（车辆工程专业论文）fsae大学生方程式赛车操纵稳定性的研究.pdf

合肥工业大学 y 1 8 8 6 5 5 3 ”。 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： - 7 移 切么 矿 ， 锄地购獍巅宅獠 委员。伶通毖嗵俅- 艽译和扮刁缸 导师： 弱，致冬能z 些戈专车录、敞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做储虢未、擞 签字日期：1 年气月f 午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权金魍工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：1 是嵌 签字日期五1 1 年z 卜月传日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期三搿f 年午调歹日 电话： 邮编： f s a e 大学生方程式赛车操纵稳定性的研究 摘要 本文从首届中国大学生方程式赛事的规则出发，以f s a e 赛车的操纵稳定 性性能分析为核心，结合在合肥工大首款f s a e 赛车的设计、制造、调校和比 赛过程中积累的经验，全面介绍f s a e 赛车的基本设计理念，分析了具有优秀 操纵稳定性的赛车的主要特点。针对f s a e 中国赛，以合肥工大f s a e 赛车为 例，从赛车总布置、悬架系统、转向系统、制动系统、轮胎等方面分析了赛车 各个系统对于操纵稳定性的影响因素。从使赛车能在比赛中发挥出高性能和取 得良好的比赛成绩的角度出发，阐述了赛车设计基于民用量产车但有别民用量 产车的设计思路。 通过系统地介绍合肥工大的首款赛车的机械结构、加工过程、加工方式、 调校方式等，进一步探究保持赛车操纵稳定性的各个关键点。特别是介绍了自 主设计的基于车轮定位参数可调的转向节结构。 以多体动力学理论为基础，利用机械系统仿真软件a d a m s ，建立合肥工 大f s a e 赛车的整车虚拟样机，初步实现了在计算机上对f s a e 赛车的整车动 力学操纵稳定性的仿真分析，并与实际赛车的性能测试数据进行对比。提出一 定的改进方案，为以后的f s a e 赛车设计，提供相关参考依据。 关键词：大学生方程式操纵稳定性赛车设计与制造 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f f o r m u l a - s a er a c i n gc a r a b s t r a c t t h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h er u l e so fc h i n a - f s a ec o m p e t i t i o n ，c o n c e n t r a t e so n t h e a n a l y s i so fc o n t r o l l a b i l i t y a n d s t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，c o m b i n e s w i t ht h e e x p e r i e n c ea c c u m u l a t e di nt h ed e s i g n i n g 、m a n u f a c t u r i n g 、a d j u s t i n g 、c o m p e t i n g o fh f u tf s a er a c i n gc a r i ti n t r o d u c e st h eb a s i cd e s i g nt h e o r yo ff s a er a c i n g c a r , a n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er a c i n gc a rw h i c h h a de