大學(xué)生方程式賽車踏板總成設(shè)計(jì)

王世權(quán)，任豪放

大學(xué)生方程式賽車踏板總成設(shè)計(jì)

王世權(quán)，任豪放

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

以武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)2019賽季賽車為例，以《2019中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則》為依據(jù)，使用CATIA、ANSYS等軟件對(duì)賽車踏板總成進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，最終設(shè)計(jì)出了一種滿足各工況下的制動(dòng)和加速要求、安全可靠的踏板總成，確定了前后輪同時(shí)抱死時(shí)的制動(dòng)力分配，能為大學(xué)生方程式賽車踏板總成的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

方程式賽車；踏板總成；仿真分析；制動(dòng)力

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽要求各參賽車隊(duì)遵照大賽規(guī)則，在為期1年的時(shí)間里，車隊(duì)全體成員一起設(shè)計(jì)并制造出1輛性能優(yōu)異的賽車，最后到參賽場(chǎng)地爭(zhēng)取成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)[1]。加速踏板在方程式賽車改變車速中扮演著十分重要的角色，制動(dòng)踏板是制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，在賽車減速停車時(shí)發(fā)揮著重要作用，一款符合人機(jī)工程的制動(dòng)踏板總成，能讓車手更好地操縱賽車，這將直接提高賽車的行駛安全性。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

滿足中國(guó)大學(xué)生方程式賽車規(guī)則要求；滿足各種競(jìng)賽工況下的制動(dòng)要求，以求達(dá)到足夠的制動(dòng)效能，合理進(jìn)行制動(dòng)力分配，能保證在動(dòng)態(tài)賽路上應(yīng)對(duì)任何突發(fā)情況；與上賽季相比，減輕踏板總成質(zhì)量，達(dá)到輕量化目標(biāo)。

2 選定主缸和卡鉗

通過與車手進(jìn)行討論，預(yù)設(shè)251.96 N的制動(dòng)抱死時(shí)的踏板力，最終選定制動(dòng)主缸為titon 78-625series，活塞孔徑為0.625 in（1 in=2.54 cm），活塞面積為0.31 in2，活塞行程為1.1 in；卡鉗為Wilwood GP200，平衡桿為72-250，螺紋尺寸3/8-24，總長(zhǎng)4.75 in，中心距2.5 in。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 制動(dòng)主缸放置形式

可選擇的制動(dòng)主缸放置形式有立式、臥式前置、臥式后置。上賽季采用的是立式主缸，節(jié)約了布置空間，拆裝較為方便，滿足了使用方面要求，只是在兩主缸的限位方式上存在問題，限位夾具與超程開關(guān)發(fā)生干涉，2020年進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，解決了問題。因此，本賽季依然采用主缸立式布置形式。

3.2 油門拉線固定形式

3.2.1 選擇油門拉線的固定形式

可選擇的油門拉線的固定形式有支架式、連桿式、滑塊式。根據(jù)以往賽季的經(jīng)驗(yàn)來看，支架式拉線與固定孔存在一定的偏離角度，但完全可以通過調(diào)節(jié)支架的固定位置來避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，改進(jìn)之前的不足；而滑塊式油門拉線位于踏板底部，減小了使用空間，減少了部分裝置，但是會(huì)產(chǎn)生不順滑、卡頓的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)與加工誤差可能會(huì)導(dǎo)致桿件卡死；連桿式油門拉線需要將加速踏板桿做到邊緣處，增大了踏板總成的質(zhì)量，總體不如支架式油門拉線。因此，最終選用支架式油門拉線作為本賽季油門拉線固定形式，即將油門拉線支架連到油門加速軸上，易于操作裝配和檢查。

3.2.2 優(yōu)化方案

上賽季后期練車中發(fā)現(xiàn)了支架式油門拉線出現(xiàn)了油門踏板的空程過大（大于5°），而正常油門拉線的空程應(yīng)小于3°。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，是因?yàn)橛烷T拉線支架和踏板前端固定的油門拉線固定吊耳高度不匹配，使油門拉線沒有緊繃，高度差比較明顯。而本賽季特別注意了這一點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)保持二者的高度一致。為了便于與轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行焊接，固定拉線支架采用鋼材制作。

3.2.3 建立三維模型并進(jìn)行仿真分析

通過CATIA軟件建立固定拉線支架的三維模型如圖1所示，并使用ANSYS軟件對(duì)固定拉線支架進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖1 固定拉線支架三維模型

圖2 固定拉線支架仿真分析

由圖2可以看出最大應(yīng)力所在位置的最大應(yīng)力值約為383.21 MPa，分析結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的固定拉線支架完全符合要求，正常情況下不會(huì)被踩得彎曲或扭曲，安全可靠。

3.3 踏板面設(shè)計(jì)

