shù)計(jì)算適乘剛度,以此來(lái)選擇合適的彈簧。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)并參照彈簧參數(shù)表,選擇前懸為310lb/in,后懸為300lb/in的彈簧。對(duì)應(yīng)的彈簧剛度分別為:由此可計(jì)算出懸架的實(shí)際上跳行程,由于側(cè)傾增益值1.91°/g,不在低負(fù)升力賽車(chē)的側(cè)傾增益取值范圍內(nèi)(1.0~1.83.2橫向側(cè)傾剛度的增加橫向穩(wěn)定桿的作用是避免賽車(chē)急速過(guò)彎時(shí)發(fā)生過(guò)大的橫向側(cè)傾,盡量保證賽車(chē)車(chē)身平衡,以此來(lái)增加賽車(chē)橫向側(cè)傾剛度、增強(qiáng)行駛平順性。選擇適當(dāng)?shù)那昂髴壹艿膫?cè)傾角剛度比值,也有助于賽車(chē)所需要的轉(zhuǎn)向特性。橫向穩(wěn)定桿角剛度C式中:d——穩(wěn)定桿直徑,mm;?b——橫向穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)角,°;M利用公式(4)可計(jì)算得穩(wěn)定桿角剛度為C4懸架系統(tǒng)的anasis應(yīng)力分析主要部件建模、受力分析如下。輪轂是用來(lái)連接輪胎鋼圈,在與軸承過(guò)盈配合的面上施加固定,允許輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)。輪轂材料選用為7075鋁,輪轂結(jié)構(gòu)與輪輞配合,采用四螺栓配合。在法蘭盤(pán)上預(yù)留六個(gè)緊固圓孔,使用卡箍件對(duì)剎車(chē)盤(pán)進(jìn)行固定,使得制動(dòng)盤(pán)安裝和拆卸簡(jiǎn)單化,如圖2所示為前輪轂三維模型圖。利用ANSYS軟件對(duì)前輪轂進(jìn)行受力分析,在鋼圈安裝孔上施加3600N的力,同時(shí)在四個(gè)孔上施加300N·m的轉(zhuǎn)矩,安全系數(shù)為5,受力分析結(jié)果如圖3所示。作為懸架系統(tǒng)最重要的部分之一,立柱上面連接著輪轂、懸架上下A臂和制動(dòng)卡鉗,并且承載整車(chē)質(zhì)量。立柱受力復(fù)雜,且屬于賽車(chē)的簧下質(zhì)量,為提高賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性,在保證足夠剛度的情況下需要盡量減輕立柱質(zhì)量,后立柱三維模型圖如圖4所示。利用Ansys對(duì)后立柱進(jìn)行應(yīng)力分析,施加后輪極限工況承受的制動(dòng)力為605N,垂直載荷為4000N。兩種工況組合的安全系數(shù)為4.7,受力分析結(jié)果如圖5所示。懸架各零部件的ANSYS應(yīng)力分析宗旨在于使各個(gè)重要受力部件能夠滿(mǎn)足在各種工況下穩(wěn)定工作。從以上立柱及輪轂受力云圖可知,能夠達(dá)到FSAE賽車(chē)設(shè)計(jì)要求。5車(chē)輪跳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)FSAE賽車(chē)前后采用的均為不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立懸架,利用Adams軟件,在Adams里面建立虛擬實(shí)物模型,對(duì)車(chē)輪進(jìn)行激勵(lì)仿真分析,如圖6所示。在本次仿真分析中,虛擬激振臺(tái)設(shè)置上下跳動(dòng)距離為25.4m,利用左側(cè)和右側(cè)車(chē)輪同步上下跳動(dòng)來(lái)計(jì)算懸架跳動(dòng)過(guò)程中各重要參數(shù)的變化規(guī)律。包括:主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角、輪胎束角、懸架剛度等,車(chē)輪跳動(dòng)測(cè)試如圖7所示。懸架參數(shù)如果設(shè)計(jì)不合理,會(huì)導(dǎo)致定位參數(shù)變化過(guò)大,從而影響賽車(chē)性能,出現(xiàn)轉(zhuǎn)向沉重,輪胎磨損嚴(yán)重等等問(wèn)題。通過(guò)車(chē)輪跳動(dòng)的測(cè)試,在各參數(shù)的變化曲線圖中,可知該賽車(chē)在輪胎上下跳動(dòng)時(shí)其主銷(xiāo)內(nèi)傾角和前束值的變化范圍較大。因此要利用測(cè)試結(jié)果,對(duì)車(chē)輪定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),如圖8。改善車(chē)輪內(nèi)傾角,優(yōu)化后前束角變化呈直線變化,說(shuō)明懸架上下跳動(dòng)過(guò)程中內(nèi)傾角變化較小,能夠保證賽車(chē)具有較好的操縱穩(wěn)定性,如圖9所示為優(yōu)化前后前束角變化對(duì)比圖。6優(yōu)化結(jié)果分析以上所有懸架涉及的重要參數(shù)通過(guò)ADAMS/car模塊,建立出實(shí)物空間分布坐標(biāo)以及變化量。同時(shí),結(jié)合懸架運(yùn)動(dòng)仿真中出現(xiàn)的問(wèn)題,對(duì)懸架系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致優(yōu)化,最終的優(yōu)化數(shù)據(jù)和曲線圖表明,懸架的運(yùn)動(dòng)性能得到了顯著提高。懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)乎整車(chē)的結(jié)構(gòu)性能,本次設(shè)計(jì),賽車(chē)懸架類(lèi)
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