FSAE大学生方程式赛车电动版设计说明书

摘 要以大学生方程式赛事为背景，参考广西工学院鹿山学院大学生方程式赛车作为基础，应用汽车理论和汽车设计等相关知识结合比赛规则，对赛车的基本尺寸、质量参数和赛车的性能参数进行选择，对赛车各总成进行选型和总布置，进行赛车蓄能系统、再生制动系统以及行驶系统、传动系统进行设计。根据同组同学确定的驱动系统，结合比赛需求计算出电池、电容容量和要求，选择电池、电容型号和组合形式，确定出外形尺寸和质量和安装位置。再为蓄能装置匹配出合适的充电系统。设计节能环保的再生制动系统,然后按照鹿山二号对纯电动方程式赛车的行驶系统、传动系统进行改动,最后再结合同组同学的参数，确定整车的设计参数。随着全球能源、环境问题的日益严峻，节能环保的纯电动车辆将会成为下一个时代的主流。关键词：大学生方程式赛车；总布置；磷酸铁锂电池；超级电容 广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）1AbstractStudents Formula One racing events as the background, refer to the Guangxi Institute of Technology the Kayama College Students Formula One racing as a basis for the automotive design and automotive theory and other related information as well as the FSAE competition rules，application of automotive theory and knowledge of automotive design , combined with the rules of the game , the basic dimensions of the car , quality parameters and performance parameters of the car selection , selection and general arrangement of the assembly of the car , the car energy storage system , regenerative braking system and driving system, transmission system design.According to the same group of students to determine the drive system , combined with the game needs to calculate the battery, capacitor , capacity and requirements , select the battery, capacitor model and the combination to determine the shape size and quality , and installation location . Match the charging system for the energy storage device . The regenerative braking system of the design of energy saving and environmental protection , and then follow the Lushan II Formula One racing for pure electric driving system , the transmission system to make changes , and finally combined with the parameters of the same group of students to determine the design parameters of the vehicle .Keywords: college students and Formula One racing ; general arrangement ; lithium iron phosphate batteries ; super capacitor广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）2目 录1 绪论 .51.1 大学生方程式赛事介绍 .51.2 大学生方程式的历史 .51.3 赛事意义 .61.4 国内外发展现状 .62 纯电动方程式赛车总布置设计 .72.1 赛车主要参数的选取 .72.1.1 纯电动方程式赛车机械部分参数的选取 .72.1.2 赛车性能参数的选取 .82.1.3 悬架主要参数（学院车队提供） .92.2 赛车驱动电机的选取 .92.2.1 电机类型的选择 .92.2.2 电机功率的选择 .102.3 赛车各总成选型原则和总布置 .112.3.1 悬架、轮胎的选择 .112.3.2 制动系统 .112.3.3 车架 .122.4 人机工程 .122.4.1 人体尺寸 .122.5 赛车的轴荷分配 .132.5.1 学院鹿山 2 号的轴荷分配 .132.5.2 纯电动方程式赛车相对后轴增加的质量分布的计算 .142.5.3 纯电动方程式赛车轴荷的分配 .143 储能装置的选择 .153.1 蓄能装置的容量计算 .153.1.1 赛车的续驶里程 .153.1.2 蓄能器容量的计算 .153.2 蓄能装置类型的选择 .153.2.1 高比能量蓄能装置 .153.2.2 高比功率储能设备的选择 .183.2.3 