大学生F1方程式赛车整车设计.pdf

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1、大学生F l方程式赛车整车设计摘要本文基于汽车理论课程实践所做的BAJA赛车模型，并结合FSAE赛车比赛规则和赛道的布置特点，进行拓展设计一款大学生F1方程式赛车。从赛车底盘角度出发，本文侧重于汽车车架的设计，因为车架是整车的重要组成部分，它不仅承受着来自路面的各种复杂载荷，同时也是其他总成的安装载体。通过有限元法对车架结构进行分析，对提高整车的各种性能有重要的意义。本文根据 中国FSC大赛规则(2012)要求，首先利用UG6.0软件对赛车车架进行结构设计，建立起多个车架的三维模型，然后将设计出来的多个车架以及BAJA模型的车架导入到有限元软件中，对车架进行静力学分析，通过对比静力和应力分布图

2、分析选出更优秀的车架。同时对Formula SAE赛车的发动机系统、车轮系统、传动系统、悬架系统、转向系统、制动系统等进行选型和整体布置，然后根据所选的总成参数对整车动力性能进行匹配以及整车动力性能进行分析，从而设计出一款符合大赛要求同时性能优异的赛车。关键词：U G,大学生F1方程式赛车，车架，有限元分析，动力匹配Formule SAE Collegiate Design of The Racing CarABSTRACTThe article is Based on the BAJA racing car model which is made at the Practice ofAuto

3、mobile Theory Course,and at the same time with combinations of the FSAE carracing game rules and the circuit layout characteristics,to expand the design of a formulasae race car.Start from the chassis of the car,this article focuses on the design ofautomobile frame,because the frame is an important

4、part of vehicle,it not only sufferedfrom a variety of complex surface load,at the same time it is the carrier to install the otherassembly.Through the finite element method analysis of frame structure,has importantsignificances to improve the vehicle performance.According t o FSC contest rules(2012)

5、of the Peoples Republic of China requires,first of all,using the software of UG6.0 tocarrry out on the car frame structure design,setting up multiple 3 d model of the frame,andthen imported multiple frame and BAJA model frame into the finite element software,using the statics to analysis the frame,b

6、y comparing the static and stress distributionanalysis to select the better frame.To select the type of Formula SAE racing car enginesystem,the wheel system,the transmission system,the suspension system,the steeringsystem and the brake system and layout of the whole,and then according to theparamete

7、rs of the selected to match the vehicle dynamic performance and analyzed thevehicle dynamic performance,Thus design a car to match requirements of the competitionand also have performances.KEY WORDS:UG,the formula 1 racing car of College students,frame,finite elementanalysis,dynamic matching.目录第 一 章

8、 绪 论1.1、F o r m u l e S A E 概述1.1.1、背景1.1.2、发展及现状1.2,任务及目标第二章赛车总体参数与主要总成的选择2.1、概述2.1.1、总体设计因满足的要求2.1.2、总体设计的目的2.2、汽车形式的选择2.2.1、轴数2.2.2、驱动形式2.2.3、布置形式2.3、汽车主要参数的选择2.3.1、汽车主要尺寸的确定2.3.2、汽车质量参数的确定2.3.3、汽车动力性参数的确定2.4、发动机的选择2.4.1、发动机限制2.4.2、发动机主要性能指标的选择2.4.3、进气系统2.4.4、排气系统2.5、传动系统2.5.k 变速箱性能参数的确定2.5.2、主减速

9、器及差速器的确定2.6、轮胎和轮 的选择2.7、悬架系统的选择2.7.1、比赛要求2.7.2、悬架的作用2.7.3、悬架的分类2.7.4、悬架的选择2.7.5、方程式赛车悬架的特殊性2.8、制动系统的选择2.8.1、制动系统要求2.8.2、制动器的分类2.8.3、制动器的选择2.9、转向系统的选择2.9.1、转向的要求2.9.2、转向系的确定2.1 0、车架形式的选择2.1 0.1、车架的定义2.1 0.2、车架的设计2.1 0.3、车架的分类第三章赛车整车的总体设计3.1、车架的设计3.1.1、车架的设计流程3.1.2、车架设计要求3.1.3、名词解释3.1.4、车架设计过程3.1.4.k

