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大学生方程式赛车设计（总体设计）（含三维图）

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2025-05-18 12:34

大学生方程式赛车设计（总体设计）（含三维图）

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内容简介：河南科技大学毕业设计（论文）开题报告（学生填表）学院：车辆与动力工程学院 2013 年 4 月 10 日课题名称大学生方程式赛车设计（总体设计）学生姓名胡爱成专业班级车辆093班课题类型论文指导教师牛毅职称高工课题来源生产1. 设计（或研究）的依据与意义中国大学生方程式汽车大赛（Formula Student China, 简称：FSC）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在接近一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单座赛车、并能够完成全部或部分竞赛环节的比赛。因此，总体设计担当起领头羊的作用。赛车性能的优劣不仅取决于组成赛车的各部件的性能，而且在很大程度上取决于各部件的协调和配合，取决于总体布置；总体设计水平的高低对汽车的设计质量、使用性能和产品的生命力起决定性的影响。赛车是一个系统，这是基于赛车只有如下属性而具备组成系统的条件：赛车是由多个要素组成的整体，每个要素对整体的行为有影响；组成赛车的各要素对整体行为的影响不是独立的；赛车的行为不是组成它的任何要素所能具有的。由此，赛车具备系统的属性，对环境表现出整体性、一辆子系统属性匹配协调的赛车所具备的功能大于组成它的各子系统功能纯粹的、简单的总和、反之，如果子系统的属性因无序而相互干扰，即便是个体性能优良的子系统，其功能也会因相互扼制而抵消，功率循环、轴转向等就是这样的典型例子。系统论所揭示的系统整体性和系统功能的等级性必然会映射到设计任务中来、用整体性来解释赛车设计的终极目标是整车性能的综合优化，道理是十分显然的、赛车设计任务的等级形态表现为：上位设计任务是确定下位设计任务要实现的目标，下位设计是实现上位设计功能的手段、上、下位体系可从总体设计逐级分至零件设计。总体设计无疑处于这种体系的最上位，设计子系统的全部活动必须在总体设计构建的框架内进行、子系统设计固然重要，但统揽全局、设计子系统组合和相互作用体系规则的总体设计对赛车的性能和质量的影响更加广泛、更为深刻。2. 国内外同类设计（或同类研究）的概况综述国外车队在总体设计理念方面一直遥遥领先。首先在科技方面，普遍采用遥感测试。诸如引擎温度、电池电压、汽油压力和水箱压力等的测量，对于进行全面的性能分析起着重要作用。工程师和车手在赛车驰骋时能够快速地访问这些遥感测试数据，进而进行实时分析和调整赛车总体性能参数。在去年的参赛车队中，德国慕尼黑车队在整车布置中完全融入了此项设计。在整车布置方面，如日本赛车队曾经将发动机放置在驾驶员旁边，即侧置发动机，这一大胆创新设计史无前例，它将轴荷分配、整车稳定性发挥到自己预期的水平。及时有些工程师认为这样的布置多少有些瑕疵，但是创新型设计总是在总体设计理念上带来不朽的春天。车架方面如阶梯车架的采用，在保证刚度的前提下，为传动、悬架的布置提供了很大的空间；发动机方面，没有一款发动机不被改装，没有一个部件不被优化的设计思路，为整车提供了强劲的引擎支持；传动方面，链传动和轴传动的并驾齐驱，新型差速器的巧妙设计，半轴角度灵活变换，都为传输动力建立起成熟的平台，动力将以最小损耗传递给车轮；悬架方面，高强度的结构设计，小巧的关节球轴承，碳纤维材料的广泛采用，将运动和相对静止完美结合；车身造型方面，流线型的设计，依靠空气动力学，为整车动力性和燃油经济性提供了根本的保障。国内方面湖南大学2010年新车在发动机上做出了改进，将原有的CVT传动换成自己设计的齿轮传动，把离心甩块离合器换成可操控的干式离合器，使赛车能在行进中换挡，不仅使传动效率得到提高，而且使发动机的体积和质量都有所减少。而在整车的设计上，由于已经有了HNU2007、HNU2008的经验铺垫，HNU2010设计时改变了以往“只管设计不管做”的各系统独立设计方式，在设计时就以整车设计着眼，除了考虑到各项改进技术之外也将赛车成型过程中的零件选择、加工、组装等制作因素考虑在内，大大节省了制作成本和时间。从中国大学生方程式赛车的主流设计来看，比赛中，发动机大部分都采用HONDA CBR600，排量为600CC，功率为75ps/11500rpm，扭矩为5.4kgf/7000rpm，轮胎普遍采用13inch，车重集中在220kg居多，九成车队采用链传动设计，摩擦片式差速器和托森差速器为多数车队所用。材料方面，铝合金、钛镁合金、玻璃纤维较为普遍。而碳纤维虽然造价很贵，但是仍被部分车队采用，慕尼黑车队除了车身采用碳纤维之外，譬如悬架、座椅、方向盘等几乎车上大部分主要部件均采用性能卓越的碳纤维材质。高科技方面如行车记录仪、行车电脑、ECU等更是比比皆是。对此，此次赛车设计将在此基础上进行重新设计、反复求证以备战第四届中国大学生方程式汽车大赛。3. 课题设计（或研究）的内容根据大学生方程式赛车的比赛规则及大学生方程式赛车设计具体参数要求，制定赛车整车设计原则；进行整车方案论证；总体方案选择，总体参数设计计算；汽车型式、主要尺寸参数、质量参数和性能参数的确定；汽车总体布置设计和运动校核；绘制汽车总体布置图及零件图。运用所学的专业知识，设计出符合题目要求的赛车及其零部件，达到提高毕业生综合能力的目的。论文要求20000字左右，绘制工程图一张（A0）；中文摘要300-500字。附英文摘要，计算机打印；外文翻译10000字符以上；查询资料20篇以上，附资料名称。4. 设计（或研究）方法1) 调研、搜集、分析赛车相关资料，并参观我校两代赛车，测量记载所有数据，与指导老师交流，确立总体设计目标，确定方案并进行论证；2) 参照大赛规则、机械设计手册及往届比赛车型参数，初选赛车目标参数（发动机、轮胎、最大传动比及最小传动比）；3) 进行总体设计的方案分析论证，完成主要设计参数、悬架系统、转向系统、制动系统、传动系统、电器系统及车架的设计计算；4) 总体布置，分析赛车动力性及燃油经济性,完成装配图、零件图及说明书。5. 实施计划第 5 周查阅文献、收集资料、初定设计方案；第 78 周设计方案分析与计算、绘制草图；第 910 周绘制装配图；第 1114 周绘制零件图；第 15 周撰写设计说明书；第 1617 周互审评阅、答辩。指导教师意见指导教师签字：年月日教研室意见教研室主任签字：年月日毕业设计（论文）题目大学生方程式赛车设计（总体设计） 2013年 5 月 30日大学生方程式赛车设计（总体设计）摘要本次毕业设计为期两个多月，进行了方程式赛车的总体设计。在设计中，主要运用了对比分析的方法，各项参数通过优化设计和UG、MATLAB等进行优化。初期阶段，我们根据2012年大学生方程式汽车大赛规则确定了赛车整体布置方案，并进行论证与分析，初步确定赛车主要参数。通过计算与对比，确定发动机型号，初选传动系最大传动比、最小传动比。中期阶段，我们设计中使用UG7.0三维软件对各个零部件总成进行建模和整体装配，并进行悬架、转向的运动干涉分析。利用发动机动力特性曲线特点，用MATLAB软件绘制出赛车驱动力-行驶阻力平衡图、加速度曲线图等，并详细计算赛车燃油经济性。最后阶段，利用UG7.5进行导出赛车总体布置二维工程图，并制成总体参数表，并将第三代赛车与第二代赛车进行对比分析。对于考虑到的实际生产中可能发生变化的悬架、车架和转向部件，预留方案。通过本次毕业设计，了解和掌握了对汽车进行总体设计的步骤和方法，巩固了本专业的所学的专业知识，增强了搜集资料、整合资料的能力，这些将为我毕业以后从事汽车设计工作打下良好的基础。