蘇潤(rùn)凡

（西華大學(xué) 成都 610039）

摘 要：為了加快我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)高效良性的可持續(xù)發(fā)展，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)于 2013 年舉辦了首屆中國(guó)大學(xué)生方程式電車(chē)大賽（簡(jiǎn)稱(chēng) FSEC）。西華大學(xué)純電動(dòng)方程式賽車(chē)隊(duì)是首次參賽的國(guó)內(nèi)十支電動(dòng)方程式車(chē)隊(duì)之一。本文以西華大學(xué)16屆純電動(dòng)方程式賽車(chē)為例，對(duì)FSEC賽車(chē)的設(shè)計(jì)方法及指導(dǎo)思想進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。并結(jié)合純電動(dòng)賽車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)FSEC賽車(chē)的整車(chē)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力電池及管理系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了一一布置和分析。

關(guān)鍵詞：FSEC賽車(chē)；設(shè)計(jì)；過(guò)程分析

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽由各高等院校汽車(chē)工程或與汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加。FSEC要求各參賽隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車(chē)制造標(biāo)準(zhǔn)。自行設(shè)計(jì)和制造方程式類(lèi)型的小型單人座休閑賽車(chē)。并攜該車(chē)參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)賽道尺寸及比賽規(guī)則的要求首先從電動(dòng)機(jī)和電池的選擇入手?？紤]賽車(chē)的最高形式速度，加速性能及續(xù)航時(shí)間選擇合適的電機(jī)和設(shè)計(jì)滿(mǎn)足比賽要求的電池系統(tǒng)。在選擇好電機(jī)和電池后，賽車(chē)的底盤(pán)設(shè)計(jì)與燃油式賽車(chē)的底盤(pán)設(shè)計(jì)類(lèi)似，分為車(chē)架，車(chē)身，懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)完成整車(chē)控制系統(tǒng)及整車(chē)布線(xiàn)的設(shè)計(jì)與布置。

1、純電動(dòng)賽車(chē)的設(shè)計(jì)概述：

1.1總體設(shè)計(jì)要求：

賽車(chē)必須在加速、制動(dòng)和操控性方面具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，同時(shí)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(chǎng)進(jìn)行的所有項(xiàng)目。賽車(chē)必須注意駕駛時(shí)的安全問(wèn)題。設(shè)計(jì)制造過(guò)程中也要考慮知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等問(wèn)題。

1.2總體設(shè)計(jì)目標(biāo)：

通過(guò)分析往年FSEC賽車(chē)在比賽時(shí)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(duì)賽車(chē)的彎道性能以及出彎加速性能要求較高。因此賽車(chē)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是通過(guò)電池箱及電機(jī)的布局，實(shí)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(chē)輛后軸并盡可能地降低了賽車(chē)重心，從而保證前軸靈敏的轉(zhuǎn)向響應(yīng)，以及后輪在出彎時(shí)出色的加速表現(xiàn)。其余設(shè)計(jì)目標(biāo)主要為一下幾點(diǎn)：75m直線(xiàn)加速時(shí)間不超過(guò)10s；動(dòng)力系統(tǒng)能為賽車(chē)提供至少整個(gè)耐久賽的動(dòng)力；設(shè)計(jì)中賽車(chē)成本也必須有相關(guān)的考慮。賽車(chē)制造完成后需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。主要的測(cè)試項(xiàng)目包括直線(xiàn)加速，側(cè)向速度skid—Pad測(cè)試，最小轉(zhuǎn)彎半徑，賽車(chē)?yán)m(xù)航能力等。

2、全車(chē)結(jié)構(gòu)：

2.1動(dòng)力總成及傳動(dòng)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(jī)、電機(jī)控制器、電機(jī)散熱機(jī)構(gòu)、減速驅(qū)動(dòng)軸、差速器基座、鏈輪/皮帶輪、差速器軸承、差速器、萬(wàn)向節(jié)、保護(hù)罩和連接緊固裝置等。

