浅析FSE方程式赛车悬架和车架的设计.docx
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浅析FSE方程式赛车悬架和车架的设计
FSE方程式赛车悬架和车架的设计介绍
（只翻译悬架部分）
EdmundF.GaffneylllandAnthonyR.Salinas
UniversityofMissouri-Rolla
概要
这是一篇基于UM-Rolla队设计经验的有关SAE方程式赛车悬架和车架的设计介绍性文章。
在这里呈现的是一些基础理论和方法，所以一些刚起步的队伍可以遵循这里面的一些基础来设计他们的赛车。
所列举的例子是参照于UM-Rolla队的1996年的参赛数据。
1.悬架几何学
悬架几何方面关注于悬架设计的一些基础性知识并着重于UM-Rolla队1996年的设计。
FSAE的悬架由于受过弯速度的限制只能在汽车动力学很狭隘的一个领域内运作，正如你所知道的，过弯速度又是受到跑道尺寸的限制。
因此，FSAE悬架的设计应该严格遵守比赛的要求。
例如，汽车的轮距和轴距是影响操作稳定性至关重要的因素。
这两个方面不仅影响着载荷转移，同时还影响着过弯半径。
此外，我们不仅只能关注于悬架的几何学方面，还得考虑元件的价格还有市场上是否能买得到。
例如，inboardsuspension很容易在市场上买到而outboardsuspension可能比较便宜些而且制作起来也更加容易些。
UM-Rolla队使用推杆驱动的螺旋弹簧独立悬架系统。
做出这样的决定主要是因为受到安装技术的限制。
此外，不管是对裁判还是对供应商来说，inboardsuspension更为适合如今的赛车。
尽管我们所讨论的是上下臂不等长的悬架系统，但你要知道的是这其中的大部分概念对于其他的悬架系统也同样适合。
轮距
如图1所示，轮距是汽车左右两侧车轮中心线之间的距离。
对于过弯来说，这是非常重要的一个概念，因为它可以抵制重力作用于质心的惯性力（CG）和作用于轮胎的侧向力所共同产生的倾覆力矩。
对于赛车设计者来说，轮距是影响赛车横向负荷转移的一个至关重要的因素。
这也就是说，在悬架的运动分析之前，设计者一定要对轮距有个深刻的了解。
图1.轮距
（1996年的前悬正视图）
当我们确定轮距的时候，前后轮的轮距并不一定要相同。
举个例子来说，对于后轮驱动的赛车而言，通常前轮的轮距要大一些。
这种设计理念是为了通过将抗拒侧翻的负荷转移到前轮来增大出弯时后轮的牵引力。
（Thisdesignconceptisusedtoincreasereartractionduringcornerexitbyreducingtheamountofbodyrollresistedbythereartiresrelativetothefronttires.）基于FSAE方程式赛车的过弯速度和驱动力重量比（horsepower-to-weightratio），这种设计理念必须要牢记。
轴距
轴距当然也必须要纳入设计师的考虑范围。
轴距是指汽车前后轮车轴之间的距离。
它同时也受到负荷转移的影响，不过是在纵向。
除了具有抗减速前倾和加速后仰的特性外，轴距还影响到重心（CG）位置的布置，但是对于悬架系统的运动学特性而言却影响不大。
然而，在设计过程的初期轴距就要被确定下来，因为这对整车的安装起着非常大的作用。
在轮距和轴距确定之前，设计师可以研究其他参赛者的车并以此作为自己赛车设计计算的一个基准。
包括轮距和轴距在内的FSAE赛车说明书，可以在SAE出版的赛事说明中找到。
1996年UM-Rolla队使用的是1727mm的轴距，1270mm的前轮距和1219mm的后轮距。
尽管这个轴距足够胜任FSAE赛事的尺寸要求，但是他们还是想将下一辆他们所设计的赛车轴距提高到1854.2mm。
这种改动试图去提高赛车在高速下入弯时的稳定性。
轮胎和车轮