10、前环以及前斜撑设计3.1.4.2、主环设计3.1.4.3、支撑要求3.1.5、车架材料的选择3.1.6、车架焊接方式的选择3.2、其他部件的三维建模3.2.1、发动机总成以及变速箱三维建模3.2.2、制动总泵以及各个踏板的三维建模3.2.3、悬架系统建模3.2.4、制动系统的三维建模3.2.5、车轮三维建模3.2.6、后驱动桥三维建模3.2.7、转向系统的设计3.2.8、油箱三维模型的建立3.2.9、车身的设计3.2.1 0、座椅的设计3.2.1 1、赛车的总装第四章整车设计中的关键问题4.1、车架强度校核4.1.1、有限元软件介绍4.1.2、有限元模型的建立4.1.3、模型的简化及建立4.1

11、.4、网格划分4.1.5、车架静力学分析4.1.5.1、车架静态载荷分析4.1.5.2、工况分析及边界条件处理4.1.5.3、弯曲工况分析4.1.5.4,制动工况的分析4.1.6、车架刚度分析4.1.6.1、车架扭转刚度分析4.1.6.2、车架弯曲刚度分析4.1.7、车架模型（二）的有限元模型分析4.2、动力系统计算匹配及评价4.2.1、概述4.2.2、动力性能计算4.2.2.1 动力性相关公式4.2.2.2、计算过程及结果4.2.2.3、本节结论第 五 章 结 论参考文献致谢绪论1.1 Formule SAE 概述1.1.1,背景Formula SA E,是由各国SA E,即汽车工程师协会举

12、办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE方程式(Formula SAE)系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来

13、自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车，并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元(该规则09年已经取消)。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。1.1.2

14、、发展及现状FSAE赛车比赛虚构了一家赛车生产商。学生组成的设计团队将为该生产商设计一辆小型方程式赛车。原型车将被该生产商用来评估一个生产项超越梦想成就未来目的市场潜力。产品的目标市场是周末业余赛车比赛。为了保证比赛能够顺利、公平的进行，赛事组委会制订了一系列详细的规则。学生设计团队在满足规则要求的前提下一般用8到 1 2 月的时间设计、制造和测试自己的赛车。F S A E 赛车比赛的目的在于培养汽车及其他机械领域的工程技术人才，为工科学生将来的职场生涯建立良好的基础。但是由于整个比赛涉及了汽车工业所包括的设计、生产、测试、市场、管理和财务等各个方面。所以随着比赛的不断发展，很多非工科专业的学

15、生也很好的参与到这项赛事中，并得到了极大的锻炼。F S A E 赛车比赛给参赛学生提供了走出课堂将理论知识应用到工程实践的良好机会。多年来F S A E 赛车比赛不断地为汽车及其他各个行业输出了大量的高水平人才。赛事对赛车各系统的材料，结构等都做出了详细的规定。但是除了对赛车的安全性有大量详细的要求以外，比赛规则整体上比较开放。目的就是为了在充分保证参赛人员人身安全的前提下，尽可能的为参赛学生营造一个自由的比赛环境，来鼓励学生发挥想象力和创造力，使更多的原创设计和多种形式的赛车出现在赛场上。根据每年比赛所遇到的问题和其他各方面因素的变化和发展，F S A E 赛事规则委员会每年都会对比赛规则进

16、行修订，使比赛规则更加合理系统。比赛规则主要分为两部分，赛车技术要求和比赛条例。F S A E 赛车比赛是供大学生参与的工程设计竞赛，其比赛目的与商业性质赛车比赛有着很大的不同。为了更好的达到锻炼和培养参赛学生综合能力的目的，比赛虚拟了一个商业研发环境，所有的比赛项目都是基于这一环境而设置。所以F S A E 比赛的过程同一般的赛车比赛有着很大的不同。F S A E赛车比赛主要分为静态项目比赛和动态项目比赛两部分。在静态项目比赛中，参赛学生需要把各项目比赛的评委看作是虚拟赛车生产商的各部门负责人。学生需要通过语言，图表等各种方法，将自己作品的设计理念、技术特点、性能优势、加工成本和商业价值等要