关键词：FSAE，总体参数，参数确定，总布置,赛车动力性,燃油经济性IIIFORMULE SAE (OVERALL DESIGN)ABSTRACTFor two months, My graduation design is the overall design of the formula racing. we used the contrast analysis method mainly in the design, through optimizing the parameters optimization design and optimization of UG MATLAB, etc. Initial stage, we according to 2012 auto contest rules determine college equation overall layout of the car, and the demonstration and analysis, the main parameter is determined primarily racing. Through calculation and comparison, sure engine type, primaries drivetrain maximum transmission ratio, minimum transmission.The intermediate stage, we design UG7.0 3d software used in various parts of assembly for modeling and whole assembly, and suspension, steering movement interference analysis. Use of engine power characteristic curve characteristic, MATLAB software mapped drive car driving forces - resistance balance figure, acceleration curve, and etc, and detailed calculation racing fuel economy.The final stages UG7.5 are derived by car, general layout, and two-dimensional engineering graphics overall parameter table, and made the third generation and the second generation racing cars are compared and analyzed. For considering the actual production of may change suspension, frame and steering parts, obligate scheme.Through the graduation design, I understand and master the overall design of car of the steps and method, the professional knowledge of professional knowledge, enhance the data collection and integration of information, these ability after my graduation will be engaged in car design lay a good foundation for the job.KEY WORDS: FSAE, general parameters, parameter identification, general arrangement,the car power, fuel economy特殊符号ma 汽车总质量 V 最高车速L 轴距 B1 前轮距 B2 后轮距 R 最小转弯半径hg 满载时质心高度hg 空载时质心高度D 轮胎直径B 轮胎宽度P 轮胎气压A 汽车迎风面积 F 滚动阻力系数空气阻力系数驱动桥主减速比变速器传动比汽车行驶使的空气阻力变速器挡传动比车轮与路面的附着力汽车总质量汽车行驶速度发动机最大功率发动机转矩为克服滚动阻力所消耗的功率轮胎与路面的附着系数目录第一章 FSAE赛车概述11.1 FSAE赛车起源11.2 FSAE赛车现状21.2.1 国际赛车概述21.2.2 国内及我校赛车概述21.3 FSAE 总体设计概述31.3.1 汽车设计的方法及过程31.3.2 FSAE赛车的技术要求41.3.3 我校第三代赛车设计目标41.3.4 FSAE赛事意义5第二章 FSAE赛车总体设计72.1 总体设计目标72.2 赛车目标参数的初步确定82.2.1 发动机选择92.2.2 轮胎的选择102.2.3 传动系最小传动比的确定112.2.4 传动系最大传动比的确定112.3 赛车发动机选型122.4 赛车主要设计参数的确定132.4.1 尺寸参数132.4.2 质量参数142.4.3 性能参数152.5 赛车各系统设计172.5.1 悬架系统设计182.5.2 转向系统设计192.5.3 制动系统设计192.5.4 电器系统设计212.5.5 车身设计232.5.6 车架设计23第三章赛车动力性与燃油经济性253.1 赛车的动力性253.1.1 动力性的评价指标253.1.2驱动力行驶阻力图253.1.3 汽车的加速能力283.1.4 动力特性图293.1.5 功率平衡313.2 燃油经济性32第四章赛车总体布置334.1 整车布置的基准线（面）-零线的确定344.2 各部件的布置354.3 总体设计参数表38第五章结论40参考文献41致谢42V第一章 FSAE赛车概述 Formula SAE 赛事1980年在美国举办第一次比赛以来，现在已经成为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车，该原行车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于25,000 美元。这项竞赛包含有3 个最主要的基本元素，分别是：工程设计、成本控制以及静态评估、单独的动态性能测试、高性能的耐久性测试。Formula SAE 赛事的主要参与者通常都是来自高校的学生组成的车队。现在在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办Formula SAE 比赛。Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。1.1 FSAE赛车起源第一届SAE Mini Baja比赛于1976 年举办，并且迅速成为一个地区性的年度比赛。比赛由三个评判标准组成，即静态比赛：设计、成本、陈述；接着是各自的性能竞赛2项目。 Mini Baja比赛重点强调了底盘的设计，因为每个队伍都使用一个8匹马力的引擎。在过去的20 多年里，SAE Mini Baja 的成功超乎了每个人的预期。在SAE Mini Baja 的成功获得各界认同的同时，SAE 联合美国三大汽车公司开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛，这就是Formula SAE。Formula SAE 相比SAE Mini Baja 有着许多进步和发展，引擎的限制也已经大大放宽，允许参赛车队使用610cc以下的发动机，这极大地提升了赛车的性能表现。在发达国家，很多高校已经从事Formula SAE 超过20 年时间，拥有大量资金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最高时速可达到甚至超过200km/h，0 到100km/h 加速时间一般都在4.5s 以内。从原先在SAE Mini Baja 比赛中的8hp 发动机到现今Formula SAE 中已经超过100hp 的大功率发动机，Formula SAE 在多方面都取得了惊人的成绩，并且该项比赛一直保持了发展的态势。1.2 FSAE赛车现状1.2.1 国际赛车概况从2010年开始，大学生SAE方程式赛车比赛在美国、英国、澳洲、日本、意大利、德国、巴西、叙利亚等国家，不但深受汽车行业者瞩目，而且广受工程学生的欢迎。在美国每年吸引将近140支来自世界各地的队伍参加比赛；日本2006年前才开始举办，马上风靡了50余所大学参与；在欧洲也有70队以上的学校每年相互竞技。全世界已有数百队大学生车队，每年打造一辆新车互较高下。截止2012年，Formula SAE系列赛包括以下,15个比赛：1. 美国密歇根，Formula SAE，由SAE举办；2. 美国加利福尼亚，Formula SAE West，由SAE举办；3. 美国弗吉尼亚，Formula SAE VIR，由SAE协办；4. 澳大利亚，Formula SAE Australasia，由澳洲 SAE举办；5. 巴西，Formula SAE Brasil，由巴西SAE举办；6. 意大利，Formula SAE Italy，ATA举办；7. 英国，Formula Student，由SAE举办；8. 德国，Formula Student Germany9. 