FSAE電動賽車前懸架結構設計與分析【雙橫臂式懸架優(yōu)秀課程畢業(yè)設計含5張CAD圖紙帶任務書+開題報告+中期報告+答辯ppt+外文翻譯】-clsj24

FSAE電動賽車前懸架結構設計與分析【雙橫臂式懸架優(yōu)秀課程畢業(yè)設計含5張CAD圖紙帶任務書+開題報告+中期報告+答辯ppt+外文翻譯】-clsj24

FSAE電動賽車前懸架結構設計與分析【雙橫臂式懸架】

摘要：本設計對FSAE賽車前懸架的結構及特點進行比較，綜合比對選取適合的懸架結構形式，最終確立FSAE電動賽車的前懸架采用雙橫臂式懸架結構；根據(jù)賽車參數(shù)，進行了大量的計算，根據(jù)數(shù)據(jù)確立了前懸架的尺寸，材料，以及懸架部件的選取以及參數(shù)，對影響安全性的零件，例如橫向穩(wěn)定桿和緩沖塊都有明確的計算與設計，然后進行ADAMS建模、優(yōu)化，最終確認主銷外傾角，主銷內(nèi)傾角，均滿足設計要求。隨之選用 proe軟件對FSAE前懸架實施3D圖形的創(chuàng)造；在建立三維模型的過程中，根據(jù)零件的三維坐標，生成三維模型，這樣的精確度高。再后，使用有限元分析軟件ANSYS對整體結構進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，在靜態(tài)分析中，均符合設計要求，在動態(tài)分析中，著重對在0.5g加速狀態(tài)和0.95g轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下進行有限元分析，前懸架下控制器在這兩種嚴格的工況下，所產(chǎn)生的應力集中問題，和應力變形問題，對這兩種問題進行分析比對，對應力集中現(xiàn)象，都小于材料的屈服極限，說明滿足安全的要求，對應力變形問題，也同樣滿足設計要求。本次FSAE賽車的前懸架完全符合設計要求。

關鍵詞：FSAE賽車；懸架；校核；有限元；

Design and Analysis of Front Suspension Structure

of FSAE Electric Racing

Abstract：This graduation design the structure and characteristics of FSAE car front suspension is used in the comparison, comprehensive than to choose a suitable suspension structure, finally established FSAE electric car front suspension with double wishbone type suspension structure;According to the parameters of car, a large amount of calculation, based on the size of the data to establish the front suspension, materials, and the selection of suspension components and parameters, affecting the safety of spare parts, such as the horizontal stabilizer bar and buffer blocks are clearly calculation and design, then, ADAMS, modeling, optimization and finally confirm the king pin camber Angle, kingpin inclination Angle, meet the design requirements.Then using proe FSAE car front suspension three-dimensional organization simulation model is set up;In the process of establishing three-dimensional model, according to the components of the three-dimensional coordinates, generated 3 d model, the precision is high.Again later, using the finite element analysis software ANSYS static analysis and dynamic analysis was carried out on the whole structure, in static analysis, all comply with the design requirements, in the dynamic analysis, the state of accelerating in 0.5 g and 0.95 g condition in finite element analysis of turning, the front controller in both the strict conditions, the stress concentration problems, and stress deformation problem, the analysis of the two kinds of problems, the stress concentration phenomenon, are less than the yield limit of material, that meet the requirements of safety, the deformation and stress problem, also meet the design requirements.The FSAE car front suspension fully comply with the design requirements.analysis controller.

Key words: FSAE racing; suspension; check; finite element;

目  錄

摘要……………………………………………………………….…………………... I

Abstract…………………………………………………………………...…………II

1.緒論……………………………………………………………….……………..….1

1.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀…………………………………………………….……………….1

1.2國外研究現(xiàn)狀…………………………………………………….…..………...…2

2. FSAE前懸架的建立………………………………………....………………..……3

2.1 FSAE 賽車懸架的選擇…………………………………...…………...…………3

2.2前懸架參數(shù)設計……………………………………..………...…………...……..4

2.2.1對平順性影響的各項參數(shù)……………………………………………………...4

2.2.2撓度計算………………………………………………………………………...5

2.2.3簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量………………………………………………………...5

2.3螺旋彈簧的設計……………………....………………….………….………...….6

2.3.1螺旋彈簧類型的選擇…………………………………………………………...6

2.3.2彈簧的關計算…………………………………………………………………...7

2.3減振器設計……………………………………………………………………….10

2.3.1減振器及其形式的選擇……………………………………………………… .10

2.3.2相對阻尼系數(shù)……………………………….………………………………….11

2.3.3減振器阻尼系數(shù)的確定………………………………………………………..11

2.3.4最大卸荷力的確定………….………………………………………………….11

2.3.5減振器尺寸的確定……………………………………………………………..12

2.4上、下橫臂長度的確定………………………………………………………….12

2.5橫向穩(wěn)定桿設計………………………...………………………………………..12

2.5.1穩(wěn)定桿直徑計算………………………………………………………………..13

2.6緩沖塊…………………………………………………...……………………….14

3. 對FSAE的前懸架進行三維建?！?…….……………………15

3.1前懸架運動學參數(shù)的分析………………………………………...…..……...…17

4.控制臂的有限元分析………………………………..……..…………...…..….…20

4.1有限元法的介紹…………………………..………………………...…………...20

4.2控制臂有限元模型建立………………………….…………………..……….…20

4.2.1幾何模型……………………………….………………………………………20

4.2.2網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量控制…………………………………………………….21

