FSAE电动赛车整车布置及性能分析

I 摘要 : 大学生电动方程式赛车是在传统燃油大学生方程式赛车的基础上发展起来的，其绝大多数零部件都与燃油车相似，如赛车的车架、制动、传动以及悬架等，其主要差别在于动力系统和电子控制系统。 本文以 学生电动方程式赛车整车布置及性能分析为研究对象，主要进行以下研究： 1）通过研究大学生方程式汽车大赛赛事相关规则以及赛车制造标准要求，掌握电动赛车总体布置方案； 2）查阅国内外相关参考文献，从而为整车布置以及整车参数设计提供理论依据； 3）首先从车架结构以及车架所使用的材料进行选择说明，通过结构与材料之间的对比，分别选择合适结构和材料来设计车架，建立电动赛车车架的三维模型； 4）对悬架采用的类型与部件的设计参数进行讨论说明，然后对悬架特性参数进行计算说明，确定悬架的硬点位置，最后对悬架系统的零部件结构进行设计，从而确定赛车悬架系统； 5）首先确定制动系统采用的方案，选择制动 器的形式与液压分路系统；然后对制动系统的主要参数与盘式制动器的相关尺寸进行相关计算；最后对整套制动系统的液压驱动机构进行设计计算，包括前后轮制动卡钳的尺寸以及前后轮制动主缸尺寸的大小。 由于电机是驱动电动赛车的唯一动力源，所以它的选择尤为重要，关系到整个汽车的动力性和操纵稳定性。实际应用时，往往会因为各种情况导致实际转矩和理论转矩出现误差，本文选用永磁无刷直流电机来当作电动赛车驱动系统的驱动电机。根据方程式汽车大赛规则， 车的车架设计内容包括车架的结构布置、车架材料的选择、车架的内部空 间布置设计并且设计要符合人机工程。 车车架采用桁架式车架结构，选择了四种厚度不同的的 30材，最大限度地缩小赛车的整车重量，使得车架的整体性能得到提高。结合国内外车队相关悬架优秀设计经验，本文选择了推杆不等长双横臂悬挂。主要因素有：推杆不等长双横臂悬挂，加工方便，装配精度高，符合学生的技术水平；重心较高的问题，由于采用了铝合金部件和碳纤维材料，可以有效解决；赛 通过传动形式的对比，选择链传动作为本次设计的传动形式。本文选用浮钳盘式为这次设计的布置形式，选择前后的双回路液压制动回路作为我们的 液压分路系统布置形式，考虑到制动的加速度比较大，造成的前后制动力变化范围比较大，也会方便我们在竞赛过程根据不同的项目及时调整前轮及后轮的制动力分配。要求较高的可维修性，快速调节，良好的操控稳定性，推杆不等长双横臂悬挂均满足。通过本文研究分析，有利于为电动赛车的整车布置设计提供理论基础。 关键词： 电动方程式赛车；整车布置；性能分析；驱动电机 of is on of of to as in 2 at to of of 3 in of to of a of 4 of of of of so as to 5 of of of of is of of of is is it to of of a of to C to be as of ar of of of to to 0of of of of in of of of be is of as of is in of it of in in to of it is to of V 目录 摘 要 . I . 绪论 . 1 引言 . 1 国内外研究现状 . 1 内研究现状 . 1 外研究现状 . 1 文研究内容 . 2 车悬架系统的作用 . 2 章小结 . 2 动赛车总体设计 . 3 动赛车结构布置 . 3 动赛车结构布置 . 3 动赛车车架 . 