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大学生电动方程式赛车悬架设计及整车动力学仿真毕业论文

 2020-02-17 05:02  

摘 要

大学生电动方程式大赛是面向大学生的工程实践性赛事,武汉理工大学参加此项赛事已有7年,本论文以武汉理工大学2019年刀锋Ⅶ E11号赛车设计为背景,进行悬架设计并进行动力学仿真。

本文首先确定了大学生方程式赛车的悬架布置形式,使用双横臂独立悬架,确定赛车的整体尺寸以及参数,对悬架基本参数进行计算,通过使用ADAMS/Car对整车悬架、转向、传动等系统建立子系统模型,并利用虚拟样机模型对前后悬架进行平行轮跳、反向轮跳仿真,得到悬架各参数的变化规律,并以此为依据通过改变悬架硬点的方式对重点参数进行优化。在确定悬架硬点后,进行悬架零件设计,并进行装配。

关键词:大学生方程式;悬架设计;仿真分析;参数优化

Abstract

The University Students' Electric Formula Competition (FSAE) is an engineering practical competition for college students. Wuhan University of Technology has participated in this competition for 7 years. This paper is based on the design of Wuhan University of Technology 2019 Blade VII E11 racing car, designed for suspension and dynamics simulation.

This paper first determines the suspension layout of the Formula Student racing car, uses the double wishbone independent suspension, determines the overall size and parameters of the car, calculates the basic parameters of the suspension, and uses the ADAMS/Car to suspend, steering, and The subsystems of the transmission and other systems establish a subsystem model, and use the virtual prototype model to simulate the parallel wheel jump and reverse wheel jump of the front and rear suspensions, and obtain the variation law of the parameters of the suspension, and use this as a basis to change the hard point of the suspension. Optimize key parameters. After determining the hard point of the suspension, the suspension part is designed and assembled.

Key Words:Formula student; suspension design; simulation; Parameter optimization.

目录

第1章 绪论 1

1.1 中国大学生电动方程式大赛简介 1

1.2 国内外FSAE悬架现状 1

1.3课题研究目的 2

1.4课题研究内容 2

第2章 FSAE悬架参数计算及设计 3

2.1 大学生方程式规则对悬架的设计要求 3

2.2 悬架的选型 3

2.3 整车参数及悬架计算设计 4

2.3.1 整车参数选取 4

2.3.2 轮胎轮辋选型 4

2.3.2 悬架侧倾中心高度确定 6

2.3.3 四轮定位参数的选取 6

2.3.4 悬架几何的绘制 7

2.3.5 悬架刚度计算 8

2.4 悬架几何仿真 13

2.4.1初步仿真悬架几何 13

2.4.2悬架几何优化 21

2.5本章小结 26

第三章 悬架模型设计 28

3.1悬架模型建立 28

3.2轮边模型的建立 30

3.3静力学分析 33

3.3.1摇臂静力学分析 34

3.3.2立柱静力学分析 35

3.4本章总结 36

第四章 总结与展望 37

4.1总结 37

4.2展望 37

致 谢 38

参考文献 39

第1章 绪论

1.1 中国大学生电动方程式大赛简介

中国大学生电动方程式大赛(FSEC)是由中国汽车工程学会(SAE)主办,面向在校大学生的一项工程实践性赛事。参赛队伍需要在一年时间内,在规则允许之内,参照中国大学生电动方程式大赛赛事规则,设计并制造一台具有优异性能的、足够耐久的赛车参加比赛,该赛车需要能够完成全部比赛环节,包括静态赛和动态赛。静态赛包括设计答辩、营销答辩和成本答辩,动态赛包括75m直线加速比赛(Acceleration)、8字绕环比赛(Skidpad)、高速避障比赛(Autocross)和耐久比赛(Endurance)。车队需要在静态赛对裁判展现赛车和车队在设计、控制成本等方面作出的创新和研究努力,获取裁判认同;在动态赛需要展现车辆最好的性能,并使赛车能够完成所有项目的比赛。