日本，Formula SAE Japan；10. 匈牙利；11. 奥地利；12. 西班牙；13. 泰国；14. 印度；15. 中国，Formula Student China。1.2.2 国内及我校赛车概述国内湖南大学、厦门理工大学、同济大学、上海交通大学等高校最早涉足FSAE比赛，2010年，中国上海举办中国第一届中国大学生方程式汽车大赛，国内清华大学、湖南大学、同济大学等纷纷投入FSAE赛车设计，掀起中国FSAE新的时代。2011年，第二届中国大学生方程式汽车大赛，参赛车队增加到37所高校，其中包括德国慕尼黑车队。2012年，第三届赛事，参赛院校达到了四十余所院校。我校河洛风赛车队在学校、学院的大力支持、指导老师不辞劳苦的指导以及河洛风队员的努力下，历时6个月，最终打造出河南省第一辆大学生方程式赛车。在第一届大学生方程式汽车大赛中，河洛风16号赛车凭借绚丽的车身外观以及优异的综合性能取得绿色环保大奖、最佳外观设计奖、最佳安全性大奖、最佳赛场表现奖、年度综合奖、最佳车队网站奖、最佳车队新闻宣传奖等七项大奖。而我校第二代赛车27号更是再添燃油经济性第三名、精神文明奖、参与并顺利完赛奖三项大奖。从中国大学生方程式赛车的主流设计来看，比赛中，发动机大部分都采用HONDA CBR600，排量为600CC，功率为75ps/11500rpm，扭矩为5.4kgf/7000rpm，轮胎普遍采用13inch，车重集中在220kg居多，九成车队采用链传动设计，摩擦片式差速器和托森差速器为多数车队所用。材料方面，铝合金、钛镁合金、玻璃纤维较为普遍。而碳纤维虽然造价很贵，但是仍被部分车队采用，慕尼黑车队除了车身采用碳纤维之外，譬如悬架、座椅、方向盘等几乎车上大部分主要部件均采用性能卓越的碳纤维材质。高科技方面如行车记录仪、行车电脑、ECU等更是比比皆是。对此，此次赛车设计将在此基础上进行重新设计、反复求证以备战第四届中国大学生方程式汽车大赛。本课题就是在第二代赛车的基础上，设计出更加优异的第三代赛车，来参加第四届中国大学生方程式汽车大赛。1.3 FSAE赛车总体设计概述1.3.1 汽车设计的方法及过程汽车设计尤其是对赛车的设计，是根据赛车的使用要求而提出的整车参数与性能指标进行计算的，显然，那只能从宏观入手，即从整车的总体设计开始，然后通过总体设计的分析与计算，将整车参数和性能指标分解为有关总成的参数和功能后，再进行总成和部件设计，进而进行零件甚至某一更细微的局部设计与研究。汽车设计过程一般分为：（1）调查与初始决策；（2）总体方案设计；（3）绘制总布置草图；（4）车身造型设计及绘制车身布置图；（5）编写设计任务书；（6）汽车的总布置设计；（7）总成设计；（8）试制、试验、定型。 1.3.2 FSAE赛车的技术要求A. 赛车式样赛车必须车轮外露和座舱敞开（方程式赛车式样），并且四个车轮不能在一条直线上。B. 车身除了驾驶舱必须开口以外，从赛车最前端到主防滚架（或者防火墙）的这段空间里，不允许车身有其他的开口。允许在前悬架的零件处有微小的开口。C . 轴距赛车的轴距必须至少为1525mm（60 英寸）。轴距是指在车轮指向正前方时同侧两车轮的接地面中心点之间的距离。D. 轮距赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。E. 可视性技术检查表格上的所有条目必须在不借助工具（比如内窥镜或是镜子）的情况下清楚地呈现给技术检查官。呈示时可以通过拆卸或移动车身板件来实现。1.3.3 我校第三代赛车设计目标本次赛车（第三代赛车）设计与第二代赛车设计将从三个方面入手：首先，降低整车质量。1、减小整车尺寸。在总体布置设计上保证整车结构的紧凑性。2、优化各个系统部件。使用计算机有限元等分析方法对各个零部件经行优化，达到在保证强度、刚度的同时减轻其质量。3、使用高强度轻质合金材料或者碳纤维等。其次，提高赛车整体性能。1、悬架系统。（1）充分利用阻尼可调性减震器、前后横向稳定杆等元件使整车发挥最大的振动衰减能力及其制动或加速时车身的稳定性等，减少车身纵倾；（2）充分发挥不等长双横臂独立悬架的可调性，保证能够迅速、快捷地调节轮距、主销内倾角等定位参数；（3）在设计的同时要充分考虑到在实际加工、制造、安装过程中出现的定位、夹具等工艺因素。2、转向系统。（1）在保证座舱空间的前提下，合理地选择转向方案，合理布置转向梯形；（2）在没有各种助力机构的前提下，提高其操纵轻便性；（3）转向器与转向机构的球头处有消除因摩擦而产生间隙的调节机构；（4）进行运动校核（主要是与悬架机构）检查运动干涉情况。3、制动系统。（1）在浮动钳盘式制动器基础上进一步优化，提高制动效能、工作可靠性等；（2）优化制动器各零部件，如制动盘大小、厚度，双制动泵大小的选择，管路布置等。4、传动系统。（1）选择适当的主减速比，以保证汽车在给定条件下具有最佳的动力性和燃油经济性；（2）驱动桥桥壳尺寸要小，质量要轻，同时留好足够的离地间隙，以满足通过性要求；（3）提高传动系在各种载荷、转速工况下的传动效率；（4）保证传动件工作平稳，噪音小；（5）结构简单，加工工艺性好，制造容易，维修调整方便。5、造型。（1）保证空气动力学要求的前提下，使赛车更加美观，侧翼要考虑赛车的冷却系统；（2）车身造型与实际加工出现的各种工艺问题等解决，如模具的制造、车身渲染的色调与实际能加工出来的效果的区别。发动机系统。发动机悬置形式、进气系统、排气系统、冷却系统、电路系统的合理布置和创新设计。最后，严格按比赛规则要求来设计与检查。1、设计方面。所有设计均要在满足规则条件下进行，在过程中不断比对规则。2、技术检查。用静态技术检测标准反馈到赛车设计中，如油、水泄漏问题，主要体现在制动、冷却等系统，连接件要使用各种标准件，如尽量不用扎带等。1.3.4 FSAE赛事意义目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA UG ANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。9第二章 FSAE赛车总体设计2.1 总体设计目标总体设计目的是制造一辆安全可靠、各方面性能均衡、有良好驾驶特性、调整方便并且足够快的赛车。可靠性可以确保测试阶段的顺利进行，同时可以保证完成在竞赛中的所有比赛项目。可调整的特性可以让赛车适应不同的驾驶环境和不同的驾驶员。一辆平衡和驾驶特性良好的赛车会让车手更有信心，这能有效提高所有动态项目中最快圈速，这对经验不足的新车手特别重要。赛车要让车手在任何行驶状态下都能有清晰的路感，这可以使驾驶变得容易和高效。整车布局为方程式赛车典型的开放式中置后驱布局。其基本结构主要包含以下系统：（1）车架及车身主要包括车辆的承载部分、防滚架和外壳以及蒙皮。主要部件包括：各种踏板、变速杆（换档杆）及相关连接线、桁架、车身材料、车身附件、底板、定风翼、各种安装基座、连接紧固件等。（2）动力总成和传动系统主要部件包括：发动机、离合器、变速箱、进/排气歧管、消音器、空气滤清器、涡轮/机械泵增压器、化油器/节气门体、发动机座、机油滤清器、火花塞、燃油喷射系统、燃油箱、燃油泵、燃油滤清器、燃油管路、散热器、冷却液管路、散热器风扇、软管夹、机油冷却器、传动链/带、点火线圈/高压钱、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、连接紧固件等。（3）悬架系统主要部件包括：减震器、弹簧、悬架机械系统、拉/挺杆、杆端球头、前/后A 臂或同等结构、前/后支柱、直角杠杆/换向机构、连接紧固件等。（4）制动系统主要部件包括：制动管线、制动块、卡钳、液压缸/泵、制动盘、平衡杆、比例阀、连接紧固件等。（5）转向系统主要部件包括：转向齿条/齿轮、转向节、主销、方向盘、转向横拉杆、方向盘快速释放机构，连接紧固件等。（6）车轮主要部件包括：轮辋、带耳螺母、轮胎、气门嘴、车轮平衡块、轮毂轴承、前/后轮毂、车轮安装螺栓、连接紧固件等。（7）仪表、配线和附件主要部件包括：转速表、ECM/发动机电子系统、车载计算机、束线/接口、机油压力表、仪表板、熄火锁止开关、保险丝、刹车灯、启动机电磁开关、指示灯、蓄电池、继电器、启动开关、水温表、连接紧固件等。（8）其他主要部件包括：座椅、车载灭火系统、安全带、车架/车身涂装、防火隔板、后视镜、安全护罩、头枕/约束保护等。2.2 赛车目标参数的初步确定经过对第二代赛车分析及其在比赛中反馈的种种信息，初定第三代赛车主要参数。