樊广阔 - 方程式赛车悬架系统设计分析 - 论文初稿 - 图文(2)

河北工业大学2012届本科毕业设计说明书（论文）

1 绪论

1.1 引言

悬架是现代汽车上的重要总成之一[1]，由于双横臂悬架有较好的运动特性，因此在越来越多的轿车的前悬上得到应用，特别是在赛车上，更是得到广泛运用，其设计好坏对操纵稳定性、平顺性和安全性有着重要的影响。操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度, 而且也是决定汽车高速安全行驶的一个主要性能[2]。本文根据中国FSC大赛规则对赛车的悬架系统进行了设计与分析。

汽车的四轮定位决定了整车的运动性能，前转向轮的定位整合了转向与悬架系统的所有几何参数[3]。悬架的运动学性能直接影响操纵稳定性等汽车使用性能，而正确的车轮定位参数能够使赛车的运动性能得到良好地发挥，同时还能够增加赛车的安全性与舒适性提高轮胎的使用寿命，减轻驾驶员的驾驶疲劳。前轮定位参数包括主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前束。主销与导向机构配合的合理与否直接影响到赛车的诸多性能，从而影响整车的优劣。

[4]

1.2 FSAE大学生方程式汽车大赛简介

1.2.1 Formula SAE

Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。

SAE方程式（Formula SAE）系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小

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型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。

为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车, 并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容 [5] 。

2008年Formula SAE系列赛包括以下九个比赛：

1.美国密歇根，Formula SAE，由SAE举办；

2. 美国加利福尼亚，Formula SAE West,由SAE举办； 3. 美国弗吉尼亚，Formula SAE VIR，由SAE协办；

4. 澳大利亚，Formula SAE Australasia，由澳洲SAE举办； 5. 巴西，Formula SAE Brasil，由巴西SAE举办；

6. 意大利，Formula SAE Italy，ATA举办； 7. 英国，Formula Student，由ImechE举办； 8. 德国，Formula Student Germany； 9.日本，Formula SAE Japan。

2009年的比赛包括美国的密歇根、加州和弗吉尼亚赛，以及英国、巴西、意大利、日本、德国、澳大利亚赛。

2010年10月，中国第一届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。 2011年10月，中国第二届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。 1.2.2 比赛规则简介

比赛规则非常开放，以鼓励学生的原创设计和各种形式的赛车的出现。比赛的基本原则如下： 开轮/开舱

使用排量不超过610cc的四冲程汽油机 安装内径20mm的进气限流阀 轴距不小于1525mm 轮辋不小于8英寸

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必须能够制动全部四个车轮 悬架行程不小于50.8mm（2英寸） 大量安全和结构强度要求

整车成本不大于25000美元（按规则计算）[5] 1.2.3 评定项目简介

比赛通过一系列静态和动态的项目来评判汽车的优劣，这些项目包括：技术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经济性。通过给这些项目打分来评判汽车的性能。

项目分值分配如表1-1所示。

表1-1 成绩评定项目分值分配表

环节名称 陈述 分值 75 150 100 75 50 150 50 300 1000 静态项目 工程设计 成本分析 加速性 弯道性能 动态项目 操作稳定性 燃油经济性 耐久性 总体 两项总分 1.2.4 中国大学生方程式大赛简介

中国大学生方程式汽车大赛（以下简称CFSAE）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，评比的是学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案，以及把赛车制造成产品的过程。这不是一场竞速比赛或节油比赛，而是汽车人才综合素质的比拼，这项赛事通过全方位考核提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调五方面的综合能力，从而全面地提升综合素质。未来支撑中国汽车产业的脊梁必将在这些学生中产生，这也是赛事最大的意义所在，举办中国FSAE

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大赛的目的，就是为中国汽车产业的发展做长期的人才积蓄。

FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。

2010年中国举办第一届FSAE，北京理工大学代表队以总分第一的成绩获得总冠军。2011年的中国第二届FSAE北京理工大学代表队以总分第一的成绩蝉联国军。

1.3 赛事意义

目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。

大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有： 一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；

二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA 、UG、 ANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。 与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会[6]。

通过FSAE 大赛可以学到很多书本上学不到的东西，并且能够将知识转化为专业技能，同时还能锻炼.学生的团队合作能力和责任感。大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研

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三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

1.4 FSAE底盘规则概况

1.4.1

悬架

赛车必须在前后轮装配有可以自由工作的、并有减震器的悬架，并且悬架在坐有车手的情况下可以在分别抬起和压下25.4mm。如果赛车没有严谨的悬架运行表现，或不能表现出适合比赛的操控能力，检察官员保留有取消赛车参赛资格的权利。

悬架的所有的接合点必须可以被技术检查官员看到，无论是可以直接看到或是通过移除覆盖件来实现。 1.4.2

离地间隙

必须有足够的离地间隙来防止赛车在行驶时的任何部分（除了轮胎）接触地面。并且在乘坐有车手的时候，任何时候在全车底部最小必须有25.4mm（1英寸）的静态离地间隙。 1.4.3

车轮

赛车的轮胎直径必须大于等于203.2mm（8.0英寸）。

任何只使用一个锁紧螺母的轮胎装配系统必须配有一个装置来固定和锁紧螺母和车轮，防止螺母松动。 1.4.4

轮胎

赛车可装备如下两套轮胎：

干胎——在检查时安装在赛车上的轮胎定义为干胎。干胎尺寸任意，型号任意。他们可以是光头胎，也可是有纹的。

雨胎——雨胎可以是如下规定的任何型号和尺寸的有花纹和沟槽的样式： 1）花纹和沟槽的图案必须是由轮胎厂商塑造成型的，任何被刻制的花纹沟槽必须有文件证明它是符合比赛的相关规定的。

2）沟槽最浅为2.4mm（3/32英寸）。

备注：车队自己手刻的花纹和沟槽是特别禁止的。

每套轮胎在静态评定开始后，轮胎的成份和尺寸，或轮辋的型号和尺寸不能改变。不能使用轮胎保暖器。在静态评定开始后，任何牵引力提升方法都不准采用。

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