大学生巴哈赛车的优化设计

广西交通职业技术学院 罗海英

中国汽车工程学会于2015年举办第一届巴哈大赛（Baja SAE China），这是一项汽车设计和制作竞赛。该项赛事起源于美国，前身是大学生方程式汽车大赛。各参赛队伍按照赛事规则和赛车制造的标准，使用同一型号发动机，设计制造一辆单座、发动机中置、后驱的小型越野车。竞赛包括多种静态与动态项目测试。静态项目包括赛车设计、技术检查、成本与制造、商业营销等，动态项目包括牵引力测试、爬坡测试、操控测试、耐力测试等。

1 设计目标

依据前2年的比赛经验，赛车的重量会直接影响到比赛时的速度，因此轻量化是赛车设计的重点方向。通过系统的协调分析，在保证强度要求的前提下，应让赛车更轻更快。结合巴哈越野赛道的特点和去年设计减速箱经验，设计合理的传动比，制作传动效率更高、质量更轻的减速箱，可以提高赛车的动力性能。通过设计优化分析，对赛车进行不断试验，根据试验总结分析得到可靠而又稳定的结构和方案。总的来说，赛车设计的最终目标是轻量化、提升动力、提高可靠性。

2 设计过程

2.1 人机工程

人机工程设计核心是使车手和赛车达到“人车合一”。通过UG建模分析，以实际车手的各部位参数确定人体模型，保证车手驾驶的舒适性与安全性。考虑到车手在耐力赛时的疲劳程度已经接近人体极限，所以在设计过程中赛车座椅采用碳纤维制作。为了能够贴合不同体型的车手，根据不同的车手的各部位参数及驾驶姿势来进行座椅的位置固定。同时确定最佳的制动踏板及加速踏板的位置。随后进行各车手的实际试驾，确定一个最佳的转向盘位置，以保证驾驶人员的安全性、舒适性。

2.2 车架

赛车车架采用桁架装置和20Cr管材料。利用平台汽车坐标系定位，自制空间框架、夹具。根据钢管的位置准确定位装夹，减小误差值，空间点测量更精准快捷。利用氩弧焊焊接，通过焊接受力传递的路径进行焊接，采用室温静置冷却，敲击焊点消除应力，减小焊接变形量。赛车车头抬高15°，很好地解决了去年赛车出现的通过性难题。前悬架的硬点位置连接在车架焊接节点附近，更好地释放硬点应力，既能保证防滚架的刚度强度又能减轻重量。

2.3 悬架系统

结合之前比赛悬架设计遇到的问题与众多国内外车队悬架设计制作的经验，对赛车悬架系统的运动特性和结构都进行了优化改进，保证了操纵稳定性和力矩传递可靠性。

2.3.1 轮胎、轮辋和减震器

考虑到不同路况对赛车载荷、滑移率、侧偏角与外倾角的影响，赛车搭配了不同类型花纹轮胎。在轮辋方面改用偏心距较小、较轻且利于散热的锻造铝合金轮辋，并且尝试了轮辋镂空。减震器根据其载重范围和减震行程，选用安装孔为390 mm、弹簧的载荷为120磅（1磅=4.445 N）、压缩行程为135 mm以上的DNM减震器。

2.3.2 悬架前悬架采用可调的不等长双横臂。通过UG线条的分析，在满足轮距的前提下，做到保证轮胎滑移率，而且能够保护轮毂轴承，因此调节主销内倾角为15°。为提高转向精准度、回正力矩，主销后倾角设置为后倾15°，补偿轮胎外倾对行驶的影响，设定前束为-2°。立柱结构来源于磁铁形状，采用7075铝代替了40Cr作为立柱。法兰则采用价格较低廉些，仅次于7系铝的6061铝并且镂空减轻。法兰轴承选用一对既有轴向力又有径向力的NSK滚柱轴承。法兰增添了轴承油封与预紧套，保护轴承，防止松动。

