基于BAJA赛车设计技术的大学生创新实践能力培养研究

2019-12-25金兆辉王达于文博

吉林省教育学院学报 2019年11期

金兆辉王达于文博

摘要：为了提高大学生创新能力，培养大学生工程技术能力，建立以学生为中心的大学生创新实践能力教育改革。根据《2019中国汽车工程学会巴哈大赛规则》，对巴哈越野赛车进行设计。本文针对吉林大学2019年BAJA参赛赛车，在车架、动力总成、悬架系统3个方面进行了探究，在保证赛车安全性的前提下，更大地提高赛车动力性、稳定性和可靠性。以期通过创新实践能力教育改革，培养出创新型高素质人才。

关键词：巴哈越野赛车;车架;动力总成;悬架系统;教育改革

doi：10.1608 3/j .cnki.16 71-15 80.2019.11.0004

中图分类号：F407.471;G642.0

文献标识码：A

文章编号：1671-1580（2019）11-0015-05

在新工科背景下，传统培养工科人才的教学模式已不能满足社会对人才的需求。如何改革传统工科专业教学模式十分重要。因此，以大学生巴哈大赛为平台，建立一种以学生为中心，工程实践为主体的大学生创新实践能力培养平台，对加快新兴领域T程科技人才的培养具有积极的促进作用。

中国汽车工程学会巴哈大赛（Baja SAE Chi-na），简称BSC大赛，是由中国汽车工程学会于2015年创办的主要面向职业院校和本科院校开展的小型越野汽车设计和制作赛事[1]。吉林大学肯赛巴哈越野车队成立于2018年，是一支年轻的学生赛车团队，将于2019年携新赛车CONCEPT 19B首次参加中国大学生巴哈越野汽车大赛。车队以积累经验、学习交流、成长提高作为此次参赛的首要目标。精细设计的动力总成、应用复合材料的拖曳臂独立悬架、系统动力学驱动的底盘设计，是新赛车的三大技术特色。

一、整车布置和车架设计

赛车整体布置是在赛车的总体方案确定后，要对总成和部件进行空间布置，并校核初步选定的各个部件的结构尺寸与安装位置能否满足整车空间尺寸的要求，通过整车布置设计与装配培养学生三维建模能力和动手能力，提高学生工程实践能力。

（一）整车布置

CONCEPT 19B整车布置紧凑，重量集中。整车尺寸长2026mm，宽1470mm，高1457mm，最小离地间隙280mm，在保证整车离地间隙的前提下，尽量降低整车的质心高度，减少整车横摆方向的转动惯量[2][3]。合理布置了车辆各个系统，并且留出维修空间，方便进行操作。我们将发动机适当抬高，在保证动力总成空间布置的同时将减速箱置于车架底面，降低质心高度。蓄电池在符合工程设计的前提下，置于防火墙后侧。车辆X、Y、Z各轴惯量分别是56.275kg.m2、71.922kg.m2、105.331kg.m2。整车渲染图如图1。

（二）人机工程

在满足赛规的前提下，我们重新设计了车架结构并相应调整了各构件的安装位置，充分提高了驾驶舱的空间利用率。全新的人性化布置令车手拥有更加安全和舒适的车内空间，让车手能在相对舒适的状态下进行操作。新赛车采用了H30为35mm的人机布置，有效保证了车手开阔的视野。

同时，新赛车使用了为车手定制的专用碳纤维复合材料座椅，使车手驾驶体验得到有效改善。在座椅的设计过程中，我们让座椅椅背贴合车手驾驶姿态时的脊柱弧线，使腰背部能得到有效支撑，并让坐骨结节承重承压，避免了大腿以下部分承压。通过上述設计，达到了使车手体压分布更加合理的目标。在座椅的实际制作过程中，我们根据车手的反馈信息，对座椅的侧面支撑等区域进行刚度加强，以保证在行驶过程中座椅能有效限制住车手的移位。

此外，我们采用了5-95百分位人体模型与真人实物体验双重校核方法，保证了车手身体各肢体角度和视野处在合适位置。车手驾驶新赛车时，脚角、膝角、肘角分别稳定在900、850和1 100左右。