2010年上海举办了中国第一届中国大学生方程式汽车大赛,国内有20所院校参赛。中国大学生电动方程式汽车大赛(简称FSEC)开始于2013年,截止到2018年,FSC报名院校达到83所,FSEC报名院校达到59所。自电车赛开办以来,武汉理工大学电动方程式车队连续5年参赛,获得2013年成本报告第一名、总成绩第六名,2015年效率测试第二名、耐久赛第六名、总成绩第五名以及全国一等奖等好成绩。

悬架系统是赛车的重要组成之一,对赛车的性能有很大的影响。FSAE赛车通常采用双横臂独立悬架,设计者需要对悬架几何进行合理的设计,以获得更好的悬架动态性能,包括扩侧倾中心位置的变化、轮距或四轮定位参数的变化,最终获取良好的赛车的操纵稳定性。

1.2 国内外FSAE悬架现状

FSAE大学生方程式大赛在国外从1978年开始举办,距今已有40年时间,国外已对悬架做了长足的研究。Milliken于1995年撰写了《Race Car Vehicle Dynamics》,本书详尽的描述了赛车的各个系统以及其设计流程。国外对于悬架的设计已经形成一个完整的设计流程,同时着重悬架的动力学仿真,并且延伸到整车动力学仿真,使用整车动力学仿真进行对车辆以及悬架的操纵稳定性以及行驶平顺性的评判,并对FSAE赛事的动态赛进行动力学拟真分析,获取车辆最佳调教,选取适合的悬架刚度、横向稳定杆刚度以及阻尼等参数。Derek Seward于2014年整理并编著了《Race Car Design》,基础的论述了赛车底盘的设计流程,以及阐述了赛车的基本理论,同时涉及到基本的轮胎模型的拟合,利用到Pacejka的轮胎模型。Hans B. Pacejka编著了《Tire and Vehicle Dynamics》,非常详尽的阐述了轮胎的作用,并提出轮胎模型,同时结合到整车动力学进行了大量的分析和计算,提出大量的有关动力学的理论。

国内对于赛车发展很晚,对于悬架设计没有一个很完整的体系和理论,并且由于FSAE赛事开始较晚,与国外参赛车队有巨大差距。但近年来,FSAE赛事发展迅速,不断吸收国外先进理论,并有大量FSAE参赛人员或学者对赛车的操纵稳定性针对悬架方面进行了大量的研究和实验,并且运用了Adams/Car等动力学软件进行悬架的设计和动力学仿真,进行参数选择、刚度匹配。在结构方面,均使用ANSYS等FEA软件进行结构仿真,进行拓扑优化,达到轻量化设计的目的。

但国内参赛队伍总的来说对于车辆动力学方面还是存在很大的缺失,与国外队伍存在巨大差距,需要进行更多的研究,以及行业内需要更多的校企合作,对FSAE赛事提供更多的资金和技术支持。

1.3课题研究目的

进行电动大学生方程式赛车悬架的设计,通过ADAMS/CAR软件对悬架几何、四轮定位参数进行仿真优化,建立悬架三维模型,对重要零部件进行静力学仿真优化。

对电动方程式悬架进行参数、悬架几何、零件设计,通过使用ADAMS/CAR软件建立整车仿真平台,评估赛车的操纵稳定性,同时为了了解并提升赛车性能,通过整车动力学仿真,对参数进行优化设计,达到较为理想的操纵稳定性性能以及车辆的平衡。运用虚拟仿真平台可以节约设计时间以及精力,降低开发与制造成本,同时为实验提供理论依据以及实验目标和方向。

1.4课题研究内容

针对武汉理工大学电动方程式车队刀锋ⅦE11赛车,进行悬架的设计以及动力学仿真,主要内容如下:

(1) 对大学生方程式悬架参数进行选取,进行双横臂悬架几何绘制并使用ADAMS进行硬点的仿真优化,建立悬架三维模型。

(2) 对零部件进行载荷以及强度计算,根据赛车的加速工况、制动工况、减速入弯工况、加速出弯工况等基本工况计算出零部件在不同工况下的受力情况,通过ANSYS Workbench进行静力学仿真。

第2章 FSAE悬架参数计算及设计

2.1 大学生方程式规则对悬架的设计要求

1. 赛车的轴距至少为1525mm(60 英寸)。轴距是指在车轮指向正前方时前后车轴轴线在地面上的投影之间的距离。

2. 赛车较小的轮距(前轮或后轮)必须不小于较大轮距的75%。轮距和重心必须结合起来以提供足够的滚动稳定性。

3. 赛车所有车轮必须安装有功能完善的、带有减震器的悬架。在有车手乘坐的情况下,轮胎的跳动行程至少为50mm。

4. 赛车在有车手时,赛车除轮胎外的任何部分的最小静态离地间隙不得小于 30mm。[1]

2.2 悬架的选型

悬架分为独立悬架与非独立悬架。由于赛车对于操纵稳定性具有较高的要求,同时大学生方程式赛车尺寸较小,所以大多选择不等长双横臂式独立悬架。不等长双横臂悬架只要适当地选择上、下横臂的长度、角度等参数,就可以获得需要的侧倾中心位置和轮距、车轮定位参数等有利变化规律,保证有良好的性能。[2]

不等长双横臂独立悬架有三种布置方式,分为推杆不等长双横臂独立悬架、拉杆不等长双横臂独立悬架和无推拉杆式不等长双横臂悬架。[3]

推杆式不等长双横臂独立悬架的推杆大部分时间承受轴向的压力,对于杆件材料抗压强度一般要大于抗拉强度所以推杆能有更高的稳定度。但推杆式不等长双横臂悬架的减震器布置在车身(车架)的上方,导致整车质心变高,将会影响整车的操纵稳定性,而且没有充分利用车内空间,在一定程度上影响空气动力学性能。但由于结构布置不如拉杆式不等长双横臂紧凑,可以减小维护难度。

拉杆式不等长双横臂悬架的减震器布置在车身(车架)底部底部或侧边,有利于降低整车质心,有利于提升操纵稳定性,并且充分利用空间,有利于提升空气动力学性能。但由于拉杆大部分时间承受轴向拉力,材料的抗拉强度一般小于抗压强度,容易导致塑性变形,拉杆被拉断。同时由于拉杆式不等长双横臂悬架结构紧凑不易于维护以及调节减震器阻尼。

无推拉杆式不等长双横臂悬架结构简单,相对于推杆式与拉杆式不等长双横臂悬架,减震器直接链接到横臂上,减少摇臂以及推拉杆结构,对轻量化设计有积极作用。但由于缺少推拉杆,无法利用调节推拉杆长度来调整四轮载荷和离地间隙,并且传动比变化较大。

武汉理工大学刀锋ⅦE11赛车采用碳纤维单体壳车身结构,代替传统车架及覆盖件,在结构布局与空间上与车架有所不同,所以前悬采用拉杆式不等长双横臂悬架,减震器布置在单体壳车身两侧,拉杆外端连接到前悬上横臂;后悬采用推杆式不等长双横臂悬架,减震器对置布置在单体壳车身后方上侧,推杆外端连接到后悬上横臂。

2.3 整车参数及悬架计算设计

2.3.1 整车参数选取

2017年至2019年,武汉理工大学刀锋赛车均采用碳纤维单体壳承载式车身结构单电机传动,根据前两年经验,整车质量(包含驾驶员)估算为304kg,簧上质量(包含驾驶员)估算为263kg。参考近几年的数据,轴距选取为1578mm。前悬轮距选取为1250mm,后悬轮距选取为1200mm。