x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t y a n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e a i m i n ga tc h i n a - f s a ec o m p e t i t i o n ，t h ep a p e ra n a l y z e t h ee f f e c to fs u s p e n s i o ns y s t e m ，s t e e r i n gs y s t e m ，b r a k i n gs y s t e m ，t i r ea n ds o o n f r o mt h ei d e at h er a c i n gc a rp l a y i n gh i g hp e r f o r m a n c ea n da c h i e v i n gg o o dr e s u l t ， t h ep a p e re x p a t i a t e dt h ed e s i g nt h e o r yw h i c hw a sb a s e do nt h et h e o r yo fn o r m a l v e h i c l e sb u td i f f e r sf r o mi t t h ep a p e ra l s oi l l u m i n a t e sm e c h a n i s ms t r u c t u r e ，p r o c e s so fm a c h i n i n g ，m o d e o fm a c h i n i n g ，m e t h o do fa d j u s t i n g ，r e s e a r c h e s t h e k e yp o i n t o fk e e p i n g c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yi n t r o d u c et h eu p r i g h t s t r u c t u r e w h i c hc o u l da d j u s tw h e e lp a r a m e t e r s t h er e s e a r c hb a s e do nt h et h e o r yo fm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c s ，e s t a b l i s h e d t h eh f u tf s a er a c i n gc a rv i r t u a lp r o t o t y p i n gi na d a m ss o f t w a r e b ya n a l y z i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da c t u a lt e s t i n gd a t a ，t h ep a p e rg a v es o m ea d v i c ew h i c hh a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ei m p r o v e m e n ta n dd e s i g no f f s a ec a ri nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：f s a e ；c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y ；r a c i n g c a r ；d e s i g na n d m a n u f a c t u r e 致谢 时光飞逝，我的研究生生活即将结束，感慨万千 在论文完成之际，首先要感谢我尊敬的导师一一张代胜教授，衷心的感谢 他在我的研究生阶段所给予的学习上的指导和生活上的关心，张老师严谨求实 的科学态度、渊博的专业知识、忘我的工作热情以及丰富的实践经验使我受益 匪浅，终身难忘。