五菱微型汽车悬架系统设计外文翻译资料

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SAE方程式汽车的复合式

悬架摆臂的设计

Martin McDonald, Peter Joyce and Leonard Hamilton

摘要

由于它们所特有的高强度和刚度，碳环氧树脂复合材料在最高水平的国际赛车运动上占主导地位，同时也在大学设计比赛中广泛的流行。SAE方程式是大学生在汽车越野赛环境下进行设计，构建，竞赛的方程式风格的一个竞赛。这些复合材料在汽车结构中的使用通过减少重量从而获得了竞争优势。大学生在处理复合材料时常常面对一个陡峭的学习曲线。然而他们几乎没有接触过复合结构的设计、分析、制造过程。通过对SAE方程式汽车的碳环氧树脂A型摆臂的设计与测试，本文将介绍与复合赛车运动结构有关的独特的益处和挑战。具体地说,它将涵盖复合材料层合板的分析和测试,以及金属硬点的转移到他们之上的设计负荷。这两个领域是复合材料最重要的区别于传统结构钢或铝的领域,并对设计有效的复合结构至关重要。

介绍

在最高水平的国际赛车使用复合结构并不新鲜，相反,它是近三十年的不断进化的产物,从灿烂的迈凯轮MP4/1第一个跑在1981年一级方程式锦标赛上。今天,方程式汽车大约80%体积式是复合式材料[1],特别是在车辆结构最为关键的受压组件如底盘、悬挂摆臂,制动盘、气动设备、碰撞结构和变速箱外壳。事实上，碳环氧树脂复合材料具有更优越的强度和刚度组合，几乎无限的可成形性,和具体的刚度要求在处理极端压力产生的加速度的四倍重力同时符合扭曲的空气动力学形状和保持精确的几何排列。

虽然复合材料在高性能赛车结构中无处不在，大多数公司和团队保持施工技术专利，大多数有关设计、施工、和修复复合结构的信息由航空工业出版社出版,这些信息用来处理几何图形以及加载和安全要求大大的不同。

具体来说,本文记录了SAE方程式赛车使用复合悬架摆臂的设计、制造和测试过程。车辆基于他们的设计质量,以及他们的可量化的性能相对于其他条目主观判断。在这两种类别,团队可以受益于复合材料在重量储蓄,刚度和强度中固有的优势。

悬架摆臂设计流程

一种由内而外的方法用来设计悬架摆臂。从道路/轮胎装载传输接口,悬挂摆臂上的反应力计算开始着手。基于这些反应受力,吊臂配件、复合结构的一般类型，最后从非特异性的层压板选择提供一个合适的安全边际。下一小节将详细介绍这一过程。

确定外部载荷

设计悬挂摆臂的第一步是确定外部负载的要求。悬架摆臂需要转移汽车轮胎作用在底盘上的力，及它的几何尺寸要受制于这些负载，装配和制造问题。在开始设计任何组件之前,然而,这些负载必须深入进行分析,以确定哪些因素影响他们的大小。

几个假设是为了简化负载分析，首先假设摆臂会以一般三角形的形状来配合内侧和外侧的配件。,以适应SAE方程式规则所要求的最低2英寸的垂直悬挂[2]。图1为了说明典型复合悬架结构显示了2005年乔丹方程式1队所用的悬架和2006年里海SAE方程式团队的悬架。

第二,有更多的假设被用来估计最严重的负载情况。这是一个保守估计,因为SAE方程式汽车在重型制动时的峰值加速度在1.7G附近 [5]。此外，最大重量转移只能使一个轮胎服从于整车重量的一半。重量转移的深入讨论和轮胎载荷超出了本文的范围,但是可以在草亚当斯的底盘工程的书中找到[6],是许多其他出版来源之一。最后,车重2200 N和司机体重800 N是基于过去的海军学院车辆的重量和当前目标值的假设。