具体参数如下：表2-1 赛车主要参数初选长2600mm宽1400mm高1100mm前轮距1200mm后轮距1150mm最高车速150km/h整备质量240kg轴距1600mm轴荷分配50:50离地间隙50mm2.2.1 发动机选择1、发动机最大功率根据做设计汽车应达到的最高车速（Km/h），用下式估算发动机最大功率（发动机功率滚动阻力功率+空气阻力功率）（2-1）式中：发动机最大功率（Kw) 传动系效率（变速器、传动轴、万向节、主减速器）， W汽车总重量（N)，初选滚动阻力系数，=0.012 最高车速，初选=150Km/h 空气阻力系数，赛车一般取0.2-0.4，初选=0.35 汽车正面投影面积（），取前轮距B1总高H，得，分析：可能取值偏大，若取0.25，则2、发动机最大转矩及其转速确定用下式计算确定（2-2）式中，为最大转矩（）为转矩适应系数，标志着当行驶阻力增加到发动机外特性曲线自动增加转矩的能力。初选=1.05。为最大功率对应的转速，乘用车汽油机一般在3000-7000r/min，作为赛车，最大功率转速远高于乘用车，初选=7000r/min。得3、发动机适应性系数发动机适应性系数，表示发动机转速适应行驶工况的程度，值越大，说明发动机的转速适应性越好。采用值大的发动机可以减少换挡次数，减轻赛车手疲劳，减少传动系的磨损和降低油耗。通常，汽油机取1.21.4，柴油机取1.22.6。2.2.2 轮胎的选择1、轮胎的作用与影响轮胎与车轮用来支撑汽车，承受汽车重力，在车桥（轴）与地面之间传力，驾驶人员经操纵转向轮可实现对汽车运动方向的控制。轮胎与车轮对汽车的许多重要性能，包括动力性、经济性、通过性、操纵稳定性、制动性及行驶安全性和汽车的承载能力都有影响。因此，选择轮胎是很重要的工作。2、赛车轮胎与民用车轮胎区别民用车的车胎讲究的是耐用性和可以全天候使用，不管冬天还是夏天，刮风还是下雨都可以正常使用，而且寿命非常长，可达3万公里或者更长。而赛车的轮胎，往往只能在特定的条件下使用，轮胎的温度对摩擦力影响非常大，下雨天有下雨天专用的轮胎，干地有干地专用轮胎，而这些轮胎的寿命一般都只有几十公里到几百公里。赛车轮胎的橡胶会在达到工作温度的时候变成半融化状态，摩擦系数可以达到1.4，就像轮子上涂了胶水一样把车粘在地上，不容易出现打滑，刹车距离也比民用轮胎短非常多。由此才可以将赛车的性能发挥到极致。而民用轮胎的摩擦系数通常都在1.0以下，如果装在赛车上使用，不仅重量非常重，而且极易出现打滑的现象，对赛车来说将是一种灾难。 3、轮胎的选用国外的FSAE基本上都使用以下几个公司的轮胎：Hoosier，Goodyear和Michelin（日本车队大多使用Bridgestone，但在欧美比赛中非常少见），这些轮胎均为小尺寸的低温光头热熔胎（雨胎有花纹）。当比赛中遇到下雨的天气时，车队会换上雨胎，雨胎的质地非常软，可以在低温下仍然产生高摩擦力并且很好地排水，但是在干燥的路面上极易磨损，而且抓地力非常小。轮胎的更换在任何赛车中都是看点，FSAE也同样如此。所以各车队不仅应该选择一套好的干胎，同样需要选择一套好的雨胎。在平时的测试中也应该多收集一些数据，以便在比赛发生天气突变的情况下仍然使赛车性能最佳化。轮胎初定Hoosier雨胎，型号为180/530 R13,半径247mm。轮辋初定为自制13x8 铝合金轮辋。2.2.3 传动系最小传动比的确定初选传动比（2-3）设五挡为直接挡，则=1，则传动系的最小传动比等于主减速比。式中，为驱动轮的滚动半径，；为变速器最高档传动比，=1.0；为发动机最大功率对应转速，=13000rpm；得，=（8.5110.66），但是与实际不是很符合，我们根据去年经验，我们初选=2.6。2.2.4 传动系最大传动比的确定传动系最大传动比为变速器I挡传动比与主减速比的乘积。根据汽车行驶方程式（2-4）即（2-5）（驱动力=滚动阻力+空气阻力+坡度阻力+加速阻力）（1）汽车爬坡时车速不高，空气阻力与加速阻力可忽略，最大驱动力用来克服轮胎与地面的滚动阻力与坡度阻力。故（2-6）式中：G作用在汽车上的重力，汽车质量，重力加速度，=2352N；发动机最大转矩，=65.954N.m；主减速器传动比，=9；传动系效率。对于双曲面主减速器，当6时，取=90%， 6时，=85%。本赛车初选9.0，故=85%。所以 =85%96%=81.6%；车轮半径，=0.247m；滚动阻力系数，良好沥青或混凝土路面，取0.01-0.018，初选=0.015；爬坡度。赛车主要行驶于平直路面，对爬坡能力几乎没有要求，但是考虑到赛场条件与平时实际训练，初选=16.7。所以=0.387（2）根据驱动车轮与路面附着条件（2-7）式中，为道路附着系数，在沥青混凝土干路面，=0.70.8，取=0.8 =1.01与实际情况向结合，我们选变速器=3.5。2.3 赛车发动机选型第二代赛车采用的是嘉陵摩托车的JH600发动机，但其动力小，转速相对低等不足，对于第三代赛车，决定在符合大赛规则的前提下选用大功率发动机，经过一番对比和选择，我们最终选择CBR600发动机，是一款本田公路赛摩托车发动机。CBR600发动机与JH600发动机相比，具有高转速、大功率、大扭矩的特点，将为第三代赛车提供更加强大的动力输出，同时，电喷的应用将使赛车在拥有强大动力的同时，还将具性有良好的燃油经济，虽然其成本娇贵，但是仍有很多优点让设计者选择它。主要参数如下：表2-2 JH600和CBR600发动机主要参数对比JH600CBR600型式单缸，四冲程，电喷四缸，四冲程，电喷排量600cc600cc压缩比10.2:112.0:1最大净功率30kw/6500rpm55kw/13000rpm最大扭矩51/5500rpm70/11000rpm 2.4 赛车主要设计参数的确定2.4.1 尺寸参数汽车的主要尺寸参数包括外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬等。1、外廓尺寸汽车的长、宽、高称为汽车的外廓尺寸。对于赛车而言，赛车长度尺寸小些，赛车的整备质量相应减少，这对提高比功率、比转矩和燃油经济性有利。总长等于轴距、前悬和后悬之和。它与轴距有下述关系：=L/C，式中C为比例系数，其值在0.52-0.66之间，发动机后置后轮驱动汽车的C值约为0.52-0.56。赛车宽度由赛车手与车身造型决定，同时也应保证布置下发动机、车架、悬架、转向系和车轮等。乘用车总宽Ba与车辆总长之间有下述近似关系：Ba=(La/3)+(19560)mm，对于赛车而言具有参考意义。影响赛车总高的因素有轴间底部离地高、地板及下步零件高和主环高度h等。2、轴距L轴距L对整备质量、汽车总长、汽车最小转弯半径、传动轴长度、纵向通过半径等有影响。当轴距短时，上述指标减小。此外，轴距还对轴荷分配、传动轴夹角有影响。轴距过短时车厢长度不足或后悬过长：上坡或制动时轴荷转移过大使制动性和操纵稳定性变坏；纵向角振动增大平顺性下降；传动轴夹角增大。对于赛车而言，赛车更强调机动性，因此轴距应适当的取短一些。2011年大赛规则规定赛车轴距不得小于1525mm。3、前轮距B1和后轮距B2改变汽车轮距B会影响赛车总宽、总质量、侧倾刚度、侧倾刚度、最小转弯直径等因素发生变化。增加伦军则赛车宽度随之增加，并有利于增加侧倾刚度，汽车横向稳定性好；但是汽车的总宽和总质量及最小转弯直径等增加，并导致汽车的比功率、比转矩指标下降，机动性变坏。乘用车总宽不得超过2.5米，轮距不宜过大。在选定的后轮距B1范围内，应能布置下发动机、悬架和轮胎；前轮距要保证有足够的转向空间，同时转向杆系与车架、车轮之间有足够的运动间隙。4、前悬LF和后悬LR前悬尺寸LF对汽车通过性、碰撞安全性、驾驶员视野及其汽车造型等均有影响。增加前悬尺寸，减小了汽车的接近角，使通过性减低，并使赛车手视野变坏。后悬尺寸LR同样影响汽车通过性，并取决于轴距和轴荷分配的要求。5、尺寸参数的初步确定经过计算与分析，尺寸参数初定如表2-1：表2-1 尺寸参数初定长宽高轴距前轮距后轮距前悬后悬2600mm1500mm1100mm1600mm1200mm1150mm639.5mm260.5mm2.4.2 质量参数汽车的质量参数包括整车整备质量m0、载质量、质量系数、汽车总质量ma、轴荷分配等。1、整车整备质量m0整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎等），加满燃料、水，但没有装货和载人时的整车质量。整车整备质量对汽车的制造成本和燃油经济性有影响。整车整备质量在设计阶段需估算确定。在日常工作中，搜集大量同类型汽车各总成、部件和整车的有关质量数据，结合目标车辆设计的特点、工艺水平等初步估算各总成、部件的质量，再累计构成整车整备质量。2、载质量对于赛车而言，载质量主要指的是赛车手质量及其车手装备质量。载质量越轻，赛车总质量相对越轻。根据目前已购的赛手装备，如赛手服、手套、头盔、赛手鞋等，共计5kg，因此，同等驾驶水平下，赛车手质量越轻，就越能发挥出赛车的优良性能。3、质量系数质量系数是指汽车载质量与整车整备质量的比值，即=me/m0.该系数反映了汽车的设计水平和工艺水平，值越大，说明该汽车的结构和制造工艺越先进。