张老师宽以待人，严以律己的作风和豁达的胸襟，是我以后 工作和学习的楷模。在此，谨向我尊敬的老师表示最诚挚的谢意! 同时我要感谢王文平、唐永琪、徐建中、王荣贵、尹安东等教研室的老师 在课题学习和试验测试期间给予的热心帮助! 感谢5 0 8 实验室的邝坤阳、刘文斌、汪小鹏、黄俊杰、李振远、徐爱琴、 杨杨等同学对本人学习、论文完成和其他各方面的帮助。 感谢我的舍友向世伟、张立、田新新在我研究生期间对我生活方面的关心 和帮助。 还要特别感谢合肥工业大学f s a e 越影车队所有队员，在一年多的时间里， 队员们顶着酷暑和严寒，放弃大量休息的时间，通宵达旦，努力奋斗，团结合 作，在赛车的整个设计、制作、调试、比赛过程中付出了大量汗水 最后，深深感谢我的家人，正是由于他们坚定的支持和鼓励，才让我能够 顺利地完成学业。 作者：刘晨曦 2 0 11 年4 月 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2f s a e 赛事介绍l 1 2 1 设计宗旨1 1 2 2 工程实践j 2 1 2 3 评测内容2 1 3 f s a e 国内外现状。3 1 4 本课题意义5 1 5软件应用6 1 5 1 c a t i a 软件应用6 1 5 2 a d a m s 软件应用6 1 6 本章小结o 7 第二章f s a e 赛车的操纵稳定性8 2 1赛车的操纵稳定性8 2 2操纵稳定性内容。8 2 3 操纵稳定性发展历程9 2 4操纵稳定性的评价。1 0 2 4 1 开环评价1o 2 4 2 闭环评价1 1 2 5操纵稳定性的评价方法1 2 2 6 本章小结1 2 第三章f s a e 赛车的设计1 3 3 1 车架。1 3 3 1 1 车架的设计。1 3 3 1 2 车架的制造。1 4 3 2发动机与变速器。1 6 3 2 1 发动机的布置1 6 3 2 2 变速器的改装1 6 3 3制动系统17 3 4车身与人机工程1 9 3 5转向系统2 1 3 5 1 设计要求2 1 3 5 2 定位参数。2 2 3 5 3 转向几何2 6 3 5 4 定位参数可调式设计3 0 3 6悬架系统3 4 3 6 1 设计要求3 4 3 6 2 前悬架系统3 6 3 6 3 后悬架系统3 7 3 7 轮胎3 9 3 7 1 赛车轮胎3 9 3 7 2 轮胎的气压4 0 3 7 3 轮胎的温度4 1 3 8附属设备4 2 3 9 质心高度4 2 3 1o 本章小结4 5 第四章f s a e 赛车整车虚拟样机的建立4 6 4 1 a d a m s c a r 建模流程简介4 6 4 2 f s a e 整车建模过程4 7 4 2 1 建模准备4 7 4 2 2 模型简化4 8 4 2 3 参数获取4 8 4 2 4 子系统模板建立4 9 4 3 本章小结51 第五章整车测试与仿真：5 2 5 18 字绕环测试5 2 5 1 1 赛事目的5 2 5 1 2 赛道布局：5 2 5 1 3 测试过程5 2 5 1 4 仿真过程5 3 5 1 5 仿真结果与分析5 5 5 2 高速避障测试5 6 5 2 1 赛事目的5 6 5 2 2 赛道布局5 6 5 2 3 测试过程5 6 5 2 4 仿真过程5 7 5 2 5 仿真结果与分析5 7 5 3 本章小结5 9 第六章结论与展望6 0 6 1 主要研究内容6 0 6 2 工作的展望6 0 参考文献一6 1 硕士期间参与的科研项目6 5 硕士期间发表的学术论文6 5 插图清单 图1 1 各国f s a e 赛事4 图1 2 f s a e 中国赛赛道图5 图l - 3 比赛中的合肥工大赛车5 图2 1 二自由度汽车模型1 1 图2 2 闭环系统1 l 图3 1 管件编号加工1 4 图3 2 车架连接件1 5 图3 3l 号木制车架1 5 图3 42 号实验车架1 5 图3 53 号正式车架1 6 图3 6 改装后的动力总成。1 7 图3 7 赛车抱死测试1 8 图3 8 可调节的丝杠。18 图3 9 赛车平衡杆1 9 图3 - 1 0 制动系统1 9 图3 一ll 车身设计图2 0 图3 1 2 车身泡沫切片模型2 0 图3 1 3 车身石膏模型。