CATIA大学生方程式赛车悬架及转向系统结构设计与分析
毕业论文关键词：FSEC 悬架 结构设计 强度校核
Title Structure design and analysis of FSEC uspension and steering system
Abstract Suspension and steering system is an important part of the chassis, which has a vital impact on the performance of the car. In this paper, the structure design of suspension and steering system is based on FSEC (the Chinese college students' equation for electric vehicle). Structural design requirements for light weight and reliability. CATIA software is used for 3D modeling, and the force of the suspension parts is calculated. Then the 3D model is imported into ANSYS Workbench finite element analysis software to carry out the strength check. By the analysis results, the maximum stress of each part is far lower than the strength limit of the material, which proves the rationality of the structure design, and provides a theoretical basis for the development of the real vehicle. Key words: FSEC; suspension; structure design; strength check
目 次
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 . 1
1.2 国内外发展现状 . 1
1.3 本文研究的主要内容 . 3
1.4 本章小结 . 3
2 悬架系统零部件设计 5
2.1 悬架系统的选型 . 5
2.2 横臂设计 . 5
2.3 轮边结构设计 . 6
2.4 本章小结 . 17
3 悬架零件受力分析 18
3.1 以轮胎为研究对象 . 18
3.2 前悬部分 . 21
3.3 后悬部分 . 26
3.4 本章小结 . 34
4 悬架零件有限元分析 35
4.1 有限元理论及其发展 . 35
4.2 ANAYS 软件介绍 35
4.3 ANAYS Workbench 介绍 36
4.4 有限元分析 . 37
4.5 本章小结 . 50
5 分析与讨论 51
5.1 立柱的结构设计 . 51
5.2 转向机的结构设计 . 51
5.3 有限元分析的讨论 . 52
结 论 55
致 谢 57
参考文献 59
1 绪论 中国大学生方程式汽车大赛是由中国汽车工程学会主办的，面向在校本科生和研究生的一项方程式汽车赛事，大赛分为油车组(FSC)和电车组（FSEC）。该赛事的比赛宗旨是让学生们设计并制造一辆小型方程式赛车并需要完成相关比赛。这项赛事具有极强的教育和实践意义，国内方程式电车刚刚新起就获得了政府和众多企业的大力支持，其赛事在国内的影响也在不断扩大。 悬架系统和转向系统都是汽车底盘的重要组成部分，对车辆操纵性和稳定性具有关键性作用，尤其对大学生方程式赛车而言，因其结构简单、速度快、操作灵活，对这两个系统要求更高。本课题为大学生方程式赛车所设计的悬架系统和转向系统在符合比赛规则的基础上，拟解决轻量化、可靠性的问题，并在动态赛事的考验下取得好的比赛成绩。 1.1 课题研究背景及意义 赛事举办初衷就是为了培养新一代汽车人，锻炼他们的团队协作能力，培养他们的工程实践经验，磨砺他们的意志品质。为了能够充分享受到赛事举办的意义，参与比赛的学生将组建一个车队，车队的管理人员、设计人员、加工制造人员都是高校里的同学。他们一起负责整个车队的运营管理工作，包括赛车开发日程安排、整车零部件设计与制造、赛车装配与调校、车手驾驶培训与练习等等。 在整个赛季过程中，充分强调学生独立自主研发、团队成员积极团结协作完成设计、加工、制造工作、协调人员工作安排、积极与各个企业洽谈赞助合作、宣传车队文化等相关工作。在这整个宣传活动中，同时也吸引了许多除了与汽车及相关的公司加入，提高了本校的大学生赛车的知名度，也为他们的品牌宣传做出努力。该比赛为学生提供了一个难忘的经历，提供给他们注重团队协作、工程设计、市场营销各个方面的学习机会。 大学生方程式汽车大赛对于赛车整体的设计只做了很少的限制，其目的是为了培养大学生的创造力和想象力，同时为了给予大学生足够大的发挥空间。因此，制作出一辆能够符合大赛所有规则以及完成大赛各项目的赛车，这是参赛车队所面临的真正挑战。 1.2 国内外发展现状 随着汽车技术的不断发展，新能源汽车技术突飞猛进。为顺应科技的发展潮流，大学生方程式赛车大赛也从传统的燃油动力步入新能源动力这一领域。2007 年，第一届混合动力方程式在美国新罕布什尔州举办。