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                        FSAE賽車懸架和轉向系統開發

                        添加時間:2018/09/20 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。

                          賽車的懸架的設計追求充分發揮所選用輪胎的附著力能力,因此全面了解所用輪胎的力學特性十分必要。在文獻[1]中大學生方程式輪胎測試聯盟的兩位創始人Kasprzak E M 和 Gentz D 對輪胎測試過程和結果做了介紹,為參加 FSAE 賽事的車隊提供了常用輪胎的試驗數據,這些數據是分析輪胎性能的必備條件。文獻[2]中作者以 FSAE 領域應用較廣泛的兩款 Hoosier 品牌輪胎為例,利用試驗數據使用魔術公式擬合得到縱向力學特性曲線,并分別對比分析了不同垂直載荷、外傾角和胎壓對兩款輪胎的縱向力學特性的影響。文獻[3]建立了簡化的二自由度汽車運動數學模型,通過數學解析的方法分析出在車輛前輪角階躍輸入工況中輪胎側偏剛度對車身橫擺加速度瞬態響應的影響。文獻[4]中運用遺傳算法對汽車輪胎魔術公式參數進行了識別,得到了輪胎魔術公式在縱向、側向、回轉工況下的魔術公式系數。文獻[5]建立了不同輪胎胎壓下的小型客車的懸架和輪胎模型,通過對斜坡脈沖轉向和正弦掃頻轉向過程進行分析,得到不同輪胎氣壓對小型客車的穩態和瞬態操縱穩定性以及轉向響應快慢的影響。文獻[6]中 Sivaramakrishnan 和 Taheri根據試驗獲得的輪胎數據擬合五種輪胎的魔術公式,并將得到的輪胎模型帶入到利用MATLAB/Simulink軟件建立的非線性的整車模型中,進行了整車的仿真試驗。

                          依據橫擺角速度超調量、橫擺角速度響應時間、轉向穩定性和側向加速度響應時間作為評價標準對五種輪胎的性能進行了對比。文獻[7]中吉林大學的陳煥明,郭孔輝對 3 款乘用車輪胎進行實驗數據擬合得到了 Unitire 模型,并使用 Carsim 軟件進行了操縱穩定性試驗提出了自己的整車性能評價體系,對比出不同輪胎在不同操縱穩定性仿真試驗中的結果。國內外對輪胎的研究主要集中在輪胎模型的建立和模型修正上,針對 FSAE 賽車使用的輪胎的研究比較少,輪胎對整車操縱穩定性的影響方面研究和應用也較少。

                          懸架參數設計主要包括選定車輪定位參數、確定懸架幾何、選擇偏頻、計算剛度系數和阻尼系數等。由于大賽規則要求和輕量化的目標,FSAE 賽車一般都沒有轉向助力,轉向的輕便性是影響車手操縱的重要因素,很多學者也在這方面進行了研究。文獻[8]中的提出了考慮輪胎側偏特性和車輪外傾角的影響,得到了前輪轉向后回正力矩的計算方法,并在轉向輪主銷內傾角滿足轉向輪的回正力矩與回正阻力矩平衡方程的基礎上,通過優化轉向輪主銷內傾角來改善轉向沉重的問題。在主銷后傾角方面,在文獻[9]中作者提出轉向輪主銷后傾角會影響車輛的高速轉向穩定性,建立整車二自由度模型并利用轉向系統動力學方程作為補充,根據穩定極限車速匹配計算得到轉向輪主銷后傾角,并通過實車的試驗驗證了模型的準確性以及方法的有效性。文獻[10]中提出由于輪胎側滑量產生輪胎磨損,因此在根據前輪外傾角匹配前束值時應以減少側滑量為目標。同時基于轉向回正性和輕便性對前輪主銷內傾和主銷后傾角進行了解析推導計算,提出了一種前輪定位參數的優化設計方法。文獻[11]將 DOE(Design Of Experiments)技術應用到微型汽車轉向輪定位參數的優化設計中,將正交設計理論與 ADAMS 軟件中 Insight 模塊的 DOE 功能結合在一起,建立了懸架系統的多體動力學模型,確定了汽車加速和制動工況下轉向輪車輪定位角度值多目標優化函數,使用正交設計方法優化設計了轉向輪定位參數。國內外對四輪定位參數對整車操縱穩定性影響的研究主要集中在主銷后傾角對穩定轉向車速的關系、回正性的研究以及前束角和外傾角的匹配。學者們對四輪定位參數的研究還比較多,但是少見專門針對 FSAE 賽車的懸架系統參數的研究。

                          對懸架系統剛度和阻尼系數的研究主要集中在懸架彈簧剛度和減振器阻尼系數匹配計算以及基于整車平順性目標優化懸架系統剛度和阻尼系數上。文獻[12]