由于賽車運(yùn)動(dòng)具有激烈性，要求車手的腳尖和腳跟均需橫向固定，以防止車手在過彎過程中雙腳脫離踏板，進(jìn)而發(fā)生危險(xiǎn)。因此，腳托的固定位置不能離踏板桿過近，進(jìn)而無法發(fā)揮好腳托的作用，且不符合人體工程學(xué)，踏板面通過車手的多次嘗試確定了形狀和尺寸。此外，本賽季利用復(fù)合碳纖維材料加工出踏板面，相比于上賽季采用的鋁質(zhì)材料，降低了踏板的質(zhì)量并且增加了其強(qiáng)度，保證安全、可靠的同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化。

3.4 制動(dòng)燈開關(guān)布置形式

制動(dòng)燈開關(guān)的布置形式有傳統(tǒng)式、油壓式、按壓式。2019年采用的是按壓式的制動(dòng)燈開關(guān)，由于在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到制動(dòng)燈開關(guān)的位置，在練車中發(fā)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)燈需要主缸達(dá)到一定行程時(shí)才會(huì)亮，因此，2020年擬選購(gòu)適合的油壓傳感器安裝在制動(dòng)管路中，以電信號(hào)來控制制動(dòng)燈的亮滅，但仍然為點(diǎn)動(dòng)開關(guān)預(yù)留位置。

3.5 踏板總成可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

方程式賽車踏板總成可調(diào)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板、加速踏板的前后移動(dòng)，可以使不同身高的駕駛?cè)藛T無拘無束地駕駛賽車，符合人機(jī)工程學(xué)，能夠在一定程度上保障賽車的行駛安全性。

踏板總成可調(diào)機(jī)構(gòu)主要分為槽式、棘輪式、蝸輪蝸桿式以及電動(dòng)調(diào)節(jié)。本賽季采用滑槽結(jié)構(gòu)，根據(jù)幾位車手的身高來選定孔的位置，在鋁板面上開孔實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)節(jié)。利用CATIA軟件搭建實(shí)體踏板總成的簡(jiǎn)易模型，來確定最適合的尺寸和位置，從而使車手操作更加舒適。固定方式不再采用螺栓螺母，而是采用快拆銷進(jìn)行固定，拆卸調(diào)節(jié)更加方便。

3.6 加速踏板

加速踏板形式主要有懸掛式和地板式兩種，懸掛式下部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，踩踏輕便；而地板式則可以減少疲勞，實(shí)現(xiàn)控制精準(zhǔn)。

本賽季決定采用地板式，加速踏板桿和轉(zhuǎn)動(dòng)軸采用螺栓螺母的形式固定，油門拉線支架與加速踏板的轉(zhuǎn)動(dòng)軸焊接在一起，保證了聯(lián)動(dòng)。油門拉線通過帶孔螺栓緊固，同時(shí)，可以調(diào)節(jié)油門拉線的撓度，調(diào)節(jié)節(jié)氣門的打開程度，油門踏板處的軸承座在網(wǎng)上購(gòu)買，用螺栓螺母與底板固定。

4 參數(shù)及制動(dòng)性能計(jì)算

通過計(jì)算和校核，最終確定卡鉗和制動(dòng)盤的具體尺寸，如表1所示。

表1 卡鉗與制動(dòng)盤具體尺寸參數(shù)

位置卡鉗缸徑/mm制動(dòng)盤缸徑/mm 前輪31.24195 后輪25.40195

表2 制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)與最小制動(dòng)踏板力計(jì)算結(jié)果

同步附著系數(shù)φ0制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)β最小制動(dòng)踏板力/N 0.80.604 7179.42 0.90.618 7197.54 1.00.637 5215.87 1.10.656 3237.15 1.20.675 0257.20 1.30.693 8268.43

同時(shí)可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果來調(diào)節(jié)平衡桿，進(jìn)而改變杠桿比，使兩主缸受力不同，產(chǎn)生的壓力不同，實(shí)現(xiàn)前后輪的制動(dòng)器所產(chǎn)生的摩擦力矩不同，制動(dòng)更加穩(wěn)定、可靠、安全[3]。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了制動(dòng)主缸放置形式、油門拉線固定形式、踏板面設(shè)計(jì)、制動(dòng)燈開關(guān)布置形式、踏板總成可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、加速踏板等設(shè)計(jì)方案，并通過CATIA軟件建立了相關(guān)三維模型，利用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真分析，最終設(shè)計(jì)出的踏板總成滿足各種競(jìng)賽工況下的制動(dòng)要求，能夠合理地進(jìn)行制動(dòng)力分配，以達(dá)到足夠的制動(dòng)效能。在參考上賽季踏板總成設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行了部分優(yōu)化，減輕了質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)，能夠?yàn)榉匠淌劫愜囂ぐ蹇偝傻脑O(shè)計(jì)提供一定的參考。

［1］中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2012，2（2）：146.

［2］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］張唯一，李紹春，徐晨輝，等.大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車踏板總成可調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2017（2）：95-96.

U462

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.010

2095－6835（2020）12－0026－02

〔編輯：張思楠〕