大学生方程式赛车(总体设计)-吕许慧

河河 南南 科科 技技 大大 学学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题目题目 大学生方程式赛车设计（总体设计）大学生方程式赛车设计（总体设计） 姓姓 名名 吕许慧吕许慧 院院 系系 车辆与动力工程学院车辆与动力工程学院 专专 业业 车辆工程车辆工程 指导教师指导教师 牛毅牛毅 2011 年年 6 月月 2 日日 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 1 大学生方程式赛车设计（总体设计）大学生方程式赛车设计（总体设计） 摘 要 本次毕业设计为期二个多月，进行了方程式赛车的总体设计。在设计中，主 要运用了对比分析的方法，各项参数通过优化设计和 UG、MATLAB 等进行优化。 初期阶段，我们根据2011年大学生方程式汽车大赛规则确定了赛车整体布置 方案，并进行论证与分析，初步确定赛车主要参数。通过计算与对比，确定发动 机型号，初选传动系最大传动比、最小传动比。 中期阶段，我们设计中使用 UG6.0三维软件对各个零部件总成进行建模和整 体装配，并进行悬架、转向的运动干涉分析。利用发动机动力特性曲线特点，用 MATLAB 软件绘制出赛车驱动力-行驶阻力平衡图、加速度曲线图等，并详细计算 赛车燃油经济性。 最后阶段，利用 UG7.5进行导出赛车总体布置二维工程图，并制成总体参数 表，并将第一代赛车与第二代赛车进行对比分析。对于考虑到的实际生产中可能 发生变化的悬架、车架和转向部件，预留方案。 通过本次毕业设计，了解和掌握了对汽车进行总体设计的步骤和方法，巩固 了本专业的所学的专业知识，增强了搜集资料、整合资料的能力，这些将为我毕 业以后从事汽车设计工作打下良好的基础。 关键词：FSAE，总体参数，参数确定，总布置、赛车动力性、燃油经济性 ABSTRACT For two months, My graduation design is the overall design of the formula racing. 2 we used the contrast analysis method mainly in the design, through optimizing the parameters optimization design and optimization of UG MATLAB, etc. Initial stage, we according to 2011 auto contest rules determine college equation overall layout of the car, and the demonstration and analysis, the main parameter is determined primarily racing. Through calculation and comparison, sure engine type, primaries drivetrain maximum transmission ratio, minimum transmission. The intermediate stage, we design UG6.0 3d software used in various parts of assembly for modeling and whole assembly, and suspension, steering movement interference analysis. Use of engine power characteristic curve characteristic, MATLAB software mapped drive car driving forces - resistance balance figure, acceleration curve, and etc, and detailed calculation racing fuel economy. The final stages UG7.5 are derived by car, general layout, and two-dimensional engineering graphics overall parameter table, and made the first generation and the second generation racing cars are compared and analyzed. For considering the actual production of may change suspension, frame and steering parts, obligate scheme. Through the graduation design, I understand and master the overall design of car of the steps and method, the professional knowledge of professional