2 0 图3 - 1 4 玻璃纤维制作2 l 图3 1 5 车身脱模2 1 图3 1 6 一级方程式赛车方向盘2 2 图3 17 车轮定位参数2 3 图3 - 1 8 束角2 5 图3 1 9a c k e r m a n 转向几何关系2 6 图3 - 2 0 齿条后置2 7 图3 2 l 变更的转向几何关系2 7 图3 2 2 转向盘快拆结构2 8 图3 2 3 改装后的方向盘2 8 图3 2 4 转向装配图：2 8 图3 2 5 转向机零件图2 9 图3 2 6 转向机装配图：2 9 图3 2 7 转向机的安装3 0 图3 2 8 转向系统3 0 图3 2 9 合肥工大赛车优化前转向节结构3 l 图3 3 0 合肥工大赛车优化后转向节结构3 l 图3 3 1 合肥工大2 0 1 0 赛车后立柱结构3 2 图3 3 2 主销内倾角调整垫片3 2 图3 3 3 转向节装配3 3 图3 3 4 横拉杆可调节设计3 3 图3 3 5 a 臂的可调节设计j 3 4 图3 - 3 6 典型的赛车悬架结构3 5 图3 - 3 7 合肥工大赛车的悬架与转向机构3 6 图3 3 8 前悬架系统动力学模型3 6 图3 3 9 优化前前悬架定位参数变化曲线3 6 图3 4 0 优化后前悬架定位参数变化曲线3 7 图3 4 1 后悬架系统动力学模型3 7 图3 4 2 优化前的后车轮定位参数变化曲线3 8 图3 4 3 优化后的后车轮定位参数变化曲线3 8 图3 4 4 胎压与侧偏刚度关系4 0 图3 4 5 轮胎类型4 l 图3 4 6 油箱的外形4 2 图3 - 4 7 水箱与电池的布置4 2 图3 - 4 86 0 度倾斜测试受力图4 3 图3 4 9 赛车在倾斜试验4 4 图3 5 0 侧视图4 4 图3 5l 俯视图4 5 图3 - 5 2 合肥工大f s a e 赛车4 5 图4 - 1 各模板模型、子系统模型和整车虚拟样机模型的关系4 6 图4 2 车身模型4 9 图4 - 3 转向模型5 0 图4 - 4 轮胎模型5l 图5 1 8 字绕环布局图。5 2 图5 - 2 测试过程中的赛车。5 3 图5 - 3 双扭路径曲线5 4 图5 4 仿真曲线一5 4 图5 - 5 质心横向位移一时间曲线5 5 图5 - 6 高速壁障赛道5 6 图5 7 蛇形实验轨迹5 7 图5 - 8 平均侧向加速度曲线。5 8 图5 9 平均车身侧倾角曲线5 8 图5 1 0 平均方向盘转角曲线5 9 图5 - 11 平均横摆角速度曲线5 9 表格清单 表l - l 比赛项目3 表2 一l 操纵稳定性内容9 表3 - 1 发动机参数表一1 6 表4 - 1 整车技术参数表4 9 表4 - 2 a d a m s 轮胎类型5 0 表5 1 转向轻便性评价5 5 表5 - 2 单圈时间一5 5 表5 3 时间对比一5 6 表5 4 蛇行试验评价指标5 8 第一章绪论 1 1 引言 f s a e 即是f o r m u l as a e ，是由各国s a e ，即汽车工程师协会举办的面向 在读或毕业7 个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要 求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足 够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。 为了达到f s a e 比赛的目的、学生可以把自己假想成为设计人员。受到某 个制造公司聘请为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原 型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。该车需要美观、舒适，零部件也 要求有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车。并要求原型车实际耗资应 低于2 5 万美元( 国内8 万人民币) 。设计者受到的挑战是设计和组装一辆满足 以上各种要求的车。 