基于大學生電動方程式賽車設計過程分析

黃愛維　王承梅　許鏡儀

（南通理工學院，江蘇　南通　226002）

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基于大學生電動方程式賽車設計過程分析

黃愛維王承梅許鏡儀

（南通理工學院，江蘇南通226002）

摘要：FSAE賽車項目由南通理工學院汽車服務工程和車輛工程專業合作開展。本文詳細介紹了本次設計的方法及指導思想。在設計過程分析中，綜合電動汽車的結構特點，對汽車的傳功系統、行駛系統、轉向系統、制動系統進行一一分析和布置。

關鍵詞：FSAE賽車；設計；過程分析

純電動汽車是指將車載電池作為唯一動力源，以電機驅動的方式驅動輪胎旋轉，此類車輛能夠符合道路交通、安全法規中各項要求。隨著計算機的發展，電動車技術己經成熟和完善，使駕駛變得更安全、方便、靈活、舒適。將來，電動汽車可以真正占據傳統燃料汽車的未來競爭市場。

在設計過程中，首先從電動機和電池的選擇入手，為了使汽車獲得最高行駛速度，經過計算選擇電機和電池。在選好電機和電池后，和設計燃油汽車的底盤一樣，同時綜合電動汽車的結構特點，對汽車的傳功系統、行駛系統、轉向系統、制動系統進行一一分析和布置［1］。

1　純電動賽車總體設計概述

1.1總體設計要求

設計要求有：賽車尺寸滿足賽道和比賽要求限制；排放要滿足環保要求；注意使用時的安全問題；汽車各性能應滿足開發所確定的指標；知識產權保護；避免部件發生運動干涉；采用可維修或者可維護材料；滿足組委會的技術規范。

1.2總體設目標

設計此賽車的性能并符合Formula SAE競賽相關規定和要求的方程式，該車的性能設計目標主要為以下幾點：0～100m直道加速時間小于12s；設計過程中成本、性能和可靠性等方面有必要進行考慮；以試驗的方式對賽車進行驗證，檢測其是否達到設計目標。主要的測試項目包括直道加速，側向速度skid-Pad測試?？傮w設計是以設計出一輛安全可靠、性能均衡、具有良好的駕駛特性、調整方便且有足夠速度的賽車為主要目的。

2　全車結構

2.1動力總成和傳動系統

主要部件包括動力電池、動力電機、變速機構、發動機座、驅動軸、差速器基座、鏈輪/皮帶輪、差速器軸承、差速器、萬向節、保護罩及連接緊固裝置等。

2.2車架及車身

主要包括車輛承載部分、防滾架和外殼及蒙皮。主要部件包括加速踏板、制動踏板、變速桿（換檔桿）及相關連接線、車身材料、底板、定風翼、安裝基座和連接緊固件等。

2.3懸架系統

主要部件包括減震器、彈簧、懸架機械系統、拉/挺桿、前/后支柱、直角杠桿/換向機構及連接緊同件等。

2.4制動系統

主要部件包括制動管線、制動塊、卡鉗、液壓缸/泵和制動盤等。

2.5轉向系統

主要部件包括轉向齒條/齒輪、轉向節、方向盤等。

2.6車輪

主要部件包括輪輛、帶耳螺母、輪胎、氣門嘴、車輪平衡塊、輪毅軸承及前/后輪轂等。

2.7儀表

主要部件包括電機轉速表、動力模塊電子系統、車載計算機、束線/接口、儀表板、保險絲、剎車燈、啟功機電磁開關、指示燈、蓄電池、繼電器、啟動開關、水溫表及連接緊固件等。

2.8其他

主要部件包括座椅、安全帶、車架/車身涂裝、防火隔板、后視鏡和安全護罩等。

3　總體設計進度

首先熟悉發動機及汽車其他配件；依照南通理工汽車學院現有資料初定總體參數；設計并布置懸架；設計車架，然后裝配各零部件；設計并布置后軸傳動，確定傳動方式；設計并布置座椅和轉向系統；重新確定軸距；布置制動系統和電器系統；最后設計并安裝車身。

