大學(xué)生巴哈賽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)

廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 羅海英

中國汽車工程學(xué)會(huì)于2015年舉辦第一屆巴哈大賽（Baja SAE China），這是一項(xiàng)汽車設(shè)計(jì)和制作競賽。該項(xiàng)賽事起源于美國，前身是大學(xué)生方程式汽車大賽。各參賽隊(duì)伍按照賽事規(guī)則和賽車制造的標(biāo)準(zhǔn)，使用同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)制造一輛單座、發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)的小型越野車。競賽包括多種靜態(tài)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)目測(cè)試。靜態(tài)項(xiàng)目包括賽車設(shè)計(jì)、技術(shù)檢查、成本與制造、商業(yè)營銷等，動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括牽引力測(cè)試、爬坡測(cè)試、操控測(cè)試、耐力測(cè)試等。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

依據(jù)前2年的比賽經(jīng)驗(yàn)，賽車的重量會(huì)直接影響到比賽時(shí)的速度，因此輕量化是賽車設(shè)計(jì)的重點(diǎn)方向。通過系統(tǒng)的協(xié)調(diào)分析，在保證強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)讓賽車更輕更快。結(jié)合巴哈越野賽道的特點(diǎn)和去年設(shè)計(jì)減速箱經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)合理的傳動(dòng)比，制作傳動(dòng)效率更高、質(zhì)量更輕的減速箱，可以提高賽車的動(dòng)力性能。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，對(duì)賽車進(jìn)行不斷試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)總結(jié)分析得到可靠而又穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和方案?？偟膩碚f，賽車設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是輕量化、提升動(dòng)力、提高可靠性。

2 設(shè)計(jì)過程

2.1 人機(jī)工程

人機(jī)工程設(shè)計(jì)核心是使車手和賽車達(dá)到“人車合一”。通過UG建模分析，以實(shí)際車手的各部位參數(shù)確定人體模型，保證車手駕駛的舒適性與安全性?？紤]到車手在耐力賽時(shí)的疲勞程度已經(jīng)接近人體極限，所以在設(shè)計(jì)過程中賽車座椅采用碳纖維制作。為了能夠貼合不同體型的車手，根據(jù)不同的車手的各部位參數(shù)及駕駛姿勢(shì)來進(jìn)行座椅的位置固定。同時(shí)確定最佳的制動(dòng)踏板及加速踏板的位置。隨后進(jìn)行各車手的實(shí)際試駕，確定一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向盤位置，以保證駕駛?cè)藛T的安全性、舒適性。

2.2 車架

賽車車架采用桁架裝置和20Cr管材料。利用平臺(tái)汽車坐標(biāo)系定位，自制空間框架、夾具。根據(jù)鋼管的位置準(zhǔn)確定位裝夾，減小誤差值，空間點(diǎn)測(cè)量更精準(zhǔn)快捷。利用氬弧焊焊接，通過焊接受力傳遞的路徑進(jìn)行焊接，采用室溫靜置冷卻，敲擊焊點(diǎn)消除應(yīng)力，減小焊接變形量。賽車車頭抬高15°，很好地解決了去年賽車出現(xiàn)的通過性難題。前懸架的硬點(diǎn)位置連接在車架焊接節(jié)點(diǎn)附近，更好地釋放硬點(diǎn)應(yīng)力，既能保證防滾架的剛度強(qiáng)度又能減輕重量。

2.3 懸架系統(tǒng)

結(jié)合之前比賽懸架設(shè)計(jì)遇到的問題與眾多國內(nèi)外車隊(duì)?wèi)壹茉O(shè)計(jì)制作的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)賽車懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，保證了操縱穩(wěn)定性和力矩傳遞可靠性。

2.3.1 輪胎、輪輞和減震器

考慮到不同路況對(duì)賽車載荷、滑移率、側(cè)偏角與外傾角的影響，賽車搭配了不同類型花紋輪胎。在輪輞方面改用偏心距較小、較輕且利于散熱的鍛造鋁合金輪輞，并且嘗試了輪輞鏤空。減震器根據(jù)其載重范圍和減震行程，選用安裝孔為390 mm、彈簧的載荷為120磅（1磅=4.445 N）、壓縮行程為135 mm以上的DNM減震器。

2.3.2 懸架前懸架采用可調(diào)的不等長雙橫臂。通過UG線條的分析，在滿足輪距的前提下，做到保證輪胎滑移率，而且能夠保護(hù)輪轂軸承，因此調(diào)節(jié)主銷內(nèi)傾角為15°。為提高轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)度、回正力矩，主銷后傾角設(shè)置為后傾15°，補(bǔ)償輪胎外傾對(duì)行駛的影響，設(shè)定前束為-2°。立柱結(jié)構(gòu)來源于磁鐵形狀，采用7075鋁代替了40Cr作為立柱。法蘭則采用價(jià)格較低廉些，僅次于7系鋁的6061鋁并且鏤空減輕。法蘭軸承選用一對(duì)既有軸向力又有徑向力的NSK滾柱軸承。法蘭增添了軸承油封與預(yù)緊套，保護(hù)軸承，防止松動(dòng)。

