推桿搖臂設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

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基于MATLAB和CATIA的大學(xué)生方程式賽車(chē)懸架系統(tǒng)推桿搖臂 設(shè)計(jì)報(bào)告 指導(dǎo)老師：舒紅宇 學(xué) 生：黃志宇 學(xué) 號(hào)：20156260 專業(yè)班級(jí)：車(chē)輛工程04班 重慶大學(xué)方程式賽車(chē)創(chuàng)新實(shí)踐班 二〇一七年二月  一、 引言 與轎車(chē)懸架不同，由于車(chē)架的限制，導(dǎo)致賽車(chē)懸架系統(tǒng)中的減震器和彈簧不能直接與車(chē)架相連，為了保證賽車(chē)平穩(wěn)行駛和衰減振動(dòng)的需要，需在減震器(彈簧)和懸架橫臂之間加裝一推桿或拉桿以傳遞賽車(chē)行駛過(guò)程中的垂向力，如圖1所示。在賽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，由于賽車(chē)的載荷轉(zhuǎn)移使得懸架系統(tǒng)的垂向剛度成為了影響汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的重要因素。車(chē)輪跳動(dòng)量與彈簧長(zhǎng)度變化量之比(傳動(dòng)比)是聯(lián)系車(chē)輪中心剛度和彈簧剛度之間的橋梁。理想的傳動(dòng)比特性在車(chē)輪跳動(dòng)的過(guò)程中應(yīng)維持一定值，這樣的傳動(dòng)比可以簡(jiǎn)化彈簧的設(shè)計(jì)難度，然而由于賽車(chē)的空間限制和推桿的加裝使得彈簧軸線不一定沿垂向布置，這使得獲得恒定的傳動(dòng)比成為了賽車(chē)懸架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難題。 圖1 懸架結(jié)構(gòu)圖  二、 懸架系統(tǒng)方案選型 由于高速賽車(chē)對(duì)操縱穩(wěn)定性要求較高，同時(shí)基于結(jié)構(gòu)、成本費(fèi)用、空間尺寸等的考慮，賽車(chē)一般都采用雙橫臂式獨(dú)立懸架。賽車(chē)上的雙橫臂懸架一般有以下三種設(shè)計(jì)方案：推桿不等長(zhǎng)雙橫臂懸架、拉桿不等長(zhǎng)雙橫臂懸架和無(wú)推拉桿不等長(zhǎng)雙橫臂懸架。綜合比較上述三種賽車(chē)懸架設(shè)計(jì)方案，并考慮比賽規(guī)則對(duì)懸架設(shè)計(jì)的要求、懸架的制造、裝配、調(diào)試難易程度、可靠性等因素，確定賽車(chē)前懸架和后懸架均采用推桿不等長(zhǎng)雙橫臂獨(dú)立懸架，如圖2所示。 圖2 推桿不等長(zhǎng)雙橫臂懸架 優(yōu)點(diǎn)是：具有雙橫臂懸架的優(yōu)點(diǎn)；推桿大部分時(shí)間承受軸向壓力，對(duì)桿件型材料來(lái)說(shuō)，一般抗壓強(qiáng)度要大于抗拉強(qiáng)度，即使賽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間工作，懸架也不容易折斷損壞；減振器外置有利于方便調(diào)節(jié)其阻尼。 缺點(diǎn)是：推桿下端直接連接到下控制臂上，使得下控制臂承受較大彎矩；減振器和搖臂布置于車(chē)架上部，整車(chē)的重心位置升高，不利于賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性；沒(méi)有充分利用了車(chē)架內(nèi)的空間，不利于賽車(chē)車(chē)身的流線設(shè)計(jì)。 三、 參數(shù)計(jì)算 3.1 搖臂簡(jiǎn)介 搖臂主要有四個(gè)安裝孔，分別為與車(chē)架、減震器、推桿、橫向穩(wěn)定桿的鉸接孔，而其鉸接孔和彈簧及推桿的角度決定了懸架的傳遞比， 在已定的傳遞比情況下可確定其安裝孔的幾何關(guān)系，如圖 3 所示。 圖3 搖臂模型及受力圖 3.2 懸架剛度計(jì)算 已知整車(chē)參數(shù)如表1所以，可進(jìn)行以下參數(shù)計(jì)算。 