knowledge, enhance the data collection and integration of information, these ability after my graduation will be engaged in car design lay a good foundation for the job. KEYKEY WORDS:WORDS: FSAE, general parameters, parameter identification, general arrangement,the car power, fuel economy 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 3 特殊符号特殊符号 ma 汽车总质量 kg V 最高车速km/h L 轴距 mm B1 前轮距 mm B2 后轮距 mm R 最小转弯半径mm hg 满载时质心高度mm hg 空载时质心高度mm D 轮胎直径mm B 轮胎宽度mm P 轮胎气压MP A 汽车迎风面积 F 滚动阻力系数 空气阻力系数 DC 驱动桥主减速比 oi 变速器传动比gi 汽车行驶使的空气阻力 wF 变速器挡传动比1gi 车轮与路面的附着力 F 汽车总质量 am 汽车行驶速度au 发动机最大功率 maxeP 发动机转矩eT 为克服滚动阻力所消耗的功率 fP 轮胎与路面的附着系数 传动系效率 t 是百公里油耗 sQ 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 I 目目 录录 第一章第一章 FSAE 赛车总体概况赛车总体概况1 1.1 FSAE 赛车起源 .1 1.2 FSAE 赛车现状 .2 1.2.1 国际赛车概况2 1.2.2 国内赛车概况2 1.2.3 我校赛车概况2 1.3 FSAE 赛车总体设计概述 .3 1.3.1 汽车设计的规律、决策与设计过程3 1.3.2 FSAE 赛车主要技术要求 .3 1.3.3 第二代赛车设计目标.4 1.3.4 FSAE 赛车项目意义 .5 第二章第二章 FSAE 赛车总体设计赛车总体设计7 2.1 总体设计目标.7 2.2 赛车目标参数的初步确定.8 2.2.1 发动机选择.9 2.2.2 轮胎的选择.10 2.2.3 传动系最小传动比的确定.11 2.2.4 传动系最大传动比的确定.11 2.3 赛车发动机选型.12 2.4 赛车主要设计参数的确定.13 2.4.1 尺寸参数.13 2.4.2 质量参数.14 2.4.3 性能参数.15 2.5 赛车各系统设计.17 2.5.1 悬架系统设计.18 2.5.2 转向系统设计.19 2.5.3 制动系统设计.19 II 2.5.4 电器系统设计.21 2.5.5 车身设计.23 2.5.6 车架设计.23 第三章第三章 赛车动力性与燃油经济性赛车动力性与燃油经济性.25 3.1 汽车的动力性.25 3.1.1 动力性的评价指标.25 3.1.2 驱动力行驶阻力图25 3.1.3 汽车的加速能力.28 3.1.4 动力特性图.29 3.1.5 功率平衡.31 3.2 燃油经济性.32 第四章第四章 赛车总体布置赛车总体布置.34 4.1 整车布置的基准线（面）-零线的确定.34 4.2 各部件的布置34 4.3 总体设计参数表37 第五章第五章 结论结论.39 参考文献参考文献.40 致致 谢谢.42 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 1 第一章第一章 FSAE 赛车总体概况赛车总体概况 Formula SAE 赛事1980年在美国举办第一次比赛以来，现在已经成为汽车工 程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能 方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。 出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车， 该原行车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于25,000 美 元。这项竞赛包含有3 个最主要的基本元素，分别是：工程设计、成本控制以及 静态评估、单独的动态性能测试、高性能的耐久性测试。 Formula SAE 赛事的主要参与者通常都是来自高校的学生组成的车队。现在 在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办Formula SAE 比赛。Formula SAE 向年轻 的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整 个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、 部件以及制造和测试。 1.1 FSAE 赛车起源 第一届SAE Mini Baja 比赛于1976 年举办，并且迅速成为一个地区性的年 度比赛。比赛由三个评判标准组成，即一天的静态比赛设计、成本、陈述 接着一天是各自的性能竞赛2项目。