大學(xué)生方程式賽車(chē)整車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王世權(quán)，任豪放

（武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽是一項(xiàng)由高等院校在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車(chē)設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車(chē)隊(duì)需遵照規(guī)則和制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)并制造出一輛性能優(yōu)異的賽車(chē)，最后爭(zhēng)取成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)[1]。隨著中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽的發(fā)展，越來(lái)越多的車(chē)隊(duì)加入到比賽當(dāng)中，并且合理地運(yùn)用各項(xiàng)新技術(shù)，使賽車(chē)的性能有了很大的提高。

1 總體設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括滿(mǎn)足規(guī)則要求、提升賽車(chē)操縱性、提高賽車(chē)動(dòng)力性、實(shí)現(xiàn)賽車(chē)輕量化。

1.2 整車(chē)主要參數(shù)

本賽季賽車(chē)主要參數(shù)如表1 所示。

2 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合以往賽季經(jīng)驗(yàn)，本賽季依舊采用HONDA CBR600-RR 發(fā)動(dòng)機(jī)。動(dòng)力總成各部分進(jìn)行如下優(yōu)化：①進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化；②排氣系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，自主設(shè)計(jì)制作阻抗式消音器；③低油底殼高度。

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)

2.1.1 GT-Power 模型建立

往年采用的GT-Power 模型精度不夠，本賽季重新對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型建模，通過(guò)對(duì)比臺(tái)架實(shí)驗(yàn)外特性曲線與軟件仿真外特性曲線，將誤差控制在5%以?xún)?nèi)，保證模型及后續(xù)其他仿真的準(zhǔn)確性。

2.1.2 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的影響

利用ANSYS 軟件Fluent 模塊對(duì)穩(wěn)壓箱進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用控制變量法，每次分析只改變進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度，根據(jù)各缸進(jìn)氣均勻性、氣體湍流程度及進(jìn)氣阻力等建立出最佳模型。優(yōu)化結(jié)果顯示，新的進(jìn)氣系統(tǒng)與上賽季相比能減少20%的進(jìn)氣阻力。

2.2 排氣系統(tǒng)

2.2.1 確定排氣歧管尺寸參數(shù)及布置形式

用排氣歧管的GT-Power 模型與發(fā)動(dòng)機(jī)模型一起分析，得到轉(zhuǎn)速-扭矩外特性曲線，改變排氣歧管長(zhǎng)度、內(nèi)徑等尺寸參數(shù)以及布置形式，進(jìn)行多次對(duì)比分析，得到最佳尺寸參數(shù)和布置形式，排氣歧管內(nèi)徑為32 mm，長(zhǎng)度為180 mm，總長(zhǎng)度為1 320 mm，布置形式為4-2-1。

2.2.2 仿真分析

利用 ANSYS 軟件Fluent 模塊對(duì)排氣歧管進(jìn)行仿真分析，得到的排氣速度云圖和排氣壓力云圖如圖1、圖2 所示，對(duì)排氣歧管形狀進(jìn)行優(yōu)化，以盡可能地降低排氣阻力和背壓。

2.2.3 消音器設(shè)計(jì)

本賽季采用阻抗式消音器的形式，并引入了回壓鼓的設(shè)計(jì)理念，T-Power 仿真結(jié)果顯示，各個(gè)轉(zhuǎn)速下噪聲分貝在90～105 dB 內(nèi)，該消音器顯著降低了排氣噪聲，滿(mǎn)足大賽要求。

通過(guò)CATIA 軟件建立所設(shè)計(jì)的消音器的三維模型如圖3 所示。

2.3 潤(rùn)滑系統(tǒng)

在保證安全和使用安裝的前提下，計(jì)劃降低油底殼高度，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)重心，提高整車(chē)穩(wěn)定性。

圖1 排氣速度云圖

圖2 排氣壓力云圖

圖3 消音器結(jié)構(gòu)圖

3 底盤(pán)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本賽季底盤(pán)系統(tǒng)如下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：①傳動(dòng)系統(tǒng)選用合理的主減速比，采用可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏈輪的張緊，實(shí)現(xiàn)輕量化；②轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減小空程，優(yōu)化連接形式，加裝角位移傳感器；③行駛系統(tǒng)懸架增加第三彈簧設(shè)計(jì)；④制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化踏板總成，采用滑槽結(jié)構(gòu)，輪邊輕量化。

