FSAE赛车悬架和转向系统开发

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。

　　赛车的悬架的设计追求充分发挥所选用轮胎的附着力能力,因此全面了解所用轮胎的力学特性十分必要。在文献[1]中大学生方程式轮胎测试联盟的两位创始人Kasprzak E M 和 Gentz D 对轮胎测试过程和结果做了介绍，为参加 FSAE 赛事的车队提供了常用轮胎的试验数据，这些数据是分析轮胎性能的必备条件。文献[2]中作者以 FSAE 领域应用较广泛的两款 Hoosier 品牌轮胎为例，利用试验数据使用魔术公式拟合得到纵向力学特性曲线，并分别对比分析了不同垂直载荷、外倾角和胎压对两款轮胎的纵向力学特性的影响。文献[3]建立了简化的二自由度汽车运动数学模型，通过数学解析的方法分析出在车辆前轮角阶跃输入工况中轮胎侧偏刚度对车身横摆加速度瞬态响应的影响。文献[4]中运用遗传算法对汽车轮胎魔术公式参数进行了识别，得到了轮胎魔术公式在纵向、侧向、回转工况下的魔术公式系数。文献[5]建立了不同轮胎胎压下的小型客车的悬架和轮胎模型，通过对斜坡脉冲转向和正弦扫频转向过程进行分析，得到不同轮胎气压对小型客车的稳态和瞬态操纵稳定性以及转向响应快慢的影响。文献[6]中 Sivaramakrishnan 和 Taheri根据试验获得的轮胎数据拟合五种轮胎的魔术公式，并将得到的轮胎模型带入到利用MATLAB/Simulink软件建立的非线性的整车模型中，进行了整车的仿真试验。

　　依据横摆角速度超调量、横摆角速度响应时间、转向稳定性和侧向加速度响应时间作为评价标准对五种轮胎的性能进行了对比。文献[7]中吉林大学的陈焕明,郭孔辉对 3 款乘用车轮胎进行实验数据拟合得到了 Unitire 模型，并使用 Carsim 软件进行了操纵稳定性试验提出了自己的整车性能评价体系，对比出不同轮胎在不同操纵稳定性仿真试验中的结果。国内外对轮胎的研究主要集中在轮胎模型的建立和模型修正上，针对 FSAE 赛车使用的轮胎的研究比较少，轮胎对整车操纵稳定性的影响方面研究和应用也较少。

　　悬架参数设计主要包括选定车轮定位参数、确定悬架几何、选择偏频、计算刚度系数和阻尼系数等。由于大赛规则要求和轻量化的目标，FSAE 赛车一般都没有转向助力，转向的轻便性是影响车手操纵的重要因素，很多学者也在这方面进行了研究。文献[8]中的提出了考虑轮胎侧偏特性和车轮外倾角的影响，得到了前轮转向后回正力矩的计算方法，并在转向轮主销内倾角满足转向轮的回正力矩与回正阻力矩平衡方程的基础上，通过优化转向轮主销内倾角来改善转向沉重的问题。在主销后倾角方面，在文献[9]中作者提出转向轮主销后倾角会影响车辆的高速转向稳定性，建立整车二自由度模型并利用转向系统动力学方程作为补充，根据稳定极限车速匹配计算得到转向轮主销后倾角，并通过实车的试验验证了模型的准确性以及方法的有效性。文献[10]中提出由于轮胎侧滑量产生轮胎磨损，因此在根据前轮外倾角匹配前束值时应以减少侧滑量为目标。同时基于转向回正性和轻便性对前轮主销内倾和主销后倾角进行了解析推导计算，提出了一种前轮定位参数的优化设计方法。文献[11]将 DOE(Design Of Experiments)技术应用到微型汽车转向轮定位参数的优化设计中，将正交设计理论与 ADAMS 软件中 Insight 模块的 DOE 功能结合在一起，建立了悬架系统的多体动力学模型，确定了汽车加速和制动工况下转向轮车轮定位角度值多目标优化函数，使用正交设计方法优化设计了转向轮定位参数。国内外对四轮定位参数对整车操纵稳定性影响的研究主要集中在主销后倾角对稳定转向车速的关系、回正性的研究以及前束角和外倾角的匹配。学者们对四轮定位参数的研究还比较多，但是少见专门针对 FSAE 赛车的悬架系统参数的研究。

　　对悬架系统刚度和阻尼系数的研究主要集中在悬架弹簧刚度和减振器阻尼系数匹配计算以及基于整车平顺性目标优化悬架系统刚度和阻尼系数上。文献[12]