17、素有效地表达出来，使这家公司的负责人能够充分了解你的设计方案的优势，并最终使他们认可你的设计方案。超越梦想成就未来从世界范围来看，当今有三个地区有F o r m u la S A E的学生竞赛，即美国、欧洲、澳洲I。7 0年代中期，几个美国大学开始主办当地的学生设计竞赛赛车。S A E M in i B a ja的名称沿袭了著名的墨西哥B a ja 1 0 0 0汽车比赛。第 一 届S A E M in i B a ja比 赛 于1 9 76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，即一天的静态比赛设计、成本、陈述接着一天是各自的性能竞赛项目。M i n i B a j

18、 a比赛重点强调了地盘的设计，因为每个队伍都使用一个8匹马力的引擎，这一点无法改变。在过去的20多年里，S A E M i n i B a j a的成功超乎了每个人的预期。在S A E M i n i B a j a的成功获得各界认同的同时，S A E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Fo r m u l aS A E o Fo r m u l a S A E相 比S A E M i n i B a j a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61 0 c c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F

19、o r m u l a S A E超 过2 0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20 0 k m/h,0到1 0 0 k m/h加速时间一般都在4.5 s以内。从原先在S A E M i n i B a j a比赛中的8h p发动机到现今Fo r m u l a S A E中已经超过l O O h p的大功率发动机，Fo r m u l a S A E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。20 1 0年第一届中国FS C由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团易 车（B I TA U

20、TO）联合发起举办。中国FS C秉 持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家F S C赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中 国F S C致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综超越梦想成就未来合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。1.2.任务及目标在本次毕业设计中，选择大

21、学生F1方程式赛车为主要研究对象。通过对底盘总布置的设计计算，合理选用各总成，合理装配布置，保证底盘各总成运动协调，操纵轻便，使底盘各总成更加高效合理可靠的工作。主要研究内容：大学生F1方程式赛车整车结构设计，总体布置，各工作部件相互位置关系的确定以及计算其性能参数；对部分零部件进行必要的设计计算，以及车架的强度校核。预期目标：通过对现有大学生F1方程式赛车的了解以及各种资料的分析，确定整机总体结构及总体布置图，设计计算，三维建模，对车架进行强度分析，绘制图纸，并附带说明书。超越梦想成就未来第一章赛车总体参数与主要总成的选择2.1、概述2.1.1、总体设计应满足的基本要求由动力装置、底盘、车身

22、、电器以及仪表等四部分组成的汽车，是用来载送人和货物的运输工具，而这里我们要设计的是用来参加比赛的赛车,其赛车悬架、转向、制动总成设计参数选取和具体结构等方面与普通车辆都存在差异，通过对在网上搜索的各类方程式赛车资料，进行整理，然后分析总结出方程式赛车应当具备的一些普通车辆所没有的性能和结构特点。根据这些特点进行设计，从而使赛车能在比赛中发挥出高性能和取得良好的比赛成绩。2.1.2、总体设计的目的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

23、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。2.2、汽车形式的选择不同形式的汽车，主要体现在轴数、驱动形式以及布置形式上有区别，这里我们选择的是大学生F1方程式赛车。2.2.1、轴数超越梦想成就未来汽车可以有两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。影响选取轴数的因素主要有汽车的总质量、道路法规对轴载质量的限制和轮胎的负荷能力以及汽车的结构等。这里我们选择：两轴。2.2.2、驱动形式汽车驱动形式有4x2、4x4等等，其中前一位数字表示汽车车轮总

24、数，后一位表示驱动轮数。汽车的用途、总质量和对车辆通过性能的要求等，是影响选取驱动形式的主要因素。这里我们选择：4x2。2.2.3、布 置形式汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身的相互关系和布置特点而言。常用的有前置前驱、后置后驱、前置后驱和中置后驱。这里我们选择一般赛车常用的方式：中置后驱。2.3、汽车主要参数的选择2.3.1、汽 车主要尺寸的确定汽车的主要尺寸参数有外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬。我们根据网上搜索的资料以及查看各个学校的技术报表，然后根据大赛规则大概确定主要参数：表2.1 汽车尺寸参数Tab2.1 the Size parameters of the car车型参数赛车