4、汽车总质量ma 汽车总质量ma是指装备齐全，并按规定装满客、货时的整车质量。对于第二代赛车而言，赛车的总质量ma等于整备质量m0、载质量me两大部分组成，即ma=m0+me。5、轴荷分配汽车的轴荷分配是指汽车正在空载或满载静止状态下，各车轴对支撑平面的垂直载荷，也可以用占空载或满载总质量的百分比来表示。轴荷分配对轮胎寿命和汽车的许多使用性能如牵引性、通过性、操纵性、制动性等有影响，它主要受汽车的驱动形式、发动机的位置、汽车结构特点、车头形式和使用条件决定。6、质量参数的初步确定经过计算与分析，尺寸参数初定如表2-2：表2-2 轴荷分配表整车整备质量装载质量总质量轴荷分配空载轴荷分配满载240kg65kg305kg前86后154前154后1612.4.3 性能参数汽车的性能参数主要包括动力性参数、燃油经济性参数、汽车最小转弯半径、通过性参数、操纵稳定性参数、制动性参数、舒适性。1、动力性参数汽车动力性参数主要包括最高车速、加速时间t和、最大爬坡度（对于赛车可以不考虑）、比功率和比转矩等。（1）最高车速最高车速是指汽车满载是在水平良好的路面（混凝土或沥青）所能达到的最高行驶速度。（2）加速时间t汽车在平直的良好路面上，从原地起步开始以最大加速度加速到一定车速所用的时间，称为加速时间。对于最高车速大于100km/h的汽车，加速时间常用加速到100km/h所需的时间来评价。在比赛中，赛车的加速能力将直接决定动态项目直线加速项目（赛车从静止加速通过一段75米得平直路面）的成绩。2、燃油经济性参数汽车的燃油经济性用汽车在水平的水泥或沥青路面上，以经济车速或多工况满载行驶百公里的燃油消耗量（L/100km）来评价。该值越小，燃油经济性越好。3、汽车最小转弯半径转向盘转至极限位置时，汽车前外转向轮轮辙中心在支撑平面上的轨迹圆的直径，称为汽车最小转弯直径。用来描述汽车转向机动性，是汽车转向能力和转向安全性能的一项重要指标。对于赛车而言，影响汽车的因素有汽车转向轮最大转角、汽车轴距、轮距等。转向轮最大转角越大，轴距越短，轮距越小，汽车的最小转弯半径越小。对机动性要求高的汽车，应取小些。4、通过性几何参数总体设计要确定的通过性几何参数有：最小离地间隙，接近角，离去角，纵向通过半径等。5、操纵稳定性参数汽车操纵稳定性的评价参数较多，与总体设计有关并能作为设计指标的有：（1）转向特性参数为了保证良好的操纵稳定性，汽车应具有一定程度的转向不足。通常用汽车以0.4的向心加速度沿定圆转向时，前、后轮侧偏角之差作为评价参数，此参数在13为宜。（2）车身侧倾角汽车以0.4的向心加速度沿定圆等速行驶时，车身侧倾角控制在3以内较好，最大不允许超过7。（3）制动前俯角为了不影响乘坐舒适性，要求汽车以0.4g的减速度制动时，车身前俯角不大于1.5。6、制动性参数汽车制动性是指汽车在制动时，能尽可能短的距离内保持方向稳定，下长坡时能维持较低的安全车速并在一定坡度上长期驻车的能力。目前常用制动距离、平均制动减速度和行车制动的踏板力及应急制动时的操纵力来评价制动效能。7、性能参数的初步确定经过计算与分析，参数初定如表2-3：表2-3 性能参数最高时速150km/h加速时间（100m）11s比功率24kw比转矩38.8N/M最小离地间隙50接近角3.17离去角90转向特性参数1.35车身侧倾角3制动前俯角1.3制动距离St60m平均制动减速度j3.5s行车制动的踏板力9.8应急制动操纵力600N2.5 赛车各系统设计FSAE赛车区别于民用车，和专业的F1、F3等专业赛车也是有一定区别，它具有自己独特的技术特点，故而吸引无数大学疯狂的投入FSAE赛车的设计。由于我国FSAE赛车设计起步较晚，从2010年开始以第一届中国大学生方程式汽车大赛为契机，国内高校纷纷投入这项赛事。我校第二代赛车采用国内外FSAE普遍应用的发动机中置后驱的布置方式，各个系统设计如表2-4：表2-4 第二代赛车各系统设计发动机型号CBR600，四缸，四冲程，电喷排量600cc最大功率55kw/13000rpm最大扭矩70N.m/11000rpm车架33kg，4130钢，钢管桁架式悬架不等长双横臂独立悬架转向齿轮齿条转向机制动串联双腔制动总泵控制的型双回路液压盘式制动轮胎轮辋轮胎：Hoosier 180/75 R13，轮辋：自制 138车身碳纤维2.5.1 悬架系统设计悬架总成是汽车的一个重要组成部分，它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架上，以保证汽车的正常行驶。悬架系统的设计是根据大学生方程式汽车大赛的比赛规则及赛车设计具体参数要求，参考各种赛车悬架资料，分析各种悬架类型的优缺点，并最终确定适合赛车运动的悬架形式-不等长双横臂式螺旋弹簧独立悬架。1、FSAE赛车悬架系统第三代赛车采用当今广泛应用于方程式赛车的双横臂独立悬架（double-wishbone）。独立悬架有多种结构形式，如双横臂式，烛式，麦弗逊式等。基于方程式赛车的特点选用双横臂式独立悬架，不等长双横臂式独立悬架的设计自由度大，悬架控制臂的长度可自行设定，有较小的非簧载质量，可使赛车具有良好的转弯性能、直线行驶性能。由于赛车采用较大的弹性刚度，双横臂悬架运动空间不足的特点也不会造成很大影响。综合而论，这种装置基本性能优于其他形式的悬架装置。2、FSAE赛车悬架系统的特殊性该系统采用将弹性元件内置于车身外壳中的形式，这样可以降低高速行驶中的风阻，避免了避震弹簧上的横向力影响，减小了由于横向力而造成的车身振动，并且减小了悬架运动部分的质量和转动惯量。将弹簧与阻尼元件隐藏在车身中，利用推拉杆和摇臂盘的组合，达到外置式悬架同样的效果。真实比赛中，由于天气、温度、赛道形式等因素，需要通过不同的悬架参数设定来确保赛车的表现，通过独特的机构，可以方便地改变悬架参数，达到比赛需要。2.5.2 转向系统设计赛车转向系统是关系到赛车性能的主要系统，它是用来保持或者改变赛车行驶方向的机构，在赛车行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。1. 转向系统方案的确定第二代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。由于在转向节臂、横拉杆以及齿条机构的连接必然存在微小的间隙，如果将转向梯形后置将会带来的结果是在车辆入弯时由于整个转向系统将受到来自转向轮的力，此作用力会压缩连接部件之间的间隙，导致稍微增加转向角度，造成微小的转向过度感，不利于在弯中的操控性。同理，如果将整个转向梯形前置，被压缩的间隙造成的效果刚好和转向梯形后置时相反，会导致转向角度的稍微减少，造成微小的转向不足。转向不足对车手来说是一种稳定的可控工况。所以样车选择了转向梯形前置的布置方案。齿轮齿条转向机构结构简单，质量轻，成本低，工作可靠。非常符合Formula SAE 赛车的需要。2.5.3 制动系统设计使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车的速度保持稳定，以及使已经停驶的汽车保持不动，这些作用统称为汽车制动。1、制动器方案的确定汽车制动器几乎均为机械摩擦式的，即利用旋转元件与固定元件两工作表面间的摩擦产生力矩使汽车减速或停车。摩擦式制动器按其旋转元件的形状分为鼓式和盘式两大类。按摩擦副中的固定元件的结构来分，盘式制动器分为钳盘式和全盘式制动器两大类。其中钳盘式有以下三种：固定钳式、滑动钳式和摆动钳式。根据大学生方程式赛车赛事规则，赛车制动系统配备的制动系统必须有两套独立的液压回路，以防系统泄露或失效时，至少在两轮上还保持有有效地制动力。而盘式制动器的优点就是易于构成多回路制动驱动系统，使系统有较好的可靠性与安全性，以保证汽车在任何车速下各车轮都均匀一致的平稳制动。结合赛事规则和赛车具体情况，第二代赛车采用盘式制动器。2、驱动机构方案确定制动驱动机构将来自驾驶员或其他力源的力传给制动器，使之产生制动力矩。根据制动力源的不同，制动驱动机构一般可分为简单制动、动力制动和伺服制动三大类。而力的传递方式又有机械式，液压式，气压式和气压-液压式的区别。液压式简单制动系（通常简称为液压制动系）用于行车制动装置。液压制动的优点是：作用滞后时间短(0.10.3s)，工作压力高(可达1012MPa)，轮缸尺寸小，可布置在制动器内部作为制动蹄张开机构或制动块压紧机构，使之结构简单、紧凑、质量小、造价低；机械效率高。故第二代赛车中采用液压式的动力制动系统来作为制动驱动机构的方案。3、液压回路方案确定为了提高制动驱动机构的工作可靠性，保证行车安全，驱动机构采用了两套独立的系统，即应是双回路系统。双轴汽车的液压式制动驱动机构的双回路系统有多种形式，其中常见的有五种，分别是II、X、HI、LL、HH型。