【正文】 第1章 緒論 YX5 FSC賽車懸架設(shè)計與制作畢業(yè)設(shè)計第1章 緒論 課題背景 大學(xué)生方程式賽車的總體概述大學(xué)生方程式汽車大賽，首次舉辦與1981年，在此之后在各國汽車工程協(xié)會的幫助下使其蓬勃發(fā)展，使得更多的大學(xué)生參與其中，通過這個平臺鍛煉自己的能力，提高自己的專業(yè)技能，對汽車專業(yè)有了更深的了解。同時，賽事也要求參加比賽的大學(xué)生對整輛賽車的設(shè)計于制作要在一年之內(nèi)完成，并且要嚴格滿足大賽的規(guī)則，還要具有一定的操控性能。我國首次于2010年進行FSC比賽，這項賽事在中國大學(xué)生中廣受歡迎，取得了較大的成功。第一屆比賽共有20支車隊參賽，以后規(guī)模逐漸擴大，到第六屆已有超過60支車隊報名參賽。大賽包括主要包括靜態(tài)項目與動態(tài)項目，而靜態(tài)項目又包括技術(shù)答辯、市場營銷、成本答辯。在技術(shù)答辯與成本答辯當(dāng)中，不僅僅要考驗隊員對專業(yè)知識的掌握，對整輛賽車的了解，還要求隊員要有足夠優(yōu)異的表達能力，從而使技術(shù)裁判對賽車有了感官的認知。動態(tài)賽包括耐久賽、直線加速、高速避障等，同學(xué)們制作的賽車的性能通過這樣的動態(tài)賽才能展現(xiàn)出來。裁判通過各個車隊在各個賽事中的綜合表現(xiàn)進行評分，從而評判各校賽車隊的性能，得出各個車隊的成績。通過這項賽事，同學(xué)們可以更多的了解到賽車運動、市場營銷等方面的知識，同時激發(fā)更多同學(xué)的興趣，使其參與其中。在制作賽車的過程當(dāng)中，學(xué)生可以將書本上學(xué)到的知識與實踐相結(jié)合，綜合提高自己的專業(yè)知識。 大學(xué)生方程式賽車的研究意義當(dāng)前，中國的汽車工業(yè)已經(jīng)蓬勃發(fā)展，但是還不是真正的汽車技術(shù)強國。而中國從汽車制造大國向技術(shù)強國邁進，已成為國人迫切的目標，而人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。 中國大學(xué)生方程式賽車活動組織舉辦的目的就是對汽車專業(yè)人才的培養(yǎng)。在整車的設(shè)計階段，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計能力提高了他們的專業(yè)素養(yǎng)。只有當(dāng)學(xué)生對專業(yè)知識有了一定的積累，對整車系統(tǒng)有了一定的把握才能夠獨立的去完成對某一個系統(tǒng)的設(shè)計，包括這個系統(tǒng)的零部件；在賽車零件的加工階段又使學(xué)生對加工工藝有了更深的了解。隊員在設(shè)計零件的時候就會考慮到零件的加工工藝與加工工序包括車、銑、鉆孔、線切割等等。在與加工師傅的交流過程中使得隊員對零件加工有了更深的認識，用最為簡單的工序加工出合格的零件，價格又要盡量便宜，從而控制成本。在參賽階段培養(yǎng)的是大學(xué)生的臨場應(yīng)變能力與團隊協(xié)作能力。在比賽過程要比多項靜態(tài)項目與動態(tài)項目，難免會遇到突發(fā)狀況，這就要考驗一個車隊怎樣去合作，共同應(yīng)對難關(guān)。大學(xué)生在參與的這一年過程當(dāng)中無疑是充滿挑戰(zhàn)的過程。