大学生方程式赛车设计（总体设计）

河南科技大学

毕业设计（论文）

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）

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

Fortwomonths,Mygraduationdesignistheoveralldesignoftheformula

racing,weusedthecontrastanalysismethodmainlyinthedesign,through

optimizingtheparametersoptimizationdesignandoptimizationofUGMATLAB,

etc.

Initialstage,weaccordingto2011autocontestrulesdeterminecollege

equationoveralllayoutofthecar,andthedemonstrationandanalysis,themain

parameterisdeterminedprimarilyracing.Throughcalculationandcomparison,

sureenginetype,primariesdrivetrainmaximumtransmissionratio,minimum

transmission.

Theintermediatestage,wedesignUG6.03dsoftwareusedinvarious

partsofassemblyformodelingandwholeassembly,andsuspension,steering

movementinterferenceanalysis.Useofenginepowercharacteristiccurve

characteristic,MATLABsoftwaremappeddrivecardrivingforces-resistance

balancefigure,accelerationcurve,andetc,anddetailedcalculationracingfuel

economy.

ThefinalstagesUG7.5arederivedbycar,generallayout,and

two-dimensionalengineeringgraphicsoverallparametertable,andmadethefirst

generationandthesecondgenerationracingcarsarecomparedandanalyzed.For

consideringtheactualproductionofmaychangesuspension,frameandsteering

parts,obligatescheme.

Throughthegraduationdesign,Iunderstandandmastertheoverall

designofcarofthestepsandmethod,theprofessionalknowledgeofprofessional

knowledge,enhancethedatacollectionandintegrationofinformation,these

abilityaftermygraduationwillbeengagedincardesignlayagoodfoundation

forthejob.

KEYWORDS:FSAE,generalparameters,parameteridentification,general

arrangement,thecarpower,fueleconomy

2

特殊符号

m“汽车总质量kg

V最高车速km/h

L轴距mm

Bl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

CD空气阻力系数

io驱动桥主减速比

"变速器传动比

Fw汽车行驶使的空气阻力

脑变速器I挡传动比

&车轮与路面的附着力

ma汽车总质量

Ua汽车行驶速度

P,，max发动机最大功率

九发动机转矩

Pf为克服滚动阻力所消耗的功率

夕轮胎与路面的附着系数

小传动系效率

Q是百公里油耗

3

车辆与动力工程学院毕业设计说明书

目录

第一章FSAE赛车总体概况..............................1

§1.1FSAE赛车起源...................................1

§1.2FSAE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

§1.3FSAE赛车总体设计概述...........................3

§131汽车设计的规律、决策与设计过程............3

§1.3.2FSAE赛车主要技术要求...............3

§1.3.3第二代赛车设计目标.....................4

§1.3.4FSAE赛车项目意义....................5

第二章FSAE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

车辆与动力工程学院毕业设计说明书

§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驱动力一行驶阻力图........................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

第五章结论.............................................39

参考文献.................................................40

致谢...................................................42

第一章FSAE赛车总体概况

FormulaSAE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。

FormulaSAE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FormulaSAE比赛。FormulaSAE

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。

§1.1FSAE赛车起源

第一届SAEMiniBaja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，即一天的静态比赛一一设计、成本、

陈述——接着一天是各自的性能竞赛2项目。MiniBaja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，SAEMiniBaja的成功超乎了每个人的预期。

在SAEMiniBaja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FormulaSAE。

FormulaSAE相比SAEMiniBaja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FormulaSAE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SAEMiniBaja比赛中的8hp发动机到现今FormulaSAE中已

经超过lOOhp的大功率发动机，FormulaSAE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。

§1.2FSAE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（FormulaSAEChina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

2

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。

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。

§1.3FSAE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-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。

§1.3.2FSAE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O

3

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虬

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

4

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，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。

§1.3.4FSAE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

5

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

CATIAUGANSYS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FSAE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、