25、总 长(mm)2610总 宽(mm)1420超越梦想成就未来总高（满载）（mm）1200轴 距（mm）1920前轮距（mm）1150后轮距（mm）1240前 悬（mm）530后 悬（mm）160最小离地间隙（mm）602.3.2、汽 车质量参数的确定汽车质量参数包括整车质量m o,载客量、满载质量、质量系数n m o,和轴荷分配等。表 2.2 汽车质量参数Tab2.2 The quality parameters of the automotive车型参数赛车整车整备质量m（）（kg）300载客量1满载质量ma（kg）360质量系数nm（）0.2前轴负荷（满载）（kg）170后轴负荷（满载）（

26、kg）1922.3.3、汽车动力性参数的确定汽车动力性参数包括最高车速V m ax、加速时间t、上坡能力、比功率和比转矩等。设计目标：超越梦想成就未来表 2.3汽车动力性参数Tab2.3 The power performance parameters of the automobile车型参数赛车最高车速Vmax(km/h)150加速时间 t(s)(0100km/h)6.32.4、发 动机的选择2.4.1、发动机限制(1)、驱动赛车的发动机必须为四冲程、排量610cc以下的活塞式发动机;(2)、为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机

27、的进气气流都应流经此限流阀。2.4.2、发动机主要性能指标的选择赛车发动机的选择要根据比赛规则的要求和赛道特点而决定。FSAE比赛中分值最高和赛程最长的是Endurance比赛。Endurance赛道的直道不超过 70m。所以FSAE赛车发动机最关键的性能是稳定优秀的扭矩输出，而发动机功率输出性能的重要性则被弱化。FSAE比赛中发动机的选择主要分为两个方向。大排量高性能4 缸机是多数车队的选择，较为典型的是Honda CBR600 F4i。而选择小重量单缸机的高水平车队也有不少。Yamaha WR450F就是一款非常适合FSAE的单缸机。参考绝大多数学校发动机的选择，我们选择本田摩托车的Hon

28、daCBR600F4i电喷发动机，引擎形式四冲程水冷DOHC,并列四汽缸。性能指标：超越梦想成就未来表 2.4 发动机性能指标Tab2.4 Engine performance metrics发动机性能指标发动机参数发动机排量599cc未限流最高功率（kw）80最高转速（r/min）13000缸径x 冲 程（mm）67x42.5压缩比12.0:1最高马力110ps/12500rpm最大扭力6.3kg.m/10500rpm限流后最大功率44.1kw/9000r/min该发动机还有个优点油底壳较低，这样车的重心也会较低。如果重心较高，将会导致车过弯的时候不稳，重量转移过大。对于新车队来说，改装油底

29、壳会比较麻烦，没有经验，也不知道如何去改的时候，用 F4i是很好的选择F4i还有一个优点就是价格比600RR便宜，国内二手发动机的价格应该在一万人民币以下原装电脑，改成规则规定的20mm进气以后，马力应该在 6065hpo超越梦想成就未来图2-1本 田HondaCBR600F4i电喷发动机Fig 2-1 the electronic fuel injection engine of Honda CBR600 F4i2.4.3、进气系统把空气过滤器的安装位置从进气稳压箱中独立了出来，并增加了专门的空气滤清器盖板，在维护时只需单独打开盖板即可方便更换空气滤清器。如图2-2所示。这样的改进不但极大的

30、降低了使用成本，避免使用Kawasaki售价高昂的原装空气滤清器，而且在采购上也有着极大的便利。由于受到Formula SA E规则的限制，所有的引擎都必须加装一个最小截面直径不超过20mm的限流器来限制引擎功率。所以在空气滤清器旁边的进气口上还加装了一个限流器。如 图2-3所示。限流器采用的是一个圆锥形的漏斗状装置，固定在限流器出口位置的盖板上，限流器可以随盖板一起方便地拆除，以便在某些必要的测试当中增加引擎功率。超越梦想成就未来图2-2空气滤清器匣(圈内)Fig 2-2 Air filter caitridge(in Circle)图2-3 限流器(圈内)Fig 2-3 current l