（三）车架设计

车架设计符合BSC2019版规则[1]，在保证人机工程和整车布置的前提下，以提高车架刚度和降低总质量为设计目标：扭转刚度不低于1800Nm/deg、弯曲刚度不低于65000Nm2、总质量控制在33kg以内。

在设计过程中，我们以有限元分析为校核依据，通过选用不同规格的30CrMo无缝钢管和增加超静定结构以达到设计目标。同时，对车架结构进行局部优化以降低装配复杂度，如：前舱合理增加钢管，合理设计悬架耳件与车架的连接关系，避免异形耳件的出现，降低耳件的加工、焊接难度。此外，我们对避震器固定点进行了局部加强设计，提高了车架在应对极限工况的强度。以满载扭转工况为例，改进前前舱最大应力为303MPa，改进后满载扭转工况最大应力为180MPa。

经上述设计，车架计算扭转刚度为1960Nm/deg、弯曲刚度为70600NNm2，车架及附属焊接结构总质量为31kg，与上一代赛车相比减重13%。

二、动力总成

CONCEPT19B采用“CVT+自制两挡手动变速器”的传动路线，以赛车动力性为设计目标，兼顾最大爬坡度与最高车速。同时，为了进一步提高赛车的动力性，我们对CVT进行调整，尽量利用发动机的最大扭矩和最大功率的转速区间。通过CVT调速特性试验，培养学生创新性实验思维，加强理论与实践结合。

（一）两挡变速器的结构设计

对变速器壳体和齿轮进行了有限元分析和拓扑优化，在保证强度刚度满足使用需求的情况下，对变速器进行轻量化设计，最终变速器总重4.8kg，相比于前代设计减重30%，如图2。该变速箱有如下的设计特征：

1.减速器内部设计了一个白锁机构，使用波珠螺栓对拨叉轴进行锁止，保证在赛车高速运动时减速器不跳挡，同时让车手能拥有良好的换挡手感;同时在换挡杆上加入限位机构，防止车手比赛时失误换挡。

2.考虑了减速器整体布置和传动比，将接合套布置在中间轴上。

3.在保证齿轮得到充分润滑的情况下，尽量降低润滑油液面;在减速器壳体上加入了视油窗设计，便于观察机油状况。

4.在注油孔上使用防水透气阀，可以在防止润滑油飞溅出减速器的同时，保持减速器内外气压平衡。

5.在齿轮腹板设计上，我们结合拓扑优化结果设计了齿轮异形孔减重结构;在减速器壳体设计上，我们采用加强肋来增大轴承安装孔的刚度，并通过有限元方法分析加强肋方向与轴承刚度之间的联系，最终在保证合理力学性能的前提下实现了对减速器的轻量化设计。

6.在中间轴齿轮与轴有相对旋转的部位加入铜垫片以减小摩擦阻力，同时可以调整减速器轴向间隙。

（二）两挡减速器的参数设计

设计高速挡传动比的设计方向是使赛车最少满足爬坡25°，同时最高车速达到65km/h以上，这样的设计可以使赛车在长直道中有出色的表现。设计低速挡传动比时，综合考虑了减速器整体布置和赛车最大爬坡度。最终选择了9.32和12.40两个传动比。当赛车处于高速挡时，可达最高车速71km/h，最大爬坡度280;当赛车处于低速挡时，可达最高车速5 Skm/h，最大爬坡度380。

我们选用75mm作为第一级齿轮的中心距，90mm作为第二级齿轮的中心距，兼顾了减速器整体布置需求和齿轮强度的需求。在选择齿宽时，我们考虑让齒轮在有足够承载能力的同时尽量减少齿宽，以减轻齿轮质量和减少齿轮齿向载荷分布不均的情况。同时小齿轮的齿宽比大齿轮大2mm，以避免齿轮轴向安装误差导致齿轮副不完全啮合。在选择变位系数时，我们考虑让齿轮承载能力和重合度得到提高，同时调整齿轮中心距以满足设计需求。

此外，使用KISSsoft软件进行计算，兼顾齿根弯曲强度和重合度，选择1.5为第一级齿轮模数，2.5为第二级齿轮模数。按照DIN3990的标准对齿轮进行了校核，齿根安全系数为1.539，齿面安全系数为1.025，齿面安全系数偏低。在齿轮加工时我们对齿面进行渗碳淬火处理以提高齿面安全系数。