4.2.3材料屬性定義………………………………………………………………...22

4.2.4慣性釋放及模型的約束與加載……………………………………………...22

4.3典型極限工況控制臂結構有限元分析………………………………………...22

4.3.1 0.5g加速工況………………………………………………………………….22

4.3.2 0.95g轉(zhuǎn)向工況……………………………………………………………...…23

5.總結與展望…………………………………….….………..……………………..25

5.1總結…………………………………………….……………………...…………25

5.2展望…………………………………………….…………………………...……26

參考文獻…………………………………………….………………………….……27

致謝…………………………………………………..………………………………28

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FSAE電動賽車前懸架結構設計與分析任務書.doc

FSAE電動賽車前懸架結構設計與分析開題報告.doc

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上橫臂A1.dwg

下橫臂A1.dwg

前懸架推桿A2.dwg

雙橫臂前懸架裝配圖A0.dwg

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立柱A1.dwg

FSAE電動賽車前懸架結構設計與分析

I 動賽車前懸架結構設計與分析 摘要 ： 本畢業(yè)設計對 車前懸架的結構及特點進行比較，綜合比對選取適合的懸架結構形式，最終確立 動賽車的前懸架采用雙橫臂式懸架結構；根據(jù)賽車參數(shù)，進行了大量的計算，根據(jù)數(shù)據(jù)確立了前懸架的尺寸，材料，以及懸架部件的選取以及參數(shù)，對影響安全性的零件，例如橫向穩(wěn)定桿和緩沖塊都有明確的計算與設計，然后進行 模、優(yōu)化，最終確認主銷外傾角，主銷內(nèi)傾角，均滿足設計要求。隨之選用 建立三維模型的過程中，根據(jù)零件的三維坐標，生成三維模型，這樣的精確度高。再后，使用有限元分析軟件 整體結構進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，在靜態(tài)分析中，均符合設計要求，在動態(tài)分析中，著重對在 速狀態(tài)和 彎狀態(tài)下進行有限元分析，前懸架下控制器在這兩種嚴格的工況下，所產(chǎn)生的應力集中問題，和應力變形問題，對這兩種問題進行分析比對，對應力集中現(xiàn)象，都小于材料的屈服極限，說明滿足安全的要求，對應力變形問題，也同樣滿足設計要求。本次 完全符合設計要求。 關鍵詞： 車 ； 懸架 ； 校核；有限元； is in to a to of a of on of to of of as is n of to of d is on in in of .5 g g in of in of of of of 錄 摘要 ……………………………………………………………… .………………… ... I …………………………………………………………… ...…………目錄 ……………………………………………………………… .…… ...……… ..……………………………………………………………… .…………… ..… 內(nèi)研究現(xiàn)狀 …………………………………………………… .……………… 外研究現(xiàn)狀 …………………………………………………… .… ..……… ...… 2 2. 懸架的建立 ……………………………………… ....……………… ..…… 3 車懸架的 選擇 ………………………………… ...………… ...………… 3 懸架參數(shù)設計 …………………………………… ..……… ...………… ...…… . 對平順性影響的各項參數(shù) …………………………………………………… .. 撓度計算 ……………………………………………………………………… .. 簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量 ……………………………………………………… ..旋彈簧的設計 …………………… ....………………… .………… .……… ...… 螺旋彈簧類型的選擇 ………………………………………………………… .. 彈簧的關計算 ………………………………………………………………… ..振器設計 ……………………………………………………………………… 減 振器及其形式的選擇 ……………………………………………………… 相對阻尼系數(shù) ……………………………… .………………………………… 減振器阻尼系數(shù)的確定 ……………………………………………………… . 最大卸荷力的確定 ………… .………………………………………………… 減振器尺寸的確定 …………………………………………………………… .、下橫臂長度的確定 ………………………………………………………… 向穩(wěn)定桿設計 ……………………… ...……………………………………… . 穩(wěn)定桿直徑計算 ……………………………………………………………… .