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大学生方程式赛车制动与行走系统设计
摘 要
Formula SAE自1978年在美国第一次举办以来，现已成为一项顶尖的国际赛事。按比赛规定，赛车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。其中，为保障车辆和驾驶人员的安全，赛车的制动与行走系统设计显得尤为重要。
本文主要阐述了Formula SAE赛车的制动与行走系统设计过程。本次设计参照上代及其他参赛团体的赛车，进行了整体优化。本文在分析大赛规则及往届成型赛车的基础上，通过计算分析设计出制动与行走系统的总体方案。其中，制动系统以制动器为核心，设计出制动操纵机构（踏板装置）及制动操纵驱动机构（II型液压双回路）。行走系统以轮胎为核心，依次进行轮辋、轮毂、立柱的设计。本次设计在分析研究国外经典赛车基础上，参照实物及经典模型，利用UG对各零件进行三维建模和装配，利用CAD、CAXA等软件建立模型进行运动干涉分析，保证设计的合理性及优良性。
最后，本次设计运用UG等软件，对制动系统中的连接件、紧固件、制动盘、制动踏板、制动油路等和行走系统中的立柱、轮毂、轮辋进行了仿真及有限元分析，并制造出样件，对样件装车试验，取得良好效果。最终本设计的结果，确保了本赛车具有出色的制动性和在极限工况下的安全性。
关键词：赛车，制动及行走系统，优化，仿真，有限元分析
COLLEGE STUDENTS'FORMULA RACING
BRAKE AND WALKING SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
Formula SAE held in the United States for the first time since 1978, has now become a top international event. The car's design must be in acceleration, braking and handling performance. Among them, in order to guarantee the safety of the vehicle and driver, braking and walking system design is especially important.
This article mainly elaborated the Formula SAE racing car brake and walking system design process. Design with reference to the parent group and other participants of the car, on the whole optimization. Based on the analysis of the competition rules and past molding car, on the basis of analysis by calculation braking and walking system overall scheme are given. Among them, the braking system to brake as the core, designed the brake operating mechanism and brake control driving mechanism. Walking system to tire as the core, in turn to carry on the rim, hub, pillar design. Refer to physical objects and the classic case in design process, the parts to make use of UG three-dimensional modeling and assembly, optimize the braking control drive mechanism, using CAD, CAXA, such as motion interference analysis, to ensure the rationality of the design and the optimal benign.
Using software such as UG, the design of the braking system of the fittings, fasteners, brake pedal, brake disc and walking system such as columns, in the hub, rim has carried on the simulation and finite element analysis, to ensure that this car has good brake and safety under limit conditions.
KEY WORDS:car, brake and walking system, optimization, simulation, finite element analysis
符 号 说 明
轮缸活塞直径,mm
主缸活塞直径,mm
地面制动力,N
制动踏板力,N
车轮与地面的附着力,N
汽车前轴静负荷,N
汽车后轴静负荷,N
质心高度,mm
轴距,mm
汽车质心离前轴的水平距离,mm
汽车质心离后轴的水平距离,mm
汽车总质量,kg
车轮有效半径,mm
车轮滚动半径,mm
制动器对车轮的制动力矩,N·m
管路液压,MPa
主缸工作容积,mm3
单个轮缸工作容积,mm3
汽车行驶速度m/s
制动踏板行程,mm
地面对前轴的法向反力,N
地面对后轴的法向反力,N
制动力分配系数
同步附着系数
制动轮缸的活塞行程,mm
踏板机构及制动主缸的机械效率
目 录
第一章 概述 1
§1.1 大学生方程式赛车简介 1
§1.2 制动系统的重要性 1
§1.3 行走系统的功用 1
第二章 制动系设计 3
§2.1 制动系应满足的主要要求 3
§2.2 制动器的结构型式及选择 3
§2.2.1 鼓式制动器 4
§2.2.2 盘式制动器 5
§2.3 制动系的主要参数及其选择 7
§2.3.1 制动力与制动力分配系数 7
§2.3.2 同步附着系数 10
§2.3.3 制动器最大制动力矩 10
§2.3.4 制动器因数 11
§2.3.5 制动器的机构参数与摩擦系数 11
第三章 制动器的设计计算 13
§3.1 摩擦衬块磨损特性的计算 13
§3.2 制动器的热容量和温升的核算 14
§3.3 盘式制动器制动力矩的计算 16
§3.4 驻车制动计算 17
第四章 制动器主要零件的结构设计 19
§4.1 制动盘 19
§4.2 制动钳 19
§4.3 制动块 20
§4.4 摩擦材料 21
§4.5 制动轮缸 21
§4.6 制动器间隙的调整方法及相应机构 21
第五章 制动驱动机构的结构型式选择及设计计算 23
§5.1 制动驱动机构的结构型式选择 23
§5.2 制动管路的分路系统 25
§5.3 液压制动驱动机构的设计计算 26
§5.3.1 制动轮缸直径与工作容积 26
§5.3.2 制动主缸直径与工作容积 27
§5.3.3 制动踏板力与踏板行程 28
§5.3.4 制动主缸的形式 29
第六章 行走系统的设计 30
§6.1 汽车行驶系统概述 30
§6.1.1 轮胎 31
§6.1.2 轮辋 31
§6.1.3 轮毂 32
§6.1.4 立柱 33
§6.2 强度校核 34
§6.2.1 制动盘紧固螺栓的校核 34
§6.2.2 轮毂螺栓的校核 35
第七章 结 论 37
参考文献 38
致 谢 40
附 录 41
第一章 概述
§1.1 大学生方程式赛车简介
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是以院系的形式组织学生参与赛事，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；同时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。
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