FSC賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王漠 齊林芳 繆秉宏

摘要：大學(xué)生方程式汽車大賽是一項(xiàng)激烈的賽車運(yùn)動(dòng)，對賽車的制動(dòng)性提出了較高的要求，對此設(shè)計(jì)了一款不同于乘用車的踏板總成，利用可電動(dòng)調(diào)節(jié)的絲杠滑軌進(jìn)行踏板總成位置的前后調(diào)節(jié)，采用mafiab軟件對不同賽車——路面情況下的前后制動(dòng)力分配進(jìn)行計(jì)算，得到適合從濕滑到干燥范圍的地面情況下的對應(yīng)最佳制動(dòng)力分配比，在前置主缸和平衡桿的配合下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力可在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了賽車適應(yīng)路面的能力。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式汽車大賽；踏板總成；電動(dòng)絲杠滑軌；制動(dòng)力

1引言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽，是大學(xué)生中的“F1”。在這項(xiàng)激烈的賽車運(yùn)動(dòng)中，作為汽車的重要組成部分，制動(dòng)和加速踏板是車手的主要操縱部件。制動(dòng)踏板主要用于減速，是使用頻率極高、用以保證汽車行駛安全性的操縱件；加速踏板通過油門拉線和節(jié)氣門相連，通過踩下加速踏板使節(jié)氣門有不同的開度，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。

比賽過程中制動(dòng)距離太長、緊急制動(dòng)發(fā)生側(cè)滑等情況的發(fā)生是由于前后的制動(dòng)力分配比不恰當(dāng)所導(dǎo)致的，而制動(dòng)力分配比是由附著系數(shù)直接計(jì)算得出。傳統(tǒng)的車隊(duì)往往采用Excel表格的方式進(jìn)行計(jì)算，雖然較為方便，但在比賽時(shí)由于天氣狀況、路面狀況以及輪胎磨損情況難以確定，使得設(shè)計(jì)時(shí)所用的附著系數(shù)與真實(shí)的附著系數(shù)之間存在偏差，以至于所得到的制動(dòng)力分配比范圍并不能良好地應(yīng)對各種賽車——路面狀況。所以導(dǎo)致許多車隊(duì)在賽前測試時(shí)難以抱死。

由于車手的體型和駕駛習(xí)慣不同，通常需要對踏板總成位置進(jìn)行前后調(diào)節(jié)，但在傳統(tǒng)的踏板總成設(shè)計(jì)中，通過機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)前后可調(diào)的裝置不僅檔位有限，而且調(diào)節(jié)起來復(fù)雜費(fèi)時(shí)。

2制動(dòng)力匹配計(jì)算

2.1受力分析

對賽車制動(dòng)工況進(jìn)行如下規(guī)定與簡化：假設(shè)賽車同軸上輪邊受到的載荷相同，且忽略汽車的滾動(dòng)阻力，忽略輪邊、飛輪的慣性力矩，忽略空氣阻力對制動(dòng)性能的影響。對車輪進(jìn)行制動(dòng)工況的受力分析。如圖1，分別對前、后車輪接地處取力矩為

3制動(dòng)時(shí)最佳制動(dòng)力的分配計(jì)算

對于兩軸汽車，常用前制動(dòng)器制動(dòng)力與汽車總制動(dòng)器制動(dòng)力之比來表示分配的比例，稱為制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)，以符號B表示。

根據(jù)式（7）可以初步確定在0.2<<0_8的條件下，制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)的合適取值范圍。

4目標(biāo)函數(shù)及約束條件的確定

當(dāng)附著系數(shù)e=0.2～0.8時(shí)，當(dāng)賽車不在同步附著系數(shù)的路面上制動(dòng)時(shí)，達(dá)到前輪或者后輪抱死前的制動(dòng)強(qiáng)度必然低于路面附著系數(shù)，而賽車的制動(dòng)強(qiáng)度越接近路面附著系數(shù)，地面的附著條件發(fā)揮的就會(huì)越充分，汽車制動(dòng)力分配的合理程度越高。在進(jìn)行乘用車，尤其是商用車的前后制動(dòng)力分配比優(yōu)化時(shí)，需進(jìn)行空載和滿載2種工況的校核?？墒菍τ诖髮W(xué)生方程式賽車來說，其載荷變化并不大。故只考慮承載車手時(shí)的賽車制動(dòng)工況。根據(jù)前、后軸的利用附著系數(shù)，利用實(shí)際曲線與理想曲線間差值平方和為最小，建立下列目標(biāo)函數(shù)

