FSAE电动赛车前悬架结构设计与分析【双横臂式悬架优秀课程毕业设计含5张CAD图纸带任务书+开题报告+中期报告+答辩ppt+外文翻译】-clsj24

FSAE电动赛车前悬架结构设计与分析【双横臂式悬架优秀课程毕业设计含5张CAD图纸带任务书+开题报告+中期报告+答辩ppt+外文翻译】-clsj24FSAE电动赛车前悬架结构设计与分析【双横臂式悬架】摘要：本设计对FSAE赛车前悬架的结构及特点进行比较，综合比对选取适合的悬架结构形式，最终确立FSAE电动赛车的前悬架采用双横臂式悬架结构；根据赛车参数，进行了大量的计算，根据数据确立了前悬架的尺寸，材料，以及悬架部件的选取以及参数，对影响安全性的零件，例如横向稳定杆和缓冲块都有明确的计算与设计，然后进行ADAMS建模、优化，最终确认主销外倾角，主销内倾角，均满足设计要求。随之选用 proe软件对FSAE前悬架实施3D图形的创造；在建立三维模型的过程中，根据零件的三维坐标，生成三维模型，这样的精确度高。再后，使用有限元分析软件ANSYS对整体结构进行静态分析和动态分析，在静态分析中，均符合设计要求，在动态分析中，着重对在0.5g加速状态和0.95g转弯状态下进行有限元分析，前悬架下控制器在这两种严格的工况下，所产生的应力集中问题，和应力变形问题，对这两种问题进行分析比对，对应力集中现象，都小于材料的屈服极限，说明满足安全的要求，对应力变形问题，也同样满足设计要求。本次FSAE赛车的前悬架完全符合设计要求。关键词：FSAE赛车；悬架；校核；有限元；Design and Analysis of Front Suspension Structureof FSAE Electric RacingAbstract：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  录摘要. IAbstract.II1.绪论.11.1国内研究现状.11.2国外研究现状.22. FSAE前悬架的建立.32.1 FSAE 赛车悬架的选择.32.2前悬架参数设计.42.2.1对平顺性影响的各项参数.42.2.2挠度计算.52.2.3簧载质量与非簧载质量.52.3螺旋弹簧的设计.62.3.1螺旋弹簧类型的选择.62.3.2弹簧的关计算.72.3减振器设计.102.3.1减振器及其形式的选择 .102.3.2相对阻尼系数.112.3.3减振器阻尼系数的确定.112.3.4最大卸荷力的确定.112.3.5减振器尺寸的确定.122.4上、下横臂长度的确定.122.5横向稳定杆设计.122.5.1稳定杆直径计算.132.6缓冲块.143. 对FSAE的前悬架进行三维建模.153.1前悬架运动学参数的分析.174.控制臂的有限元分析.204.1有限元法的介绍.204.2控制臂有限元模型建立.204.2.1几何模型.204.2.2网格划分及网格质量控制.214.2.3材料属性定义.224.2.4惯性释放及模型的约束与加载.224.3典型极限工况控制臂结构有限元分析.224.3.1 0.5g加速工况.224.3.2 0.95g转向工况.235.总结与展望.255.1总结.255.2展望.26参考文献.27致谢.28【详情如下】【需要咨询购买全套设计请加QQ1459919609】FSAE电动赛车前悬架结构设计与分析.docxFSAE电动赛车前悬架结构设计与分析任务书.docFSAE电动赛车前悬架结构设计与分析开题报告.docFSAE电动赛车前悬架结构设计与分析答辩ppt.pptx上横臂A1.dwg下横臂A1.dwg前悬架推杆A2.dwg双横臂前悬架装配图A0.dwg外文翻译.docx文件清单.txt立柱A1.dwgFSAE电动赛车前悬架结构设计与分析 I 动赛车前悬架结构设计与分析 摘要 ： 本毕业设计对 车前悬架的结构及特点进行比较，综合比对选取适合的悬架结构形式，最终确立 动赛车的前悬架采用双横臂式悬架结构；根据赛车参数，进行了大量的计算，根据数据确立了前悬架的尺寸，材料，以及悬架部件的选取以及参数，对影响安全性的零件，例如横向稳定杆和缓冲块都有明确的计算与设计，然后进行 模、优化，最终确认主销外倾角，主销内倾角，均满足设计要求。随之选用 建立三维模型的过程中，根据零件的三维坐标，生成三维模型，这样的精确度高。再后，使用有限元分析软件 整体结构进行静态分析和动态分析，在静态分析中，均符合设计要求，在动态分析中，着重对在 速状态和 弯状态下进行有限元分析，前悬架下控制器在这两种严格的工况下，所产生的应力集中问题，和应力变形问题，对这两种问题进行分析比对，对应力集中现象，都小于材料的屈服极限，说明满足安全的要求，对应力变形问题，也同样满足设计要求。本次 完全符合设计要求。 关键词： 车 ； 悬架 ； 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 录 摘要 . . I .目录 . . . . . 内研究现状 . 外研究现状 . . . 2 2. 悬架的建立 . . 3 车悬架的 选择 . . 3 悬架参数设计 . . . . 对平顺性影响的各项参数 . 挠度计算 . 簧载质量与非簧载质量 .旋弹簧的设计 . . . . 螺旋弹簧类型的选择 . 弹簧的关计算 .