FSAE赛车悬架设计袁振(1)，尹伟奇(2)，刘爽(1)1.清华大学汽车工程系，2.清华大学物理系【摘要】本文的目的是完成对清华大学FSAE车队2010年赛车的悬架设计，为车队以后的工作留下一份设计和分析思路。
首先结合规则要求，确定赛车的偏频，进而计算出包括悬架刚度在内的有关参数，为更进一步的计算打下基础。
之后分析了车轮定位参数对赛车性能的影响，明确了赛车悬架设计的有关基本原则。
通过ADAMS软件完成了前悬架的参数模型，并结合整车设计参数，进行仿真分析。
利用ADAMS软件的优化功能，对悬架参数进行优化。
【关键词】FSAE，悬架设计，CATIA，ADAMSSuspension Design for FASE RacecarYuan Zhen(1), Yin Weiqi(2), Liu Shuang(1)1. Department of Automotive Engineering, Tsinghua University2.Department of Physics，Tsinghua UniversityAbstract:Tsinghua University FSAE program currently has no rigorous method for designing and analyzing the student-made racecars. This paper is to complete the suspension and to leave them not only a design but an idea of how to design. In suspension design process, I referred the general process. For the first, I combined regulatory requirements and determined the free frequency of the car. And then, I calculated a number of parameters, laying the foundation for the further calculation. For the next, I made it out how wheel alignment parameters will influence the performance of the car, and figured out some basic principles. I completed the parameter model of the front suspension with ADAMS. After that, I started to simulations. But results were not so satisfied. By using ADAMS Insight.，I got a set of ideal results with which the changes of wheel alignment parameters was within the range of experience.Key words: FSAE, Suspension design, CATIA, ADAMS1悬架设计的要求一般汽车悬架设计要求保证汽车具有良好的行驶平顺性，故悬架的固有频率应较低，普通乘用车偏频为0.5-1.5Hz。
对于赛车而言，舒适性则显得不是那重要，所以赛车悬架的偏频要高一些，具有适中负升力的赛车偏频为1.5-2Hz，具有高负升力的赛车，悬架的偏频为3-5Hz[1]。
悬架应该具有合适的减震性能，能快速衰减震动。
悬架应该能够保证赛车具有良好的操纵稳定性，转向时，赛车具有中性的转向特性；车轮跳动时，应不使车轮的定位参数变化过大，转向杆系与悬架导向机构的运动相协调。
赛车制动和加速时保证车身稳定，减小车身俯仰。
赛车在转弯时，侧倾幅度不能太大[2]。
能可靠地传递车身与车轮之间的一切力和力矩，在满足零部件轻的同时还要有足够的强度和寿命。
当然对于赛车，寿命往往只有几个小时近百公里，但是我们制造的FSAE赛车同时需要让车手平时练习，所以寿命还是需要有保障的。
2悬架主要性能参数的确定理论研究和使用经验证明：汽车前后悬架及其簧上质量组成的振动系统的固有频率是影响汽车行驶平顺性的主要参数之一[3]。
根据比赛规则限定，悬架在坐有车手的情况下可以分别抬起和压下25.4mm。
故设计悬架静挠度1c f 30mm=，2c f 30mm=，则前后悬架偏频 1n 2.876Hz =，2n 2.876Hz =。
此数值适用于较小负升力的赛车，符合FSAE 赛车使用要求。
根据上文确定的偏频，可计算出悬架的刚度：2111c m (2n )53794N /m 53.8N /mm=π==轮胎在静止时，径向刚度主要受胎压影响。
设计选用轮胎型号为Hoosier 6x13赛车轮胎，当轮胎气压为2.4Bar 时，轮胎径向刚度为1350磅每英寸，折算为t c 236.5N /mm=。
1可求得l K 69.6N /mm =，对于一侧悬架l K '34.8N /mm =进而可求出减震器弹簧刚度。