通过这些假设设定，一个轮胎能产生的最大的力量估计达到3000 n。这个作用在悬架转向节上的力在图2上显示出来。随着上下a型摆臂所产生的反应力，为了简单起见，摆臂假定平行于地平面，悬架转向节的主销内倾角和后倾角的度数为0。A型摆臂假设安装在地面以上0.125m，并在车轮中心的下方，同时轮胎半径假设为0.25m。此外，通过忽略传递力给底盘的转向横拉杆和转向直拉杆和推杆所施加的负载来达到简化分析的作用。

图1，雷高SAE方程式悬架[4]（底部）乔丹方程式1[3]（顶部）

图2，解决了的车轮转向节和车轮总成的自由图。

虽然这分析是在x z平面上所示,模拟制动负荷下的转向节,分析系统在x - y平面的横向加速度收益率相同的合力。这一分析表明下a形摆臂上的力一定会大于那些作用于上a形摆臂的力,并将作用在相反的方向。

已经确定下a形摆臂可能经验最大应用载荷，下一步是分析a形摆臂每个臂的内力,R1和R2。图3显示了a形摆臂的每个手臂的自由结构图形，建模为一对双向受力的臂。虽然这忽略了任何潜在的a形摆臂的顶端的弯矩传递,它简化了建模过程的合理水平去理解的a形摆臂必须承受的基本受力。X轴正向沿着车辆的纵轴对其汽车前部,而y轴的正向指向右边。

图3，a型摆臂的集合定义

为了确定最大反应受力R1和R2，外部负载的方向，考虑到所有可能的组合的加速,刹车和侧滑，4.5 kN分布在gamma;= 0°、180°之间。在MATLABtrade;各种组合包括角alpha;和beta;的三角几何模型。图4显示了一个图表的内力。R1和R2所对用的alpha;和beta;是15度，同时y是扫过180度，正值表示拉伸,负值表示压缩。从这个图中上看,很明显,最大的张力是9 kN并发生在gamma;=15°左右。假设夹角保持不变,向前或向后的扫描没有影响悬挂摆臂的最大受力,只改变角gamma;的大小。例如,使用alpha;= 80°和beta;=minus;50°,内力峰值还是9 kN但它发生在gamma;= 130°

图4。内侧配件上的受力，4.5 kN载荷分布在180度之间。

图5显示了夹角对内力峰值的影响。随着夹角(alpha; beta;)增加,悬挂摆臂的受力减少。然而,有基于悬架安装的这个角点和a形摆臂与车轮之间的干扰的实际限制。同时,夹角大于50°,成为边际回报。在本研究中,28 - 30°被选为设计合理的范围。

图5。a臂夹角对峰值负载的影响

由分析得到的峰值负荷与金凯2008年得到的实验结果[7]相匹配。金凯在实际的比赛过程中使用应变式测量加载在30°夹角的SAE方程式的A型悬架上的负载。观察这些a形摆臂的峰值负载只是9 kn之下。虽然这只是一个数据点,但它被认为是相关的,因为这匹配当前配置的测试用例。

设计结构附件

随着最坏的情况下反应力量化，下一步是确定这些力量如何被转移到复合结构的承载上。图6显示了一个名义复合a形摆臂结构完整的金属配件(左舷内、外置右)与车辆底盘和车轮装配所需的连接。内侧配件将直接用螺栓安装在底盘和a形摆臂运动将导致复合材料的弯曲直接拟合。这样选择是由于其相较于内侧轴承重量轻,简单。外置配件将为球面轴承螺栓轮内的悬架直立提供一个交汇表面。由于包装和制造问题, 舷外安装设计是用来结合整体结合处，取代蜂窝芯材的一小部分，同时内侧配件将为了保证尺寸精度在结构良好的基础上安装在外部。