高比功率装置的计算 .183.2.4 超级电容的计算 .234 充电器的设计 .2541 锂离子电池充电方法 .254.1.1 常用的充电方法 10 .254.1.2 赛车充电放式的选取 .2642 赛车的充电要求 .264.2.1 赛车的充电要求 .264.2.2 充电器方框图 .264.2.3 充电器的分析 .275 再生制动 .305.1 赛车制动力矩的计算 .30广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）35.1.1 赛车制动力的要求 .305.1.2 赛车制动力的计算 .305.2 制动距离和制动减速度 .315.2.1 制动减速度计算 .315.2.2 制动距离计算 .315.3 制动效能的恒定性 .315.4 制动的稳定性 .325.5 前、后制动器制动力的比例关系 .325.5.1 求出 I 曲线 .325.5.2 具有固定比值的前、后制动器制动力分析 .335.6 赛车要求的最大制动力 .345.6.1 赛车最高车速下所具有的能量 .345.6.2 塞车的制动力要求 .345.6.3 赛车制动器制动力的选取 .355.6.4 赛车再生制动路线分析 .366 机械传动系统与行驶系 .386.1 机械传动系统 .386.2 行驶系 .386.2.1 车架 .386.2.2 车桥和车轮 .386.2.3 悬架 .39致 谢 .43参考文献 .44广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）41 绪论1.1 大学生方程式赛事介绍全球可利用能源逐渐减少、环境恶化的形式越来越严峻，人类需要一个更安全、低碳的能源体系及环境。世界各大汽车厂商相继投巨资开发新能源汽车，政府部门也相继出台相关政策鼓励开发新能源汽车 1。SAE 方程式系列赛事也很重视这一点加入了混合动力赛车的比赛。SAE 方程式系列赛事虽说没有纯电动方程式赛车的比赛，将来纯电动汽车技术在成熟一点的时候也一定会举办纯电动方程式赛车的比赛。目前国内外都还没有专门为纯电动方程式赛车而设置的专门赛事，因此本次纯电动方程式赛车按照中国大学生方程式汽车大赛的规则来进行设计。中国大学生方程式汽车大赛，英文名称：Formula SAE-China 简称：FSAE。中国大学生方程式汽车是中国汽车工程学会及其会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项新赛事。目的是培养学生的设计制造能量、成本控制能力和团队沟通协作能量。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 2。FSAE 活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE 要求各参加队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的赛车，并且该车参加全部或部分赛事环节。在比赛过程中，参数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。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。参赛车队按照赛事规则和赛事制造标准，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。中国 FSAE 是一项非盈利的社会公益性事业，利在当代，功在未来。项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。社会各界对项目投入人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。1.2 大学生方程式的历史SAE 方程式系列赛源于 1978 年。第一次比赛于 1979 年在美国波斯顿举行，13支队伍中有 11 支完赛。当时的规则是制作一台 5 马力的木质赛车。SAE 方程式系列广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）5赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为了给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少 2。1.3 赛事意义大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的是要重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生适应企业需求，为企业提供适用人才的一个良好平台。通过比赛营造学术竞争的氛围，为各大高校间提供切磋的机会，间接的推动汽车学科建设的提升。大赛在提高和检验汽车行业院校的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才，增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的返工、绞尽脑汁的解决问题之后，参与者获得的不仅仅是焊接、定位、机加工技能，更有汽车工程师的基本素养和丰富的实践经验。FSAE 赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。1.4 国内外发展现状我国是汽车工业的大国家，但是目前还不是强国，对于 FSAE 来说我们更是落后于发达国家，我们对于 FSAE 的了解大多是从电视、网上、媒体上了解到的，除了在屏幕上看到赛车在飞驰的赛道上，几乎没有机会去现场体验下 FSAE 给我们带来的视觉的冲击和内心的震撼，除了在镜头里的赛车还是有很多学问我们不知道的，在国内能接触到 FSAE 的是很少的，世界的三大赛事分别是奥运会、世界杯、F1 赛车，随着我国在世界上地位的升高和综合国力的提升，奥运会的成功举办，上海国际赛车场赛道被国际汽联授予赛道最高级别认证的赛道，中国大学生方程式赛车的举办，中国的 FSAE 会逐渐的与国际接轨，并得到快速的发展。