大学生方程式赛车踏板总成设计

王世权，任豪放

大学生方程式赛车踏板总成设计

王世权，任豪放

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

以武汉理工大学WUT车队2019赛季赛车为例，以《2019中国大学生方程式大赛规则》为依据，使用CATIA、ANSYS等软件对赛车踏板总成进行优化设计并对其进行仿真分析，最终设计出了一种满足各工况下的制动和加速要求、安全可靠的踏板总成，确定了前后轮同时抱死时的制动力分配，能为大学生方程式赛车踏板总成的设计提供参考依据。

方程式赛车；踏板总成；仿真分析；制动力

中国大学生方程式汽车大赛要求各参赛车队遵照大赛规则，在为期1年的时间里，车队全体成员一起设计并制造出1辆性能优异的赛车，最后到参赛场地争取成功完成全部或部分赛事环节[1]。加速踏板在方程式赛车改变车速中扮演着十分重要的角色，制动踏板是制动系统的重要组成部分，在赛车减速停车时发挥着重要作用，一款符合人机工程的制动踏板总成，能让车手更好地操纵赛车，这将直接提高赛车的行驶安全性。

1 设计目标

满足中国大学生方程式赛车规则要求；满足各种竞赛工况下的制动要求，以求达到足够的制动效能，合理进行制动力分配，能保证在动态赛路上应对任何突发情况；与上赛季相比，减轻踏板总成质量，达到轻量化目标。

2 选定主缸和卡钳

通过与车手进行讨论，预设251.96 N的制动抱死时的踏板力，最终选定制动主缸为titon 78-625series，活塞孔径为0.625 in（1 in=2.54 cm），活塞面积为0.31 in2，活塞行程为1.1 in；卡钳为Wilwood GP200，平衡杆为72-250，螺纹尺寸3/8-24，总长4.75 in，中心距2.5 in。

3 设计方案

3.1 制动主缸放置形式

可选择的制动主缸放置形式有立式、卧式前置、卧式后置。上赛季采用的是立式主缸，节约了布置空间，拆装较为方便，满足了使用方面要求，只是在两主缸的限位方式上存在问题，限位夹具与超程开关发生干涉，2020年进行了适当调整，解决了问题。因此，本赛季依然采用主缸立式布置形式。

3.2 油门拉线固定形式

3.2.1 选择油门拉线的固定形式

可选择的油门拉线的固定形式有支架式、连杆式、滑块式。根据以往赛季的经验来看，支架式拉线与固定孔存在一定的偏离角度，但完全可以通过调节支架的固定位置来避免这种现象的发生，改进之前的不足；而滑块式油门拉线位于踏板底部，减小了使用空间，减少了部分装置，但是会产生不顺滑、卡顿的现象，设计与加工误差可能会导致杆件卡死；连杆式油门拉线需要将加速踏板杆做到边缘处，增大了踏板总成的质量，总体不如支架式油门拉线。因此，最终选用支架式油门拉线作为本赛季油门拉线固定形式，即将油门拉线支架连到油门加速轴上，易于操作装配和检查。

3.2.2 优化方案

上赛季后期练车中发现了支架式油门拉线出现了油门踏板的空程过大（大于5°），而正常油门拉线的空程应小于3°。经过检查发现，是因为油门拉线支架和踏板前端固定的油门拉线固定吊耳高度不匹配，使油门拉线没有紧绷，高度差比较明显。而本赛季特别注意了这一点，在设计时保持二者的高度一致。为了便于与转动轴进行焊接，固定拉线支架采用钢材制作。

