机械毕业设计（论文）-大学生方程式纯电动赛车总体设计（全套图纸） .pdf

i 大学生方程式纯电动赛车（总体设计）大学生方程式纯电动赛车（总体设计） 摘摘 要要 本文详细介绍了本次设计的方法及指导思想，本次设计的内容是大学 生方程式纯电动赛车的设计。纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机 驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影 响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。随着计 算机和电子产品继续开放级骑，电动车技术已经成熟和完善，使驾驶变得 更安全，方便，灵活，舒适。现在，从普通消费者从很远的电动车，只有 在少数人匆忙它时髦。电力汽车可以真正传统燃料汽车在未来竞争的汽车 市场，最终会和智能汽车的电动汽车代替。这只是时间问题。 在设计过程中，我是从电动机和电池的选择入手，为了使汽车获的最 高行驶速度,经过计算选择了电机和电池。在选好电机和电池后，和设计燃 油汽车的底盘一样，并同时综合电动汽车的结构特点，对汽车的传动系统， 行驶系统，转向系统，制动系统进行一一分析和布置。在这为纯电动赛车 车设计底盘的过程中，要特别注意电动汽车与燃油汽车不同的地方。在我 所设计的这辆纯电动赛车上，它的传动系很简单，是电机直接和主减速器 用链传动直接连接，这样整个底盘的总布置也可以变的很自由。 ii 关键词：纯电动赛车，电机，电池，底盘总布置 iii abstract this paper introduces in detail the design methods and the guiding ideology, the content of this design is a college student equation of pure electric car design. pure electric car is powered by car power, with the motor driven wheel driving, conform to the requirements of road traffic and safety regulations of the vehicle. because of less environmental impact compared with the traditional cars, its prospect is widely, but the current technology is not mature. with the computer and electronic products continue to open- class ride, electric car technology has matured and improved, making driving safer, convenient, flexible and comfortable. now, the electric car from the ordinary consumer from very far, only a few people in a hurry fashionable it. electric cars can really traditional fuel vehicles to compete in the future automotive market will eventually be electric cars and smart cars are replaced. this is only a matter of time that day will come for. in the design process, first is to the selection of motor and battery, in order to make the car won the highest speeds, i chose the motor and battery after calculation. after chooses the electrical machinery and the battery, is same with the design fuel oil automobile chassis, and simultaneously synthesizes the electric automobile the unique feature, to the automobile transmission system, the travel system, the steering system, the braking system carries on analyses and the design. in the car chassis design process for electric