大學生純電動方程式賽車設計過程分析

蘇潤凡

（西華大學 成都 610039）

摘 要：為了加快我國電動汽車高效良性的可持續(xù)發(fā)展，中國汽車工程學會于 2013 年舉辦了首屆中國大學生方程式電車大賽（簡稱 FSEC）。西華大學純電動方程式賽車隊是首次參賽的國內(nèi)十支電動方程式車隊之一。本文以西華大學16屆純電動方程式賽車為例，對FSEC賽車的設計方法及指導思想進行了詳細的介紹。并結(jié)合純電動賽車的結(jié)構(gòu)特點，對FSEC賽車的整車控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)、動力電池及管理系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了一一布置和分析。

關鍵詞：FSEC賽車；設計；過程分析

中國大學生方程式汽車大賽由各高等院校汽車工程或與汽車相關專業(yè)的在校學生組隊參加。FSEC要求各參賽隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準。自行設計和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車。并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。

在設計過程中，根據(jù)賽道尺寸及比賽規(guī)則的要求首先從電動機和電池的選擇入手?？紤]賽車的最高形式速度，加速性能及續(xù)航時間選擇合適的電機和設計滿足比賽要求的電池系統(tǒng)。在選擇好電機和電池后，賽車的底盤設計與燃油式賽車的底盤設計類似，分為車架，車身，懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)及制動系統(tǒng)。同時結(jié)合電動汽車的特點完成整車控制系統(tǒng)及整車布線的設計與布置。

1、純電動賽車的設計概述：

1.1總體設計要求：

賽車必須在加速、制動和操控性方面具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，同時又必須具有足夠的耐久性以順利完成規(guī)則中提及的及比賽現(xiàn)場進行的所有項目。賽車必須注意駕駛時的安全問題。設計制造過程中也要考慮知識產(chǎn)權(quán)保護等問題。

1.2總體設計目標：

通過分析往年FSEC賽車在比賽時采集的數(shù)據(jù)以及賽道特性可以發(fā)現(xiàn)： FSEC 賽道屬于低速多彎賽道，并且對賽車的彎道性能以及出彎加速性能要求較高。因此賽車的設計目標之一是通過電池箱及電機的布局，實現(xiàn)理想的重量分布以及合適的軸距。使重量更向后集中于車輛后軸并盡可能地降低了賽車重心，從而保證前軸靈敏的轉(zhuǎn)向響應，以及后輪在出彎時出色的加速表現(xiàn)。其余設計目標主要為一下幾點：75m直線加速時間不超過10s；動力系統(tǒng)能為賽車提供至少整個耐久賽的動力；設計中賽車成本也必須有相關的考慮。賽車制造完成后需要對其進行相關實驗。主要的測試項目包括直線加速，側(cè)向速度skid—Pad測試，最小轉(zhuǎn)彎半徑，賽車續(xù)航能力等。

2、全車結(jié)構(gòu)：

2.1動力總成及傳動系統(tǒng)：

主要部件包括：電池箱體、電池組、電池管理系統(tǒng)、電機、電機控制器、電機散熱機構(gòu)、減速驅(qū)動軸、差速器基座、鏈輪/皮帶輪、差速器軸承、差速器、萬向節(jié)、保護罩和連接緊固裝置等。

2.2車架及車身：

主要包括：主環(huán)、前環(huán)、主環(huán)前撐、前隔板、側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、肩帶安裝桿、電池箱鏈接、驅(qū)動系統(tǒng)保護結(jié)構(gòu)、前后定風翼和擴散器等。

2.3懸架車輪及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：

主要包括：彈性元件、減震裝置、導向機構(gòu)、橫向穩(wěn)定器、車轂、車輞、車輻、轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)等。

2.4制動系統(tǒng)：

主要包括：制動踏板機構(gòu)、制動傳動裝置和制動器。

2.5整車電氣部分：

主要包括：整車控制器、整車線速、絕緣檢測裝置、各類傳感器、繼電器、各式開關、制動燈和儀表盤等。

2.6其他：

主要包括：座椅、安全帶、防火墻、車架車身涂裝和防護罩等。

3賽車設計的基本流程：

3.1基準目標的設定：

基準目標是制作車輛的直接目標，將其分解為各個單元和部件的設計目標。即：制定如何完成各個單元和部件的功能、重量、成本等設計目標的方案。制定基準目標前應進行必要信息的收集。盡可能地詳細調(diào)查車輛的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、各種性能以及比賽成績（外形設計、車檢、75m加速、制動性能、耐久性、成本報告、營銷報告、噪聲等）。通過研究成功的經(jīng)驗，總結(jié)失敗的原因設定出基準目標。

在基準目標的設定階段有很多性能要素還未正式定下來，這時需要對性能要素進行假設，或者使用上次參賽時車輛的重量及重心位置等進行假設以使其符合基準目標。需要事先設定的要素：①質(zhì)量。②重心位置。③輪距。④軸距。⑤電機形式、位置、重量及輸出功率。⑥變速器的形式位置。⑦轉(zhuǎn)向齒輪比、轉(zhuǎn)向盤半徑。⑧駕駛座的位置、加速踏板、制動踏板的位置。⑨電池箱的位置和電池總?cè)萘?。⑩車架的大概?gòu)造。

