基于BAJA賽車設計技術的大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)研究

金兆輝 王達 于文博

摘要：為了提高大學生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)大學生工程技術能力，建立以學生為中心的大學生創(chuàng)新實踐能力教育改革。根據《2019中國汽車工程學會巴哈大賽規(guī)則》，對巴哈越野賽車進行設計。本文針對吉林大學2019年BAJA參賽賽車，在車架、動力總成、懸架系統(tǒng)3個方面進行了探究，在保證賽車安全性的前提下，更大地提高賽車動力性、穩(wěn)定性和可靠性。以期通過創(chuàng)新實踐能力教育改革，培養(yǎng)出創(chuàng)新型高素質人才。

關鍵詞：巴哈越野賽車;車架;動力總成;懸架系統(tǒng);教育改革

doi：10.1608 3/j .cnki.16 71-15 80.2019.11.0004

中圖分類號：F407.471;G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1671-1580（2019）11-0015-05

在新工科背景下，傳統(tǒng)培養(yǎng)工科人才的教學模式已不能滿足社會對人才的需求。如何改革傳統(tǒng)工科專業(yè)教學模式十分重要。因此，以大學生巴哈大賽為平臺，建立一種以學生為中心，工程實踐為主體的大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)平臺，對加快新興領域T程科技人才的培養(yǎng)具有積極的促進作用。

中國汽車工程學會巴哈大賽（Baja SAE Chi-na），簡稱BSC大賽，是由中國汽車工程學會于2015年創(chuàng)辦的主要面向職業(yè)院校和本科院校開展的小型越野汽車設計和制作賽事[1]。吉林大學肯賽巴哈越野車隊成立于2018年，是一支年輕的學生賽車團隊，將于2019年攜新賽車CONCEPT 19B首次參加中國大學生巴哈越野汽車大賽。車隊以積累經驗、學習交流、成長提高作為此次參賽的首要目標。精細設計的動力總成、應用復合材料的拖曳臂獨立懸架、系統(tǒng)動力學驅動的底盤設計，是新賽車的三大技術特色。

一、整車布置和車架設計

賽車整體布置是在賽車的總體方案確定后，要對總成和部件進行空間布置，并校核初步選定的各個部件的結構尺寸與安裝位置能否滿足整車空間尺寸的要求，通過整車布置設計與裝配培養(yǎng)學生三維建模能力和動手能力，提高學生工程實踐能力。

（一）整車布置

CONCEPT 19B整車布置緊湊，重量集中。整車尺寸長2026mm，寬1470mm，高1457mm，最小離地間隙280mm，在保證整車離地間隙的前提下，盡量降低整車的質心高度，減少整車橫擺方向的轉動慣量[2][3]。合理布置了車輛各個系統(tǒng)，并且留出維修空間，方便進行操作。我們將發(fā)動機適當抬高，在保證動力總成空間布置的同時將減速箱置于車架底面，降低質心高度。蓄電池在符合工程設計的前提下，置于防火墻后側。車輛X、Y、Z各軸慣量分別是56.275kg.m2、71.922kg.m2、105.331kg.m2。整車渲染圖如圖1。

（二）人機工程

在滿足賽規(guī)的前提下，我們重新設計了車架結構并相應調整了各構件的安裝位置，充分提高了駕駛艙的空間利用率。全新的人性化布置令車手擁有更加安全和舒適的車內空間，讓車手能在相對舒適的狀態(tài)下進行操作。新賽車采用了H30為35mm的人機布置，有效保證了車手開闊的視野。

同時，新賽車使用了為車手定制的專用碳纖維復合材料座椅，使車手駕駛體驗得到有效改善。在座椅的設計過程中，我們讓座椅椅背貼合車手駕駛姿態(tài)時的脊柱弧線，使腰背部能得到有效支撐，并讓坐骨結節(jié)承重承壓，避免了大腿以下部分承壓。通過上述設計，達到了使車手體壓分布更加合理的目標。在座椅的實際制作過程中，我們根據車手的反饋信息，對座椅的側面支撐等區(qū)域進行剛度加強，以保證在行駛過程中座椅能有效限制住車手的移位。

此外，我們采用了5-95百分位人體模型與真人實物體驗雙重校核方法，保證了車手身體各肢體角度和視野處在合適位置。車手駕駛新賽車時，腳角、膝角、肘角分別穩(wěn)定在900、850和1 100左右。

（三）車架設計

車架設計符合BSC2019版規(guī)則[1]，在保證人機工程和整車布置的前提下，以提高車架剛度和降低總質量為設計目標：扭轉剛度不低于1800Nm/deg、彎曲剛度不低于65000Nm2、總質量控制在33kg以內。

