【摘 要】：在设计开发新的汽车过程中，汽车的安全性和舒适性越来越受到重视。发动机主要是通过发动机悬置与车身相连接的，发动机悬置是发动机传递振动和噪声到车身的主要路径。赛车的速度比一般的民用车高，速度越快意味着在发动机振动越明显，越容易引发车架与发动机共振。因此，对发动机悬置动刚度分析可以验证结构的疲劳寿命，保护动力总成。
回顾汽车动刚度分析的研究现状，使用仿真数据对汽车的刚度进行分析并与目标值进行对比已成为汽车设计工作的一个趋势。本课题将运用有限元数值模拟技术，分析对比不同发动机悬置的刚度性能，选择合适的发动机悬置系统，从而提高发动机悬置系统的动力特性和寿命。这样的研究工作将具有一定的借鉴和参考价值。
【关键词】：方程式赛车，悬置系统，动刚度，有限元
1 Formula SAE_China简介
中国大学生方程式汽车大赛（简称“FSAE”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。目的是培养学生的设计制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；同时通过活动创造学术竞争氛围，为院校间的交流提供一个平台，进而推动学科建设的提升。
在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。
2 国内外研究现状
2.1 赛车悬置系统
2.1 结构要求
一般情况下赛车的悬置系统必须满足的要求：
动力总成的重量尽可能的均匀分配在每个悬置点上；
承受赛车行驶过程中作用于动力总成上的动态力，例如赛车加速或减速时，在动力总成上会产生的纵向动态力；赛车转向时，动力总成承受的横向动态力；
承受动力总成产生的往复惯性力及力矩；
隔离由于发动机激励而引起的车架的振动；
隔离轮胎经过路肩引起的车身振动传递到动力总成
2.2 悬置系统研究现状
赛车的设计向着提高发动机功率和轻量化的方向发展,采用新型高强度轻质材料和轻量化的设计，让赛车的整车质量不断下降。然而发动机的质量的却难以减轻, 导致发动机在整车质量中所占比例有所上升。所以发动机是主要的振源，对赛车的性能有重要的影响。
结合民用汽车的技术，国内外汽车主采用的几种悬置形式：
弹性元件式，这种结构的发动机悬置的减振和降噪是通过橡胶元件弹性变形来达到的，结构简单但是橡胶元件的阻尼特性是固定的。
充液式，冲液的悬置尤如悬架的减振器那样, 带有阻尼节流和压缩，可以吸收和减少发动机传给车身的振动和噪声。
主动控制式，一种能产生和发动机传来振动相反波长的振动装置,悬置中都装有电子控制模块的振动装置可以主动抵消发动机的振动。
结合民用汽车的技术，国内外主要采用了以下几种技术：
改进结构设计，通过合理设计各种结构形式、加大连接区域的面积、加内衬板、或者加强肋。使悬置系统的动刚度提高。
应用CAE技术，进行数值模拟分析，缩短开发时间，减少实验费用。
采用新材料，在相同的工况下，悬置系统的刚度更好，使用寿命更长。
如图1-1为长安汽车北京研究院悬置系统，使用实车进行试验。
图1-1.实车试验
如图2-1为通过改进结构，增加加强肋、加大连接区域的面积、在结构上布置了梁结构，并运用有限元模拟。
图2-1.有限元模拟
整车NVH性能的有限元分析方法，其优点在于可以在没有实物样车的工程化设计阶段，较为准确地评价整车的NVH性能，并提出改进方案，尽可能在设计阶段解决车身结构及包装上可能存在的NVH 问题，大大的减少开发成本。
3 悬置系统仿真有限元法
随着计算机技术和非线性有限元程序的发展, 采用有限元法使悬置系统模拟的结果精度越来越高。因此, 使用仿真数据对汽车的刚度进行分析并与目标值进行对比已成为汽车设计工作的一个趋势。动刚度表征了结构在动载荷下抵抗变形的能力，动刚度不足将对车身疲劳寿命和整车乘坐舒适性产生非常不利的影响。悬置系统一般采用频率响应分析来实现对结构的动态特性分析,预测结构的持续动力特性,验证设计能否克服共振、疲劳及其受迫振动引起的结构破坏，也是计算线形结构在稳态振动激励下的响应的方法.单自由度系统是振动分析的基础，在进行复杂系统特殊模态振动分析时，通常构造该系统的单自由度模型。如图3-1为某副车架有限元模型。
图3-1.某副车架有限元模型
通常，我们对发动机悬置进行加速度传递函数响应分析，引起某个频率的响应峰值的原因是该频率下的刚度过低，但并不一定是该接附点的附近局部区域的刚度过低引起，因此需要利用直接频率响应分析、灵敏度分析等方法找到引起该响应峰值的刚度较低的部件或局部区域，通过优化改进该部件或局部区域的刚度来降低该响应峰值。 影响悬置系统数值模拟的主要因素有：单元尺寸、焊点间距、接区域的面积等。如图4-1所示优化前后的频率响应曲线，优化后成效明显，不仅仅提高了关注频率范围内悬置点动刚度，也大大改善了高频段的动刚度。
图4-1.动刚度结果对比
4 总结
借鉴以上的研究技术，结合悬置系统的结构要求，建立不同的悬置系统结构模型，对结构进行有限元分析，根据分析结构选出最优方案，再对最终方案进行优化，直至关注频率范围内悬置点动刚度达到预期要求。
为此，本课题将从以下方面进行研究：
（1）利用UG三维建模软件建立不同结构的悬置系统模型。
（2）利用HyperMesh前处理软件建立整车有限元模型。
（3）利用Nastran求解器进行仿真求解。
（4）分析对比不同结构悬置系统的频率响应曲线。
（5）选出最优方案，进行优化处理，再次进行仿真分析。
（6）得出结论。
本课题的研究目标就是对大学生方程式赛车的发动机悬置系统进行结构设计，针对所设计的悬置系统再进行整车频率响应仿真分析，选取最优的设计方案，验证结构能否克服共振、疲劳及其受迫振动引起的结构破坏。有可能的话，还可以选用不同的材料进行分析，达到轻量化设计的结果。
由于目前国内对汽车悬置系统动刚度分析的研究还处于发展阶段，因此本课题研究对方程式赛车悬置系统动刚度相关的研究工作具有一定的借鉴和参考价值。
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