大學生方程式賽車制動系統設計與優化

王超，周岳斌

（湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽441053）

大學生方程式賽車制動系統設計與優化

王超，周岳斌

（湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽441053）

根據大學生方程式賽車（FSAE）的比賽規則對賽車制動性能的設計要求，確定了賽車制動系統方案和主要制動參數，對制動系統關鍵零部件進行了仿真分析及優化設計。實際測試和整車運行表明，所設計的制動系統具有較好的穩定性和操縱性，滿足了賽車整體性能的需要，對大學生方程式賽車制動系統的設計有一定的指導意義和參考價值。

FSAE；制動系統；設計優化；仿真分析

制動系統作為汽車底盤機構四大組成部分之一，其主要作用是使汽車按照駕駛員的要求減速或停止，對汽車起到重要的作用，對賽車更起著不可替代的作用，同時在緊急情況下保護賽車手的生命安全，并與賽車懸架系統和轉向系統相配合，達到行駛和操作的穩定性。制動系統對車手與賽車的安全保障至關重要，也是賽車發揮動力性和操縱穩定性的前提條件。設計制造并調校出性能優異的制動系統是整車性能與安全的基本保證。本文以2015年湖北文理學院TSD車隊賽車為例，對大學生方程式賽車的制動系統進行了設計和優化。

1　制動系統方案

方程式賽車制動系統設計最終目的就是達到規則要求的四輪同時抱死，同時對成本、輕量化等也有具體要求[1]。為達到規則要求，同時兼顧安全和效能，湖北文理學院TSD賽車制動系統的制動回路布置如圖1所示，制動回路采用H型并聯液壓雙回路以及制動力分配可調的四輪盤式制動系統。并聯液壓雙回路可有效減小管路泄漏或失效帶來的嚴重后果，便于前、后制動力的分配，液壓制動布置簡單且效率高、效果好。通過制動力分配調節裝置（平衡桿）可使賽車實現最佳前、后制動力分配并保證四輪同時抱死。盤式制動器相對鼓式制動器質量輕，熱穩定性好，具有更高的制動效率和制動效能[2]。

圖1　制動回路布置圖

2　制動參數的確定

根據賽車規則要求與設計目標，通過計算，賽車主要整體參數如表1所示。

表1　整車參數表

2.1前后制動力及分配系數

將賽車簡化為兩輪模型，分析賽車在水平路面的制動受力情況?？砂聪旅娴墓接嬎愕孛鎸η?、后輪垂直反力FN1、FN2：

式中，dv/dt為賽車減速度，dv/dt=zg，z表示制動強度。當制動強度z達到最大附著系數φ時，可實現四輪同時抱死，此時φ=1.4.

制動力分配系數β=Fu1/（Fu1+Fu2），設φr、φf分為前后軸利用附著系數，當即將出現前輪先抱死或前后輪同時抱死時，有φr≤φ≤φf.制動力分配系數的極限關系為：

湖北文理學院TSD賽車使用熱熔胎，與賽道最大附著系數可達1.4，在0.15≤φ≤1.4條件下，通過目標函數優化計算[3]，確定制動力分配系數最佳值為β=0.66.

在任何附著系數為φ的路面上，前后車輪同時抱死的條件是：前后輪制動器制動力之和等于附著力，且前后輪制動器制動力分別等于各自的附著力，即：

計算可得前后輪制動器制動力分別為

2.2制動盤參數

在保證足夠制動力的前提下，制動盤直徑的確定還要兼顧輕量化的要求。根據一般選擇為輪輞直徑的70%～79%，賽車采用10英寸輪輞，確定制動盤直徑D=172 mm.

制動盤厚度不宜太大以免質量過大，同時為了降低制動工作時的溫升，制動盤厚度也不宜過小。利用CATIA和ANSYS軟件進行制動盤的設計和仿真分析，最終確定制動盤厚度h=4.5 mm.

2.3制動卡鉗及主缸參數

賽車選用10英寸輪輞，前后制動盤采用同一規格，取制動盤有效作用半徑R=80 mm，車輪半徑取r=200 mm.

取油管壓力p=5 MPa，制動輪缸活塞直徑為d，抱死時制動輪缸的夾緊力為Fn，制動卡鉗作用在制動盤上的有效摩擦力為Fb，摩擦襯塊與制動盤之間的摩擦系數u=0.35～0.45，取u=0.4.不考慮壓力油的影響，假定左右輪受力相同，輪缸直徑d及制動卡鉗中液壓p之間關系計算如下：

由此算得前后輪活塞直徑為d1=33.12 mm，d2=23.46 mm.前后制動輪缸采用相同規格，依據相關標準選取制動卡鉗直徑d=34 mm.

制動輪缸的工作容積V可按下式計算[4]：

式中，δ為輪缸活塞在完全制動時的行程，取δ=2 mm.

制動主缸工作容積V0可按下式計算：

主缸活塞直徑d0和活塞行程S0（一般取0.8 d0~1.2 d0），依據標準的尺寸系列可取主缸活塞直徑d0=21 mm.

