摘 要：從FSC比賽規(guī)則出發(fā)，初步分析賽車的前后制動(dòng)力，提出一套適合于FSC方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，介紹大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)的組成，包括零部件的選擇和總成的匹配。還根據(jù)已知的汽車相關(guān)參數(shù)，通過計(jì)算得到了制動(dòng)器主要參數(shù)、前后制動(dòng)力矩分配系數(shù)、制動(dòng)力矩和制動(dòng)力以及液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：方程式賽車；制動(dòng)系統(tǒng)；軸荷分配

前言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽（Formula Student of China，簡稱：FSC）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校大學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制作比賽，各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在接近一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單座賽車、并能夠完成全部或部分禁賽環(huán)節(jié)的比賽[1]。

1 設(shè)計(jì)目的

賽車制動(dòng)的目的是根據(jù)車手的意圖實(shí)現(xiàn)賽車減速和停車。在賽車遇到緊急情況，需緊急制動(dòng)時(shí)能安全、平穩(wěn)、迅速地減速停車，保證車輛和賽車手的安全。

2 制動(dòng)方式的確定

2.1 制動(dòng)方式的確定

鉗盤式制動(dòng)器按制動(dòng)鉗的結(jié)構(gòu)形式不同可分為定鉗盤式制動(dòng)器、浮鉗盤式制動(dòng)器等。由于浮鉗盤式制動(dòng)器只在單側(cè)有制動(dòng)油缸，結(jié)構(gòu)尺寸?。磺以趩蝹?cè)布置油管，液壓缸的冷卻工況穩(wěn)定且成本低；制動(dòng)摩擦片兼具停車制動(dòng)以上三點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，所以選擇浮鉗盤式制動(dòng)器。

2.2 制動(dòng)回路布置形式

分析比賽規(guī)則和比賽項(xiàng)目，賽車的制動(dòng)系統(tǒng)必須使用雙回路系統(tǒng)，并且制動(dòng)力要足夠，以保證通過制動(dòng)測試，且使賽車具有制動(dòng)安全性。由以上分析可以得到：對(duì)于FSAE賽車，使用Ⅱ型雙回路[2]。

3 設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)算

3.1 車相關(guān)主要參數(shù)

質(zhì)量（含人） m=320kg

軸距 L=1650mm

前輪中心到質(zhì)心 a=932.5mm

后輪中心到質(zhì)心 b=817.5mm

質(zhì)心高 hg=280mm

輪胎半徑 R=230mm

3.2 同步附著系數(shù)的分析

當(dāng)制動(dòng)時(shí)前輪先抱死，賽車喪失了轉(zhuǎn)向能力；制動(dòng)時(shí)后輪先抱死，賽車容易發(fā)生后軸側(cè)滑而使汽車喪失方向穩(wěn)定性。所以分析表明，汽車在同步系數(shù)為？漬的路面上制動(dòng)（前后輪同時(shí)抱死）時(shí)，地面的附著條件才可以得到充分利用。賽車使用的是熱熔胎，考慮到賽車制動(dòng)時(shí)，完全抱死，參考國內(nèi)外車隊(duì)計(jì)算參數(shù)，同步附著系數(shù)？漬取 1.4。

3.3 整車受力分析

對(duì)賽車進(jìn)行制動(dòng)受力分析，不考慮FSC賽車在滾動(dòng)時(shí)的阻力、空氣阻力和在減速時(shí)慣性阻力偶矩，其中：FZ1是剎車時(shí)前輪受到地面的法向反力；FZ2為剎車時(shí)后輪受到地面的法向反力；G為重力；Fxb1為地面對(duì)前輪的制動(dòng)力；Fxb2為地面對(duì)后輪的制動(dòng)力；du/dt為剎車減速度，單位m/s2。

汽車靜止時(shí)前后軸荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的。但在制動(dòng)過程中，由于汽車慣性力的作用，軸間的載荷會(huì)重新分配。在制動(dòng)過程中，汽車受慣性影響向前沖，前輪負(fù)荷大幅度增大，后輪載荷大幅度減少。要實(shí)現(xiàn)較短的制動(dòng)距離或較大的制動(dòng)減速度，賽車的軸荷分配特別重要，應(yīng)大致為前后制動(dòng)器制動(dòng)力之比，才能得到峰值附著系數(shù)，制動(dòng)效果最好。設(shè)計(jì)靜態(tài)時(shí)的前后軸荷分配為45：55[3]計(jì)算過程：