Mini Baja 比赛重点强调了底盘的设计， 因为每个队伍都使用一个8 匹马力的引擎，这一点无法改变。在过去的20 多年 里，SAE Mini Baja 的成功超乎了每个人的预期。 在SAE Mini Baja 的成功获得各界认同的同时，SAE 联合美国三大汽车公司 开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛，这就是Formula SAE。FormulaSAE 相比SAE Mini Baja 有着许多进步和发展，引擎的限制也已经 大大放宽，允许参赛车队使用610cc 以下的发动机，这极大地提升了赛车的性能 表现。 2 在发达国家，很多高校已经从事Formula SAE 超过20 年时间，拥有大量资 金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最高时速可达到 甚至超过200km/h，0 到100km/h 加速时间一般都在4.5s 以内。 从原先在SAE Mini Baja 比赛中的8hp 发动机到现今Formula SAE 中已经超 过100hp 的大功率发动机，Formula SAE 在多方面都取得了惊人的成绩，并且该 项比赛一直保持了发展的态势。 1.2 FSAE 赛车现状 1.2.1 国际赛车概况 从 2010 年开始，大学生 SAE 方程式赛车比赛在美国、英国、澳洲、日本、 意大利、德国、巴西、叙利亚等国家，不但深受汽车行业者瞩目，而且广受工程 学生的欢迎。在美国每年吸引将近 140 支来自世界各地的队伍参加比赛；日本 2006 年前才开始举办，马上风靡了 50 余所大学参与；在欧洲也有 70 队以上的学 校每年相互竞技。全世界已有数百队大学生车队，每年打造一辆新车互较高下。 1.2.2 国内赛车概况 国内湖南大学、厦门理工大学、同济大学、上海交通大学等高校最早涉足 FSAE 比赛，其中，湖南大学获得 2007 年 美国 FSAE 西部赛最佳新秀奖、 2008 年美国 FSAE 西部赛布鲁尔开佳尔静音奖；厦门理工学院获得 2009 年美国赛 “燃油经济性”和“新秀奖”两个单项亚军。 2010 年，中国上海举办中国第一届中国大学生方程式汽车大赛，国内清华大 学、湖南大学、同济大学等纷纷投入 FSAE 赛车设计，掀起中国 FSAE 新的时代。 1.2.3 我校赛车概况 2010年，第一届中国大学生方程式汽车大赛（Formula SAE China简称FSC） 与上海举办。此次大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，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，精心打造的一项全新赛事。 我校与湖南大学、同济大学、吉林大学、清华大学等 20 所高校作为中国第 一届参赛院校于上海国际赛车场经行了 4 天激烈的比赛，开创中国 FSAE 的纪元。 我校河洛风赛车队在学校、学院的大力支持、指导老师不辞劳苦的指导以及 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 3 河洛风队员的努力下，历时 6 个月，最终打造出河南省第一辆大学生方程式赛车。 在第一届大学生方程式汽车大赛中，河洛风 16 号赛车凭借绚丽的车身外观以及 优异的综合性能取得绿色环保大奖、最佳外观设计奖、最佳安全性大奖、最佳赛 场表现奖、年度综合奖、最佳车队网站奖、最佳车队新闻宣传奖等七项大奖。 本课题就是在第一代赛车的基础上，设计出更加优异的第二代赛车，来参加 第二届中国大学生方程式汽车大赛。 1.3 FSAE 赛车总体设计概述 1.3.1 汽车设计的规律、决策与设计过程 汽车设计尤其是对赛车的设计，是根据赛车的使用要求而提出的整车参数与 性能指标进行计算的，显然，那只能从宏观入手，即从整车的总体设计开始，然 后通过总体设计的分析与计算，将整车参数和性能指标分解为有关总成的参数和 功能后，再进行总成和部件设计，进而进行零件甚至某一更细微的局部设计与研 究。 汽车设计过程一般分为：1） 调查与初始决策；2） 总体方案设计；3） 绘 制总布置草图；4） 车身造型设计及绘制车身布置图；5） 编写设计任务书 ； 6） 汽车的总布置设计；7） 总成设计；8） 试制、试验、定型。 1.3.2 FSAE 赛车主要技术要求 A 赛车式样 赛车必须车轮外露和座舱敞开（方程式赛车式样） ，并且四个车轮不能在一 条直线上。 B 车身 除了驾驶舱必须开口以外，从赛车最前端到主防滚架（或者防火墙）的这段 空间里，不允许车身有其他的开口。允许在前悬架的零件处有微小的开口。 C 轴距 赛车的轴距必须至少为1525mm（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。 D 轮距 赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。 4 E 可视性 技术检查表格上的所有条目必须在不借助工具（比如内窥镜或是镜子）的情 况下清楚地呈现给技术检查官。呈示时可以通过拆卸或移动车身板件来实现。 