整車(chē)質(zhì)量（kg） 簧上質(zhì)量（kg） 非簧質(zhì)量（kg） 軸距（m） 前輪距 （m） 后輪距 （m） 321 281.2 39.8 1.55 1.15 1.10 質(zhì)心到后軸水平距離(m) 質(zhì)心高度 (m) 質(zhì)心到側(cè)傾中心軸線距離(m) 輪胎剛度(kN/m) 前懸架側(cè)傾中心高度(m) 后懸架側(cè)傾中心高度 (m) 852.5 0.27 0.2505 190000 0.035 0.045 輪胎半徑（m） 前后載荷比 質(zhì)心到前軸水平距離 (m) 0.232 45:55 697.5 表1 賽車(chē)參數(shù) （1）懸架乘適剛度（輪胎接地點(diǎn)相對(duì)車(chē)架或車(chē)身單位垂直位移時(shí)所受的垂向力） 前軸單側(cè)懸架乘適剛度： 后軸單側(cè)懸架乘適剛度： （2）車(chē)輪中心剛度（車(chē)輪中心相對(duì)車(chē)架或車(chē)身單位垂直位移時(shí)所受到的垂向力） 前懸架車(chē)輪中心剛度： 后懸架車(chē)輪中心剛度： （3）側(cè)傾角剛度（車(chē)架或車(chē)身側(cè)傾單位轉(zhuǎn)角時(shí)懸架給車(chē)架或車(chē)身總的恢復(fù)彈性力矩） 前懸架角剛度： 式中， 后懸架角剛度： 式中， （4）側(cè)傾增益（1g橫向加速度下車(chē)架或車(chē)身側(cè)傾轉(zhuǎn)角的大小） 式中，為車(chē)身側(cè)傾角。 （5）側(cè)傾時(shí)載荷轉(zhuǎn)移 設(shè)定賽車(chē)以通過(guò)半徑的最小彎道，則賽車(chē)所受的橫向加速度為： 前軸由于橫向加速度所引起的載荷轉(zhuǎn)移為： 后軸由于橫向加速度所引起的載荷轉(zhuǎn)移為： 由以上公式，可以繼續(xù)推導(dǎo)出來(lái)前后懸架乘適剛度： 前懸架乘適剛度： 后懸架乘適剛度： 3.3 偏頻計(jì)算 懸架偏頻是指賽車(chē)簧上質(zhì)量無(wú)阻尼情況下的固有頻率，偏頻越高，則懸架越硬，賽車(chē)的操控性越好；偏頻越低，則懸架越軟，賽車(chē)的舒適性越好，能更好的緩沖路面沖擊。 對(duì)于偏頻來(lái)說(shuō)，有以下幾點(diǎn)作為選擇的原則： 1.前后懸架應(yīng)選擇不同的偏頻以避免發(fā)生共振。 2.對(duì)于賽車(chē)來(lái)說(shuō)，對(duì)于舒適度的要求要稍微弱一點(diǎn)，對(duì)賽車(chē)操控性的要求會(huì)更高一些，所以一般選擇為前高后低。 通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)SAE賽車(chē)的前后偏頻一般取值在2.4~3Hz之間，且前高后低。將偏頻初步假設(shè)為：. 由3.2中的公式，可計(jì)算出： 前懸架偏頻： 后懸架偏頻： 3.4 計(jì)算結(jié)果 最后的要求是我們所假設(shè)的偏頻與利用假設(shè)的偏頻求出的偏頻應(yīng)該盡量的相同，且還需要保持前高后低。在這里，利用MATLAB進(jìn)行編程，可以求出較為合適的偏頻。利用MATLAB軟件計(jì)算出的結(jié)果為：。在此偏頻下，求出的偏頻誤差不超過(guò)0.4Hz，滿足要求。 由此可以獲得以下數(shù)據(jù)： 前軸單側(cè)懸架乘適剛度：24632N/m； 后軸單側(cè)懸架乘適剛度：18752 N/m； 前懸架車(chē)輪中心剛度：28289 N/m； 后懸架車(chē)輪中心剛度：20806 N/m； 前懸架側(cè)傾角剛度：326.4874Nm/； 后懸架側(cè)傾角剛度：219.6953 Nm/； 側(cè)傾增益：-1.38/g； 前軸橫向載荷轉(zhuǎn)移：647.1738N； 后軸橫向載荷轉(zhuǎn)移：484.4954N； 前懸架實(shí)際上跳行程：0.025mm； 后懸架實(shí)際下跳行程：0.026mm。 3.5 彈簧剛度及傳動(dòng)比計(jì)算 彈簧是選購(gòu)的，一般是給一個(gè)固定的彈簧，算出傳動(dòng)比，然后設(shè)計(jì)搖臂。彈簧有如表2所示下列型號(hào)： 彈簧規(guī)格 250 300 350 400 其他 43.75 52.50 61.25 70.00 — 表2 彈簧型號(hào) 懸架傳遞比是指懸架跳動(dòng)時(shí)車(chē)輪中心垂直位移和減振器彈簧軸向位移之比，會(huì)隨懸架跳動(dòng)發(fā)生改變。傳遞比與橫臂的布置形式、搖臂的結(jié)構(gòu)、減振器彈簧的位置聯(lián)系在一起的，在懸架跳動(dòng)時(shí)根據(jù)杠桿效應(yīng)，傳遞比可以把車(chē)輪跳動(dòng)量傳遞為減振器彈簧的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)傳遞比公式，綜合考慮，前懸架選擇350的彈簧，后懸架選擇250的彈簧，計(jì)算得前、后懸架傳動(dòng)比為：。 3.6 阻尼計(jì)算 減震器的阻尼系數(shù)計(jì)算公式如下： 式中，為相對(duì)阻尼系數(shù)，為簧上質(zhì)量，為偏頻 一般情況下，壓縮行程的相對(duì)阻尼系數(shù)會(huì)取得小些，而伸張行程的相對(duì)阻尼系數(shù)會(huì)取得大些。