“夢想4.0號”賽車行駛系設計（含UG三維圖）
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廣西
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夢想
賽車
行駛
設計
ug
三維
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摘要
隨著2010 年我國開始舉辦大學生方程式賽車比賽以來，越來越多的高校開始了對
FSAE 賽車的研究、制造與調試。到2017 年，我國大學生方程式汽車大賽由剛開始的20
多支車隊發(fā)展到了80 多支。為了我校行知車隊在2017 年10 月襄陽舉辦的第八屆中國
大學生方程式汽車大賽中取得優(yōu)異的成績，本文對新一季的“夢想4.0 號”賽車的行駛
系統(tǒng)進行了設計與優(yōu)化。根據2017 年方程式大賽規(guī)則，結合以往設計經驗，對“夢想4.0 號”賽車懸架和
車架進行設計計算。在懸架方面，對懸架類型進行了選型，選定車輪定位參數以進行了
懸架幾何設計和剛度與阻尼的計算。在車架方面，基于人機工程學和賽車總布置要求，
對車架進行了設計。然后利用CATIA 軟件對懸架總成和車架進行了三維建模。利用
ADAMS/Car 對車輪定位參數以及側傾中心高度進行了仿真，分析各參數隨輪跳的變化規(guī)
律，找出其不合理的性能參數，用ADAMS/insight 對其進行多目標優(yōu)化。并用ADAMS/Car
對車輪中心剛度、乘適剛度、側傾剛度和傳動比進行仿真，仿真結果和理論設計計算進
行對比，驗證理論計算的正確性。用ANSYS 軟件對懸架關鍵零部件搖臂進行了有限元仿
真分析，驗證其強度是否符合要求。對于車架的分析，本文用ANSYS 對車架進行多種工
況下的強度分析，以及進行了扭轉剛度、彎曲剛度的仿真分析與計算，結果表明“夢想
4.0 號”賽車車架符合強度與剛度要求
- 內容簡介：
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大學設計開題報告學生姓名：學號：學院：機械與動力工程學院專業(yè)：車輛工程設計題目：中北大學“夢想4.0號”賽車行駛系設計指導教師:201年月日設計開題報告1選題依據：一、賽事介紹FSAE（FormulaSocietyofAutomotiveEngineers）方程式汽車大賽最早起源于1978年，那時美國舉行了一個叫迷你印地（MiniIndy）的小型方程式賽車比賽。我國也于2010年在上海成功舉辦了首屆中國大學生方程式汽車大賽（FSAE），到現在已經成功舉辦了7屆，我國高校80多個車隊加入了這個行列。這項比賽是各國汽車工程師協(xié)會為了挑戰(zhàn)在校大學生或研究生賽車團隊在小型休閑賽車方面的設計、加工、制造及創(chuàng)新能力而發(fā)起的一場賽事。大賽要求各個高校車隊在12個月內自行設計和制造出一輛在加速、制動和操控性能以及耐久和燃油經濟性等各個方面都能表現優(yōu)異的小型單座休閑的方程式賽車。這項比賽到現在為止已經有30多年的歷史了，其中德國、英國、澳大利亞、日本、巴西、意大利和中國等國家在美國舉辦之后相繼加入了這一賽事?，F在，FSAE發(fā)展迅速，在賽車設計方面越來越多的創(chuàng)新理念融入了里面，在制造方面也越來越精細。這項賽事給在校大學生提供了一個創(chuàng)新和實踐的機會，為汽車行業(yè)培養(yǎng)了大量的具有扎實的理論基礎、非凡的創(chuàng)新能力、高超的工程實踐能力的年輕工程師。在一年的時間里，參賽團隊要做好設計和加工方面的時間節(jié)點安排，在設計的時候也要考慮成本以及加工費，根據自己車隊的實際情況做好預算（包括設備、材料等），這也給學生提供了一個團隊工作的機會。