后悬架优化了运动特性，采用独立纵摇臂由横向跳动改为纵向跳动。悬架臂选用20Cr管，主要管的外径为30 mm，壁厚为2 mm，支撑管的外径为25 mm，壁厚为1.5 mm，次要管的外径为20 mm，壁厚为1.5 mm，三者共同组成斜三角框架结构。悬架立柱选用集中力较小的碗状20Cr管与三根悬架臂合为一体。悬架的缓冲套统一用M10规格的自制铝套。悬架臂的安装位置增加10°的斜角度，同时引进滚中心概念，安装位置距车架底管提高100 mm。后悬架的轴承座取消了卡簧限位的不足，进而用台阶限位代替。

2.4 动力传动系统

根据车队以往2年的参赛经验及发现的问题，对赛车动力系统有针对性地进行改进和优化，提高赛车整体的动力性与经济性，实现高效传动、响应迅猛。

2.4.1 减速比

减速比在很大程度上能直接影响赛车的性能，根据以往的设计经验，再结合赛道工况、最高车速、发动机外特性曲线和无级变速器传动比范围等，最终选定减速比为10。在保证整车高车速的同时还能让赛车具有较大的扭矩和良好的加速性能。

2.4.2 齿轮

以五菱微型货车变速器齿轮为参考，赛车采用传动效率更高的斜齿轮二级减速传动方案，这样可以减少发动机的动力损耗，保证赛车更高效平稳运行。齿轮的模数是2，压力角为25°，采用40Cr材料车削、滚齿、调质热处理的工艺制作。经过多次试验，在原有的基础上把齿轮加厚了5 mm，保证它能够承受极限工况下输出最大的扭矩。

2.4.3 减速箱

根据比赛经验，开放式差速器在雨天耐力赛上坡时容易造成单边车轮打滑，因此赛车的减速箱采用无差速器设计。在保证刚度和强度的前提下，将使得整体结构更加简单化与轻量化。壳体采用7075铝和台阶限位形式，使用数控工艺制作，质量更轻，体积更小，总成质量降低了25%。为了解决法兰制动方案中轮辋空间窄小问题，赛车采取后中央制动，让后悬架设计不受卡钳限制，并能有效地降低后悬架的质量。

2.4.4 变速器防护

雨水天气时，赛车变速器会受到泥浆的影响，出现皮带打滑现象，大大降低了赛车的传动效率。为使赛车在各种条件下都能高效运行，必须把防护做成防水密封、快拆结构。同时在变速器从动轮处加入风扇，有效带动空气流动使得皮带能快速散热。变速器防护部件采用3 mm的6061-T6铝板、1.5 mm和0.8 mm的普通铝板组合制作而成，既简洁又美观，而且质量更轻，拆装维护保养也很方便。

2.4.5 快拆油箱

比赛时赛车加油的时间也会严重影响到比赛的结果，因此为了让赛车在比赛时尽可能地缩短加油时间，采用快拆油箱。油箱采用0.3 mm的铁皮制作而成，集油盘与防溅罩为一体，质量轻巧，拆装也很方便，整体简洁美观。

2.5 车身

相比往年碳纤维整体式车身，这次采用分块组装的方法制作车身。分块式的车身能显露出车架的管件，使赛车显得更有力量感，但车身更轻，有效提高了燃油经济性，更方便拆装和维护。车头上板的设计灵感来自于雪铁龙的车标，车头的倾斜代表着这一年以来的艰辛和坎坷，车头的台阶代表着步步高升，希望能在今年的赛场上取得更好的成绩。这种设计棱角分明，与车身侧板裸露的车架骨感相结合，给人一种霸气的感觉。座椅采用自制的碳纤维，更满足人机工程学，乘坐更舒服。车号采用铝合金方管制作而成，比去年的雪弗板成本更低，装配更加牢固。车号底板采用碳纤维板，黑色底板衬托白色车号，显眼简洁，视觉效果更佳。