沖塊 ………………………………………………… ...……………………… . 對 前懸 架進行三維建模 …………………… .…… .…………………… 15 懸架運動學參數(shù)的分析 ……………………………………… ...… ..…… ...… 17 …………………………… ..…… ..………… ...… ..… .… 20 限元法的介紹 ………………………… ..……………………… ...………… ..制臂有限元模型建立 ………………………… .………………… ..……… .… 20 何模型 ……………………………… .……………………………………… 20 格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量控制 …………………………………………………… 材料屬性定 義 ……………………………………………………………… ..慣性釋放及模型的約束與加載 …………………………………………… ..臂結構有限元分析 ……………………………………… .. 速工況 ………………………………………………………………… 向工況 …………………………………………………………… ...… 23 ………… ……………………… .… .……… ..…………………… .結 …………………………………………… .…………………… ...………… 25 望 …………………………………………… .………………………… ...…… 26 參考文獻 …………………………………………… .………………………… .…… 27 致謝 ………………………………………………… ..……………………………… 28 5 1 緒論 中國大學生方程式汽車大賽 [1]（簡稱“中國 是針對職業(yè)教育汽車相關專業(yè)和高等教育車輛工程專業(yè)在讀學生，設立的關于汽車的結構設計和創(chuàng)造的競賽。由五名學生和一位老師帶隊參加比賽，比賽的主要內(nèi)容和規(guī)則是：首先，給每支參賽隊一年的時間，去完成比賽用車的設計與制造；然后，對比賽用車的加速性能、制動系統(tǒng)和操控性進行優(yōu)化升級；最后，在主辦地完成相應賽段的比賽。 我國 第一屆 辦于 2010 年，由中國汽車工程學會發(fā)起 [2]，國內(nèi)汽車傳媒的領頭羊 —— 易車（ 資，并引領著中國二十所大學汽車院系聯(lián)合主辦。“中國創(chuàng)造擎動未來”選定為 賽的標語，并以汽車基本理論教育與汽車生產(chǎn)基地為根基，堅持自我創(chuàng)新、獨立研究和優(yōu)中選優(yōu)的原則作為大賽的準則。自從大賽舉辦以來，吸引了越來越多的高效學生組隊來參加，充滿一片欣欣向榮的景象。 賽舉辦的目的是：（ 1）提高在校大學的創(chuàng)新意識和動手實踐能力，積累實踐經(jīng)驗，讓書本中的知識真正應用于實踐中去，提高學生們的結構設計 、制造工藝、成本核算和團隊合作這四個方面的能力；（ 2）搭建我國汽車相關技能的教育與選拔平臺；（ 3）為我國汽車行業(yè)儲備和訓練高水平人才，讓我國從“制造大國”成為“制造強國”。 賽本質(zhì)上是學生競賽，并沒有利益關系的公益事業(yè)。其運營模式將優(yōu)秀高等院校學生科研資源與社會制造資源融合在一起，吸引社會投資贊助。本論文在 賽的背景下，對參加比賽的賽車的前懸架結構進行設計，并完成各項參數(shù)的分析。 內(nèi)研究現(xiàn)狀 21 世紀以后，我國在懸架方面，有了較快的進步。西安交通大學，阮教授通過 件對 架進行分析，通過定義參數(shù)，對最后生成的數(shù)據(jù)進行分析對比，最終確定了懸架模型。汽車企業(yè)通過對虛擬仿真的應用降低了生產(chǎn)成本并且減少研發(fā)所需時間。如北京汽車公司，通過有限元分析汽車懸架 [4]。優(yōu)化并開發(fā)出新型的結構，例如北京理工大學張利軍索研究三維橡膠組件，盡管 是屬于方程式，但從懸掛的研究切入點來說和一般家用汽車有很多的相似之處，利用 6 塊優(yōu)化懸掛參數(shù)來改善懸架的性能。清華大學李教授使用 塊對輪胎定位參數(shù)的分析和優(yōu)化。 中國開始推行 事是從 2010 年開始的，國內(nèi)大 學生團隊發(fā)展迅速，根據(jù) 2013 年的實際情況比賽團隊已經(jīng)擴大到 60 多個。五十余所高校參與其中。通過不斷地發(fā)展創(chuàng)新，我國懸架的設計已經(jīng)取得了理想的成績，如 :上海交通大學的邊界處理以及整個汽車的制造和測試的細節(jié)。湖北大學的第一輛車。本文借鑒真控制原理，將汽車的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向性能進行了測試。這將有助于解決這些問題，在八零年代 ,研究人員在國外勘探進懸架運動學的基礎上，結合大量的制造商對汽車懸架運動學特性的應用程序的實例進行了大量的試驗，最終得出一系列的相對完整的理論結果。 外研究現(xiàn)狀 從全球的層 面來看，目前只有美國、歐洲和澳洲這三個地區(qū)有學生 事。在 70 年代的中期，美國的多所知名大學相繼舉辦 事，為學生們提供了自我動手與創(chuàng)新平臺。 大賽名稱沿用了世界文明的 西哥汽車比賽 [3]。 1976 年順利完成第一次 賽，自此該比賽成為這個地區(qū)年度盛世。比賽規(guī)則采用三個指標組成，并分為兩個比賽日進行，第一比賽日是對賽車結構設計、成本控制和總結答辯進行考核，而第二比賽日是對賽車在各項指標進行比拼。