31、imiter(in Circle)超越梦想成就未来2.4.4、排气系统汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，一般由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。汽车排气系统是主要是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染减小，噪音减小。汽车排气系统主要用于轻型车、微型车和客车，摩托车等机动车辆。我们这里采用摩托车的排气系统如图2-4：图2-4 Kawasaki ZRX400排气系统(线框内)Fig 2-4 the exhaust system of Kawasaki ZRX400(in wireframe)2.5、传动系统2.5.1、变速箱性能参数的确定采

32、用发动机自带的变速箱：6 速常啮合循环挡位。换挡顺序为：1挡一空挡一2 挡一3 挡一4 挡一5 挡一6 挡。其参数如下：表 2.5 变速箱性能参数Tab2.5 Performance parameters of the gearbox发动机内部减速器传动比1.822一档速比2.833二档速比2.062三档速比1.647超越梦想成就未来四档传动比1.4 2 1五档传动比1.2 7 2六档传动比1.17 32.5.2、主减速器及差速器的确定发动机通过链传动将动力传递到驱动桥，其中链条可以采用摩托车上的5 2 0 H 链条，而差速器可采用是五菱L Q G 5 0 10 型货车差速器，该差速器为无锁止

33、的锥齿轮式差速器。，在差速器外壳均需要加装合适的链轮。主减速比：链传动传动比=3.5；2.6、轮胎和轮辆的选择车轮与轮胎是汽车行驶系统中的重要部件，其功用是：支撑整车；缓和由路面传来的冲击力；通过轮胎同路面的附着作用来产生驱动力和制动力；汽车转弯时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同时，通过车轮产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向；承担越障提高通过性的作用等。通过对2 0 12 年各个学校参加比赛的赛车了解总结之后发现，万丰和H o o s i e r 是 F S A E 车队使用最多的轮胎品牌和轮辆品牌，性能最好的是H o o s ier 品牌，但由于成本因素等等考虑，我

34、们选择万丰轮桐和马牌轮胎品牌。其参数如下：万丰1 3 英 寸 铝 合 金 轮 马 牌 2 2 3/53 3 R 1 4。2.7、悬架系统的选择2.7.1、比 赛要求（I）赛车所有车轮必须安装有功能完善的、带有减震器的悬架。在有车手乘坐的情况下，轮胎的跳动行程至少为50.8 m m（2 英寸），其中向上2 5.4 m m（1英寸），向下2 5.4 m m （1英寸）。如果赛车没能表现出适合比赛的操超越梦想成就未来控能力，或是没有经过认真的设计，裁判有权取消赛车的参赛资格。(2)在技术检查中，悬架的所有的安装点必须可以被呈示给技术检查官，无论是可以直接看到或是通过移除覆盖件来实现。2.7.2、悬

35、架的作用悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性能。从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加 速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。2.7.3、悬 架的分类汽车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种：(1)非独立悬架的车轮装在

36、一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。(2)独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或车身)下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。但这种悬架构造较复杂，承载力小。现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。2.7.4、悬 架的选择本赛车采用当今方程式赛车普遍使用的悬架结构，故采用独立悬架。超越梦想成就未来独立悬架有多种形式，基于方程式赛车特点，选用双横臂不等长独立悬架。采用此种悬架，主要

37、优点是不等长式上下各有一个不等长摇臂，共同吸收横向力，因此横向刚度大，并且通过合理的布置，可以使轮距和前轮的定位参数在可接受的限定范围内变化，这就克服了等长式双横臂悬架轮胎磨损严重的弊端。路面的适应力好，轮胎接地面大、贴地性好。如图2-5所示：图2-5双横臂不等长独立悬架Fig 2-5 Range double wishbone independent suspension2.7.5、方程式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

