【正文】 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 從世界范圍來(lái)看，當(dāng)今有三個(gè)地區(qū)有 Formula SAE 的學(xué)生競(jìng)賽，即美國(guó)、歐洲、澳洲。所以 FSAE比賽的過(guò)程同一般的賽車比賽有著很大的不同。根據(jù)每年 比賽所遇到的問題和其他各方面因素的變化和發(fā)展， FSAE 賽事規(guī)則委員會(huì)每年都會(huì)對(duì)比賽規(guī)則進(jìn)行修訂，使比賽規(guī)則更加合理系統(tǒng)。多年來(lái) FSAE 賽車比賽不斷地為汽車及其他各個(gè)行業(yè)輸出了大量的高水平人才。 FSAE 賽車比賽的目的在于培養(yǎng)汽車及其他機(jī)械領(lǐng)域的工程技術(shù)人才，為工科學(xué)生將來(lái)的職場(chǎng)生涯建立良好的基礎(chǔ)。原型車將被該生產(chǎn)商用來(lái)評(píng)估一個(gè)生產(chǎn)項(xiàng)大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 目的市場(chǎng)潛力。設(shè)計(jì)小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和組裝一輛滿足各種要求的車。因此，該車必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)出色。在與來(lái)自世界各地的大學(xué)代表隊(duì)的比較中，賽事給了車隊(duì)證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機(jī)會(huì)。自 1981年創(chuàng)辦以來(lái)， FSAE 已發(fā)展成為每年由 7 個(gè)國(guó)家舉辦的 9 場(chǎng)賽事所組成，并有數(shù)百支來(lái)自全球頂級(jí)高校的車隊(duì)參與的青年工程師盛會(huì)。本文根據(jù)《中國(guó) FSC 大賽規(guī)則（ 2020）》要求，首先利用 軟件對(duì)賽車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立起多個(gè)車架的三維模型，然后將設(shè)計(jì)出來(lái)的多個(gè)車架以及 BAJA 模型的車架導(dǎo)入到有限元軟件中，對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)比靜力和應(yīng)力分布圖分析選出更優(yōu)秀的車架。大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 畢業(yè)設(shè) 計(jì)（ 論 文） 題目 大學(xué)生 F1 方程式賽車 整車設(shè)計(jì) 整車設(shè)計(jì) 專業(yè) 車輛工程 班級(jí) 學(xué)號(hào) 學(xué)生 指導(dǎo)教師 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 摘要 本文基于汽車?yán)碚撜n程實(shí)踐所做的 BAJA 賽車模型，并結(jié)合 FSAE 賽車比賽規(guī)則和賽道的布置特點(diǎn)，進(jìn)行拓展設(shè)計(jì)一款大學(xué)生 F1 方程式賽車。同時(shí)對(duì) Formula SAE 賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、車輪系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等進(jìn)行選型和整體布置，然后根據(jù)所選的總成參數(shù)對(duì)整車動(dòng)力性能進(jìn)行匹配以及整車動(dòng)力性能進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出一款符合大賽要求同時(shí)性能優(yōu)異的賽車。 SAE 方程式（ Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計(jì)人員。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將作為競(jìng)賽比較和評(píng)判的內(nèi)容。產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是周末業(yè)余賽車比賽。但是由于整個(gè)比賽涉及了汽車工業(yè)所包括的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試、市場(chǎng)、管理和財(cái)務(wù)等各個(gè)方面。賽事對(duì)賽車各系統(tǒng)的材料，結(jié)構(gòu)等都做出了詳細(xì)的規(guī)定。比賽規(guī)則主要分為兩部分，賽車技術(shù)要求和比賽條例。 