其比賽關注重心在于對車輛底盤的結構設計，而且每支參賽隊給予一個特定的發(fā)動機。在過去的歷屆 賽中所收到的效果可以說是近乎完美。 在 得于世矚目的成就蒸蒸日上的時候，主辦方邀請美國汽車的三大龍頭企業(yè)共同創(chuàng)辦更高水平的賽事即 事。 事較之前的比賽有很多的改進，評定規(guī)則更加細致完善。其中最主要的修改是放款對發(fā)動機的要求，致使參賽用車的性能有所加強。在西方工業(yè)發(fā)達的國家，多年的籌備經(jīng)驗和雄厚的投資，使得個支參賽隊伍使用的賽車具有很高的專業(yè)程度。其賽車的最高行駛速度可以跑到二百公里每小時，百米加速為五秒左右。 許多領域都取得了滿意的成績，并且游戲一直保持著發(fā)展的趨勢 [ 4 ]。 2009 美國麻省理工學院針對 車，第一個使用雙橫臂的前懸架。運用推桿與立柱使之成為一個整體從而阻止下橫臂發(fā)生應力的集中。在那時是一個很大的創(chuàng)舉 [5]。 7 2 懸架的建立 車懸架的選擇 雙橫臂式的獨立懸架也能夠分為很多種，其中依據(jù)上下橫臂的長度特性被分為上下橫臂長度相同與上下橫臂長度不相同兩類 [6]。車輪在路面行駛時作上下的跳動過程中，等長雙橫臂的前懸架將維持主銷傾角穩(wěn)定不發(fā)生變化，與此同時輪距將產(chǎn)生不小的變動，這種現(xiàn)象會導致輪胎磨損情況加劇降低輪胎壽命，因此在實際中使用較少。取而代之的是不等雙橫臂的懸架，只要 合適的調(diào)整上、下橫臂長度并且進行合理設置，并將車輪各項參數(shù)范圍限制在要求之內(nèi)，這種不太大的輪距變動，不會造成路面打滑，彌補橡膠車輪的彈性變形。所以不等長的雙橫臂式的獨立懸架可以確保汽車在行駛過程中的良好性能和感覺，因此中高端汽車頗為青睞。作為雙橫臂懸架的一大亮點即設計的可變性，進而利用適當選取標準向桿系的連接中心地方導向臂的長度，懸架有一個合理的運動特性，并產(chǎn)生一個合適的雙中心，即為側傾與縱傾雙心。 在連接處使用橡膠材質(zhì)的零件，可以很好的降低震動幅度和減小噪聲，并且能在較大范圍里補償由立體導向結構因為雙橫臂 擺動引起的非正常接觸。當各點受到較小的力時，橡膠零件的變形量將變小，致使車輪導向系統(tǒng)與位置確定系統(tǒng)的精確度提高。有實驗分析可知，當增大上下橫梁的垂線間距增大時，連接點的作用力將降低。并且，在選擇連接點位置的時候要多方面考慮包括懸架運動參數(shù)和結構參數(shù)。 雙橫臂式懸架中大量使用彈性零件，其中彈性零件有很多包括：空氣彈簧、扭桿彈簧、螺旋彈簧和鋼板彈簧等等 [7]，而作為使用率最高的彈性元件為螺旋彈簧。雙橫臂式懸架被廣泛應用在車輛的前后懸架，在前驅(qū)動橋懸架安裝雙橫臂式懸架時，特別要注意在結構設計時一定要預留出擺動半軸 的安裝空間。解決這一結構性為采用兩種方式，其中一種方式是將彈簧放于在上控制的臂上，但是這種解決方式的不足之處就是在于減少了上、下橫臂的之間垂線方向間距與彈簧行程，并且會將振動直接傳遞到車身的最前端。而另一種方式是使用專門地形構件為擺動半軸留出安裝位置。 8 圖 2減振器放置于上控制臂的上懸架 根 據(jù)上面的闡述 ， 本次的設計初步的選擇使用前驅(qū)動橋的獨立雙橫懸架結構，其結構形式選擇使用專門叉型構件這將為半軸流出相應空間。 懸架參數(shù)設計 表 2車參數(shù) 參數(shù)名稱 數(shù)值 賽車長度 /800 賽車高度 /260 軸距 /720 前輪輪距 /240 后輪輪距 /180 賽車質(zhì)量 /30 最高車速 /(km/h) 120 平順性影響的各項參數(shù) 前和后的載荷比 46:54 汽車偏頻計算公式如下： 11111 π21π21? 9 s 1 s 1其 中 g 為 重 力 加 速 度 其 值 取 ， c 為 前 懸 架 剛 度 ， G 為 前 后 懸 架 的 簧 載 質(zhì) 量 。度計算 靜撓度計算； 11111 π21π21?? ? ????????nf c? 62撓度計算： 懸架的動撓度表示的是車輛懸架處于穩(wěn)態(tài)時，對懸架進行擠壓直到達到其承受的最大變化量。致使懸架動撓度在要求范圍內(nèi)必須足夠大，以避免緩沖塊在壞路上的碰撞。選用70。 賽要求懸架行程大于等于 此可以得到 與 兩個參數(shù)做加法的結果大于等于 ]。 2706211 ????? 由此可得，符合使用要求。 載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量 因為， 賽用車整體的重量為 280以賽車整體的總重是 10 M = 2 8 0 8 0 = 3 6 0 K G? 。 查閱相關參考文獻，了解到 車中彈簧所承受的重量約為車體總重量的百分之八十二，所以彈簧所承載的重量約為 ]。中前懸架承擔的重量為百分之四十六，因此可以計算出每個前輪所承擔的重量約為 15 旋彈簧的設計 旋彈簧類型的選擇 采用了車輛中普遍使用的螺旋彈簧。 車采用的是內(nèi) 置彈簧和阻尼零件達到美觀的效果，并巧妙的使用推拉桿與搖臂盤的固定搭配 [10]，實現(xiàn)與外置相類似的作用。在實際賽場行駛中，因為外界等因素的影響，需要通過懸架的性能來確定不同的參數(shù)設置，并采用個性的結構設計，可以實現(xiàn)懸架參數(shù)的調(diào)整，滿足比賽的要求。因為 車在比賽跑道中行駛的速度是很快的，所以產(chǎn)生的沖擊也是非常大的，假設使用的彈簧剛度太大，將致使懸架抗沖擊能力差，破壞車輛的穩(wěn)定性。