4　賽車設計的基本流程

4.1初始規劃和調研

了解目前方程式賽車的參賽要求和實際操作的可行性。

4.2方案的確定和修改

其任務是提出賽車的設想，主要根據為討論決策所選定的目標及對開發目標制定的工作方針和設計原則等主導思想。

4.3繪制總布置草圖

通過繪制總布置草圖，確定整車主要尺寸、質量參數與性能指標以及各總成的基本型式。在總置草圖上要較準確地畫出各總成及部件的外形和尺寸，對軸載荷分配和質心高度作計算與調整，以便較準確地確定汽車的輪距、總長、總寬、總高、離地間隙或車身地板高度等。

4.4車型設計和車身框架模擬設計

使用建模工具比如UG和CAD等常用的機械制作或者模具打造的模擬軟件，對車身的穩定和風阻等方面問題進行適當修改，然后征求領導和專家意見。

4.5賽車設計未來規劃

此次設計的方程式賽車為以后實體操作和應用打下基礎。規劃包含如下幾方面：設計要求、設計靈感和設計理論依據，賽車現實用途和生產規格；賽車型號、核定承載量、構架形式及主要規定指標和參數，賽車要求的基本尺寸和整車規格、軸承參數，符合規定的環保指標和安全性。

5　賽車各系統設計

賽車采用國內外FSAE普遍應用的發動機中置后驅的布置方式。

5.1懸架總成

對于FSAE賽車懸架系統，賽車采用當今廣泛應用于方程式賽車的雙橫臂獨立懸架。獨立懸架有多種結構形式，如雙橫臂式、燭式、麥弗遜式等。其中，不等長雙橫臂式獨立戶懸架的設計自由度大，懸架控制臂的長度可自行設定，有較小的非簧載質量。

5.2轉向系統設計

針對轉向系統方案的確定，賽車的轉向機構轉向梯形前置，轉向拉桿橫置，轉向機構為齒輪齒條。由于在連接轉向節臂、橫拉桿以及齒條機構的過程中必然存在微小的間隙，因此在轉向梯形后置的狀態下，當車輛轉彎時，來自轉向輪的力將會影響整個轉向系統，這將對其操控性產生一定不良的影響。

5.3賽車制動的規劃

機械摩擦式制動系統是目前汽車廣泛采用的，是利用摩擦旋轉元件來使汽車動能衰減，生活中常見的機械摩擦式制動元件有鼓式和盤式。根據大學生方程式賽車賽事規則，賽車配備的制動系統必須有2套獨立的液壓回路，以防系統泄露或失效時，至少在兩輪上保持有效的制動力。而盤式制動器的優點就是更穩定的制動系統，更好的水穩定系統，更好的散熱系統，更方便的維護和保養。

6　小結

本FSAE設計，主要是對所學的汽車設計知識的總結。課題研究包括：電動機的選取，電動機外輪廓尺寸的確定；還有在選取后對汽車動力性的計算。而作圖環節更是鍛煉了設計者的動手實踐能力，學會使用CAD、UG等繪圖工具，并且了解了一些小的技巧。在設計賽車的過程中，需要查閱大量的資料才能完成。

參考文獻：

［1］周定陸，杜子學.汽車總體布置設計應考慮的問題［J］.汽車研究與開發，2001（2）：23-26.

中圖分類號：U469.696

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0100-02

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：黃愛維（1989-），男，碩士在讀，研究方向：汽車維修。

BasedontheAnalysisoftheDesignProcessoftheElectricFormulaRacingCar

Huang AiweiWang ChengmeiXu Jingyi
（Nantong Institute of Technology，Nantong Jiangsu 226002）

Abstract:FSAE racing project is developed by the Nantong Institute of technology automobile service engi?neering and vehicle engineering professional cooperation.This paper introduced the design of the method and its reference.In the analysis and design process,with the structural characteristics of the integrated electric vehicle,the transmission system of automobile,driving system,steering system,braking system were analyzed and arranged.

Keywords:FSAE racing；design；process analysis