vehicles, it is important to pay special attention to the different parts of the electric vehicles and fuel cars. the electric cars drive train i designed is very simple. motor and reducer connected directly with chain transmission, so the layout of the whole chassis is free. key words: electric car, electromotor, the battery, the chassis layout iv 目目 录录 第一章第一章 大学生方程式赛车介绍大学生方程式赛车介绍 1 1.1 fsae 赛车起源 1 1.2 fsae 赛车现状 2 1.2.1 赛车现状 . 2 1.2.2 我校赛车现状 . 2 第二章第二章 纯电动汽车纯电动汽车 3 2.1 纯电动汽车的发展 . 3 2.1.1 电动汽车电池发展 . 3 2.1.2 电动汽车行业发展 . 4 2.1.3 中国汽车驶入“无油”时代 4 2.2 汽车优点 . 5 2.3 发展现状 . 6 2.3.1 发达国家现状 . 6 2.3.2 中国现状 . 8 2.4 电动车的未来发展方向 . 8 2.5 大学生方程式纯电动赛车发展状况 10 第三章第三章 赛车总体设计赛车总体设计 .11 3.1 赛车总体设计概述 11 3.1.1 总体设计要求 11 3.1.2 总体设计目标 11 3.1.3 整车结构 . 12 3.1.4 总体设计进度概述 . 13 3.1.5 课题的意义 . 14 3.2 赛车总体设计的一般顺序 . 15 3.3 赛车各系统设计 . 17 3.3.1 悬架系统设计 . 17 3.3.2 转向系统设计 . 18 3.3.3 制动系统设计 . 18 v 3.3.4 车架设计 . 19 第四章第四章 赛车主要参数的初步确定赛车主要参数的初步确定 21 4.1 主要参数 . 21 4.1.1 主要技术参数 . 21 4.1.2 电动机的选择 . 21 4.1.3 电动车电池面临的主要问题 . 24 4.1.4 电动车电池的选择 25 4.1.5 轮胎的选择 . 26 4.2 赛车主要设计参数的确定 . 27 4.2.1 性能参数的计算 . 27 4.2.2 整车尺寸参数 . 28 4.3.3 主要技术参数 . 29 第五章第五章 赛车动力性分析赛车动力性分析 30 5.1 行驶稳定性计算 . 30 5.2 动力性计算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第六章第六章 赛车的底盘总布置赛车的底盘总布置 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.1 整车布置的基准的确定 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2 赛车布置 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 总总 结结 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致致 谢谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 第一章第一章 大学生方程式赛车介绍大学生方程式赛车介绍 1.1 fsae 赛车起源 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，该原型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。 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。 formula sae 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。 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。 2 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 赛车现状 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 我校赛车现状 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。 3 第二章第二章 纯电动汽车纯电动汽车 2.1 纯电动汽车的发展 纯电动汽车(blade electric vehicles ，简称 bev)，它是完全由可充电电 池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。 