大学生纯电动方程式赛车设计过程分析

苏润凡

（西华大学 成都 610039）

摘 要：为了加快我国电动汽车高效良性的可持续发展，中国汽车工程学会于 2013 年举办了首届中国大学生方程式电车大赛（简称 FSEC）。西华大学纯电动方程式赛车队是首次参赛的国内十支电动方程式车队之一。本文以西华大学16届纯电动方程式赛车为例，对FSEC赛车的设计方法及指导思想进行了详细的介绍。并结合纯电动赛车的结构特点，对FSEC赛车的整车控制系统、驱动电机系统、动力电池及管理系统、悬架系统、转向系统进行了一一布置和分析。

关键词：FSEC赛车；设计；过程分析

中国大学生方程式汽车大赛由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSEC要求各參赛队按照赛事规则和赛车制造标准。自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车。并携该车参加全部或部分赛事环节。

在设计过程中，根据赛道尺寸及比赛规则的要求首先从电动机和电池的选择入手。考虑赛车的最高形式速度，加速性能及续航时间选择合适的电机和设计满足比赛要求的电池系统。在选择好电机和电池后，赛车的底盘设计与燃油式赛车的底盘设计类似，分为车架，车身，悬架系统，转向系统，传动系统及制动系统。同时结合电动汽车的特点完成整车控制系统及整车布线的设计与布置。

1、纯电动赛车的设计概述：

1.1总体设计要求：

赛车必须在加速、制动和操控性方面具有非常优异的表现，同时又必须具有足够的耐久性以顺利完成规则中提及的及比赛现场进行的所有项目。赛车必须注意驾驶时的安全问题。设计制造过程中也要考虑知识产权保护等问题。

1.2总体设计目标：

通过分析往年FSEC赛车在比赛时采集的数据以及赛道特性可以发现： FSEC 赛道属于低速多弯赛道，并且对赛车的弯道性能以及出弯加速性能要求较高。因此赛车的设计目标之一是通过电池箱及电机的布局，实现理想的重量分布以及合适的轴距。使重量更向后集中于车辆后轴并尽可能地降低了赛车重心，从而保证前轴灵敏的转向响应，以及后轮在出弯时出色的加速表现。其余设计目标主要为一下几点：75m直线加速时间不超过10s；动力系统能为赛车提供至少整个耐久赛的动力；设计中赛车成本也必须有相关的考虑。赛车制造完成后需要对其进行相关实验。主要的测试项目包括直线加速，侧向速度skid—Pad测试，最小转弯半径，赛车续航能力等。

2、全车结构：

2.1动力总成及传动系统：

主要部件包括：电池箱体、电池组、电池管理系统、电机、电机控制器、电机散热机构、减速驱动轴、差速器基座、链轮/皮带轮、差速器轴承、差速器、万向节、保护罩和连接紧固装置等。

2.2车架及车身：

主要包括：主环、前环、主环前撑、前隔板、侧边防撞结构、肩带安装杆、电池箱链接、驱动系统保护结构、前后定风翼和扩散器等。

2.3悬架车轮及转向系统：

主要包括：弹性元件、减震装置、导向机构、横向稳定器、车毂、车辋、车辐、转向操纵机构、转向器和转向传动机构等。

2.4制动系统：

主要包括：制动踏板机构、制动传动装置和制动器。

2.5整车电气部分：

主要包括：整车控制器、整车线速、绝缘检测装置、各类传感器、继电器、各式开关、制动灯和仪表盘等。

2.6其他：

主要包括：座椅、安全带、防火墙、车架车身涂装和防护罩等。

3赛车设计的基本流程：

3.1基准目标的设定：

基准目标是制作车辆的直接目标，将其分解为各个单元和部件的设计目标。即：制定如何完成各个单元和部件的功能、重量、成本等设计目标的方案。制定基准目标前应进行必要信息的收集。尽可能地详细调查车辆的规格、结构、质量、各种性能以及比赛成绩（外形设计、车检、75m加速、制动性能、耐久性、成本报告、营销报告、噪声等）。通过研究成功的经验，总结失败的原因设定出基准目标。

在基准目标的设定阶段有很多性能要素还未正式定下来，这时需要对性能要素进行假设，或者使用上次参赛时车辆的重量及重心位置等进行假设以使其符合基准目标。需要事先设定的要素：①质量。②重心位置。③轮距。④轴距。⑤电机形式、位置、重量及输出功率。⑥变速器的形式位置。⑦转向齿轮比、转向盘半径。⑧驾驶座的位置、加速踏板、制动踏板的位置。⑨电池箱的位置和电池总容量。⑩车架的大概构造。

