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FSAE赛车底盘和悬架设计与优化
- 大学生方程式赛车介绍
FSAE是由汽车工程师协会主办的大学生工程竞赛，学生必须构思、设计和制造一辆小型开放式赛车。比赛的前提是每个学生团队表现出一个初步建立的小公司，可以设计和制造一个赛车模型以低于25000美元的价格卖给周末汽车越野赛的赛车手。这个竞赛使得各个团队和其他人竞争去把他们的设计卖给一个希望大规模制造的公司。因此，车辆的审判不仅是在工程设计和性能方面，而且涉及到费用、可制造性、市场和可靠性。和其他比赛系列相比，FSAE的规则十分开放，考虑到学生在机械设计方面大量的创造性。规则主要用于保证所制造的车辆的操纵安全，不仅是为了驾驶员，而且为了观众和团队成员的安全。
下面的图一展示了每个项目的主要分类和比重。注意到每个团队在每个项目的审判中的高标准和要求注意细节是非常重要的。项目裁判是行业里的专家，通常在他们专门技术的特定领域有着至少20年的经验。每个设计瑕疵都被详细检查，每个折衷方案和设计选择都必须用详尽的分析来证明。在动态项目中，车辆必须展示出一个高水平的性能，同时也要足够持久和可靠从而可以在长时间内经受住非常苛刻的比赛工况。
静态项目：
陈述 75
工程设计 150
费用分析 100
动态项目：
加速工况 75
转向实验 50
越野工况 150
油耗 100
耐久性 300
总分数 1000
图1. 2009年FSAE分数分类
1.1静态项目审核
静态项目审核是以一个对赛车彻底的、工艺上的检查，此项不计分。检查分为三部分，成功通过一个检查团队会获得一个标签。三个标签必须贴在车身显著的位置，以便于被允许参与动态项目的比赛。检查的第一部分是一个彻底的官方对赛车的技术检查，保证没有违反规则之处。第二部分是一个倾斜试验，车辆被放置在一个开始倾角接近45°的平台上，用来检查泄露情况。然后倾角增加到60°，用来检查车辆的翻转能力，因为此时的角度与1.7g的侧向加速度大致一致。通过倾斜测试后，车辆还必须通过制动、噪声、切断开关试验。首先，车辆启动，检测车辆的两个应急电气系统切断开关。接下来车辆必须通过噪声测试，测量距离发动机排放出口处45°角0.5米的声级，不能超过110分贝。如果车辆通过噪声和切断开关测试后，还必须通过制动试验。车辆在一小段距离内从静止加速，突然制动，四轮抱死。如果车辆在任何一个检查中失败，它就必须回到围场，经过维修然后再次尝试。所以用一个准备充分、测试无误的车参加比赛是非常重要的，因为成功通过这些技术检查经常会需要不止一次甚至是多次尝试。这些有时候会花一天或者更多时间，甚至有时会否定和阻止团队参与动态项目的比赛。
第一个计分项目是陈述项目。这个项目的裁判被认为是投资者，团队必须展销他们的商业案例，包括市场分析、费用、制造和收益分析。被认为准备得最好的团队在这个项目中取得胜利。
费用项目包括三个部分。第一部分团队提前准备好并递交一个综合的费用报告和分析。每一个螺母、螺栓，制造车辆的每一分钟劳动都必须被记录在材料清单上然后递交给裁判。第二部分裁判员检查车辆，确保递交的报告准确地反映制造车辆的部件和过程。第三部分是一个挑战，学生必须当场回应一个与制造相关的具有挑战性的问题。
从积分和权威的角度来说，设计项目是静态项目中最重要的一项。六位裁判检查机械设计并且评估学生在设计中的工程成就。在这个项目中，裁判员非常严格，并且经常让团队成员达到他们知识的极限，从而找出学生在设计他们的部分或者系统和选择原件所达到的深度。第一轮设计审判只持续10分钟，经过这轮审判只有10%的团队被召回参与半决赛，然后给予额外的时间展示他们的设计和专门的技术。最后选择前五名团队参与决赛。通过第一轮设计被认为是非常有名望的，因为竞赛的高水平和不断增长的车辆质量水平。
1.2动态项目审判