振器设计 减 振器及其形式的选择 相对阻尼系数 . 减振器阻尼系数的确定 . 最大卸荷力的确定 . 减振器尺寸的确定 .、下横臂长度的确定 向稳定杆设计 . . 稳定杆直径计算 .冲块 . . 对 前悬 架进行三维建模 . . 15 悬架运动学参数的分析 . . . 17 . . . . . 20 限元法的介绍 . . .制臂有限元模型建立 . . . 20 何模型 . 20 格划分及网格质量控制 材料属性定 义 .惯性释放及模型的约束与加载 .臂结构有限元分析 . 速工况 向工况 . 23 . . . .结 . . 25 望 . . 26 参考文献 . . 27 致谢 . 28 5 1 绪论 中国大学生方程式汽车大赛 1（简称“中国 是针对职业教育汽车相关专业和高等教育车辆工程专业在读学生，设立的关于汽车的结构设计和创造的竞赛。由五名学生和一位老师带队参加比赛，比赛的主要内容和规则是：首先，给每支参赛队一年的时间，去完成比赛用车的设计与制造；然后，对比赛用车的加速性能、制动系统和操控性进行优化升级；最后，在主办地完成相应赛段的比赛。 我国 第一届 办于 2010 年，由中国汽车工程学会发起 2，国内汽车传媒的领头羊 易车（ 资，并引领着中国二十所大学汽车院系联合主办。“中国创造擎动未来”选定为 赛的标语，并以汽车基本理论教育与汽车生产基地为根基，坚持自我创新、独立研究和优中选优的原则作为大赛的准则。自从大赛举办以来，吸引了越来越多的高效学生组队来参加，充满一片欣欣向荣的景象。 赛举办的目的是：（ 1）提高在校大学的创新意识和动手实践能力，积累实践经验，让书本中的知识真正应用于实践中去，提高学生们的结构设计 、制造工艺、成本核算和团队合作这四个方面的能力；（ 2）搭建我国汽车相关技能的教育与选拔平台；（ 3）为我国汽车行业储备和训练高水平人才，让我国从“制造大国”成为“制造强国”。 赛本质上是学生竞赛，并没有利益关系的公益事业。其运营模式将优秀高等院校学生科研资源与社会制造资源融合在一起，吸引社会投资赞助。本论文在 赛的背景下，对参加比赛的赛车的前悬架结构进行设计，并完成各项参数的分析。 内研究现状 21 世纪以后，我国在悬架方面，有了较快的进步。西安交通大学，阮教授通过 件对 架进行分析，通过定义参数，对最后生成的数据进行分析对比，最终确定了悬架模型。汽车企业通过对虚拟仿真的应用降低了生产成本并且减少研发所需时间。如北京汽车公司，通过有限元分析汽车悬架 4。优化并开发出新型的结构，例如北京理工大学张利军索研究三维橡胶组件，尽管 是属于方程式，但从悬挂的研究切入点来说和一般家用汽车有很多的相似之处，利用 6 块优化悬挂参数来改善悬架的性能。清华大学李教授使用 块对轮胎定位参数的分析和优化。 中国开始推行 事是从 2010 年开始的，国内大 学生团队发展迅速，根据 2013 年的实际情况比赛团队已经扩大到 60 多个。五十余所高校参与其中。通过不断地发展创新，我国悬架的设计已经取得了理想的成绩，如 :上海交通大学的边界处理以及整个汽车的制造和测试的细节。湖北大学的第一辆车。本文借鉴真控制原理，将汽车的操纵稳定性和转向性能进行了测试。这将有助于解决这些问题，在八零年代 ,研究人员在国外勘探进悬架运动学的基础上，结合大量的制造商对汽车悬架运动学特性的应用程序的实例进行了大量的试验，最终得出一系列的相对完整的理论结果。 外研究现状 从全球的层 面来看，目前只有美国、欧洲和澳洲这三个地区有学生 事。在 70 年代的中期，美国的多所知名大学相继举办 事，为学生们提供了自我动手与创新平台。 大赛名称沿用了世界文明的 西哥汽车比赛 3。 1976 年顺利完成第一次 赛，自此该比赛成为这个地区年度盛世。比赛规则采用三个指标组成，并分为两个比赛日进行，第一比赛日是对赛车结构设计、成本控制和总结答辩进行考核，而第二比赛日是对赛车在各项指标进行比拼。其比赛关注重心在于对车辆底盘的结构设计，而且每支参赛队给予一个特定的发动机。在过去的历届 赛中所收到的效果可以说是近乎完美。 在 得于世瞩目的成就蒸蒸日上的时候，主办方邀请美国汽车的三大龙头企业共同创办更高水平的赛事即 事。 事较之前的比赛有很多的改进，评定规则更加细致完善。其中最主要的修改是放款对发动机的要求，致使参赛用车的性能有所加强。在西方工业发达的国家，多年的筹备经验和雄厚的投资，使得个支参赛队伍使用的赛车具有很高的专业程度。其赛车的最高行驶速度可以跑到二百公里每小时，百米加速为五秒左右。 许多领域都取得了满意的成绩，并且游戏一直保持着发展的趋势 4 。 2009 美国麻省理工学院针对 车，第一个使用双横臂的前悬架。运用推杆与立柱使之成为一个整体从而阻止下横臂发生应力的集中。在那时是一个很大的创举 5。 7 2 悬架的建立 车悬架的选择 双横臂式的独立悬架也能够分为很多种，其中依据上下横臂的长度特性被分为上下横臂长度相同与上下横臂长度不相同两类 6。车轮在路面行驶时作上下的跳动过程中，等长双横臂的前悬架将维持主销倾角稳定不发生变化，与此同时轮距将产生不小的变动，这种现象会导致轮胎磨损情况加剧降低轮胎寿命，因此在实际中使用较少。取而代之的是不等双横臂的悬架，只要 合适的调整上、下横臂长度并且进行合理设置，并将车轮各项参数范围限制在要求之内，这种不太大的轮距变动，不会造成路面打滑，弥补橡胶车轮的弹性变形。