3 动赛车悬架系统 . 4 动赛车传动、制动系统 . 4 车参数设计 . 4 章小结 . 6 . 6 架结构选择 . 6 架材料选择 . 6 架三维模型建立 . 7 章小结 . 8 . 8 架类型与设计参数确定 . 8 计计算 . 10 架硬点确定 . 14 架零部件设计 . 15 柱设计 . 15 臂设计 . 16 臂总成设计 . 17 耳设计 . 17 辐设计 . 18 章小结 . 19 . 19 动系统方案确定 . 19 动器形式选择 . 19 压分路系统选择 . 20 动系统设计计算 . 21 制动系统主要参数设置 . 21 式制动器相 关计算 . 27 压驱动机构设计计算 . 28 后轮制动卡钳尺寸确定 . 28 后轮制动主缸尺寸确定 . 29 章小结 . 30 . 31 动比计算 . 31 动形式选择 . 32 要零件设计计算 . 32 章小结 . 34 . 35 结 . 35 望 . 35 参 考 文 献 . 35 致 谢 . 37 1 1 绪论 引言 汽车在中国发展已经十分迅速。由以前的汽车鲜见到现在的汽车走进家家户户，中国汽车人在汽车中国制造方面已经做出了伟大突破，但是中国并非汽车产业强国，而现如今汽车人的目标便是将飞速发展的中国汽车工业的发展方向转变为汽车研发及独立生产 ,由此对人才需求便由原先的设备工艺人才变为设计研发相关的高端人才。而大学生方程式对在校大学生而言便是一个机遇以及挑战，学生在这里的发展由初入时的兴奋及热血，开始过程的艰辛，为车队筹措资金，初入社会与赞助商沟通谈判，工作过程中对设计的一丝不苟，对精细的执着追求以及对实际的妥协以及最终能看 着自己最爱的车子在赛场上驰骋时的诠释，这一切对大学生之后的发展研究以及工作经历都有着非同凡响的影响，学生们的自学能力及应对解决问题的能力有着极大的进步，而这也正是求职过程中你的精彩之处。大学生方程式比赛以充分发掘学生们的自由学习、团队协作、合作创新以及关键问题的解决、科研以及交流能力 1。 国内外研究现状 内研究现状 我国汽车测试技术起步晚，发展慢 ,但是近些年我国的经济发展迅速，汽车工业开始蓬勃发展。经济建设和汽车工业的蓬勃发展对汽车性能测试方法的发展提供了一个广阔的力量 ,大部分的 研究人员进行了一项研究测试方法 ,也进行了许多基础研究工作 ,如车身骨架有限元分析、道路谱、载荷谱、车辆地面力学、转向稳定、随机数据处理、可靠性研究等基础设施的测试等，除了要积极引进国外先进技术和设备 ,我们的国家也学习和创造了一个具有自主知识产权的检测设备和仪器 ,建立了大型现代化防滑垫 ,为中国汽车产业的进一步发展提供了强有力的实验手段和可靠的理论依据。 外研究现状 1990 年 初，汽车测试学习 开始起步 。随着电子控制技术的不断发展与改进。今天，汽车测试已经发展成为一个独立的技术部门，并从车辆试验场测试研究中心发展到总成和零部件等的各种各样的测试技术。大部分的汽车公司都独立开发了测试软件程序，这些应用程序不仅可以在汽车制造业相对准确预测汽车动力性能和燃油经济性，也可以形 2 成“燃油经济性曲线”。奥地利公司的实验室配备了相应的传动系试验台进行耐久性试验。更成熟的实验系统是日本公司驱动系统，发动机和测功器，分别与四轮驱动位移的方法后，前体，驱动传动试验台，测试当前的传动方式和传输系统的性能，从而为客户提供动力传动系 统耐久性、动力学、振动和噪声优化设计。