1.3.3 第二代赛车设计目标 本次赛车（第二代赛车）设计与第一代赛车设计将从三个方面入手： 首先，降低整车质量。 1.减小整车尺寸。在总体布置设计上保证整车结构的紧凑性。 2.优化各个系统部件。使用计算机有限元等分析方法对各个零部件经行优化， 达到在保证强度、刚度的同时减轻其质量。 3.使用高强度轻质合金材料或者碳纤维等。 其次，提高赛车整体性能。 1.悬架系统。 （1）充分利用阻尼可调性减震器、前后横向稳定杆等元件使整 车发挥最大的振动衰减能力及其制动或加速时车身的稳定性等，减少车身纵倾； （2）充分发挥不等长双横臂独立悬架的可调性，保证能够迅速、快捷地调节轮 距、主销内倾角等定位参数；（3）在设计的同时要充分考虑到在实际加工、制 造、安装过程中出现的定位、夹具等工艺因素。 2.转向系统。 （1）在保证座舱空间的前提下，合理地选择转向方案，合理布 置转向梯形；（2）在没有各种助力机构的前提下，提高其操纵轻便性；（3）转 向器与转向机构的球头处有消除因摩擦而产生间隙的调节机构；（4）进行运动 校核（主要是与悬架机构）检查运动干涉情况。 3.制动系统。 （1）在浮动钳盘式制动器基础上进一步优化，提高制动效能、 工作可靠性等；（2）优化制动器各零部件，如制动盘大小、厚度，双制动泵大 小的选择，管路布置等。 4.传动系统。 （1）选择适当的主减速比，以保证汽车在给定条件下具有最佳 的动力性和燃油经济性；（2）驱动桥桥壳尺寸要小，质量要轻，同时留好足够 的离地间隙，以满足通过性要求；（3）提高传动系在各种载荷、转速工况下的 传动效率；（4）保证传动件工作平稳，噪音小；（5）结构简单，加工工艺性好， 制造容易，维修调整方便。 5.车身造型。 （1）保证空气动力学要求的前提下，使赛车更加美观，侧翼要 考虑赛车的冷却系统；（2）车身造型与实际加工出现的各种工艺问题等解决 ， 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 5 如模具的制造、车身渲染的色调与实际能加工出来的效果的区别。 6.发动机系统。发动机悬置形式、进气系统、排气系统、冷却系统、电路系 统的合理布置和创新设计。 最后，严格按比赛规则要求来设计与检查。 1.设计方面。所有设计均要在满足规则条件下进行，在过程中不断比对规则。 2.技术检查。用静态技术检测标准反馈到赛车设计中，如油、水泄漏问题， 主要体现在制动、冷却等系统，连接件要使用各种标准件，如尽量不用扎带等。 1.3.4 FSAE 赛车项目意义 目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产 业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础 保障之一。 大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要 有：一是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；二是通过活 动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛 在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，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、令人抓狂的一次次 返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA UG ANSYS以及 焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。与此同 时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE 赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。 6 第二章第二章 FSAE 赛车总体设计赛车总体设计 2.1 总体设计目标 总体设计目的是制造一辆安全可靠、各方面性能均衡、有良好驾驶特性、调 整方便并且足够快的赛车。 可靠性可以确保测试阶段的顺利进行，同时可以保证完成在竞赛中的所有比 赛项目。可调整的特性可以让赛车适应不同的驾驶环境和不同的驾驶员。一辆平 衡和驾驶特性良好的赛车会让车手更有信心，这能有效提高所有动态项目中最快 圈速，这对经验不足的新车手特别重要。赛车要让车手在任何行驶状态下都能有 清晰的路感，这可以使驾驶变得容易和高效。 整车布局为方程式赛车典型的开放式中置后驱布局。 其基本结构主要包含以下系统： （1）车架及车身 主要包括车辆的承载部分、防滚架和外壳以及蒙皮。主要部件包括：各种踏 板、变速杆（换档杆）及相关连接线、桁架、车身材料、车身附件、底板、定风 翼、各种安装基座、连接紧固件等。 （2）动力总成和传动系统 主要部件包括：发动机、离合器、变速箱、进/排气歧管、消音器、空气滤 清器、涡轮/机械泵增压器、化油器/节气门体、发动机座、机油滤清器、火花塞、 燃油喷射系统、燃油箱、燃油泵、燃油滤清器、燃油管路、散热器、冷却液管路、 散热器风扇、软管夹、机油冷却器、传动链/带、点火线圈/高压钱、驱动轴、差 速器基座、链轮/皮带轮、差速器轴承、差速器、万向节、保护罩、连接紧固件 等。 （3）悬架系统 主要部件包括：减震器、弹簧、悬架机械系统、拉/挺杆、杆端球头、前/ 后A 臂或同等结构、前/后支柱、直角杠杆/换向机构、连接紧固件等。 （4）制动系统 主要部件包括：制动管线、制动块、卡钳、液压缸/泵、制动盘、平衡杆、 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 7 比例阀、连接紧固件等。 （5）转向系统 主要部件包括：转向齿条/齿轮、转向节、主销、方向盘、转向横拉杆、方 向盘快速释放机构，连接紧固件等。 （6）车轮 主要部件包括：轮辋、带耳螺母、轮胎、气门嘴、车轮平衡块、轮毂轴承、 前/后轮毂、车轮安装螺栓、连接紧固件等。 （7）仪表、配线和附件 主要部件包括：转速表、ECM/发动机电子系统、车载计算机、束线/接口、 机油压力表、仪表板、熄火锁止开关、保险丝、刹车灯、启动机电磁开关、指示 灯、蓄电池、继电器、启动开关、水温表、连接紧固件等。 （8）其他 主要部件包括：座椅、车载灭火系统、安全带、车架/车身涂装、防火隔板、 后视镜、安全护罩、头枕/约束保护等。 2.2 赛车目标参数的初步确定 经过对第一代赛车分析及其在比赛中反馈的种种信息，初定第二代赛车主要 参数。具体参数如下 表 2-1 赛车主要参数初选 长宽高 外廓尺寸 2800mm1500mm1225mm 前轮距 B1 1280mm 轮距 后轮距 B2 1250mm 最高车速 150km/h 整备质量 240kg 轴距 1600mm 轴荷分配 45:55 离地间隙 50mm 8 2.2.1 发动机选择 1.发动机最大功率 emax P 根据做设计汽车应达到的最高车速（Km/h） ，用下式估算发动机最大功 amax U 率（发动机功率滚动阻力功率+空气阻力功率） （2-1）)U 76140 U 3600 ( 1 P amaxamaxemax ACfWDr t 式中：发动机最大功率（Kw)emaxP 传动系效率（变速器、传动轴、万向节、主减速器） ， t 84.9%96%98%95%95 t W汽车总重量（N)，初选 Ngma23528 . 9240W 滚动阻力系数，=0.012rfrf 最高车速，初选=150Km/h amax V amax V 空气阻力系数，赛车一般取 0.2-0.4，初选=0.35DCDC 汽车正面投影面积（） ，取前轮距 B1 总高 H，A 2 m 2 m68.5112251280A 得，kw38.030Pemax 分析：可能取值偏大，若取 0.25，则DCDCkw51.821Pemax 2.发动机最大转矩及其转速确定 用下式计算确定 （2-2） p eamx emax n P 9549T 式中，为最大转矩（） emax TmN 为转矩适应系数，标志着当行驶阻力增加到发动机外特性曲线自动增加 转矩的能力。初选=1.05。 为最大功率对应的转速，乘用车汽油机一般在 3000-7000r/min，作为 p n 赛车，最大功率转速远高于乘用车，初选=7000r/min。 p n 得mN25.043Temax 3.发动机适应性系数 发动机适应性系数，表示发动机转速适应行驶工况的程度，值 T p n n 越大，说明发动机的转速适应性越好。 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 9 采用值大的发动机可以减少换挡次数，减轻赛车手疲劳，减少传动系的 磨损和降低油耗。 通常，汽油机取 1.21.4，柴油机取 1.22.6。 2.2.2 轮胎的选择 1.轮胎的作用与影响 轮胎与车轮用来支撑汽车，承受汽车重力，在车桥（轴）与地面之间传力， 驾驶人员经操纵转向轮可实现对汽车运动方向的控制。 轮胎与车轮对汽车的许多重要性能，包括动力性、经济性、通过性、操纵 稳定性、制动性及行驶安全性和汽车的承载能力都有影响。因此，选择轮胎是 很重要的工作。 2.赛车轮胎与民用车轮胎区别 民用车的车胎讲究的是耐用性和可以全天候使用，不管冬天还是夏天，刮风 还是下雨都可以正常使用，而且寿命非常长，可达3万公里或者更长。而赛车的 轮胎，往往只能在特定的条件下使用，轮胎的温度对摩擦力影响非常大，下雨天 有下雨天专用的轮胎，干地有干地专用轮胎，而这些轮胎的寿命一般都只有几十 公里到几百公里。赛车轮胎的橡胶会在达到工作温度的时候变成半融化状态，摩 擦系数可以达到1.4，就像轮子上涂了胶水一样把车粘在地上，不容易出现打滑， 刹车距离也比民用轮胎短非常多。由此才可以将赛车的性能发挥到极致。而民用 轮胎的摩擦系数通常都在1.0以下，如果装在赛车上使用，不仅重量非常重，而 且极易出现打滑的现象，对赛车来说将是一种灾难。 3.轮胎的选用 国外的 FSAE 基本上都使用以下几个公司的轮胎：Hoosier，Goodyear 和 Michelin（日本车队大多使用 Bridgestone，但在欧美比赛中非常少见） ，这些轮 胎均为小尺寸的低温光头热熔胎（雨胎有花纹） 。 当比赛中遇到下雨的天气时，车队会换上雨胎，雨胎的质地非常软，可以在 低温下仍然产生高摩擦力并且很好地排水，但是在干燥的路面上极易磨损，而且 抓地力非常小。轮胎的更换在任何赛车中都是看点，FSAE 也同样如此。