比赛通过一系列静态和动态的项目来评判汽车的优劣，这些项目包括：技 术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经 济性。通过给这些项目打分来评判汽车的性能。各个设计环节将作为竞赛比较 和评判的内容。 1 2f s a e 赛事介绍 1 2 1 设计宗旨 赛车必须在加速、制动和操控性方面具有非常优异的表现，同时又必须具 有足够的耐久性以能够顺利完成规则中提及的及比赛现场进行的所有项目。 赛车必须适合第5 百分位的女性和第9 5 百分位的男性车手驾驶， 同时要 满足中国f s a e 规则中的要求。 对于车队来说，其挑战在于开发一辆能最大程度满足中国f s a e 赛车的设 计目标且具有市场前景的样品车。 每辆赛车的设计都将与其它的赛车进行对比评价，以评定出最优秀的设计。 其中对于研发的f s a e 赛车基本要求是： ( 1 ) 赛车式样：赛车必须车轮外露和座舱敞开( 方程式赛车式样) ，并且四 个车轮不能在一条直线上。； ( 2 ) 车身：除了驾驶舱必须开口以外，从赛车最前端到主防滚架( 或者防 火墙) 的这段空间里，不允许车身有其他的开口。允许在前悬架的零件处有微 小的开口。 ( 3 ) 轴距：赛车的轴距必须至少为l5 2 5 m m ( 6 0 英寸) 。中心点之间的距离。 ( 4 ) 轮距：赛车较小的轮距( 前轮或后轮) 必须不小于较大轮距的7 5 ( 5 ) 轮辋：尺寸不小于8 英寸； ( 6 ) 制动系统：必须能够全部作用在四个车轮上； ( 7 ) 悬架行程：不小于2 英寸( 5 0 8 m m ) ，即上下跳各不小于1 英寸 ( 2 5 4 m m ) ： ( 8 ) 可视性：技术检查表格上的所有条目必须在不借助工具，比如内窥镜 或是镜子的情况下清楚地呈现给技术检查官。呈示时可以通过拆卸或移动车身 板件来实现。 ( 9 ) 安全性：对赛车大量的安全性与结构要求 1 2 2 工程实践 f s a e 参赛车辆应按照良好的工程实践惯例进行设计和制造。因此本文中 涉及的赛车完全是由在校大学生通过一整年的时间自己设计、制造、调校的。 在整个制作过程中可以对汽车整个设计流程有直观的了解，例如需要掌握设计 顺序，预先对整车的基本参数给予合适的选择；对相关零部件的制造流程有切 身的体会，例如车身的制造，需要完全了解玻璃钢制作的过程，后期的烤漆过 程来增加车身的美观；了解并选择合适的机械加工的工艺流程，例如车架管件 与车架夹具的加工就需要选择合适的加工方式，采用铣床而非采用钻床加工可 以大大提高单件零件的加工效率与加工精度；通过动力匹配选择合适的传动系 统，对必要的零部件进行适当的改进，例如，改装发动机与变速器，改变传动 方式，由轴传动形式改为链传动形式等。最终还需要掌握整个设计制造的时间 安排，使各个零部件的设计制造，按照一定的顺序，按时完成。 1 2 3 评测内容 参赛的车辆将在一系列的静态以及动态项目中进行测评，其中包括：技术 检查、制造成本分析、营销报告、赛车设计、各种单项性能测试和良好的赛道 耐久性。 动态项目通过计分来评定赛车的表现。每个动态项目都指定了性能等级下 限，并在得分计算公式中得到反映。 以下是比赛各项分数： 2 表1 - 1 比赛项目 静态项目 营销报告 7 5 赛车设计15 0 制造成本分析 1 0 0 动态项目 直线加速测试 7 5 8 字绕环测试 5 0 高速壁障测试耐久测 15 0 试 燃油经济性测试3 0 0 总分 1 0 0 0 此可见动态赛占有相当大的比重，赛车操纵稳定性因素对动态赛影响也十 分明显 1 3f s a e 国内外现状 f s a e 比赛自1 9 8 1 年创办，截止0 9 年f s a e 由7 个国家举办的9 场赛事 所组成，比赛包括美国的密歇根、加州和弗吉尼亚赛，以及英国、巴西、意大利、 日本、德国、澳大利亚赛，有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师 盛会。 