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2 FSAE方程式赛车前悬架的设计
2.1 悬架系统概述
2.1.1 FSAE赛车悬架选型
“赛车悬架的作用是联接车轮或减震器、车桥与汽车的承载系统之间具有弹性联系，并且具有缓和冲击、传递载荷、衰减振动和调节汽车行驶中的车身位置等作用[11]。”
汽车悬架分为两大类，即独立悬架和非独立悬架。由表2.1可以看出非独立悬架具有簧下质量大、不利于提高汽车平顺性等缺陷，一般应用于载货汽车；而独立悬架的占用的空间而且小簧下质量比较小、弹性元件只承受垂直的力，可以采用低刚度的弹簧降低车身振动频率。因此，在赛车上独立悬架应用得更加广泛[12]。
表2.1 两种悬架形式的比较
特点 汽车平顺性 簧下质量 不平路面车身侧倾度 轴转向特性 占用空间 非独立悬架 较差 大 大 有 大 独立悬架 好 小 小 无 小 备注 非独立悬架指纵置钢板弹簧 表2.2 独立悬架各特性比较
扭转梁随动特性 双横臂式 单横臂式 单纵臂式 单斜臂式 麦弗逊式 臂式 侧倾中心高比较低 度 比较高 比较低 居中 比较高 比较低
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轮距 悬架侧倾角钢度 横向钢度 轴距 变化小 较小，需横变化大 不变 较小，需横变化不大 变化很小 不变 较大 稳器 大 不变 大 不变 稳器 小 变 居中 较大 较大 较小 变化小 大 不变 大 变 由表2.2我们可以看出，独立悬架具有多种形式，考虑到方程式赛车速度高和对操纵稳定性有较高要求[13][14]，且根据赛车总布置的需求同时参考各国内外车队的悬架布置形式，本设计选用双横臂独立悬架。此种悬架的主要优点是设计弹性好，侧倾中心位置及定位参数方便调整，可自行选定悬架A臂的长度，便于转向机构布置和转向特性调节。主要缺点是结构相对复杂，但在运动空间不足问题上可由赛车高弹性刚度来弥补，因此不会造成大的影响。
2.1.2 FSAE赛车悬架控制臂选材
纵观2014年国内FSAE大赛赛车悬架，控制臂的选材可以分为两类：碳纤维材质和钢管材质。
图2.1 某碳纤维A臂悬架实物图 图2.2 某钢管A臂悬架实物图
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表2.3 碳纤维管A臂与4130钢管A臂的比较
对比项 成本 质量 理论可靠性 实际可靠性 碳纤维 高 轻 满足 不高 钢管 低 重 满足 高 备注 在统一设计要求下进行比较 由表2.3我们可以看出，在相同的设计条件下，不论是碳纤维材质还是钢管材质，其设计的理论可靠性均可满足设计要求。但从成本角度考虑，碳纤维管件的价格是100￥/m，钢管的价格是27￥/m，钢管材质的价格是碳纤维价格的27%。而在质量上规格为14X1.5的钢管重量是0.47kg，规格为20X2的碳纤维管的重量是0.18kg。而对于大学生方程式车队而言，保证赛车的可靠性和安全性是第一要务，因此保证赛车的可靠性非常重要，在可靠性上因为焊接工艺相对于碳纤维的胶粘工艺更加成熟，而在比赛中因碳纤维悬架胶粘处松脱导致无法正常比赛的事故在FSAE赛事上也常有发生。故本次A臂设计选用4130钢管材质（4130钢指合金结构钢又名30CrMo，抗拉强度?b≥930MPa、屈服强度?s≥785MPa、硬度≤229HB）。 2.1.3 设计要求
大赛规则要求（悬架部分）：
（1）轴距要求：赛车轴距至少为1525mm；
（2）基本要求：赛车的四个轮子都要安装功能完善的并有避震器的悬架。在载人时，轮胎的跳动行程上下分别为为25.4mm。轮辋尺寸至少为8英寸。 悬架通用要求：
（1）确保汽车具有良好的乘员舒适性和纵稳定性；
（2）具有合适的衰减振动能力； （3）汽车在转弯时车身侧倾角合适；
（4）布置紧凑合理，避免发生运动干涉，尽量少得占用空间尺寸；
（5）在保证零部件强度和可靠性及轻量化要求的前提下，有效传递车轮与车身之间的各种力和力矩，；
（6）便于布置、维修和保养。
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2.1.4设计流程概述
作为第三次参加FSEC比赛的车队，在参照往届车队经验的同时，将上届赛车的不足进一步改善，并在参考大量国内外其他学校的赛车设计报告之后，确定如下设计流程：
（1）轮辋与轮胎的选择； （2）轴距和轮距的确定； （3）悬架偏频的计算； （4）初始运动学计算与优化； （5）零件结构模型设计和装配； （7）动态模拟仿真和参数优化； （8）强度校核。
2.2 悬架参数设计
2.2.1 轮辋和轮胎的选择
因为规则要求轮辋的尺寸至少为八英寸。而现在供应商所提供的轮胎当中，适用于FSEC大赛的轮胎类型只有十英寸和十三英寸两种。因为轮胎尺寸的限制，轮辋也就局限于十英寸和十三英寸两种。考虑到我们上一年用的是十英寸轮辋，比较有借鉴意义；而且用10英寸的轮辋可以降低30%左右的簧下质量和60%左右的转动惯量[15]，对改善汽车行驶的操纵性有很大帮助。故轮胎选择Hoosier十英寸轮胎。
2.2.2 轮距和轴距的选择
参照云电二代车的总体布置数据，考虑到今年在主环与前环的距离、电池与电机的位置、传动系统的布置形式等方面与去年类似，故其总布置尺寸与上代车类似。但考虑到去年车架后部空间紧张，故与去年车架相比，轴距和轮距略有加长。今年轴距初定为L=1570mm，在初定了轴距的情况下，可由经验公式（2.1）初定轮距：
B?kL （2-1）
式中： B——桥车的轮距，mm； L——桥车的轴距，mm； k——系数，取0.55~0.64；
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