所以不等长的双横臂式的独立悬架可以确保汽车在行驶过程中的良好性能和感觉，因此中高端汽车颇为青睐。作为双横臂悬架的一大亮点即设计的可变性，进而利用适当选取标准向杆系的连接中心地方导向臂的长度，悬架有一个合理的运动特性，并产生一个合适的双中心，即为侧倾与纵倾双心。 在连接处使用橡胶材质的零件，可以很好的降低震动幅度和减小噪声，并且能在较大范围里补偿由立体导向结构因为双横臂 摆动引起的非正常接触。当各点受到较小的力时，橡胶零件的变形量将变小，致使车轮导向系统与位置确定系统的精确度提高。有实验分析可知，当增大上下横梁的垂线间距增大时，连接点的作用力将降低。并且，在选择连接点位置的时候要多方面考虑包括悬架运动参数和结构参数。 双横臂式悬架中大量使用弹性零件，其中弹性零件有很多包括：空气弹簧、扭杆弹簧、螺旋弹簧和钢板弹簧等等 7，而作为使用率最高的弹性元件为螺旋弹簧。双横臂式悬架被广泛应用在车辆的前后悬架，在前驱动桥悬架安装双横臂式悬架时，特别要注意在结构设计时一定要预留出摆动半轴 的安装空间。解决这一结构性为采用两种方式，其中一种方式是将弹簧放于在上控制的臂上，但是这种解决方式的不足之处就是在于减少了上、下横臂的之间垂线方向间距与弹簧行程，并且会将振动直接传递到车身的最前端。而另一种方式是使用专门地形构件为摆动半轴留出安装位置。 8 图 2减振器放置于上控制臂的上悬架 根 据上面的阐述 ， 本次的设计初步的选择使用前驱动桥的独立双横悬架结构，其结构形式选择使用专门叉型构件这将为半轴流出相应空间。 悬架参数设计 表 2车参数 参数名称 数值 赛车长度 /800 赛车高度 /260 轴距 /720 前轮轮距 /240 后轮轮距 /180 赛车质量 /30 最高车速 /(km/h) 120 平顺性影响的各项参数 前和后的载荷比 46:54 汽车偏频计算公式如下： 11111 2121 9 s 1 s 1其 中 g 为 重 力 加 速 度 其 值 取 ， c 为 前 悬 架 刚 度 ， G 为 前 后 悬 架 的 簧 载 质 量 。度计算 静挠度计算； 11111 2121 nf c 62挠度计算： 悬架的动挠度表示的是车辆悬架处于稳态时，对悬架进行挤压直到达到其承受的最大变化量。致使悬架动挠度在要求范围内必须足够大，以避免缓冲块在坏路上的碰撞。选用70。 赛要求悬架行程大于等于 此可以得到 与 两个参数做加法的结果大于等于 。 2706211 由此可得，符合使用要求。 载质量与非簧载质量 因为， 赛用车整体的重量为 280以赛车整体的总重是 10 M = 2 8 0 8 0 = 3 6 0 K G 。 查阅相关参考文献，了解到 车中弹簧所承受的重量约为车体总重量的百分之八十二，所以弹簧所承载的重量约为 。中前悬架承担的重量为百分之四十六，因此可以计算出每个前轮所承担的重量约为 15 旋弹簧的设计 旋弹簧类型的选择 采用了车辆中普遍使用的螺旋弹簧。 车采用的是内 置弹簧和阻尼零件达到美观的效果，并巧妙的使用推拉杆与摇臂盘的固定搭配 10，实现与外置相类似的作用。在实际赛场行驶中，因为外界等因素的影响，需要通过悬架的性能来确定不同的参数设置，并采用个性的结构设计，可以实现悬架参数的调整，满足比赛的要求。因为 车在比赛跑道中行驶的速度是很快的，所以产生的冲击也是非常大的，假设使用的弹簧刚度太大，将致使悬架抗冲击能力差，破坏车辆的稳定性。所 以 设 计 过 程 中 适 当 的 减 小 弹 簧 刚 度 。 选 取 弹 簧 的 参 数 为 ： 最 大 工 作 F = 3 6 0 0 N ， 最 大 变 形 量 为 5 0 m m 。图 2簧结构 11 表 2 载 质 量 与 非 簧 载 质 量 比 例 关 系 簧的关计算 （ 1） 选材料，确定许用应力 ： 查阅弹簧的参数手册，了解到其相关载荷参数。经过总结分析，选取的弹簧类型及相关参数为： 弹 簧 钢 丝 （ 6 0 2 ） ， 其 中 = （ 0 . 4 0 . 4 7 ）s i M n A ，初选 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。 因此选取 。 （ 2） 初选旋绕比 C ： 表 2绕比的参考值 d 8 7选旋绕比 C=7 12 （ 3）曲度系数 K 的计算： 21 4 根据公式计算判断，在初选值 d=8无法达到所需要的强度，因此需要重新选取 d，经过系列计算可得到，当 d=10算出的 值达到所需要的强度。因此最终选取 =730C=6。 12 所以求出 K： 4 符合强度要求 （ 4） 弹簧外径 2D ： 01062 （ 5）有效线圈 n ： 05079008 3 432m a a x 取 n =6 两端各取一支承圈，则弹簧总圈数为 8 （ 6）完全并紧高 s 2)1( 3 s 8( （ 7） 设计 H 和 ： 力，为设计载荷时弹簧的受 ，为设计载荷时弹簧的高 悬架高度。 13 M p 21382 1 初步选择 30 ， 00 （ 8） 确定 1f ， 2f ： c 621 02 （ 9） 计算 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为 弹 簧 完 全 压 紧 时 的 载 荷 ；为 工 作 压 缩 极 限 位 置 的 载 荷 ；, 为 台 架 实 验 伸 长 、 压 缩 极 限 位 置 对 应 的 载 荷 。