英语原文共 10 页
Formula SAE Suspension Design
FSAE悬架设计
Gabriel de Paula Eduardo
摘要：简述Formula SAE悬架设计。分析规则之后，规则限制了悬架的最小行程和轴距，定义了项目目标，然后对顶级车队进行基准测试。讨论了轮胎的行为。详细介绍了前后悬挂带有拉杆的不等A臂。尺寸方法是在CAD上开发的，涉及尺寸限制。在整体力和力矩图上分析了瞬态稳定性，控制和机动性能。对于运动学和动态分析，使用多体模型。模拟侧倾，举升和操纵，并对几何形状，弹簧和阻尼器进行调整以实现悬架性能。
简介
学生竞赛Formula SAE（FSAE）由汽车工程师协会（SAE）赞助，旨在激励学生设计，建造和竞争小型公式赛车。竞争的基础是，一家虚构的公司已与一群工程师签订合同，建造一辆小型配方车。第一步是竞赛规则分析，它限制悬架系统的最小车轮行程为50mm，轴距大于1524mm。FSAE悬架在车辆动力学的狭窄范围内运行主要是由于转弯速度受到赛道大小的限制，最高时速为140km / h，转弯速度为60km / h。比赛的动态部分是15.25米直径的防滑垫，91.44米的加速赛事，0.8公里的越野赛，44公里的耐力赛。
确定了项目目标。比十大车队之间的基准测试还要多。悬架几何部分集中在悬架设计和亮点的一些基本区域。因此，FSAE悬架设计应注重竞争的制约因素。例如，车辆轮距和轴距是控制汽车操纵特性成功的因素。这两个尺寸不仅影响重量转移，而且还影响转弯半径。目标首先是适应规则，然后降低系统重量，创造最大机械抓地力，提供快速响应，传输准确的驾驶员反馈并能够调整平衡。
轮胎和车轮
悬架设计过程通过选择满足车辆要求的轮胎，然后设计适合轮胎参数的悬架，采用“从外到内”的方法。较短的比赛持续时间，较低的车辆质量和低速赛道都表明需要快速达到其工作温度的轮胎。轮胎对车辆的处理非常重要，设计团队应彻底调查轮胎尺寸和可用配方。轮胎尺寸在设计的这个阶段是重要的，因为在可以确定悬架几何形状之前必须知道轮胎的高度。例如，给定车轮直径的轮胎高度决定了如果轮边总成在车轮内部，下部球绞接头与地面的接近程度。
图1. 轮胎纵向力
设计者应该意识到，给定车轮直径所提供的轮胎尺寸数量是有限的。
因此，考虑到轮胎处理的重要性，轮胎选择过程应该是有条不紊的。由于地面上的轮胎量对抓地力有很大影响，因此有时需要使用宽轮胎来增加牵引力。然而，重要的是要记住宽轮胎增加旋转质量，而轮胎必须通过受限制的FSAE发动机加速。
与增大的轮胎牵引力相比，这种增加的质量可能对整体性能更不利。更宽的轮胎不仅增加了质量，而且还增加了必须加热的橡胶量。由于赛车轮胎设计为在特定温度范围内最有效地运行，因此这种添加的材料可以防止轮胎达到最佳温度范围。
在选择过程中，设计师必须考虑轮胎将如何影响整个轮边总成的性能。例如，FSAE动态测试的天气条件可能决定应该将哪种轮胎配方和轮胎尺寸用于比赛。轮胎选择将工作温度从48°C提高到60°C。该团队选择使用较硬的化合物，因为预测耐力的天气是清晰和温暖的。
图2. 轮胎侧向力
基于这些，选择了Hoosier 20“x6.0”，R25A化合物。红外轮胎温度和双轴加速度数据记录显示它最好地实现了轮胎目标。它也非常顺从，是最轻的公路赛轮胎测试，并具有最低的质量惯性矩。
