FSAE方程式赛车悬架及转向系统机构设计与仿真(8)
下几点：
（1）负外倾角在赛车高速转弯时，能抵消因横向离心力导致车轮外倾角往正方
向变化的趋势，使车轮保持和地面的良好接触，增强轮胎地面附着力，确保赛车
顺利过弯。
（2） 负前束能使赛车的转向响应更快。赛车一般是在弯道比较多的赛道上行驶，
负前束能使赛车入弯更快，减少过弯道的时间。
（3） 负外倾角搭配负前束，确保赛车的直线行驶稳定性，减少轮胎磨损。
综合各种因素考虑，南理工FSAE 赛车车轮定位参数取值如表 2-2 所示。
表2-3 南京理工大学FSAE 赛车车轮定位参数
车轮定位参数 车轮外倾角 主销内倾角 主销后倾角 车轮前束角
前悬架 -1° 4° 4° -1°
后悬架 -1° 0° 0° 0°
2.4.2 刚度计算
根据赛车总布置设计以及悬架的特定要求，逐步计算悬架的各种刚度，包括
悬架有效刚度（ride rate）、车轮中心刚度（wheel center rate）、侧倾角刚度
（total roll rate）、弹簧刚度(spring stiffness)等。其中，悬架有效刚度是
指轮胎接地点相对车架或车身单位垂直位移时所受到的垂向力；车轮中心刚度是
指车轮中心相对车架或车身单位垂直位移时所受到的垂向力；侧倾角刚度是指车
架或车身侧倾单位转角时悬架系统给车架或车身总的弹性恢复力矩；弹簧刚度是
指减振弹簧发生单位变形时产生的弹性恢复力。
在确定悬架各种刚度之前，首先应该选取悬架的偏频，即汽车的簧上质量在
无阻尼的情况下的固有频率。由汽车动力学知识可知，普通轿车的偏频常在
0.5～1.5Hz，普通轿车的偏频常在0.5～1.5Hz，高负升力赛车（如F1赛车）的
偏频在3.0～5.0Hz以上。偏频的大小与悬架的刚度、赛车的操稳性和舒适性密
切相关：偏频低，悬架偏软，舒适性较好；偏频高，悬架偏硬，整车操稳性更好。
从过弯较小侧倾的角度出发，悬架刚度越大越好，同时赛车也不需要过多考虑舒
适性，因此赛车偏频的选取普遍较大。综合各方面因素，通常国内外FSAE赛车
的偏频选取范围是2.3～3.0Hz。
为了避免赛车发生共振，尽可能提高赛车的操稳性，前悬架的偏频应该选取
得比后悬架大。综上，初定前后悬架的偏频分别为：
ωF = 2.9Hz，ωR = 2.7Hz
根据文献[22]做如下计算：
前轴左右车轮簧上质量：
msmlf = msmrf =
= 0.5 × 0.734 × 247/1.575 = 57.55kg
后轴左右车轮簧上质量：
= 0.5 × 0.841 × 247/1.575 = 65.95kg
由偏频的定义ω = k
m /2π，可得k = 4π2ω2m
所以，前轴单侧悬架有效刚度：
KRF = 4π2ωF
2msmlf = 4 × 3.142 × 2.92 × 57.55 = 19088N/m
后轴单侧悬架有效刚度：
KRR = 4π2ωR
2msmlr = 4 × 3.142 × 2.72 × 65.95 = 18961N/m
已知轮胎刚度KT = 140000N/m，则前悬架的车轮中心刚度：
侧倾增益是指 1g 横向加速度下车架或车身侧倾转角的大小。
假设赛车以40km/h(11.11m/s)的速度通过比赛赛道的半径R = 9m的最小弯道，则赛车所受的侧向加速度为：
前轴由于侧向加速度引起的载荷转移为：
后轴由于侧向加速度引起的载荷转移为：
假设前后悬架的行程均为Z = ±30mm，则前悬架的有效刚度为：