中北大學行知車隊也于2014年開始參加這個比賽，2017年將會參加中國第八屆大學生方程式汽車大賽。2014年和2015年，行知車隊在靜態(tài)賽的成本報告項目中分別獲得了第四和第五名的好成績，2015年還獲得了“優(yōu)勝獎”。2016年，“夢想3.0號”賽車成功跑完耐久，是行知車隊參加比賽以來第一次完賽，最后獲得了總成績“三等獎”的好成績。經過三屆的比賽，現在行知車隊在比賽技巧以及賽車設計制作方面也已經積累了很多寶貴的經驗。圖1.1、圖1.2、圖1.3為中北大學行知車隊前三年已經參賽的的FSAE賽車。圖1.1中北大學2014年參賽賽車圖1.2中北大學2015年參賽賽車圖1.3中北大學2016年參賽賽車比賽規(guī)則中，對賽車的總體設計做出以下要求：（1）賽車式樣：賽車必須車輪外露和座艙敞開（方程式賽車式樣），并且四個車輪不能在一條直線上；（2）車身：除了駕駛艙必須開口以外，從賽車最前端到主防滾架（或者防火墻）的這段空間里，不允許車身上有深入駕駛艙的開口。允許在前懸架的零件處有微小的開口。（3）軸距：賽車的軸距至少為1525mm（60英寸）。（4）輪距：賽車較小的輪距（前輪或后輪）必須不小于較大輪距的75%。（5）可視性：技術檢查表格上的所有條目必須在不借助工具（比如內窺鏡或是鏡子）的情況下清楚地呈現給技術檢查官。呈示時可以通過拆卸或移動車身板件來實現1。在評分方面，規(guī)則中專門提出了測評內容。參賽車輛將在一系列的靜態(tài)和動態(tài)項目中進行測評，包括：技術檢查、成本與制造分析、營銷報告、賽車設計、單項性能測試和良好的賽道耐久性1。其中技術檢查不計分，但是在進行動態(tài)賽之前，賽車必須通過技術檢查，否則無法繼續(xù)比賽。各項分數如表1.1所示表1.1各比賽項目及分值靜態(tài)項目分數動態(tài)項目分數技術檢查不計分直線加速測試75成本與制造分析1008字繞環(huán)測試50營銷報告75高速避障測試150賽車設計150效率測試100耐久測試300靜態(tài)項目總分325動態(tài)項目總分675總分1000二、FSAE賽車行駛系國外研究現狀FSAE賽事發(fā)展到今，國內外各個高校車隊對方程式賽車的研究也越來越深入。國外高校對FSAE賽車研究比較早，所以對于方程式賽車的零部件設計及優(yōu)化甚至加工制造更加豐富與成熟，在賽車行駛系方面技術積累相當多。在懸架方面，例如，美國一所高校對大學生方程式所用的輪胎的特點和各項性能進行對比研究，對于提高輪胎的各項使用性能有了一個相對全面的理論依據2；兩個美國工程師比較詳細地說明了賽車各系統(tǒng)構件的設計優(yōu)化和制造要點以及賽車各項性能的設計理論，目前，在FSAE圈子里，成為了經典的設計學習教材3。一個美國高校車隊設計懸架的整個過程，他們采用了拉桿式雙橫臂懸架，有效的降低了賽車的重心，在設計時采用了多種仿真和結構分析軟件，分析了多種受載情況下各零部件的受力情況，為賽車其他模塊兒設計提供數據4。文獻一個俄羅斯高校對于懸架幾何做了一個詳細的研究5。目前，世界各國車隊在車架方面的研究也累積了豐富的經驗，都利用計算機技術對車架做了強度與剛度的分析與計算，而且計算機輔助軟件也越來越豐富?，F在，世界上普遍使用的CAE有限元仿真分析軟件有：HyperWorks、ANSYS、MSC.NASTRAN、MARC、PATRAN、ABAQUS、LS-DYNA、ADINA、ANSA等，這些軟件對于結構力學分析和零部件優(yōu)化有很大作用。在汽車車架研究方面，國外CAE有限元分析技術的研究起步較早，CAE技術現己比較成熟。大學生方程式也將有限元分析作為設計中不可或缺的設計分析方法，有限元主要可以用于零部件的強度、剛度分析，以及疲勞耐久分析和性能分析。