在設計過程中，我們以有限元分析為校核依據，通過選用不同規(guī)格的30CrMo無縫鋼管和增加超靜定結構以達到設計目標。同時，對車架結構進行局部優(yōu)化以降低裝配復雜度，如：前艙合理增加鋼管，合理設計懸架耳件與車架的連接關系，避免異形耳件的出現，降低耳件的加工、焊接難度。此外，我們對避震器固定點進行了局部加強設計，提高了車架在應對極限工況的強度。以滿載扭轉工況為例，改進前前艙最大應力為303MPa，改進后滿載扭轉工況最大應力為180MPa。

經上述設計，車架計算扭轉剛度為1960Nm/deg、彎曲剛度為70600NNm2，車架及附屬焊接結構總質量為31kg，與上一代賽車相比減重13%。

二、動力總成

CONCEPT19B采用“CVT+自制兩擋手動變速器”的傳動路線，以賽車動力性為設計目標，兼顧最大爬坡度與最高車速。同時，為了進一步提高賽車的動力性，我們對CVT進行調整，盡量利用發(fā)動機的最大扭矩和最大功率的轉速區(qū)間。通過CVT調速特性試驗，培養(yǎng)學生創(chuàng)新性實驗思維，加強理論與實踐結合。

（一）兩擋變速器的結構設計

對變速器殼體和齒輪進行了有限元分析和拓撲優(yōu)化，在保證強度剛度滿足使用需求的情況下，對變速器進行輕量化設計，最終變速器總重4.8kg，相比于前代設計減重30%，如圖2。該變速箱有如下的設計特征：

1.減速器內部設計了一個白鎖機構，使用波珠螺栓對撥叉軸進行鎖止，保證在賽車高速運動時減速器不跳擋，同時讓車手能擁有良好的換擋手感;同時在換擋桿上加入限位機構，防止車手比賽時失誤換擋。

2.考慮了減速器整體布置和傳動比，將接合套布置在中間軸上。

3.在保證齒輪得到充分潤滑的情況下，盡量降低潤滑油液面;在減速器殼體上加入了視油窗設計，便于觀察機油狀況。

4.在注油孔上使用防水透氣閥，可以在防止?jié)櫥惋w濺出減速器的同時，保持減速器內外氣壓平衡。

5.在齒輪腹板設計上，我們結合拓撲優(yōu)化結果設計了齒輪異形孔減重結構;在減速器殼體設計上，我們采用加強肋來增大軸承安裝孔的剛度，并通過有限元方法分析加強肋方向與軸承剛度之間的聯系，最終在保證合理力學性能的前提下實現了對減速器的輕量化設計。

6.在中間軸齒輪與軸有相對旋轉的部位加入銅墊片以減小摩擦阻力，同時可以調整減速器軸向間隙。

（二）兩擋減速器的參數設計

設計高速擋傳動比的設計方向是使賽車最少滿足爬坡25°，同時最高車速達到65km/h以上，這樣的設計可以使賽車在長直道中有出色的表現。設計低速擋傳動比時，綜合考慮了減速器整體布置和賽車最大爬坡度。最終選擇了9.32和12.40兩個傳動比。當賽車處于高速擋時，可達最高車速71km/h，最大爬坡度280;當賽車處于低速擋時，可達最高車速5 Skm/h，最大爬坡度380。

我們選用75mm作為第一級齒輪的中心距，90mm作為第二級齒輪的中心距，兼顧了減速器整體布置需求和齒輪強度的需求。在選擇齒寬時，我們考慮讓齒輪在有足夠承載能力的同時盡量減少齒寬，以減輕齒輪質量和減少齒輪齒向載荷分布不均的情況。同時小齒輪的齒寬比大齒輪大2mm，以避免齒輪軸向安裝誤差導致齒輪副不完全嚙合。在選擇變位系數時，我們考慮讓齒輪承載能力和重合度得到提高，同時調整齒輪中心距以滿足設計需求。

此外，使用KISSsoft軟件進行計算，兼顧齒根彎曲強度和重合度，選擇1.5為第一級齒輪模數，2.5為第二級齒輪模數。按照DIN3990的標準對齒輪進行了校核，齒根安全系數為1.539，齒面安全系數為1.025，齒面安全系數偏低。在齒輪加工時我們對齒面進行滲碳淬火處理以提高齒面安全系數。