10） 计算 剪切应力 m a x 321 ， ： 6C ， 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 所以强度符合要求。 （ 12） 寿命计算： n 1 3 21 5 6 3 2 0 51 3 0 （ 13） 弹簧自由 高 0H 和最小工作高度 41 3 00 。700 （ 14）稳定性校核： 根据弹簧特性可知，弹簧 H/处于稳定结构 13。 00 所以弹簧稳定。 振器设计 振器及其形式的选择 减震器顾名思义是吸收车辆行驶中地面的冲击与弹簧反弹的能量。通过颠簸路面时，轮胎受到的冲击被弹簧所吸收，但是在弹簧恢复过程中，减震器又将弹簧的能量吸收。如果减震器偏软，车子自身会在上下方向移动，若果减震器偏硬，将影响弹簧的正常使用。 在前悬架广泛使用的减震器类型是液体减震装置，其内部装有液体。在车体震动时，减震器内部的液体起到缓冲吸能作用，并将能量转换成热量，符合能量守恒原理。在减震器伸长或者压缩其中一个过程中进行能量的释放，我们把这种减震器 15 叫做单作用减震器，而若两个过程都进行能量的释放，即为双作用减震器。因 为双作用减震器的能量释放效率较高稳定性好，所以本设计中选用双作用减震器。 减震器的分类多种多样，摇臂式与筒式是采用机械构造不同的标准被分成的两类 14。在筒式减震器这一大类中，又采用筒的类型作为标准将其分为单筒、双筒与充气筒式三大部分。根据实际情况，选用充气式减震器。 对阻尼系数 F 式中 F 为阻力， 为减振器阻尼系数。 图 2 振 器 阻 力 - 位 移 特 性 和 阻 力 - 速 度 特 性 （式中 簧载质量） 分析上述公式可得影响减震器阻尼效果的因素包括：不同刚度 c 和黄载质量式。其式中 （相对阻尼系数） 的值较大，说明阻尼效果明显减震速度快，造成大量的来自路面冲击的能量传给了赛车车架，致使车辆的颠簸感明显。相反，较小的值，大大降低减震的速度，使大部分冲击能量未被传到车架，保持车辆的稳定性。所 以在选取 值时，应在允许范围内尽量的选取较小的值。查阅相关文献得 值的取值范围 初选取值 = 振器阻尼系数 的确定 2 158 22 s 16 大卸荷力的确定 为了实现车身所受的较小的冲击力，当赛车行驶过程中遇到较大冲击并达到预先设置的参数时，减速器的卸载开关将被开启，达到吸收能量的作用。减震器活塞速率被定义为卸荷速度 15 （ x 一般为 A 为车身振幅，取 40 ， 为悬架固有频率 ） NF x 振器尺寸的确定 对于减震器的尺寸来说，其核心参数为液压缸的尺寸。算出液压缸的直径，其他尺寸参数查阅手册得到。 其中： 为 液 压 缸 最 大 允 许 压 力 ， 范 围 3 4 M p a ；为 连 杆 与 缸 筒 直 径 之 比 ， 气 筒 式 范 围 0 . 4 0 . 5 。p 取 ,4p M p a 取 0 。 贮油筒直径 0取 0壁厚为 材料为 20钢。 工作缸行程 10 ，有效行程 0 ， 减振器总长 8070110 。 、下横臂长度的确定 在车辆前悬架设计的过程中，本着减小轮距变化，实现降低轮胎的磨损，延长 17 轮胎的使用寿命的原则，所以上下横臂长度之比选定为 右；本着降低前轮定位角度的变化，实现车辆较好的驾驶乐趣和操控性的原则，所以上下横臂长度之比选定为 1 左右；综合所有因素分析，初步选定上下横臂长度之比为 601 ， 上摆臂长度 502 。 向 稳定杆 设计 在汽车参数中，行驶平顺性是一关键参数。然而在提到行驶平顺性的同时，汽车固有频率降低，引起前悬架垂直的刚度降低，致使车辆转弯稳定性降低。因此，使用稳定杆的横向结构，其目的为了增加 车悬架结构的侧倾角刚度，从而达到 车行进中的平稳度。稳定杆的参数由车辆参数来决定。 定杆直径计算 由公式 中： 54为 角 刚 度 ；为 材 料 的 弹 性 模 量 ， E = 2 x 1 0 M p a ；I 为 稳 定 杆 的 截 面 惯 性 矩 ， I= ；64为 稳 定 杆 两 端 间 距 离 其 余 变 量 ； 稳定杆材料为 60 根据稳定杆的机械结构与悬架的侧倾角 刚度的指数为基础，来计算稳定杆结构尺寸即直径。 23 3 24 1221 2 8 1 432l a a b l b 根据 车设计的车轮间距为 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 悬架侧倾角刚度的计算： 1221 b （ B 为轮距， 1K 为线形刚度） 因为目前的刚度计算涉及独立悬架的具体结构，所以公式 21 2 在计算分析中并没将铰链机构中的弹性元件对导向系统的影响参考进去。 4 22338 003128 8 5 取 9 。 冲块 缓冲块是与主弹性元件并连在一起的非线性弹性元件。由于车辆在高速行驶中，很容易发生强冲击，其就是在强冲击时其吸收一部分冲击载荷，避免悬架被“击穿”结果的发生，保护车辆的前悬架。 根据参赛用 辆在车架里装有减震器，由此选定前悬架下横臂作为缓冲块的安装位置，并通过加装推杆支撑座用来对缓冲块位置限制固定。 