大学生方程式赛车整车优化设计

王世权，任豪放

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队需遵照规则和制造标准，在一年时间内自行设计并制造出一辆性能优异的赛车，最后争取成功完成全部或部分赛事环节[1]。随着中国大学生方程式汽车大赛的发展，越来越多的车队加入到比赛当中，并且合理地运用各项新技术，使赛车的性能有了很大的提高。

1 总体设计概述

1.1 设计目标

设计目标主要包括满足规则要求、提升赛车操纵性、提高赛车动力性、实现赛车轻量化。

1.2 整车主要参数

本赛季赛车主要参数如表1 所示。

2 动力系统设计

结合以往赛季经验，本赛季依旧采用HONDA CBR600-RR 发动机。动力总成各部分进行如下优化：①进气系统优化；②排气系统重新设计，自主设计制作阻抗式消音器；③低油底壳高度。

2.1 进气系统

2.1.1 GT-Power 模型建立

往年采用的GT-Power 模型精度不够，本赛季重新对发动机模型建模，通过对比台架实验外特性曲线与软件仿真外特性曲线，将误差控制在5%以内，保证模型及后续其他仿真的准确性。

2.1.2 进气歧管长度对发动机外特性的影响

利用ANSYS 软件Fluent 模块对稳压箱进行仿真分析，运用控制变量法，每次分析只改变进气歧管长度，根据各缸进气均匀性、气体湍流程度及进气阻力等建立出最佳模型。优化结果显示，新的进气系统与上赛季相比能减少20%的进气阻力。

2.2 排气系统

2.2.1 确定排气歧管尺寸参数及布置形式

用排气歧管的GT-Power 模型与发动机模型一起分析，得到转速-扭矩外特性曲线，改变排气歧管长度、内径等尺寸参数以及布置形式，进行多次对比分析，得到最佳尺寸参数和布置形式，排气歧管内径为32 mm，长度为180 mm，总长度为1 320 mm，布置形式为4-2-1。

2.2.2 仿真分析

利用 ANSYS 软件Fluent 模块对排气歧管进行仿真分析，得到的排气速度云图和排气压力云图如图1、图2 所示，对排气歧管形状进行优化，以尽可能地降低排气阻力和背压。

2.2.3 消音器设计

本赛季采用阻抗式消音器的形式，并引入了回压鼓的设计理念，T-Power 仿真结果显示，各个转速下噪声分贝在90～105 dB 内，该消音器显著降低了排气噪声，满足大赛要求。

通过CATIA 软件建立所设计的消音器的三维模型如图3 所示。

2.3 润滑系统

在保证安全和使用安装的前提下，计划降低油底壳高度，从而降低发动机重心，提高整车稳定性。

图1 排气速度云图

图2 排气压力云图

图3 消音器结构图

3 底盘各系统设计

本赛季底盘系统如下几个方面进行优化设计：①传动系统选用合理的主减速比，采用可调节机构实现链轮的张紧，实现轻量化；②转向系统减小空程，优化连接形式，加装角位移传感器；③行驶系统悬架增加第三弹簧设计；④制动系统优化踏板总成，采用滑槽结构，轮边轻量化。

3.1 传动系统设计

本赛季的设计理念就是在保证传动系统稳定性的前提下，提升赛车动力性，在保证系统强度的前提下，追求轻量化。

3.1.1 主减速比的选定

首先进行主减速比的计算，得出范围为1.9～3.2，最后借助OptimumLap 软件进行赛道仿真分析，根据比赛项目设置可得，耐久赛成绩占比最大，优先考虑耐久赛成绩，综合得到主减速比为2.909，大链轮齿数为32 齿。

3.1.2 差速器支架及调节机构

本赛季差速器支架的设计，将多个方案在ANSYS 中进行强度分析，再综合考虑轻量化、加工难易程度。最后选用正反螺纹调节机构，具有前后调节能力，能将链条调至张紧度合适的位置。

3.2 转向系统设计

3.2.1 转向操纵的连接形式

上赛季圆柱轴孔万向节与圆柱接头之间用塞打螺栓连接，由于4 个孔不能很好地保证同轴度，且孔与塞打螺栓有一定的过盈量，装配时有难度，并会对万向节造成二次损伤。

本赛季操纵的连接形式优化：①采购有平键槽的万向节，重新设计万向节接头，整体采用平键连接；②快拆连接轴的长度加至118 mm，增加角位移传感器安装的位点；③万向节和轴承座是过盈配合，装配时轴承要敲进去很长一段距离，会造成轴承和快拆连接轴的损伤，因此减小过盈长度使其刚好为轴承的宽度，并用卡簧固定。