所以各车 队不仅应该选择一套好的干胎，同样需要选择一套好的雨胎。在平时的测试中也 应该多收集一些数据，以便在比赛发生天气突变的情况下仍然使赛车性能最佳化。 10 轮胎初定锦湖雨胎，型号为 180/530 R13,半径260.5mm。R 轮辋初定为万丰奥威 F3 13x8 铝合金轮辋。 2.2.3 传动系最小传动比的确定 初选传动比 （2-3） gh pr 0 Uamax nr 72.4077.30 i i）（ 设五挡为直接挡，则=1，则传动系的最小传动比等于主减速比。 5g i0 i 式中，为驱动轮的滚动半径，； r r.5mm260Rrr 为变速器最高档传动比，=1.0； hg i hg i 为发动机最大功率对应转速，=13000rpm； p n p n 得，=（8.5110.66） ，但是与实际不是很符合，我们根据去年经验，我0 i 们初选=2.6。0 i 2.2.4 传动系最大传动比的确定 传动系最大传动比为变速器 I 挡传动比与主减速比的乘积。 1g i0 i 根据汽车行驶方程式 （2-4） dt du mGiu AC Gf r iiT a D Tg 20emax 15.21 即 （2-5） jiwft FFFFF （驱动力=滚动阻力+空气阻力+坡度阻力+加速阻力） t F f F w F i F j F （1）汽车爬坡时车速不高，空气阻力与加速阻力可忽略，最大驱动力用来克服 轮胎与地面的滚动阻力与坡度阻力。 故 （2-6） sin cos 0emax GGf r iiT Tg 式中：G作用在汽车上的重力，汽车质量，重力加速度，mgG mg =2352N；mgG 发动机最大转矩，=65.954N.m； maxe T maxe T 主减速器传动比，=9； 0 i 0 i 传动系效率。对于双曲面主减速器，当6 时，取=90%， T 0 i 0 i 6 时，=85%。本赛车初选 9.0，故=85%。所以 1g i 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 11 =85%96%=81.6%； T T 车轮半径， =0.2605m；rr 滚动阻力系数，良好沥青或混凝土路面，取 0.01-0.018，初选ff =0.015；f 爬坡度。赛车主要行驶于平直路面，对爬坡能力几乎没有要求， 但是考虑到赛场条件与平时实际训练，初选=16.7。 所以=0.387 Ttq g iT fGr i 0 1 sincos （2）根据驱动车轮与路面附着条件 （2-7） r iiT Tg 01emax z2 F 式中， 为道路附着系数，在沥青混凝土干路面，=0.70.8，取 =0.8 =1.01 1g i %.681.0954.965 .80605.202352 与实际情况向结合，我们选变速器=3.5。 1g i 2.3 赛车发动机选型 第一代赛车采用大赛组委会提供的 CF188 发动机，但其重量大，转速相对 低等不足，对于第二代赛车，决定在符合大赛规则的前提下选用大功率发动机， 经过一番对比和选择，我们最终选择 CBR600 发动机，是一款本田公路赛摩托车 发动机，主要参数如下： 表 2-2 CF188 和 CBR600 发动机主要参数对比 CBR600 发动机与 CF188 发动机相比，具有高转速、大功率、大扭矩的特点， 将为第二代赛车提供更加强大的动力输出，同时，电喷的应用将使赛车在拥有强 CF188CBR600 型式单缸，四冲程，化油器四缸，四冲程，电喷 排量 493cc599cc 压缩比 10.2:112.0:1 最大净功率 24kw/6500rpm86kw/13000rpm 最大扭矩 38.8/5500rpm mN 65.954/11000rpm mN 12 大动力的同时，还将具有良好的燃油经济性。 2.4 赛车主要设计参数的确定 2.4.1 尺寸参数 汽车的主要尺寸参数包括外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬等。 1.外廓尺寸 汽车的长、宽、高称为汽车的外廓尺寸。对于赛车而言，赛车长度尺寸小 些，赛车的整备质量相应减少，这对提高比功率、比转矩和燃油经济性有利。 总长等于轴距、前悬和后悬之和。它与轴距有下述关系：=L/C， a LL F L R L a L 式中 C 为比例系数，其值在 0.52-0.66 之间，发动机后置后轮驱动汽车的 C 值 约为 0.52-0.56。 赛车宽度由赛车手与车身造型决定，同时也应保证布置下发动机、车架、悬 架、转向系和车轮等。乘用车总宽 Ba 与车辆总长之间有下述近似关系： a L Ba=(La/3)+(19560)mm，对于赛车而言具有参考意义。 影响赛车总高的因素有轴间底部离地高、地板及下步零件高和主环 m H m h p h 高度 h 等。 2.轴距 L 轴距 L 对整备质量、汽车总长、汽车最小转弯半径、传动轴长度、纵向通过 半径等有影响。当轴距短时，上述指标减小。此外，轴距还对轴荷分配、传动轴 夹角有影响。轴距过短时车厢长度不足或后悬过长：上坡或制动时轴荷转移过大 使制动性和操纵稳定性变坏；纵向角振动增大平顺性下降；传动轴夹角增大。 对于赛车而言，赛车更强调机动性，因此轴距应适当的取短一些。2011 年大 赛规则规定赛车轴距不得小于 1525mm。 