国外的 FSAE 技术已经有很大的发展，并且国外大学里的 FSAE 也已经相对成熟，很多的工科学校非常重视这个比赛，他们拥有自己的车队并且得到企业与社会的大力支持和认可。在国外有很多人从事赛车的设计、制造和研究工作，这已经慢慢的成为了一项产业。广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）62 纯电动方程式赛车总布置设计赛车的总布置设计中，在研究了赛车规则、明确了主要尺寸、质量参数、成本控制和性能要求之后，就对相应的部件进行空间布置，并使其达到最佳的组合。2.1 赛车主要参数的选取2.1.1 纯电动方程式赛车机械部分参数的选取根据学校去年参加全国方程式比赛的鹿山二号为样车，对样车进行测绘得到以下参数:表 2-1 样车参数整车参数 数值 单位 整车参数 数值 单位车架长度 2150 mm 前轮外倾角 -0.5 车架宽度 640 mm 前轮主销内倾角2 车架高度 1050 mm 主销后倾角 5 轴距 1530 mm 车前轮前束 -0.3 前轮距 1200 mm 刹车盘质量 2 kg后轮距 1180 mm 主销长度 240 mm整备质量 320 kg 轴荷分配 47/53最小离地间隙 35 mm 车轮半径 260 mm车架重量 30 kg 车轮质量 3 kg（1）轴距的选择根据方程式赛车规则要求：赛车的轴距必须至少为 1525 mm（60 英寸） 。轴距是指在车轮指向正前方时同侧两车轮的接地面中心点之间的距离。为了减轻整车质量，减小赛车的转弯半径，降低成本，但是减小了赛车的可用空间，因此学院车队综合考虑选取 1530mm，纯电动车也采用 1530mm。（2）轮距的选择方程式赛车规则要求：赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的 75%。轮距的选择，对整车的质量、转弯半径、稳定性和整车布置空间都有很大的影响，轮距越大赛车悬架横向刚度将增大，赛车在转向是的稳定性将会提高，整车的布置空间将会增大，但是转弯半径将会增大。考虑到轮胎、转向系、前悬架的布置和转向轮的摆动防止运动干涉等，综合考虑多种因素赛车前轮距为 1200mm，后轮距为 1180。 广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）7(3)整备质量 方程式赛车为了拥有良好的加速性能、燃油经济性等必须减小赛车的整备质量。故要降低各种零部件总成的质量，纯电动方程式赛车要求质量更轻，本次方程式赛车是在学院现有的鹿山 2 号为样车设计的。2011 年鹿山学院 FSAE 赛车鹿山 2 号的车重（不含车手，燃油）为 210kg，其中发动机和变速器重量为 49kg（学院车队提供参数） ，后桥和减速器转动机构为15kg（经过对赛车备件秤重） ，电池为 3kg（经过对赛车电池秤重） ，油箱为 2kg（学院车队提供参数） ，刹车系统 2kg2=4kg（经过对赛车备件秤重）纯电动方程式赛车可以用改进使用原车的行驶系统、转向系统、车身等。纯电动方程式赛车的重量 m：改进使用原车的行驶系统、转向系统、车身为137kg；驱动电机系统 17kg2=34kg （估算重量） ；能源装置 28kg+5kg=33kg（估算重量） ；车手 68kg（FSAE 规则要求） ；车载充电系统和控制系统、电缆及其附件为15kg（估算重量）纯电动方程式赛车的整备质量m=133kg+34kg+4kg+36kg+68kg+15kg=287kg。2.1.2 赛车性能参数的选取（1）赛车的迎风面积的测绘图 2-1 FSAE 赛车迎风面积示意图通过对学院鹿山 2 号赛车进行测绘，得到上面示意图.广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）8经过计算得迎风面积 A=0.7626 2m。（2）赛车的最高车速设定在之前做方案论证和收集阅读了相关的资料，由于上海卡丁车赛车直线距离较短，若设计车速太高根本达不到其最高车速，为了保证赛车有很好的加速和操纵稳定性设定最高车速为 117km/h。（3）赛车最小转弯半径赛车最小转弯半径可以改善赛车的操纵稳定性和通过性，纯电动方程式赛车将参照学院赛车选取 3m。2.1.3 悬架主要参数（学院车队提供）表 2-2 悬架参数悬架参数 数值 单位 悬架参数 数值 单位前悬偏频 2.5 Hz 主销后倾角 5 度后悬偏频 2.4 Hz 前轮前束 -0.3 度前轮外倾 -0.5 度 前侧倾中心 15前轮主销内倾角 2 度 后侧倾中心 30纯电动方程式赛车将参照学院鹿山 2 号的悬架设计。偏频决定了悬架的软硬，由于赛车在制动时，前悬架承受的力比后悬架的大很多等因素考虑前悬偏频为 2.5Hz后悬偏频 2.4。2.2 赛车驱动电机的选取2.2.1 电机类型的选择纯电动方程式赛车采用轮毂电机驱动，后面两个车轮每个轮装一个轮毂电机，不需要传动机构和差速齿轮，可以按所需动力来分配两个电机的功率和转速，因此整个系统的效率得以提高并且节约了空间使车身设计更加多变灵活。在控制方面，轮毂电机驱动的汽车可以采用电子控制直接对驱动轮制动，同时可以结合机械制动，而且能实现制动能量回收等 3。采用轮毂电机设计减轻车辆的簧载质量，将原来的机械传动改成了软连接，有利于赛车的整布置。轮毂驱动的多轮分布式电动汽车是由两个、四个或多个电机分别安装在车轮内部,直接驱动车轮前进。与集中电机驱动相比,采用分布式驱动结构,可以省去复杂笨重的变速箱、传动轴以及差速器等传动系统,显著降低整车质量且分布更加