图6，简单的A型摆臂

成功将重要负荷传输到上复合结构的关键是将其分配在一个足够大的地区。此外,负载应该尽可能保持平面，是为了避免传输不必要的弯矩到复合悬架上。最简单的完成这种形式的方法是将配件安装在压盘的表面在其修复之后。如左边的图6所示，一个更复杂的解决方案,但仍然在本科工科学生的能力范围之内，是将公共修复的配件安装在压板的结合处，并去除多余的复合层压板。虽然第二种方法通常是更强的,更精确,所以一般应使用第一种方法

结构如内侧配件必须建立更加严格的公差标准。

作为成本和重量之间的折中，配件是由6061-t6铝材料制成的，如图7所示。主要设计关心的是内侧安装有足够的表面积的胶粘剂支持应用剪切载荷。这些配件是专为西方系统trade;环氧,记录了搭接的剪切强度约为15.9 MPa[8]。结合粘结面积1742平方毫米,最终的剪切键的强度估计27.6 kN提供大约3.0的安全系数。板厚度1.8毫米的板被选中，这样拟合将经历一个韧性失效之前失败的危险剪切销钉连接，允许司机意识到即将到来的失败和温柔地返回损坏的车辆。图8显示了实验内侧安装尺寸。

图7，用6061-t6铝制成的内外侧的配件。

图8，内侧配件几何尺寸，板厚1.8mm。

适度高安全系数选择是由于吊臂的失败所带来的潜在的灾难性后果。这些配件不在适当的位置去节省那几克以保证安全，各自复合纤维的失败仍然能保证结构按照设计的那样工作，甚至一个配件的故障或严重变形足以大幅减少甚至消灭整个结构的正确传输负载。此外,最小配件的设计可能会影响其耐久强,这将是生产赛车的一个重要因素。

选择结构

在选择悬架摆臂时主要考虑的是成本强度和易于制造，蜂窝夹层结构比其他替代选择包括泡沫夹层结构和单片复合成型更好，这将提供显著的两个特定a臂[9]的强度和刚度的提高,特别是在FSAE竞争中往往破坏了复合悬架组件的锥的力量。 三明治结构提供了抗弯刚度一个数量级提高。只有由于轻质蜂窝芯材产生了最小质量损失，核心的作用仅仅是

储存表面的弯曲应力。因为结构必须被设计成更具体的标准, 不过,可以通过理解加载条件下来分析结构在基本层面上的结构的几何和材料特性。文献提供的Hexcel公司trade;[10]比较不同核心材料的特性,介绍了常见的三明治结构的失效模式。显示了如何分析板在各种加载条件下的各种状况，以及为夹层板结构提供了实用的建议。

表纸

表1显示了悬架的核心材料的各种比较[9]， 铝蜂窝有最好的抗压强度和抗剪刚度等密度,与其他材料相比,很容易使用现成的木工工具形状。梁弯曲计算[10]确认可用0.5”蜂窝芯材对预期的皮肤厚度的影响导致结构超过弯曲内侧端的a形摆臂对单片弯曲大小的要求。这被认为是足以防止摆臂的屈曲失败,尽管在时间的利益,成本,和项目范围,没有试图去优化核心材料或横截面,但未了为未来的研究,这将使一个很好的主题。

层压板的选择与测试

在核心材料选择后，一个结构的皮肤要求有一个适当的层压板被选择，在选择层压板的一个关键的因素是理解纤维方向已达到正确匹配，对一个悬架A型摆臂来说，它可以被建立成为双向受力系统拉伸或压缩的模型。复合材料的纤维增强为层压板性能匹配预期的加载路径提供了一种完美的机会，层压板应该主要包含面向单向纤维沿层成员的纵轴,在该方向上复合纤维最强。为了增加安全系数,一些纤维应面向plusmn;45°来处理剪切力和任何意想不到的可能应用的负载。