根据整车各大系统的布置位置,以及人机系统的确定,估计前后轴荷比为47:53。质心高度hm估为270mm。

2.3.2 轮胎轮辋选型

轮胎是赛车设计的重要一环,轮胎性能直接影响赛车的操纵稳定性和速度。在中国大学生电动方程式大赛规则中,明确规定:

1赛车轮辋直径必须至少为203.2mm(8.0英寸)。

2任何只使用一个安装螺母的车轮安装系统必须配有防松装置,用来固定安装螺母。当安装螺母松动时,该装置还可以固定车轮。双螺母防松不符合该项规定。

3标准车轮螺栓必须是钢制的,经过了充分的工程设计。任何对这种螺栓的改造都需在技术检查中进行严格的审查。车队如果使用改造的标准车轮螺栓或定制设计的车轮螺栓,需提供相关材料以证明该设计符合良好的工程实践。

4 铝合金轮毂螺母可以被使用,但要求必须硬质氧化至未被腐蚀烧坏状态。

5 赛车可使用以下两种轮胎:

干胎——在技术检查时安装在赛车上的轮胎被定义为干胎。干胎的尺寸和型号不限,可以是光头胎,也可是花纹胎;

雨胎——雨胎可以是符合以下规定的任意尺寸和型号的有花纹或沟槽的轮胎:

1)花纹或沟槽可以由轮胎生产商使用模具成型,或由轮胎生产商(或其指定的机构)切割成型。

2)花纹或沟槽的深度至少2.4mm(3/32英寸)。

6 静态项目比赛开始后,两种轮胎的型号和尺寸、轮辋的型号和尺寸都不得改变,其中前轴或者后轴上的轮胎必须是相同制造商,同一尺寸和配方的轮胎。在比赛现场时不得采用任何提升轮胎附着力的方法。禁止使用暖胎器。[1]

国内外FSAE赛事各车队主流使用轮胎品牌为美国Hoosier轮胎、美国Goodyear轮胎、德国Continental轮胎或中国的佳通(Giti)轮胎;主要轮辋直径尺寸为10英寸和13英寸。

在轮辋选择方面,2019年以前的武汉理工大学刀锋赛车均采用Keizer 10’x6’铝合金轮辋,剖视图如图2.1。其参数为轮辋宽度6英寸,质量2.2kg/个。适用轮胎为Hoosier 18x6 -10代号43101轮胎,轮胎直径18英寸,轮胎宽度6英寸。

图2.1 Keizer 10’x6’ 铝合金轮辋剖视图

2019年武汉理工大学电动方程式车队采用OZ 13’ x 7’ 镁合金锻造轮辋,剖视图如图2.2。其参数为轮辋宽度7英寸,质量2.45kg/个。

图2.2 OZ 13’ x 7’ 镁合金锻造轮辋剖视图

OZ 13’ x 7’ 镁合金锻造轮辋适用轮胎为Continental 205/470 R13 Slick与Hoosier 43168 干胎 20.0x7.5 – 13。Continental 205/470 R13 Slick轮胎外径470.2mm,重量3.75kg,扁平比35%,轮胎垂直刚度以及侧偏刚度较大。Hoosier 43168 干胎 20.0x7.5 – 13外径523.24mm,重量5.44kg,扁平比40.43%。综合考虑重量以及轮胎刚度,选用Continental 205/470 R13 Slick C17轮胎。

2.3.2 悬架侧倾中心高度确定

悬架的侧倾中心高度影响侧倾角以及侧倾力矩的大小,侧倾中心是一个变化值,整车的侧倾轴线为前后悬侧倾中心的连线,侧倾中心高度会随着车轮跳动、导向机构的变化而变化。

对于不等长双横臂悬架,侧倾中心的确定是车轮的瞬时转动中心和车轮瞬时滚动中心的连线与中心平面的交点。由于侧向力作用在质心,当侧倾中心高度更靠近质心高度时,侧倾力矩会减小,当侧倾中心与质心重合时,即侧向力作用在侧倾中心,侧倾力矩为零,车身不会转动。

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