美国公司的驱动系统试验台虚拟引擎而不是一个真正的引擎，在高动态情况如牵引力控制系统操作测试驱动系统和组件的力标本，标本的电子控制信息，系统将使用实时仿真提供了一个真实的环境 2、 3。 文研究内容 车悬架系统的作用 本文以 动赛车整车布置及性能分析为研究目标，主要从以下方面对电动赛车进行了研究： 1）通过研究大学生方程式汽车大赛赛事相关规则以及赛车制造标准要求，掌握电动赛车总体布置方案； 2）查阅国内外相关参考文献，从而为整车布置以及整车 参数设计提供理论依据； 3）首先从车架结构以及车架所使用的材料进行选择说明，通过结构与材料之间的对比，分别选择合适结构和材料来设计车架，建立电动赛车车架的三维模型； 4）对悬架采用的类型与部件的设计参数进行讨论说明，然后对悬架特性参数进行计算说明，确定悬架的硬点位置，最后对悬架系统的零部件结构进行设计，从而确定赛车悬架系统； 5）首先确定制动系统采用的方案，选择制动器的形式与液压分路系统；然后对制动系统的主要参数与盘式制动器的相关尺寸进行相关计算；最后对整套制动系统的液压驱动机构进行设计计算，包括前后轮制动 卡钳的尺寸以及前后轮制动主缸尺寸的大小； 6）通过上述说明研究，对赛车的操纵稳定性能进行分析研究。 7）对本文所研究的内容进行总结。 章小结 本章首先介绍了 动赛车设计大赛发展的背景，接着介绍了汽车发展的国内外现状，最后提出以 动赛车整车布置及性能分析为研究目标，叙述了本文所进行的研究内容。 3 动赛车总体设计 动赛车结构布置 大学生电动方程式赛车是在传统燃油大学生方程式赛车的基础上发展起来的，其绝大多数零部件都与燃油车相似，如赛车的车架、制动、 传动以及 悬架等，其主要差别在于动力系统和电子控制系统。 动赛车结构布置 电机是驱动电动赛车的唯一动力源，所以它的选择尤为重要，关系到整个汽车的动力性和操纵稳定性。实际应用时，往往会因为各种情况导致实际转矩和理论转矩出现误差，因此需要某一种控制策略来对电机的响应进行纠正。 下面介绍几种电机的特点： 有刷电机最早被投入使用，它的优点很明显：调试性能好，技术成熟，但是也存在明显的不足：会有很大的能量损耗，需要定时的维护更换清理，而且有着致命的散热困难。 交流感应电机结构上定子与转子都靠硅钢片叠压，定子与定子 之间没有滑环、换向器，所以没有复杂的构造、耐久性长、可靠性高等特点。但它自身也是容易放热，损耗极大。调速性能差，低功率因数对应的使得输入功率因数也变低，所以会要求大量的变频变压装置。 开关磁阻电机是一种新兴的电机，结构上，转子没有绕组，定子集中绕组，所以结构简单，维修方便，电损耗也少，但是磁极端部会出现严重的磁饱和、磁极的边缘效应这些都让它的控制变得复杂多变。 永磁无刷电机没有电刷，是一种高性能的直流电机，转子是永磁体，不需要再添加电枢绕组进行励磁，这样使得电机没有励磁损耗。也因为没有电刷、等相关装置，使得没有了换向火花，同时寿命高、启动性好、结构简单、运行速度高、转矩大、噪声小等优势。基于以上原因，选用永磁无刷直流电机来当作电动赛车驱动系统的驱动电机 4。 动赛车车架 根据方程式汽车大赛规则， 车的车架设计内容包括车架的结构布置、车架材料的选择、车架的内部空间布置设计并且设计要符合人机工程。 车车架采用 4 桁架式车架结构，选择了四种厚度不同的 30材，最大限度地缩小赛车的整车重量，使得车架的整体性能得到提高。 动赛车悬架系统 结合国内外车队相关悬架优秀设计经验，本文选择了推杆不等长双横臂悬挂。