3 赛事举办方举办地 f o r m u l as a em i c h i g a n f o r m u l as a ec a l i f o r n i a f o r m u l as a ev i r g i n i a f o r m u l as t u d e n t f o r m u l as a ea u s t r a l a s i a f o r m u l as a ej a p a n f o r m u l a $ a ei t a l y f o r m u l as t u d e n tg e r m a n y f o r m u l as a eb r a z i l s a e s a e s a e i m 瑚 s a e j s a e 曦 v m f 、，t s a eb r a z i l 美国密歇根州 美匿加利福尼亚朋 美国弗吉尼亚朋 英国 澳大利讵 日本 意人稠 笼田 巴两 图1 - 1 各国f s a e 赛事 f s a e 赛车比赛在亚洲地区也得到了广泛的发展。许多亚洲国家都也都在 积极地参与到此项赛事中。2 0 0 3 年f s a e 日本站首次在亚洲举办，来自韩国、 泰国、马来西亚等国派出车队参加，而后这些国家也在本国举办与f s a e 规则 类似的大学生方程式赛车比赛。随着亚洲国家的各个高校对f s a e 赛车比赛参 与度的不断扩展和不断深入，亚洲高校的水平也取得了很大程度上的提高。近 年来，同本、新加坡等国的高校代表车队不断地在国际比赛中取得良好成绩， 使得亚洲国家对f s a e 的关注不断提高。 近年来我国的汽车保有量不断增加，逐渐成为汽车大国，但是离汽车强国 还有距离，这就需要年轻的中国汽车人去努力。国内湖南大学，同济大学等高 校已经代表中国参加了美国站，日本站的比赛，取得了不错的成绩。2 0 10 年， 首届f s a e 中国大学生方程式大赛举办，来自全国2 0 所汽车专业突出的高校参 与了此次比赛。笔者作为合肥工业大学f s a e 车队队长，与1 0 多位同学经过一 整年的辛勤努力，研发了f s a e 越影赛车。 由于我国在赛车运动的技术领域还是处于十分薄弱的状态，在设计过程中， 遇到了许多团难，国内关于赛车设计方面的资料十分不足，即使仅有的不多文 献，也是对国外参考书籍的生硬搬抄，大量的理论，都是必须阅读、深究国外 的赛车的设计经验理论。对于制造环节，由于国外f s a e 已经举办多年，不少 车队共享了自己的制作过程中的图片，给予本文很大的启发。特别是同时在调 校过程中也得到了国内场地赛车队的车手与技术人员的帮助，使得能直观地加 深对于设计一辆优秀赛车的理解。 本届中国赛比赛地点设在f 1 上海国际赛车场的卡丁车中心，比赛时间为 2 0 1 0 年1 1 月1 6 日一1 8 日本文设计的赛车也最终代表了合肥工业大学参加了 此次比赛，获得中国年度f s a e 综合奖，最佳绿色设计制造奖与车队最佳营销 推广奖。 4 图1 2 f s a e 中国赛赛道图 图1 - 3 比赛中的合肥工大赛车 1 4 本课题意义 从f s a e 中国赛规则出发，通过对比赛的测试项目的分析，提出了对赛车 操纵稳定性的要求，根据这些要求提出了对于f s a e 赛车部分参数的设计基本 思路，确定了方程式赛车从设计到制造调校过程中对于操纵稳定性方面要求的 基本工作方向与目标，找到研究工作出发点，避免大量的时间精力浪费，对于 第一次设计学生方赛车来说有着探索性的意义，同时为将来f s a e 赛车操纵稳 定性方面做好坏评定。 作为一辆方程式赛车，它首先是一辆汽车，本身可以运用民用量产车的基 本原理，方法来设计制造，但是它还是一辆赛车，具有许多民用量产车没有的 性能特点，赛车相对具有的运动性基因使得必须对方程式赛车的操纵稳定性有 深入的研究与探索。只有这样方程式赛车才能在激烈的比赛中发挥出优异的性 能并取得较好的比赛结果。 在通过对方程式赛车资料的搜集、整理、分析，通过负责本次f s a e 赛车 的设计与制造，赛场获得的宝贵经验，总结出选取某些方程式赛车具体设计参 数时，结构形式，制造工艺在操纵稳定性因素上与民用车产生的差异。 1 5 软件应用 本文运用c a t i a 软件对赛车实体建模，然后运用动力学仿真软件a d a m s 对合肥工业大学首款f s a e 赛车进行分析，研究各个因素对赛车操纵稳定性的 影响，对今后方程式赛车的设计、结构的改进、性能的提高，取得一定的理论 依据。