在考虑完轴距和轮距之后，紧接着要确定下来的是轮胎和车轮。
考虑到轮胎对于赛车的操作稳定性起着非常大的作用，小组中的每一个成员必须对轮胎的尺寸和材料是否可以买到有个彻底的深入的调查了解。
例如，对于车轮直径给定的赛车而言，轮胎高度决定了球关节（装在车轮内部）与地面之间的距离。
轮胎尺寸-设计师应该意识到对于车轮直径给定的赛车而言轮胎尺寸是受到限制的。
因此，考虑到轮胎尺寸对于操作稳定性的重要性，在轮胎的选择上我们需要谨慎。
因为轮胎与地面的接触面积对抓地力起着非常大的作用，所以通常我们会使用更宽的轮胎来提升牵引力。
然后，同时我们也必须要记住宽轮胎增加了旋转质量，这将会使本来就受到限制的发动机负荷增大。
相比较宽轮胎所增加的牵引力而言，由于增加负荷所导致的总体性能上或许反而会有害。
宽轮胎不但增加了总重量，而且还无疑的会增加橡胶材料的耗材。
既然赛车轮胎是被设计用来更为有效的在特殊的温度范围内运作，增加进去的材料可能会阻止胎温上升到最佳的温度范围内。
UM-Rolla队1996年赛车的胎温被设定在最小值71℃的范围内。
在整车装配过程中设计师也要考虑轮胎对整体装配的影响。
例如，气候的变化可能会影响到赛车对轮胎材料和尺寸的选择。
另一个需要考虑的因素是轮胎的价格，因为这里的开销可能会是整体赛事预算最大的一个部分。
在1996年的比赛中，UM-Rolla队从613种轮胎中选择了20种作为赛车的前后轮。
由于质心的降低，他们选择了更窄的轮胎所以同去年相比胎温可能会更好一些。
这次调整使得轮胎的运作温度从48°升到了60°。
天气预报赛事那天的气候将会很凉爽，所以他们带来了一套软硬不同的轮胎。
队伍选择了更硬的轮胎因为天气可能会更加晴朗。
车轮的选择-一旦轮胎确定下来了，下一个提上工作日程的是轮盘选择。
通常情况下，车轮直径是固定的而且只允许做细小的修改。
因此，在研究车轮之前必须要在心目中有一套明确的设计目标。
通常来说，立柱，制动卡盘和旋转部分被放在车轮里面,这也就导致轮盘要偏置一定的距离来为此腾出空隙。
如果轮子的侧面形状确定下来的话对于悬架的几何布置是非常有利的。
例如，球关节的布置就受到轮子侧面形状的限制。
对于轮子选择所要考虑的其他因素有：
开销，可得性，螺栓圆周，还有重量。
例如，三轮缘尽管贵些，但是却有着非常显著的优势，比如说可以提供更多的偏置和横向布置，这也利于在设计过程中进行调整和改动。
根据先前的一辆车的设计经验，1996年的赛事UM-Rolla队设计了一系列满足要求的三轮缘轮盘。
赛车的四个轮子都是。
。
。
（Allfourwheelsselectedforthe1996competitionweresize）这种轮盘的选择满足了轮胎的经常性更换，缩减了开支，同时也使得对轮胎材料、尺寸和加工的选择范围更加宽广。
几何学
现在设计师可以为悬架系统设定几个可能会用到的参数。
比如说外倾增量（cambergain）、侧倾中心定位（rollcenterplacement）还有磨合半径（scrubradius）。
对于这些参数的选举，我们应当以怎样让赛车按照所设定的运行为基准。
设想赛车在过弯时，悬架系统的设定应当尽可能多的让轮胎与地面接触。
例如，试车时你会发觉，受外倾增量所决定的车身侧倾和悬架行程在一定程度上决定了过弯时是否获得最佳特性。
当悬架行程是以负荷转移和悬架刚度为参数的函数时，车身侧倾量取决于侧倾刚度。
一旦这些基本参数确定下来，必须要对所设想的悬架进行模拟。
但是在模拟之前，我们一定要对球关节位置，内控制臂枢轴点（innercontrolarmpivotpoints）和轮距有个深入的了解。
对运动几何进行模拟最简单的方式是使用运动分析软件，因为这样的话在对几何的关系进行检查的时候每一个点的坐标位置都可以及时修改。
如果专门的运动分析软件得不到的话那么我们可以继续使用CAD软件，权且当是把悬架重画了一遍，只不过那些点都可以运动而已。
