fsc赛车悬架与转向系统的设计和优化【字数：13120】
2010年，上海举办第一届中国大学生方程式汽车大赛，标志着FSC赛车时代的到来，自此以后有众多的高校团队参与到其中。在2014年推出了第一辆方程式赛车，并以此作为基础，走过了5个赛季。本文以2018赛季CIT方程式赛车底盘悬架和转向系统为对象，从赛车的设计要求，选取参数，优化程序，零件设计等一系列方向讲解设计与优化的需求。首先根据中国大学生方程式汽车大赛规则与汽车底盘设计手册，对赛车悬架和转向系统的参数进行计算，对底盘形式进行选取。通过ADAMS对悬架转向系统进行优化分析，通过MATLAB对转向梯形进行优化，使用ANSYS对部分零件做力学分析，对悬架横臂做模态分析。
目录
1 绪论 6
1.1 FSAE赛事介绍 6
1.2课题研究的背景和意义 7
1.3国内外研究现状 8
2 FSC赛车悬架系统的设计 9
2.1赛车悬架的设计要求与流程 9
2.1.1悬架系统概述 9
2.1.2 悬架设计要求 9
2.1.3 悬架设计流程 10
2.2赛车悬架的车轮定位参数确定 10
2.2.1 车轮外倾角 12
2.2.2 前轮前束角 12
2.3赛车悬架的几何结构确定 13
2.3.1外倾角变化率 13
2.3.2 侧倾中心高度 13
2.3.3 主销偏距 14
2.4赛车悬架的参数计算 14
2.4.1整车基本参数 14
2.4.2 悬架偏频 15
2.4.3 弹簧刚度计算 15
2.4.4 悬架传递比 16
2.4.5 摇臂传递比 17
2.5 悬架系统主要零部件设计 18
2.6本章小结 20
3 FSC赛车转向系统的设计 20
3.1转向系统的介绍及选型 20
3.2 方向盘设计 20
3.3转向系统的参数设计 21
3.3.1 赛车最大转向角度 21
3.3.2 齿条行程 22
3.3.3 梯形臂长度 22
3.4转向 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
梯形结构的优化 22
3.4.1标准阿克曼转向 23
3.4.2 前轴内外轮实际转向关系 23
3.4.3 转角关系优化 25
3.5 转向器的类型与设计 27
3.6本章小结 27
4 悬架与转向系统模型在ADAMS中的建立与优化 27
4.1 ADAMS/Car简介 27
4.2 赛车悬架建模 28
4.2.1前悬架建模 28
4.2.2后悬架建模 32
4.3 赛车前悬运动学仿真 33
4.4赛车前悬优化 37
4.5 赛车后悬运动学仿真 40
4.6 赛车后悬优化 42
4.7 本章小结 44
5 FSC赛车悬架与转向系统零件的有限元分析 45
5.1 赛车立柱力学分析 45
5.2 悬架下横臂模态分析 49
5.3 本章小结 50
6 全文总结与展望 50
6.1全文总结 50
6.2 工作展望 51
7 参考文献 51
8 致谢 52
1 绪论
1.1 FSAE赛事介绍
Formula SAE,大学生方程式汽车大赛，是于1978年由SAE(Society of Automobile Engineering，美国汽车工程师协会）主办的一项赛事，根据比赛形式，各大车队假定为FSAE赛车制造商，赛车团队要在近一年的时间里通过个人设计，用软件分析优化， 订购材料对零部件加工，对整车定位、焊接，实车调教，准备静态的成本和营销答辩，通过合作完成一辆赛车，在符合赛事规则的情况下完成比赛。
2010年，中国引进此项赛事，第一届FSC就由20多支高校参赛，随着多年的发展和国内高校的争相参与，直至2018年赛季，全国已有70多支车队，并且在过去的赛季，仍然有新车队陆续参加，使得赛事的竞争更大，而通过FSC的赛事平台，也培育出了不少优秀的工程师。比赛一般在秋季举行，比赛内容主要包括动态项目与静态项目，各比赛项目和分值如图1.1所示。
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图1.1 测试项目及相应分值
1.2课题研究的背景和意义
FSC赛车要求在直线加速，八字环绕，高速避障，耐久这四大项动态比赛上有较好的性能和表现，同时也需要有较好的转向操纵性能，满足四轮同时制动的条件，使其能完成这一系列的动态测试。由于赛事规则主要偏向于安全性考虑，各大车队在根据中国大学生方程式赛车大赛规则做详细准备和设计后，仍然有很大的空间可以留给创新设计，同时在符合参赛条件的前提下，能为FSC赛车各项性能做进一步优化，充分发挥设计理念。
本文是根据CIT方程式第五代赛车实车参数，优化调教的数据，对底盘悬架系统和转向系统做了相关的进一步分析。针对这项赛事，我们更看重赛车的操作稳定性，对于前期设计和后期调教的过程，我们着重分析各项车轮定位参数对操作稳定性的影响。
设计初期针对前几代赛车的参数，我们做了进一步校核，对于部分参数进行重新选取。使用Catia设计底盘悬架转向的零件，并和车架，制动，传动等系统进行匹配，选取合适的定位点，并避免干涉。针对悬架系统，我们在确定定位点后，将关节点和各项参数导入ADAMS中，对赛车模型进行修改，通过ADAMS/CAR建立整车的多体动力学模型后，再利用软件做分析优化。针对底盘设计零件，我们运用 ANSYS 软件对悬架的下横臂和立柱，轮芯进行有限元仿真分析，检验赛车零件是否满足所需要的比赛基本性能。