                          中同濟大學的陳辛波教授就雙橫臂扭桿彈簧懸架系統剛度和阻尼分析提出方法,依據空間動力學和虛功原理得出了彈簧、減振器和懸架系統剛度和阻尼的參數之間的關系,提出了根據給定偏頻和相對阻尼比來設計彈簧的剛度和減振器阻尼的具體步驟。文獻[13]中,Badih 針對 FSAE 賽車的懸架系統進行了受力分析。文獻[14]

                          的作者使用改進遺傳算法,以改善汽車行駛平順性和操縱穩定性為優化目標,建立了某輕型車乘用車后懸架運動學模型,并優化了懸架系統的彈簧剛度、減振器的阻尼系數以及穩定桿扭轉剛度。吉林大學的金凌鴿博士在文獻[15]中對懸架的運動學和彈性運動學特性的產生機理做了介紹,定性分析了懸架的主要 K&C 特性對整車性能的影響,并提出了汽車操縱穩定性和平順性的評價方法。然后利用整車建模平臺 Carsim 及優化平臺 Insight 和 ADAMS 軟件進行聯合仿真,采用多目標優化方法優化了懸架導向桿件的硬點坐標、懸架剛度和阻尼系數。文獻[16]中 Hall和 McPhee 聯合 MATLAB 和 ADAMS 來自動調整懸架系統的硬點坐標和剛度和阻尼系數然后進行懸架仿真,從而優化懸架系統。文獻[17]中利用空間機構理論基于單斜臂懸架繞空間軸線旋轉的斜臂的運動學分析,得出了在車輪上下跳動過程中懸架系統剛度和阻尼特性與懸架彈性元件剛度和減振器阻尼系數之間的關系。文獻[18]利用 ADAMS 軟件中的 Insight 模塊設計了正交試驗,利用試驗設計的方法對前、后懸架系統中的彈簧剛度系數和減振器阻尼系數進行優化,通過優化前后的結果對比分析,得到 3 組較合理的前、后懸架系統剛度和阻尼組合,將三種組合試裝在試驗車上,利用主觀評價的方式最終確定前、后懸架剛度和阻尼系數的匹配關系。為汽車懸架系統剛度值和阻尼值的確定提出了新方法。在 FSAE 賽車懸架剛度和阻尼的選擇方面,國內外的研究都比較少。由于 FSAE 賽車的特殊性,一套實用、成熟的懸架剛度和阻尼的選取及優化的方法并沒有形成。

                          利用 ADAMS/Car 軟件建立整車的多體動力學模型,利用軟件進行仿真試驗,可以大大縮短整車開發的周期,節約開發成本。在整車 ADAMS 建模方面,國內的車隊有很多學者做了研究,文獻[19]基于 ADAMS/Car 軟件建立了 FSAE 賽車整車多體動力學模型,同時借助在賽車上安裝的實時數據采集系統,對采集到的實車蛇形穿越試驗數據進行分析,并與虛擬仿真試驗的結果進行對比,驗證了模型的準確性。在 ADAMS 軟件中進行了虛擬穩態回轉仿真試驗,驗證了賽車具有不足轉向特性;同時進行了虛擬蛇形試驗,驗證了賽車具有良好的抗側傾和抗側滑能力。文獻[20]在 ADAMS 軟件中建立賽道模型,利用 ADAMS/CHASSIS 得到車輛在特定賽道上的能夠最快到達終點的行駛路徑。文獻[21]中 RL Mueller 基于ADAMS 軟件建立了整車的多體動力學模型,然后利用模型對比分析了固耐力輪胎和 Hoosier 輪胎以及兩款不同的發動機對賽車直線加速表現的影響。文獻[22]介紹了應用虛擬樣機技術對汽車的人一車閉環操縱穩定性進行評價的一般流程。并且提出一種確定汽車閉環操縱穩定性綜合評價中指標權重的方法。文獻[23]中華中科技大學的秦東晨運用 ADAMS 軟件,建立了某 SUV 車型的整車多體動力學模型,利用模型研究了該車型的前懸架的定位參數變化。利用開環模型的操縱穩定性的 3中評價方法進行了整車的仿真分析。文獻[24]提出了基于 ADAMS 建立懸架、轉向、驅動系統等系統,最后建立整車的虛擬樣車模型,并利用整車的多體動力學模型進行了階躍轉向、脈沖轉向、雙移線、穩態回轉等仿真試驗。通過實驗結果對整車的操縱穩定性進行評價。大量的學者們利用 ADAMS 軟件建立了各類車輛的整車模型并進行了操縱穩定性的仿真實驗,并通過試驗對比驗證,說明 ADAMS 軟件能夠準確、高效地完成整車操縱穩定性的仿真試驗。

                          FSAE賽車懸架和轉向系統設計:

                        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

                        轉向盤角度變化曲線
                        轉向盤角度變化曲線

                        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6
                            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
                              5.1.1 ADAMS/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

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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