首先參與者要能過熟練掌握CAD、CATIA、UG等二維與三維操作軟件以方便對以后的設(shè)計。另外在這個過程中還會遇到各種各樣的問題，零件原材料的購買、加工工廠的尋找，正是不斷的客服這些困難，才鍛煉了自己的心智，為以后步入社會打下堅實的基礎(chǔ)。 懸架系統(tǒng)概述汽車懸架系統(tǒng)是車輪與車架之間的一切連接裝置的總成。它主要由彈性元件、減振器、和導(dǎo)向機構(gòu)三部分組成，另外在多數(shù)懸架系統(tǒng)中還附加有橫向穩(wěn)定桿。其中，彈性元件起到緩沖的作用，減振器起到減振的作用，導(dǎo)向機構(gòu)起到導(dǎo)向的作用，橫向穩(wěn)定桿能夠有效的減弱汽車在轉(zhuǎn)彎時的側(cè)傾角度。彈性元件包括螺旋彈簧、鋼板彈簧、空氣彈簧和扭桿彈簧。轎車一般多用的是螺旋彈簧，鋼板彈簧與空氣彈簧多用于貨車或客車，扭桿彈簧多應(yīng)用與輕型客車或貨車[1]。由于路面不是絕對的平整，所以當(dāng)汽車在行駛過程中會不斷的受到來自地面的沖擊，這種沖擊力通過車輪不斷地傳到車架或車身，使乘坐人員與駕駛?cè)藛T感到不舒適，對于貨車而言，嚴重的話還有可能造成貨物的損壞。彈性元件就是緩和這種沖擊，盡量使乘坐人員感到舒適，確保貨物的完好。當(dāng)彈性元件不斷的受到?jīng)_擊時，便會持續(xù)地發(fā)生振動而這種振動也會使乘坐人員與駕駛?cè)藛T感到不適，減振器的便會使這種振動迅速減弱，消除振動的快慢還與阻尼力有關(guān)，阻尼力越大振動消除的就越快，但是阻尼力也不能過大，太大的話沖擊載荷便會加大，會有可能造成某些零件的損壞。導(dǎo)向機構(gòu)的形式各有不同，主要是把縱向反力、側(cè)向反力以及這些力所造成的力矩傳遞到車架上，所以起到一個傳力的作用，另外導(dǎo)向機構(gòu)還控制車輪在跳動時隨車架的擺動軌跡，所以導(dǎo)向機構(gòu)在傳力的同時還有著導(dǎo)向的作用。圖11 懸架的結(jié)構(gòu)形式簡圖當(dāng)汽車在高速轉(zhuǎn)彎的時候，汽車車架或車身相對于地面會發(fā)生一定角度的側(cè)傾，而橫向穩(wěn)定桿的存在就是減弱這種側(cè)傾角度，增強汽車的穩(wěn)定性。目前汽車上可以分為非獨立懸架(圖11a)與獨立懸架(圖11b)。獨立懸架非獨立懸架非獨立懸架按結(jié)構(gòu)可分縱置鋼板彈簧非獨立懸架、螺旋彈簧非獨立懸架、空氣彈簧非獨立懸架、油氣彈簧非獨立懸架等。鋼板彈簧在貨車上應(yīng)用較為廣泛，鋼板彈簧通常通過鉸鏈與吊耳縱向布置地固定在車架上，這樣可以使得彈簧在變形時兩包耳中間之間的距離可以發(fā)生改變，這也是貨車中采用較多的一種連接形式。在螺旋彈簧非獨立懸架中左右車輪通過一根軸相連，通常還包括縱向推力桿、橫向推力桿、加強桿等部分?？諝鈴椈煞仟毩壹苡煽諝鈮嚎s機、空氣濾清器、車身高度控制閥、空氣彈簧、儲氣罐、壓力調(diào)節(jié)器等組成。空氣彈簧通常應(yīng)用于客車上，并且隨壓縮行程的不同，可以實現(xiàn)變剛度的調(diào)節(jié)，另外空氣彈簧也可以實現(xiàn)車身高度的自動調(diào)節(jié)，很大程度上提高了行駛的平順性。獨立懸架系統(tǒng)主要包括橫臂式獨立懸架、縱臂式獨立懸架、車輪沿主銷移動的懸架、單斜臂式獨立懸架。橫臂式主要有單橫臂與雙橫臂式兩種，但是單橫臂逐漸已被淘汰，當(dāng)車輪跳動時，車輪的平面發(fā)生變化，致使輪距改變較大，對輪胎磨損較大，而且對轉(zhuǎn)向操縱性有一定影響。