所以解方程組得：FZ1=2234.4N FZ2=901.6N

隨著制動(dòng)減速度的不斷增大，軸荷分配變化明顯，當(dāng)以14m/s的減速度制動(dòng)時(shí)，前軸的軸荷分配為2234.4N，后軸的軸荷分配為901.6N。賽車軸荷的70%分配給了前軸，充分利用地面制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)前后輪同時(shí)抱死，保證了賽車的方向穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性。前后輪同時(shí)抱死的條件是：在不同行駛條件的路面，前后輪的附著力分別等于制動(dòng)器制動(dòng)力，且附著力之和等于制動(dòng)器制動(dòng)力之和。即賽車前后輪處于理想制動(dòng)器制動(dòng)力分配曲線-I曲線。用符號(hào)？茁表示前輪制動(dòng)盤制動(dòng)力F？滋1和總制動(dòng)力F？滋2之比，在賽道上，當(dāng)賽車的前后制動(dòng)器制動(dòng)力各等于地面對(duì)的附著力，且總和等于地面對(duì)賽車的最大附著力，即前后輪制動(dòng)時(shí)滿足理想制動(dòng)力分配曲線-I曲線，這時(shí)，賽車能夠?qū)崿F(xiàn)前后輪同時(shí)抱死。式中，F(xiàn)？滋1為前制動(dòng)器制動(dòng)力；F？滋2為后制動(dòng)器制動(dòng)力，則F？滋1+F？滋2為賽車總制動(dòng)器制動(dòng)力[4]。

根據(jù)公式：F？滋1/F？滋2=？茁（1-？茁）

得到：前制動(dòng)力約3128.16N；后制動(dòng)力約1262.24N。

4 零部件選擇

4.1 制動(dòng)盤的選擇

（1）選取較大的制動(dòng)盤，則制動(dòng)盤的有效半徑較大，制動(dòng)鉗接觸摩擦片的面積較大，制動(dòng)夾緊力較小，可以降低摩擦片上的單位面積的壓力和溫度升高[5]。（2）選擇較厚的，也可以降低摩擦片上的單位面積溫度；為降低制動(dòng)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，制動(dòng)盤厚度又不能取得過得大，則根據(jù)賽車其他條件的限制，例如：輪輞直徑的限制，暫選外徑180mm有效直徑160mm的制動(dòng)盤。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，選擇制動(dòng)盤抱死時(shí)的最大制動(dòng)踏板力為600N，選擇踏板杠桿比為6，跟據(jù)制動(dòng)力分配比可知前輪分配的制動(dòng)力為55%，后輪為45%。總體制動(dòng)系統(tǒng)的效率為84%。

4.2 選擇制動(dòng)主缸和制動(dòng)卡鉗

制動(dòng)時(shí)前輪制動(dòng)器油壓取4.8MPa，后輪制動(dòng)器油壓取2.8MPa。根據(jù)已設(shè)計(jì)好的制動(dòng)盤對(duì)制動(dòng)油缸和卡鉗進(jìn)行選擇，選擇主要考慮的問題就是制動(dòng)摩擦片在制動(dòng)盤上的摩擦面積?？紤]角度為根據(jù)抱死時(shí)卡鉗對(duì)制動(dòng)盤的摩擦力矩選擇合適型號(hào)的制動(dòng)主缸，然后再通過計(jì)算和校核，最終定出卡鉗和油缸。其具體尺寸如下：

前輪：主缸缸徑為17.607mm 輪缸（卡鉗）缸徑為29.317mm

后輪：主缸缸徑為20.853mm 輪缸（卡鉗）缸徑為24.383mm

5 結(jié)束語

（1）針對(duì)FSC比賽規(guī)則，提出了一套能適用于多種設(shè)計(jì)要求的賽車制動(dòng)系統(tǒng)總成的計(jì)算方案。（2）介紹大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)的組成，通過從制動(dòng)方式的分析、操作結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、以及油路的布置和制動(dòng)油缸以及卡鉗形式的優(yōu)化選擇和設(shè)計(jì)來對(duì)選擇和分析制動(dòng)系統(tǒng)的方案是否合理。（3）還根據(jù)已知的汽車相關(guān)參數(shù)，通過計(jì)算得到了制動(dòng)器主要參數(shù)、前后制動(dòng)力矩分配系數(shù)、制動(dòng)力矩和制動(dòng)力以及液壓制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則組委會(huì).2014中國大學(xué)生方程式大賽賽事手冊(cè)[M].北京：汽車工程學(xué)會(huì)，2014.

[2]喬軍奎，陶文錦，孫博.FSAE方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2012，3.

[3]唐應(yīng)時(shí)，李雪鵬，肖啟瑞，等.FSAE賽車制動(dòng)性能仿真與優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，5.

[4]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

作者簡介：劉攀（1993-），男，漢，湖北麻城人，本科，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究方向：FSC方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)與計(jì)算。