如下图2-1；图2-1 液压回路系统的形式II型管路的布置较为简单，可与传统的但轮缸盘式制动器配合使用，成本较低，目前在各类汽车特别是商用车上用得最广泛对于这种形式，若后制动回路失效，则一旦前轮抱死即极易丧失转弯制动能力。X型的结构也很简单，一回路失效时仍能保持50%的制动效能，并且制动力的分配系数和同步附着系数没有变化，保证了制动时与整车负荷的适应性。此时前，后各有一侧车轮有制动作用，使制动力不对称，导致前轮将朝制动起作用车轮的一侧绕主销转动，使汽车失去方向稳定性。因此，采用这种分路方案的汽车，其主销偏移距应取负值（至20mm），这样，不平衡的制动力使车轮反向转动，改善了汽车的方向稳定性，多用于中、小型轿车。HI、LL、HH型的结构均较II型、X型复杂。LL型和HH型在任意回路失效时，前、后制动力比值均与正常情况相同，剩余总制动力可达正常值的50%左右。HI型单用一轴半回路时剩余制动力较大，但此时与LL型一样，紧急制动情况下后轮很容易先抱死。综合上述情况，第二代赛车选用II型回路系统。4、制动主缸形式的选择图2-2 串联双腔制动主缸内部结构现代汽车制动主缸的形式有单腔和串联双腔制动主缸，根据大赛要求，每个液压回路必须有其专属的储油罐，因此初步确定采用串联双腔形式的制动主缸，但考虑赛车的总体布局和空间问题，不排除采用并联单腔制动主缸的可能。制动主缸由灰铸铁制造，也可以采用低碳钢冷挤成形；活塞可有灰铸铁、铝合金或中碳钢制造。2.5.4 电器系统设计电器与电子设备是方程式赛车的重要组成部分，其性能的好坏会直接影响到赛车的经济性、可靠性与安全性。电气系统的设计在保证安全性、可靠性和经济性的基础上尽量使线路简单，容易制造。1、电气系统总体方案参考CBR600的整车电路原理图进行整车电路的设计，点火系统要能产生足够高的次级电压，且点火电压能随发动机的工况而改变；要有足够的点火能量保证跳火后能够确保可燃混合气迅速燃烧；点火时刻要适当，在发动机不同的工况下能够调节点火提前角确保可燃混合气的燃烧及时、完全；起动部分起动机能够提供足够的转矩和转速，使发动机能够可靠且快速的起动；仪表的设计要保证仪表显示准确，在驾驶舱内可以看的清楚。根据以上的要求，点火系统采用电子点火可以改善传统点火系统的不足，传统点火系的不足有：工作可靠性差，次级电压不稳定，点火能量低，对火花塞积碳敏感且对无线电干扰大。启动系统采用有辅助继电器的起动机驱动电路，仪表设有档位显示和时速表，档位的显示采用二极管直接照明，时速表采用电子式指针速度表，较机械式时速表工作更可靠。2、电气系统线束的总体布置方案本次方程式赛车的电气系统的线路较简单，所以采用一个主线束，布置方案根据整车的接线图和电器总成进行设计。根据整车电气原理图、线束专用件清单进行设计，完整正确的体现整车电气系统的功能，根据原理图分配用电设备的电源类型、保险丝容量、搭铁位置。根据线束所处的工作环境及在汽车内的空间布置合理选择电线的保护层和固定方式。电气系统的整体布置不仅影响到整车电气系统工作的可靠性，对线束的的长度、重量也有影响。此次方程式赛车的线束整体布置方案如图2-3所示。线束沿钢管布置，便于固定。图2-3 线束整体布置方案示意图该布置的优点在于线束便于固定，散热风扇在车身的导风口后方，有助于水箱的冷却。整流器位于外侧，也有利于散热。另外线束的长度也比较短。2.5.5 车身设计大学生方程式赛车传承了F1赛车车身低矮、车身短、行驶稳等优点，低矮和流线型的车身使赛车在快速行驶过程中，可以增加轮胎与地面的附着力，减小空气阻力，提高赛车的操作稳定性。第二代赛车采用的是玻璃钢车身，覆盖位置为车头和驾驶舱。车身的制作过程是制作泡沫塑料模型敷设玻璃纤维布并涂刷树脂固化脱模表面处理喷漆。首先根据车架外形设计车身外形，并制作泡沫塑料模型。采用整块的泡沫塑料加工成形。由于泡沫塑料非常容易加工，可以采用纯手工制作。在制作完成之后需要用砂纸将表面打磨光滑。采用泡沫塑料制作模型最大的好处在于成本低，加工方便。成本仅为一般的玻璃钢木模和石膏模几十甚至上百分之一，同时可以使用简单的工具手工操作，完全不受加工条件的限制。把泡沫塑料模型作为一个阳模，在其外表上涂抹一层树脂，开始敷设玻璃纤维布。一共需要敷设5 层以获得所需要的强度。在树脂充分固化之后，将泡沫塑料模型从固化的玻璃钢壳中取出。由于树脂会将外壳和泡沫塑料牢固地粘结在一起，所以取出的过程对泡沫塑料模型来说是破坏性的。脱模后，对车壳的内表面进行打磨处理，除去粘连的泡沫塑料，根据具体的安装位置，在其他部件如悬架的安装点，开孔后，便可将车壳安装到车架上。对车壳进行表面处理，首先使用原子灰作为腻子将车壳表面填平，使用#0砂纸对车壳进行打磨，在车壳表面基本光滑之后，使用#360 水砂纸进行抛光。最后对车壳进行喷漆即完成了对车身的制作。2.5.6 车架设计车架采用的是空间桁架式结构，其作用是为赛车所有其他部件的连接基础，同时通过前、中、后防滚架的设计对驾驶舱提供保护。样车车架的设计模型如图2-4所示。图2-4 车架示意图在设计时尽可能把悬架的连接点安排在框架结构的节点附近以分散应力提高连接强度。同时要使中防滚架和后防滚架之间的外包络面完全覆盖驾驶员的驾驶位置，并留有一定的空隙作为缓冲。还要在驾驶舱侧面添加足够的侧面防撞保护。整个车架的设计还要为所有在内部安装的设备留下足够的空间。在达到上述要求的同时，车架的设计还必须符合Formula SAE 比赛规则对于车架的相关规定和限制。第三章赛车动力性与燃油经济性3.1 汽车的动力性3.1.1 动力性的评价指标1、汽车的最高车速汽车的最高车速是指汽车满载时在水平良好的路面上所能达到的最高车速。2、汽车的加速时间常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。FSAE大赛一般是用从静止加速通过一段75m平直路面所用的时间来测试加速能力3、汽车的最大爬坡度最大爬坡度是指汽车满载时用变速器最低挡位在良好路面上等速行驶所能克服的最大道路坡度。由于该赛车只在标准赛道上行驶，几乎没有坡度，因而不需要对最大爬坡度进行匹配计算。3.1.2 驱动力行驶阻力图1、驱动力汽车的驱动力是由发动机转矩经传动系传至驱动轮上得到的。驱动力计算公式：（3-1）式中：发动机扭矩变速器传动比主减速器传动比总传动效率轮胎滚动半径2、滚动阻力车轮滚动时，轮胎与路面在接触区域内产生法向和切向的相互作用力，以及相应的轮胎和支撑路面的变形。无论是轮胎还是路面的这些变形都伴随着能量的损失。这些能量损失是产生滚动阻力的根本原因。滚动阻力系数公式： f=0.014（1+ ua2/19440）（3-2）式中： f 滚动阻力系数； 3、空气阻力空气阻力是指汽车直线行驶时受到的空气作用力在形式方向上的分力。空气阻力公式： Fw=CdAua2/21.15 （3-3）式中：Fw 空气阻力； A 迎风面积； Cd 空气阻力系数；4、驱动力-行驶阻力平衡图绘制图3-1 驱动力行驶阻力平衡图5、驱动力-行驶阻力平衡图MATLAB绘制程序m1=65 ； %装载质量 m2=240 ; %整车整备质量 m=305 ; %总质量 r0=0.247 ; %车轮半径 gt=0.85 ; % 传动系机械效率 f=0.013 ; % 波动阻力系数 CDA=0.548 ; % 空气阻力系数迎风面积 i0=3.5 ; %主减速器传动比 If=0.218 ; %飞轮转功惯量 Iw1=1.798 ; % 二前轮转动惯量 Iw2=3.598 ; % 四后轮转功惯量 Ig5=3.5 2.56 1.87 1.368 1;%变速器传动比%绘制功率平衡图，以五档为例for i=1:3401; n(i)=i+599;Ttq(i)=-19.313+295.27*(n(i)/1000)-165.44*(n(i)/1000).2+40.874*(n(i)/1000).3-3.8445*(n(i)/1000).4;%转矩拟合曲线end for i=1:3401; for j=1:5; Ft(i,j)=Ttq(i)*i0*Ig5(j)*gt/r0;%计算驱动力 ua(i,j)=0.377*r0*n(i)./(Ig5(j)*i0);%计算车速 F(i,j)=f*m*9.8+CDA*ua(i,j).2/21.15;%计算行驶阻力 end end plot(ua,Ft,ua,F)xlabel(ua/(km/h);%对汽车驱动力-行驶阻力平衡图进行标注 ylabel(F/N);title(汽车驱动力-行驶阻力平衡图);gtext(Ft1)gtext(Ft2)gtext(Ft3)gtext(Ft4)gtext(Ft5)gtext(Ff+Fw)grid axis(90 100 1500 2000)ginput(2)3.1.3 汽车的加速能力1、汽车的加速度汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度来评价。