主要因素有：推杆不等长双横臂悬挂，加工方便，装配精度高，符合学生的技术水平；重心较高的问题，由于采用了铝合金部件和碳纤维材料，可以有效解决；赛车要求较高的可维修性，快速调节，良好的操控稳定性，推杆不等长双横臂悬挂均满足。 动赛车传动、制动系统 通过传动形式的对比，选择链传动作为本次设计的传动形式。本文选用浮钳盘式为这次设计的布置形式，选择前后的双回路液压制动回路作为我们的液压分路系统布置形式，考虑到制动的加速度比较大，造成的前 后制动力变化范围比较大，也会方便我们在竞赛过程根据不同的项目及时调整前轮及后轮的制动力分配 5、 6。 车参数设计 (1) 尺寸参数和质量参数选取： 首辆赛车的设计首先要考虑的是赛车的设计硬点，包括赛车的轴距、轮距等基本尺寸，赛车的整车质量和轴荷分配等参数，为各个总成小组提供最初的设计参数。赛车的主要尺寸质量参数如表 示。 表 车主要尺寸质量参数 整车参数 数值 整车参数 数值 5 轴距 ( 1580 前轮距 ( 1230 后轮距 ( 1200 重力（ N） 3136 长 ( 2800 车重（ 车手） 320 宽 ( 1250 前后轴荷分配 55： 45 高 ( 1350 最小离地间隙（ 50 1) 轴距选择： 根据大学生方程式汽车大赛的要求 ，赛车有至少 1525轴距。赛车的轴距大，整车质量大，在轻量化这一原则的指导下，以及赛车要求机动灵活，成本低，在分析其他赛车的轴距后，综合考虑， 动 赛车的轴距定为 1580 2) 轮距的选择： 赛规则规定， 轮距的选择应该控制在百分之七十五的范围内 。 车轮之间的距离长 ，悬架的侧倾角 就会变大 ， 车辆的稳定性也会变好 ， 车内的空间也会得到提升 。轮距必须与汽车的总宽相适应。 采用 前轮距 的 时 候 应 该 布置车架、前悬以及 前轮， 使 前轮 具 有足够的 旋转间隙 ， 并保证 转向杆系 和 车架、车轮 它们 有 充足 的 空间去运转 。综合考虑，赛车前轮距定为 1230轮距定为 1200 3) 质量参数：为了减轻赛车的重量，赛车的部分零部件选用铝合金材料，车架材料选用 4130 钢管，参考国内外赛车的质量参数，设定整备质量为 250 4）轴荷分配：后 轮 驱 动的 赛车， 它的设计是 轴荷 在后边 ， 所有的动力也都集中在驱动轴上 ， 后轮承担几乎所有的动力 ， 这样会使后驱车的动力性会强 。在确定高速赛车的轴荷分配时，还应考虑操纵稳定性的需要。理论分析认为，汽车质心的位置及其与汽车中性转向点的距离，对汽车的稳态回转特性有决定性的影响。 所以车辆的 轴荷 设置 为前轴 百分之五十五 ，后轴 后轴百分之四十五 。 (2) 赛车整车性能参数 为了让赛车在比赛中表现出色，对赛车的性能参数选取相当重要，通过赛车的主要性能参数的设定，为赛车的各总成选型提供参考。 1) 动力性参数： 中国大学生方程式汽车大赛的 比赛 场地有基本上都是以弯路构成的 ， 倘若车辆的瞬时速度过快 ， 是不适应这个比赛的 ， 所以设计一辆操控性好的赛车才能满足比赛的需求 ， 而 永磁无刷直流电机 就是最好的选择 。 2) 机动性参数：最小转弯半径 决定了 调头的能力。 根据 比赛要求 ， 以及多方面的考虑将最小转弯的半径设置成四米 。 6 3) 操纵稳定性参 数：赛车的操作稳定性包括很多参数，一般包括转向盘阶跃输入下的稳态响应、回正性、转向半径、转向轻便性、直线行驶性能、极限行驶能力等等。