（三）CVT调速特性试验

为了实现整车的动力匹配，我们白行设计了一个CVT调速特性实验来观察CVT在更换多种不同刚度的压盘弹簧和不同质量的离心滑块后CVT调速特性的变化。实验台使用铝型材搭建，两个霍尔传感器来记录CVT主动轮和从动轮的转速，如图3。经过多组实验，通过使用合适的压盘弹簧和离心滑块对CVT的调速特性进行了调整，调速特性曲线如图4。该调整通过换用大质量的离心滑块将CVT的起始变速转速提高，调试特性曲线整体向高转速平移，从而使发动机转速达到最大扭矩区间时的CVT传动比相比于调整前提高约10%，使整车最大驱动力得到提高。换用低刚度的压盘弹簧使CVT变速速率提高，弥补了由于换用大质量离心滑块后导致的调速特性曲线整体后移，使CVT在发动机达到最大功率转速区间之前能达到其自身最小传动比，充分利用了发动机的最大功率转速区间。

三、悬架设计

CONCEPT 19B通过理论设计与实践经验相结合的方式，基于赛道情况，借助多体动力学分析和有限元分析，进行了悬架的性能设计、参数设计和结构设计[4][5][5]。前悬架具有退让式几何，增加了整车的越障能力。后悬架采用复合材料拖曳臂设计，在保证可靠性的前提下，减小了焊接误差，如图5。通过仿真分析，让学生迅速了解设计的优缺点，从而优化设计结果，经过几轮迭代过程，最终完成设计，从多个角度更好地让理论与实践相结合。

（一）结构设计

1.导向机构设计和校核方法。我们设定了CON-CEPT 19B可能会遇到的几种极限工况。例如：最大垂直力、侧向冲击、制动力和驱动力工况。在设计过程中安全系数大于8，以此保证导向机构在受到极限工况冲击时依旧具有可靠性。前悬架转动副两端自主设计了尼龙衬套，起到润滑、减震缓冲和保护转动副的作用。

2.轻量化轮边总成。本车轮边总成质量约为初代车的70%，转向节、芯轴和轮毂材料均为7075-T6铝合金，在保证强度的同时实现了簧下质量的轻量化。考虑到行驶过程中的受力情况和可能面临的较为恶劣的赛道条件，每个轮边总成选用两个不同规格的带油封的角接触球轴承作为轮边轴承。该轴承不但具有足够的纵向承载能力还具有很强的抵抗侧向力的能力，保证轴承有更高的使用寿命。

3.复合材料拖曳臂。我们采用凯夫拉布与碳布混合铺层的设计方法，利用碳纤维抗拉伸能力强和凯夫拉纤维耐磨韧性好的特性。将强芯毡和碳纤维布铺在中心。凯夫拉布在外侧，如图6。这种工艺在满足结构强度设计的同时，达到轻量化的目的，同时省去焊接加工时夹具设计的问题。

（二）运动学设计

1.合理的退让几何设计。我们通过参考比赛场地障碍分布，兼顾整车在各种不同路况的运动，减小路面起伏对整车纵向冲击。整车轮跳范围为180mm，上跳llOmm。我们还对前后悬架进行了合理的退让设计，前轮每上跳lOmm后跳1.5 mm，后轮每上跳lOmm后跳1.6mm，有利于整车速度和操纵操控性的保持，使得CONCEPT 19B对轮胎接地点和地面成角在120以下的障碍有着很强的通过能力。

2.轮跳过程四轮定位参数控制。为了增加整车的过弯极限，使悬架系统和转向系统零件的受力情况在整个轮跳范围内趋于稳定和可控。我们控制赛车轮跳lOmm时车轮外倾角相对地面变化O.ldeg，前轮前束角相对于车身轴线变化0.04deg，使整车在过弯时转向特性更加可控，提高过弯时整车操纵性。前轮选取-2.5deg的静态外倾角，后轮选取-ldeg的静态车轮外倾角，但后轮外倾角增益稍大于前轮，这样可以使赛车过弯时轮胎提供足够的侧向力，出弯时纵向力和侧向力达到更好的配合，提高CONCEPT 19B过弯时的极限速度。