行驶途中路面平整性差异，致使车轮跳动其范围是 50车轮跳动过程中达到最大跳动位置时，可以得出 下 横 梁 与 书 平 面 夹 角 ： o 下横臂的运动夹角范围 据计算可以看出，在下横臂跳动达到最大跳动限度时的推杆同水平组成的角度为40和 56。 缓冲块的基本尺寸 对 前悬架进行三维建模 传统车辆的多连杆悬架结构优势在于可以过滤掉大部分的震动，和轮胎多余的 19 弹跳，重新调整优化后相比于未优化前，对车轮的控制大大增强，让每一根连杆都能发挥出最大性能，以更小的型变量来控制车轮，从而满足转向机构刚度和车轮定位参数的匹配 。 参照 车 模型的建立条件及假设如下 : a) 车辆底盘及副车架均为刚性体； b) 轮 毂 、 转 向 横 拉 杆 和 各 连 杆 均 为 刚 性 体 ； c) 将悬架中所有结构均视为刚体 图 3悬架上控制臂 20 图 3悬架下控制臂 图 3 的模型 表 3型中悬架的部分硬点坐标 硬点名称 初始坐标 mm x y z 上前连杆与副车架连接点 前连杆与转向节连接点 后连杆与副车架连接点 45 21 上后连杆与转向节连接点 0 前连杆与副车架连接点 前连杆与转向节连接点 后连杆与副车架连接点 后连杆与转向节连接点 后连杆与副车架连接点 0 后连杆与转向节连接点 震器上铰接点 震器下铰接点 前车轮轮心 0 悬架运动学参数的分析 运动仿真分析是不可缺少的一步，也是较为关键的一步。主要是模拟行驶过程中的相关数据。为达到模拟运动仿真的最佳效果，参照表 车性能参数，对其各参数进行设定。其中， 仿 真 步 数 为 90 车 轮 跳 动 量 为 45 表 3车性能参数 参数名称 数值 赛车长度 /800 赛车高度 /260 轴距 /720 22 前轮轮距 /240 后轮轮距 /180 赛车质量 /60 最高车速 /(km/h) 120 运用软件分析，结论如图 3图 3示。 图 3示为前束角变化曲线。现代车辆中，后轮前束角理想状态为 : 在上跳过程中，其值为 0，即 0 4 / + 50后轮下跳过程中，其值如图所示，且曲线变化呈线性。从图 以看出，车辆的悬架机构的前限制角值是 +50特点为零前限制角或弱负前限制角，能保证车辆行驶的直线稳定性及车辆的不足转向特性。由此可见，前限制角满足设计要求。 图 限 制 角 随 车 轮 上 下 跳 动 的 变 化 曲 线 图 3示为前轮轮距变化曲线，后轮轮距变化量较为理想的变化特征 : 后轮在上下跳动过程中，轮距变化尽可能的小，其值变化的范围是 10 50图 知，前轮在上跳过程中范围 100合理想值。因此，前轮轮距变化量满足设计要求。 23 图 轮 轮 距 变 化 量 随 车 轮 上 下 跳 动 的 变 化 曲 线 图 示为后轮外倾角的变化曲线。后轮外倾角较为理想的变化特征 : 后轮在上跳过程中，后轮外倾角减小，其值变化范围为 ( 2 0 1 5 ) / + 50在下跳过程中，外 倾角的值趋向正数方向变化，而变化值为 ，因此，满足设计要求。 图 3 后 轮 外 倾 角 随 车 轮 上 下 跳 动 的 变 化 曲 线 根据图 关系图可以得到主销内倾角变化趋势特点：在前车轮作纵向移动过程当中，主销内倾角的波动区域为 0 12，然而当主销内倾角的值较大的时候，车轮与路面之间的相对滑动将变得很严重，致使轮胎损伤严重寿命降低、转向系统迟钝。图 示的内倾角为 3 7，因此符合设计要求。 24 图 3 销 内 倾 角 随 车 轮 上 下 跳 动 的 变 化 曲 线 根据图 关系图可以得到主销后倾角变化趋势特点：在前车轮作纵向移动过程当中，主销后倾角的波动区域为 0 4。图 示的主销后倾角为 0 3同样，主销后倾角满足设计要求。 图 3 销 后 倾 角 随 车 轮 上 下 跳 动 的 变 化 曲 线 25 4 控制臂 的 有限元分析 限元法的介绍 有限元法是一种先进，快速的方法。早期有限元法是以数学微分知识为基础发展起来的，有限元法被广泛应用到各个领域各个行业，并且可以被应用于所有能用微分方程所表示的各种工程现场。基本思想 :需要定义材料的泊松比来求极值解。由平衡方程推导在实际物理模型用于每一个点 ,创建一个方程组。为此称之为有限元方法。 有限元分析方法的建立时基于弹性力学的基础之上的，因此此方法一定符合弹性力学中五种基本假设： 有限元的理论依据如下： a） 将实体单元进行网格划分，然后根据网格求解。这就是有限元的核心思 想，分别将算好的网格进行汇总，并求解总 体应力图。 b）根据未知常函数和在各模块核心点的导数数值插入值函数来求得和的近似函数。因此，可以说两个相邻的地方，节点是相同的，并将他们看做是解决基本的未知数。所以你可以原始和无限个自由度的场函数问题转化为解决公共节点有限的流动性问题。 c）应用加权余法或原始模型的等效数学模型，建立微分变分原理的未知量方程和代数方程，原问题的近似解的数值方法。以及解决域几何形状是不规则的，然而，固体结构方程的问题通常是基于整合的对象坐标系统 (拉格朗日坐标系 )，因此 ,应用有限元方法更合适。有限元法从它的等效数值积分形式。等效 积分加权残余法的一般形式，它是一种常见的方程，在此基础上的发展，如搭配法，矩法、最小二乘法和伽辽金法等多种近似算法。相应的解决方法是价值转化为解决功能问题 ,代表方法里兹方法。传统有限元法 (加权残余法和变分法，使得有限元方法解决问题的科学和技术是一个强大的工具。 