（三）CVT調速特性試驗

為了實現整車的動力匹配，我們白行設計了一個CVT調速特性實驗來觀察CVT在更換多種不同剛度的壓盤彈簧和不同質量的離心滑塊后CVT調速特性的變化。實驗臺使用鋁型材搭建，兩個霍爾傳感器來記錄CVT主動輪和從動輪的轉速，如圖3。經過多組實驗，通過使用合適的壓盤彈簧和離心滑塊對CVT的調速特性進行了調整，調速特性曲線如圖4。該調整通過換用大質量的離心滑塊將CVT的起始變速轉速提高，調試特性曲線整體向高轉速平移，從而使發(fā)動機轉速達到最大扭矩區(qū)間時的CVT傳動比相比于調整前提高約10%，使整車最大驅動力得到提高。換用低剛度的壓盤彈簧使CVT變速速率提高，彌補了由于換用大質量離心滑塊后導致的調速特性曲線整體后移，使CVT在發(fā)動機達到最大功率轉速區(qū)間之前能達到其自身最小傳動比，充分利用了發(fā)動機的最大功率轉速區(qū)間。

三、懸架設計

CONCEPT 19B通過理論設計與實踐經驗相結合的方式，基于賽道情況，借助多體動力學分析和有限元分析，進行了懸架的性能設計、參數設計和結構設計[4][5][5]。前懸架具有退讓式幾何，增加了整車的越障能力。后懸架采用復合材料拖曳臂設計，在保證可靠性的前提下，減小了焊接誤差，如圖5。通過仿真分析，讓學生迅速了解設計的優(yōu)缺點，從而優(yōu)化設計結果，經過幾輪迭代過程，最終完成設計，從多個角度更好地讓理論與實踐相結合。

（一）結構設計

1.導向機構設計和校核方法。我們設定了CON-CEPT 19B可能會遇到的幾種極限工況。例如：最大垂直力、側向沖擊、制動力和驅動力工況。在設計過程中安全系數大于8，以此保證導向機構在受到極限工況沖擊時依舊具有可靠性。前懸架轉動副兩端自主設計了尼龍襯套，起到潤滑、減震緩沖和保護轉動副的作用。

2.輕量化輪邊總成。本車輪邊總成質量約為初代車的70%，轉向節(jié)、芯軸和輪轂材料均為7075-T6鋁合金，在保證強度的同時實現了簧下質量的輕量化。考慮到行駛過程中的受力情況和可能面臨的較為惡劣的賽道條件，每個輪邊總成選用兩個不同規(guī)格的帶油封的角接觸球軸承作為輪邊軸承。該軸承不但具有足夠的縱向承載能力還具有很強的抵抗側向力的能力，保證軸承有更高的使用壽命。

3.復合材料拖曳臂。我們采用凱夫拉布與碳布混合鋪層的設計方法，利用碳纖維抗拉伸能力強和凱夫拉纖維耐磨韌性好的特性。將強芯氈和碳纖維布鋪在中心。凱夫拉布在外側，如圖6。這種工藝在滿足結構強度設計的同時，達到輕量化的目的，同時省去焊接加工時夾具設計的問題。

（二）運動學設計

1.合理的退讓幾何設計。我們通過參考比賽場地障礙分布，兼顧整車在各種不同路況的運動，減小路面起伏對整車縱向沖擊。整車輪跳范圍為180mm，上跳llOmm。我們還對前后懸架進行了合理的退讓設計，前輪每上跳lOmm后跳1.5 mm，后輪每上跳lOmm后跳1.6mm，有利于整車速度和操縱操控性的保持，使得CONCEPT 19B對輪胎接地點和地面成角在120以下的障礙有著很強的通過能力。

2.輪跳過程四輪定位參數控制。為了增加整車的過彎極限，使懸架系統(tǒng)和轉向系統(tǒng)零件的受力情況在整個輪跳范圍內趨于穩(wěn)定和可控。我們控制賽車輪跳lOmm時車輪外傾角相對地面變化O.ldeg，前輪前束角相對于車身軸線變化0.04deg，使整車在過彎時轉向特性更加可控，提高過彎時整車操縱性。前輪選取-2.5deg的靜態(tài)外傾角，后輪選取-ldeg的靜態(tài)車輪外傾角，但后輪外傾角增益稍大于前輪，這樣可以使賽車過彎時輪胎提供足夠的側向力，出彎時縱向力和側向力達到更好的配合，提高CONCEPT 19B過彎時的極限速度。

