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The front suspension design of F1
Abstract：FSAE is the international tournament for college students.This paper design
and analyze the car's front suspension system based on the car of Yun Racing Team in Hefei University of Technology.The suspension has an important influence on the stability and smoothness of the car's handling stability. Therefore, in the design of the car, the suspension system plays a really important role.So it is necessary to design and analyze the FSAE car suspension.
Firstly, according to the arrangement demand of the finished cars and the comparison of suspension structure,i decide to use the unequal double- wishbone type suspension.Through the comparison of steel tube material and carbon fiber material,decide to use the steel tube material in the control arm and the guide arm.Then design the suspension parameters,including four- wheel alignment parameters, suspension geometry, stiffness and the damping calculation,accord to the calculation results, draw the parts drawings and assembly drawings of the front suspension.Last,build motion simulation model in Adams/Car module,and make simulation analysis on the model.And find out the changing range and the unreasonable direction parameters as the target of optimization.Then carry on the multi-objective optimization design om the Adams/Insight module,and carry on the simulation analysis again after modification of hard point coordinates.Compare the kinematic characteristics of the optimization before and after.The main performance of the optimized suspension is improved.Secondly, use Ansys to analyze the column in mechanical analysis.The results show that the column meets the structural requirements.
Keywords：Formula SAE Double-wishbone suspension Modeling and
simulation Multi-objective optimization Strength check
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1 绪 论
1.1 设计背景及意义
FSAE赛事由汽车工程协会举办，以大学生团队为参赛主体的方程式赛车赛事。大学生团队由该校一名指导教师和在校本科生及研究生组成。规定在12个月的时间内，按照赛事规则进行设计、加工和制造，并使其赛车的加速性能、制动性和操控性等方面都表现优异且足够稳定耐久。同时车的成本要低廉、维修方便、耐用可靠。与此同时，为了满足赛车市场销售的需求，该车的造型要美观并且乘坐舒适，使用通用性的零部件。赛事自创办以来，已经发展37年；赛事举办国家由最初的美国发展到美国、加拿大、德国、英国、日本、印度、中国等遍布亚洲、欧洲、美洲的15个国家。在各国越来越重视这一赛事的同时，数以万计的学生从这项赛事中收获了知识和工程实践经验。FSAE大赛可以说是未来中国汽车工业发展的摇篮。我们学校的FSAE赛车团队在各个方面都有十分优秀的表现，下面的图片所示为我校的FSEC（方程式纯电动赛车）赛车。
图1.1 合工大FSAE赛车
悬架在赛车操纵稳定性方面的作用非常重要，其运动特性对赛车动力学和对从轮胎传递到车架的力和力矩的响应也十分重要。对赛车整车而言，悬架性能对整车操纵的稳定性有着很大的影响，所以对整车设计而言悬架系统设计起着非比寻常的作用。双A臂独立悬架的最主要的特征是，如果想要使悬架获得合适的运动特性，则应在车轮上下跳动时，合理选择空间导向杆系的硬点位置、控制臂的长度及布置；并且当侧倾中心和纵倾中心恰当时，即可将车轮定位参数和轮距的变化量限定在合理的范围内。因为这些优势，双A臂独立悬架正在广泛地使用在FSAE 赛车上。同
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时基于赛车的悬架设计和研究也可以为乘用车悬架系统设计的轻量化和结构优化提供参考。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
大学生方程式大赛起源于美国，因为国外起步比较早，所以对FSAE赛车的深入研究和分析也比较早。目前，在整车系统和零部件设计优化等方面，国外学校的方程式赛车队已经积累了非常多的经验，掌握的相关技术已经比较成熟，例如文献
[1]
对汽车动力学进行了系统的研究。而且赛事发展更加丰富，从燃油赛车发展到燃
油、混合动力、燃气和纯电动等多个动力源项目的比赛。
因此，在FSAE赛车悬架设计方面也积累了很多经验.我们可以查询到很多有关方面的文献。尤其是在悬架的几何分析、空间优化、以及利用各种软件对悬架的力学性能进行分析等方面。设计也具有很好的创新性，文献[2]基于整车需要设计了钢板弹簧悬架。在FSAE不断的发展过程中，双横臂独立悬架的好处越来越受到各个车队的认可，同时在能够充分保证赛车的可靠性和经济性的基础上，碳纤维材质的悬架也应用到赛事中来，有效改善了赛车的轻量化程度。
1.2.2 国内发展现状
与国外不同的是，FSC大赛开始于2010年，中国汽车工程学会联合中国21所大学院校在上海举办了首届大赛[3]。由于起步晚，所以在赛车的设计方面的研究相对较少但是仍可以找到关于赛车悬架设计的资料，其中包括湖南大学文献[4]操稳性的研究、哈尔滨工业大学文献[5、6]对碳纤维悬架的研究和华南理工大学文献[7]对悬架的设计及北京理工大学文献[8-10]在悬架和轮胎的设计及选型方面做出了很多贡献，为国内车队在设计方面和研究方面的发展给予了巨大的帮助。
1.3 选题的主要内容
选题主要以合肥工业大学云电动方程式赛车为基础，设计和优化大学生方程式赛车的前悬架，主要内容如下：
（1）简要介绍了FSAE大赛的基本情况，并阐述了国内外FSAE赛车有关悬架设计方面的发展水平。
（2）对大学生方程式赛车悬架定型进行有序的选择，对A臂的材质进行选择，
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确定了钢管双A臂独立悬架的布置形式；
（3）主要讲述了赛车前悬架的设计方法，其中包括了悬架几何、车轮的定位参数、悬架偏频的选择和对悬架阻尼的计算。并建立前悬架Catia三维模型。
（4）建立前悬架仿真模型，这里的模型采用的是Adams/Car模块，对前轮进行运动学仿真，利用Adams/insight模块分析灵敏程度，这里的灵敏程度反应的是硬点坐标位置对车轮定位参数的影响，通过调整悬架控制臂硬点坐标位置来优化车轮定位参数变化特性。
（5）利用Ansys软件对立柱进行分析，并根据往届设计经验保证其可靠性和强度。
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