制臂有限元模型建立 何模型 26 控制臂的传统工艺铸造或锻造，使用铸造和锻造不仅可以节约成本，并且可以为整个控制臂的零部件设计打下基础。此外，控制臂零部件都是有大型冲压设备冲压制成，虽然在成产中加大了制造难度，但是它使连接部分具有了互换性，而铸件和锻件连接部分失校后尽快替换整个组装。本文所探讨的控制臂采用钢板。 图 4压成型的工艺有限元模型 上图显示，控制臂主要由四部分组成，推杆座，球饺接座，安装衬套和推杆。套管内外组装用金属衬套 ,橡胶衬套、连接螺栓、螺母等。考虑到控制拉杆装配有一个螺旋弹簧，从而留住弹簧支座。部分零件加工成形后，焊 接而成，会受到来自不同方向的扭矩，例如侧向的侧向力矩。 格划分及网格质量控制 在网格划分之前要对模型进行分析，判断使用哪种划分方式及参数的选择，然后对模型所要划分网格区域进行选取与计算。因为组装的控制杆，所以考虑推杆座，球饺接座，安装衬套和推杆的连接。使用自动网格工具和设置网格大小、网格控制臂后如图所示。应该尽可能多的增加网格的数量，并且将网格划分成四边形，通过这两个措施，可以大幅度的提高网格的质量，使计算结果尽可能的精确。本次划分共得到个 40707 单元， 44012 个节点。网格划分如下图， 27 图 4格的划分结果 料属性定义 查阅材料手册，得到控制臂材料的各个参数如下： 533 的 料 厚 5 m m ；弹 性 模 量 = 2 . 0 6 1 0 ；泊 松 比 = 0 . 3 ；密 度 = 7 . 8 5 1 0 / ；屈 服 强 度 = 4 4 5 M p a ；抗 拉 强 度 = 6 0 0 M p a 。E M p ak g m输入材料原始参数；在前处理中 行设置，将 5入；之后应用到每一个小网格中。完成网格的材料属性定义。 性释放及模型的约束与加载 由于 橡胶衬套安装在了控制臂与副车架和转向节之间 ,橡胶衬套将会发生六个自由度的弹性形变，例如位移或旋转 ,所以应用固定约束控制臂衬套的地方不能够很准确地反映出约束状况 ， 为了解决这一问题，采用惯性释放的方 法 15。分析 ,假设结构处于静力平衡状态 ,关键点的六个自由度的约束 (轴承 )，然后对模型施加外力，分别算出平衡状态下每一关键点上的 个方向上的速度、加速度及合速度。 型极限工况控制臂结构有限元分析 将控制臂的三维模型上传到 带的求解器中计算。通过施加约束和载荷，最后可以得到最大形变量图和最大应力图，通过后处理模块，打开云图，查看 28 控制臂的推杆应力分布和变形状况。 速工况 图 4速工况推杆等效位移图 图 4速工况推杆等效应力图 上边两图分别是推杆在赛车发挥极限性能加速工况下的等效位移图和等效应力图。推杆最下边的支座，根据图以看出在推杆的轴向力方向和控制臂之间有一个夹角，弹簧恢复的巨大弹力是顺着支座传向控制臂的最下边。造成了控制臂最下边发生位移变化，如图 4知位移变化呈现出度梯形变化。然而这个梯度形状与控制臂形状基本相同，其产生的最大位移是 时，推杆收到了来自轮胎所传递过来的力矩，推杆最深的地方将会收到来自车架传递过来的不同方向的剪切力，因此，此位置的应力相比于其他地方是最大，大小为 在其他位 置，推杆所受的应力较小。此外，在下盖板的内套筒、外套筒处，将会有一小部分的作 29 用力，局部最大应力值分别为 据上述分析，所有的应力都低于材料的屈服强度 445此达到安全标准，推杆的设计符合要求标准。 向工况 图 4向工况推杆等效位移图 图 4向工况推杆等效应力图 根据 析软件得出的结果可以得到如下结论： a）由图例可知，分析图中的蓝色区域表示的是应力小的地方，红色区域表示的是承受的应力大的地方； b）由分析图可知，在 X 轴方向上产生的应力最大值为 3040 Y 轴方向上产生的应力最大值为 18849 Z 轴方向上产生的应力最大值为 3965关键点产生的应力最大值为 26231 c）由于材料的屈服强度 445且所有点的应力值都低于 ，所以符合 30 强度要求。 31 5 结论 随着计算机科学的快速发展，模拟仿真软件迅速兴起，对机械结构设计意义重大。以本文为例，对方程式赛车的前悬架系统的设计中，模拟仿真具有十分重要的意义，其大大减少设计的时间和做实体实验的资金投入。通过模拟仿真，实现在没有实体实验的情况下，得到设计过程中需要的数据参数，并进行力学分析避免实体实验失败的风险。 本文以 赛用车的设计为毕竟， 针对其前悬架进行设计与分析，参照日前大量应用在高端轿车中的独立上横臂悬架为基本框架，使用 三维建模软件来设计，并使用 行了前悬架下控制臂的 向工况并且进行了共振分析。具体的应力与应变分析步骤如下： （ 1）首先通过计算的方法确定悬架的基本参数，根据参数来进行建模，及装配。 （ 2）简化模型的基础上 ,根据硬点坐标的三维模型建立了 车前悬架仿真虚拟模型 ; （ 3）仿真模型的仿真分析。四轮定位参数分析了悬架系统、轮距曲线平行轮跳动的变化，然后利用 块的一部分 ,更大范围优化的参数曲线 ,并进行运动学仿真 ,对比曲线 ,优化后的悬架可以改善汽车的操纵稳定性 ; （ 4）建立前悬架的下控制臂的有限元模型，进行了 速工 况， 向工况和共振分析计算。分析了下控制臂在三种工况下的变形以及应力云图，根据变形和应力云图得到大应力及变形量，说明符合设计要求。 