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                        FSAE賽車懸架和轉向系統優化

                        添加時間:2018/08/02 來源:合肥工業大學 作者:侯杰
                        本文對合肥工業大學的FSAE賽車的懸架和轉向系統進行了設計和優化,然后對懸架和轉向系統的導向機構進行了優化,最后對利用ADAMS/Car軟件建立的整車多體動力學模型對賽車的操縱穩定性進行了分析和驗證。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          從 2010 年開始,大學生電動方程式汽車大賽(簡稱 FSAE)被引入中國,大賽吸引了許多高校和企業參與 FSAE 賽車的開發與研究。懸架和轉向系統作為賽車的重要總成,其設計合理與否決定了賽車性能的優劣。本文以合肥工業大學的FSAE 賽車為研究對象,設計了懸架和轉向系統,并對懸架和轉向系統導向機構進行了運動學優化,最后利用 ADAMS/Car 軟件對賽車的操縱穩定性進行了驗證分析。

                          首先,根據大賽規則、整車參數和性能設計要求對懸架系統進行了設計,確定了前、后懸架的形式、車輪定位參數和懸架幾何;對懸架的彈簧剛度和阻尼系數進行了計算,得到了懸架系統的三維模型。

                          其次,根據初步設計的懸架系統,對賽車的轉向系統進行了設計和優化。根據人機工程學的要求設計了轉向盤,確定了轉向系統的參數,對轉向梯形導向機構進行了優化設計。根據轉向系統要求自行設計了轉向器。最后利用 ADAMS/Car通過改變斷開點坐標位置,改善轉向和懸架系統導向桿件之間的運動不協調。

                          為提高賽車的操縱穩定性并且減少輪胎的磨損,本文以車輪定位參數和輪距以及蛇形試驗工況時賽車的橫擺角速度和車身側傾角為目標,建立了多目標優化函數,設計了 Plackett-Burman 無重復飽和析因試驗并利用半正態圖法對懸架和轉向系統導向桿件各關鍵點坐標進行了靈敏度分析,使用試驗設計方法進行優化設計。通過優化前后仿真試驗結果對比,優化效果明顯,證明了優化方法的有效性。

                          最后,基于 ADAMS/Car 建立了賽車的整車多體動力學模型,利用賽車上安裝的數據采集系統驗證了整車多體動力學模型的準確性。利用整車模型完成了穩定回轉、轉向盤角階躍和角脈沖、回正性、輕便性和蛇形試驗仿真試驗,證明賽車具有較好的操縱穩定性,懸架和轉向系統設計較合理。

                          關鍵詞:FSAE 賽車;懸架;轉向系統;靈敏度分析;優化

                        ABSTRACT

                          Formula SAE(FSAE) has been introduced to China since 2010. This competition has attracted many universities and enterprises to participate in the research and development of FSAE racing car. The design of suspension and steering system as an important vehicle assembly determines the performance of the car. This dissertation taking the FASE car of Hefei University of Technology racing car for the research object, suspension and steering system of racing car is designed and optimized. Finally,the handling stability of the car is verified usingADAMS/Car.

                          Primarily, according to competition rules and vehicle parameters and performance requirements, suspension system is designed. The type of suspension and the wheel alignment parameters and suspension geometry is chosen. Suspension spring stiffness and damping coefficient is calculated . CATIA model of suspension system is got. Secondly, according to the preliminary design of suspension system, the steering system is designed and optimized. The parameters of steering system is chosen. The guiding mechanism of steering trapezium is designed and optimized. Steering wheel and steering gear is designed. The position of splitting point was changed to coordinate the movement of suspension and steering linkages.

                          To improve handling stability of the racing car and reduce tire wear, the multi-objective optimization function is established and the Plackett-Burman unreplicated saturated factorial experiment is designed. Using semi-normal probability plot, sensitivity analysis of the key points in suspension guiding mechanism is performed. The optimization design was conducted with experimental design method. The impact of optimization is obvious compared with the unoptimized one, which shows that the optimization method is advanced and effective.