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B11280mm

轮距

后轮距B21250mm

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「"皿

根据做设计汽车应达到的最高车速Uamax（Km/h）,用下式估算发动机最

大功率（发动机功率N滚动阻力功率+空气阻力功率）

p>_L.'^r..u+CMp）（2-1）

em”一小36002,6140

式中：Pemax------------发动机最大功率（KW）

7——传动系效率（变速器、传动轴、万向节、主减速器），

%=95%x95%x98%x96%=84.9%

W------汽车总重量（N）,初选W=m〃g=240x9.8=2352N

fr——滚动阻力系数，方=0.012

Vamax——最高车速，初选Vaa=150Km/h

CD——空气阻力系数，赛车一般取02-0.4,初选以=0.35

4——汽车正面投影面积（帆2）,取前轮距Blx总高H,

A=1280x1225=1.568m2

得，Pemax>30.038kw

分析：Co可能取值偏大，若C。取0.25,则Lax221.85Ikw

2.发动机最大转矩及其转速确定

用下式计算确定

Temax=9549x^1^（2-2）

np

式中，［max为最大转矩（N・m）

a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a=L05o

品为最大功率对应的转速，乘用车汽油机一般在3000-7000r/min,

作为赛车，最大功率转速远高于乘用车，初选np=7000r/min。

得Temax=43.025N・m

3.发动机适应性系数

发动机适应性系数。=a上，表示发动机转速适应行驶工况的程度，。

nT

值越大，说明发动机的转速适应性越好。

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1.2〜1.4,柴油机取L2〜2.6。

§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

一般都只有儿十公里到儿百公里。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L4,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基本上都使用以下儿个公司的轮胎：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

10

仍然使赛车性能最佳化。

轮胎初定锦湖雨胎，型号为180/530R13,半径R=260.5mm。

轮辆初定为万丰奥威F313x8铝合金轮辆。

§2.2.3传动系最小传动比的确定

初选传动比

办=(0.377〜0.472)x—迅一(2-3)

Uamaxzgh

设五挡为直接挡，则a=1，则传动系的最小传动比等于主减速比

式中，升为驱动轮的滚动半径，rr®R=260.5mm；

晨为变速器最高档传动比，*=L0；

%为发动机最大功率对应转速，np=13000rpm；

得，i°=(8.51~10.66),但是与实际不是很符合，我们根据去年经验，

我们初选，。=2.6。

§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。

根据汽车行驶方程式

U/o%+而包(2-4)

r21.15"dt

即Ft=耳+5+耳+耳(2-5)

(驱动力/=滚动阻力耳+空气阻力氏+坡度阻力耳+加速阻力FJ

(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Tema’’。％之Qfcosa+Gsina(2-6)

r

式中：G一作用在汽车上的重力，G=mg,m一汽车质量，g一重力加

速度，G=mg=2352N；

♦max—发动机最大转矩，4max=65.954Nm；

i0一主减速器传动比，i()=9；

%—传动系效率。对于双曲面主减速器，当时，取〃=90%,

11

i0>6时，7=85%O本赛车ig1初选9.0,故7=85%。所以为=〃X%=85%X

96%=81.6%；

r一车轮半径，r=0.2605m；

/一滚动阻力系数，良好沥青或混凝土路面，/取0.01-0.018,初

选/=0.015；

。一爬坡度。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a=16.7°。

所23吧ho.

*T品小

(2)根据驱动车轮与路面附着条件

-max%'。%«Fz2•(p(2-7)

r

式中，(p为道路附着系数，在沥青混凝土干路面，(p=0.7〜0.8,取(p=0.8

,v2352x0.2605x0.80J

lg'~65.954x9.0x81.6%-,

与实际情况向结合，我们选变速器％=3.5。

§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2-2CF188和CBR600发动机主要参数对比

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38.8N*m/5500rpm65.954N*m/11000rpm

12

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La等于轴距L、前悬LF和后悬LR之和。它与轴距有下述关系：

La=L/C,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0.52-0.56o

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:

Ba=(La/3)+(195±60)mm,对于赛车而言具有参考意义。

影响赛车总高Hm的因素有轴间底部离地高人…地板及下步零件高hp和

主环高度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B|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

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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Bi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Bl1280mm

轮距

后轮距B21250mm

前悬LF639.5mm

后悬LR260.5mm

§2.4.2质量参数

汽车的质量参数包括整车整备质量m。、载质量、质量系数*.、汽车

总质量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

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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。

3.质量系数77mo

质量系数明。是指汽车载质量与整车整备质量的比值，即〃m°=me/mo.该系

数反映了汽车的设计水平和工艺水平，久。值越大，说明该汽车的结构和制造

工艺越先进。

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m。、载质量me两大部分组

成，即ma=mo+meo

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

轴何分配

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。

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1.动力性参数

汽车动力性参数主要包括最高车速Uamax、加速时间t和、最大爬坡度imax

（对于赛车可以不考虑）、比功率R和比转矩Tb等。

（1）最高车速u3n1ax

最高车速Uamax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--定车

速所用的时间，称为加速时间。对于最高车速Uamax大于100km/h的汽车，加

速时间常用加速到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i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Dn,in。D*用来描述汽车转向机动性，是

