基于大學(xué)生電動方程式賽車設(shè)計(jì)過程分析

黃愛維　王承梅　許鏡儀

（南通理工學(xué)院，江蘇　南通　226002）

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基于大學(xué)生電動方程式賽車設(shè)計(jì)過程分析

黃愛維王承梅許鏡儀

（南通理工學(xué)院，江蘇南通226002）

摘要：FSAE賽車項(xiàng)目由南通理工學(xué)院汽車服務(wù)工程和車輛工程專業(yè)合作開展。本文詳細(xì)介紹了本次設(shè)計(jì)的方法及指導(dǎo)思想。在設(shè)計(jì)過程分析中，綜合電動汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對汽車的傳功系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)進(jìn)行一一分析和布置。

關(guān)鍵詞：FSAE賽車；設(shè)計(jì)；過程分析

純電動汽車是指將車載電池作為唯一動力源，以電機(jī)驅(qū)動的方式驅(qū)動輪胎旋轉(zhuǎn)，此類車輛能夠符合道路交通、安全法規(guī)中各項(xiàng)要求。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，電動車技術(shù)己經(jīng)成熟和完善，使駕駛變得更安全、方便、靈活、舒適。將來，電動汽車可以真正占據(jù)傳統(tǒng)燃料汽車的未來競爭市場。

在設(shè)計(jì)過程中，首先從電動機(jī)和電池的選擇入手，為了使汽車獲得最高行駛速度，經(jīng)過計(jì)算選擇電機(jī)和電池。在選好電機(jī)和電池后，和設(shè)計(jì)燃油汽車的底盤一樣，同時(shí)綜合電動汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對汽車的傳功系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)進(jìn)行一一分析和布置［1］。

1　純電動賽車總體設(shè)計(jì)概述

1.1總體設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求有：賽車尺寸滿足賽道和比賽要求限制；排放要滿足環(huán)保要求；注意使用時(shí)的安全問題；汽車各性能應(yīng)滿足開發(fā)所確定的指標(biāo)；知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)；避免部件發(fā)生運(yùn)動干涉；采用可維修或者可維護(hù)材料；滿足組委會的技術(shù)規(guī)范。

1.2總體設(shè)目標(biāo)

設(shè)計(jì)此賽車的性能并符合Formula SAE競賽相關(guān)規(guī)定和要求的方程式，該車的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)主要為以下幾點(diǎn)：0～100m直道加速時(shí)間小于12s；設(shè)計(jì)過程中成本、性能和可靠性等方面有必要進(jìn)行考慮；以試驗(yàn)的方式對賽車進(jìn)行驗(yàn)證，檢測其是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。主要的測試項(xiàng)目包括直道加速，側(cè)向速度skid-Pad測試?？傮w設(shè)計(jì)是以設(shè)計(jì)出一輛安全可靠、性能均衡、具有良好的駕駛特性、調(diào)整方便且有足夠速度的賽車為主要目的。

2　全車結(jié)構(gòu)

2.1動力總成和傳動系統(tǒng)

主要部件包括動力電池、動力電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、發(fā)動機(jī)座、驅(qū)動軸、差速器基座、鏈輪/皮帶輪、差速器軸承、差速器、萬向節(jié)、保護(hù)罩及連接緊固裝置等。

2.2車架及車身

主要包括車輛承載部分、防滾架和外殼及蒙皮。主要部件包括加速踏板、制動踏板、變速桿（換檔桿）及相關(guān)連接線、車身材料、底板、定風(fēng)翼、安裝基座和連接緊固件等。

2.3懸架系統(tǒng)

主要部件包括減震器、彈簧、懸架機(jī)械系統(tǒng)、拉/挺桿、前/后支柱、直角杠桿/換向機(jī)構(gòu)及連接緊同件等。

2.4制動系統(tǒng)

主要部件包括制動管線、制動塊、卡鉗、液壓缸/泵和制動盤等。

2.5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

主要部件包括轉(zhuǎn)向齒條/齒輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、方向盤等。

2.6車輪

主要部件包括輪輛、帶耳螺母、輪胎、氣門嘴、車輪平衡塊、輪毅軸承及前/后輪轂等。

2.7儀表

主要部件包括電機(jī)轉(zhuǎn)速表、動力模塊電子系統(tǒng)、車載計(jì)算機(jī)、束線/接口、儀表板、保險(xiǎn)絲、剎車燈、啟功機(jī)電磁開關(guān)、指示燈、蓄電池、繼電器、啟動開關(guān)、水溫表及連接緊固件等。

2.8其他

主要部件包括座椅、安全帶、車架/車身涂裝、防火隔板、后視鏡和安全護(hù)罩等。

3　總體設(shè)計(jì)進(jìn)度

首先熟悉發(fā)動機(jī)及汽車其他配件；依照南通理工汽車學(xué)院現(xiàn)有資料初定總體參數(shù)；設(shè)計(jì)并布置懸架；設(shè)計(jì)車架，然后裝配各零部件；設(shè)計(jì)并布置后軸傳動，確定傳動方式；設(shè)計(jì)并布置座椅和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；重新確定軸距；布置制動系統(tǒng)和電器系統(tǒng)；最后設(shè)計(jì)并安裝車身。