38、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。超越梦想成就未来2.8、制动系统的选择2.8.1、制动系统要求：(1)赛车必须安装有制动系统。制动系统必须作用于所有四个车轮上，并且通过单一的控制机构控制。(2)制动系统必须有两套独立的液压制动回路，当某一条回路系统泄漏或失效时，另一条回路还可以至少保证有两个车轮可以维持有效的制动力。每个液压制动回路必须有其专用的储液罐(可以使用独立的储液罐，也可以使用厂家生产的内部被分隔开的储液罐)

39、。(3)安装有限滑式差速器的车桥，其两个车轮可以使用单个制动器制动。(4)制动系统必须在后述的测试中，能够抱死所有四个车轮。(5)禁止使用线控制动。(6)禁止使用没有保护的塑料制动管路。(7)制动系统必须被碎片护罩保护，以防传动系失效或小碰撞引起的碎片破坏制动系统。2.8.2、制动器的分类(1)制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等儿种形式。电磁式制动器虽有作用滞后性好、易于连接而且接头可靠等优点，但因成本高，只在一部分总质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓速器；液力式制动器一般只用作缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。(2)摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，可以分为鼓式、盘式和带式三种。带

40、式制动器只用作中央差速器；鼓式和盘式制动器的结构形式也分有多种。(3)盘式与鼓式相比有如下优点：热稳定性好；水稳定性好；制动力矩与汽车运动方向无关；易于构成双回路制动系，使汽车有较高的可靠性和安全性；尺寸小、质量小、散热良好；更换衬块简单容易。易于实现间隙自超越梦想成就未来动调整等。2.8.3、制动器的选择通过以上比较，以及参考其他院校制动器的选择，这里我们选择双轮浮动盘式制动willwood DSPo如下图2-6所示：图2-6双轮浮动盘式制动，willwood DSPFig 2-6 Double floating disc brake,willwood DSP2.9、转向的选择2.9.1、转

41、向的要求（1）方向盘必须与前轮机械连接。禁止使用线控转向。（2）转向系统必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转（四杆机构在一个节点处发生反转）。限位块可安装在转向立柱或齿条上，并且必须防止轮胎在转向行驶时接触悬架、车身或车架部件。超 越 梦 想 成就未来(3)转向系统的自由行程不得超过7(在方向盘上测量)。(4)方向盘必须安装在快拆器上，必须保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手套时可以操作快拆器。(5)方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。例如：方向盘的外轮廓可以有一些部分趋向直线，但不可以有内凹的部分。禁止使用H 形、8 型或分开式方向盘。(6)在任何角度，方向盘上端必须低于前环的

42、上端如图2-7：方向盘在任何转角下的最高点都必须低于前环最高点图2-7方向盘的位置Fig 2-7 The location of the steering wheel2.9.2、转向系的确定(1)转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时,保证各转向轮之间有协调的转向关系。机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。(2)转向系的组成：转向器和转向传动机构。其中转向器我们选择机械式中的齿轮齿条式，因为它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮

43、转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉,超越梦想成就未来转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。如下图所示：餐维彖转向器基本原理示意图八图2-8齿轮齿条转向器基本原理示意图Fig 2-8 the basic principle diagram of Pinion and rack steering gear转向传动机构采用转向梯形如下图所示：超越梦想成就未来2.1 0.车架形式的选择2.10.1,车架的定义也称大梁。汽车的基体，一般由两根纵梁和儿根横梁组成，经由悬挂装置、前桥、后桥支承在车轮上。具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击

44、。2.1 0.2,车架的设计要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性(s t i f f n es s)不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。而车架在实际环境下要面对4 种压力。(1)负载弯曲从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量，是由车架承受的，通过轮轴传到地面。而这个压力，主要会集中在轴距的中心点。因此车架底部的纵梁和横梁(m e m b e r),一般都要求较强的刚度。(2)非水平扭动当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压力(l o n g i t u

45、 d i n a l t o r s i o n),情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。(3)横向弯曲所谓横向弯曲，就是汽车在入弯时重量的惯性(即离心力)会使车身产生向弯外甩的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对的压力将车架横向扭曲。(4)水平菱形扭动实车架的好坏并非物理指标就可以涵盖，所以即使有超强的新车架出现，最传统的车架形式依然存在，正因为此，以下的内容才有了发布的意义。超越梦想成就未来2.10.3、车架的分类车架的类型有：梯形车架、一体式金属车架、超轻量一体式车架、一体式碳纤维车架、大梁式车架、承载式车架、钢管式车架、铝合金车架、碳纤维车架、副车架等等。由于成本原