在设计时设计师要牢记在心的是设计是一个反反复复的过程，在此期间，妥协是在所难免的。
例如，由于安装的限制所设想的磨合半径达不到。
此外在虚拟时设计师也不能漫无目的的改那些点的坐标。
应当在改动之前就要把可能会出现的结果都设想好。
例如，当变动下叉臂的长度使得下叉臂是上叉臂长度的四倍时，就应当在此之前就设想好车轮相对于底盘的外倾是个什么样的变化。
在设想结果之前可以采取的一种方式是找出车轮相对于底盘的瞬心位置。
另一种方式是使用受球关节限制相对于底盘运动的弧线。
（Anothermethodistousethearcsthattheballjointscircumscriberelativetothechassis.）对于确定悬架各点相对于瞬心坐标位置的完整解释参照Milliken。
（Milliken,WilliamF.,MilikenDouglasL..RaceCarVehicleDynamics.Warrendale,PA:
SAEInternational）
磨合半径，主销内倾角和主销后倾角-磨合半径或者说主销偏移，是指车轮中心线和上下球关节连线（或转向节主销轴线）之间的距离，如图2所示。
当主销轴线同地面的交点位于车轮内部的时候认定磨合半径为正。
磨合半径尽量保持小一些因为太大会导致过度转向。
当然，留一些正的磨合半径是必要的因为在转弯时这会为驾驶员提供一定的转向回正。
图2.磨合半径
在正视图下，主销内倾角（KPI）是主销轴线和车轮中心线之间的角度。
为了减小磨合半径，可以尝试去调整主销内倾角，但前提是靠近车轮中心线的球关节不好安装。
我们可以通过减小主销轴线与地面的交点同车轮中心线之间的距离的方式来减小磨合半径。
当然如果调整的过度了也是存在一定的缺陷的，譬如说，转弯时外侧车轮由于外倾肯定会由此而推动轮胎的一部分离开地面。
不过固定的车轮外倾和正的主销后倾可以用来抵消同主销内倾角有联系的外倾增量。
在侧视图下，主销后倾角是主销轴线偏离铅垂线的角度，并且以偏向车尾为正。
由于有正的主销后倾的作用，在过弯时外侧车轮的主销内倾会帮助来抵消同主销内倾角和车身侧倾有关的主销后倾。
主销后倾还会导致车轮在围绕转向节主销转的时候上下跳动，这将会引起四个轮子负荷的交叉转移。
此外，主销后倾还会对转弯后的转向回正起到一个推动作用。
UM-Rolla队采用的是9.5mm的磨合半径，0°主销内倾角和4°的主销后倾角。
这样子的设计需要将球关节安置在非常靠近车轮中心线的位置，这也就要求在静态模拟程序中要留有足够大的检测空间。
侧倾中心-一旦基本的参数确定下来，我们就可以对悬架的运动进行分析。
运动学分析包括每个车轮的瞬心分析，底盘相对于地面的分析如图3所示。
被标注为IC的点是车轮相对于底盘的瞬心。
图中所标注的其他点，譬如说侧倾中心，是指底盘相对于地面的侧倾枢纽。
前后轮侧倾中心的连线称为侧倾轴线。
对于大多数赛车来说，质心位于侧倾轴线的上面，于是当赛车转弯时惯性力就会以侧倾轴线为基准产生一个力矩。
这种力矩会促使赛车有向外侧翻的趋势。
理想情况下，车身的侧倾量将会很小所以弹簧和横向稳定杆的使用将会增加些刚度，这就使得另一方面我们可以增加轮胎的柔韧性。
然而，为了使倾覆力矩足够的小，质心一定要靠近侧倾轴线。
这也就表明侧倾中心最好同质心高度差不多。
不幸的是，不管侧倾中心位于地面的上面抑或是下面，在过弯时都会对底盘产生一个顶推力。
（”jacking”force）比方说，如果侧倾中心在地面上面，这个顶推力就会使悬架向底盘弯曲。
通常来说这种弯曲不是我们想要的，这就得看悬架是怎么设计的了，因为这种弯曲会导致车轮外倾的增加，这样的话就会减少轮胎同地面的接触面积。
相反的，如果侧倾中心位于地面下面的话，悬架就会剧烈颠簸，或者当侧向力作用于轮胎时相对于底盘升高。