FSAE賽車比賽主要分為靜態(tài)項(xiàng)目比賽和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目比賽兩部分。 70 年代中期，幾個(gè)美國(guó)大學(xué)開始主辦當(dāng)?shù)氐膶W(xué)生設(shè)計(jì)競(jìng)賽賽車。 Mini Baja 比賽重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了地盤的設(shè)計(jì)，因?yàn)槊總€(gè)隊(duì)伍都使用一個(gè) 8 匹馬力的引擎，這一點(diǎn)無(wú)法改變。 在發(fā)達(dá)國(guó)家，很多高校已經(jīng)從事 Formula SAE 超過(guò) 20 年時(shí)間，擁有大量資金和試驗(yàn)基礎(chǔ)的情況下，他們的作品已經(jīng)基本達(dá)到了專業(yè)水平，最高時(shí)速可達(dá)到甚至超過(guò) 200km/h， 0 到 100km/h 加速時(shí)間 一般都在 以內(nèi)。中國(guó) FSC 致力于為國(guó)內(nèi)優(yōu)秀汽車人才的培養(yǎng)和選拔搭建公共平臺(tái)，通過(guò)全方位考核，提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營(yíng)銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力，全面提升汽車專業(yè)學(xué)生的綜大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 合素質(zhì)，為中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行長(zhǎng)期的人才積蓄，促進(jìn)中國(guó)汽車工業(yè)從“制造大國(guó)”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略方向邁進(jìn)。 預(yù)期目標(biāo)：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有大學(xué)生 F1方程式賽車的了解以及各種資料的分析，確定整機(jī)總體結(jié)構(gòu)及總體布置圖，設(shè)計(jì)計(jì)算，三維建模，對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度分析，繪制圖紙，并 附帶說(shuō)明書?？煽啃钥梢源_保測(cè)試階段的順利進(jìn)行，同時(shí)可以保證完成在競(jìng)賽中的所有比賽項(xiàng)目。 、汽車形式的選擇 不同形式的汽車，主要體現(xiàn)在軸數(shù)、驅(qū)動(dòng)形式以及布置形 式上有區(qū)別，這里我們選擇的是大學(xué)生 F1 方程式賽車。 、驅(qū)動(dòng)形式 汽車驅(qū)動(dòng)形式有 4x 4x4 等等，其中前一位數(shù)字表示汽車車輪總數(shù)，后一位表示驅(qū)動(dòng)輪數(shù)。常用的有前置前驅(qū)、后置后驅(qū)、前置后驅(qū)和中置后驅(qū)。 表 汽車質(zhì)量參數(shù) The quality parameters of the automotive 車型參數(shù) 賽車 整車整備質(zhì)量 m0(kg) 300 載客量 1 滿載質(zhì)量 ma（ kg） 360 質(zhì)量系數(shù)η m0 前軸負(fù)荷（滿載）（ kg） 170 后軸負(fù)荷（滿載）（ kg） 192 、汽車動(dòng)力性參數(shù)的確定 汽車動(dòng)力性參數(shù)包括最高車速 vmax、加速時(shí)間 t、上坡能力、比功率和比轉(zhuǎn)矩等。 Endurance 賽道的直道不超過(guò) 70m。而選擇小重量單缸機(jī)的高水平車隊(duì)也有不少。如果重心較高，將會(huì)導(dǎo)致車過(guò)彎的時(shí)候不穩(wěn)，重量轉(zhuǎn)移過(guò)大。這樣的改進(jìn)不但極大的降低了使用成本，避免使用 Kawasaki 售價(jià)高昂的原裝空氣濾清器，而且在采購(gòu)上也有著極大的便利。限流 器采用的是一個(gè)圓錐形的漏斗狀裝置，固定在限流器出口位置的蓋板上，限流器可以隨蓋板一起方便地拆除，以便在某些必要的測(cè)試當(dāng)中增加引擎功率。 我們這里采用摩托車的排氣系統(tǒng)如圖 24： 圖 24 Kawasaki ZRX400 排氣系統(tǒng)（線框內(nèi)） Fig 24 the exhaust system of Kawasaki ZRX400(in wireframe) 、傳動(dòng)系統(tǒng) 、變速箱性能參數(shù)的確定 采用發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的變速箱： 6 速常嚙合循環(huán)擋位。 