                          Finally, multi-body dynamic model of the racing car is built based on ADAMS/Car. The accuracy of the model was verified using data acquisition system installed in the car. The virtual handling stability tests are performed using the ADAMS/Car. It is proved that the design of suspension and steering system is reasonable and the racing car having good handing stability.

                          KEYWORDS: FSAE racing car; Suspensions; Steering; Sensitivity Analysis;Optimization

                          大學生方程式汽車大賽(簡稱“FSAE”)是一項汽車設計與制造賽事,它的主要參與者為高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生,以學校為單位組成的各參賽車隊在賽事規則和賽車制造標準的規范下,在一年內自行開發和研制出一輛具有優秀的加速、制動、操控性等方面性能且有市場前景的小型單人座賽車,能夠成功完成性能、設計和營銷的比拼,F在,很多學校采取和企業合作開發的方式使更多的資源應用到賽車的開發中,相關企業也在合作中獲得了共同開發的技術成果,如同濟大學與上海電驅動公司合作開發了輪轂電機。而且,隨著人民生活水平的上升,越來越多的人參與到賽車運動中來。該項賽事已有 39 年歷史,引入中國也有 6 年。國內現在燃油車組已有 79 支車隊,電車組已有 36 支。包括清華、同濟、北理等車輛專業較強的學校均有參加。

                          在 FSAE 賽車的設計開發中,懸架和轉向系統性能優劣直接決定著整車操縱穩定性和平順性的好壞,在整車設計開發中占有著非常重要的地位。

                          論文目的是形成一套比較完整、準確的 FSAE 賽車懸架和轉向系統設計優化思路和方案。這一套方案也可以應用到乘用車設計中。

                          結合合肥工業大學云電動賽車隊的第四代 FSAE 賽車,本文的主要研究內容有以下幾點:

                         。1)懸架系統優化設計與分析

                          分析四輪定位參數對轉向回正力矩和整車操縱穩定性的影響,確定四輪定位參數;分析懸架剛度、阻尼系數對賽車操縱穩定性的影響,計算得到剛度和阻尼系數。

                         。2)轉向系統優化設計與分析

                          選取轉向系統主要參數;谔厥赓惖览肕ATLAB軟件優化轉向梯形機構。

                          協調轉向和懸架系統導向桿件的運動。

                         。3)轉向和懸架系統導向機構的多目標優化

                          基于整車操縱穩定性及懸架系統參數,分析轉向和懸架系統導向機構各關鍵點坐標對以上參數變化的影響程度,確定多目標優化函數,對懸架系統導向結構硬點坐標位置進行優化設計。

                         。4)整車建模仿真與分析

                          建立整車模型,結合賽車的特點,驗證和分析賽車的懸架和轉向設計是否滿足賽車對操縱穩定性要求。

                          形成一套比較完整、準確的 FSAE 賽車懸架和轉向系統設計優化思路和方案。

                          根據論文的主要內容確定了本文的主要思路和框架如圖 1.2 所示。

                          FSAE賽車懸架和轉向系統仿真模型:

                        前懸架 ADAMS/Car 模型
                        前懸架 ADAMS/Car 模型

                        后懸架 ADAMS/Car 模型
                        后懸架 ADAMS/Car 模型

                        轉向系統 ADAMS/Car 模型
                        轉向系統 ADAMS/Car 模型

                        FSAE 賽車的整車多體動力學模型
                        FSAE 賽車的整車多體動力學模型

                        實車試驗
                        實車試驗

                        ADAMS 中仿真路徑圖
                        ADAMS 中仿真路徑圖

                        目 錄

                          第一章 緒論
                            1.1 課題研究的背景和意義
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 FSAE 賽車懸架系統優化設計發展現狀
                              1.2.2 FSAE 賽車轉向系統優化設計發展現狀
                              1.2.3 FSAE 賽車懸架轉向運動學多目標優化發展現狀
                            1.3 本文研究內容
                            1.4 本章小結
                          第二章 FSAE 賽車懸架系統優化設計
                            2.1 賽車懸架系統介紹及設計要求
                              2.1.1 賽車懸架系統介紹
                              2.1.2 賽車懸架系統設計要求
                            2.2 賽車懸架的設計流程
                            2.3 前、后懸架形式的確定
                            2.4 車輪定位參數的確定
                              2.4.1 車輪外傾角和前束角的確定
                              2.4.2 主銷內傾角和主銷后傾角的確定
                            2.5 懸架幾何
                            2.6 懸架剛度和阻尼的計算
                              2.6.1 懸架偏頻的選取
                              2.6.2 懸架彈簧剛度和減振器阻尼系數計算
                            2.7 本章小結
                          第三章 FSAE 賽車轉向系統優化設計
                            3.1 賽車轉向系統介紹及選型
                              3.1.1 賽車轉向系統介紹及設計要求
                              3.1.2 賽車轉向系統的設計流程
                            3.2 轉向盤的設計
                            3.3 轉向系統參數設計
                              3.3.1 前輪最大轉向角度
                              3.3.2 轉向系角傳動比
                              3.3.3 轉向系力傳動比
                            3.4 轉向梯形結構優化設計
                              3.4.1 轉向系內外車輪轉角關系
                              3.4.2 斷開式轉向梯形機構的數學模型
                              3.4.3 阿克曼修正系數的選擇
                              3.4.4 轉向梯形機構結構的優化
                            3.5 轉向器的選型及設計
                              3.5.1 轉向器選型
                              3.5.2 轉向系計算載荷
                              3.5.3 作用在轉向盤上的手力
                              3.5.4 轉向器的機構設計
                            3.6 轉向和懸架系統導向桿系運動匹配
                            3.7 本章小結
                          第四章 基于靈敏度分析的懸架和轉向多目標優化
                            4.1 懸架和轉向系統導向機構運動學優化的目的
                            4.2 FSAE 賽車的前后懸架仿真分析
                              4.2.1 FSAE 賽車的前后懸架仿真的目的和要求
                              4.2.2 前懸架仿真結果及分析
                            4.3 多目標優化函數的確定
                              4.3.1 優化目標的確定
                              4.3.2 多目標優化函數的確定
                            4.4 優化變量的確定
                              4.4.1 優化變量的選取
                              4.4.2 各優化變量因子水平的確定
                            4.5 靈敏度分析
                              4.5.1 無重復飽和析因試驗的介紹
                              4.5.2 利用無重復飽和析因試驗進行靈敏度分析
                            4.6 全因子正交試驗及優化結果與分析
                              4.6.1 全因子正交試驗
                              4.6.2 優化結果與分析
                            4.7 本章小結
                          第五章 基于 ADAMS/Car 的整車操縱穩定性仿真分析
                            5.1 ADAMS 軟件概述及其計算方法
                            5.1.1ADAMS/Car 軟件概述
                              5.1.2 ADAMS 計算方法
                            5.2 FSAE 賽車整車 ADAMS/Car 虛擬模型的建立
                              5.2.1 前、后懸架仿真模型的建立
                              5.2.2 轉向系統仿真模型的建立
                              5.2.3 整車虛擬模型的裝配
                            5.3 FSAE 賽車 ADAMS/Car 虛擬模型的驗證
                            5.4 穩態回轉試驗的仿真
                              5.4.1 仿真標準及方法
                              5.4.2 仿真結果分析
                            5.5 轉向瞬態響應試驗仿真分析
                              5.5.1 轉向盤角階躍輸入
                              5.5.2 轉向盤角脈沖輸入
                            5.6 轉向回正性能試驗仿真分析
                              5.6.1 仿真標準及方法
                              5.6.2 仿真結果分析
                            5.7 轉向輕便性試驗仿真分析
                              5.7.1 仿真標準及方法
                              5.7.2 仿真結果分析
                            5.8 蛇形試驗的仿真分析
                              5.8.1 仿真標準及方法
                              5.8.2 仿真結果分析
                            5.9 本章小結
                          第六章 總結與展望
                            6.1 總結
                            6.2 展望
                          參考文獻
                          攻讀碩士學位期間的學術活動及成果情況

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