在五个动态项目中，车辆真实的性能得到测试。加速项目用一个从静止开始距离为75米的直线加速赛来测试车辆的动力传动系统和牵引性能。这个项目值75分，通过一个将你的时间与这个项目最快的时间相比的计分公式来算分。通常每个动态项目都是用这种方法计分。每个团队有两名赛车手，每位赛车手有两次机会，一共四次机会。
转向试验项目测试车辆悬架和底盘性能，在一个固定直径的平路上测量它的转向抓地力。车辆必须穿过图8所示的道路，保证团队没有只对转向的一个方向进行优化。图2展示道路布局的一个图。
图2. 转向实验布局示意图
汽车越野赛项目由一个半径变化的有左转和右转的道路组成，在一个通常不超过800米的短距离内测量汽车的整体性能。一次测试一辆车，并记录他们的时间。
每个竞赛的高潮都是耐久性和然后经济性项目，车辆必须跑22千米没有机械失误，而且没有一滴油从汽车里漏出来。这项的道路通常比汽车越野赛的开放，允许高一点的平均和最高速度。这个道路的设计者的目标是每小时35英里，最高车速大致为65英里每小时。在22千米的中途，汽车会被指引进入维修道，然后换另外一名驾驶员。发动机必须熄火，团队有三分钟的时间进行驾驶员更换，在这期间不允许改动车辆，项目职员检查车辆确保没有液体泄漏，并且车辆仍然处于良好的机械状态。当更换完成之后，驾驶员必须在没有外部帮助的情况下重新启动汽车。在这期间许多团队被取消比赛资格。由于耐久性的高分值，以及每年很少数量的团队成功完成这项比赛，它被所有团队公认为极高的成就和最终目标。不管其他项目，如果车辆通过耐久性试验，那么这个比赛被认为是成功的。燃油经济性项目有测量耐久性试验开始时装入车辆的燃油量和测量结束时剩余在油箱里的燃油量，然后按最小油耗给每个团队排序。
- 设计约束
每年年初，当每个团队开始设计和制造一个全新的方程式赛车的时候，有一个明确的具体的设计标准列表并且在设计进程中自始至终牢记在心是非常重要的。对于一个方程式赛车，主要约束条件按通常的重要程度排序为：
（1）服从规则
（2）满足功能需求
（3）刚度/强度/耐久性
（4）重量
底盘和悬架的每个元件都可以用这些标准审判，虽然对于每个具体的应用有轻微的不同。这篇论文的重点是把结构和悬架作为一个整体的组合设计，所以具体元件的细节设计就略为重要。
2.1规则服从
FSAE规则委员会每年发布一个新版本的规则来控制比赛。这些文件随着时间的过去已经有100页了，接近40页是控制赛车的技术准则的。2009年发生了一些重大的有争议的改变，使得车队们适应并调整他们的设计。
2.1.1车架
与车架有关的规则十分冗长有时甚至很难理解，但是在2009年FSAE比赛中，一些主要的规则做出了改变，车架设计规则的改变十分显著。在这个模块里，规则全部用来处理安全性，确保团队制造的结构可以承受来自前方和侧向的冲击并保证驾驶员承受最小限度的伤害。前环、主环、前隔板和辅助支柱的结构都在规则中被详细说明，例如他们通常的位置和最小材料强度。下面的图3展示了每个基本结构的要求。
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项目或应用 |
外部直径times;厚度 |
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主＆前环，驾驶员安全带安装条 |
1.0英寸（25.4mm）times;0.095英寸（2.4mm） 或者25.0mmtimes;2.50mm |
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侧向冲击结构，前隔板，环支柱，驾驶员的约束安全带附件（除了上面已经提到过的） |
1.0英寸（25.4mm）times;0.065英寸（1.65mm） 或者25.0mmtimes;1.75mm 或者25.4mmtimes;1.60mm |
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前隔板支撑 |
1.0英寸（25.4mm）times;0.049英寸（1.25mm） 或者25.0mmtimes;1.5mm 或者26.0mmtimes;1.2mm |