賽車在任何載荷情況下都要滿足聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)汽車法規(guī)要求，而賽車作為單人駕駛的車輛，屬于M1類。ECE制動(dòng)法規(guī)和GB12676-1999對M1類車輛的制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)有如下要求：

（1）當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度為0.1-0.61時(shí)，前軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線，在后軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線之上，而且前后軸的利用附著系數(shù)都應(yīng)小于（2+0.07）/0.85。

（2）當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度為0.3～0.45時(shí)，前軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線，在后軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線之上；如果后軸利用附著系數(shù)曲線不超過直線e=z+0.05，則允許后軸利用附著系數(shù)曲線在前軸利用附著系數(shù)曲線之上。但賽車的車速較高，因此在設(shè)計(jì)中不允許后輪先于前輪抱死。故數(shù)學(xué)約束條件為

5踏板總成設(shè)計(jì)

5.1平衡桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析與選擇

當(dāng)車手給予的踏板力為F時(shí)，制動(dòng)主缸和制動(dòng)踏板之間的平衡桿兩端所受到的力F1和F2。

所以，當(dāng)路面附著條件發(fā)生變化，從而要改變賽車的制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)時(shí)，可以將平衡桿與制動(dòng)踏板相連接的支點(diǎn)左右調(diào)節(jié)，通過改變L1、L2的比例，由式（1）、（2）改變F1、F2的大小，即改變了賽車的制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)。

5.2電動(dòng)絲杠滑軌的設(shè)計(jì)

當(dāng)今，F(xiàn)SC參賽的車隊(duì)使用最多的調(diào)節(jié)踏板總成的方式是手動(dòng)調(diào)節(jié)，其中分為吊耳式、棘輪式、滑軌式。吊耳式調(diào)節(jié)時(shí)往往需要拆除車頭、掀起制動(dòng)總成的底板，且只能進(jìn)行2-3個(gè)檔位的調(diào)節(jié)，不能很好地滿足不同體型的車手的需求。棘輪式以及滑軌式調(diào)節(jié)法的主要缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)后需要卡緊機(jī)構(gòu)固定踏板總成，整個(gè)操作過程耗時(shí)過長。在時(shí)間緊迫的賽場上無法貼合車手以及賽事的需求。

如圖1所示，包含踏板總成底板3、兩條平行的滑軌2和絲桿6，所述兩條滑軌2以及絲桿6處于踏板總成底板3的一側(cè)并相互平行。所述兩條滑軌2上各設(shè)有兩個(gè)滑塊1，在平衡踏板受力的同時(shí)利于調(diào)節(jié)踏板位置。所述兩條滑軌2與兩根車架鋼管4相連接。所述的兩個(gè)滑座5通過螺栓孔與踏板總成底板連接。所述電機(jī)7與絲桿6末端相連接，用以驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行踏板位置調(diào)節(jié)。所述絲桿6前端與上方車架鋼管4相連接。

在實(shí)際操作過程中，僅需轉(zhuǎn)動(dòng)儀表板上的旋鈕即可調(diào)節(jié)踏板位置，通過絲桿滑軌與電機(jī)的連接即可實(shí)現(xiàn)踏板總成的電動(dòng)可調(diào)。絲桿的螺紋與滑座的螺孔形成滑動(dòng)副，通過電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)踏板總成位置的無級調(diào)節(jié)。采用絲桿滑動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)了踏板總成位置的無級可調(diào)，在提高駕駛舒適度的同時(shí)縮短了調(diào)節(jié)踏板的時(shí)間，免除了以往拆卸車身，裝拆螺母的步驟，僅需轉(zhuǎn)動(dòng)儀表板上的旋鈕即可調(diào)節(jié)踏板位置。

6結(jié)語

對于大學(xué)生方程式賽車來說，其載荷變化并不大，本文基于承載車手時(shí)的賽車的制動(dòng)工況，利用Matlab工具對中國大學(xué)生方程式賽車的制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)B進(jìn)行了優(yōu)化。該方法已應(yīng)用于2016賽季武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)制動(dòng)力設(shè)計(jì)中。本優(yōu)化的方法較為實(shí)用、簡捷，可縮短賽車的研發(fā)改進(jìn)周期。