图 2- 1 纯电动汽车 2.1.1 电动汽车电池发展 电池是电动汽车发展的首要关键， 汽车动力电池难在 “低成本要求” 、“高 容量要求”及“高安全要求”等三个要求上。要想在较大范围内应用电动汽 车，要依靠先进的蓄电池经过 10 多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁 电池，锂离子和锂聚合物电池。氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一 倍，其它性能也都优于铅酸电池。但目前价格为铅酸电池的 4- 5 倍，正在大 力攻关让它降下来。铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成 本得到大幅度降低，也有厂家采用。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属， 锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的 3 倍，锂聚合物电池为 4 倍，而且锂 资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。我国在镍氢电池和锂离子 电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。电动汽车其他有关的技术，近 年都有巨大的进步，如：交流感应电机及其控制，稀土永磁无刷电机及其控 制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和 低风阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽车日见完善和走 向实用化。我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一， 我国已有 16 个城市被列入全球大气污染最严重的 20 个城市之中。我国现今 人均汽车是每 1000 人平均 10 辆汽车，但石油资源不足，每年已进口几千万 4 吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全球水平 每 1000 人有 110 辆汽车，我国汽车持有量将成 10 倍地增加，石油进口就成 为大问题。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意 义重大的、长远的战略考虑。 2.1.2 电动汽车行业发展 美国在今年第二季度在全世界范围内销售了 7931 台电动车， 这一数字领 先于其他所有市场，销量同比上涨 28%。其他市场的数字分别是日本 4240 台，法国 2056，德国 1284。而在中国，今年的第一季度仅有 235 台电动汽车 售出，比上一季度的 343 台下降了 31%。 日本将会是这个产业的领头羊，到 2017 年，日本将生产 77.9 万辆电动 车，占其汽车生产总量的 9.7%。德国和美国也有可能将电动汽车的产量推升 至 21.83 万辆和 36.23 万辆，分别占汽车市场总产量的 3.55%和 3%。在此期 间，中国的产量可能会达到 273150 辆，仅为汽车总产量的 1%。 随着电动汽车行业竞争的不断加剧，大型电动汽车企业间并购整合与资 本运作日趋频繁，国内优秀的电动汽车企业愈来愈重视对行业市场的研究， 特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。正因为如此，一大 批国内优秀的电动汽车品牌迅速崛起，逐渐成为电动汽车行业中的翘楚！ 2.1.3 中国汽车驶入“无油”时代 新能源汽车的发展方向有多种，但其中之一的氢燃料电池技术不成熟， 成本昂贵， 是 20 年之后的技术。 2007 年 1 月， 汽车和动力电池专家 menahem anderman 博士在美国参议院能源与资源委员会作证时下此结论。 中国也没有 氢燃料电池反应所必需的铂金属。虽然没有公开申明，但据传国家内部决策 层曾明确表示中国不适宜发展氢燃料电池汽车，只作为科研跟踪 从技术发展成熟程度和中国国情来看，纯电动汽车应是大力推广的发展 方向，而混合动力作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术。今年 中外车厂都先后推出了混和动力和纯电动汽车。比亚迪汽车公司先后展示了 f6dm 和 f3dm 双模电动车和 f3e 纯电动车。长安与加拿大绿色电池生产商 electrovaya 合作，共同拓展加拿大新能源汽车市场，首推奔奔纯电动版。美 国通用汽车公司推出了以电动为主的 chevy volt 混合动力车，mini cooper 推出了其纯电动版。2011 年江淮同悦推出了纯电动版新车。 5 但混合动力车动力系统复杂， 成本昂贵。 比亚迪 f3dm 有两套动力系统， 其公布的动力系统成本增加了 5 万元，相当于每年要节省 8 千元的油费才能 比传统汽油车经济。 不过混合动力车省油有限， 丰田 prius 省油大致 10%- 20%， 奇瑞汽车公司 a5- isg 在北京奥运试运期间公布的省油参数为 10%。