3.2繪制總布置草圖

通過CATIA等三維建模軟件繪制出賽車的整體三維模型。在此之前要設計確定出各總成及部件的外形和尺寸，完成各總成及部件的三維建模。通過對賽車進行整體裝配確認各部件之間不存在干涉情況。如果存在干涉情況，相關設計人員應及時進行協(xié)調(diào)并更改設計解決干涉問題。通過繪制總布置草圖，確定整車主要尺寸，性能要素。以便較準確地確定賽車其他部件的相關關鍵參數(shù)。

3.3各零件具體設計及校核：

通過前期確定的關鍵參數(shù)，查閱相關資料進行零部件的具體設計及校核。使用建模工具UG、CATIA和CAD等常用的機械設計或模具打造的模擬軟件，完成零部件的三維模型。完成三維建模后，對于本身承受外力較大的零部件我們應使用ANSYS等有限元分析軟件對其進行校核。

3.4零件加工及裝配：

零部件初步設計好后還應充分考慮加工的可行性，本著不影響零部件功用的情況下盡量減少加工工序，降低成本。在加工前應完成對應工程圖及裝配圖的出圖。零部件加工完后應對應工程圖及裝配圖檢查是否合格，不合格應及時返工。

4賽車各系統(tǒng)設計：

西華大學純電動式方程式賽車采用國內(nèi)外普遍應用的電機后置后驅(qū)的布置方式。電池箱內(nèi)置位于車架主環(huán)后。

4.1動力電池及管理系統(tǒng)：

常用的充電電池有鉛酸電池、鈉硫電池、鎳氫電池、鋰電池、及軟包電池。而大學生方程式賽車上一般使用的是鋰電池或軟包電池。2016賽季西華大學電車隊選用三星2500mAH，放電倍率達10C的18650電池。電池在滿足賽車對大電流需求的同時，其高強度的單體外殼還能為高壓電池組的安全提供保障。電池箱還應配備相對應的電池管理系統(tǒng)。實時精準的檢測電池狀態(tài)，保障高壓電池組的安全，在合理管理電池能量的同時使電池內(nèi)部與外部整車進行信息交互。其裝配的熱管理系統(tǒng)，可以有效減少電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止電池過快衰減，延遲電池組整體壽命。

4.2驅(qū)動電機及整車控制系統(tǒng)：

賽車電機的選擇需要考慮賽車的最高車速、加速性能，并根據(jù)電機峰值功率的持續(xù)時間、控制響應時間、扭矩及調(diào)速范圍等條件。選用合適的電機，還應為電機設計冷卻系統(tǒng)。整車控制系統(tǒng)的芯片國內(nèi)外普遍應用飛思卡爾芯片。西華大學電車隊采用四層PCB板提升抗電磁干擾能力，為了提高運算速度，采用雙核16位飛思卡爾M9S12XS128作為主控芯片，自助設計嵌入式整車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整車可靠、高效、精準的控制。

4.3懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)的設計從解讀輪胎開始。通過建立的輪胎模型，對輪胎不同載荷、不同胎壓下的橫向及縱向特性進行了分析，從而優(yōu)化懸架幾何保證賽車在出彎時兩側(cè)后輪同時工作在理想的輪胎外傾角下，配合底部擴散器，確保出彎時更快的加速。懸架對硬點有很高的精度要求，所以懸架的夾具設計應避免由于懸架硬點附近車架焊接變形造成的誤差。其他關鍵零件如立柱、輪轂，搖臂應運用CAE軟件進行校核和優(yōu)化。最后，懸架設計離不開實車調(diào)校，應安裝相應的傳感器為懸架的調(diào)校測試提供準確的數(shù)據(jù)。

4.4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的確定，賽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向拉桿橫置，轉(zhuǎn)向機構(gòu)為齒輪齒條。由于在連接轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橫拉桿以及齒條機構(gòu)的過程中必然存在微小的間隙，因此在轉(zhuǎn)向梯形后置的狀態(tài)下，當車輛轉(zhuǎn)彎時，來自轉(zhuǎn)向輪的力將會影響整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這將對其操控性產(chǎn)生一定不良的影響。

4.5制動系統(tǒng)

設計制動器時不僅要考慮諸如制動距離長短等物理指標，還要考慮到人-機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，例如車輛能否按照駕駛員的意圖減速等問題。賽車由于制動情況頻繁，所以就需要制動器在頻繁的工作狀態(tài)下也能確保瞬間產(chǎn)生穩(wěn)定、足夠的摩擦力，這時需要解決關于制動散熱等問題，一般采用盤式制動器。

5結(jié)語：

本文主要是作為一名正式參賽隊員對所學的汽車設計知識及賽車設計制造過程的總結(jié)。從賽車的總體設計要求，基準目標的設定，到賽車各系統(tǒng)的介紹和各系統(tǒng)設計原理簡述，本文皆做了全面的探討。作者希望本文對其他后續(xù)參賽者能有所幫助。

參考文獻

[1] 張強華，李 強，丁一慧，張可成. 大學生方程式賽車空氣動力學套件的流場分析[J]. 浙江科技學院學報. 2016（01）.

[2 阮安正，朱麗. 基于有限元的節(jié)能賽車車架模擬分析[J]. 機械工程師. 2016（08）.