4　賽車設(shè)計(jì)的基本流程

4.1初始規(guī)劃和調(diào)研

了解目前方程式賽車的參賽要求和實(shí)際操作的可行性。

4.2方案的確定和修改

其任務(wù)是提出賽車的設(shè)想，主要根據(jù)為討論決策所選定的目標(biāo)及對開發(fā)目標(biāo)制定的工作方針和設(shè)計(jì)原則等主導(dǎo)思想。

4.3繪制總布置草圖

通過繪制總布置草圖，確定整車主要尺寸、質(zhì)量參數(shù)與性能指標(biāo)以及各總成的基本型式。在總置草圖上要較準(zhǔn)確地畫出各總成及部件的外形和尺寸，對軸載荷分配和質(zhì)心高度作計(jì)算與調(diào)整，以便較準(zhǔn)確地確定汽車的輪距、總長、總寬、總高、離地間隙或車身地板高度等。

4.4車型設(shè)計(jì)和車身框架模擬設(shè)計(jì)

使用建模工具比如UG和CAD等常用的機(jī)械制作或者模具打造的模擬軟件，對車身的穩(wěn)定和風(fēng)阻等方面問題進(jìn)行適當(dāng)修改，然后征求領(lǐng)導(dǎo)和專家意見。

4.5賽車設(shè)計(jì)未來規(guī)劃

此次設(shè)計(jì)的方程式賽車為以后實(shí)體操作和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。規(guī)劃包含如下幾方面：設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)靈感和設(shè)計(jì)理論依據(jù)，賽車現(xiàn)實(shí)用途和生產(chǎn)規(guī)格；賽車型號、核定承載量、構(gòu)架形式及主要規(guī)定指標(biāo)和參數(shù)，賽車要求的基本尺寸和整車規(guī)格、軸承參數(shù)，符合規(guī)定的環(huán)保指標(biāo)和安全性。

5　賽車各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賽車采用國內(nèi)外FSAE普遍應(yīng)用的發(fā)動機(jī)中置后驅(qū)的布置方式。

5.1懸架總成

對于FSAE賽車懸架系統(tǒng)，賽車采用當(dāng)今廣泛應(yīng)用于方程式賽車的雙橫臂獨(dú)立懸架。獨(dú)立懸架有多種結(jié)構(gòu)形式，如雙橫臂式、燭式、麥弗遜式等。其中，不等長雙橫臂式獨(dú)立戶懸架的設(shè)計(jì)自由度大，懸架控制臂的長度可自行設(shè)定，有較小的非簧載質(zhì)量。

5.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的確定，賽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向拉桿橫置，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為齒輪齒條。由于在連接轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橫拉桿以及齒條機(jī)構(gòu)的過程中必然存在微小的間隙，因此在轉(zhuǎn)向梯形后置的狀態(tài)下，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，來自轉(zhuǎn)向輪的力將會影響整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這將對其操控性產(chǎn)生一定不良的影響。

5.3賽車制動的規(guī)劃

機(jī)械摩擦式制動系統(tǒng)是目前汽車廣泛采用的，是利用摩擦旋轉(zhuǎn)元件來使汽車動能衰減，生活中常見的機(jī)械摩擦式制動元件有鼓式和盤式。根據(jù)大學(xué)生方程式賽車賽事規(guī)則，賽車配備的制動系統(tǒng)必須有2套獨(dú)立的液壓回路，以防系統(tǒng)泄露或失效時(shí)，至少在兩輪上保持有效的制動力。而盤式制動器的優(yōu)點(diǎn)就是更穩(wěn)定的制動系統(tǒng)，更好的水穩(wěn)定系統(tǒng)，更好的散熱系統(tǒng)，更方便的維護(hù)和保養(yǎng)。

6　小結(jié)

本FSAE設(shè)計(jì)，主要是對所學(xué)的汽車設(shè)計(jì)知識的總結(jié)。課題研究包括：電動機(jī)的選取，電動機(jī)外輪廓尺寸的確定；還有在選取后對汽車動力性的計(jì)算。而作圖環(huán)節(jié)更是鍛煉了設(shè)計(jì)者的動手實(shí)踐能力，學(xué)會使用CAD、UG等繪圖工具，并且了解了一些小的技巧。在設(shè)計(jì)賽車的過程中，需要查閱大量的資料才能完成。

參考文獻(xiàn)：

［1］周定陸，杜子學(xué).汽車總體布置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題［J］.汽車研究與開發(fā)，2001（2）：23-26.

中圖分類號：U469.696

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0100-02

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：黃愛維（1989-），男，碩士在讀，研究方向：汽車維修。

BasedontheAnalysisoftheDesignProcessoftheElectricFormulaRacingCar

Huang AiweiWang ChengmeiXu Jingyi
（Nantong Institute of Technology，Nantong Jiangsu 226002）

Abstract:FSAE racing project is developed by the Nantong Institute of technology automobile service engi?neering and vehicle engineering professional cooperation.This paper introduced the design of the method and its reference.In the analysis and design process,with the structural characteristics of the integrated electric vehicle,the transmission system of automobile,driving system,steering system,braking system were analyzed and arranged.

Keywords:FSAE racing；design；process analysis