雙橫臂式懸架又可以分為等長雙橫臂與不等長雙橫臂懸架。等長雙橫臂懸架使得在車輪在跳動過程中，主銷的參數(shù)大致不會發(fā)生變化，但是輪距的變化較大，造成輪胎滑移[2]。而不等長雙橫臂可以使車輪與主銷的變化范圍都不太大，因此在轎車上應(yīng)用較多。縱臂式懸架包括單縱臂式懸架與雙縱臂式懸架。單縱臂式懸架通常用于后輪。雙縱臂式懸架包括兩個等長的縱臂，所以可以用于轉(zhuǎn)向輪。車輪沿主銷移動的懸架包括燭式懸架與麥弗遜式懸架。燭式懸架的優(yōu)點是可以控制主銷參數(shù)與車輪定位參數(shù)不會發(fā)生較大的變化，但缺點是減震套筒承受著很大的側(cè)向力，加大套筒與主銷之間的摩擦阻力，嚴重是會有損壞，因此燭式懸架逐漸被淘汰。麥弗遜式懸架主要由滑柱與擺臂組成，相對燭式懸架使得滑柱的受力減小。麥弗遜懸架的主銷為擺臂與輪轂的鉸接點與車架與減震器鉸接點之間的連線，因此當(dāng)車輪跳動時，主銷參數(shù)會有一定的改變，這種變化范圍也比較小。另外麥弗遜懸架的優(yōu)點是占用的布置空間較小，便于其他零件的布置，所以麥弗遜被廣泛應(yīng)用于轎車的前懸當(dāng)中。懸架系統(tǒng)種類繁多，不同類型的車有著不同的功用，因此所選用的懸架類型也各不相同。汽車設(shè)計工程師通常會根據(jù)車的大小與功用來選取懸架的類型，最終期望的目的是使該類型汽車有更好的操控性與平順性。而同一類型的懸架也可以通過選取不同磅數(shù)的彈簧來調(diào)整懸架的剛度，這也是懸架調(diào)校的一部分。賽車更為看重的是操控穩(wěn)定性，這對懸架調(diào)校要求的更多，也更為復(fù)雜一些，賽車懸架一般剛度比較高，且前后懸架一般都會附加橫向穩(wěn)定桿，使其調(diào)校范圍更大一些。賽車一般是犧牲了一部分平順性，來大到較好操控性，使輪胎與地面有更佳的接觸，附著力也有所提高。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外開展汽車的賽事運動比較早，歷史上首次汽車比賽出現(xiàn)在19世紀末，到1950年國際汽聯(lián)首次舉辦了世界錦標賽，并一直舉辦到今天，這期間也是F1這項頂級賽事蓬勃發(fā)展的階段。大學(xué)生方程式汽車大賽(FSAE)首屆比賽于1979年在美國休斯頓進行。30多年來，F(xiàn)SAE已發(fā)展成為每年有15個國家舉辦的20場賽事。國外發(fā)達國家對賽車運動學(xué)的研究起步較早，美國的William F Milliken和Douglas L. Miliken合著的《Race Car Vehicle Dynamics》，詳細介紹了各種賽車的設(shè)計過程，包括懸架所有參數(shù)的定義和選取原則、懸架的正視、側(cè)視與空間幾何學(xué)、懸架各種參數(shù)對懸架的影響程度、懸架的類型、防側(cè)傾桿的設(shè)計、彈簧與阻尼器的計算選擇等，是賽車懸架設(shè)計的重要理論依據(jù)[3]?！禗esign of a Suspension for a Formula Student Race Car》介紹了瑞典皇家理工學(xué)院2004年FSAE賽車的懸架設(shè)計過程。前后懸架均采用了拉桿不等長雙橫臂式懸架。運用Adams軟件進行建模，研究不同的系統(tǒng)環(huán)境對主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、側(cè)傾中心高度等等參數(shù)的影響，對所設(shè)計的懸架進行了優(yōu)化[4]。