主減速比： 鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比 =； 、輪胎和輪輞的選擇 車輪與輪胎是汽車行駛系統(tǒng)中的重要部件，其功用是：支撐整車；緩和由路面?zhèn)鱽?lái)的沖擊力；通過(guò)輪胎同路面的附著作用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力；汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，在保證汽車正常轉(zhuǎn)向行駛的同時(shí)，通過(guò)車輪產(chǎn)生的自動(dòng)回正力矩，使汽車保持直線行駛方向；承擔(dān)越障提高通過(guò)性的作用等。在有車手乘坐的情況下，輪胎的跳動(dòng)行程至少為 （ 2 英寸），其中向上 （ 1 英寸），向下 （ 1 英寸）。從外表上看，轎車懸架僅是由一些桿、筒以及彈簧組成，但千萬(wàn)不要以為它很簡(jiǎn)單，相反轎車懸架是一個(gè)較難達(dá)到完美要求的汽車總成，這是因?yàn)閼壹芗纫獫M足汽車的舒適性要求，又要滿足其操縱穩(wěn)定性的要求，而這兩方面又是互相對(duì)立的。但這種懸架構(gòu)造較 復(fù)雜，承載力小。采用此種懸架，主要優(yōu)點(diǎn)是不等長(zhǎng)式上下各有一個(gè)不等長(zhǎng)搖臂，共同吸收橫向力，因此橫向剛度大，并且通過(guò)合理的布置，可以使輪距和前輪的定位參數(shù)在可接受的限定范圍內(nèi)變化，這就克服了等長(zhǎng)式雙橫臂懸架輪胎磨損嚴(yán)重的弊端。真實(shí)比賽中，由于天氣、溫度、賽道形式等因素，需要通過(guò)不同的懸架參數(shù)設(shè)定來(lái)確保賽車的表現(xiàn)，通過(guò)獨(dú)特的機(jī)構(gòu)，可以方便地改變懸架參數(shù)，達(dá)到比賽需要。每個(gè)液壓制動(dòng) 回路必須有其專用的儲(chǔ)液罐（可以使用獨(dú)立的儲(chǔ)液罐，也可以使用廠家生產(chǎn)的內(nèi)部被分隔開的儲(chǔ)液罐） 。 （ 6）禁止使用沒有保護(hù)的塑料制動(dòng)管路。目前廣泛使用的仍為摩擦式制動(dòng)器。易于實(shí)現(xiàn)間隙自大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 動(dòng)調(diào)整等。 （ 2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須安裝有效的轉(zhuǎn)向限位塊，以防止轉(zhuǎn)向連桿結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)（四桿機(jī)構(gòu)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生反轉(zhuǎn)）。 （ 4）方向盤必須安裝在快拆器上，必須保證車手在正常駕駛坐姿并配戴手套時(shí)可以操作快拆器。 （ 6）在任何角度 ，方向盤上端必須低于前環(huán)的上端如圖 27： 圖 27 方向盤的位置 Fig 27 The location of the steering wheel 、轉(zhuǎn)向系的確定 （ 1）轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)向關(guān)系。其基本結(jié)構(gòu)是一對(duì)相互嚙合的小齒輪和齒條 。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 轉(zhuǎn)向靈敏，體積小，可以直接帶動(dòng)橫拉桿。具有足夠的強(qiáng)度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來(lái)的沖擊。 （ 1）負(fù)載彎曲 從字面上就可以十分容易的理解這個(gè)壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過(guò)輪軸傳到地面。 （ 3）橫向彎曲 所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時(shí)重量的慣性（即離心力）會(huì)使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會(huì)和路面形成反作用力，兩股相對(duì)的壓力將車架橫向扭曲。下面我們主要介紹一下這兩種車架： 鋼管式車架介紹 （ 1）、定義 承載式車架的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)工藝都復(fù)雜，只適宜大批量生產(chǎn)。它的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，很適合小規(guī)模的工作坊作業(yè)， 5070 年代英國(guó)有很多小規(guī)模的車廠生產(chǎn)各式各樣的汽車，都是用自行開發(fā)制造的鋼管車架，是鋼管車架的全盛時(shí)期。 