可以算 一笔帐，假设家庭年行驶 2 万公里，汽油车百公里油耗 7.5 升，年油费 9450 元，混合动力车省油 20%节省了 1890 元，无法抵消其车价成本的增加。 混合动力的优势是保留了传统汽油汽车的使用生活方式，根据汽油机和 电动机混合程度，充电次数和传统汽油汽车加油次数相当，或者不用充电。 行驶距离也不受限制。 纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传 统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动 车能量转换效率更高。因电动车的能量来源电，来自大型发电机组，其 效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。纯电动汽车因此 使用成本在下降。按比亚迪 f3e 纯电动车公布的数据，百公里行驶耗电 12 度，依照 0.5 元的电价算，百公里使用成本才 6 元。而其原形车 f3 汽油车百 公里耗油 7.6 升，按目前 6.2 元的油价，成本是 46.5 元。相比之下，电动车 的使用成本才是传统汽油汽车的八分之一。 纯电动车的缺点是它改变了传统汽车的使用生活方式，需要每天充电。 传统的汽车使用习惯是大致一到两周加一次油。而且每次出行也有几百公里 的距离限制，虽然一个家庭远距离出行可能一年就这么几次。 2.2 电动汽车优点 1、无污染、噪声小 电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保 护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染” 。众所周知，内燃机汽车废 气中的 co、hc 及 nox、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。 电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。噪声对人的听 觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。 2、结构简单，维修方便 电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量 6 小。当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易 操纵 3、能量转换效率高 同时可回收制动、下坡时的能量，提高能量的利用效率；电动汽车的研 究表明，其能源效率已超过汽油机汽车。特别是在城市运行，汽车走走停停， 行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过 程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。有些研 究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动 汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此 有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。 4、平抑电网的峰谷差 可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的峰谷差的 作用。电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用 于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、 太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可 以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。 2.3 发展现状 2.3.1 发达国家现状 国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车，世界发达国家不惜投 入巨资进行研究开发，并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车的发 展。 美国目前正在大力研制和推广使用燃料电池电动汽车和纯电动汽车，政 府能源部与通用、福特和戴- 克三大汽车制造商联合开发燃料电池电动汽车。 现在，美国已有 7 个州加入了零排放计划，到规定年限后这些地区销售的汽 车必须为零排放，即只能为纯电动汽车和燃料电池电动汽车。 