本说明书的设计与分析过程，完全可以指导独立双横臂前悬架的结构设计与分析优化， 降低研发周期，减少研发实验投资，加强 辆的特性，创造开 题 报 告 1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 一 课题研究背景 列赛事由 国汽车工程师协会 )主办，目的在于挑战世界各地大学本科生研究生团队设想、设计、制造小型方程式赛车的能力。为了给团队最大的设计灵活性和充分展示他们想象力和创造力的空间，比赛对整车的限制总体来说是比较少的。在参加比赛之前，车队一般都要花费八至十二个月的时间 去设计、制造、检测赛车以及完成赛前准备。在和来自世界其他大学车队的比较过程中，赛事本身就给了车队证明和展示车队创造力和工程技术能力的机会。 悬架系统是 电动赛车 的一个重要组成部分。悬架 的 性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素。因此，研究 电动赛车 振动，设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代汽车质量的重要措施 1。 悬架是将车轮和车架相连接的部件，悬架将承受来自地面通过车轮传递各种力和力矩，同时悬架的设计也影响着在跳动时的轮胎姿态，这也极大影响着轮胎与地面的接触特性，决定着轮胎的极限性 能能否充分发挥。换句话说，一台良好的赛车必须要有一个性能良好的悬架系统。对于 车来说，悬架的设计是否成功也在很大程度上决定了整个赛车性能的水平 。 二 基于赛车和普通车辆的差异，本文将从赛车性能要求实际出发，对赛车的悬架系统进行设计，并研究悬架的性能以及相关参数对悬架系统性 能 的影响。在保证一定平顺性的基础上对其整体系统进行设计， 力求使赛车具有良好操纵稳定性。在初步完成对赛车的 悬架 设计结束后，为了更多更深入地了解赛车的性能，利用 件对悬架进行虚拟试验，得出悬架 的 基本性能。为进一 步提高赛车操纵稳定性性能提供数据积累，为此后的赛车设计积累经验。 三 国内外研究现状 国外发达国家对车辆悬架运动学的研究起步较早，几乎同步于独立悬架诞生之日。德国的 J. 尔森赖姆帕尔 )著的汽车底盘技术对各种悬架运动学作了详细的分析，对车轮定位参数做了准确的定义，分析了他们的作用及其对整车操纵稳定性的影响。在悬架运动学分析中，描述了弹簧变形过程中车轮定位值的变化过程 :描述了弹簧各部件及铰接处具有弹性，由轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位值的变化，并且给出 了一些典型车型的车轮定位参数的变化曲线，这些变化曲线都是实测得到的，可以用来进行操纵稳定性的评价 2。 由阿达姆措莫托著的汽车行驶性能和安培正人著的汽车的运动与操纵，介绍了悬架运动学对汽车行驶性能的影响，在悬架运动学对汽车操纵稳定性的影响方面进行了较为系统的分析 3,4 写的车辆悬架从悬架的理论建模、橡胶支撑的模型出发对悬架运动学特性的理论分析作了较为深入的研究。在悬架运动学分析中，将悬架简化成多连杆机构，用图解法来分析轮胎的跳动所引起的悬架变形 ;在悬架动力学分析中，则对悬架模型作了受力分析，推导出变形与力的关系，并将橡胶衬套铰接的处理简化成三根两两垂直的弹簧 5 德国的 车动力学卷 C 中详细介绍了汽车操纵稳定性和悬架性能之间的关系，并根据各种不同实车数据分析了不同子系统如转向系统、助力系统及悬架系统的各个参数对整车操纵稳定性的影响 6。 我国从 80 年代开始逐步开展对汽车悬架运动学的研究，研究成果则多见于 90年代。其中，中国工程院院士郭孔辉所著的汽车操纵稳定性对悬架运动学作了最为系统的分析，并且在国内首次 提出了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学 7。吉林大学的林逸教授等人在 90 年代也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元件的基本性能，着重分析了独立悬架中橡胶元件对汽车操纵稳定性的和平顺性的影响，并提出了处理运动学问题的思路和方法 8。清华大学张越今博士著的汽车多体动力学及计算机仿真一书，重点介绍了整车多体系统弹性模型的建立方法 9 文献 10运用 件建立了某车双横臂独立悬架模型，在理论验证的基础上揭示了该悬架的运动规律。实验结果证明 :适当调整下控制臂与车架前安装点的位置，可使悬架的抗点 /抬头性能、悬架刚度和侧倾角刚度得到明显改善。仿真分析结果 与理论计算结果对比表明，该方法可以准确地计算悬架的多种性能参数。 文献 11用 立了某双横臂独立悬架虚拟样机模型，并进行了运动学仿真分析。在对车轮的侧向滑移进行详细分析的基础上看，车轮接地点侧向滑移量可以显著降低，文献 12作者利用空间解析几何的方法轮胎的磨损，进一步优化设计，从优化结果情况将大为改善。对双横臂独立悬架进行运动学分析此方法计算过程中无需进行坐标变换，简化了运动分析过程，使得计算更加方便程实际应用。由于 易于工程实际应用。 文献 13通过运用 件对双横臂独立悬架进行数学建模、仿真，分析该悬架的几个定位参数在车轮上下跳动时的变化，保证了汽车具有不足转向特性和回正特性，从而更好地指导设计。 