FSC賽車制動系統設計

王漠　齊林芳　繆秉宏

摘要：大學生方程式汽車大賽是一項激烈的賽車運動，對賽車的制動性提出了較高的要求，對此設計了一款不同于乘用車的踏板總成，利用可電動調節的絲杠滑軌進行踏板總成位置的前后調節，采用matlab軟件對不同賽車——路面情況下的前后制動力分配進行計算，得到適合從濕滑到干燥范圍的地面情況下的對應最佳制動力分配比，在前置主缸和平衡桿的配合下實現制動力可在較大范圍內進行調節，提高了賽車適應路面的能力。

關鍵詞：大學生方程式汽車大賽；踏板總成；電動絲杠滑軌；制動力

1引言

中國大學生方程式汽車大賽是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽，是大學生中的“FI”。在這項激烈的賽車運動中，作為汽車的重要組成部分，制動和加速踏板是車手的主要操縱部件。制動踏板主要用于減速，是使用頻率極高、用以保證汽車行駛安全性的操縱件；加速踏板通過油門拉線和節氣門相連，通過踩下加速踏板使節氣門有不同的開度，從而控制發動機的動力輸出。

比賽過程中制動距離太長、緊急制動發生側滑等情況的發生是由于前后的制動力分配比不恰當所導致的，而制動力分配比是由附著系數直接計算得出。傳統的車隊往往采用Excel表格的方式進行計算，雖然較為方便，但在比賽時由于天氣狀況、路面狀況以及輪胎磨損情況難以確定，使得設計時所用的附著系數與真實的附著系數之間存在偏差，以至于所得到的制動力分配比范圍并不能良好地應對各種賽車——路面狀況。所以導致許多車隊在賽前測試時難以抱死。

由于車手的體型和駕駛習慣不同，通常需要對踏板總成位置進行前后調節，但在傳統的踏板總成設計中，通過機械方式實現前后可調的裝置不僅檔位有限，而且調節起來復雜費時。

2制動力匹配計算

2.1受力分析

對賽車制動工況進行如下規定與簡化：假設賽車同軸上輪邊受到的載荷相同，且忽略汽車的滾動阻力，忽略輪邊、飛輪的慣性力矩，忽略空氣阻力對制動性能的影響。對車輪進行制動工況的受力分析。如圖1，分別對前、后車輪接地處取力矩為

3制動時最佳制動力的分配計算

對于兩軸汽車，常用前制動器制動力與汽車總制動器制動力之比來表示分配的比例，稱為制動器制動力分配系數，以符號B表示，即有：

4目標函數及約束條件的確定

當附著系數φ=0.2～0.8時，當賽車不在同步附著系數的路面上制動時，達到前輪或者后輪抱死前的制動強度必然低于路面附著系數，而賽車的制動強度越接近路面附著系數，地面的附著條件發揮的就會越充分，汽車制動力分配的合理程度越高。在進行乘用車，尤其是商用車的前后制動力分配比優化時，需進行空載和滿載2種工況的校核。可是對于大學生方程式賽車來說，其載荷變化并不大。故只考慮承載車手時的賽車制動工況。根據前、后軸的利用附著系數，利用實際曲線與理想曲線間差值平方和為最小，建立下列目標函數

賽車在任何載荷情況下都要滿足聯合國歐洲經濟委員會汽車法規要求，而賽車作為單人駕駛的車輛，屬于M1類。ECE制動法規和GB12676-1999.x～M1類車輛的制動器制動力分配系數有如下要求：

（1）當制動強度為0.1-0.61時，前軸兩輪的利用附著系數曲線，在后軸兩輪的利用附著系數曲線之上，而且前后軸的利用附著系數都應小于（2+0.07）/0.85。

（2）當制動強度為0.3-0.45時，前軸兩輪的利用附著系數曲線，在后軸兩輪的利用附著系數曲線之上；如果后軸利用附著系數曲線不超過直線φ=z+0.05，則允許后軸利用附著系數曲線在前軸利用附著系數曲線之上。但賽車的車速較高，因此在設計中不允許后輪先于前輪抱死。故數學約束條件為（7）和（11），編寫目標函數。

得到B=0.6452

5踏板總成設計

5.1平衡桿機構設計方案的分析與選擇

當車手給予的踏板力為F時，制動主缸和108 AUTOTIME制動踏板之間的平衡桿兩端所受到的力F1和F2為

所以，當路面附著條件發生變化，從而要改變賽車的制動器制動力分配系數時，可以將平衡桿與制動踏板相連接的支點左右調節，通過改變L1、L2的比例，由式（1）、（2）改變F1、F2的大小，即改變了賽車的制動器制動力分配系數。

5.2電動絲杠滑軌的設計

當今，FSC參賽的車隊使用最多的調節踏板總成的方式是手動調節，其中分為吊耳式、棘輪式、滑軌式。吊耳式調節時往往需要拆除車頭、掀起制動總成的底板，且只能進行2-3個檔位的調節，不能很好地滿足不同體型的車手的需求。棘輪式以及滑軌式調節法的主要缺點是調節后需要卡緊機構固定踏板總成，整個操作過程耗時過長。在時間緊迫的賽場上無法貼合車手以及賽事的需求。

如圖1所示，包含踏板總成底板3、兩條平行的滑軌2和絲桿6，所述兩條滑軌2以及絲桿6處于踏板總成底板3的一側并相互平行。所述兩條滑軌2上各設有兩個滑塊1，在平衡踏板受力的同時利于調節踏板位置。所述兩條滑軌2與兩根車架鋼管4相連接。所述的兩個滑座5通過螺栓孔與踏板總成底板連接。所述電機7與絲桿6末端相連接，用以驅動絲桿轉動進行踏板位置調節。所述絲桿6前端與上方車架鋼管4相連接。

在實際操作過程中，僅需轉動儀表板上的旋鈕即可調節踏板位置，通過絲桿滑軌與電機的連接即可實現踏板總成的電動可調。絲桿的螺紋與滑座的螺孔形成滑動副，通過電機控制實現踏板總成位置的無級調節。采用絲桿滑動副，實現了踏板總成位置的無級可調，在提高駕駛舒適度的同時縮短了調節踏板的時間，免除了以往拆卸車身，裝拆螺母的步驟，僅需轉動儀表板上的旋鈕即可調節踏板位置。

6結語

對于大學生方程式賽車來說，其載荷變化并不大，本文基于承載車手時的賽車的制動工況，利用Matlab工具對中國大學生方程式賽車的制動器制動力分配系數B進行了優化。該方法已應用于2016賽季武漢理工大學WUT車隊制動力設計中。本優化的方法較為實用、簡捷，可縮短賽車的研發改進周期。