3.2.3 建立三维模型并进行仿真分析

通过CATIA软件建立固定拉线支架的三维模型如图1所示，并使用ANSYS软件对固定拉线支架进行仿真分析，分析结果如图2所示。

图1 固定拉线支架三维模型

图2 固定拉线支架仿真分析

由图2可以看出最大应力所在位置的最大应力值约为383.21 MPa，分析结果显示所设计的固定拉线支架完全符合要求，正常情况下不会被踩得弯曲或扭曲，安全可靠。

3.3 踏板面设计

由于赛车运动具有激烈性，要求车手的脚尖和脚跟均需横向固定，以防止车手在过弯过程中双脚脱离踏板，进而发生危险。因此，脚托的固定位置不能离踏板杆过近，进而无法发挥好脚托的作用，且不符合人体工程学，踏板面通过车手的多次尝试确定了形状和尺寸。此外，本赛季利用复合碳纤维材料加工出踏板面，相比于上赛季采用的铝质材料，降低了踏板的质量并且增加了其强度，保证安全、可靠的同时也能够实现轻量化。

3.4 制动灯开关布置形式

制动灯开关的布置形式有传统式、油压式、按压式。2019年采用的是按压式的制动灯开关，由于在设计时没有考虑到制动灯开关的位置，在练车中发现制动时制动灯需要主缸达到一定行程时才会亮，因此，2020年拟选购适合的油压传感器安装在制动管路中，以电信号来控制制动灯的亮灭，但仍然为点动开关预留位置。

3.5 踏板总成可调机构设计

方程式赛车踏板总成可调机构可实现制动踏板、加速踏板的前后移动，可以使不同身高的驾驶人员无拘无束地驾驶赛车，符合人机工程学，能够在一定程度上保障赛车的行驶安全性。

踏板总成可调机构主要分为槽式、棘轮式、蜗轮蜗杆式以及电动调节。本赛季采用滑槽结构，根据几位车手的身高来选定孔的位置，在铝板面上开孔实现有级调节。利用CATIA软件搭建实体踏板总成的简易模型，来确定最适合的尺寸和位置，从而使车手操作更加舒适。固定方式不再采用螺栓螺母，而是采用快拆销进行固定，拆卸调节更加方便。

3.6 加速踏板

加速踏板形式主要有悬挂式和地板式两种，悬挂式下部结构简单，踩踏轻便；而地板式则可以减少疲劳，实现控制精准。

本赛季决定采用地板式，加速踏板杆和转动轴采用螺栓螺母的形式固定，油门拉线支架与加速踏板的转动轴焊接在一起，保证了联动。油门拉线通过带孔螺栓紧固，同时，可以调节油门拉线的挠度，调节节气门的打开程度，油门踏板处的轴承座在网上购买，用螺栓螺母与底板固定。

4 参数及制动性能计算

通过计算和校核，最终确定卡钳和制动盘的具体尺寸，如表1所示。

表1 卡钳与制动盘具体尺寸参数

位置卡钳缸径/mm制动盘缸径/mm 前轮31.24195 后轮25.40195

表2 制动器制动力分配系数与最小制动踏板力计算结果

同步附着系数φ0制动器制动力分配系数β最小制动踏板力/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

同时可以根据计算结果来调节平衡杆，进而改变杠杆比，使两主缸受力不同，产生的压力不同，实现前后轮的制动器所产生的摩擦力矩不同，制动更加稳定、可靠、安全[3]。

5 结语

本文详细介绍了制动主缸放置形式、油门拉线固定形式、踏板面设计、制动灯开关布置形式、踏板总成可调机构设计、加速踏板等设计方案，并通过CATIA软件建立了相关三维模型，利用ANSYS软件进行了仿真分析，最终设计出的踏板总成满足各种竞赛工况下的制动要求，能够合理地进行制动力分配，以达到足够的制动效能。在参考上赛季踏板总成设计的同时进行了部分优化，减轻了质量，实现了轻量化目标，能够为方程式赛车踏板总成的设计提供一定的参考。

［1］中国大学生方程式汽车大赛［J］.汽车工程学报，2012，2（2）：146.

［2］余志生.汽车理论［M］.5版.北京：机械工业出版社，2009.

［3］张唯一，李绍春，徐晨辉，等.大学生电动方程式赛车踏板总成可调机构设计［J］.汽车实用技术，2017（2）：95-96.

U462

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.010

2095－6835（2020）12－0026－02

〔编辑：张思楠〕