由汽车行驶方程得（34）式中：为汽车旋转质量换算系数，一般值可用下式计算（35）其中：变速器传动比在发动机转速5000r/min以上时高挡计算得低挡计算得代入数据，计算得各车速的加速度，绘制如下汽车加速度曲线图图3-2 汽车加速度曲线 2、加速时间由于加速度的数值不易测量，实际中常用加速时间来表明汽车的加速能力。根据加速度图可以进一步求得由某一车速加速至另一车速所需的时间。有运动学可知（3-6）（3-7）即加速时间可用计算机进行积分计算或用图解积分法求出。将数据代入，绘制如下加速度倒数曲线图图3-3汽车加速度倒数曲线曲线下面对应的面积即为加速时间。注：在坐标图上用a mm表示1km/h,用b mm表示1,（1km/h)x(1)=1s/3.63.1.4 动力特性图驱动力行驶阻力平衡图确定的最高车速、加速时间、最大爬坡度，可以评价同一类型汽车的动力性。动力因数包括汽车重力和空气阻力，因而作为表征汽车动力特性的指标比较合理。将汽车行驶方程（3-8）两边同时除以汽车重力并整理如下（3-9）令D表示汽车的动力因数，则（3-10）高挡时：（车速为108km/h142km/h) （3-11）算得：（3-12）低挡时：（车速为65km/h85km/h) 算得：绘制动力特性图：图3-4 汽车动力特性图由动力特性图可确定汽车在各车速下的加速能力，评定加速能力，是在良好平直路面（3-13）（3-14）因此，DUa曲线与fUa曲线之间距离的倍即为加速度3.1.5 功率平衡汽车行驶与其他物体运动一样，不仅作用在汽车上的外力存在着平衡关系，同时也遵循能量守恒定律。就是说，在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动与全部运动阻力所消耗的功率之和。将汽车行驶方程式两边乘以行驶车速Ua，得汽车功率平衡方程式（3-15）或（3-16）式中，为克服滚动阻力所消耗的功率，为克服空气阻力所消耗的的功率，为克服坡度阻力所消耗的功率，为克服加速阻力所消耗的的功率。功率平衡方程式可用图解法表示，在以汽车行驶速度为横坐标，以功率为纵坐标的坐标系内，将发动机功率及汽车在平直良好路面上等速行驶所遇到的阻力功率与车速的关系曲线绘出，该赛车的功率平衡图如下图3-5 汽车功率平衡图其中，为汽车的后备功率。3.2 燃油经济性汽车的燃油经济性常用一定运行工况下，汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。一般可由等速百公里油耗和循环工况行驶百公里油耗量来评价。汽车百公里油耗可以用下面的表达式表示（3-17）式中，是百公里油耗量（L/100km);q是汽车通过路段的燃油消耗量（ml)；s是路段长度（m）。燃油消耗量的计算等速行驶单位时间内的燃油消耗量为（g/h) （3-18）把换算成（ml/s）为（3-19）其中，b为燃油消耗率，对于汽油设车速为Ua，则行驶S m所需的时间（3-20）则行驶S m的燃油消耗量为（3-21）折算为等速百公里燃油消耗量（3-22）赛车以最高车速142km/h行驶时（3-23）赛车以经济行驶车速100km/h行驶时（3-24）即，该赛车的百公里燃油消耗量约为46L。第四章赛车总体布置在初步确定汽车的载质量、驱动形式、车身形式、发动机形式等以后，要深入做更具体的工作，包括绘制总布置草图，以需求合理的总布置方案。4.1 整车布置的基准线（面）-零线的确定 1、前轮中心线通过左、右前轮中心，并垂直于车架平面线的平面，在侧视图和俯视图上的投影线，称为前轮中心线。它作为标注纵向尺寸的基准线（面），即x坐标线，向前为“-”、向后为“+”，该线标记为。2、汽车中心线汽车纵向垂直对称面在俯视图和前视图上的投影线，称为汽车中心线。用它作为标注横向尺寸的基准线（面），即y坐标线，向左为“-”、向右为“+”，改线标记为。图4-1 整车布置效果图3、地面线地平面在侧视图和前视图上的投影线，称为地面线。此线是标注汽车高度、接近角、离去角、离地间隙等尺寸的基准线。 4、前轮垂直线通过左、右前轮中心，并垂直于路面的平面，在侧视图和俯视图上投影线，称为前轮垂直线。此线用来作为标注汽车轴距和前悬的基准线。当车架和路面平行时，前轮垂直线与前轮中心线重合。4.2 各部件的布置1、发动机的布置（1）发动机的上下位置发动机的上下位置主要对离地间隙有影响。赛车发动机油底壳至路面的距离应保证满载状态下对最小离地间隙的要求。为使赛车有更好的操纵稳定性和避免高速转弯侧翻，必须尽可能的降低整车的质心，发动机要放置地尽可能地低，但发动机固定又不能干涉，因而发动机最低处距地面约50mm左右（最终视发动机尺寸定）。在发动机高度确定以后，风扇、散热器、水箱、空气滤清器等得高度也随之而定，但是考虑到赛车外观原因，风扇、散热器、水箱、空气滤清器等的布置要根据车身设计的具体要求来安排。（2）发动机的前后位置发动机的前后位置会影响赛车的轴荷分配等。赛车传动采用轴传动，因此，为了减小传动轴夹角，发动机前后位置应保证与驱动桥的距离。一般，发动机的前后位置和上下位置是一起布置。如图4-2所示：（3）发动机的左右位置发动机曲轴中心线在一般情况下与汽车中心线一致。这对底盘承载系统的受力和对发动机悬置支架的统一有利。2、传动系的布置由于发动机、离合器、变速器装成一体，所以在发动机位置确定后，包括发动机、离合器、变速器在内的动力总成位置也随之而定。驱动桥的位置取决于驱动轮的位置。驱动桥的位置决定驱动轮的位置，同时为了使左、右半轴通用，差速器壳体中心线应与汽车中心线重合。如图4-3所示：图4-2 发动机布置效果图图4-3 传动布置效果图图4-4 转向布置效果图图4-5 前悬架布置效果图图4-6 后悬架布置效果图图4-7 制动系及踏板布置效果图3、转向装置的布置（1）转向盘的位置转向盘安装在前环中，为了保证赛车手能舒适地进行转向操作，应注意转向盘平面与水平面的夹角。转向盘与转向传动轴之间有快拆机构。（2）转向器的位置因转向器固定在车架上，其轴线常与转向盘中心线不在一条直线上，为此用万向节和转向传动轴连接起来。如图4-4所示：我们选用的齿轮齿条式转向器最主要的优点是：结构简单、紧凑；壳体采用铝合金或镁合金压铸而成，转向器的质量比较小；传动效率高达90%；齿轮与齿条之间因磨损出现间隙以后，利用装在齿条背部、靠近主动小齿轮处的压紧力可以调节的弹簧，能自动消除齿间间隙。转向摇臂的设计要考虑到与前悬架的干涉情况。4、悬架的布置 FSAE赛车悬架普遍采用不等长双横臂独立悬架，第二代赛车也不例外，因此在保证车架上悬架安装点正确以外，在悬架转配过程中，保证轴距、轮距等主要设计参数。如图4-5、图4-6所示：后悬架各个杆件应保证与半轴不干涉。5、制动系的布置踩下制动踏板所需要的力比踩下油门踏板要大得多，因此，制动踏板应布置在一个赛车手能够轻易操纵、能使上力的位置。这个位置需要考虑赛车手坐姿、座椅形状等因素。布置踏板时，应检查杆件运动时有无干涉和死角，更不应当在车轮跳动时自行制动。布置制动管路要注意安全可靠，整齐美观。如图4-7所示：6、踏板的布置因为汽车行驶赛车手需要不停的踩油门踏板，所以要求踩下时轻便。赛车手应当用脚后跟只靠在地板上，变化操纵时仅仅是通过踝关节角度达到。为了操纵方便，从赛车手方向看，油门踏板布置成朝外转的样子。7、油箱、蓄电池的布置油箱布置的原则是远离消声器和排气管等热源。由于赛车空间较小，因此油箱布置在座椅左侧偏后，与发动机用防火墙隔开，避免受热。蓄电池布置字座椅右侧偏后，与起动机同侧，并且两者越近越好，以缩短线路，同时还要考虑到拆装方便性和良好的接近性。8、座舱的布置大赛规则对座舱大小有明确规定，如图4-8：除了要满足要求外，还要考虑换挡机构、安全带固定位置、车手入舱方式、车身造型等因素。图4-8 座舱大小要求尺寸4.3 总体设计参数表第三代赛车总体设计参数如表4-1、表4-2所示：表4-1 第三代赛车尺寸参数及质量参数表长2647宽1395高1113轴距1680前轮距1199后轮距1149整车整备质量220Kg装载质量65Kg总质量302Kg轴荷分配50:50表4-2 第三代赛车性能参数表发动机型号CBR600RR排量600cc最大功率55kw最大扭矩最高车速150km/h加速时间4.8s轮胎型号Hoosier 180/75 R13燃油经济性5L/100km最小转弯半径3.5m轮辋规格138最小离地间隙50mm主销后倾角0主销内倾角0车轮外倾角0车轮前束0接近角15离去角90制动距离40M行车制动踏板力106.2N第五章结论本次总体设计于六月初圆满结束。我制定并完善了第三代赛车的各项总体参数，成功完成了对各项性能指标的计算、校核和优化，系统地总结了FSAE赛车的设计方法与思路及其制造过程中需要注意的各项问题。本课题的设计的第三代FSAE赛车与第二代赛车相比，有如下改动：1、整车轻量化。