中國開展的汽車比賽較晚，但發(fā)展比較迅速，其中影響力比較大的是中國房產(chǎn)錦標賽(CTCC)，全國拉力錦標賽(CRC)。我國開始對汽車懸架的研究起源于80年代，對懸架的研究成果多出現(xiàn)在90年代，吉林大學(xué)于1997年建立了汽車動態(tài)模擬國家重點實驗室，展開了對汽車系統(tǒng)動力學(xué)與控制的研究，包括汽車的整車、總成及關(guān)鍵零部件的進行動力學(xué)建模、分析和研究。合肥工業(yè)大學(xué)的阮五洲利用Adams軟件創(chuàng)建了雙橫臂獨立懸架的模型，詳細地分析了懸架的性能曲線，并且利用遺傳算法對懸架進行優(yōu)化。廣汽本田汽車有限公司的鄒海峰工程師利用Adams/car軟件對即將開發(fā)的車型的懸架進行分析，對懸架和整車的主要性能事先預(yù)測，為懸架的優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了汽車產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。華南理工大學(xué)吳健瑜總結(jié)了賽車懸架的設(shè)計流程，在ADAMS/Car模塊下創(chuàng)建懸架仿真模型，進行懸架運動學(xué)仿真分析。以懸架的評價指標為準則，對仿真結(jié)果進行詳細分析，找出變化范圍和方向不合理的性能參數(shù)，并作為懸架優(yōu)化設(shè)計的目標依據(jù)。在ADAMS/Insight模塊下對懸架進行試驗設(shè)計，根據(jù)運動學(xué)仿真結(jié)果和試驗設(shè)計結(jié)果，對懸架進行多目標優(yōu)化設(shè)計。 本章小結(jié)本章首先闡述了介紹了大學(xué)生方程式大賽的歷史以及闡述了其重要意義，簡要介紹了懸架系統(tǒng)的分類和組成，并簡單陳述了國內(nèi)外懸架系統(tǒng)研究開發(fā)的現(xiàn)狀。只要選取合適的橫臂長度以及布置角度，不等長雙橫臂式獨立懸架就可以使前輪定位參數(shù)變化以及輪距變化均在可控的限定范圍之內(nèi)，使賽車具有良好的行駛穩(wěn)定性與平順性。目前，幾乎所有的賽車采用的是不等長雙橫臂式獨立懸架，另外在中高級轎車的前后懸架上不等長雙橫臂式獨立懸架也已得到廣泛應(yīng)用。5 第2章 懸架系統(tǒng)設(shè)計 第2章 懸架系統(tǒng)設(shè)計 賽車懸架設(shè)計思路根據(jù)賽事的規(guī)則與要求，首先擬定YX5賽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計思路。如下:1) 確定了解整車主要框架參數(shù)，包括輪距，軸距，質(zhì)量等。2) 確定前后懸架的布置形式，一般是雙橫臂式，主要確定是拉桿式布置還是推桿式布置。3) 確定主銷參數(shù)以及決定賽車性能參數(shù)的范圍，偏頻圍、側(cè)傾率、懸架行程，側(cè)傾中心高度等。4) 估計簧上質(zhì)量與簧下質(zhì)量四個車輪載荷。初設(shè)偏頻值，推算出懸架剛度，側(cè)傾角剛度，側(cè)傾率等。5) 計算極限工況下橫向與縱向的載荷轉(zhuǎn)移量，與懸架的行程（無橫向穩(wěn)定桿）。根據(jù)前后側(cè)傾角剛度與側(cè)傾率、懸架行程，設(shè)計前后橫向穩(wěn)定桿。