FSC方程式賽車制動系統總成設計與計算

摘 要：從FSC比賽規則出發，初步分析賽車的前后制動力，提出一套適合于FSC方程式賽車制動系統設計的方法，介紹大學生方程式賽車制動系統的組成，包括零部件的選擇和總成的匹配。還根據已知的汽車相關參數，通過計算得到了制動器主要參數、前后制動力矩分配系數、制動力矩和制動力以及液壓制動驅動機構相關參數。

關鍵詞：方程式賽車；制動系統；軸荷分配

前言

中國大學生方程式汽車大賽（Formula Student of China，簡稱：FSC）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校大學生組隊參加的汽車設計與制作比賽，各參賽車隊按照賽事規則和賽車制造標準，在接近一年的時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動操控性等方面具有優異表現的小型單座賽車、并能夠完成全部或部分禁賽環節的比賽[1]。

1 設計目的

賽車制動的目的是根據車手的意圖實現賽車減速和停車。在賽車遇到緊急情況，需緊急制動時能安全、平穩、迅速地減速停車，保證車輛和賽車手的安全。

2 制動方式的確定

2.1 制動方式的確定

鉗盤式制動器按制動鉗的結構形式不同可分為定鉗盤式制動器、浮鉗盤式制動器等。由于浮鉗盤式制動器只在單側有制動油缸，結構尺寸小；且在單側布置油管，液壓缸的冷卻工況穩定且成本低；制動摩擦片兼具停車制動以上三點優點，所以選擇浮鉗盤式制動器。

2.2 制動回路布置形式

分析比賽規則和比賽項目，賽車的制動系統必須使用雙回路系統，并且制動力要足夠，以保證通過制動測試，且使賽車具有制動安全性。由以上分析可以得到：對于FSAE賽車，使用Ⅱ型雙回路[2]。

3 設計預計算

3.1 車相關主要參數

質量（含人） m=320kg

軸距 L=1650mm

前輪中心到質心 a=932.5mm

后輪中心到質心 b=817.5mm

質心高 hg=280mm

輪胎半徑 R=230mm

3.2 同步附著系數的分析

當制動時前輪先抱死，賽車喪失了轉向能力；制動時后輪先抱死，賽車容易發生后軸側滑而使汽車喪失方向穩定性。所以分析表明，汽車在同步系數為？漬的路面上制動（前后輪同時抱死）時，地面的附著條件才可以得到充分利用。賽車使用的是熱熔胎，考慮到賽車制動時，完全抱死，參考國內外車隊計算參數，同步附著系數？漬取 1.4。

3.3 整車受力分析

對賽車進行制動受力分析，不考慮FSC賽車在滾動時的阻力、空氣阻力和在減速時慣性阻力偶矩，其中：FZ1是剎車時前輪受到地面的法向反力；FZ2為剎車時后輪受到地面的法向反力；G為重力；Fxb1為地面對前輪的制動力；Fxb2為地面對后輪的制動力；du/dt為剎車減速度，單位m/s2。

汽車靜止時前后軸荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的。但在制動過程中，由于汽車慣性力的作用，軸間的載荷會重新分配。在制動過程中，汽車受慣性影響向前沖，前輪負荷大幅度增大，后輪載荷大幅度減少。要實現較短的制動距離或較大的制動減速度，賽車的軸荷分配特別重要，應大致為前后制動器制動力之比，才能得到峰值附著系數，制動效果最好。設計靜態時的前后軸荷分配為45：55[3]計算過程：

所以解方程組得：FZ1=2234.4N FZ2=901.6N

隨著制動減速度的不斷增大，軸荷分配變化明顯，當以14m/s的減速度制動時，前軸的軸荷分配為2234.4N，后軸的軸荷分配為901.6N。賽車軸荷的70%分配給了前軸，充分利用地面制動力，實現前后輪同時抱死，保證了賽車的方向穩定性和操作穩定性。前后輪同時抱死的條件是：在不同行駛條件的路面，前后輪的附著力分別等于制動器制動力，且附著力之和等于制動器制動力之和。即賽車前后輪處于理想制動器制動力分配曲線-I曲線。用符號？茁表示前輪制動盤制動力F？滋1和總制動力F？滋2之比，在賽道上，當賽車的前后制動器制動力各等于地面對的附著力，且總和等于地面對賽車的最大附著力，即前后輪制動時滿足理想制動力分配曲線-I曲線，這時，賽車能夠實現前后輪同時抱死。式中，F？滋1為前制動器制動力；F？滋2為后制動器制動力，則F？滋1+F？滋2為賽車總制動器制動力[4]。

根據公式：F？滋1/F？滋2=？茁（1-？茁）

得到：前制動力約3128.16N；后制動力約1262.24N。

4 零部件選擇

4.1 制動盤的選擇

（1）選取較大的制動盤，則制動盤的有效半徑較大，制動鉗接觸摩擦片的面積較大，制動夾緊力較小，可以降低摩擦片上的單位面積的壓力和溫度升高[5]。（2）選擇較厚的，也可以降低摩擦片上的單位面積溫度；為降低制動盤的轉動慣量，制動盤厚度又不能取得過得大，則根據賽車其他條件的限制，例如：輪輞直徑的限制，暫選外徑180mm有效直徑160mm的制動盤。根據經驗值，選擇制動盤抱死時的最大制動踏板力為600N，選擇踏板杠桿比為6，跟據制動力分配比可知前輪分配的制動力為55%，后輪為45%。總體制動系統的效率為84%。

4.2 選擇制動主缸和制動卡鉗

制動時前輪制動器油壓取4.8MPa，后輪制動器油壓取2.8MPa。根據已設計好的制動盤對制動油缸和卡鉗進行選擇，選擇主要考慮的問題就是制動摩擦片在制動盤上的摩擦面積。考慮角度為根據抱死時卡鉗對制動盤的摩擦力矩選擇合適型號的制動主缸，然后再通過計算和校核，最終定出卡鉗和油缸。其具體尺寸如下：

前輪：主缸缸徑為17.607mm 輪缸（卡鉗）缸徑為29.317mm

后輪：主缸缸徑為20.853mm 輪缸（卡鉗）缸徑為24.383mm

5 結束語

（1）針對FSC比賽規則，提出了一套能適用于多種設計要求的賽車制動系統總成的計算方案。（2）介紹大學生方程式賽車制動系統的組成，通過從制動方式的分析、操作結構的設計、以及油路的布置和制動油缸以及卡鉗形式的優化選擇和設計來對選擇和分析制動系統的方案是否合理。（3）還根據已知的汽車相關參數，通過計算得到了制動器主要參數、前后制動力矩分配系數、制動力矩和制動力以及液壓制動驅動機構相關參數。

參考文獻

[1]中國大學生方程式汽車大賽規則組委會.2014中國大學生方程式大賽賽事手冊[M].北京：汽車工程學會，2014.

[2]喬軍奎，陶文錦，孫博.FSAE方程式賽車制動系統的設計[J].汽車工程學報，2012，3.

[3]唐應時，李雪鵬，肖啟瑞，等.FSAE賽車制動性能仿真與優化[J].計算機仿真，2010，5.

[4]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5]王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

作者簡介：劉攀（1993-），男，漢，湖北麻城人，本科，南京農業大學，研究方向：FSC方程式賽車制動系統總成設計與計算。