图3. 主要结构最小材料需求表
如果材料和上述材料有任何偏差，那么必须递交一个结构等价表格，有相关的计算说明替代品在弯曲强度和屈服强度和最小值一样强甚至更强。另外为了详细说明材料最小值，规则也详细说明了在翻转中保护驾驶员的主环和前环的几何。支柱和载荷路径必须直接并且与主要关节相接，或者与车架上的节点相接。不管车架在规则中规定的深度和宽度，创新仍然是可能的，许多好的解决方法也是存在的。在包装和与其他系统和元件的相关性方面优化车架是区分一个好的车架和一个极好的车架的关键，并且也是这篇论文的重点。
2009年新加入到规则中的是控制驾驶室模块。规则授权大的模板可以横向穿过车架前部，也就是驾驶员身体下部所处的位置，垂直穿过驾驶舱开口。这些规则被设计用来改善车辆的安全性，并让体型较大的人能够有更加舒适的驾驶体验。因为在FSAE中没有最小体重要求，所以这些规则有一个很大的动机是为了让车架尽可能小和轻，并且在驾驶员舒适性和安全性方面挑着极限。图4展示了概括这些新规则的文本。虽然规则将会达到增加安全性这一期望的效果，但是它们受到来自学生和团队的强烈抵制。一些队伍已经使用大体一样的设计许多年了，然而这些新的规则迫使他们重新开始新车架的设计。另外，因为车架尺寸的增加，一些团队亲切地称这些新规则为“方程式公共汽车”规则，因为汽车外形的变化。
4.1 驾驶室开放
4.1.1 为确保给予驾驶员的开口尺寸足够让其通过，图8所示的模板将会插入到驾驶室开口处。它将会水平放置并且垂直插入直到通过侧面冲击结构上支柱的下方（对于单体结构赛车来说直到它距离地面350mm）。
4.1.2在这个测试中，转向轮、转向柱、座位和所有的踏板都被卸下来。
4.2 驾驶室内部通过区域:
4.2.1 一个自由的垂直的区域可以允许图9所示的模板水平通过驾驶室距离踏板不可操纵的最后面100mm处，
为了阐明对于麻省理工学院MY2009型号车辆而言十分重要的一些大的改变，下面的图5从加有所要求的新模板（图中红色的部分）的固定模型的侧视图和俯视图描述了麻省理工学院赛车运动MY2008赛车车架设计。必须维持它的整个长度。
4.2.2 唯一可以侵占这个区域的东西就是转向轮，转向柱和所有规则5.7”驾驶员腿部保护”中需要的踏板。
4.2.3 2009年，所制造的车辆不遵守4.1或者4.2的团队将会从他们的设计项目分数中扣除35分。
图4. 驾驶舱尺寸管理新规则
为了阐明对于麻省理工学院MY2009型号车辆而言十分重要的一些大的改变，下面的图5从加有所要求的新模板（图中红色的部分）的固定模型的侧视图和俯视图描述了麻省理工学院赛车运动MY2008赛车车架设计。
图5. MY2008车架solidworks模型展示与2009年新委托模板之间的干扰
很容易看出许多板块横贯车架前部的一些地方。尤其，上隔板的两个斜撑直接穿过红色区域。这些支撑对能够合适地支撑悬架载荷十分重要，并且使得车架的重新设计具有重大的挑战性。从俯视图可以看出，驾驶舱出口模块插入几乎与所有的上驾驶舱支撑相交，另外还有转向杆支撑，没有在上面的模型中展示出来。
2.1.2悬架
这些控制所有介于车架和车轮与地面接触点之间的设计规则要比车架的设计规则开放，因为这里很少涉及安全问题。一般来说，在悬架设计中只有三个主要约束。悬架必须有至少50.4mm的可用行程，每个方向25.4mm；在任何时刻都有25.4mm或者1英尺的离地间隙；车轮直径最小值必须为203.2mm或者8英尺。虽然悬架规则十分开放，但是因为和车架之间相互依赖的关系，车架的规则给悬架的性能设置了极大的设计约束，在接下来的章节中会被详细解释。
2.2满足功能需求
任何大的装配里的每一个元件都必须有它的功能需求和相互关系，这些都要在设计开始之前确认，以便于问题区域和并发症可以尽早地确定和缓和。在设
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