汽车转向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Dmin的因素有汽车转向轮最大转角、汽车轴距、

轮距等。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，DmM应取小些。

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h*，接近角力,

离去角力，纵向通过半径门等。

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

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角之差司-当作为评价参数，此参数在1。一3。为宜。

(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L5。。

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/hUs24kw38.8N/M

表2-4通过性几何参数

最小离地同隙接近角离去角

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

制动距离行车制动的踏

平均制动减速度j应急制动操纵力

St板力

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

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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

型号CBR600,四缸，四冲程，电喷

排量599cc

发动机

最大功率86k\v/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U型双回路液压盘式制动

轮胎轮辆轮胎：锦湖180/530R13,轮何：FM13X8

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

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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。

§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，这些作用统称为汽车制动。

1.制动器方案的确定

汽车制动器儿乎均为机械摩擦式的，即利用旋转元件与固定元件两工作

表面间的摩擦产生力矩使汽车减速或停车。摩擦式制动器按其旋转元件的形

状分为鼓式和盘式两大类。按摩擦副中的固定元件的结构来分，盘式制动器

分为钳盘式和全盘式制动器两大类。其中钳盘式有以下三种：固定钳式、滑

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动钳式和摆动钳式。

根据大学生方程式赛车赛事规则，赛车制动系统配备的制动系统必须有

两套独立的液压回路，以防系统泄露或失效时，至少在两轮上还保持有有效

地制动力。而盘式制动器的优点就是易于构成多回路制动驱动系统，使系统

有较好的可靠性与安全性，以保证汽车在任何车速下各车轮都均匀一致的平

稳制动。结合赛事规则和赛车具体情况，第二代赛车采用盘式制动器。

2.驱动机构方案确定

制动驱动机构将来自驾驶员或其他力源的力传给制动器，使之产生制动

力矩。根据制动力源的不同，制动驱动机构-一般可分为简单制动、动力制动

和伺服制动三大类。而力的传递方式又有机械式，液压式，气压式和气压-

液压式的区别。液压式简单制动系（通常简称为液压制动系）用于行车制动

装置。液压制动的优点是：作用滞后时间短（0.1〜0.3s）,工作压力高（可达

10〜12MPa）,轮缸尺寸小，可布置在制动器内部作为制动蹄张开机构或制动

块压紧机构，使之结构简单、紧凑、质量小、造价低；机械效率高。故第二

代赛车中采用液压式的动力制动系统来作为制动驱动机构的方案。

3.液压回路方案确定

为了提高制动驱动机构的工作可靠性，保证行车安全，驱动机构采用了

两套独立的系统，即应是双回路系统。

双轴汽车的液压式制动驱动机构的双回路系统有多种形式，其中常见的

有五种，分别是H、X、HI、LL、HH型。如下图2-1；

图2-1液压回路系统的形式

n型管路的布置较为简单，可与传统的但轮缸盘式制动器配合使用，成

本较低，目前在各类汽车特别是商用车上用得最广泛对于这种形式，若后制

动回路失效，则一旦前轮抱死即极易丧失转弯制动能力。

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X型的结构也很简单，一回路失效时仍能保持50%的制动效能，并且制动

力的分配系数和同步附着系数没有变化，保证了制动时与整车负荷的适应性。

此时前，后各有一侧车轮有制动作用，使制动力不对称，导致前轮将朝制动

起作用车轮的--侧绕主销转动，使汽车失去方向稳定性。因此，采用这种分

路方案的汽车，其主销偏移距应取负值（至20mm）,这样，不平衡的制动力

使车轮反向转动，改善了汽车的方向稳定性，多用于中、小型轿车。

HI、LL、HH型的结构均较H型、X型复杂。LL型和HH型在任意回路失

效时，前、后制动力比值均与正常情况相同，剩余总制动力可达正常值的50%

左右。HI型单用一轴半回路时剩余制动力较大，但此时与LL型一样，紧急

制动情况下后轮很容易先抱死。

综合上述情况，第二代赛车选用H型回路系统。

4.制动主缸形式的选择

现代汽车制动主缸的形式有单腔和串联双腔制动主缸，根据大赛要求，

每个液压回路必须有其专属的储油罐，因此初步确定采用串联双腔形式的制

动主缸，但考虑赛车的总体布局和空间问题，不排除采用并联单腔制动主缸

的可能。

制动主