针对转向系统，我们需要对转向梯形进行投影，通过MATLAB建模分析内外轮在转向时所产生的关系，确定相对合理的加权因子和理想Ackerman，优化转向参数。通过ADAMS/Insight模块，对转向机构中的断开点进行DOE分析，优化出最具实践作用的数据。
目录
1 绪论 6
1.1 FSAE赛事介绍 6
1.2课题研究的背景和意义 7
1.3国内外研究现状 8
2 FSC赛车悬架系统的设计 9
2.1赛车悬架的设计要求与流程 9
2.1.1悬架系统概述 9
2.1.2 悬架设计要求 9
2.1.3 悬架设计流程 10
2.2赛车悬架的车轮定位参数确定 10
2.2.1 车轮外倾角 12
2.2.2 前轮前束角 12
2.3赛车悬架的几何结构确定 13
2.3.1外倾角变化率 13
2.3.2 侧倾中心高度 13
2.3.3 主销偏距 14
2.4赛车悬架的参数计算 14
2.4.1整车基本参数 14
2.4.2 悬架偏频 15
2.4.3 弹簧刚度计算 15
2.4.4 悬架传递比 16
2.4.5 摇臂传递比 17
2.5 悬架系统主要零部件设计 18
2.6本章小结 20
3 FSC赛车转向系统的设计 20
3.1转向系统的介绍及选型 20
3.2 方向盘设计 20
3.3转向系统的参数设计 21
3.3.1 赛车最大转向角度 21
3.3.2 齿条行程 22
3.3.3 梯形臂长度 22
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梯形结构的优化 22
3.4.1标准阿克曼转向 23
3.4.2 前轴内外轮实际转向关系 23
3.4.3 转角关系优化 25
3.5 转向器的类型与设计 27
3.6本章小结 27
4 悬架与转向系统模型在ADAMS中的建立与优化 27
4.1 ADAMS/Car简介 27
4.2 赛车悬架建模 28
4.2.1前悬架建模 28
4.2.2后悬架建模 32
4.3 赛车前悬运动学仿真 33
4.4赛车前悬优化 37
4.5 赛车后悬运动学仿真 40
4.6 赛车后悬优化 42
4.7 本章小结 44
5 FSC赛车悬架与转向系统零件的有限元分析 45
5.1 赛车立柱力学分析 45
5.2 悬架下横臂模态分析 49
5.3 本章小结 50
6 全文总结与展望 50
6.1全文总结 50
6.2 工作展望 51
7 参考文献 51
8 致谢 52
1 绪论
1.1 FSAE赛事介绍
Formula SAE,大学生方程式汽车大赛，是于1978年由SAE(Society of Automobile Engineering，美国汽车工程师协会）主办的一项赛事，根据比赛形式，各大车队假定为FSAE赛车制造商，赛车团队要在近一年的时间里通过个人设计，用软件分析优化， 订购材料对零部件加工，对整车定位、焊接，实车调教，准备静态的成本和营销答辩，通过合作完成一辆赛车，在符合赛事规则的情况下完成比赛。
2010年，中国引进此项赛事，第一届FSC就由20多支高校参赛，随着多年的发展和国内高校的争相参与，直至2018年赛季，全国已有70多支车队，并且在过去的赛季，仍然有新车队陆续参加，使得赛事的竞争更大，而通过FSC的赛事平台，也培育出了不少优秀的工程师。比赛一般在秋季举行，比赛内容主要包括动态项目与静态项目，各比赛项目和分值如图1.1所示。
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图1.1 测试项目及相应分值
1.2课题研究的背景和意义
FSC赛车要求在直线加速，八字环绕，高速避障，耐久这四大项动态比赛上有较好的性能和表现，同时也需要有较好的转向操纵性能，满足四轮同时制动的条件，使其能完成这一系列的动态测试。由于赛事规则主要偏向于安全性考虑，各大车队在根据中国大学生方程式赛车大赛规则做详细准备和设计后，仍然有很大的空间可以留给创新设计，同时在符合参赛条件的前提下，能为FSC赛车各项性能做进一步优化，充分发挥设计理念。
本文是根据CIT方程式第五代赛车实车参数，优化调教的数据，对底盘悬架系统和转向系统做了相关的进一步分析。针对这项赛事，我们更看重赛车的操作稳定性，对于前期设计和后期调教的过程，我们着重分析各项车轮定位参数对操作稳定性的影响。
设计初期针对前几代赛车的参数，我们做了进一步校核，对于部分参数进行重新选取。使用Catia设计底盘悬架转向的零件，并和车架，制动，传动等系统进行匹配，选取合适的定位点，并避免干涉。针对悬架系统，我们在确定定位点后，将关节点和各项参数导入ADAMS中，对赛车模型进行修改，通过ADAMS/CAR建立整车的多体动力学模型后，再利用软件做分析优化。针对底盘设计零件，我们运用 ANSYS 软件对悬架的下横臂和立柱，轮芯进行有限元仿真分析，检验赛车零件是否满足所需要的比赛基本性能。
针对转向系统，我们需要对转向梯形进行投影，通过MATLAB建模分析内外轮在转向时所产生的关系，确定相对合理的加权因子和理想Ackerman，优化转向参数。通过ADAMS/Insight模块，对转向机构中的断开点进行DOE分析，优化出最具实践作用的数据。
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