因此，最好将侧倾中心设计成接近地面以此来降低当有侧向力作用时底盘在垂直面上的运动。
图3.前轮侧倾中心
由于侧倾中心是个瞬时值，所以得明白的是侧倾中心会随着悬架的运动而变化。
因此，设计者们一定要检查侧倾中心的迁移，确保顶推力和倾覆力矩在可控范围内遵循线性变化。
比方说，如果侧倾中心在运动时越过了地面，则会导致悬架的上下颠簸，后果就是操作的不稳定性。
1996年UM-Rolla队的赛车前轮侧倾中心高度位于地面下面35.6mm处，后轮位于地面上面35.6mm处。
因为先前的车从未有过侧倾中心位于地面下面的经历，所以这次的设计纯粹算是一种尝试。
因为可能会存在很大的侧倾力矩，设计师们设计了足够多的车轮外倾增量来补偿由于软弹簧和没有横向稳定杆所导致的车身侧倾。
对于赛车的操作性来说，设计者们非常的满意，但是他们还是决定了下一辆车的前后侧倾中心都位于地面上面，目的是对两种设计进行直接的比较。
车轮外倾角-车轮外倾角是指垂直面下车轮顶端远离车辆中心线时车轮中心线与铅垂线所成的角度，并规定此时为正方向。
可以通过调整转向节上的球关节来调整车轮外倾角。
由于轮胎接地面积受到车轮外倾角的控制，所以悬架的设计必须要使得车轮外倾角非常好调整，确保能够适应急转弯。
比方说，在小的试车场上的车轮外倾角与极限赛事中的急转弯可能不同。
轮胎上产生的极大的侧向力可能会导致负的车轮外倾角。
当然，车轮外倾角会随着车轮上下运动或转向时发生变化。
由于这种变化的产生，设计师就要对悬架系统进行细致的设计来补偿受最大侧向力（受底盘和车轮运动影响）影响的外倾角变化。
对于车轮垂直运动的外倾角补偿或增量受到控制臂结构的影响。
调整上下叉臂的长度，可以获得不同的外倾增量。
不同的叉臂长度可以使得球关节相对于底盘有着不同的运动弧线。
上下叉臂相互所成的角度同样也会对外倾角的增量有所影响。
因为外倾角增量是一个链接几何的函数，所以对于弯曲和颠簸来说，所得到的量是不一样的。
比方说，悬架的设计需求外倾角弯曲时1°／25mm，颠簸时2°／25mm。
固定的外倾角可以补偿车身侧倾，然而，增加的外倾角也会对操作稳定性的其他方面有所影响。
比方说，过分僵硬的外倾角可能会减少轮胎的接地面积，因此而直接影响到赛车的直线制动和加速性。
相似的情况，悬架运动时过多的外倾增量可能会导致轮胎部分地方失去对地面的接触。
过弯时主销后倾角同样也会增加整体的外倾增量。
对于正的主销后倾角，过弯时外侧车轮可能会有负的外倾角，同时内侧车轮有正的外倾角。
当车轮只转很小的一个度数时主销后倾所引起的车轮外倾增量可能会很小到可以忽略不计。
但是，FSAE赛车在赛事中的急转弯可以使用主销后倾来增加外倾量。
由于没有使用横向稳定杆，1996年的赛事UM-Rolla队使用了非常大的外倾增量。
这种低转速高侧倾力矩需要悬架能够补偿受车身侧倾和悬架运动所致的正外倾量。
他们通过对主销后倾角和控制臂的设计来获得外倾增量。
结论
FSAE的悬架设计不仅要在动态赛中取得好成绩，还要关注在静态赛中的情况。
对于动态赛来说，设计者们要关注它的几何情况，确保各种情况下（刹车，加速，转向）轮胎的大部分能够与地面接触。
悬架的设计还得关注到制作的难易度和开销分析。
为了减小1996年赛车的开销和复杂性，UM-Rolla队设定了一个系统，确保车轮，轮毂，轴承在赛车的每个地方都相同。
设计悬架几何仅仅只是做车非常小的一个部分。
一个出色的悬架系统不可能自动的就会造出一辆速度很快的车。
尽管这篇文章所讨论的是在设计方面，对与成功来说，设计和安装同样重要。
由于受到时间的限制，所设计的第一个悬架可能并不会获得很好的操作稳定性。
在赛车完成后，改变设计也是非常常见的。
对于整个团队来说，各个部分之间相互妥协是非常重要的，因为只有这样才能确保在比赛之前完成制作和测试。
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