在FSAE賽車車架結構分析與優(yōu)化方面，國外高校已經普遍將其作為賽車設計的一個標準流程，并通過建立虛擬樣機來代替實車。因為參加大學生方程式賽車都是各高校精心手工打造，基本上一年一輛，不是量產車，我們不可能對其進行大部分試驗，所以通過建立虛擬樣機進行實驗，這樣不僅提高了設計效率，縮短了開發(fā)周期還降低了成本，這對于大學生來說，是很重要的。一個國外車隊結合理論分析，講述了路面激勵對車架振動的影響。對車架進行扭轉、壓力剛度以及強度和對車架進行模態(tài)分析，使其達到理想的輕量化6。德國斯圖加特大學詳細的對大學生方程式進行CAE仿真分析，在輕量化方面做的非常好，而且賽車性能和加工工藝也較為突出7。三、FSAE賽車行駛系國內研究現狀我們國內各高校對FSAE賽車研究較晚，但也有幾所高校也有了自己獨特的研究成果，其發(fā)表的論文也國內的經典教材。湖南大學的張武利用ADAMS/Car對于賽車的操縱穩(wěn)定性進行了動力學仿真8；湖南大學的柴天結合多年的FSAE賽車設計以及制造經驗，比較詳細的介紹了賽車各個系統(tǒng)設計要點，并且對湖南大學3輛FSAE賽車用ADAMS/Car進行了整車仿真，通過對3輛賽車輪胎特性、偏頻的對比分析，研究了其對整車性能的影響9。湖南大學劉美燕以2007年湖南大學方程式賽車為研究對象，利用ADAMS/Car對懸架和整車進行了運動學仿真分析，對操縱穩(wěn)定性做了詳細的介紹10。北京理工大學的倪俊等對方程式輪胎模型做了簡要介紹，在建模過程以及輪胎使用技巧方面提供了很有用的建議，供國內各個高校參考使用11。倪俊等人發(fā)表了多篇關于賽車各種外界條件下的賽車操縱穩(wěn)定性仿真分析，利用ADAMS/Car對賽車操縱穩(wěn)定性進行了仿真，深入分析了有穩(wěn)態(tài)回轉、蛇形繞樁實驗等12；倪俊等人考慮了空氣動力學因素，使模型更加接近實際，在此基礎上進行了進行了穩(wěn)態(tài)回轉實驗、轉向盤角階躍輸入實驗、轉向輕便性實驗及回正性試驗13。利用ADAMS/Car建立了賽道模型，模擬了賽車行駛中遇到的典型側風工況，分析了FSAE賽車遇到側風時的穩(wěn)定性14。文哈工大的李嫚很詳細的介紹了他們學校參加比賽賽車的設計過程，利用ADAMS/Car對懸架和整車進行仿真優(yōu)化，用ANSYS對FSAE賽車主要受力部件進行有限元分析，從其應力和應變兩方面確定是否滿足結構要求15。2013年哈工大范雪梅除了討論懸架設計方法和仿真分析方法以外，并且分析了碳纖維復合材料在懸架中的應用，研究了碳纖維管和金屬膠粘的連接方法與工藝，并做了驗證，為碳纖維復合材料在懸架上的應用提供了有力的依據16。華南理工大學的吳建瑜很詳細的介紹了雙叉臂懸架的設計和剛度計算方法，成為了國內FSAE賽車設計必備參考教材17。在車架方面，國內高校也逐步應用了有限元分析法，雖然沒有國外早期研究有限元法在FSAE賽車上應用成熟，但經過7個賽季的發(fā)展，國內各高校也積累了很多經驗。北京理工大學在有限元分析這一塊兒，已經達到了較高的水平，他們的FSAE賽車無論是結構設計還是輕量化在國內都是做的非常好的。特別他們從2015賽季開始，黑鯊VI歷史性的首次使用單體殼承載式車身，替代了原有的鋼管桁架式車架，滿足整車輕量化和高扭轉剛度的要求。河北工業(yè)大學吳亮亮用HyperMesh對FSAE賽車車架進行多種工況分析（靜態(tài)彎曲、扭轉、滿載加速、滿載轉彎、翻車），得到各種工況下的應力和位移云圖，對結果進行分析。還用有限元軟件對車架模型進行了模態(tài)分析，對實車車架進行了模態(tài)實驗，二者進行了對比分析。文獻中還介紹了一種遠程在線測試系統(tǒng)，在車架薄弱點安裝應變片，檢測賽車車架在不同工況下應力變化，為輕量化設計提供了可驗證的數據18。