6) 計算極限工況下橫向與縱向的載荷轉(zhuǎn)移量，與懸架的行程（有橫向穩(wěn)定桿）。驗證在此偏頻下其他性能參數(shù)是否滿足要求，如不滿足，做稍微修改，反復(fù)驗證。7) 選取傳遞比(MR)彈簧剛度，因為彈簧剛度一般為整數(shù)，所以選取的傳遞比應(yīng)以彈簧剛度為基準。8) 上面計算與選型完成后，在重新對初值進行校核。懸架的設(shè)計計算就是一個反復(fù)迭代與校核的過程，使主要性能參數(shù)都在設(shè)置范圍內(nèi)。9) 在計算完成后便進行懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是懸架幾何的確定（正視、側(cè)視）懸架幾何確定后，接下來設(shè)計傳遞比，搖臂，推桿與減震器的布置，以及橫向穩(wěn)定桿的布置。10) 在CATIA中進行三維的繪制與裝配，檢查干涉。 11) 在ADAMS中進行建模與優(yōu)化。 懸架系統(tǒng)方案的選定1汽車懸架的結(jié)構(gòu)類型主要分為兩類：獨立懸架與非獨立懸架。非獨立懸架是由一根整體式車橋?qū)蓚?cè)車輪相連，車輪與車橋共同通過彈性原件與車架相連。非獨立懸架具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單的特點。獨立懸架的結(jié)構(gòu)特點是車橋是做成斷開式的，每一側(cè)的車輪能夠單獨通過彈性元件與車架相連，兩側(cè)車輪可以單獨的跳動，從而互不影響。獨立懸架具有以下優(yōu)點：1) 在彈簧一定的變形范圍內(nèi)，兩側(cè)車輪能夠獨立跳動而不會互相影響，可以減弱汽車在行駛過程中的震動，提高行駛的穩(wěn)定性。2) 獨立懸架擁有更小的非簧載質(zhì)量，可以在汽車行駛過程中減弱來自地面的沖擊，提高汽車平均行駛速度。獨立懸架按照結(jié)構(gòu)可以分為三大類。1) 車輪在汽車的橫向平面內(nèi)上下擺動的懸架是橫臂式獨立懸架，分別有單橫臂式與雙橫臂式。 圖21 雙橫臂懸架圖22 單縱臂式懸架2) 車輪在汽車的縱向平面內(nèi)上下擺動的懸架是縱臂式獨立懸架，分別有單縱臂式與雙縱臂式圖23 雙縱臂式獨立懸架3) 車輪沿主銷移動的懸架，包括：麥弗遜式懸架和燭式懸架。圖24 燭式懸架圖25 麥弗遜式懸架其中，雙橫臂懸架按照橫臂的長度等長與否又分為等長雙橫臂獨立懸架和不等長雙橫臂獨立懸架。在等長雙橫臂懸架中，當(dāng)車輪上下跳動時，車輪的平面沒有發(fā)生傾斜，但是輪距發(fā)生了交大的變化，增加了車輪滑移的可能性。在不等長雙橫臂獨立懸架中，只要上下橫臂的長度選擇適當(dāng)，可以有效控制主銷與車輪的角度以及輪距的變化范圍，同時不大的輪距變化，可以通過較軟的輪胎變形來適應(yīng)。因此不等長雙橫臂獨立懸架在轎車前輪上廣泛應(yīng)用。對于對操控性要求更高的賽車比賽中，不等長雙橫臂獨立懸架被廣泛應(yīng)用于前后懸架中。此次設(shè)計的YX5 FSC賽車懸架系統(tǒng)選用的是雙橫臂獨立懸架。 懸架作為賽車的重要組成系統(tǒng)，其性能就更尤為重要了。但是賽車設(shè)計時，賽事規(guī)則(包括對車輛和賽事的規(guī)則要求)是設(shè)計者首先必須考慮的。FSC賽事對賽車懸架提出的具體規(guī)則為：賽車必須配備一個具有減震器的可完全操控的懸架系統(tǒng)，前后車輪的有效行程至少為 (2英寸)，(1英寸)的上跳行程與 (1英寸)的回彈行程；有固定