FSAE赛车悬架和转向系统优化

摘 要

　　从 2010 年开始，大学生电动方程式汽车大赛（简称 FSAE）被引入中国，大赛吸引了许多高校和企业参与 FSAE 赛车的开发与研究。悬架和转向系统作为赛车的重要总成，其设计合理与否决定了赛车性能的优劣。本文以合肥工业大学的FSAE 赛车为研究对象，设计了悬架和转向系统，并对悬架和转向系统导向机构进行了运动学优化，最后利用 ADAMS/Car 软件对赛车的操纵稳定性进行了验证分析。

　　首先，根据大赛规则、整车参数和性能设计要求对悬架系统进行了设计，确定了前、后悬架的形式、车轮定位参数和悬架几何；对悬架的弹簧刚度和阻尼系数进行了计算，得到了悬架系统的三维模型。

　　其次，根据初步设计的悬架系统，对赛车的转向系统进行了设计和优化。根据人机工程学的要求设计了转向盘，确定了转向系统的参数，对转向梯形导向机构进行了优化设计。根据转向系统要求自行设计了转向器。最后利用 ADAMS/Car通过改变断开点坐标位置，改善转向和悬架系统导向杆件之间的运动不协调。

　　为提高赛车的操纵稳定性并且减少轮胎的磨损，本文以车轮定位参数和轮距以及蛇形试验工况时赛车的横摆角速度和车身侧倾角为目标，建立了多目标优化函数，设计了 Plackett-Burman 无重复饱和析因试验并利用半正态图法对悬架和转向系统导向杆件各关键点坐标进行了灵敏度分析，使用试验设计方法进行优化设计。通过优化前后仿真试验结果对比，优化效果明显，证明了优化方法的有效性。

　　最后，基于 ADAMS/Car 建立了赛车的整车多体动力学模型，利用赛车上安装的数据采集系统验证了整车多体动力学模型的准确性。利用整车模型完成了稳定回转、转向盘角阶跃和角脉冲、回正性、轻便性和蛇形试验仿真试验，证明赛车具有较好的操纵稳定性，悬架和转向系统设计较合理。

　　关键词：FSAE 赛车；悬架；转向系统；灵敏度分析；优化

ABSTRACT

　　Formula SAE(FSAE) has been introduced to China since 2010. This competition has attracted many universities and enterprises to participate in the research and development of FSAE racing car. The design of suspension and steering system as an important vehicle assembly determines the performance of the car. This dissertation taking the FASE car of Hefei University of Technology racing car for the research object, suspension and steering system of racing car is designed and optimized. Finally,the handling stability of the car is verified usingADAMS/Car.

　　Primarily, according to competition rules and vehicle parameters and performance requirements, suspension system is designed. The type of suspension and the wheel alignment parameters and suspension geometry is chosen. Suspension spring stiffness and damping coefficient is calculated . CATIA model of suspension system is got. Secondly, according to the preliminary design of suspension system, the steering system is designed and optimized. The parameters of steering system is chosen. The guiding mechanism of steering trapezium is designed and optimized. Steering wheel and steering gear is designed. The position of splitting point was changed to coordinate the movement of suspension and steering linkages.

　　To improve handling stability of the racing car and reduce tire wear, the multi-objective optimization function is established and the Plackett-Burman unreplicated saturated factorial experiment is designed. Using semi-normal probability plot, sensitivity analysis of the key points in suspension guiding mechanism is performed. The optimization design was conducted with experimental design method. The impact of optimization is obvious compared with the unoptimized one, which shows that the optimization method is advanced and effective.

　　Finally, multi-body dynamic model of the racing car is built based on ADAMS/Car. The accuracy of the model was verified using data acquisition system installed in the car. The virtual handling stability tests are performed using the ADAMS/Car. It is proved that the design of suspension and steering system is reasonable and the racing car having good handing stability.

　　KEYWORDS: FSAE racing car; Suspensions; Steering; Sensitivity Analysis;Optimization

　　大学生方程式汽车大赛（简称“FSAE”）是一项汽车设计与制造赛事，它的主要参与者为高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生，以学校为单位组成的各参赛车队在赛事规则和赛车制造标准的规范下，在一年内自行开发和研制出一辆具有优秀的加速、制动、操控性等方面性能且有市场前景的小型单人座赛车，能够成功完成性能、设计和营销的比拼。现在，很多学校采取和企业合作开发的方式使更多的资源应用到赛车的开发中，相关企业也在合作中获得了共同开发的技术成果，如同济大学与上海电驱动公司合作开发了轮毂电机。而且，随着人民生活水平的上升，越来越多的人参与到赛车运动中来。该项赛事已有 39 年历史，引入中国也有 6 年。国内现在燃油车组已有 79 支车队，电车组已有 36 支。包括清华、同济、北理等车辆专业较强的学校均有参加。

　　在 FSAE 赛车的设计开发中，悬架和转向系统性能优劣直接决定着整车操纵稳定性和平顺性的好坏，在整车设计开发中占有着非常重要的地位。

　　论文目的是形成一套比较完整、准确的 FSAE 赛车悬架和转向系统设计优化思路和方案。这一套方案也可以应用到乘用车设计中。

　　结合合肥工业大学云电动赛车队的第四代 FSAE 赛车，本文的主要研究内容有以下几点：

　　（1）悬架系统优化设计与分析

　　分析四轮定位参数对转向回正力矩和整车操纵稳定性的影响，确定四轮定位参数；分析悬架刚度、阻尼系数对赛车操纵稳定性的影响，计算得到刚度和阻尼系数。

　　（2）转向系统优化设计与分析

　　选取转向系统主要参数。基于特殊赛道利用MATLAB软件优化转向梯形机构。

　　协调转向和悬架系统导向杆件的运动。

　　（3）转向和悬架系统导向机构的多目标优化

　　基于整车操纵稳定性及悬架系统参数，分析转向和悬架系统导向机构各关键点坐标对以上参数变化的影响程度，确定多目标优化函数，对悬架系统导向结构硬点坐标位置进行优化设计。