南京理工大學倪曉菊利用ABAOUS對車架進行不同工況（彎曲、激勵、扭轉、彎扭組合）的力學分析，計算車架的強度和剛度。為了防止共振，利用ABAOUS軟件對車架進行動力學分析，主要是車架的模態(tài)分析，包括自由模態(tài)和約束模態(tài)的分析，并且根據分析結果提出結論,并用電阻式應變儀對2015年比賽實車車架進行靜力試驗，把試驗結果和有限元模型靜力分析結果進行比較，驗證模型的可靠性19。同濟大學余海燕等用了單體殼是一種新型結構技術，車架和車身為一體代替了傳統(tǒng)鋼架結構，比傳統(tǒng)鋼架車架車身質量減少34%。文中用不同碳纖維和鋁蜂窩板作為車身主材對FSAE賽車進行單體殼車身設計，通過對比，選擇出了合適的碳纖維材料。并用有限元分析方法對單體殼車身進行了優(yōu)化分析20。中北大學李越輝詳細介紹了ANSYS有限元分析在車架上的應用，對車架進行了五種極限工況下的強度分析、彎曲剛度及扭轉剛度分析、模態(tài)分析31。四、課題研究的內容及目的為了參加2017年10月中旬在襄陽舉辦的第八屆中國大學生方程式汽車大賽，根據中國大學生方程式汽車大賽賽事規(guī)則和賽車制造標準要求，對中北大學“夢想4.0號”賽車行駛系統(tǒng)進行匹配計算分析，計算行駛系統(tǒng)及總成各部件的設計參數，完成行駛系統(tǒng)總成的設計及優(yōu)化。行駛系統(tǒng)包括車架、懸架、車輪、輪胎和車橋等，在FSAE方程式賽車設計上，我們不說車橋，本文主要研究懸架和車架，并運用多體動力學軟件ADAMS和靜力學分析軟件ANSYS對懸架和車架進行仿真分析。結合前三輛“夢想號”的行駛系統(tǒng)設計以及制造上的不足，并參考其他高校設計優(yōu)點，將“夢想4.0號”賽車懸架和車架更好的匹配，分析懸架運動學參數的變化規(guī)律，為“夢想4.0號”賽車的調試提供理論依據和確保賽車具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。方程式賽車設計是傾向于操縱穩(wěn)定性的，并不太多考慮舒適性。借助ANSYS軟件的輔助設計，在車架保持高扭轉剛度的同時，做到輕量化設計。懸架的機構設計方面的要求主要集中在可靠性、調整簡便性、結構合理性、輕量化等方面。本文研究目的在于將依照機械設計的原則,在借鑒國內外優(yōu)秀賽車的設計與制造經驗的同時,對中北大學行知車隊前三屆賽車的懸架機構和車架的設計工作進行總結,繼承優(yōu)點并改進不足,以求在2017年中國大學生方程式汽車大賽中的設計答辯環(huán)節(jié)和分值比重較大的動態(tài)項目上取得優(yōu)異成績。設計開題報告設計方案：一、實踐總結通過親身實踐，參加2016年大學生方程式汽車大賽，設計并制造了“夢想3.0號”賽車的懸架系統(tǒng)，以及和各高校車隊交流，發(fā)現中北大學前三屆賽車在設計以及制作上，尚有許多問題。針對目前的情況，下一步的研究重點應注意以下幾個方面；（1）查閱相關資料，更全面的了解輪胎力學，掌握所用輪胎的力學特性；（2）在整車仿真分析中懸架的性能表現，通過調整懸架參數，進一步提升懸架性能和整車性能；（3）進行減振器彈簧剛度和阻尼匹配研究，探討兩者對賽車性能的影響趨勢，為賽車調校提供理論依據；（4）本文只對懸架關鍵受力零部件進行靜力學分析，下一步利用ADAMS應對其進行動態(tài)仿真分析，以更加接近懸架實際受力情況,在用ANSYS對各個零部件進行有限元分析，進行拓補結構優(yōu)化，實現懸架輕量化的目的；（5）由于時間、儀器設備、場地等條件限制，本賽車沒有進行專門的實車測試實驗，下一步可考慮通過實車測試實驗或者K&C試驗平臺來驗證懸架運動學仿真模型的準確性和調試賽車懸架，以獲得更加優(yōu)異的懸架性能和整車性能。