所 以 設 計 過 程 中 適 當 的 減 小 彈 簧 剛 度 。 選 取 彈 簧 的 參 數(shù) 為 ： 最 大 工 作 F = 3 6 0 0 N ， 最 大 變 形 量 為 5 0 m m 。圖 2簧結構 11 表 2 載 質(zhì) 量 與 非 簧 載 質(zhì) 量 比 例 關 系 簧的關計算 （ 1） 選材料，確定許用應力 ??? ： 查閱彈簧的參數(shù)手冊，了解到其相關載荷參數(shù)。經(jīng)過總結分析，選取的彈簧類型及相關參數(shù)為： 彈 簧 鋼 絲 （ 6 0 2 ） ， 其 中 = （ 0 . 4 0 . 4 7 ）s i M n A ??????，初選 d=8mm，1 6 1 8 M P a ， = （ 0 . 4 0 . 4 7 ） = 6 4 7 . 2 7 6 0 . 4 6 M P a? ? ??? ???[11]。 因此選取 ? ? 。 （ 2） 初選旋繞比 C ： 表 2繞比的參考值 d 8 7選旋繞比 C=7 12 （ 3）曲度系數(shù) K 的計算： 21 4 ????? ? ? ???? ?根據(jù)公式計算判斷，在初選值 d=8無法達到所需要的強度，因此需要重新選取 d，經(jīng)過系列計算可得到，當 d=10算出的 τ 值達到所需要的強度。因此最終選取 [τ]=730C=6。 [12] 所以求出 K： 4 ????? ? ? ????? 符合強度要求 （ 4） 彈簧外徑 2D ： 01062 ???? （ 5）有效線圈 n ： 05079008 3 432m a a x ????????取 n =6 兩端各取一支承圈，則彈簧總圈數(shù)為 8 （ 6）完全并緊高 s 2)1(??? 3 s 8(?????? （ 7） 設計 H 和 ： 力，為設計載荷時彈簧的受 ，為設計載荷時彈簧的高 懸架高度。 13 M p 21382 1 ????初步選擇 30? ， 00? （ 8） 確定 1f ， 2f ： c 621 ?? 02 ? （ 9） 計算 1p 、 2p 和 ： ? ? ? ? M p 2 4 ???????? M p 411 ???????? M p 0 422 ???????（ ? ? ? ? M p 0 41 0 01 3 4 ???????? 其中： 12為 彈 簧 完 全 壓 緊 時 的 載 荷 ；為 工 作 壓 縮 極 限 位 置 的 載 荷 ；, 為 臺 架 實 驗 伸 長 、 壓 縮 極 限 位 置 對 應 的 載 荷 。10） 計算 剪切應力 m a x 321 ???? ，，， ： 6?C ， M p 62 5 211 ?? ????? ?? M p 0 92 5 222 ?? ????? ?? M p 2 32 5 23 ?? ????? ?? M p 688 22m a xm a x ?? ????? ?? （ 11） 校核 ： ，a x ?? ? ? ? ? M p aM p a 7 3 2m a x ??? ?? 14 所以強度符合要求。 （ 12） 壽命計算： ????????n? ?? ? ? ? ? ?? ? 1 3 21 5 6 ??? ????? ?? ??? ?? 3 2 0 51 3 0 ?????? （ 13） 彈簧自由 高 0H 和最小工作高度 41 3 00 ????? 。700 ? ????? ? （ 14）穩(wěn)定性校核： 根據(jù)彈簧特性可知，彈簧 H/處于穩(wěn)定結構 [13]。 ? ? 00 ????? ?? 所以彈簧穩(wěn)定。 振器設計 振器及其形式的選擇 減震器顧名思義是吸收車輛行駛中地面的沖擊與彈簧反彈的能量。通過顛簸路面時，輪胎受到的沖擊被彈簧所吸收，但是在彈簧恢復過程中，減震器又將彈簧的能量吸收。如果減震器偏軟，車子自身會在上下方向移動，若果減震器偏硬，將影響彈簧的正常使用。 在前懸架廣泛使用的減震器類型是液體減震裝置，其內(nèi)部裝有液體。在車體震動時，減震器內(nèi)部的液體起到緩沖吸能作用，并將能量轉(zhuǎn)換成熱量，符合能量守恒原理。在減震器伸長或者壓縮其中一個過程中進行能量的釋放，我們把這種減震器 15 叫做單作用減震器，而若兩個過程都進行能量的釋放，即為雙作用減震器。因 為雙作用減震器的能量釋放效率較高穩(wěn)定性好，所以本設計中選用雙作用減震器。 減震器的分類多種多樣，搖臂式與筒式是采用機械構造不同的標準被分成的兩類 [14]。在筒式減震器這一大類中，又采用筒的類型作為標準將其分為單筒、雙筒與充氣筒式三大部分。根據(jù)實際情況，選用充氣式減震器。 對阻尼系數(shù) ? ???F 式中 F 為阻力， ? 為減振器阻尼系數(shù)。 圖 2 振 器 阻 力 - 位 移 特 性 和 阻 力 - 速 度 特 性 ? （式中 簧載質(zhì)量） 分析上述公式可得影響減震器阻尼效果的因素包括：不同剛度 c 和黃載質(zhì)量式。其式中 φ（相對阻尼系數(shù)） 的值較大，說明阻尼效果明顯減震速度快，造成大量的來自路面沖擊的能量傳給了賽車車架，致使車輛的顛簸感明顯。相反，較小的φ值，大大降低減震的速度，使大部分沖擊能量未被傳到車架，保持車輛的穩(wěn)定性。所 以在選取 φ 值時，應在允許范圍內(nèi)盡量的選取較小的值。查閱相關文獻得 φ 值的取值范圍 初選取值 φ= 振器阻尼系數(shù) 的確定 2? ?????? ???? 158 22 ????????????? s ??? 