　　（4）整车建模仿真与分析

　　建立整车模型，结合赛车的特点，验证和分析赛车的悬架和转向设计是否满足赛车对操纵稳定性要求。

　　形成一套比较完整、准确的 FSAE 赛车悬架和转向系统设计优化思路和方案。

　　根据论文的主要内容确定了本文的主要思路和框架如图 1.2 所示。

　　FSAE赛车悬架和转向系统仿真模型：

前悬架 ADAMS/Car 模型

后悬架 ADAMS/Car 模型

转向系统 ADAMS/Car 模型

FSAE 赛车的整车多体动力学模型

实车试验

ADAMS 中仿真路径图

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究的背景和意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 FSAE 赛车悬架系统优化设计发展现状
　　　　　　1.2.2 FSAE 赛车转向系统优化设计发展现状
　　　　　　1.2.3 FSAE 赛车悬架转向运动学多目标优化发展现状
　　　　1.3 本文研究内容
　　　　1.4 本章小结
　　第二章 FSAE 赛车悬架系统优化设计
　　　　2.1 赛车悬架系统介绍及设计要求
　　　　　　2.1.1 赛车悬架系统介绍
　　　　　　2.1.2 赛车悬架系统设计要求
　　　　2.2 赛车悬架的设计流程
　　　　2.3 前、后悬架形式的确定
　　　　2.4 车轮定位参数的确定
　　　　　　2.4.1 车轮外倾角和前束角的确定
　　　　　　2.4.2 主销内倾角和主销后倾角的确定
　　　　2.5 悬架几何
　　　　2.6 悬架刚度和阻尼的计算
　　　　　　2.6.1 悬架偏频的选取
　　　　　　2.6.2 悬架弹簧刚度和减振器阻尼系数计算
　　　　2.7 本章小结
　　第三章 FSAE 赛车转向系统优化设计
　　　　3.1 赛车转向系统介绍及选型
　　　　　　3.1.1 赛车转向系统介绍及设计要求
　　　　　　3.1.2 赛车转向系统的设计流程
　　　　3.2 转向盘的设计
　　　　3.3 转向系统参数设计
　　　　　　3.3.1 前轮最大转向角度
　　　　　　3.3.2 转向系角传动比
　　　　　　3.3.3 转向系力传动比
　　　　3.4 转向梯形结构优化设计
　　　　　　3.4.1 转向系内外车轮转角关系
　　　　　　3.4.2 断开式转向梯形机构的数学模型
　　　　　　3.4.3 阿克曼修正系数的选择
　　　　　　3.4.4 转向梯形机构结构的优化
　　　　3.5 转向器的选型及设计
　　　　　　3.5.1 转向器选型
　　　　　　3.5.2 转向系计算载荷
　　　　　　3.5.3 作用在转向盘上的手力
　　　　　　3.5.4 转向器的机构设计
　　　　3.6 转向和悬架系统导向杆系运动匹配
　　　　3.7 本章小结
　　第四章 基于灵敏度分析的悬架和转向多目标优化
　　　　4.1 悬架和转向系统导向机构运动学优化的目的
　　　　4.2 FSAE 赛车的前后悬架仿真分析
　　　　　　4.2.1 FSAE 赛车的前后悬架仿真的目的和要求
　　　　　　4.2.2 前悬架仿真结果及分析
　　　　4.3 多目标优化函数的确定
　　　　　　4.3.1 优化目标的确定
　　　　　　4.3.2 多目标优化函数的确定
　　　　4.4 优化变量的确定
　　　　　　4.4.1 优化变量的选取
　　　　　　4.4.2 各优化变量因子水平的确定
　　　　4.5 灵敏度分析
　　　　　　4.5.1 无重复饱和析因试验的介绍
　　　　　　4.5.2 利用无重复饱和析因试验进行灵敏度分析
　　　　4.6 全因子正交试验及优化结果与分析
　　　　　　4.6.1 全因子正交试验
　　　　　　4.6.2 优化结果与分析
　　　　4.7 本章小结
　　第五章 基于 ADAMS/Car 的整车操纵稳定性仿真分析
　　　　5.1 ADAMS 软件概述及其计算方法
　　　　5.1.1ADAMS/Car 软件概述
　　　　　　5.1.2 ADAMS 计算方法
　　　　5.2 FSAE 赛车整车 ADAMS/Car 虚拟模型的建立
　　　　　　5.2.1 前、后悬架仿真模型的建立
　　　　　　5.2.2 转向系统仿真模型的建立
　　　　　　5.2.3 整车虚拟模型的装配
　　　　5.3 FSAE 赛车 ADAMS/Car 虚拟模型的验证
　　　　5.4 稳态回转试验的仿真
　　　　　　5.4.1 仿真标准及方法
　　　　　　5.4.2 仿真结果分析
　　　　5.5 转向瞬态响应试验仿真分析
　　　　　　5.5.1 转向盘角阶跃输入
　　　　　　5.5.2 转向盘角脉冲输入
　　　　5.6 转向回正性能试验仿真分析
　　　　　　5.6.1 仿真标准及方法
　　　　　　5.6.2 仿真结果分析
　　　　5.7 转向轻便性试验仿真分析
　　　　　　5.7.1 仿真标准及方法
　　　　　　5.7.2 仿真结果分析
　　　　5.8 蛇形试验的仿真分析
　　　　　　5.8.1 仿真标准及方法
　　　　　　5.8.2 仿真结果分析
　　　　5.9 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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