2.2車(chē)架及車(chē)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(dòng)系統(tǒng)保護(hù)結(jié)構(gòu)、前后定風(fēng)翼和擴(kuò)散器等。

2.3懸架車(chē)輪及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：

主要包括：彈性元件、減震裝置、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、橫向穩(wěn)定器、車(chē)轂、車(chē)輞、車(chē)輻、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

2.4制動(dòng)系統(tǒng)：

主要包括：制動(dòng)踏板機(jī)構(gòu)、制動(dòng)傳動(dòng)裝置和制動(dòng)器。

2.5整車(chē)電氣部分：

主要包括：整車(chē)控制器、整車(chē)線(xiàn)速、絕緣檢測(cè)裝置、各類(lèi)傳感器、繼電器、各式開(kāi)關(guān)、制動(dòng)燈和儀表盤(pán)等。

2.6其他：

主要包括：座椅、安全帶、防火墻、車(chē)架車(chē)身涂裝和防護(hù)罩等。

3賽車(chē)設(shè)計(jì)的基本流程：

3.1基準(zhǔn)目標(biāo)的設(shè)定：

基準(zhǔn)目標(biāo)是制作車(chē)輛的直接目標(biāo)，將其分解為各個(gè)單元和部件的設(shè)計(jì)目標(biāo)。即：制定如何完成各個(gè)單元和部件的功能、重量、成本等設(shè)計(jì)目標(biāo)的方案。制定基準(zhǔn)目標(biāo)前應(yīng)進(jìn)行必要信息的收集。盡可能地詳細(xì)調(diào)查車(chē)輛的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、各種性能以及比賽成績(jī)（外形設(shè)計(jì)、車(chē)檢、75m加速、制動(dòng)性能、耐久性、成本報(bào)告、營(yíng)銷(xiāo)報(bào)告、噪聲等）。通過(guò)研究成功的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)失敗的原因設(shè)定出基準(zhǔn)目標(biāo)。

在基準(zhǔn)目標(biāo)的設(shè)定階段有很多性能要素還未正式定下來(lái)，這時(shí)需要對(duì)性能要素進(jìn)行假設(shè)，或者使用上次參賽時(shí)車(chē)輛的重量及重心位置等進(jìn)行假設(shè)以使其符合基準(zhǔn)目標(biāo)。需要事先設(shè)定的要素：①質(zhì)量。②重心位置。③輪距。④軸距。⑤電機(jī)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(pán)半徑。⑧駕駛座的位置、加速踏板、制動(dòng)踏板的位置。⑨電池箱的位置和電池總?cè)萘俊＂廛?chē)架的大概構(gòu)造。

3.2繪制總布置草圖

通過(guò)CATIA等三維建模軟件繪制出賽車(chē)的整體三維模型。在此之前要設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)賽車(chē)進(jìn)行整體裝配確認(rèn)各部件之間不存在干涉情況。如果存在干涉情況，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)及時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)并更改設(shè)計(jì)解決干涉問(wèn)題。通過(guò)繪制總布置草圖，確定整車(chē)主要尺寸，性能要素。以便較準(zhǔn)確地確定賽車(chē)其他部件的相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)。

3.3各零件具體設(shè)計(jì)及校核：

通過(guò)前期確定的關(guān)鍵參數(shù)，查閱相關(guān)資料進(jìn)行零部件的具體設(shè)計(jì)及校核。使用建模工具UG、CATIA和CAD等常用的機(jī)械設(shè)計(jì)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(duì)于本身承受外力較大的零部件我們應(yīng)使用ANSYS等有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行校核。

3.4零件加工及裝配：

零部件初步設(shè)計(jì)好后還應(yīng)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(yīng)完成對(duì)應(yīng)工程圖及裝配圖的出圖。零部件加工完后應(yīng)對(duì)應(yīng)工程圖及裝配圖檢查是否合格，不合格應(yīng)及時(shí)返工。