悬架的侧倾角刚度2l 'B 32134.810 1.3308343Nm /rad 2=×××=这仅仅是在侧倾角较小时成立，实际上由于悬架杆系铰接点并非刚体，实际的侧倾角刚度要小一些。
3 悬架建模与仿真悬架建模的目的是为了验证已有悬架参数的合理性，针对不够理想的参数进行优化，提高悬架性能。
3.1 悬架建模FSAE 双横臂式前悬架的结构如图1所示，建立此仿真模型所需的几何定位参数(硬点坐标)通过参考美国MPI 大学2002年FSAE 赛车模型参数，力学特性参数(刚度、阻尼等特性)通过选用合适的模板获得。
在建模时抽象出上摆臂、下摆臂、主销、转向节、轮轴等刚体。
主销、转向节、轮轴为一体，上、下摆臂与主销以球铰联接，与副车架以衬套联接，转向节与转向拉杆以万向节铰接联接。
图1 ADAMS建立的赛车悬架3.2 初选参数结果分析赛车悬架静挠度和动挠度都为30mm，考虑一定富余量，来确定激振台的上下激振位移，上激振位移为前车轮上跳极限行程40.0mm，下激振位移为前车轮下跳极限行程40.0mm。
使左右车轮同步上下跳动，仿真分析车轮跳动过程中悬架主要性能参数的变化规律。
以车轮外倾变化规律为例：要求在轮跳过程中外倾角在车轮上跳时向减小的方向变化，-2±0.5°/50mm较为适宜，在下落时朝正值方向变化，变化幅度要尽可能的小。
从图2可知：前外倾角在轮跳过程变化范围为-2.1° 1.8°，基本符合经验取值。
有利于避免在制动时因左右制动力误差造成的直线行驶稳定性变坏和减小外倾角引起的地面对轮胎的侧向力使汽车有跑偏的趋势，同时减少轮胎的磨损。
图2 外倾角变化曲线3.3 悬架参数优化在整车运动过程中，由于路面存在一定不平度，并且由于弯道的存在，车轮和车身之间的相对位置以及车轮和地面的相对位置都将发生改变，这也将造成车轮定位参数的变动。
根据以上仿真结果分析，目前的悬架参数需要进行优化。
利用ADAMS/Insight模块，通过对悬架部分硬点坐标进行改变来达到优化的目的。
针对上下横臂共6个硬点18个坐标值进行迭代运算，每个参数变化的范围是10±mm。
计算量过大。
所以需要首先确定对不同参数对悬架定位参数的影响，从中挑出对影响较大的硬点坐标。
依次改变每个硬点的三个坐标作为单一变量，根据仿真结果判断其对悬架定位参数的影响，如表1。
表1 硬点坐标对定位参数的影响根据所得结果，将这8各参数作为Factors，车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角、侧倾中心高度作为Responses进行优化，表2是利用ADAMS/Insight优化后的参数，其中坐标原点位于左右车轮中心点连线的中点，单位为mm。
3外倾角变化范围缩小至-1.05° 0.75°，变化范围减小了50%。
并且在轮跳过程中外倾角在车轮上跳时向减小的方向变化，在下落时朝正值方向变化。
改善了制动时因左右制动力误差造成的直线行驶稳定性变坏和减小外倾角引起的地面对轮胎的侧向力使汽车有跑偏的趋势，且有利于减少轮胎的磨损。
图3 优化后的外倾角变化曲线4 悬架结构受力分析及强度校核在受力方面，前悬架需要考虑静态时车重、制动时的地面制动力和质心的惯性力引起的前轮负荷加大；后悬架需要考虑静态时的车重、制动、加速时的地面制动力和加速时引起的后轮负荷加大，另外还要考虑弯道行驶时，离心力引起的外侧悬架负荷加大。
静态时，按质量分配，可计算出前后轮垂向载荷，进而计算出前后悬架静态受力。
加速或制动时，最大加速度或最大减速度都是由轮胎的附着系数决定，根据轮胎的特性，可以计算赛车的最大加速度或减速度，得到前后轮纵向载荷；由此加速度引起的负荷转移，需要考虑赛车的重心高度，继而转化为前后轮的垂向载荷变化值。
赛车在弯道行驶，离心力作用于质心，离心力的大小取决于弯道的半径和赛车的速度，也要受车轮附着系数的制约，这里需要对弯道和车速进行估计，算出合理的加速度数值，进而得出车轮横向载荷；根据质心高度，可以计算出内外侧垂向载荷变化值。
根据以上分析结果，校核悬架每一根杆的最大受力情况如表3。
表3 悬架各处最大受力情况前悬架（N ） 后悬架（N ）UCA_Front 158 -379 350 UCA_Rear 198 -475 438 LCA_Front 1184 1244 LCA_Rear 1184 1244 Push_Rod 21342256设计在悬架采用美标SAE4130钢管焊接，SAE4130屈服强度为1000MPa ，受力最大的杆件为换向器推杆，受力2256N ，计算管材的横截面积如下222256A mm 2.256mm 1000== 由于钢管材料性能优异，所需横截面积很小，考虑到悬架的刚度，选取钢管规格为0.75inch 0.065inch φ×，换算成国际单位为19.05mm 1.65mm φ×。
5 总结通过对国内外资料的调研，确定了FSAE 赛车悬架的基本形式。
针对规则的要求，确定了赛车悬架的一些基本参数。
通过ADAMS 软件优化设计悬架导向杆系，优化目标是使得车轮定位参数在赛车悬架跳动过程中的变化规律符合经验要求。
最终得到的悬架硬点参数满足设计要求。
最后完成了对赛车悬架导向杆系的受力分析和强度校核。