3.侧倾中心位置的合理设计。为了使CON-CEPT 19B具有更好的操纵稳定性，设计侧倾中心高度为前135mm、后140mm。整车侧倾中心高度在接近质心高度减小侧倾力矩和侧倾角的情况下，得到更好的直线行驶稳定性和轮胎抗磨损性能。并且限制了整车侧倾中心在侧倾角度变化10的作用下，纵向变化为1.29mm，侧向变化为17.14mm，避免在整车侧倾时出现侧倾中心运动范围过大的现象，使侧倾力矩大幅度变化。

（三）动力学设计

1.通过理论分析及实践，为了确保整车的赛道T况有理想的行驶平顺性和操纵稳定性。考虑到车手乘坐位置和整车质心均位于中后部，我们选取悬架偏频为前2.OHz、后1.8Hz，这样较为接近前后悬偏频，也可以减小不必要的侧向角震动，进而通过偏频匹配计算出悬架线刚度、角刚度及悬架静挠度。结合本车避震器气簧弹簧刚度可调的特点，我们选择合适的弹簧刚度，防止出现由于悬架刚度过大造成的整车平顺性差、刚度过小及连续过弯时操纵性差的情况。

2.在阻尼系数的选择上，由于巴哈赛车的比赛场地坎坷不平，赛车需要较大的阻尼来尽快地减弱轮跳对悬架的影响。我们充分利用弹性元件的缓冲能力，减小冲击载荷。在同弹行程充分吸能，及时吸收整车振动能量。采用欠阻尼系统，保证非簧载质量在路面激励下不拖离地面，改善附着。因此选取伸张行程阻尼系数为0.4，压缩行程阻尼系数为0.2。这样的设计既可以获得较好的平顺性，又可以减弱冲击载荷，也能避免悬架上跳时超出行程，发生干涉。

四、结论

在动力总成方面，为适应不同的赛道T况，调和赛车爬坡加速能力与最高车速之间的矛盾，车队采用了无级变速器配合二挡手动变速器的传动方案。设计过程中，以发动机外特性和白行测定的CVT调速特性为基础，以最高车速和最大爬坡度为约束条件，以常用T况下充分利用发动机高功率区间为主要目标，最终确定了9.32和12.40的齿轮传动比，总传动比范围覆盖了5.13～37.2。

为了更好地适应越野赛道的垂直轮跳，同时简化悬架的复杂程度，新赛车应用了具有横向推力杆的拖曳臂式独立悬架，并创新性地在拖曳臂结构上应用了复合材料。该拖曳臂使用碳纤维及凯夫拉纤维制成，碳纤维作为芯材，以保证结构强度，凯夫拉纤维作为面材，充分发挥其抗剪切性能。单个拖曳臂净重仅为246克，与传统钢结构比较，减轻40%。

通过参考赛道的具体情况和设计文献，保证车辆在障碍路段有足够的动力性和通过性，以及在过弯时有良好的操纵稳定性。我们选取悬架偏频为前2.OHz、后1.8Hz，并根据整车质量及轮荷转移来匹配悬架角刚度，降低赛车侧倾角度，改善赛车响应特性的设计目标。在阻尼系数的选择上，为了改善车辆在载荷转移时的姿态，采用“低频大阻尼，高频小阻尼”的设计思路，选取伸张行程阻尼系数为0.4，压缩行程阻尼系数为0.2，在兼顾平顺性的同时减少冲击载荷对结构的影响。

基于大学生巴哈大赛的工程实践教学改革，以学生白主学习为主体，培养了创新型、复合型、应用型高素质人才。在新工科背景下，为新一轮科技革命开辟了新的道路。

[参考文献]

[1]中国汽车工程学会中国汽车工程学会巴哈大赛规则[EB/OL]. http：//www.baj asaechina.com/， 2019

[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2009

[3]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009

[4]王宵峰.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[5]邱雪君.小型越野车悬架设计及操纵稳定性分析[D].华南理工大学，2018

[6]王建.大学生方程式赛车设计[M].北京：北京理工大學出版社.2016

[责任编辑：尚欣]

收稿日期：2019-07-26

基金项目：吉林大学2019年度本科教学改革研究立项项目（项目编号：2019XYB123）。

作者简介：金兆辉（1988-），男，吉林长春人，吉林大学汽车工程学院，工程师，硕士。研究方向：实验教学管理和教学研究。