3.前轮距 B1和后轮距 B2 改变汽车轮距 B 会影响赛车总宽、总质量、侧倾刚度、侧倾刚度、最小转弯 直径等因素发生变化。增加伦军则赛车宽度随之增加，并有利于增加侧倾刚度， 汽车横向稳定性好；但是汽车的总宽和总质量及最小转弯直径等增加，并导致汽 车的比功率、比转矩指标下降，机动性变坏。 乘用车总宽不得超过 2.5 米，轮距不宜过大。在选定的后轮距 B1范围内，应 能布置下发动机、悬架和轮胎；前轮距要保证有足够的转向空间，同时转向杆系 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 13 与车架、车轮之间有足够的运动间隙。 3.前悬 LF和后悬 LR 前悬尺寸 LF对汽车通过性、碰撞安全性、驾驶员视野及其汽车造型等均有影 响。增加前悬尺寸，减小了汽车的接近角，使通过性减低，并使赛车手视野变坏。 后悬尺寸 LR同样影响汽车通过性，并取决于轴距和轴荷分配的要求。 4.尺寸参数的初步确定 经过计算与分析，尺寸参数初定如表 2-1： 表 2-1 尺寸参数初定 长宽 高 外廓尺寸 2800mm1500mm1225mm 轴距 1600mm 前轮距 B1 1280mm 轮距 后轮距 B2 1250mm 前悬 LF 639.5mm 后悬 LR 260.5mm 2.4.2 质量参数 汽车的质量参数包括整车整备质量 m0、载质量、质量系数、汽车总质 0 m 量 ma、轴荷分配等。 1.整车整备质量 m0 整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎等） ，加满燃料、 水，但没有装货和载人时的整车质量。整车整备质量对汽车的制造成本和燃油经 济性有影响。 整车整备质量在设计阶段需估算确定。在日常工作中，搜集大量同类型汽车 各总成、部件和整车的有关质量数据，结合目标车辆设计的特点、工艺水平等初 步估算各总成、部件的质量，再累计构成整车整备质量。 2.载质量 对于赛车而言，载质量主要指的是赛车手质量及其车手装备质量。载质量越 轻，赛车总质量相对越轻。 根据目前已购的赛手装备，如赛手服、手套、头盔、赛手鞋等，共计 5kg， 因此，同等驾驶水平下，赛车手质量越轻，就越能发挥出赛车的优良性能。 14 3.质量系数 0 m 质量系数是指汽车载质量与整车整备质量的比值，即=me/m0.该系数 0 m 0 m 反映了汽车的设计水平和工艺水平，值越大，说明该汽车的结构和制造工艺 0 m 越先进。 4.汽车总质量 ma 汽车总质量 ma是指装备齐全，并按规定装满客、货时的整车质量。对于第 二代赛车而言，赛车的总质量 ma等于整备质量 m0、载质量 me两大部分组成，即 ma=m0+me。 5.轴荷分配 汽车的轴荷分配是指汽车正在空载或满载静止状态下，各车轴对支撑平面的 垂直载荷，也可以用占空载或满载总质量的百分比来表示。 轴荷分配对轮胎寿命和汽车的许多使用性能如牵引性、通过性、操纵性、制 动性等有影响，它主要受汽车的驱动形式、发动机的位置、汽车结构特点、车头 形式和使用条件决定。 6.质量参数的初步确定 经过计算与分析，尺寸参数初定如表 2-2： 表 2-2 轴荷分配表 整车整备质量 240kg 装载质量 65kg 总质量 305kg 空载满载 轴荷分配 前86后154前154后161 2.4.3 性能参数 汽车的性能参数主要包括动力性参数、燃油经济性参数、汽车最小转弯半 径、通过性参数、操纵稳定性参数、制动性参数、舒适性。 1.动力性参数 汽车动力性参数主要包括最高车速、加速时间 t 和、最大爬坡度 amax U （对于赛车可以不考虑） 、比功率和比转矩等。 max i b P b T （1）最高车速 amax U 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 15 最高车速是指汽车满载是在水平良好的路面（混凝土或沥青）所能达到 amax U 的最高行驶速度。 （2）加速时间 t 汽车在平直的良好路面上，从原地起步开始以最大加速度加速到一定车速所 用的时间，称为加速时间。对于最高车速大于 100km/h 的汽车，加速时间 amax U 常用加速到 100km/h 所需的时间来评价。 在比赛中，赛车的加速能力将直接决定动态项目直线加速项目（赛车从静止 加速通过一段 75 米得平直路面）的成绩。 2.燃油经济性参数 汽车的燃油经济性用汽车在水平的水泥或沥青路面上，以经济车速或多工况 满载行驶百公里的燃油消耗量（L/100km）来评价。该值越小，燃油经济性越好。 3.汽车最小转弯半径 转向盘转至极限位置时，汽车前外转向轮轮辙中心在支撑平面上的轨迹圆的 直径，称为汽车最小转弯直径。用来描述汽车转向机动性，是汽车转向 min D min D 能力和转向安全性能的一项重要指标。 对于赛车而言，影响汽车的因素有汽车转向轮最大转角、汽车轴距、轮 min D 距等。转向轮最大转角越大，轴距越短，轮距越小，汽车的最小转弯半径越小。 对机动性要求高的汽车，应取小些。 min D 4.通过性几何参数 总体设计要确定的通过性几何参数有：最小离地间隙，接近角，离去 min h 1 角，纵向通过半径等。 2 1 5.