摘要
本文工作主要以建立和分析NEXUS卡丁车前悬挂控制臂所承受的多工况压力情况为研究主要方向。首先从卡丁车基本原理入手，并结合其结构特点构建出描述控制臂的3维几何模型，再利用有限元方法精确建立，考虑其材料物理性质和几何特征；通过各类工况分析法，结合实际情况，了解卡丁车在各种路况、转向角、车速等环境下，控制臂接受的压力。经过多类型负荷下压力分析，寻找控制臂超负荷运转或快速转动时强韧性、刚度和耐久性的变化规律。结果表明，控制臂不同类型下的压力分布情况大不相同，特别是在转向情况中，其内部区域承受着巨大的弯拉压力，根据得到的结果，提出了一些控制臂结构改进方案，比如增加加强板条或者重新分配其材料布局等。从而保证其面对各种条件的前悬挂控制臂具有较高的可靠性和稳定性。最后通过仿真和实测对其改进的方案进行验证。本文工作不但可为卡丁车车身悬挂系统的构建提供参考，也能为类似结构的优化设计提供参考。
关键词：NEXUS卡丁车；前悬挂控制臂；受力分析
目录
第一章 绪论 5
第二章 悬架结构选择分析 11
2.1 悬架系统概述 11
2.2 悬架分类 11
2.2.1 独立悬架 11
2.2.2 非独立悬架 14
2.3 前悬架系统形式的选取 15
2.4 本章小结 15
第3章 悬架结构设计 1
3.1 主要整车参数 1
3.2 悬架参数选定 1
3.2.1 悬架静挠度 1
3.2.2 悬架动挠度 2
3.2.3 悬架刚度 2
3.3 导向机构的设计计算 3
3.3.1 双叉臂独立悬架设计要求 3
3.3.2 悬架导向机构的参数 3
3.3.3 上下叉臂的布置方案 3
3.3.4上下叉臂长度的确定 4
3.3.5下叉臂结构强度设计 4
3.3.6侧倾中心 6
3.3.7纵倾中心 7
3.4 螺旋弹簧设计计算 7
3.4.1 螺旋弹簧的材料选取 7
3.4.2 螺旋弹簧设计计算 7
3.4.3 螺旋弹簧的刚度计算 9
3.4.4 弹簧刚度校核 9
3.4.5 弹簧的剪切应力校核 10
3.5 减震器参数设计及选项 10
3.5.1 减震器阻尼力计算 10
3.5.2 减震器结构尺寸选型 12
3.6 衬套的设计 12
3.7 本章小结 12
第4章 悬架的三维模型和有限元分析 14
4.1 三维模型软件介绍 14
4.2 三维模型的绘制 14
4.3 有限元分析 15
4.3.1 材料的选择 15
4.3.2 网格划分 16
4.3.3 施加载荷 16
4.3.4 后处理 16
4.4 叉臂的有限元分析 17
4.5 弹簧的有限元分析 18
4.6 卡丁车悬架的工艺性分析 19
4.7 卡丁车悬架的经济成本分析 19
4.8 本章小结 20
第5章 总结及展望 21
1.1 究背景及意义
体型小、速度快的NEXUS卡丁车越来越多地参与到赛事或娱乐活动中，其车前悬系统决定了车辆的动态特性和操控稳健度，特别是车辆前悬挂中的关键受力件前悬挂控制臂可显著影响驾驶人员的舒适感、车辆行驶安全性、驾驶稳定性，用于连接车轮和车辆底盘以承受来自车轮的垂直力和水平力并保持车轮相对车身位置。随着卡丁车比赛的普及，对于卡丁车的操纵灵敏性、舒适性要求越来越高，导致前悬挂系统中各零部件，如前悬挂控制臂，需要更加优化的设计与使用性能。因此，对NEXUS卡丁车前悬挂控制臂进行进一步的优化设计以及性能分析，除了对卡丁车而言具有实践意义，还将对提升卡丁车整体性能发挥一定的作用。