3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本賽季的設(shè)計(jì)理念就是在保證傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提升賽車(chē)動(dòng)力性，在保證系統(tǒng)強(qiáng)度的前提下，追求輕量化。

3.1.1 主減速比的選定

首先進(jìn)行主減速比的計(jì)算，得出范圍為1.9～3.2，最后借助OptimumLap 軟件進(jìn)行賽道仿真分析，根據(jù)比賽項(xiàng)目設(shè)置可得，耐久賽成績(jī)占比最大，優(yōu)先考慮耐久賽成績(jī)，綜合得到主減速比為2.909，大鏈輪齒數(shù)為32 齒。

3.1.2 差速器支架及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

本賽季差速器支架的設(shè)計(jì)，將多個(gè)方案在ANSYS 中進(jìn)行強(qiáng)度分析，再綜合考慮輕量化、加工難易程度。最后選用正反螺紋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，具有前后調(diào)節(jié)能力，能將鏈條調(diào)至張緊度合適的位置。

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 轉(zhuǎn)向操縱的連接形式

上賽季圓柱軸孔萬(wàn)向節(jié)與圓柱接頭之間用塞打螺栓連接，由于4 個(gè)孔不能很好地保證同軸度，且孔與塞打螺栓有一定的過(guò)盈量，裝配時(shí)有難度，并會(huì)對(duì)萬(wàn)向節(jié)造成二次損傷。

本賽季操縱的連接形式優(yōu)化：①采購(gòu)有平鍵槽的萬(wàn)向節(jié)，重新設(shè)計(jì)萬(wàn)向節(jié)接頭，整體采用平鍵連接；②快拆連接軸的長(zhǎng)度加至118 mm，增加角位移傳感器安裝的位點(diǎn)；③萬(wàn)向節(jié)和軸承座是過(guò)盈配合，裝配時(shí)軸承要敲進(jìn)去很長(zhǎng)一段距離，會(huì)造成軸承和快拆連接軸的損傷，因此減小過(guò)盈長(zhǎng)度使其剛好為軸承的寬度，并用卡簧固定。

3.2.2 轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向操縱的連接形式

上賽季齒輪軸與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸為焊接連接，不可拆卸。本賽季購(gòu)買(mǎi)的齒輪軸上自帶花鍵，根據(jù)齒輪軸上的花鍵制作齒輪接頭，壓緊裝置可以保證同軸度。

3.3 行駛系統(tǒng)

3.3.1 懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用雙橫臂推桿式獨(dú)立懸架，傳承了車(chē)隊(duì)的風(fēng)格，也充分利用車(chē)架的空間位置，保證車(chē)身流線型的設(shè)計(jì)，減少空氣阻力。車(chē)輪外傾角使用快插墊片實(shí)現(xiàn)量化調(diào)節(jié)，前輪前束角通過(guò)使用正反絲伸縮桿進(jìn)行無(wú)極調(diào)節(jié)。增加橫向穩(wěn)定桿，通過(guò)調(diào)節(jié)力臂的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前后側(cè)傾角剛度的定量調(diào)節(jié)。

3.3.2 第三彈簧設(shè)計(jì)

本賽季增加第三彈簧，以抑制賽車(chē)加速和制動(dòng)時(shí)的俯仰，提高操縱穩(wěn)定性。通過(guò)更換不同剛度的彈簧，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)前后懸架線剛度的定量調(diào)節(jié)，以此來(lái)滿(mǎn)足不同行駛工況的要求，提高賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。

3.4 制動(dòng)系統(tǒng)

3.4.1 制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

制動(dòng)剎車(chē)最大加速度為1.57G，根據(jù)整車(chē)參數(shù)計(jì)算出數(shù)據(jù)如下：前軸兩輪制動(dòng)器制動(dòng)力之和的最小值為2 921.27 N，后軸兩輪制動(dòng)器制動(dòng)力之和的最小值為1263.33 N，制動(dòng)器制動(dòng)力分配系數(shù)為0.689 1。