4賽車(chē)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

西華大學(xué)純電動(dòng)式方程式賽車(chē)采用國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的電機(jī)后置后驅(qū)的布置方式。電池箱內(nèi)置位于車(chē)架主環(huán)后。

4.1動(dòng)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(xué)生方程式賽車(chē)上一般使用的是鋰電池或軟包電池。2016賽季西華大學(xué)電車(chē)隊(duì)選用三星2500mAH，放電倍率達(dá)10C的18650電池。電池在滿(mǎn)足賽車(chē)對(duì)大電流需求的同時(shí)，其高強(qiáng)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(yīng)配備相對(duì)應(yīng)的電池管理系統(tǒng)。實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的檢測(cè)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(shí)使電池內(nèi)部與外部整車(chē)進(jìn)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(guò)快衰減，延遲電池組整體壽命。

4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)及整車(chē)控制系統(tǒng)：

賽車(chē)電機(jī)的選擇需要考慮賽車(chē)的最高車(chē)速、加速性能，并根據(jù)電機(jī)峰值功率的持續(xù)時(shí)間、控制響應(yīng)時(shí)間、扭矩及調(diào)速范圍等條件。選用合適的電機(jī)，還應(yīng)為電機(jī)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。整車(chē)控制系統(tǒng)的芯片國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用飛思卡爾芯片。西華大學(xué)電車(chē)隊(duì)采用四層PCB板提升抗電磁干擾能力，為了提高運(yùn)算速度，采用雙核16位飛思卡爾M9S12XS128作為主控芯片，自助設(shè)計(jì)嵌入式整車(chē)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車(chē)可靠、高效、精準(zhǔn)的控制。

4.3懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從解讀輪胎開(kāi)始。通過(guò)建立的輪胎模型，對(duì)輪胎不同載荷、不同胎壓下的橫向及縱向特性進(jìn)行了分析，從而優(yōu)化懸架幾何保證賽車(chē)在出彎時(shí)兩側(cè)后輪同時(shí)工作在理想的輪胎外傾角下，配合底部擴(kuò)散器，確保出彎時(shí)更快的加速。懸架對(duì)硬點(diǎn)有很高的精度要求，所以懸架的夾具設(shè)計(jì)應(yīng)避免由于懸架硬點(diǎn)附近車(chē)架焊接變形造成的誤差。其他關(guān)鍵零件如立柱、輪轂，搖臂應(yīng)運(yùn)用CAE軟件進(jìn)行校核和優(yōu)化。最后，懸架設(shè)計(jì)離不開(kāi)實(shí)車(chē)調(diào)校，應(yīng)安裝相應(yīng)的傳感器為懸架的調(diào)校測(cè)試提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4.4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

針對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的確定，賽車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向拉桿橫置，轉(zhuǎn)向機(jī)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(jī)構(gòu)的過(guò)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(dāng)車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，來(lái)自轉(zhuǎn)向輪的力將會(huì)影響整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這將對(duì)其操控性產(chǎn)生一定不良的影響。

4.5制動(dòng)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)制動(dòng)器時(shí)不僅要考慮諸如制動(dòng)距離長(zhǎng)短等物理指標(biāo)，還要考慮到人-機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，例如車(chē)輛能否按照駕駛員的意圖減速等問(wèn)題。賽車(chē)由于制動(dòng)情況頻繁，所以就需要制動(dòng)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(shí)需要解決關(guān)于制動(dòng)散熱等問(wèn)題，一般采用盤(pán)式制動(dòng)器。

5結(jié)語(yǔ)：

本文主要是作為一名正式參賽隊(duì)員對(duì)所學(xué)的汽車(chē)設(shè)計(jì)知識(shí)及賽車(chē)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的總結(jié)。從賽車(chē)的總體設(shè)計(jì)要求，基準(zhǔn)目標(biāo)的設(shè)定，到賽車(chē)各系統(tǒng)的介紹和各系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)述，本文皆做了全面的探討。作者希望本文對(duì)其他后續(xù)參賽者能有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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