無(wú)內(nèi)摩擦的彈性元件懸架??；有內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，取小些。如果行駛路面條件較差，應(yīng)取大些；為避免懸架碰撞車(chē)架取 綜合FSAE對(duì)賽車(chē)平順性的要求，確定壓縮和伸張行程的阻尼系數(shù)為：。 則能計(jì)算得到以下數(shù)據(jù)： 前懸架壓縮阻尼系數(shù)： 前懸架回彈阻尼系數(shù)： 后懸架壓縮阻尼系數(shù)： 后懸架回彈阻尼系數(shù)： 由以上數(shù)據(jù)可以為選擇阻尼器型號(hào)提供依據(jù)。 四、 搖臂的優(yōu)化設(shè)計(jì) 4.1 搖臂傳遞比 懸架傳遞比指賽車(chē)輪胎跳動(dòng)的行程的導(dǎo)數(shù)比上彈簧行程的導(dǎo)數(shù)。即 從《減震器手冊(cè)》中得到搖臂傳遞比的概念，用圖4來(lái)表示 圖4 搖臂傳遞比示意圖 其中ABC代表?yè)u臂的三個(gè)點(diǎn)，其中C是定點(diǎn)，為固定在車(chē)架上的一點(diǎn)。AB是可動(dòng)點(diǎn)。代表2根桿沿推桿方向上的速度，表示為桿與AC垂線的角度，表示為桿與BC垂線的角度，表示為搖臂的角速度，表示AC的長(zhǎng)度，表示BC的長(zhǎng)度，表示AB與BC之間的夾角,為搖臂與水平線的夾角， 為推桿與豎直線的夾角，為另一推桿與水平線的夾角， 為2根推桿的初始夾角。 A點(diǎn)的速度,由速度投影定理可得到： 即： ，同理 所以搖臂的傳遞比 下面計(jì)算前懸架推桿搖臂的傳遞比，圖5為前懸架的幾何關(guān)系圖。 圖5 前懸架幾何關(guān)系 圖中推桿鉸接點(diǎn)與主銷上點(diǎn)距離為45mm，上橫臂有效長(zhǎng)度為280.195mm。退桿與上橫臂夾角為26.355。 設(shè)前搖臂傳遞比為，則前懸架傳遞比為 在前面我們求得前懸架，則有，即前搖臂的傳遞比為0.81。 同理，設(shè)后搖臂的傳遞比為，則后懸架的傳遞比 解得后搖臂的傳遞比為 4.2 前搖臂設(shè)計(jì) 通過(guò)反復(fù)畫(huà)圖，最終得到如圖6所示搖臂三角形 圖6 前搖臂三角形 確定搖臂的三個(gè)點(diǎn)后，利用CATIA進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)。 圖7 前搖臂設(shè)計(jì)圖 4.3 后搖臂設(shè)計(jì) 由于后懸結(jié)構(gòu)的特殊性，后懸推桿不能夠和后軸在同一垂直平面內(nèi)，而是和后軸垂直平面呈一定夾角，因此在計(jì)算其傳遞比的時(shí)候應(yīng)計(jì)算將其等效為推桿與水平面的等效夾角。在CATIA上通過(guò)定義點(diǎn)輔助作圖，可以得到如圖8所示的示意圖。 圖8 后搖臂三角形示意圖 前面已經(jīng)計(jì)算出，后搖臂傳遞比為0.793，通過(guò)反復(fù)取值，最終確定，。 圖 9后搖臂三角形的水平投影 水平面等效夾角我們?nèi)?0，則由投影關(guān)系，可以得到，實(shí)際搖臂三角形的尺寸。 實(shí)際的 實(shí)際的 其形狀如圖10所示。 圖10 實(shí)際的后搖臂三角形 后搖臂的形狀設(shè)計(jì)如圖11所示。 圖11 后搖臂設(shè)計(jì)圖  五、 附錄 MATLAB程序 clear all clc m=321;msm=281.2;ms=39.8;l=1.55;tf=1.15;tr=1.10;a=0.6975;b=0.8525;h=0.27;H=0.2505; kt=190000;g=9.8;ay=1.4;zrf=0.035;zrr=0.045;z=0.03; m1=0.5*b*msm/l; m2=0.5*a*msm/l; ff0=2.1; fr0=2; while (ff0<3&fr0<3) krf=4*pi^2*ff0^2*m1; krr=4*pi^2*fr0^2*m2; kwf=kt*krf/(kt-krf); kwr=kt*krr/(kt-krr); kof=pi*tf^2*kwf/360; kor=pi*tr^2*kwr/360; wf=ay*m*g/tf*(kof*H/(kof+kor)+b*zrf/l); wr=ay*m*g/tr*(kor*H/(kof+kor)+a*zrr/l); krf=wf/z; krr=wr/z; ff=1/(2*pi)*sqrt(krf/m1); fr=1/(2*pi)*sqrt(krr/m2); if(abs(ff0-ff)<=0.2&abs(fr0-fr)<=0.2&ff>fr) ff0 fr0 end ff0=ff0+0.01; fr0=fr0+0.01; end