方程式賽車懸架設計

劉慧　任峰　李龍海

摘 要：為了實現駕駛的安全性以及舒適性，緩解車身沖擊，提高車輛使用利用率，針對大學生方程式賽車（簡稱FSAE大賽）規則，設計可以符合大賽的規則，實現整體輕量化的雙橫臂懸架不容忽視。首先，通過整車參數確定所用數據是否符合車輛駕駛，再根據公式確定具體數值，其次運用CATIA軟件對所設計的零件進行三維建模，立體分析;在ANSYS中進行有限元的懸架零件進行調試分析，最后對于優化后的懸架對實車進行驗證。

關鍵詞：大學生方程式賽車;雙橫臂懸架;CATIA三維建模;ANSYS分析

1 引言

雙橫臂獨立懸架具有出色的運動特性，因為上臂的高度低，有利于降低車頭的高度，從而達到改進車身的目的。因此，這種懸架具有很好的安全性舒適性，所以本文的研究成果將為懸架的設計提供些許幫助。

2 整車參數

我們需要對賽車的速度，駕駛，剎車制動，耐久性在比賽過程中進行測試優化[1]。得到符合本次賽車的使用數據，賽車在轉向過程中，如若速度過快，則會發生側翻現象，對車手造成一定的傷害，因此，我通過對懸架進行增加加速度的方式設計。以求達到防止側翻的目的[2]。根據賽道情況和比賽規則等因素，整車參數為：整車質量=260kg，整車寬度=1540mm，最小轉彎半徑R=3500mm，軸距L=1650mm，主銷距K=1190mm，前輪距=1220mm左右，后輪距=1180mm。根據以上參數則可通過公式R=L/sin（β）計算出賽車外輪理想最大轉角約為28.1°。

3 懸架所需參數的選定

車輛的穩態響應是在懸架線剛度（前、后輪菏計算所得到的）[3]受其側傾角大小影響。其中懸架偏頻，在沒有阻尼的情況下簧上質量的固有頻率[4]。側傾增益：車架在賽車的側傾加速度是1的前提下轉過的角度。從上述內容中，總結得到的主要參數為：前/后懸架線剛度：20.09/14，74;前/后懸架側傾角剛度：934/765;前/后懸架偏頻：2.8/3.3;側傾增益：-3。

4 懸架導向機構設定

懸架的導向機構是：懸架系統中傳遞力、力矩的，車輪在一定規律下對車身的運動的一種構件[5]。懸架的動力學特性主要體現在車橋的擺振和縱向性能分析上，這些都是懸架導向機構的設計內容。賽車可以實現自發回正的基礎是：轉向性、穩定性[6]。車輪定位參數，如表1示：

有橫向加速度時，離心力在質心位置時側傾中心轉化，產生讓車側傾的力矩，側傾中心與質心在一個點時車輛會保持平穩，從而可以盡可能的減緩車手壓力[7]側傾中心（通過CATIA三維軟件的虛擬約束來設置側傾中心高度得到的）由圖1所示，其公式為：

[1]

其中，hp=ksinβ+d（β是懸架下橫臂與水平面的夾角）

縱傾中心是車輛進行加速、減速或者制動時，車身圍繞旋轉的中心線，可以近似看作與地面是近似平行的[8]。

5 懸架前搖臂、前立柱

CATIA視野中，可以進行各個零件的裝配，組裝以及調整，十分簡約方便快捷，是我們工科里十分重要的一個軟件。懸架分布于前后兩個部位并各有一對，且有不等長的橫叉桿連接[9]，如圖2所示分布于前后兩個部位并各有一對。

計算搖臂的連接孔的受力， 是通過ANSYA來分析出位置所受到的應力得到的。為使車輛盡可能的輕量化，我們需要對零件進行材料的選擇。運用ANSYSY有限元對立柱的模型、耳片的模型進行強度校核。圖3為上述受力分析圖，可知：最大應力是168.17Mpa，最大應變力是0.002345，選擇的鋁材是正確的。

6 實車驗證

基于上述設計對實車進行驗證，在冬天零下二十度的天氣下由我隊車手親自駕駛賽車進行了速度測試，轉彎測試，以及靈敏性的測試;同時，我們還為此設置了路障，就是為了研究我隊賽車的懸架系統是否可以穩定工作，是否會出現損壞的現象，是否會因天氣寒冷而出現斷折的現象。圖4，5就是我們進行實車驗證的圖片，賽車手在車中熟練的駕駛賽車，以確保賽車的整體安全性以及操縱桿穩定性。最后經由實車驗證，車手在行駛過程中，沒有出現不安全的現象，因此是一次成功的驗證。

7 結語

懸架作為整車的一個不可小覷的組成部分，其中對于雙橫臂式懸架的設計極其復雜，在設計時需要將部分因素趨近于理想化，本次設計主要以CATIA軟件作為工具，建立三維實體裝配的模型，以ANSYS有限元部分零件進行強度校核分析，得到的符合所需的材料，從而對材料的利用率有所提高以及增加了車體輕量化的目的，最終通過完成懸架設計而實現整車設計。從而為賽車的駕駛提供更高的安全行駛性，也為懸架的研究和理論成果提供了幫助。希望通過對本文的論述，可以推進賽車懸架進一步的發展。

參考文獻：

[1]張寧. FSEC電動方程式賽車底盤設計及操縱穩定性仿真分析[D].遼寧工業大學，2017.

[2]楊益. 車輛側翻預警及半主動懸架防側翻優化控制研究[D].吉林大學，2018.

[3]張培培. 汽車懸架系統的動力學分析與仿真試驗[D].長安大學，2005.

[4]李燕超. 電動汽車懸架系統優化與控制研究[D].青島科技大學，2018.

[5]牛禮民，張杰坤，劉超.FSAE賽車懸架系統結構設計[J].汽車工程師，2012（09）：31-34.

[6]姜立標，劉堅雄.FSAE賽車前輪定位參數的優化研究[J].機械科學與技術，2013，32（02）：231-234.

[7]余志生.汽車理論（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2000.

[8]施長政.FSAE賽車的設計與制造[D].青島大學，2013.

[9]公選課《汽車文化》課外學習環境存在問題及對策.《黑河學刊》.2013年12期.楊岳華.