2010年，德国举办了第一届大学生方程式汽车大赛电车赛。 1.2.1 悬架研究现状 国外院校对于悬架系统的研究起步较早，研究成果也较为成熟。瑞典皇家理工学院（Kungliga Tekniska högskolan，KTH）在 2004 年赛车开发过程中，对悬架各个定位参数做了细致的研究并著有相关文献，文献就详尽地阐述了悬架定位参数对赛车操纵性能的影响，并记录了瑞典皇家理工大学对于悬架定位参数的计算和优化的过程[2]。美国劳伦斯科技大学在2002年设计赛车过程中，运用了计算机辅助设计软件对悬架各个部分零件进行三文建模，计算悬架零件在比赛中各种工况下的受力情况并用有限元分析软件进行强度校核，验证零件材料和结构的合理性[3]。 国内有关悬架的相关研究起步较国外晚一些，不过近些年我们也在这方面取得了长足的进步。湖南大学作为国内大学生方程式领域的先行者，对悬架系统进行了全方位的研究。文献[4]利用仿真软件 ADAMS/car 工具，针对轴荷分配、质心高度、转向系统传动比、轮胎侧偏刚度和轮胎宽度这五个变量进行研究，寻找这些因素对赛车操纵稳定性的影响规律，从而对赛车设计优化提出建议。湖南大学的柴天同样应用 ADAMS 软件，建立 FSAE 赛车整车虚拟样机。并通过对该虚拟样机仿真得出的结果研究了悬架偏频和轮胎性能的变化对整车性能的影响[5]。 华南理工大学吴健瑜基于 ADAMS/Insight 分析平台，对悬架系统进行实验设计和多目标优化设计，使悬架主要性能得到提升，之后还运用 ABAQUS 仿真软件对悬架零件进行静力学分析，验证零件强度的安全性，为赛车轻量化提供了理论依据[6]。 文献[7]将悬架结构简化为悬架平面力系模型，从力系平衡方程得出力系矩阵，利用MATLAB强大的矩阵计算能力，可以快速求出悬架在各种工况下的受力大小，从而为接下来的强度校核做好了准备。文献[8]在悬架结构设计时采用 Pro/E 软件进行三文建模，并在SolidWorks 环境下对零件进行强度校核，保证悬架系统安全可靠。 国外院校不仅做了大量的理论研究工作，而且新材料新技术的应用也远远走在了前面。现在，国外方程式赛车的悬架零件例如轮辋和横臂，大量采用碳纤文材料，以实现赛车轻量化，提高赛车性能。国内也紧跟发展潮流，哈尔滨工业大学的范学梅研究了碳纤文材料在悬架系统中的应用，设计了碳纤文横臂与铝制接头的连接方式并制定了相关实验方案，采用正交试验方法研究碳纤文管和金属零件的粘接技术和工艺，为悬架系统引入新型材料提供技术依据[9]。而由于资金、技术和加工手段的限制，我国除少数院校车队在制造横臂时采用碳纤文为原料外，大多数院校均采用钢材。总的来说国内赛事起步较晚，资源配置与技术发展和国外有相当长的一段距离，需要我们进一步去探索研究。 1.2.2 转向系统研究现状 国内对于转向系统的研究多集中在优化转向梯形的设计上。优化转向梯形以实现阿克曼转向原理可以显著提高车辆操纵性能和经济性[10]。厦门理工学院的向铁明等人在设计赛车的转向梯形时，利用MATLAB软件建立目标函数，以非线性最小二乘法计算可以快速获得优化结果[11]。数字化虚拟样机技术同样是转向系统优化设计的手段之一。利用 ADAMS 建立悬架转向系统模型并进行仿真分析，分析实际转向特性和理论转向特性的接近性、转向系统和悬架系统的协调性，这一技术效率高，结果精确[12]。 1.3 本文研究的主要内容 大学生方程式赛车无一例外采用了双横臂式悬架，这种悬架结构形式与一级方程式赛车和高级轿车所采用的悬架结构形式是一致的，这是因为双横臂式悬架优点突出，其受支撑力小，各部件变形量小，所以刚度大，车轮导向精准。当上横臂短时，车轮上跳时外倾角变化与车身侧倾而产生的外倾角变化相反，从而使轮胎与地面紧密贴合，抓地力好[13]。转向系统普遍采用齿轮齿条式结构，这种结构简单体积小的转向机非常适合大学生方程式赛车这样体积小轴荷轻的车辆。 悬架和转向系统由许多零件组成，例如立柱连接着悬架横臂和转向拉杆，它们一同随车轮跳动。所以悬架与转向系统联系紧密，在设计时必须综合考虑。所有零件结合在一起形成的结构实现着悬架及转向系统的运动学特性。结构设计必须考虑零件之间互相干涉的问题。工程师利用数字虚拟样机技术就可在结构设计初期解决干涉问题。利用 CATIA软件对零件进行三文建模装配，在 DMU 模块中对装配体进行静态干涉分析，从而避免干涉，优化了结构设计[14]。 大学生方程式比赛规则对于赛车的功率做出了限制，要想提高赛车性能，必须从轻量化下手。轻量化设计可以提高赛车操纵性和经济性[15],其是属于簧下质量的悬架部分，这样可以很好地改善行驶平顺性。当今最常用的结构分析方法就是有限元法。有限元法是一种离散化思想[16]，把整体结构分解成有限个小单元，分析每个单元力学特性，再集合起来组建结构整体的力学方程式，由计算机求解[17]。这样就可以在图纸阶段去除冗余设计，实现零件轻量化。 1.4 本章小结 FSEC 大赛是FSAE 大赛的一个分支， 大赛旨在为日益成熟的纯电动汽车行业注入新鲜血液,带领国内外大学本科和研究生聚焦新能源电动汽车板块,带动全社会激发电动汽车新技术。我校参加的大学生方程式油车已经有 4 年的历史，积累了宝贵的经验。但是有限元分析相关技术积累不足。中国大学生方程式电车举办时间不长，希望借此机会，尽早地设计制造我校的方程式电车，引导我们尽早的研究电车，确立我校电车在江苏省内甚至全国的优势。在本课题我将对我校的方程式电车进行悬架与转向系统的结构设计，首先满足运动学特性要求，并且足够轻，足够安全，最大限度提升赛车性能，帮助团队取得好成绩。也希望提高我校车队有限元分析相关领域的技术水平，促进车队长远发展。