（6）在去年車架基礎進行進一步輕量二、設計方案確定由于高速賽車對操縱穩(wěn)定性的要求較高，基于總布置的空間并參考了國內外賽車的懸架，采用獨立懸架。由于雙橫臂獨立懸架設計自由度大，懸架控制臂的長度可自行設定，且有較小的非簧載質量；為了使賽車擁有良好的操控穩(wěn)定性，同時在滿足比賽規(guī)則前提下，FSAE賽車前后懸架均選用不等長雙橫臂獨立懸架。賽車上的雙橫臂懸架一般有3種設計方案：推桿驅動的雙橫臂懸架、拉桿驅動的雙橫臂懸架和叉臂驅動的不等長雙橫臂懸架19。通過綜合比較上述3種不等長雙橫臂獨立懸架的結構特點，并綜合考慮整車的布置方案以及穩(wěn)定桿的安裝等影響因素以及前三輛賽車均采用推桿驅動不等長雙橫臂懸架，有了相關的經驗。本課題最終確定前后懸架都采用推桿驅動的不等長雙橫臂懸架。三、研究內容本課題是以中北大學行知車隊“夢想4.0”賽車為研究對象，主要研究內容為：（1）對賽車前后懸架進行整體設計，包括懸架結構類型的選擇、懸架幾何的設計、車輪定位參數的制定以及懸架偏頻的選擇與懸架剛度阻尼的計算20等。根據設計計算結果來建立賽車懸架系統(tǒng)的三維模型；(2)懸架運動干涉校核,如控制臂與輪惘的干涉等；（3）懸架結構校核,如懸架部件在各種工況下應力應變的校核等；（4）基于Adams/Car模塊仿真平臺，在分析Adams軟件求解計算方法的基礎上，分別建立FSAE賽車前后懸架的仿真模型，對前后懸架做運動學仿真分析，并得到車輪定位參數、輪距和側傾中心高度等重要參數的變化規(guī)律；（5）從大學生方程式賽車規(guī)則、人機工程、總布置進行考慮，用CATIA建立了車架模，并用ANSYS進行剛度和強度校核分析。四、進度安排2017年2月13日-3月6日調研、文獻檢索、制定方案，撰寫開題報告3月7日-5月20日制作中國大學生方程式賽車、撰寫畢業(yè)設計說明書5月21日-6月10日準備和進行畢業(yè)設計論文答辯嗎參考文獻1中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則,2017.2KasprzakE,GentzD.TheformulaSAEtiretestconsortiumtiretestinganddatahandlingJ.SocietyofAutomotiveEngineersPaper，2006：801-808.3MillikenWF，MillikenDL.RacecarvehicledynamicsM.Warrendale，PA:SocietyofAutomotiveEngineersInternational，1995.4JawadBA,BaumannJ.DesignofFormulaSAESuspensionC.SocietyofAutomotiveEngineersConferenceProceedings，2002：267-272.5S.Chepkasov,G.Markin,A.Akulova.SuspensionKinematicsStudyoftheFormulaSAESportsCarJ.InternationalConferenceonIndustrialEngineering,2016：1280-1286.6WilliamB.Riley,AlbertR.George.Design,AnalysisandTestingofFormulaSAECarChassisJ.SAEInternational,2002.7BuchholzK.SoftwaretoolshelppropelFormulaSAEteamsJ.Training,2014,201
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