第二代赛车整车整备质量达240kg，经过大量的优化（主要是发动机系统、传动系统、车架、车身等），整车整备质量控制在220kg。2、赛车综合性能的提高。悬架系统有叉臂式该为直臂式，原来不可调的悬架现在具有一定的可调性，同时我们尝试用扭杆弹簧来替代原先的螺旋弹簧，在国内属于比较早探讨扭杆弹簧应用于FSAE赛车的高校。转向系统去掉不必要部件，在一定程度上减小了转向盘反作用力，减轻赛车手负担。车架经过有限元分析，我们去掉了很多不必要杆件，在保证强度和刚度的前提下，减轻了赛车重量。功率更大、输出扭矩更得的发动机将极大的改善整车动力性。3、更加的符合比赛要求。经过去年比赛的经验与对规则的研读，我们着重解决油、水泄漏等问题。由于发动机、轮胎等主要部件没有及时到位，很多设计和校核都是理论上的分析，与实际会有很大的出入，因此在制造赛车的过程中，在严格遵守总体设计目标参数的同时，也应根据实际情况，经过慎重讨论后更改目标参数。此次设计虽然已经完成，但仍有许多不足之处，对于第四代赛车提出一些展望：1、普遍采用碳纤维材料如悬架、转向等。相比钢材，碳纤维除了成本没有优势外，在各项性能上都是十分卓越、接近完美的；2、使用10寸胎。相比13寸胎而言，10寸胎的使用将提高赛车抓地力、转向能力。参考文献1 张文春，汽车理论，机械工业出版社，2007.11，22-442 刘惟信，汽车设计，清华大学出版社，2001.73 陈家瑞，汽车构造（第二版下册），机械工业出版社，2005.1，98-1164 王望予，汽车设计（第四版），机械工业出版社，2009.1，1-505 张洪欣，汽车设计，机械工业出版社，1983.3, 7-476 自动车技术会小林明，汽车工程手册（第二分册），机械工业出版社，1984.4， 386-4197 编辑委员会，汽车工程手册摩托车篇，人民交通出版社，2001.3 ，170-1888 机械设计手册编委会，机械设计手册新编，机械工业出版社，2004.8,16-44-16-669 中国汽车技术研究中心，汽车设计标准资料手册（金属篇），河北抚宁印刷，1994.10, 357-35810 长春汽车研究所编.悬架设计.汽车技术，1973，第五期 ,34-36 11 东北大学组编.机械零件设计手册.，冶金工业出版社，1994，268-28112 吴宗泽.机械设计实用手册.，化学工业出版社，2001,13王昆，何小柏，汪信远.机械设计基础课程设计.，高等教育出版社，2004 14 汽车工程手册编委会编.汽车工程手册.设计篇.，人民交通出版社，200115 汽车工程手册编委会编.汽车工程手册.基础篇.，人民交通出版社，200116 神龙汽车有限公司编著.中国轿车丛书：富康.，北京理工大学出版社，199817 吴子牛，王兵，周睿，空气动力学（上册），清华大学出版社，2007.118 常思勤，汽车动力装置，机械工业出版社，2006.219 2010 Formula SAE Rules, SAE Inc, 2009.10，all20 Race.Car.Vehicle.Dynamics Society of Automotive Engineers, tnc.Warren Date, Pa.21 Carroll Smith, Drive to Win, Motor Books22 Herb Adams, Chassis Engineering, HP Books23 Paul Haney, The Racing & High-Performance Tire: Using Tires to Tunefor Grip & Balance, Society of Automotive Engineers24 Jeff Hartman ,How to Tune and Modify Engine Management Systems,Motor Books25 Carroll Smith, Tune to Win, Motor Books26 Carl Lopez, Going Faster! Mastering the Art of Race Driving, BentleyPublishers27 William F. Milliken & Douglas L. Milliken, Race Car Vehicle Dynamics,SAE International致谢为期13个月的毕业设计很快结束了，在这里我要发自内心地说一句“感谢牛毅老师这么长时间来耐心地指导和教诲！”牛老师作为一位高级工程师，他经验丰富，学识渊博，和蔼可亲，在毕业设计如此重要的课题面前，牛老师扮演着极其重要的角色，他让我们这些没有实践经验的大学生，在设计赛车时有了清晰的思路和饱满的热情，让我们毕业设计在快乐和严谨中度过。在此，我向牛老师说一声“牛老师，您辛苦了，希望您在退休以后的日子里身体健康，生活快乐！”在河科大四年的学习生活中，车辆与动力工程学院这个大家庭给了我无尽的知识和力量：院领导带领所有成员走在正确的道路上，院办、学生处等许多老师在背后为我们默默地奉献着，专业课及其他各科老师在四年的课堂上教会我们如何学习、做人、做事，因此，我不得不说上一句“我敬爱的老师们，谢谢您们四年来无私的奉献和谆谆教诲！我将永远牢记在心！”另外，在此次赛车设计中，我得到了同组组员席文宽、韩梦莹、李成吉、林祖栋、贾吉亮、刘恩泽、麻文涛几位同学的积极配合和帮助，是大家的积极努力和配合，以及饱满的热情和专注，才让负责总体设计的我顺利完成三维效果图、二维三视图和毕业论文，这个团队的无私和敬业精神，使得一切都变得如此轻松和快乐！对此，我想我的同组人员表示衷心的感谢！谢谢你们十三个月的配合与支持！最后，还要感谢评审老师们，能在百忙之中，抽出时间来帮助我们顺利结束大学四年学习生活，让我们以一个合格的大学生走向自己的工作岗位！您们的认真态度和专业素养，让我们在以后的工作岗位上更加认真和专业！真心地向您说上一声“老师，谢谢您！虽然我将毕业，但我心与您同在！”外文资料译文英文资料翻译轮胎力分配在汽车稳定工况下（电子稳定控制系统-和电子稳定控制系统-两种模式）在汽车稳定工况下，它不会有翻车的危险，这个为了保证汽车的机动性的电子稳定控制系统-控制装置和为了保证汽车的横向稳定的电子稳定控制系统-控制装置开始起到积极的作用。当汽车横向加速度很小的时候以至于滑动角度很小，并且横向轮胎力的特性位于线性区域，正如图标-9所示，在这些工况下，只有AFC控制模块起作用，并且AFC控制输入决定于两轮驱动的行车模式如下所示：（20）当横向加速度明显增加的时候，基于AFC和AFS模块的组合控制输入开始起作用，由于ESC有一些消极的影响，如乘车舒适的退化以及轮胎和制动的磨损，轮胎力的最佳协调集中在最小化的使用刹车，一个最佳协调的横向和纵向轮胎力要求的偏航时刻决定于卡罗需庫恩塔克最优化条件（KKT），表格-10展示了协调系统与合力一致当要求的偏航时刻是正的，要求的偏航时刻符号决定了什么样的轮胎力被用在最佳协调。如果要求的偏航时刻是正的，四个变量,及应该被调整，使偏航时刻如表格10中描述的那样。这些最佳变量能够减少通过使用一些关系，它和汽车的垂直载荷一致，由于两个前轮的有效的转向角度都是一样的，有效的轮胎横向轮胎力有一个关系，如下所示：（21）此外，位于前轮和后轮的轮胎纵向力有如下的关系：（22）使用以上两个公式，两个变量，能够被估算出来在最优化问题上，目的是最优化分配问题给纵向和横向轮胎力涉及到两个变量，命名为和被提议的协调功能是通过制动附加的纵向轮胎力的大小，如下所示:这个协调问题有两个变量，与相等和不相等协调一起约束，这两个约束由以下决定：（23）（24）在上式中：公式（23）中的相等约束意味着由横向力和纵向力生成的偏航时刻的总和应该和要求的偏航时刻相等，公式（24）中意味着横向力和纵向力的总和应该少于轮胎上的摩擦力。从（22）到（24）汉密尔顿函数被定义如下：（25）一阶必要条件关于汉密尔顿函数决定于卡罗需庫恩塔克最优化条件（KKT）如下所示：（26）（27）（28）（29）从公式（29）开始，能够得到两种实例如下所示：例1：例2：例1意味着纵向和横向轮胎力的总和要小于轮胎摩擦力，在另一方面，例2意味着轮胎纵向力和横向力和轮胎摩擦力相等，协调解决方案能够获得以上两个例子。如果要求的偏航时刻是正的，解决方案如下：例1：（30）例2：（31）ESC模块的制动压力和AFC模块的附加的转向角度决定于公式（32）如下：（32）在公式（32）中，为制动增量系数，为轮胎半径。当要求的偏航时刻是负的，轮胎力能以一种相似的方式获得到（30）和（31）。2.2.2轮胎力分配在翻转工况下（ROM模式）在先前的部分，要求的制动力这个力应该从属防止汽车翻转，并且要求的偏航时刻为了减少偏航时刻的错误温馨提示:
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