一旦决定使用哪种轮胎尺寸，轮子选择应该是下一步。通常，车轮尺寸是固定的，允许很少修改。因此，在投资车轮之前考虑一些设计目标非常重要。通常，直立式制动钳和转子放置在车轮内部，这需要车轮偏移以用于间隙。如果轮廓已知，通常更容易设计悬架几何形状。例如，球窝接头位置限于由轮廓限定的区域。
图3. 轮胎回正力矩
概念和维度方法
前悬架和后悬架一样多采用双A臂和束角连杆和推杆。其调整旨在更好地优化每场比赛。在项目开始时，基于基准采用轴距，质心位置，车轮和轮胎尺寸等措施，并在二轮模型（Simulink）中进行评估。
轮距是左右车轮中心线之间的距离。该尺寸对于转弯是重要的，因为它由于重心（CG）处的惯性力和轮胎处的侧向力而抵抗倾覆力矩。对于设计者来说，轮距很重要，因为它是影响横向重量传递量的一个组件。此外，设计人员必须在悬架几何体的运动学分析开始之前知道轮距。选择轮距时，前后轮距不一定必须相同。例如，后轮驱动赛车的前轮轮距通常较宽。这种设计理念用于通过减少后轮胎相对于前轮胎抵抗的车身侧倾量来增加转角出口时的后牵引力[2]。基于FSAE汽车的转角速度和马力重量比，设计师应该考虑这个概念。
轴距也需要确定。轴距定义为前轴和后轴中心线之间的距离。它也会影响重量转移，但会影响纵向。除了防倾倒和反滑车特性之外，相对于质心位置的轴距对悬架系统的运动学没有太大影响。
图4. 方程式横向视图
然而，轴距应在设计过程的早期确定，因为轴距对部件的轮边总成有很大影响。较短的轴距可以提供更快的系统响应，部分原因是减少了横摆惯性矩和瞬态轮胎效应。这种快速响应对于紧密电路非常重要。对于履带宽度和轴距起点，设计师应研究反对汽车的尺寸，作为他们自己计算的基准。SAE发布的规则中提供了竞争团队的FSAE汽车规格，包括轮距和轴距。
运动学
设计人员现在可以为悬架系统设置一些所需的参数。这些通常包括侧倾增益，滚侧倾中心的位置和磨胎半径。这些参数的选择应基于车辆的预期性能。通过可视化汽车在拐角处的姿态，悬架可以设计成尽可能多地将轮胎保持在地面上。例如，在试车场上的车身侧倾和悬架行程在一定程度上决定了最佳转弯需要多大的外倾角增益。底盘侧倾量可以根据侧倾刚度确定，而悬架行程量是载荷转移和车轮刚度的函数。
一旦决定了这些基本参数，就必须对悬架进行建模以获得所需的效果。在建模开始之前，必须知道球形接头位置，内部控制臂枢轴点和轮距。对几何建模进行建模的最简单方法是使用运动学计算机程序，因为可以轻松修改点位置，以便立即检查它们对几何体的影响。如果没有专用的运动学计算机程序，然后只需在移动点时重新绘制悬架就可以使用CAD软件。在设计几何体时，重要的是要记住，设计是一个迭代过程，妥协是不可避免的。
在CAD模型中分析了参数如滚动中心，悬架控制臂尺寸，磨胎半径，抗下蹲，抗点头和车轮束角，车轮外倾角和主销角度。选择第一个配置，它成为在MBS（ADAMS / Car）的优化。车轮平行跳动，反向跳动，底盘侧倾； 已经进行了转向和静载荷模拟。
例如，由于轮边总成限制，可能无法获得所需的磨胎半径。在对悬架进行建模时，设计者不应在没有首先考虑结果的情况下漫无目的地修改点。例如，设计师应该想象当下A臂比上A臂长四倍时车轮相对于底盘的外倾角度。可用于使结果可视化的一种方法是车轮相对于底盘的即时中心位置。另一种方法是使用球形接头相对于底盘限定的弧形。有关从即时中心位置确定悬挂点位置的完整说明，请参阅Milliken [2]。Scrub Radius，Kingpin Inclination and Caster。