　　中同济大学的陈辛波教授就双横臂扭杆弹簧悬架系统刚度和阻尼分析提出方法，依据空间动力学和虚功原理得出了弹簧、减振器和悬架系统刚度和阻尼的参数之间的关系，提出了根据给定偏频和相对阻尼比来设计弹簧的刚度和减振器阻尼的具体步骤。文献[13]中，Badih 针对 FSAE 赛车的悬架系统进行了受力分析。文献[14]

　　的作者使用改进遗传算法，以改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性为优化目标，建立了某轻型车乘用车后悬架运动学模型，并优化了悬架系统的弹簧刚度、减振器的阻尼系数以及稳定杆扭转刚度。吉林大学的金凌鸽博士在文献[15]中对悬架的运动学和弹性运动学特性的产生机理做了介绍,定性分析了悬架的主要 K&C 特性对整车性能的影响，并提出了汽车操纵稳定性和平顺性的评价方法。然后利用整车建模平台 Carsim 及优化平台 Insight 和 ADAMS 软件进行联合仿真，采用多目标优化方法优化了悬架导向杆件的硬点坐标、悬架刚度和阻尼系数。文献[16]中 Hall和 McPhee 联合 MATLAB 和 ADAMS 来自动调整悬架系统的硬点坐标和刚度和阻尼系数然后进行悬架仿真，从而优化悬架系统。文献[17]中利用空间机构理论基于单斜臂悬架绕空间轴线旋转的斜臂的运动学分析，得出了在车轮上下跳动过程中悬架系统刚度和阻尼特性与悬架弹性元件刚度和减振器阻尼系数之间的关系。文献[18]利用 ADAMS 软件中的 Insight 模块设计了正交试验，利用试验设计的方法对前、后悬架系统中的弹簧刚度系数和减振器阻尼系数进行优化，通过优化前后的结果对比分析，得到 3 组较合理的前、后悬架系统刚度和阻尼组合，将三种组合试装在试验车上，利用主观评价的方式最终确定前、后悬架刚度和阻尼系数的匹配关系。为汽车悬架系统刚度值和阻尼值的确定提出了新方法。在 FSAE 赛车悬架刚度和阻尼的选择方面，国内外的研究都比较少。由于 FSAE 赛车的特殊性，一套实用、成熟的悬架刚度和阻尼的选取及优化的方法并没有形成。

　　利用 ADAMS/Car 软件建立整车的多体动力学模型，利用软件进行仿真试验，可以大大缩短整车开发的周期，节约开发成本。在整车 ADAMS 建模方面，国内的车队有很多学者做了研究，文献[19]基于 ADAMS/Car 软件建立了 FSAE 赛车整车多体动力学模型，同时借助在赛车上安装的实时数据采集系统，对采集到的实车蛇形穿越试验数据进行分析，并与虚拟仿真试验的结果进行对比，验证了模型的准确性。在 ADAMS 软件中进行了虚拟稳态回转仿真试验，验证了赛车具有不足转向特性；同时进行了虚拟蛇形试验，验证了赛车具有良好的抗侧倾和抗侧滑能力。文献[20]在 ADAMS 软件中建立赛道模型，利用 ADAMS/CHASSIS 得到车辆在特定赛道上的能够最快到达终点的行驶路径。文献[21]中 RL Mueller 基于ADAMS 软件建立了整车的多体动力学模型，然后利用模型对比分析了固耐力轮胎和 Hoosier 轮胎以及两款不同的发动机对赛车直线加速表现的影响。文献[22]介绍了应用虚拟样机技术对汽车的人一车闭环操纵稳定性进行评价的一般流程。并且提出一种确定汽车闭环操纵稳定性综合评价中指标权重的方法。文献[23]中华中科技大学的秦东晨运用 ADAMS 软件，建立了某 SUV 车型的整车多体动力学模型，利用模型研究了该车型的前悬架的定位参数变化。利用开环模型的操纵稳定性的 3中评价方法进行了整车的仿真分析。文献[24]提出了基于 ADAMS 建立悬架、转向、驱动系统等系统，最后建立整车的虚拟样车模型，并利用整车的多体动力学模型进行了阶跃转向、脉冲转向、双移线、稳态回转等仿真试验。通过实验结果对整车的操纵稳定性进行评价。大量的学者们利用 ADAMS 软件建立了各类车辆的整车模型并进行了操纵稳定性的仿真实验，并通过试验对比验证，说明 ADAMS 软件能够准确、高效地完成整车操纵稳定性的仿真试验。

　　FSAE赛车悬架和转向系统设计：

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

转向盘角度变化曲线

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6
　　　　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
　　　　　　5.1.1 ADAMS/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

（如您需要查看本篇毕业设计全文，请您联系客服索取）