以美国蓝鸟客车公司、英国的 frzaernash 公司、日本丰田、日本本 田为代表的电动客车和轿车已经上市，英国已有数万辆电动汽车在使用； 法国是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一，成立了电动汽车 推广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉罗舍尔已经建立了比较完善的纯电 7 动汽车充电站网基础设施，制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策， 且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。 在近年的国际性大型运动会上，电动汽车也成为各国展示其科技实力和 环保意识的工具之一。亚特兰大奥运会使用了美国蓝鸟客车公司生产的纯电 动客车作为公务和电视转播车，悉尼奥运会购买了英国 frazer- nash 公 司的近 400 辆电动客车作为运动员接送车辆。混合动力电动汽车领域， 日本丰田公司开发的 prius 和本田公司开发的 insight2 种混合动力电动 汽车已开始批量投放市场。 丰田公司的 prius 销售已在 2006 年累计突破 150 万辆，并于 2005 年底在我国长春一汽进行了组装生产和销售。日产公司也 于 2003 年推出 tino 混合动力汽车， 在日本国内市场上销售了 100 多辆。 欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车， 甚至德国的博世(bosch) 等著名的零部件公司也积极与大汽车公司联手开 发混合动力电动汽车技术。 美国已有近 20 个城市试验使用混合动力电动公交 车，瑞典、法国、德国、意大利、比利时等国计划在 9 个欧洲城市开通混合 动力电动公共汽车线路。燃料电池电动汽车斩露头角，国外企业界纷纷组成 强大的跨国联盟， 以期达到优势互补的目的。 如日本丰田与美国通用公司， 日 本东芝公司与美国国际燃料电池公司，德国 bmw 公司与西门子公司，雷诺 汽车公司与意大利 de nora 公司分别组成联盟开发燃料电池电动汽车；本也 已投资数亿美元开发燃料电池电动汽车。其中，以加拿大的巴拉德、美国的 福特、德国的戴姆勒- 克莱斯勒联(xcellsis)最具代表性，该联盟投资 10 亿加元开发生产电动汽车用燃料电池动力系统。在燃料电池电动汽车的研发 热潮中，几乎所有的国外大型企业集团全部介入，投入的总额超过百亿美元。 但是，由于燃料电池的成本和寿命问题， 使得这一项目目前进展缓慢。在燃 料电池电动汽车的示范运行方面， 世界各国也都不约而同地把注意力集中在 大客车上，如欧盟的 cute 示范项目、undp/gef 燃料电池商业化示范项 目、美国加州的 cahfc 示范项目和日本的 jhfc 计划等。与此同时，部分 国家政府为促进电动汽车的发展，通过财税手段调整汽车发展结构。像美、 日等国政府对于电动车产品给予 10%的鼓励性补贴，荷兰政府的补贴更是高 达 30%。并对传统汽车开征燃料税，如欧洲部分国家燃料税高达 200300%， 最低的美国也有 34%。 8 2.3.2 中国电动汽车现状 中国电动汽车虽然没有欧美等国家起步早，但国家从维护能源安全，改 善大气环境，提高汽车工业竞争力，实现我国汽车工业的跨越式发展的战略 高度考虑，从“八五”开始到现在，电动汽车研究一直是国家计划项目，并 在 2001 年设立了“电动汽车重大科技专项” 。通过组织企业、高等院校和科 研机构，集中各方面力量进行联合攻关，现正处于研发势头强劲阶段，部分 技术已经赶上甚至超过世界先进水平。 “电动汽车重大科技专项”实施以来， 已成功开发出燃料电池汽车样车，累计运行数千公里；混合动力客车已在武 汉等地公交线路上试验运行超过百万公里；纯电动汽车已通过国家有关认证 试验。 2.4 电动车的未来发展方向 自上世纪爆发石油危机后，不少跨国汽车公司都开始研制电动汽车。其 中不乏福特，丰田等知名大型汽车厂。可以预见到电动汽车的发展将会是本 实际汽车工业的重点和主流。电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、 维修及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决 人类巨大能源和环境压力的最有效途径。上文已经提到电动车问世以来，主 要有三种形式，即纯电动车、混合动力汽车和燃料电池电动车。下面就详细 的来说说这几种形式的电动车。 纯电池电动车是完全由二次电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或 锂离子电池）提供动力的汽车。纯电池技术发展已经相当成熟，国外汽车发 达国家和我国都进行了小批量生产。近日，北京公交线上推出的两辆以铅酸 蓄电池和锂离子电池为动力的电动车已投入商业运行，表现出了较好的经济 性和环保性。纯电池电动车具有无污染，零排放等优点，但其缺点也十分突 出，能量低，质量大，充电时间长，成本高，折旧快，还容易对环境造成二 次污染，其应用范围有限。 混合动力汽车采用内燃机和电动机两种动力，克服了纯电池电动车行驶 里程短、充电时间长等致命弱点，虽然混合动力车不能实现零排放，但其兼 俱环保与节能，同时又能实现规模生产，因此，具有非常好的发展前景。