文献 14均给出了前轮定位参数的详细定义及其对汽车操纵稳定性的影响，为汽车悬架设计提供了理论指导。 四 悬架的设计流程 现代 车采用从外到内的设计过程，悬架设计流程如下 : （ 1)首先要确定赛车主要框架参数，包括 :外形尺寸、重量、发动机马力等等。 （ 2)确定悬架系统类型，一般都会选用 双横臂式，主要是决定选用拉杆还是推杆。 (3)确定赛车的偏频和赛车前后偏频比。 (4)估计簧上质量和簧下质量的四个车轮独立负重。 (5)根据上面几个参数推算出赛车的悬架刚度和弹簧的弹性系数。 （ 6）推算出赛车在没有安装防侧倾杆之前的悬架刚度初值，并计算车轮在最大负重情况 下的轮胎变形。 参考文献 ： 1孙建民 ,孙凤英 . 汽车悬架系统的发展及控制技术研究现状 J. 黑龙江工程学院学报 ,2001,01:572耶尔森懒姆帕尔著，张洪欣，余卓平译 M科学普及出版社， 1992 3阿达姆措莫托著 春阳译 M1992 4安培正人著 汽车的运动与操纵 M1998 5 . 987 6 汽车动力学 C 卷 (第二版 )M人民交通出社， 1997 7郭 孔辉 M吉林科学技术出版社， 1991 8陈新，林逸，王焕明等 J1996(5): 119张越今 M吉林科学技术出版社， 1998 10宋传学，蔡章林 双横臂独立悬架建模与仿 J学版 )， 2004, 34(4): 55411何耀华，阂斌云 双横臂独立悬架的优化设计 J 车， 2006, 33(6): 7312李文君，蒋永林，高树新等 J2006, 28(6): 529, 558 一 560 13吕振华，常放，杨道华 双横臂独立悬架进行仿真分析 J 2005(5): 714李军，孟红，张洪康等 J与动力技术， 2001(4): 2415赵亦希，黄宏成，刘奋 J2001(1): 4016史建鹏 J2005(3): 1017褚志刚，邓兆祥，胡玉梅等 J2003, 26(2): 87 一 89 18陈加国 J 2004(2): 115 一 116 19董恩国，张蕾 车轮定位参数优化设计 J2006(5): 106 开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（ 途径）： 一 计 流程： （ 1）首先要确定赛车主要框架参数 。 （ 2）确定悬架系统类型 。 （ 3） 对选定的悬架结构进行设计分析。 二 参照国外 车先进悬架形式， 对 中北大学 车的 前 悬架结构形式 进行 分析 ， 进行必要 运动学 动力学计算 ， 以及 主要元件设计计算 ， 同时需要 确定主要定位参数。 三 互联网为媒介和载体，了解悬架的结构特点。 对这一课题的研究目的 与 任 务更深入的了解 ； 开 题 报 告 指导教师意见 ： 该 学生的选题，紧扣专业方向、紧扣现实，做到理论与实践结合、与实习体会结合，有现实意义，有完成选题的能力和条件，其开题报告体现了我院培养高级实用型人才的目标的要求。 且该生对于所开课题进行了较为详尽的调研，参考了许多文献，最后确定的课题具有一定的实用价值。本课题是学生所学专业知识的延续，符合学生专业发展方向，对于提高学生的基本知识 和技能，对于提高学生的研究能力有益。研究方法和研究计划基本合理，难度合适，学生能够在预定时间内完成该课题的设计。 同意参加开题报告答辩。 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主任： 年 月 日 附件：参考文献格式 学术期刊 作者 论文题目 期刊名称，出版年份，卷 (期 )：页次 如果作者的人数多于 3 人，则写前三位作者的名字后面加“等”，作者之间以逗号隔开。例如： 1 李峰 ， 胡征 ， 景苏等 . 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展 . 无机化学学报， 2001, 17(3): 315324 2 of 2001,233:5 7 学术会议论文集 作者 论文题目 文集编者姓名 学术会议文集名称，出版地：出版者，出版年份：页次 例如： 3 司宗国，谢去病，王群 重子湮没快度关联的研究 见赵维勤，高崇寿编 第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集，北京：中国高等科学技术中心， 1996： 105 图书 著者 书名 版本 出版地：出版者，出版年 页次 如果该书是第一版则可以略去版次。 例如： 4韩其智，孙洪洲 群论 北京：北京大学出版社， 1987 101 预印本 作者 论文题目 预印本编号（出版年份） 例如： 5uo to 810548(1998) 学位论文 作者 论文题目 学 士 (或硕士、博士 )学位论文 . 出版地：出版者，出版年份 例如： 6 陈异 . 纳米粒子形貌控制研究 . 硕士学位论文 . 北京 ： 中国科学院 , 2002 电子文献 主要责任者 . 电子文献题名 电子文献的出处或可获地址 . 发表或更新日期 例如： 7 王明亮 . 关 于 中 国 学 术 期 刊 标 准 化 数 据 库 系 统 工 程 的 进 展 . , 1998 专利 专利所有者 . 专利名称 . 专利国别：专利号，日期 . 例如： 8 姜锡洲 中国专利： 881056073， 1989