因此简单介绍这两款优秀的工程软件。 1 5 1 c a t i a 软件应用 c a t i a 软件是达索公司出品的一款优秀的工程设计软件，本文中制造的赛 车所有零部件图，都首先在此软件中建立。其中对于零部件不同的要求，来通 过不同的模块来实现。 例如，对于桁架结构的车架设计，可以先根据大赛最基本的规则，最易操 作及适合后期快速修改的方法是在软件的外形模块下的创成式外形设计子模块 中生成线框图，然后通过机械设计模块下的零件设计子模块，拉伸生成具有厚 度的管件，再通过软件自带的材料库，赋予其材料属性，这样车架就成了具有 了质量的实体零件； 对有复杂曲面的车身设计，可以通过形状子模块快速地形成车身曲面。由 于f s a e 赛车设计有大量的人机工程学要求，软件中的人机工程学设计模块里 具有各种百分位的人体模板供设计参考，这就对于针对f s a e 大赛驾驶舱模板 检测而设计的驾驶舱的设计十分有用，对于转向节受力复杂，应力集中的关键 部位，软件中自带的分析与模拟模块可以进行一定程度的有限元分析计算。 同时软件能快速地将三维模型转换为二维图纸，便于零件的出图加工。 c a t i a 软件的机械设计模块的装配设计子模块，可以将所有的零件设计而成的 子部件，装配成整车，并可以同时快速地测量除了几何参数以外的各种技术参 数。 1 5 2 a d a m s 软件应用 a d a m s 软件( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m ) 是世界上 多种虚拟样机软件中，应用最为广泛也是最权威的机械系统动力学仿真分析软 件。软件使用的是交互式的图形环境和零件库、力库、约束库，创建过程完全 是参数化的机械系统动力学模型，它能利用l a g r a n g e 第一类方程建立系统最大 量坐标动力学微分代数方程。使用者可以运行该软件非常方便地对虚拟机械系 统进行静力学、运动学以及动力学分析。 软件功能是能将多体动力学的建模方法与具有大位移、非线性分析求解功 能相结合，可以高效、方便地创立和测试机械系统的几何模型，并通过对其运 动性能进行高精确度的仿真分析和比较。同时在研究“虚拟样机 时可供选择 的多种设计方案。特别是针对分析复杂机械系统的运动学和动力学性能时，软 6 件强大的后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用力以及动画仿真。目 前软件在汽车制造业、工程机械、航天航空业等领域得到了广泛的应用。 1 6 本章小结 本章对f s a e 赛事作了总的介绍，阐述了f s a e 赛事的历史及国内外研究 发展现状，全面说明了f s a e 赛事研究领域的实践意义和发展前景。特别说明 了中国f s a e 赛事的发展，以及本文研究的内容及方法。通过对本课题的研究， 在为今后f s a e 赛车设计时，针对有关赛车操纵稳定性方面参数与结构形式选 取时，提供相关数据借鉴与典型设计，可以达到缩短赛车开发周期，减少时间 与人力成本，同时获得赛车优秀的性能。 第二章f s a e 赛车的操纵稳定性 2 1 赛车的操纵稳定性 人类自古就有追求速度的梦想，原始人类对于速度的概念可能就是能追上 自己的猎物，接着人类直接相互奔跑比赛，然后人类驯服了马匹与骆驼，直到 人类发明了赛车，对于速度的渴望变更加强烈。l8 9 4 年人类有记录的第一场赛 车比赛进行了，当时比赛基本上没有相应的技术规则。直至l9 0 4 国际汽车联合 会成立( f i a ) ，汽车运动有了全面的发展。1 9 4 8 ，在法国小镇举行的一场比赛 首次采用了统一的规则即f o r m u l a ，从此方程式赛车运动诞生。但是赛车运动 早期很大程度上有着负面效应，由于人类科学技术的限制和许多社会因素的影 响，赛车运动发展只是纯粹的技术上的比赛，忽略了对赛车手与观众的基本保 护，导致在赛车比赛中经常发生极其惨烈的事故。 随着人类科学技术的不断进步，大量新型材料的出现，以及国际汽联长 久以来不停的努力，赛车运动正逐渐成为一项民众容易接受观看并且安全的运 动。