3.4.2 制動(dòng)踏板總成

本賽季采用滑槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)在鋁板面上開(kāi)孔，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)節(jié)，并且根據(jù)幾位車(chē)手的身高來(lái)選定孔的位置，以此來(lái)滿(mǎn)足車(chē)手身高不同的要求。通過(guò)搭建實(shí)體踏板總成的簡(jiǎn)易模型來(lái)確定最適合的尺寸和位置，從而使車(chē)手操作更加的舒適。利用復(fù)合碳纖維材料加工出踏板面，既有強(qiáng)度保證，也能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化。制動(dòng)底板與滑槽的配合由2019 年的螺栓螺母改成銷(xiāo)固定，簡(jiǎn)化底板的位置調(diào)節(jié)。

4 車(chē)架車(chē)身設(shè)計(jì)

4.1 車(chē)架結(jié)構(gòu)

本賽季的車(chē)架采用空間桁架式車(chē)架，在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)規(guī)則確定好必要桿件。根據(jù)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)、發(fā)動(dòng)機(jī)的固定位置以及其他的零件要求確定其余桿件的具體位置。在車(chē)架模型基本確定之后，通過(guò)測(cè)得每個(gè)車(chē)手的身體參數(shù)，在CATIA中進(jìn)行人機(jī)工程的分析，同時(shí)搭建簡(jiǎn)易車(chē)架，車(chē)手親身感受，盡量保證每個(gè)車(chē)手的駕駛舒適性。最終設(shè)計(jì)的車(chē)架三維模型如圖4 所示。

圖4 車(chē)架三維模型

4.2 有限元分析

為了保證強(qiáng)度和輕量化的要求，在ANSYS 中進(jìn)對(duì)車(chē)架的靜彎曲、扭轉(zhuǎn)、極限轉(zhuǎn)彎和極限制動(dòng)等工況進(jìn)行受力分析[2]，保證強(qiáng)度的情況下，簡(jiǎn)化桿件的結(jié)構(gòu)以及確定每根桿件的壁厚，控制車(chē)架的質(zhì)量在16～30 kg。

4.3 空氣動(dòng)力學(xué)效益

車(chē)身在滿(mǎn)足規(guī)則的情況下，降低車(chē)鼻俯角，減少車(chē)頭所造成的升力，盡量貼合車(chē)架，減少正投影面積，減少氣動(dòng)阻力，減少風(fēng)阻系數(shù)。側(cè)箱上利用文丘里管效應(yīng)，加快流經(jīng)側(cè)箱的氣體流速，利于散熱。

5 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本賽季電氣系統(tǒng)基本保持上賽季設(shè)計(jì)，部分優(yōu)化如下：新增無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，換擋方式采用氣動(dòng)換擋。

5.1 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

優(yōu)化線位移、轉(zhuǎn)向盤(pán)角度、輪速等傳感器安裝位置，建立與ECU 的CAN 通訊總線，自行設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換電路、采集系統(tǒng)、CAN 通訊系統(tǒng)與遠(yuǎn)距離通訊系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整車(chē)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，方便場(chǎng)外隊(duì)員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)賽車(chē)行駛狀態(tài)。

5.2 氣動(dòng)換擋

上個(gè)賽季由于氣動(dòng)換擋技術(shù)還在探索階段，技術(shù)不夠成熟，所以保留了手動(dòng)換擋方式，采用手動(dòng)和氣動(dòng)兩種換擋方式。經(jīng)過(guò)比賽和從練車(chē)使用的表現(xiàn)來(lái)看，氣動(dòng)換擋已經(jīng)可以完全取代手動(dòng)換擋，因此本賽季采用氣動(dòng)換擋方式。

6 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了武漢理工大學(xué)WUT 車(chē)隊(duì)2019 賽季賽車(chē)各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在滿(mǎn)足規(guī)則的基礎(chǔ)上使用CATIA、ANSYS 等軟件設(shè)計(jì)出了一款性能出眾的方程式賽車(chē)，經(jīng)過(guò)后期驗(yàn)證，該賽車(chē)的各子系統(tǒng)工作正常，車(chē)身車(chē)架安全可靠的同時(shí)較為美觀，整車(chē)動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等性能良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。