后懸架優(yōu)化了運(yùn)動(dòng)特性，采用獨(dú)立縱搖臂由橫向跳動(dòng)改為縱向跳動(dòng)。懸架臂選用20Cr管，主要管的外徑為30 mm，壁厚為2 mm，支撐管的外徑為25 mm，壁厚為1.5 mm，次要管的外徑為20 mm，壁厚為1.5 mm，三者共同組成斜三角框架結(jié)構(gòu)。懸架立柱選用集中力較小的碗狀20Cr管與三根懸架臂合為一體。懸架的緩沖套統(tǒng)一用M10規(guī)格的自制鋁套。懸架臂的安裝位置增加10°的斜角度，同時(shí)引進(jìn)滾中心概念，安裝位置距車架底管提高100 mm。后懸架的軸承座取消了卡簧限位的不足，進(jìn)而用臺(tái)階限位代替。

2.4 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)車隊(duì)以往2年的參賽經(jīng)驗(yàn)及發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)賽車動(dòng)力系統(tǒng)有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高賽車整體的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)高效傳動(dòng)、響應(yīng)迅猛。

2.4.1 減速比

減速比在很大程度上能直接影響賽車的性能，根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合賽道工況、最高車速、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線和無級(jí)變速器傳動(dòng)比范圍等，最終選定減速比為10。在保證整車高車速的同時(shí)還能讓賽車具有較大的扭矩和良好的加速性能。

2.4.2 齒輪

以五菱微型貨車變速器齒輪為參考，賽車采用傳動(dòng)效率更高的斜齒輪二級(jí)減速傳動(dòng)方案，這樣可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力損耗，保證賽車更高效平穩(wěn)運(yùn)行。齒輪的模數(shù)是2，壓力角為25°，采用40Cr材料車削、滾齒、調(diào)質(zhì)熱處理的工藝制作。經(jīng)過多次試驗(yàn)，在原有的基礎(chǔ)上把齒輪加厚了5 mm，保證它能夠承受極限工況下輸出最大的扭矩。

2.4.3 減速箱

根據(jù)比賽經(jīng)驗(yàn)，開放式差速器在雨天耐力賽上坡時(shí)容易造成單邊車輪打滑，因此賽車的減速箱采用無差速器設(shè)計(jì)。在保證剛度和強(qiáng)度的前提下，將使得整體結(jié)構(gòu)更加簡單化與輕量化。殼體采用7075鋁和臺(tái)階限位形式，使用數(shù)控工藝制作，質(zhì)量更輕，體積更小，總成質(zhì)量降低了25%。為了解決法蘭制動(dòng)方案中輪輞空間窄小問題，賽車采取后中央制動(dòng)，讓后懸架設(shè)計(jì)不受卡鉗限制，并能有效地降低后懸架的質(zhì)量。

2.4.4 變速器防護(hù)

雨水天氣時(shí)，賽車變速器會(huì)受到泥漿的影響，出現(xiàn)皮帶打滑現(xiàn)象，大大降低了賽車的傳動(dòng)效率。為使賽車在各種條件下都能高效運(yùn)行，必須把防護(hù)做成防水密封、快拆結(jié)構(gòu)。同時(shí)在變速器從動(dòng)輪處加入風(fēng)扇，有效帶動(dòng)空氣流動(dòng)使得皮帶能快速散熱。變速器防護(hù)部件采用3 mm的6061-T6鋁板、1.5 mm和0.8 mm的普通鋁板組合制作而成，既簡潔又美觀，而且質(zhì)量更輕，拆裝維護(hù)保養(yǎng)也很方便。

2.4.5 快拆油箱

比賽時(shí)賽車加油的時(shí)間也會(huì)嚴(yán)重影響到比賽的結(jié)果，因此為了讓賽車在比賽時(shí)盡可能地縮短加油時(shí)間，采用快拆油箱。油箱采用0.3 mm的鐵皮制作而成，集油盤與防濺罩為一體，質(zhì)量輕巧，拆裝也很方便，整體簡潔美觀。

2.5 車身

相比往年碳纖維整體式車身，這次采用分塊組裝的方法制作車身。分塊式的車身能顯露出車架的管件，使賽車顯得更有力量感，但車身更輕，有效提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，更方便拆裝和維護(hù)。車頭上板的設(shè)計(jì)靈感來自于雪鐵龍的車標(biāo)，車頭的傾斜代表著這一年以來的艱辛和坎坷，車頭的臺(tái)階代表著步步高升，希望能在今年的賽場(chǎng)上取得更好的成績。這種設(shè)計(jì)棱角分明，與車身側(cè)板裸露的車架骨感相結(jié)合，給人一種霸氣的感覺。座椅采用自制的碳纖維，更滿足人機(jī)工程學(xué)，乘坐更舒服。車號(hào)采用鋁合金方管制作而成，比去年的雪弗板成本更低，裝配更加牢固。車號(hào)底板采用碳纖維板，黑色底板襯托白色車號(hào)，顯眼簡潔，視覺效果更佳。