3.側傾中心位置的合理設計。為了使CON-CEPT 19B具有更好的操縱穩(wěn)定性，設計側傾中心高度為前135mm、后140mm。整車側傾中心高度在接近質心高度減小側傾力矩和側傾角的情況下，得到更好的直線行駛穩(wěn)定性和輪胎抗磨損性能。并且限制了整車側傾中心在側傾角度變化10的作用下，縱向變化為1.29mm，側向變化為17.14mm，避免在整車側傾時出現側傾中心運動范圍過大的現象，使側傾力矩大幅度變化。

（三）動力學設計

1.通過理論分析及實踐，為了確保整車的賽道T況有理想的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性?？紤]到車手乘坐位置和整車質心均位于中后部，我們選取懸架偏頻為前2.OHz、后1.8Hz，這樣較為接近前后懸偏頻，也可以減小不必要的側向角震動，進而通過偏頻匹配計算出懸架線剛度、角剛度及懸架靜撓度。結合本車避震器氣簧彈簧剛度可調的特點，我們選擇合適的彈簧剛度，防止出現由于懸架剛度過大造成的整車平順性差、剛度過小及連續(xù)過彎時操縱性差的情況。

2.在阻尼系數的選擇上，由于巴哈賽車的比賽場地坎坷不平，賽車需要較大的阻尼來盡快地減弱輪跳對懸架的影響。我們充分利用彈性元件的緩沖能力，減小沖擊載荷。在同彈行程充分吸能，及時吸收整車振動能量。采用欠阻尼系統(tǒng)，保證非簧載質量在路面激勵下不拖離地面，改善附著。因此選取伸張行程阻尼系數為0.4，壓縮行程阻尼系數為0.2。這樣的設計既可以獲得較好的平順性，又可以減弱沖擊載荷，也能避免懸架上跳時超出行程，發(fā)生干涉。

四、結論

在動力總成方面，為適應不同的賽道T況，調和賽車爬坡加速能力與最高車速之間的矛盾，車隊采用了無級變速器配合二擋手動變速器的傳動方案。設計過程中，以發(fā)動機外特性和白行測定的CVT調速特性為基礎，以最高車速和最大爬坡度為約束條件，以常用T況下充分利用發(fā)動機高功率區(qū)間為主要目標，最終確定了9.32和12.40的齒輪傳動比，總傳動比范圍覆蓋了5.13～37.2。

為了更好地適應越野賽道的垂直輪跳，同時簡化懸架的復雜程度，新賽車應用了具有橫向推力桿的拖曳臂式獨立懸架，并創(chuàng)新性地在拖曳臂結構上應用了復合材料。該拖曳臂使用碳纖維及凱夫拉纖維制成，碳纖維作為芯材，以保證結構強度，凱夫拉纖維作為面材，充分發(fā)揮其抗剪切性能。單個拖曳臂凈重僅為246克，與傳統(tǒng)鋼結構比較，減輕40%。

通過參考賽道的具體情況和設計文獻，保證車輛在障礙路段有足夠的動力性和通過性，以及在過彎時有良好的操縱穩(wěn)定性。我們選取懸架偏頻為前2.OHz、后1.8Hz，并根據整車質量及輪荷轉移來匹配懸架角剛度，降低賽車側傾角度，改善賽車響應特性的設計目標。在阻尼系數的選擇上，為了改善車輛在載荷轉移時的姿態(tài)，采用“低頻大阻尼，高頻小阻尼”的設計思路，選取伸張行程阻尼系數為0.4，壓縮行程阻尼系數為0.2，在兼顧平順性的同時減少沖擊載荷對結構的影響。

基于大學生巴哈大賽的工程實踐教學改革，以學生白主學習為主體，培養(yǎng)了創(chuàng)新型、復合型、應用型高素質人才。在新工科背景下，為新一輪科技革命開辟了新的道路。

[參考文獻]

[1]中國汽車工程學會中國汽車工程學會巴哈大賽規(guī)則[EB/OL]. http：//www.baj asaechina.com/， 2019

[2]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

[3]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

[4]王宵峰.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[5]邱雪君.小型越野車懸架設計及操縱穩(wěn)定性分析[D].華南理工大學，2018

[6]王建.大學生方程式賽車設計[M].北京：北京理工大學出版社.2016

[責任編輯：尚欣]

收稿日期：2019-07-26

基金項目：吉林大學2019年度本科教學改革研究立項項目（項目編號：2019XYB123）。

作者簡介：金兆輝（1988-），男，吉林長春人，吉林大學汽車工程學院，工程師，碩士。研究方向：實驗教學管理和教學研究。

王達（1988-），男，吉林長春人，吉林大學汽車工程學院，講師，博士。研究方向：低碳與新能源汽車。

于文博（1997-），男，河北滄州人，吉林大學汽車工程學院，本科生。研究方向：車輛工程。