操纵稳定性参数 汽车操纵稳定性的评价参数较多，与总体设计有关并能作为设计指标的有： （1）转向特性参数 为了保证良好的操纵稳定性，汽车应具有一定程度的 转向不足。通常用汽车以 0.4的向心加速度沿定圆转向时，前、后轮侧偏角之差 作为评价参数，此参数在 13为宜。 21- （2）车身侧倾角 汽车以 0.4的向心加速度沿定圆等速行驶时，车身侧倾 角控制在 3以内较好，最大不允许超过 7。 （3）制动前俯角 为了不影响乘坐舒适性，要求汽车以 0.4g 的减速度制动 时，车身前俯角不大于 1.5。 16 6.制动性参数 汽车制动性是指汽车在制动时，能尽可能短的距离内保持方向稳定，下长坡 时能维持较低的安全车速并在一定坡度上长期驻车的能力。目前常用制动距离、 平均制动减速度和行车制动的踏板力及应急制动时的操纵力来评价制动效能。 7.性能参数的初步确定 经过计算与分析，尺寸参数初定如表 2-3、表 2-4 表 2-5 表 2-6： 表 2-3 动力性参数 最高时速加速时间（100m）比功率比转矩 140km/h11s24kw38.8N/M 表 2-4 通过性几何参数 最小离地间隙接近角离去角 403.1790 表 2-5 操纵特性参数 转向特性参数车身侧倾角制动前俯角 1.35度3度1.3度 表 2-6 制动性参数 制动距离 St平均制动减速度 j 行车制动的踏板 力 应急制动操纵力 60m3.5s9.8m/s2600N 2.5 赛车各系统设计 FSAE 赛车区别于民用车，和专业的 F1、F3 等专业赛车也是有一定区别，它 具有自己独特的技术特点，故而吸引无数大学疯狂的投入 FSAE 赛车的设计。由 于我国 FSAE 赛车设计起步较晚，从 2010 年开始以第一届中国大学生方程式汽 车大赛为契机，国内高校纷纷投入这项赛事。 我校第二代赛车采用国内外 FSAE 普遍应用的发动机中置后驱的布置方式， 各个系统设计如表 2-7： 表 2-7 第二代赛车各系统设计 发动机型号CBR600，四缸，四冲程，电喷 车辆与动力工程学院毕业设计说明书车辆与动力工程学院毕业设计说明书 17 排量599cc 最大功率 86kw/13000rpm 最大扭矩 65.954N.m/11000rpm 车架33kg，4130 钢，钢管桁架式 悬架不等长双横臂独立悬架 转向齿轮齿条转向机 制动串联双腔制动总泵控制的型双回路液压盘式制动 轮胎轮辋轮胎：锦湖 180/530 R13，轮辋：FM 138 车身玻璃纤维 2.5.1 悬架系统设计 悬架总成是汽车的一个重要组成部分，它的功用是把路面作用于车轮上的垂 直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架上，以保证 汽车的正常行驶。 悬架系统的设计是根据大学生方程式汽车大赛的比赛规则及赛车设计具体参 数要求，参考各种赛车悬架资料，分析各种悬架类型的优缺点，并最终确定适合 赛车运动的悬架形式-不等长双横臂式螺旋弹簧独立悬架。 1.FSAE赛车悬架系统 第二代赛车采用当今广泛应用于方程式赛车的双横臂独立悬架（double- wishbone） 。独立悬架有多种结构形式，如双横臂式，烛式，麦弗逊式等。基于 方程式赛车的特点选用双横臂式独立悬架，不等长双横臂式独立悬架的设计自由 度大，悬架控制臂的长度可自行设定，有较小的非簧载质量，可使赛车具有良好 的转弯性能、直线行驶性能。由于赛车采用较大的弹性刚度，双横臂悬架运动空 间不足的特点也不会造成很大影响。综合而论，这种装置基本性能优于其他形式 的悬架装置。 2.FSAE赛车悬架系统的特殊性 该系统采用将弹性元件内置于车身外壳中的形式，这样可以降低高速行驶中 的风阻，避免了避震弹簧上的横向力影响，减小了由于横向力而造成的车身振动， 并且减小了悬架运动部分的质量和转动惯量。将弹簧与阻尼元件隐藏在车身中， 利用推拉杆和摇臂盘的组合，达到外置式悬架同样的效果。真实比赛中，由于天 气、温度、赛道形式等因素，需要通过不同的悬架参数设定来确保赛车的表现， 通过独特的机构，可以方便地改变悬架参数，达到比赛需要。 18 2.5.2 转向系统设计 赛车转向系统是关系到赛车性能的主要系统，它是用来保持或者改变赛车行 驶方向的机构，在赛车行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。 1.转向系统方案的确定 第二代赛车的转向机构转向梯形前置，转向拉杆横置，转向机构为齿轮齿条。 由于在转向节臂、横拉杆以及齿条机构的连接必然存在微小的间隙，如果将 转向梯形后置将会带来的结果是在车辆入弯时由于整个转向系统将受到来自转向 轮的力，此作用力会压缩连接部件之间的间隙，导致稍微增加转向角度，造成微 小的转向过度感，不利于在弯中的操控性。同理，如果将整个转向梯形前置，被 压缩的间隙造成的效果刚好和转向梯形后置时相反，会导致转向角度的稍微减少， 造成微小的转向不足。转向不足对车手来说是一种稳定的可控工况。所以样车选 择了转向梯形前置的布置方案。 齿轮齿条转向机构结构简单，质量轻，成本低，工作可靠。非常符合 FormulaSAE 赛车的需要。 2.5.3 制动系统设计 使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车的速度保持稳定，以及使 已经停驶的汽车保持不动，这些作用统称为