16 大卸荷力的確定 為了實現(xiàn)車身所受的較小的沖擊力，當賽車行駛過程中遇到較大沖擊并達到預先設置的參數(shù)時，減速器的卸載開關將被開啟，達到吸收能量的作用。減震器活塞速率被定義為卸荷速度 [15] ?? （ x? 一般為 A 為車身振幅，取 40? ， ? 為懸架固有頻率 ） ????? ?? NF x ??? ?? 振器尺寸的確定 對于減震器的尺寸來說，其核心參數(shù)為液壓缸的尺寸。算出液壓缸的直徑，其他尺寸參數(shù)查閱手冊得到。 其中： 為 液 壓 缸 最 大 允 許 壓 力 ， 范 圍 3 4 M p a ；為 連 桿 與 缸 筒 直 徑 之 比 ， 氣 筒 式 范 圍 0 . 4 0 . 5 。p????? 取 ,4p M p a? ?????? ? ? ???? ?? ? 取 0? 。 貯油筒直徑 ? ? 0～??取 0?壁厚為 材料為 20鋼。 工作缸行程 10? ，有效行程 0? ， 減振器總長 8070110 ??? 。 、下橫臂長度的確定 在車輛前懸架設計的過程中，本著減小輪距變化，實現(xiàn)降低輪胎的磨損，延長 17 輪胎的使用壽命的原則，所以上下橫臂長度之比選定為 右；本著降低前輪定位角度的變化，實現(xiàn)車輛較好的駕駛樂趣和操控性的原則，所以上下橫臂長度之比選定為 1 左右；綜合所有因素分析，初步選定上下橫臂長度之比為 601 ? ， 上擺臂長度 502 ? 。 向 穩(wěn)定桿 設計 在汽車參數(shù)中，行駛平順性是一關鍵參數(shù)。然而在提到行駛平順性的同時，汽車固有頻率降低，引起前懸架垂直的剛度降低，致使車輛轉(zhuǎn)彎穩(wěn)定性降低。因此，使用穩(wěn)定桿的橫向結構，其目的為了增加 車懸架結構的側傾角剛度，從而達到 車行進中的平穩(wěn)度。穩(wěn)定桿的參數(shù)由車輛參數(shù)來決定。 定桿直徑計算 由公式? ? ? ??????? ??????? 中： 54為 角 剛 度 ；為 材 料 的 彈 性 模 量 ， E = 2 x 1 0 M p a ；I 為 穩(wěn) 定 桿 的 截 面 慣 性 矩 ， I= ；64為 穩(wěn) 定 桿 兩 端 間 距 離 其 余 變 量 ； 穩(wěn)定桿材料為 60 根據(jù)穩(wěn)定桿的機械結構與懸架的側傾角 剛度的指數(shù)為基礎，來計算穩(wěn)定桿結構尺寸即直徑。 ? ? ? ?23 3 24 1221 2 8 1 432l a a b l b ? ??? ? ? ? ? ????? 根據(jù) 車設計的車輪間距為 1300得： 28 0 0 , 6 0 , 4 3 , 1 7 7 , 1 8 02LL m m l m m a m m b m m C a b m m? ? ? ? ? ? ? ? 64360 222221 ????? 18 懸架側傾角剛度的計算： '1221 b ?? （ B 為輪距， '1K 為線形剛度） 因為目前的剛度計算涉及獨立懸架的具體結構，所以公式 2'1 2 ???????在計算分析中并沒將鉸鏈機構中的彈性元件對導向系統(tǒng)的影響參考進去。 ? ? ? ?? ?4 22338 003128 ?????????? ? 8 5 ? 取 9? 。 沖塊 緩沖塊是與主彈性元件并連在一起的非線性彈性元件。由于車輛在高速行駛中，很容易發(fā)生強沖擊，其就是在強沖擊時其吸收一部分沖擊載荷，避免懸架被“擊穿”結果的發(fā)生，保護車輛的前懸架。 根據(jù)參賽用 輛在車架里裝有減震器，由此選定前懸架下橫臂作為緩沖塊的安裝位置，并通過加裝推桿支撐座用來對緩沖塊位置限制固定。 行駛途中路面平整性差異，致使車輪跳動其范圍是 ±50車輪跳動過程中達到最大跳動位置時，可以得出 下 橫 梁 與 書 平 面 夾 角 ： ???? o 下橫臂的運動夾角范圍 ± 據(jù)計算可以看出，在下橫臂跳動達到最大跳動限度時的推桿同水平組成的角度為40°和 56°。 緩沖塊的基本尺寸 對 前懸架進行三維建模 傳統(tǒng)車輛的多連桿懸架結構優(yōu)勢在于可以過濾掉大部分的震動，和輪胎多余的 19 彈跳，重新調(diào)整優(yōu)化后相比于未優(yōu)化前，對車輪的控制大大增強，讓每一根連桿都能發(fā)揮出最大性能，以更小的型變量來控制車輪，從而滿足轉(zhuǎn)向機構剛度和車輪定位參數(shù)的匹配 。 參照 車 模型的建立條件及假設如下 : a) 車輛底盤及副車架均為剛性體； b) 輪 轂 、 轉(zhuǎn) 向 橫 拉 桿 和 各 連 桿 均 為 剛 性 體 ； c) 將懸架中所有結構均視為剛體 圖 3懸架上控制臂 20 圖 3懸架下控制臂 圖 3 的模型 表 3型中懸架的部分硬點坐標 硬點名稱 初始坐標 mm x y z 上前連桿與副車架連接點 前連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點 后連桿與副車架連接點 45 21 上后連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點 0 前連桿與副車架連接點 前連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點 后連桿與副車架連接點 后連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點 后連桿與副車架連接點 0 后連桿與轉(zhuǎn)向節(jié)連接點 震器上鉸接點 震器下鉸接點 前車輪輪心 0 懸架運動學參數(shù)的分析 運動仿真分析是不可缺少的一步，也是較為關鍵的一步。