缺點(diǎn)：不利于空間布置和車身造型、需要覆蓋車身，因而不利于輕量化。所以 monocoque就算是承載式車身的一種。 如下 圖所示： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 圖 212 單體殼車架 Fig 211 Single shell frame （ 2）、優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：高強(qiáng)度，輕量化，易于車身造型，安裝一步到位，精度容易保證。 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 第三章 賽車整車的總體設(shè)計(jì) 、車架的設(shè)計(jì) 、車架的設(shè)計(jì)流程： (1)根據(jù)總布置要求確定外廓尺寸； (2)根據(jù)布置要求確定人機(jī)； (3)根據(jù)懸架硬點(diǎn)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置等要求確定車架結(jié)構(gòu)； (4)車架結(jié)構(gòu)性分析，優(yōu)化； (5)定稿。主環(huán)上部和主環(huán)斜撐不包括在該定義中； （ 8）前隔板 —— 車架主體結(jié)構(gòu)前端的一個(gè)平面結(jié)構(gòu)。因此， 《中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則》 (201 0 版 )對(duì)于車架的前環(huán)做了詳細(xì)而具體的要求，確保賽車的前環(huán)能起到所需的功能且有足夠的強(qiáng)度、剛度，以保證在極端狀況下前環(huán)不發(fā)生變形、破壞。 （ 4）若是采用合適的節(jié)點(diǎn)和三角板結(jié)構(gòu)，允許把前環(huán)設(shè)計(jì)成多段組合的鍵。 參照下圖： 圖 31 前環(huán)示意圖 Fig 31 the schematic diagram of Front Roll Hoop (7)側(cè)視圖時(shí)，前環(huán)的任何一個(gè)部分與垂直方向所成的角度不得超過(guò) 20 度。 前環(huán)支架： （ 1）前環(huán)必須由兩個(gè)分別位于前環(huán)兩側(cè)的 向前伸的支架支撐； 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 （ 2）必須安裝前環(huán)支架是為了保護(hù)車手的腿部，并且必須延伸到車手腳的前部。方程式賽車車架重量占整車重量的很大部分 (約 20％ )，所以車架輕量化對(duì)于整車輕量化有重要意義。并會(huì)隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。 Q 代表的是這種材質(zhì)的屈服，后面的 345，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在 345 左右。 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 通過(guò)以上比較既要輕量化又要達(dá)到足夠的強(qiáng)度，從而獲得性能優(yōu)異的車架我們選擇 4130 材料。但相比之下，氬弧焊沒什么焊渣。 根據(jù)車的總體尺寸，參照別的學(xué)校懸架 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出懸架的三維模型如下圖所示： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 圖 39 懸架系統(tǒng)三維模型 Fig 39 the 3 d model figure of suspension system 、制動(dòng)系統(tǒng)的三維建模 參 照 雙輪浮動(dòng)盤式制動(dòng) willwood DSP 外形參數(shù)建立三維模型。如下圖所示： 圖 316 座椅的三維模型 Fig 316 the 3 d model figure of seat 、賽車的總裝 通過(guò) UG軟件將建立好的車架模型、車身模型、懸架模型、車輪模型、制動(dòng)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型以及驅(qū)動(dòng)橋模型進(jìn)行總裝，總裝后的賽車三維模型如下圖所示： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 39 圖 317 賽車不帶車身三維模型總裝 Fig 317 the 3 d model figure of The vehicle assembly not include body 圖 318 賽車帶車身總裝模型 Fig 318 the 3 d model figure of The veh