方程式赛车考察的是赛车在极限行驶下的稳定性，众所周知，赛车前进的动力来自于地面对轮胎的摩擦力，决定赛车加速性能好坏的因素只有驱动力的反作用力的大小。赛车的稳定性取决于悬架系统的设计。 4) 平顺性参数：偏频 与 悬架的 柔度和 汽车的 操控性与 平顺性 有很大的关系 ，偏频越小 ， 悬架的调节度就越高 ， 就可以适应不同的路面状况 ，； 如果 偏频 越大 ，悬架 的调节度就越小 ， 但是车辆会更加的稳。 5) 制动性 参数：赛车在进行制动测试时，赛车将首先在规则规定的直道上加速，在直道末端，赛车必须制动至静止，并要求四轮抱死且不超出规则要求的赛道范围 7、 8。 章小结 本章主要对赛车总体设计进行了简要介绍，首先对电动赛车的各系统设计选型进行了简介，然后对本文研究对象的整车参数进行了说明。 架结构选择 车架的布置形式大致有 1:一体式金属车架； 2:一体式复合材料车架； 3：桁架式金属车架。由于前两种车架布置形式比较符合大规模生产，设计过程中出现问题需要对模型进行调换，因此生产的成本大幅增加而且加工困难维修成本高，而且生产过程中往往需要很大的生产器械、生产工艺工序要求也随之增高 9。方程式汽车大赛赛车设计应综合考虑车架的结构，材料属性、生产所需成本、生产难易程度、生产机械工序等因素，而桁架式金属车架具有比较高的强度和刚度并且加工容易，所需生产器械要求稍低，加工成本较低，因此本次设计采用桁架式金属车架。 架材料选择 相比较其他材料，钢材料具有良好的动力性能，在加工过程中可以很好的维持其结构性能，并且钢材是日常生活中最常用的材料之一，价格低廉，便于购买，加工起来方便简介，适合大学生方程式赛车的加工过程。参照大赛规则 。 材料选择 如表 示： 表 见钢材物理性能及焊接性能 7 材料名称 屈服强度 /拉强度 /接性能 35 205 加工过程中焊的过程中，一般不需要进行预热，焊后也不必采用其他处理进行改善，性能优良 45 490 焊接性良好，不必预热 3085 985 在金属元素在下限时，焊接性能优秀，但接近上限时焊接性能中等，需要提前预热。 因此决定此次设计的车架材料选用 4130 合金钢（ 30其基本参数如下，弹性模量： 松比： 服强度： 785度极限： 985度为 7850 kg/ 架三维模型建立 根据方程式汽车大赛规则， 车的车架设计内容包括车架的结构布置、车架材料的选择、车架的内部空间布置设计并且设计要符合人机工程。 车车架采用桁架式车 架结构，选择了四种厚度不同的的 30材，最大限度地缩小赛车的整车重量，使得车架的整体性能得到提高。为充分体现人机工程原理，本次车架的设计主要用 件建模完成，结合实际的乘坐条件在软件中进行分析改进，使设计符合乘坐和赛车其余构件布置符合要求。车架 型如图 示。 8 图 模所得到的车架模型 章小结 本章主要介绍了电动赛车车架设计流程，首先从车架结构以及车架所使用的材料进行选择说明，通过结构与材料之间的对比，分别选择桁架式结构和 4130 钢管来设计车架，然后介绍了车架三维模型的建立。 架类型与设计参数确定 悬架的参数主要根据赛事规则和以往比赛积累的经验进行确定。 悬架把车架 和 车轴连成一个整体 。 传递动力 ；控制车轮的运动规律；缓和路面传递给车身的冲击载荷，减小振动；保证行驶得平顺性和操控稳定性。 悬架有独立 式 悬挂 与 非独立 式 悬挂 。 而 独立式的 悬挂 有纵臂式和横臂式和麦佛逊和其它的一些 。其 结构较为复杂，制作成本较高。