3.2.2 转向器与转向操纵的连接形式

上赛季齿轮轴与转向传动轴为焊接连接，不可拆卸。本赛季购买的齿轮轴上自带花键，根据齿轮轴上的花键制作齿轮接头，压紧装置可以保证同轴度。

3.3 行驶系统

3.3.1 悬架优化设计

采用双横臂推杆式独立悬架，传承了车队的风格，也充分利用车架的空间位置，保证车身流线型的设计，减少空气阻力。车轮外倾角使用快插垫片实现量化调节，前轮前束角通过使用正反丝伸缩杆进行无极调节。增加横向稳定杆，通过调节力臂的距离来实现对前后侧倾角刚度的定量调节。

3.3.2 第三弹簧设计

本赛季增加第三弹簧，以抑制赛车加速和制动时的俯仰，提高操纵稳定性。通过更换不同刚度的弹簧，来实现对前后悬架线刚度的定量调节，以此来满足不同行驶工况的要求，提高赛车的操纵稳定性。

3.4 制动系统

3.4.1 制动系统参数

制动刹车最大加速度为1.57G，根据整车参数计算出数据如下：前轴两轮制动器制动力之和的最小值为2 921.27 N，后轴两轮制动器制动力之和的最小值为1263.33 N，制动器制动力分配系数为0.689 1。

3.4.2 制动踏板总成

本赛季采用滑槽结构，通过在铝板面上开孔，实现有级调节，并且根据几位车手的身高来选定孔的位置，以此来满足车手身高不同的要求。通过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的舒适。利用复合碳纤维材料加工出踏板面，既有强度保证，也能够实现轻量化。制动底板与滑槽的配合由2019 年的螺栓螺母改成销固定，简化底板的位置调节。

4 车架车身设计

4.1 车架结构

本赛季的车架采用空间桁架式车架，在设计时，根据规则确定好必要杆件。根据悬架硬点坐标、发动机的固定位置以及其他的零件要求确定其余杆件的具体位置。在车架模型基本确定之后，通过测得每个车手的身体参数，在CATIA中进行人机工程的分析，同时搭建简易车架，车手亲身感受，尽量保证每个车手的驾驶舒适性。最终设计的车架三维模型如图4 所示。

图4 车架三维模型

4.2 有限元分析

为了保证强度和轻量化的要求，在ANSYS 中进对车架的静弯曲、扭转、极限转弯和极限制动等工况进行受力分析[2]，保证强度的情况下，简化杆件的结构以及确定每根杆件的壁厚，控制车架的质量在16～30 kg。

4.3 空气动力学效益

车身在满足规则的情况下，降低车鼻俯角，减少车头所造成的升力，尽量贴合车架，减少正投影面积，减少气动阻力，减少风阻系数。侧箱上利用文丘里管效应，加快流经侧箱的气体流速，利于散热。

5 电气系统设计

本赛季电气系统基本保持上赛季设计，部分优化如下：新增无线数据采集系统，换挡方式采用气动换挡。

5.1 无线数据采集系统

优化线位移、转向盘角度、轮速等传感器安装位置，建立与ECU 的CAN 通讯总线，自行设计了转换电路、采集系统、CAN 通讯系统与远距离通讯系统，可实现整车数据实时采集并传输到上位机，方便场外队员实时监测赛车行驶状态。

5.2 气动换挡

上个赛季由于气动换挡技术还在探索阶段，技术不够成熟，所以保留了手动换挡方式，采用手动和气动两种换挡方式。经过比赛和从练车使用的表现来看，气动换挡已经可以完全取代手动换挡，因此本赛季采用气动换挡方式。

6 结语

本文详细介绍了武汉理工大学WUT 车队2019 赛季赛车各个子系统的设计方案，在满足规则的基础上使用CATIA、ANSYS 等软件设计出了一款性能出众的方程式赛车，经过后期验证，该赛车的各子系统工作正常，车身车架安全可靠的同时较为美观，整车动力性、操纵稳定性、行驶平顺性等性能良好，达到了设计目标。