主要是模擬行駛過程中的相關數(shù)據(jù)。為達到模擬運動仿真的最佳效果，參照表 車性能參數(shù)，對其各參數(shù)進行設定。其中， 仿 真 步 數(shù) 為 90 車 輪 跳 動 量 為 45 表 3車性能參數(shù) 參數(shù)名稱 數(shù)值 賽車長度 /800 賽車高度 /260 軸距 /720 22 前輪輪距 /240 后輪輪距 /180 賽車質(zhì)量 /60 最高車速 /(km/h) 120 運用軟件分析，結論如圖 3圖 3示。 圖 3示為前束角變化曲線?，F(xiàn)代車輛中，后輪前束角理想狀態(tài)為 : 在上跳過程中，其值為 0，即－ 0． 4° / + 50后輪下跳過程中，其值如圖所示，且曲線變化呈線性。從圖 以看出，車輛的懸架機構的前限制角值是 +50特點為零前限制角或弱負前限制角，能保證車輛行駛的直線穩(wěn)定性及車輛的不足轉(zhuǎn)向特性。由此可見，前限制角滿足設計要求。 圖 限 制 角 隨 車 輪 上 下 跳 動 的 變 化 曲 線 圖 3示為前輪輪距變化曲線，后輪輪距變化量較為理想的變化特征 : 后輪在上下跳動過程中，輪距變化盡可能的小，其值變化的范圍是 ± 10 ±50圖 知，前輪在上跳過程中范圍 100合理想值。因此，前輪輪距變化量滿足設計要求。 23 圖 輪 輪 距 變 化 量 隨 車 輪 上 下 跳 動 的 變 化 曲 線 圖 示為后輪外傾角的變化曲線。后輪外傾角較為理想的變化特征 : 后輪在上跳過程中，后輪外傾角減小，其值變化范圍為 ( － 2． 0°～ － 1． 5° ) / + 50在下跳過程中，外 傾角的值趨向正數(shù)方向變化，而變化值為 ，因此，滿足設計要求。 圖 3 后 輪 外 傾 角 隨 車 輪 上 下 跳 動 的 變 化 曲 線 根據(jù)圖 關系圖可以得到主銷內(nèi)傾角變化趨勢特點：在前車輪作縱向移動過程當中，主銷內(nèi)傾角的波動區(qū)域為 0° — 12°，然而當主銷內(nèi)傾角的值較大的時候，車輪與路面之間的相對滑動將變得很嚴重，致使輪胎損傷嚴重壽命降低、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)遲鈍。圖 示的內(nèi)傾角為 3° ～ 7°，因此符合設計要求。 24 圖 3 銷 內(nèi) 傾 角 隨 車 輪 上 下 跳 動 的 變 化 曲 線 根據(jù)圖 關系圖可以得到主銷后傾角變化趨勢特點：在前車輪作縱向移動過程當中，主銷后傾角的波動區(qū)域為 0° — 4°。圖 示的主銷后傾角為 0° ～ 3°同樣，主銷后傾角滿足設計要求。 圖 3 銷 后 傾 角 隨 車 輪 上 下 跳 動 的 變 化 曲 線 25 4 控制臂 的 有限元分析 限元法的介紹 有限元法是一種先進，快速的方法。早期有限元法是以數(shù)學微分知識為基礎發(fā)展起來的，有限元法被廣泛應用到各個領域各個行業(yè)，并且可以被應用于所有能用微分方程所表示的各種工程現(xiàn)場?；舅枷?:需要定義材料的泊松比來求極值解。由平衡方程推導在實際物理模型用于每一個點 ,創(chuàng)建一個方程組。為此稱之為有限元方法。 有限元分析方法的建立時基于彈性力學的基礎之上的，因此此方法一定符合彈性力學中五種基本假設： 有限元的理論依據(jù)如下： a） 將實體單元進行網(wǎng)格劃分，然后根據(jù)網(wǎng)格求解。這就是有限元的核心思 想，分別將算好的網(wǎng)格進行匯總，并求解總 體應力圖。 b）根據(jù)未知常函數(shù)和在各模塊核心點的導數(shù)數(shù)值插入值函數(shù)來求得和的近似函數(shù)。因此，可以說兩個相鄰的地方，節(jié)點是相同的，并將他們看做是解決基本的未知數(shù)。所以你可以原始和無限個自由度的場函數(shù)問題轉(zhuǎn)化為解決公共節(jié)點有限的流動性問題。 c）應用加權余法或原始模型的等效數(shù)學模型，建立微分變分原理的未知量方程和代數(shù)方程，原問題的近似解的數(shù)值方法。以及解決域幾何形狀是不規(guī)則的，然而，固體結構方程的問題通常是基于整合的對象坐標系統(tǒng) (拉格朗日坐標系 )，因此 ,應用有限元方法更合適。有限元法從它的等效數(shù)值積分形式。等效 積分加權殘余法的一般形式，它是一種常見的方程，在此基礎上的發(fā)展，如搭配法，矩法、最小二乘法和伽遼金法等多種近似算法。相應的解決方法是價值轉(zhuǎn)化為解決功能問題 ,代表方法里茲方法。傳統(tǒng)有限元法 (加權殘余法和變分法，使得有限元方法解決問題的科學和技術是一個強大的工具。 制臂有限元模型建立 何模型 26 控制臂的傳統(tǒng)工藝鑄造或鍛造，使用鑄造和鍛造不僅可以節(jié)約成本，并且可以為整個控制臂的零部件設計打下基礎。此外，控制臂零部件都是有大型沖壓設備沖壓制成，雖然在成產(chǎn)中加大了制造難度，但是它使連接部分具有了互換性，而鑄件和鍛件連接部分失校后盡快替換整個組裝。本文所探討的控制臂采用鋼板。 圖 4壓成型的工藝有限元模型 上圖顯示，控制臂主要由四部分組成，推桿座，球餃接座，安裝襯套和推桿。套管內(nèi)外組裝用金屬襯套 ,橡膠襯套、連接螺栓、螺母等。考慮到控制拉桿裝配有一個螺旋彈簧，從而留住彈簧支座。