46、因国内FSAE赛车大多使用的是钢管式车架，但国外大多使用一体式碳纤维车架。下面我们主要介绍一下这两种车架：1、钢管式车架介绍（1）、定义承载式车架的设计开发和生产工艺都复杂，只适宜大批量生产。但是对于少量生产的轿车又如何呢？虽然可以采用共用平台策略，但所谓的“共用平台”能共用的只是悬架、传动系统等底盘部件，承载式的车架由于必须与车身形状吻合，对于不同的车身造型是不能共用车架的。于是钢管式（又 称“框条式”）车架便应运而生。顾名思义，钢管式车架就是用很多钢管焊接成一个框架，再将零部件装在这个框架上。它的生产工艺简单，很适合小规模的工作坊作业，50-70年代英国有很多小规模的车厂生产各式各样的汽车

47、，都是用自行开发制造的钢管车架，是钢管车架的全盛时期。时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂，如LAMBORGHINI和T V R,原因是可以省去冲压设备的巨大投资。由于对钢管车车架进行局部加强十分容易（只须加焊钢管），在质量相等的情况下，往往可以得到比承载式车架更强的刚度，这也是很多跑车厂仍乐于用它的原因。如下图所示：超越梦想成就未来图2-1 0 桁架结构车架Fig 2-10 Truss structure frame(2)、优缺点优点：加工制造方便，造价低廉，具有较好的容错性，强度较高。缺点：不利于空间布置和车身造型、需要覆盖车身，因而不利于轻量化。2、一体式碳纤维车架(1)、定

48、义它通过一个物体的表面来承载，而不是使用内部框架来承载。Mono来源于希腊，指单一的意思。Coque是来源于法语，壳的意思。所以monocoque就算是承载式车身的一种。但现代大多数乘用车的白车身，并不是完整意义上的单体壳，而是箱体、管件和舱壁的组合，并不强调表面的刚度和强度，主要通过凹凸形成的箱体和管件来承载。FSAE界的单体壳也绝大多数是碳纤维增强树脂(Carbon Fibre Reinforced Plastic(CFRP)简称碳纤维的单体壳，金属单体壳仅有英国的Oxford Brookes University近几年的赛车，它使用的是铝合金来制造单体壳。另外在超跑和赛车领域，也几乎都是

49、碳纤维单体壳。如下图所示：超越梦想成就未来图2.1 2单体壳车架Fig 2-11 Single shell frame（2）、优缺点优点：高强度，轻量化，易于车身造型，安装一步到位，精度容易保证。缺点：制造加工困难，造价高昂，结构强度难控制，基本没有容错性，寿命短，修复困难，不可回收。3、结论通过以上比较国内FSA E赛车多数使用的是钢管式车架，但随着技术不断地成熟，以及资金的充裕必将会有越来越多的车队使用一体式碳纤维车架。由于我们学校正处于研究初期，所以我们选用的钢管式车架，然后通过ANSYS软件进行强度分析。超越梦想成就未来第三章赛车整车的总体设计3.1.车架的设计3.1.1 车架的设计流

50、程：(1)根据总布置要求确定外廓尺寸；(2)根据布置要求确定人机；(3)根据悬架硬点、转向、制动、发动机悬置等要求确定车架结构；(4)车架结构性分析，优化；定稿。3.1.2、车 架设计要求：(1)赛车的结构必须包括两个带有斜撑的防滚架、有支撑系统和缓冲结构的前隔板、以及侧边防撞结构；(2)赛车的基本结构必须为以下材料制作：低碳钢或合金钢(含碳量至少为0.1%)圆管；(3)除主环和主环斜撑必须使用钢材以外，其他管件均可使用替代尺寸规格和材料”即铝制或钛制的管件以及复合材料在主环和主环斜撑上禁止使用。3.1.3、名词解释(1)主环位于车手旁边或是身后的-个防滚架；(2)前环位于车手双腿之上，接近方