近 年来，世界 9 各大汽车公司纷纷推出这种车型日本已经走在了世界前列，如丰田汽车 公司推出的 prius 汽车，本田推出的 insight 汽车均早已上市。prius 汽 车尾气排放水平仅相当于日本现行法规的 1/10，耗油量和二氧化碳排放量相 当于普通汽车的 1/2，最高时速达 140 公里。我国的混合动力汽车研究也进 入了实质性阶段。1999 年，清华与厦门金龙展出了联合研制的混合力客车， 今年 4 月，一汽展出了刚生产的混合动力红旗轿车。专家指出，燃料电池汽 车是未来汽车的发展方向。日本媒体认为燃料电池技术，将成为 21 世纪汽车 工业的核心技术，谁掌握了这种技术开发主导权，谁将成为汽车业的领袖。 燃料电池，这是一种能与燃油发动机相比的电池，可以使用包括再生燃料在 内的所有含氢元素的燃料。燃料电池车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车 搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生电能启动电动机 进而驱动汽车。由于大量的纯氢难以贮存在汽车上，而且加氢站也没有那么 多，因此，汽车制造商们正试图使用汽油或甲醇，不过要在汽车上安装燃料 重整装置，从这些物质里提出氢。但是这将会产生极少的二氧化碳和氮氧化 物，总的来说，这类化学反应除了电能，就只产生水，因此，燃料电池车被 称为“地道的环保车” 。曾研发出“氢动一号” （液氢燃料电池概念车）的美 国通用汽车公司，最近推出了汽油燃料重整技术燃料电池，新研制的 ceniii 型车载燃料重整器比起前期产品体积、重量大大减少，预计其能量利用，污 染物排放几乎为率可达.40%，而且可以充分利用现有的加油站等设施，它为 燃料电池车批量生产奠定了基础。我国第一辆具有自主知识产权的燃料电动 公共汽车也已在东风汽车工程研究院问世，它的研制成功，缩短了中国汽车 工业在这一领域与国外同行的差距。据有关专家分析，我国的汽车工业几乎 没有结构调整的沉重包袱，完全可以充分利用后发优势，以电动车为新契机， 集中力量解决以电池为中心的关键技术问题， 在 21 世纪凭借国内仍较低的劳 动力成本，在国际汽车市场上以电动汽车与工业发达国家展开竞争。 在上世纪我国已经错失了汽车工业的黄金发展期。在即将到来的新能源 汽车，不管是电动还是其他能动的汽车上这一块，我们都应该加倍努力的去 把握住。 在今天我也将要毕业，希望能用自己的微薄力量，帮住我国占领新能源 汽车业的高地。 10 2.5 大学生方程式纯电动赛车发展状况 由于全球可利用的资源逐渐减少、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。随着化石能源的枯竭但是人们获取 电能的方法是多样的，因此纯电动汽车将取代燃油车和混合动力汽车，将会 成为下一时代的主流。通过纯电动方程式赛车的设计，培养了学生工程实践 能力并为将来汽车产业培养了更多的优秀人才。 据美国媒体报道，现今社会人们对环保的意识逐渐增强，人们想要开创 一个全部采用电动车就如同 f1 一样的赛车系列，已经得到实现。最近，fe 现已通过了 fia 汽车联盟的授权。 该赛车系列将于 2014 年正式开始，它是国际投资者所组成的财团 fe 控股有限责任公司所投资建立的。这些车可以在短短 3 秒内将速度由 0 提升至 100 公里 /小时(062 英里/小时)。今后还将会有更高速度的提升。 2014 赛车的原型已经在法国建造完成， 它是由一家叫 formulel 的公司负 责打造的。它配备有一个双速变速箱，尽管它是一个超轻重量的单座赛车， 但是该车电池组的重量使得整个车的重量达到了 780 公斤左右。目前，该车 最大的缺点就是电池只能持续供电 25 分钟， 所以所有的赛车手不得不用最少 两辆车来完成比赛。 2011 年 8 月 13 日，国家体育总局、北京市政府在奥林匹克公园中心区 举办第二届北京奥运城市体育文化节之“绿色交通、城市未来绿色交通嘉 年华”活动。北京理工大学方程式赛车工作室研制的纯电动方程式赛车在现 场作静态展示，因简单的结构、紧凑的布置、靓丽的外表以及优越的性能参 数，获得了组委会领导、记者以及国内外参观者的一致好评， （目前全国大学 生方程式汽车大赛中并未有纯电动等新能源车辆的参赛组别及规则） 。 北理工 宝马纯电动方程式车队是方程式赛车工作室下辖的一支新建车队，从方程式 赛车工作室中选拔一部分本科生和研究生组成，在设计和制作过程中，同学 们致力于将电动车的节能环保和方程式赛车的速度、操控相结合。此次绿色 交通嘉年华展中呈现的正是这种新理念新技术的纯电动方程式赛车。据悉， 此辆赛车采用了峰值功率 45kw、峰值扭矩 144nm、最高转速 9000 r/min 的 永磁同步电机，电池则选择了高功率磷酸铁锂动力电池。 11 第三章第三章 纯电动赛车总体设计纯电动赛车总体设计 3.1 纯电动赛车总体设计概述 在赛车总体设计这一领域，国外已经十分成熟，但国内还尚不完善。 ，在 这一领域前人为我们总结了许多宝贵的经验，主要是提出了一些改善汽车车 身空气动力性能的措施：a.车身头部棱角圆角减少空气阻力 b.改善车身后部 形状减小气动升力和空气阻力 c. 