部分零件加工成形后，焊 接而成，會受到來自不同方向的扭矩，例如側向的側向力矩。 格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量控制 在網(wǎng)格劃分之前要對模型進行分析，判斷使用哪種劃分方式及參數(shù)的選擇，然后對模型所要劃分網(wǎng)格區(qū)域進行選取與計算。因為組裝的控制桿，所以考慮推桿座，球餃接座，安裝襯套和推桿的連接。使用自動網(wǎng)格工具和設置網(wǎng)格大小、網(wǎng)格控制臂后如圖所示。應該盡可能多的增加網(wǎng)格的數(shù)量，并且將網(wǎng)格劃分成四邊形，通過這兩個措施，可以大幅度的提高網(wǎng)格的質(zhì)量，使計算結果盡可能的精確。本次劃分共得到個 40707 單元， 44012 個節(jié)點。網(wǎng)格劃分如下圖， 27 圖 4格的劃分結果 料屬性定義 查閱材料手冊，得到控制臂材料的各個參數(shù)如下： 533 的 料 厚 5 m m ；彈 性 模 量 = 2 . 0 6 1 0 ；泊 松 比 = 0 . 3 ；密 度 = 7 . 8 5 1 0 / ；屈 服 強 度 = 4 4 5 M p a ；抗 拉 強 度 = 6 0 0 M p a 。E M p ak g m??????輸入材料原始參數(shù)；在前處理中 行設置，將 5入；之后應用到每一個小網(wǎng)格中。完成網(wǎng)格的材料屬性定義。 性釋放及模型的約束與加載 由于 橡膠襯套安裝在了控制臂與副車架和轉(zhuǎn)向節(jié)之間 ,橡膠襯套將會發(fā)生六個自由度的彈性形變，例如位移或旋轉(zhuǎn) ,所以應用固定約束控制臂襯套的地方不能夠很準確地反映出約束狀況 ， 為了解決這一問題，采用慣性釋放的方 法 [15]。分析 ,假設結構處于靜力平衡狀態(tài) ,關鍵點的六個自由度的約束 (軸承 )，然后對模型施加外力，分別算出平衡狀態(tài)下每一關鍵點上的 個方向上的速度、加速度及合速度。 型極限工況控制臂結構有限元分析 將控制臂的三維模型上傳到 帶的求解器中計算。通過施加約束和載荷，最后可以得到最大形變量圖和最大應力圖，通過后處理模塊，打開云圖，查看 28 控制臂的推桿應力分布和變形狀況。 速工況 圖 4速工況推桿等效位移圖 圖 4速工況推桿等效應力圖 上邊兩圖分別是推桿在賽車發(fā)揮極限性能加速工況下的等效位移圖和等效應力圖。推桿最下邊的支座，根據(jù)圖以看出在推桿的軸向力方向和控制臂之間有一個夾角，彈簧恢復的巨大彈力是順著支座傳向控制臂的最下邊。造成了控制臂最下邊發(fā)生位移變化，如圖 4知位移變化呈現(xiàn)出度梯形變化。然而這個梯度形狀與控制臂形狀基本相同，其產(chǎn)生的最大位移是 時，推桿收到了來自輪胎所傳遞過來的力矩，推桿最深的地方將會收到來自車架傳遞過來的不同方向的剪切力，因此，此位置的應力相比于其他地方是最大，大小為 在其他位 置，推桿所受的應力較小。此外，在下蓋板的內(nèi)套筒、外套筒處，將會有一小部分的作 29 用力，局部最大應力值分別為 據(jù)上述分析，所有的應力都低于材料的屈服強度 445此達到安全標準，推桿的設計符合要求標準。 向工況 圖 4向工況推桿等效位移圖 圖 4向工況推桿等效應力圖 根據(jù) 析軟件得出的結果可以得到如下結論： a）由圖例可知，分析圖中的藍色區(qū)域表示的是應力小的地方，紅色區(qū)域表示的是承受的應力大的地方； b）由分析圖可知，在 X 軸方向上產(chǎn)生的應力最大值為 3040 Y 軸方向上產(chǎn)生的應力最大值為 18849 Z 軸方向上產(chǎn)生的應力最大值為 3965關鍵點產(chǎn)生的應力最大值為 26231 c）由于材料的屈服強度 445且所有點的應力值都低于 [σ]，所以符合 30 強度要求。 31 5 結論 隨著計算機科學的快速發(fā)展，模擬仿真軟件迅速興起，對機械結構設計意義重大。以本文為例，對方程式賽車的前懸架系統(tǒng)的設計中，模擬仿真具有十分重要的意義，其大大減少設計的時間和做實體實驗的資金投入。通過模擬仿真，實現(xiàn)在沒有實體實驗的情況下，得到設計過程中需要的數(shù)據(jù)參數(shù)，并進行力學分析避免實體實驗失敗的風險。 本文以 賽用車的設計為畢竟， 針對其前懸架進行設計與分析，參照日前大量應用在高端轎車中的獨立上橫臂懸架為基本框架，使用 三維建模軟件來設計，并使用 行了前懸架下控制臂的 向工況并且進行了共振分析。具體的應力與應變分析步驟如下： （ 1）首先通過計算的方法確定懸架的基本參數(shù)，根據(jù)參數(shù)來進行建模，及裝配。 （ 2）簡化模型的基礎上 ,根據(jù)硬點坐標的三維模型建立了 車前懸架仿真虛擬模型 ; （ 3）仿真模型的仿真分析。四輪定位參數(shù)分析了懸架系統(tǒng)、輪距曲線平行輪跳動的變化，然后利用 塊的一部分 ,更大范圍優(yōu)化的參數(shù)曲線 ,并進行運動學仿真 ,對比曲線 ,優(yōu)化后的懸架可以改善汽車的操縱穩(wěn)定性 ; （ 4）建立前懸架的下控制臂的有限元模型，進行了 速工 況， 向工況和共振分析計算。分析了下控制臂在三種工況下的變形以及應力云圖，根據(jù)變形和應力云圖得到大應力及變形量，說明符合設計要求。 本說明書的設計與分析過程，完全可以指導獨立雙橫臂前懸架的結構設計與分析優(yōu)化， 降低研發(fā)周期，減少研發(fā)實驗投資，加強 輛的特性，創(chuàng)造