基于大学生电动方程式赛车设计过程分析

黄爱维　王承梅　许镜仪

（南通理工学院，江苏　南通　226002）



基于大学生电动方程式赛车设计过程分析

黄爱维王承梅许镜仪

（南通理工学院，江苏南通226002）

摘要：FSAE赛车项目由南通理工学院汽车服务工程和车辆工程专业合作开展。本文详细介绍了本次设计的方法及指导思想。在设计过程分析中，综合电动汽车的结构特点，对汽车的传功系统、行驶系统、转向系统、制动系统进行一一分析和布置。

关键词：FSAE赛车；设计；过程分析

纯电动汽车是指将车载电池作为唯一动力源，以电机驱动的方式驱动轮胎旋转，此类车辆能够符合道路交通、安全法规中各项要求。随着计算机的发展，电动车技术己经成熟和完善，使驾驶变得更安全、方便、灵活、舒适。将来，电动汽车可以真正占据传统燃料汽车的未来竞争市场。

在设计过程中，首先从电动机和电池的选择入手，为了使汽车获得最高行驶速度，经过计算选择电机和电池。在选好电机和电池后，和设计燃油汽车的底盘一样，同时综合电动汽车的结构特点，对汽车的传功系统、行驶系统、转向系统、制动系统进行一一分析和布置［1］。

1　纯电动赛车总体设计概述

1.1总体设计要求

设计要求有：赛车尺寸满足赛道和比赛要求限制；排放要满足环保要求；注意使用时的安全问题；汽车各性能应满足开发所确定的指标；知识产权保护；避免部件发生运动干涉；采用可维修或者可维护材料；满足组委会的技术规范。

1.2总体设目标

设计此赛车的性能并符合Formula SAE竞赛相关规定和要求的方程式，该车的性能设计目标主要为以下几点：0～100m直道加速时间小于12s；设计过程中成本、性能和可靠性等方面有必要进行考虑；以试验的方式对赛车进行验证，检测其是否达到设计目标。主要的测试项目包括直道加速，侧向速度skid-Pad测试。总体设计是以设计出一辆安全可靠、性能均衡、具有良好的驾驶特性、调整方便且有足够速度的赛车为主要目的。

2　全车结构

2.1动力总成和传动系统

主要部件包括动力电池、动力电机、变速机构、发动机座、驱动轴、差速器基座、链轮/皮带轮、差速器轴承、差速器、万向节、保护罩及连接紧固装置等。

2.2车架及车身

主要包括车辆承载部分、防滚架和外壳及蒙皮。主要部件包括加速踏板、制动踏板、变速杆（换档杆）及相关连接线、车身材料、底板、定风翼、安装基座和连接紧固件等。

2.3悬架系统

主要部件包括减震器、弹簧、悬架机械系统、拉/挺杆、前/后支柱、直角杠杆/换向机构及连接紧同件等。

2.4制动系统

主要部件包括制动管线、制动块、卡钳、液压缸/泵和制动盘等。

2.5转向系统

主要部件包括转向齿条/齿轮、转向节、方向盘等。

2.6车轮

主要部件包括轮辆、带耳螺母、轮胎、气门嘴、车轮平衡块、轮毅轴承及前/后轮毂等。

2.7仪表

主要部件包括电机转速表、动力模块电子系统、车载计算机、束线/接口、仪表板、保险丝、刹车灯、启功机电磁开关、指示灯、蓄电池、继电器、启动开关、水温表及连接紧固件等。

2.8其他

主要部件包括座椅、安全带、车架/车身涂装、防火隔板、后视镜和安全护罩等。

3　总体设计进度

首先熟悉发动机及汽车其他配件；依照南通理工汽车学院现有资料初定总体参数；设计并布置悬架；设计车架，然后装配各零部件；设计并布置后轴传动，确定传动方式；设计并布置座椅和转向系统；重新确定轴距；布置制动系统和电器系统；最后设计并安装车身。

4　赛车设计的基本流程

4.1初始规划和调研

了解目前方程式赛车的参赛要求和实际操作的可行性。

4.2方案的确定和修改

其任务是提出赛车的设想，主要根据为讨论决策所选定的目标及对开发目标制定的工作方针和设计原则等主导思想。

4.3绘制总布置草图

通过绘制总布置草图，确定整车主要尺寸、质量参数与性能指标以及各总成的基本型式。在总置草图上要较准确地画出各总成及部件的外形和尺寸，对轴载荷分配和质心高度作计算与调整，以便较准确地确定汽车的轮距、总长、总宽、总高、离地间隙或车身地板高度等。

4.4车型设计和车身框架模拟设计

使用建模工具比如UG和CAD等常用的机械制作或者模具打造的模拟软件，对车身的稳定和风阻等方面问题进行适当修改，然后征求领导和专家意见。

4.5赛车设计未来规划

此次设计的方程式赛车为以后实体操作和应用打下基础。规划包含如下几方面：设计要求、设计灵感和设计理论依据，赛车现实用途和生产规格；赛车型号、核定承载量、构架形式及主要规定指标和参数，赛车要求的基本尺寸和整车规格、轴承参数，符合规定的环保指标和安全性。

5　赛车各系统设计

赛车采用国内外FSAE普遍应用的发动机中置后驱的布置方式。

5.1悬架总成

对于FSAE赛车悬架系统，赛车采用当今广泛应用于方程式赛车的双横臂独立悬架。独立悬架有多种结构形式，如双横臂式、烛式、麦弗逊式等。其中，不等长双横臂式独立户悬架的设计自由度大，悬架控制臂的长度可自行设定，有较小的非簧载质量。

5.2转向系统设计

针对转向系统方案的确定，赛车的转向机构转向梯形前置，转向拉杆横置，转向机构为齿轮齿条。由于在连接转向节臂、横拉杆以及齿条机构的过程中必然存在微小的间隙，因此在转向梯形后置的状态下，当车辆转弯时，来自转向轮的力将会影响整个转向系统，这将对其操控性产生一定不良的影响。

5.3赛车制动的规划

机械摩擦式制动系统是目前汽车广泛采用的，是利用摩擦旋转元件来使汽车动能衰减，生活中常见的机械摩擦式制动元件有鼓式和盘式。根据大学生方程式赛车赛事规则，赛车配备的制动系统必须有2套独立的液压回路，以防系统泄露或失效时，至少在两轮上保持有效的制动力。而盘式制动器的优点就是更稳定的制动系统，更好的水稳定系统，更好的散热系统，更方便的维护和保养。

6　小结

本FSAE设计，主要是对所学的汽车设计知识的总结。课题研究包括：电动机的选取，电动机外轮廓尺寸的确定；还有在选取后对汽车动力性的计算。而作图环节更是锻炼了设计者的动手实践能力，学会使用CAD、UG等绘图工具，并且了解了一些小的技巧。在设计赛车的过程中，需要查阅大量的资料才能完成。

参考文献：

［1］周定陆，杜子学.汽车总体布置设计应考虑的问题［J］.汽车研究与开发，2001（2）：23-26.

中图分类号：U469.696

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2016）02-0100-02

收稿日期：2016-01-12

作者简介：黄爱维（1989-），男，硕士在读，研究方向：汽车维修。

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