扰流板等。而在车身内布置方面，近来逐 渐发展起来的人机工程学为汽车车身内布置提供了最好的设计工具。 在国外，人体工程学在汽车设计中的应用已有多项成果，该学科早已起 步故有丰富的人体数据和车身设计的经验，而在国内由于该学科起步较晚以 及没有合适的人体数据而且缺乏经验，故尚未形成清晰的人体工程学设计方 法。本次设计人机工程学主要借鉴了美国的人体标准。 本次方程式赛车总布置设计的预期目标是希望在根据湖大和国外基本车 型数据参数以及参考前人赛车车身总布置设计经验和积累的有用数据的基础 上，设计出令人满意的合格的赛车。 3.1.1 总体设计要求 1、赛道上行驶，外形尺寸应予以限制； 2、排放要满足环保要求排放法规； 3、使用环境复杂，应满足安全性要求强制性安全法规； 4、汽车各性能应满足开发所确定的指标； 5、知识产权保护； 6、 “三化”要求：系列化，通用化，标准化； 7、避免部件发生运动干涉； 8、质量可靠，拆装维修方便； 9、满足组委会的技术规范。 3.1.2 总体设计目标 1、设计一辆达到一定性能并符合 formula sae 竞赛相关规定的方程式 12 赛车。 主要的性能目标为 075m 直道加速时间小于 6s， 同时在弯中的持续侧 向加速度超过 1g。 2、立足国内的采购条件以及目前项目可以达到的加工条件，通过购买可 以通用的部件、改装符合条件的通用部件以及制造所有其他部件，完成赛车 的制造、装配和调试。 在这个过程中必须兼顾成本、性能和可靠性三个方面。 3、通过试验验证赛车是否达到设计要求。 主要的测试项目包括直道加速以及侧向加速度 skid- pad 测试。 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。 3.1.3 整车结构 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。 13 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、 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。 3.1.4 总体设计进度概述 1、熟悉发动机及汽车其他配件，像转向器、悬架总成、差速器总成等； 2、参考湖大、同济和国外资料，初定总体参数； 3、设计并布置悬架，符合跳动要求 4、设计车架，然后装配各零部件（以车架为装配父体） 5、设计并布置后轴传动，确定传动方式 6、设计并布置座椅和转向系统 7、重新确定轴距和轮距 8、布置制动系统和电器系统 9、最后设计并安装车身 14 3.1.5 课题的意义 曾经有人说过决定 21 世纪发展的是能源，上世纪 70 年代全球三次石油 危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。我国经过 “八五” 、 “九五” 、 “十五”三个五年计划，在研发电动汽车的专项上投入了 大量的人力、物力和财力，并取得了一系列科研成果，但是，迄今为止，这 些科研成果真正能转化为产品，并实现产业化生产的项目并不多。国外大汽 车公司投入远比我国更多的资金和人力，已投入批量生产的电动汽车产品也 寥寥无几。随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污 染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排 是未来汽车技术发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的 最佳途径。从汽车工业的发展来看，电动汽车的迅速发展是不可逆的趋势。 因此，我国作为世界汽车生产大国应该抓住这一机遇，加快电动汽车这一块 的发展。 就在前不久目前， 我们的城市武汉刚获批了国家综合配套实验区的头衔. 其中最大的意义就是要合理利用资源.尤其在环保方面.可以看出，环保现在 是世界上最热门的话题.在汽车方面，发展电动汽车刻不容缓.在电动汽车的 商业化运作上，无论从产品技术还是从市场开发方面。都还面临许多亟待解 决的问题，这就需要政府的大力支持。比如，加快制定相关技术标准，出台 对节能、 环保汽车的税费减免和补贴措施，在基础设施建设上提供便利条件 等电动汽车技术及产业的广泛关联性决定了电动汽车的开发是一个跨行业、 跨部门、跨地区的产学研大联合、技术大突破和产业大创新的系统工程。在 世界电动汽车发展的关键时期，必须通过政府组织，充分发挥企业的主动作 用，通过产、学、研大联合，实施政府组织的国家汽车创新工程，实现新一 代汽车和技术的新突破。 此次课题的目标是由学生构思、设计、制造一辆小型方程式赛车。通过 该课题重点考察和培养参与学生的知识水平、创造力和想象力。在这样一项 具有非常意义的工程项目中，使我们获得宝贵的实践经验，同时提供给我们 一个专注于团队工作的机会，锻炼合作、沟通技巧，培养团队精神。 项目通过学生自主设计与创作，找出我们在设计过程中存在的问题及其 原因，以及各个因素所占比重，对这些因素进行优化处理，从而得出提高的 几个关键点等问题进行深入探讨，逐步培养我们分析、设计以及动手能力的 15 全面发展。 