磨胎半径或主销偏置距是车轮中心线与球形接头或转向节主销轴线线定义的线与地平面的交点之间的距离。当转向节主销轴线与地面相交到车轮中心线内侧时，磨胎半径被认为是正的。磨胎半径应保持较小，因为它会导致过大的转向力。然而，一些正的磨胎半径是理想的，因为它将通过方向盘为驾驶员提供反馈。
主销内倾角（KPI）从车辆前方观察，是转向节主销轴线和车轮中心线之间的角度[1]。为了减少磨胎半径，如果在车轮中心线附近的球形接头的轮边总成不可行，则可以将KPI结合到悬架设计中。通过设计转向节主销轴线，可以通过KPI减小磨胎半径，使其与靠近车轮中心线的地平面相交。然而，过大的KPI导致的缺点在于，外侧车轮在转动时会正向弯曲，从而将部分轮胎从地面拉出。但是，静态外倾角或正向后倾角可用于抵消与KPI相关的正外倾角增益。
主销后倾角是从汽车侧面看时转向节主销轴线的角度，当转向节主销轴线向车辆后部倾斜时被认为是正向的[9]。使用正主销后倾角时，拐角处的外侧车轮将产生负向弯曲，从而有助于抵消与KPI和车身侧倾相关的正外倾角。当车轮围绕转向节主销轴线旋转时，主销后倾角也会使车轮上升或下降，从而沿着底盘对角地传递重量。后倾角也是有益的，因为它将向驾驶员提供关于转弯力的反馈。悬架设计团队选择了9.5毫米的磨胎半径，7度的KPI和4度的主销后倾角。这种设计要求将球形接头放置在车轮中心线附近，这需要在实体建模程序中进行大量间隙检查。
必须定义A臂安装点几何形状。下部A臂的点主要由轮边总成产生，因为外部点必须与车轮允许的一样低，并且与轮距和轮距车架允许的宽度一样宽。必须定义转向节主销轴线以放置上部外部点。对转向角，主销后倾角，主销内倾角和磨胎半径的影响进行分析表明，对于典型的转向角，4°的脚轮提供了大致最佳的前弯度。由于其不良的外倾角效应，KPI将在轮边总成中最小化，并且将增加磨胎半径以改善驾驶员在单轮锁定情况下的反馈并减少紧密发夹中的转向不足时刻。
一旦确定了基本参数，就可以解决系统的运动学问题。运动学分析包括两组车轮相对于底盘以及底盘相对于地面的瞬心分析。标记为IC的点是车轮相对于底盘的瞬心。侧倾中心是底盘相对于地面枢转的点。前后侧倾中心限定了一个轴，在转弯过程中底盘将转动。由于对于大多数赛车而言CG高于侧倾轴线，因此与转弯相关联的惯性力会产生围绕侧倾中心的扭矩。该扭矩导致底盘朝向拐角的外侧滚动。理想情况下，底盘的滚动量很小，因此所使用的弹簧和防倾杆可以具有较低的刚度，以增加轮胎的顺应性。但是，对于小的侧倾力矩，CG必须靠近侧倾轴线。这种放置将表明侧倾中心必须相对较高才能靠近CG。不幸的是，如果侧倾中心位于地平面之上或之下的任何位置，则在转弯期间将向顶盘施加“举升”力。例如，如果侧倾中心位于地面上，则这种“举升”力会使悬架相对于底盘下降。
通常是不希望悬架下垂的，因为根据悬架设计，它可以产生正外倾角，这可以减少轮胎在地面上的数量。相反，如果侧倾力位于地平面以下，则当侧向力施加到轮胎上时，悬架进入凸起或相对于底盘上升。因此，更希望使滚动中心靠近地平面，以减少由于横向力引起的底盘垂直运动量。由于侧倾中心是一个瞬心，因此请务必记住侧倾中心将随着悬架行程而移动。因此，设计团队必须检查侧倾中心的移动，以确保“举升”力和倾覆力矩遵循相对线性的路径，以实现可预测的处理。例如，如果在转弯过程中由于任何原因滚动中心穿过地平面，则车轮将相对于底盘升高或降低，这可能导致不一致的操作。中心位于地面以下35.6毫米，后方位于地面以上35.6毫米。