但是其舒适性和操纵稳定性的优点使其被大量应用 10。 从世界范围来看，比如 车、 车和 车选择使用不等长双横臂悬架，有个别的车队采用多连杆悬架或非独立悬架，目前 各车队主要采用不等长双横臂 9 悬挂。 不等长 双横臂悬挂的特性是 :双横臂悬架有上 A 臂、下 A 臂两个横臂，所以称为双横臂式。由于上 A 臂与下 A 臂的长度和位置不同，并且以上 A 臂比下 A 臂短的设定居多。双横臂悬架能够精确地的控制车辆在激烈驾驶中悬架各个参数的变化。另外由于双横臂悬架有两个 A 臂来承担加速、制动的转矩，以及转弯的侧向力，所以刚度较好经常用于以操纵性为目标的跑车中。同时，也因为零部件多、结构复杂、调试难度大，多用于赛车和高级轿车。 针对不等长双横臂悬挂的几种形式 ，本文 做了如下对比 ： （ 1） 推杆不等长双横臂悬挂 优点 ： 悬架运动响应迅速 ； 加工定位精确 ； 调试方 便快捷 。 缺 点 ： 避震器 、 吊耳 、 摇臂布置于前环前部的车架上 ， 影响车手视野 ， 增加了风阻 ，车身构型复杂 ， 重心偏高 。 （ 2） 拉杆不等长双横臂悬挂 优点 ：避震器、吊耳、摇臂布置于悬架杆周围，重心低，占用空间小；良好的操控稳定性；车身流线型好。 缺点 ： 结构过于紧凑 ， 维修操作空间小 ， 调试困难 ； 装配定位精度较低 。 （ 3） 无推拉杆不等长双横臂悬挂 优点 ： 结构简单 ， 零件数量少 ， 加工费用低 ， 质量轻 ；装配定位精度高；避震外露易于调节。 缺点 ： 对避震器的刚度 、 调节长度要求较高 ； 悬架跳动行程受到避震器的制约 。 通过以上的分析对比，结合 国内外车队相关悬架优秀设计经验，本文选择了推杆不等长双横臂悬挂。主要因素有：推杆不等长双横臂悬挂，加工方便，装配精度高，符合学生的技术水平；重心较高的问题，由于采用了铝合金部件和碳纤维材料，可以有效解决；赛车要求较高的可维修性，快速调节，良好的操控稳定性，推杆不等长双横臂悬挂均满足。 整车参数选择 ，根据大学生方程式赛车规则要求如下：轴距 1525轮距75%大轮距，跳动行程 定参数 如下 ： 轴距 1580轮距 1230轮距 1200 10 侧倾外倾变化率 d /d =心高 h=300点头 d= 0% 抗后蹲 s= 0% 主销后倾角 前轮 3° 后 轮 4° 主销内倾角 前轮 4° 后轮 0° 前束 前轮 后轮 0° 前机械拖距 前磨胎半径 前侧倾中心高 Z =30计计算 （ 1） 整车刚度确定 ： M（ 车 ） =300m （ 弹 ） =240心到前轴的水平距离： a=心到后轴的水平距离： b=心到侧倾轴线的距离： H=倾外倾变化率： d /d =动力分配系数： =动力分配系数： =0（后轮驱动） 悬架 总杠杆比 ： = =频：前 后 2） 计算过程 外倾变化率：前悬 d /dz=1/L )=悬 d /dz=1/L )=轴左右车轮簧上质量： m =m =L= x 1 1 1 前轴单侧悬架乘适刚度： k =4 f m =m 后轴单侧悬架乘适刚度： k =4 f m =m 车轮中心刚度：已知轮胎刚度 k =100700N/m （北理工 实验得到） k = =m k = =m 前悬 ： k =k =k k = = 后悬： k =k =k k = = 侧倾增益： = =g 设赛车以 V=40km/h 通过 R=8m 的弯道，则横向加速度 A =V /(R*g)= 轴由 A 引起的载荷转移为： W