3　制動系統優化設計

3.1制動盤

賽車采用四制動盤式布置，要使賽車抱死，需要制動卡鉗提供的力矩與地面摩擦力對輪胎的力矩達到平衡。制動盤采用浮動盤設計，使制動器退距均等，不會發生偏剎、干磨現象，具有自動補償功能，不需人工動手，同時制動盤體可拆換[5]。

通過CATIA建模繪出制動盤三維模型，采用ANSYS軟件對制動盤進行結構力學及熱力學仿真分析。圖2為制動盤變形量分布圖，圖3為制動盤溫度場分布圖，圖4為制動盤輪芯裝配圖。裝配過程中徑向留有一定間隙，防止因制動盤過熱產生的徑向變形產生的不良后果，同時為加強散熱除結構上打孔設計外，在外部增加一個導流裝置，賽車跑動將風導入制動盤，以增強散熱。根據與輪芯的裝配關系，設計制動盤外徑為172 mm，內徑為82 mm，與輪芯結合孔半徑為7 mm，減重孔半徑為3 mm.

圖2　制動盤變形量分布圖

圖3　制動盤溫度場分布圖

圖4　制動盤輪芯裝配圖

3.2踏板

賽車踏板分為離合、制動、油門（離合油門結構相同）踏板，三個踏板設計均采用優質鋁合金，結構簡單易于加工?？紤]到離合在賽車行駛過程中只起到起步的作用，換擋使用氣動換擋，故離合與制動距離比油門與制動距離短?？紤]到離合及油門踏板使用工況以及輕量化要求，踏板板面均用碳纖維板用鉚釘固定，主體厚度為4 mm.

運用CATIA進行三維建模，采用ANSYS軟件對制動踏板結構進行了軟件仿真與分析。圖5為制動踏板應力變形圖，圖6為制動踏板應力狀態圖。根據軟件分析結果，在滿足強度要求的前提下，進一步優化制動踏板的設計參數和結構。

圖5　制動踏板應力變形圖

圖6　制動踏板應力狀態圖

圖7為踏板底板，采用鋁合金一體化加工而成，結構輕盈強度高，可承受制動踏板2 000 N的力。固定底座采用材料輕盈、力學性能好的碳纖維材料，同時層鋪環氧樹脂，隔幾層鋪入玻璃纖維以增強整體硬度，再抽真空處理，最終風干得到底板。踏板底座依據汽車駕駛座椅前后移動原理設計為前后可調，通過調節適應不同身高的車手，以改善駕駛舒適性。

圖7　踏板底板

3.3其它部件

圖8為主缸支架結構圖，由于采用水平布置的主缸，同時要能承受來自制動踏板的2 000 N的力，支架結構較復雜，在滿足強度要求的前提下，將支架結構拆分為四部分，分別加工，再焊接而成，不僅節省了材料，還降低了加工要求，節省了成本。

圖8　主缸支架

賽車油門控制采用拉線進行控制，為了使拉線隨踏板轉動呈線性變化，采用扇形片結構，如圖9所示。扇形片可將踏板的轉角轉化為拉線的水平移動距離，并保持移動均勻，確保油門控制線性變化，達到最佳控制效果[6]。油門踏板的扇形片半徑設計為節氣門半徑的1.5倍，可使油門踏板踩到60°時，節氣門開度達到100%，輸出最大動力。

圖9　扇形片

制動系統總成裝配圖如圖10所示，賽車實物圖如圖11所示。

圖10　制動系統總成裝配圖

圖11　賽車實物圖

4　結束語

本文結合中國大學生方程式汽車大賽的賽車要求和特點，對湖北文理學院的TSD賽車的制動系統進行了設計和優化。整車完成加工和裝配后，經過反復調試，在2015年“昆侖潤滑油杯”中國大學生方程式汽車大賽中獲得二等獎，賽車在賽場上較好地完成了相關的測試和動作要求，表現出較好的操縱性和穩定性。

[1]中國大學生方程式汽車大賽規則組委會．2015中國大學生方程式汽車大賽參賽手冊[R]．北京：中國汽車工程協會，2015.

[2]鄧召文，唐俊祥.FSAE賽車制動系統優化設計[J].汽車實用技術，2015，（11）：3-7.

[3]賀紹華，陽林，廖世豪，等.FSAE賽車制動系統設計[J].農業裝備與車輛工程，2012，50（12）：35-38.

[4]李棟新，黃光緒，包耳.FSAE賽車制動系統的設計及其優化[J].大眾科技，2014，16（2）：45-48.

[5]羅永革.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2011.

[6]王海林，賴遠宏，蘇喜，等.基于ADAMS的FSAE賽車整車仿真分析和參數優化設計[J].農業裝備與車輛工程，2016，54（06）：41-45.

Braking System Design of FSAE Racing Car

WANG Chao，ZHOU Yue-bin
（School of Mechanical&Automotive Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang Hubei 441053，China）

According to the design requirement of racing car braking performance in the FSAE rules，the car braking system and the main braking parameters are determined，and the braking system simulation analysis and optimal design are carried out on the key parts.Actual test and vehicle running shows that the design of the braking system has good stability and maneuverability，meets the needs of the overall performance of the car，and has certain guiding significance and reference value for the braking system design of the FSAE racing car.

formula racing car；braking system；simulation and analysis

TH122

A

1672-545X（2016）10-0068-04

2016-07-03

湖北省教育科學“十二五”規劃課題（2013B203），湖北文理學院教研項目（JY2015032）。

王超（1993-），男，湖北襄陽人，本科在讀，研究方向：新能源汽車；周岳斌（1973-），男，湖南岳陽人，博士，副教授，研究方向：測試技術與機電一體化。