由于大的侧倾力矩，车队在悬架上设计了足够的侧倾外倾增益，以补偿与软弹簧相关的车身侧倾并且没有防倾杆。车轮外倾角是车轮平面与垂直方向的角度，并且当车轮的顶部朝向车辆的中心线倾斜时被认为是负角度。通过从垂直方向倾斜转向节主销轴线来调整外倾角，这通常通过调整球关节位置来完成。由于轮胎与地面的接触面积受到外倾角的影响，因此外倾角应易于调节，以便可以调整悬架以实现最大转弯。例如，八字绕环所需的外倾量对于耐久赛事中的过弯的角度可能不同。有一些负外倾角时轮胎可以产生最大转弯力[7]。
然而，当通过悬架运动产生车轮运动并且车轮绕转向节主销轴线转动时，外倾角会发生改变。由于这种变化，悬架系统必须设计成补偿或补充与底盘和车轮运动相关的外倾角变化，以便产生最大的转弯力。垂直的车轮跳动的外倾补偿量或增益量由控制臂配置决定。通常通过具有不同长度的上控制臂和下控制臂来获得外倾角增益。不同长度的控制臂将使球形接头相对于底盘运动通过不同的弧形。控制臂相对于彼此的角度也影响外倾增益的量。因为外倾增益是链路几何形状的函数，所以下垂和凸起的增益量不必相同。
例如，悬架设计可能要求车轮每25mm的下跳对应正一度，而每25mm的上跳则为负两度。可以添加静态外倾以补偿车身侧倾；但是，增加的外倾可能对处理的其他方面有害。例如，过多的静态外倾会减少轮胎与地面的接触面积，从而影响直线制动和加速。类似地，在悬架行驶期间过多的外倾角增益会导致轮胎的一部分与地面松动接触。当车轮转动时，后倾角也会增加整体外倾角增益。对于正向后倾角，转弯处的外侧车轮会产生负向弯曲，而内侧车轮则会产生正向弯曲。如果车轮仅转动几度，则由主销后倾角引起的外倾增益量最小。使用具有大侧倾力矩的低车轮刚度需要悬架来补偿由底盘侧倾和悬架行程引起的正外倾。外倾角增益来自后倾角和控制臂配置。
驾驶
悬架系统的主要功能是隔离轮胎经历的道路激励被传递给乘客。在赛车中，这种方法被忽略以提高性能，因此悬架必须保证较小的垂直力变化。时间域统计，例如悬架加速度的平均悬架偏差，最大值和RMS值通常驾驶啊在悬架设计中作为标准，汽车工业已经广泛使用多体动力学来模拟和设计车辆悬架。
用于模拟车辆动态的数学模型被称为“四分之一车辆模型”。它在传统上用于分析乘用车的行驶动力学。在四分之一汽车模型中，假设车辆侧倾的影响可以忽略不计。通过将簧载质量从其原始值增加100％来考虑桨距的影响，从而结合由车辆俯仰（质量惯性矩）引起的垂直运动。
因此，四分之一车辆模型是具有垂直位移的二自由度系统。道路轮廓高度是系统的输入。具有刚度和阻尼系数的弹簧阻尼系统代表轮胎的线性模型，其与道路具有恒定的点接触。
UMTRI在1989-1996对州际PA42采样模拟中使用的实验道路剖面数据，采样间隔为0.152米。根据采样间隔确定，道路剖面中显示的最大波数为3.3周/米。该轮廓长500米，IRI为170英寸/英里。该值表示FHWA定义的平均道路状况。
实现弹簧刚度（前后17N / mm）的程序基于完整的车辆频率分析（表1）。应用的方法在Gillespie [1]中描述。对于阻尼曲线，使用Milliken [2]进行测定。
表1. 车辆频率
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