表2列出了两层压材料和参考材料属性[11], 单向碳/环氧树脂因其高刚度、低密度,被选中而凯夫拉尔纤维/环氧树脂被选为平衡的强度和刚度特性的编织纤维结构以及独特的冲击韧性的凯夫拉尔纤维。这三种材料的不同的使用组合在使用古典堆积序列下进行了分析，薄板理论在软件中的项目叫做PROMALtrade;,它的评估基于抗拉和抗压强度[12]。所有的绞合都是对称的，这样可以排除不良弯曲/扭耦合层压复合, 极大地简化了分析。第一层评估是混合[plusmn;45凯夫拉尔/ 02碳]绞合,之所以这样设计师为了单向碳层外凯夫拉尔纤维层的保护。为了提高纵向强度和刚度，在第二次迭代中,增加了两个单向碳层，重新计算属性强化，最后,全碳(plusmn;45/03)的绞合类型被认为是评价凯夫拉尔的两层的理论的影响和测量的优势。

表3显示了为所有三个分层纠正纤维体积分数理论分析的结果。表2中使用的材料特性是为航空从预浸渍织物的复合材料的纤维体积分数、Vfasymp;60%。因为我们使用的是湿绞合。我们假定Vf = 40%,因此,我使用混合物在应用任何层压板的分析来重新计算材料属性的规则。我们注意到理论强度列出两个值，第一个是第一厚度的预测价值(基维辛迪基于Tsai-Wu失败标准[11]和第二个是层压板的整体力量。这是由失败的板层的强度的和刚度特性的折扣和重新分析新层压板的下一个级别的失败所引起的。层压板定义的极限强度的强度是在下一次失败的强度之后所得出的，被称为最后的失败(LPF)表明层压板会突然经历一个灾难，会产生一系列剩余部分的失败。

英斯特朗trade;代表层压板标本的测试是使用一个如图9所示的机器来验证理论计算。测试结果如表4所示，而理论分析倾向于高估层压板强度。,理论和实验都表明,[plusmn;45凯夫拉尔/ 03碳]混合层压板具有最强的层压板的张力，然而,值得注意的是,(plusmn;45/03)类型所有碳层压板略厚,因此表现出更高的破坏载荷。

有趣的是,抗压测试数据遵循材料的第一次厚度失败，但拉伸试验数据更紧密地与复合材料强度极限所结合。看失败的样本和测试视频,这个结论是有意义的。。在张力下,外编织层似乎在内单向核心之后失败，基于事先开裂的的声音的缺乏，虽然这并不与模型相符(特别是在全碳层), 很明显,测试中使用的材料比教科书的值用于建模更合适，表明他们不是一样容易达到拉伸极限正如失败的模式显示的那样。最终,试验结果表明,外层织物层碳和凯夫拉尔测试样品的贡献相对每个试样的拉伸断裂载荷都很小。

在压缩之下，表皮对于防止因为薄而引起的单向层的核心层压板的故障失稳起至关重要的作用， (plusmn;45凯夫拉尔/ 02碳]层压板中现象尤其明显，,观察到的失败有抗压强度明显低于预期的其他层压制品基于测试的抗压强度。似乎发生在这些压缩失败是首先发生外层皮肤失败,然后诱发显著,局部单向碳纤维核心的压力的增加导致失败。这通常是伴随着显著的“扫毛”,这似乎表明,表皮再也不能阻止内部核心向外弯曲。

注意,凯夫拉尔分层有大约24和37%的面积密度低于全碳层。由于凯夫拉尔纤维相比碳纤维来说降低了厚度和密度，这导致薄凯夫拉纤维复合材料在某些下张力和压缩分别到16%和16%时具有更高的特定强度。这是在a形摆臂的主体重显得尤为重要, 这将对其整体重量有更强的单一影响,但会一定程度上产生弯曲误导，严重依赖于抗压抗弯强度的复合厚度。在分层测试中，,(plusmn;45/03) 碳被证明有最高的单位宽度上的力量。在生产设计中，为了最大化单向比编织纤维, 对于一个给定的几何尺寸，提供最大的特定力量来使

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