前悬挂控制臂的设计涉及到很多学科工程问题，尤其是深层次运用力学及材料学知识，传统的是以经验以及实车试验为基础，费时费力且难以应对苛刻环境下控制臂的性能验证。近年来，随着计算机辅助设计软件(CAD)和有限元法(FEA)的全面普及，悬臂的构造及研究已经进入了以数字模型为基础的阶段。设计者能够通过对控制臂进行强度、刚度、寿命等关键参数分析，在项目早期做出控制臂的建模和相应的设计规划，可以利用仿真对其设计进行优化，大幅缩短实际施工的时间和成本。因此，采用先进的工程设计手段对NEXUS赛车的前悬控制臂进行构造建模在各种环境下发联壁控制臂的承受能力分析，能为提升控制臂效能及完善控制臂设计提供很好的借鉴。
本文价值不仅在于理论方面的创新，更可以促进卡丁车悬挂系统的实际应用效率。针对多工况下的实验，进一步掌握控制臂在不同驾驶情况下所受的最大应力情况，由此为基础进行结构方面的改良，可在高车速、急转弯等高压工况下有效提高其稳定性与寿命，在提高NEXUS卡丁车整体工作和安全性上具有很大意义，对其他类型卡丁车及一部分小排量赛车悬挂设计方面也具有很大的参考价值。自从卡丁车运动和汽车行业发展以来，悬挂系统结构被设计成为影响汽车性能的主要环节之一。该研究工作的开展也会对这一领域的发展以及应用带来一定的推动作用。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国内外在卡丁车悬挂系统及其部件方面已经有较为成熟的研究和分析。悬挂系统优化研究主要包括材料选用、结构设计、耐久性测试、各种环境下的测试等内容。近几年，随着计算机技术的蓬勃发展，尤其是有限元技术(FiniteElements，FEA)和多物理场建模技术的应用，国外专家和工程师可以更好地预测和优化悬挂系统的性能。例如，英国多家车厂及大学(如Sheffield的University的VehicleEngineeringCentre)投入大量精力进行赛车悬挂设计的研究，采用高强、轻量化金属(如高强度铝合金)、碳纤维复合材料等材料，并采用有限元建模悬架系统，以达到优化质量、强度和刚性。此类研究的重点是作为载荷传递装置的前悬挂支柱。
美国是一个卡丁车竞赛最为发达的国家，一些高级卡丁车生产厂商如BirelART和TonyKart早在10年之前就利用有限元模拟、各种工作状况下的应力测试等方法提高卡丁车悬架系统工作性能。其更特别的是对前端悬架支柱部分结构对于赛车的操作性能的稳定性能尤为显著。因此，卡丁车厂家就利用计算机绘图(CAD)、CAE(ComputerAidedEngineering)如ANSYS、ABAQUS软件，搭建卡丁车悬架支柱部分结构模型并进行其性能优化设计。利用CAE技术在不同工作情况下分析支柱受力的变化状况，从而预测极端工作状况下如猛烈地转弯或者快速行驶的条件下支柱的受力状态，深入设计改进。例如美国BirelART公司通过利用FEA技术对赛车卡丁车悬架支柱部分进行设计改进，在减轻了车身重量的同时加强了零件刚性，也由此而使该款赛车更胜一筹。
此外，像卡丁车世界锦标赛、欧洲卡丁车大奖赛等知名欧洲汽摩赛对于卡丁前桥控制臂的结构及性能要求极为严苛。为了符合激烈竞赛的环境，所有的前桥零部件不仅需要具备优异的力学性能，而且还须具备极高的使用寿命。作为赛车设计机构，来自瑞士的SodiKart公司通过高度精细化的有限元分析及不同工况下的应力分析来研究前桥控制臂在不同的载荷情况及工况下的响应，例如分析前桥控制臂的疲劳寿命，以确保其能够在激烈赛场上连续工作不被破坏。这种分析的最终目的是为了使公司所生产的卡丁车型更具有可靠性，从而具有高品质赛车的品质。
综上，国外卡丁车前悬挂控制臂的研究改进已达到很大的进步，通过像有限元分析(FEA)等模拟仿真技术，对一辆汽车的生产厂家及科研机构能够确切知道汽车悬挂系统的效果，并针对汽车在各个工作情况对其悬挂进行优化改进，对于提升赛车的驾乘舒适性和稳定性、对赛车的安全和寿命都有很大的帮助。
悬挂的系统设计也随着卡丁车赛和赛车工程的发展，带给全世界的赛车迷更加竞技化的比赛体验。