3.2 赛车总体设计的一般顺序 一、调查研究与初始决策 其任务是选定设计目标，并制定产品设计工作方针及设计原则，调查研 究的内容应包括：老产品在服役中的表现及用户意见；当前本行业与相关行 业的技术发展，特别是竞争对手的新产品与新技术；材料、零部件、设备和 工具等行业可能提供的条件；本企业在科研、开发及生产方面所取得的新成 果等等，它们对新产品设计是很有价值的。 二、总体方案设计 其任务是根据领导决策所选定的目标及对开发目标制定的工作方针、设 计原则等主导思想提出了赛车的设想，因此又称为概念设计或构思设计。为 此要绘制不同的总体方案图（比例为 1；10）供选择。在总体方案图上进行 初步布置和分析，对主要总成仅仅只画出大轮廓而突出各方案之间的主要差 别，使方案对比简明清晰。经过方案论证选出其中最佳者。 三、绘制总布置草图，确定整车主要尺寸、质量参数与性能指标以及各 总成的基本型式。 在总置草图上要较准确地画出各总成及部件的外形和尺寸并进行仔细的 布置，对轴载荷分配和质心高度作计算与调整，以便较准确地确定汽车的轴 距、轮距、总长、总宽、总高、离地间隙或车身地板高度等，并使之符合有 关标准和法规；进行性能计算及参数匹配。 四、车身造型设计及绘制车身布置图 绘制不同外形、不同方向、不同色彩的车身外形图。制作相应造型的 1： 10 整车模型；从中选优后再制作精确模型。经征求意见、工艺分析评审及风 洞试验后作进一步修改，审定后用三坐标测量仪测量车身模型坐标点。 五、编写设计任务书 作为对以后的设计、试验及工艺准备的指导和依据。其内容常包括：任 务来源、设计原则和设计依据；产品的用途及使用条件；汽车型号、承载容 量、布置型式及主要技术指标和参数，包括空车及满载下的整车尺寸、轴荷 及性能参数，有关的可靠性指标及环保指标等；各总成及部件的结构型式和 16 特性参数；标准化、通用化、系列化水平及变型方案；拟采用的新技术、新 结构、新装备、新材料和新工艺；维修、保养及其方便性的要求；续驶里程； 生产规划、设备条件及预期制造成本和技术经济预恻等。有时也加进与国内 外同类型汽车技术性能的分析和对比等。有的还附有汽车总布置方案草图及 车身外形方案图。 六、汽车的总布置设计 其主要任务是根据汽车的总体布置及整车性能提出对各总成及部件的布 置要求和特性参数等设计要求，协调整车与总成间、相关总成问、总成与有 关部件间的布置关系和参数匹配关系，使之组成一个在给定使用条件下的使 用性能达到最优并满足设计任务书所要求的整车参数和性能指标的汽车。其 具体工作有: 1、绘制汽车总布置图：它是在总布置草图和各总成、部件设计的基础上 用 1:1 或 1:2 的比例精确地绘出，用于精确控制各部尺寸和位置，为各总成 和部件分配准确的布置空间，因此又称为尺寸控制图。要特别注意汽车整体 布置的合理性，车厢内部布置应具有视野性好、驾驶操作方便、座位舒适、 安全，维修方便等特点。 2、 根据总布置设计确定的整车参数和性能指标提出对各总成和部件的设 汁要求。包括结构型式、特性参数、尺寸与质量限制等。提供整车有关数据 与计算载荷等。 3、绘制转向车轮跳动等有关部分的运动图；用于校核布置空间以避免发 生运动千涉。 4、确定有关总成和部件支承的型式、结构参数与特性等，特别是对发动 机前后支承、驾驶室支承和排气管支承的位置和刚度要精心选择。 5、确定各总成的质心位置，核算汽车空载和满载时的轴荷分配及整车质 心高度。 6、制作模型进行布置空间的校核：通常制作 1：l 的车身内、外模型来 检查驾驶操作及上下车的方便性、视野范围、乘坐空间及舒适性等。 7、汽车总成、部件及零件的选型与设计：其任务除了要保证总成和整车 的性能指标外，还要考虑零部件本身的强度、寿命与可靠性等问题口 8、设计图纸的工艺审查及必要的修改。 9、绘制汽车总装配图：其目的是进行图面装配校核，仔细检查相连接总 17 成及部件的连接关系、连接部分的尺寸与配合以及拆装的方便性；核算与标 注汽车整车和有关总成与部件的安装尺寸链，为汽车总装作技术准备和提供 依据。 10、试制、试验、修改与定型。设计完成后投入样品试制时，应考虑有 一定数量的零部件和总成投人台架试验，至少有 3 一 4 辆样车投人整车室内 试验与道路试验。注意了解制造和装配中的工艺问题及质量控制情况并及时 把关，杜绝不合格的样品装车。要查明整车、总成及零部件的尺寸参数、质 量参数、性能参数是否符合设计要求及问题所在，以便修改图纸或采取其他 措施予以纠正。应按有关标准、法规进行全面的试验，以检查新产品的各项 性能指标。 3.3 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。 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。 3.3.1 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。 fsae 赛车悬架系统 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