3.2绘制总布置草图

通过CATIA等三维建模软件绘制出赛车的整体三维模型。在此之前要设计确定出各总成及部件的外形和尺寸，完成各总成及部件的三维建模。通过对赛车进行整体装配确认各部件之间不存在干涉情况。如果存在干涉情况，相关设计人员应及时进行协调并更改设计解决干涉问题。通过绘制总布置草图，确定整车主要尺寸，性能要素。以便较准确地确定赛车其他部件的相关关键参数。

3.3各零件具体设计及校核：

通过前期确定的关键参数，查阅相关资料进行零部件的具体设计及校核。使用建模工具UG、CATIA和CAD等常用的机械设计或模具打造的模拟软件，完成零部件的三维模型。完成三维建模后，对于本身承受外力较大的零部件我们应使用ANSYS等有限元分析软件对其进行校核。

3.4零件加工及装配：

零部件初步设计好后还应充分考虑加工的可行性，本着不影响零部件功用的情况下尽量减少加工工序，降低成本。在加工前应完成对应工程图及装配图的出图。零部件加工完后应对应工程图及装配图检查是否合格，不合格应及时返工。

4赛车各系统设计：

西华大学纯电动式方程式赛车采用国内外普遍应用的电机后置后驱的布置方式。电池箱内置位于车架主环后。

4.1动力电池及管理系统：

常用的充电电池有铅酸电池、钠硫电池、镍氢电池、锂电池、及软包电池。而大学生方程式赛车上一般使用的是锂电池或软包电池。2016赛季西华大学电车队选用三星2500mAH，放电倍率达10C的18650电池。电池在满足赛车对大电流需求的同时，其高强度的单体外壳还能为高压电池组的安全提供保障。电池箱还应配備相对应的电池管理系统。实时精准的检测电池状态，保障高压电池组的安全，在合理管理电池能量的同时使电池内部与外部整车进行信息交互。其装配的热管理系统，可以有效减少电池组内的温度差异，抑制局部热区的形成，防止电池过快衰减，延迟电池组整体寿命。

4.2驱动电机及整车控制系统：

赛车电机的选择需要考虑赛车的最高车速、加速性能，并根据电机峰值功率的持续时间、控制响应时间、扭矩及调速范围等条件。选用合适的电机，还应为电机设计冷却系统。整车控制系统的芯片国内外普遍应用飞思卡尔芯片。西华大学电车队采用四层PCB板提升抗电磁干扰能力，为了提高运算速度，采用双核16位飞思卡尔M9S12XS128作为主控芯片，自助设计嵌入式整车控制系统，实现对整车可靠、高效、精准的控制。

4.3悬架系统

悬架系统的设计从解读轮胎开始。通过建立的轮胎模型，对轮胎不同载荷、不同胎压下的横向及纵向特性进行了分析，从而优化悬架几何保证赛车在出弯时两侧后轮同时工作在理想的轮胎外倾角下，配合底部扩散器，确保出弯时更快的加速。悬架对硬点有很高的精度要求，所以悬架的夹具设计应避免由于悬架硬点附近车架焊接变形造成的误差。其他关键零件如立柱、轮毂，摇臂应运用CAE软件进行校核和优化。最后，悬架设计离不开实车调校，应安装相应的传感器为悬架的调校测试提供准确的数据。

4.4转向系统

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。

4.5制动系统

设计制动器时不仅要考虑诸如制动距离长短等物理指标，还要考虑到人-机系统的协调配合，例如车辆能否按照驾驶员的意图减速等问题。赛车由于制动情况频繁，所以就需要制动器在频繁的工作状态下也能确保瞬间产生稳定、足够的摩擦力，这时需要解决关于制动散热等问题，一般采用盘式制动器。

5结语：

本文主要是作为一名正式参赛队员对所学的汽车设计知识及赛车设计制造过程的总结。从赛车的总体设计要求，基准目标的设定，到赛车各系统的介绍和各系统设计原理简述，本文皆做了全面的探讨。作者希望本文对其他后续参赛者能有所帮助。

参考文献

[1] 张强华，李 强，丁一慧，张可成. 大学生方程式赛车空气动力学套件的流场分析[J]. 浙江科技学院学报. 2016（01）.

[2 阮安正，朱丽. 基于有限元的节能赛车车架模拟分析[J]. 机械工程师. 2016（08）.