现在f l 方程式赛车对赛车手的保护已经非常全面。但是，在l9 9 4 年，当 时的车神塞纳在意大利伊莫拉赛道发生严重事故而意外身亡。那次意外之后的 数年，国际汽联大大提升了对于赛车操纵稳定性的要求，同是增加了跑道的安 全标准，于是赛车运动的安全性不断地得以改善。 大多赛车比赛的比赛用车都是通过民用量产车改造而来的。一辆新的赛车 是这样诞生的：工程师们在对民用汽车的改进过程中，首先是将民用车上，例 如有空闲的座位，多媒体娱乐系统，空调系统等，所有影响车辆车速提高的零 部件拆卸；然后将民用车改装上能满足比赛技术规范要求下的能提高车速的零 部件，同时适当加装安全性部件，以满足车辆特殊工况下能下对驾驶车手的安 全保护要求。 总的来说赛车设计强调了汽车动力性与操纵稳定性的要求，弱化了民用车 中对于燃油经济性与平顺性的要求；所以人们认为在赛车上只存在两种类型的 零部件，一类是为了让赛车能够取得更好的比赛成绩，而另一类是为了让赛车 能够符合比赛的技术规范的零部件。赛车就是由这两类零部件所组成的汽车。 2 2 操纵稳定性内容 赛车基于民用车而来，其基本的操纵稳定性内容和民用车是类似的。即在 驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向 车轮给定的方向行驶，且当遭遇侧向力干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行 驶的能力。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的方便程度，而且也是决定 高速汽车安全行驶的一个主要性能。 一般汽车操纵稳定性包含内容如下 表2 1 操纵稳定性内容 鹱冬 j = | 容l ：篮评价餐f 建 1 转| 雨盘f j 盼援输入卜送入的瞬念响膨技坟i 越时鲫、镬携饷缝眨波动瓣玲 圮涮钢书 耗惫响晦转l 勺特性稳志磺拦铂建j 窆精菇。转向! 疋敏i 篷 2 磺 z 铂缝j 龟嬲；# 响胁特性冀振断煳书、苁搬时抓粕【艺 鞋 过滞靠角、稳念翰盏 3 转l ，l j 馥； ，| j j 麓矬操纵毙2 性转向是坡眨、转l 勺功疋皱j 乏 转i ，i j 溢力特性。转阳镟辑碓搦瞧 4 l i ：性| l l l j ：乐铡余壤烂，f 】洼蝗j 铡余蛾攫船 达刽剩余横j 鬟f f j 逑j 笪盼时秘 5 转向| ，i 李 嫩，j 、转向謦绳 6 转阳轻疑性。裱地转向轷翘性转向力、转阳功 低速i i 驶转l 句轻缝雌、岛建i j ：镀转阳轻缝性 7 f i 线 i 骏髋能、f 线 j _ 驶髓转向魏转纯、侧1 吨编移 侧阳淑稳迩性、路l i l f 4 ：矿应稳定性 8 媳枣 f 驶f ：况性能：蛇j 够魏缆、移线性能转l 句斑转角。转i 幻力、测i 句驮j 疆ii 篷、 舣移线性泛等镄j zf f j 洼懂、侧编缅吩i 速等 9 极戳i j 驶能力：t i ：, l l 埘i r 驶f j 赞戳例i 幻撕逢i 笾饭戮侧向甥l 缝j 篷、誊鹱戳 i 速 执例翻能力、发l ：侧游时的控制性能等雅色豫来维i 夺所；嚣时f h l 2 3 操纵稳定性发展历程 在2 0 世纪6 0 年代以前，汽车操纵稳定性的研究主要以开环研究为主。开 环研究就是把汽车作为一个开环控制系统，求出汽车曲线行驶的时域响应和频 率响应特性，对系统进行稳态和瞬态分析，用横摆角速度频率响应特性、转向 阶跃输入下的稳态响应、转向盘角阶跃输入下的瞬态响应、不足转向特性和过 度转向特性等等来表征汽车的特性。 7 0 年代初期，人们用系统工程学方法探索操纵性的评价方法；7 0 年代中期 以后，利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的 感觉，进行主观评价。 8 0 年代初，科研工作者从理论和实验两个方面着手，着重研究“驾驶员一 车辆一道路闭环系统”的闭环系统研究课题。闭环试验，就是驾驶员不仅从环 境、扰动输入及汽车响应的反馈中得到控制汽车的要信息，还会受到来自汽车 各输出响应反馈信息的影响，并对这些信息进行处理，作出决策并操纵汽车。 9 相比前者，从各方面上增加了研究难度。 9 0 年代以来