【正文】 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 3 從世界范圍來看，當今有三個地區(qū)有 Formula SAE 的學生競賽，即美國、歐洲、澳洲。所以 FSAE比賽的過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)則委員會每年都會對比賽規(guī)則進行修訂，使比賽規(guī)則更加合理系統(tǒng)。多年來 FSAE 賽車比賽不斷地為汽車及其他各個行業(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)汽車及其他機械領域的工程技術人才，為工科學生將來的職場生涯建立良好的基礎。原型車將被該生產(chǎn)商用來評估一個生產(chǎn)項大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 2 目的市場潛力。設計小組受到的挑戰(zhàn)是設計和組裝一輛滿足各種要求的車。因此，該車必須在加速，制動和操控性能方面表現(xiàn)出色。在與來自世界各地的大學代表隊的比較中，賽事給了車隊證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術能力的機會。自 1981年創(chuàng)辦以來， FSAE 已發(fā)展成為每年由 7 個國家舉辦的 9 場賽事所組成，并有數(shù)百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。本文根據(jù)《中國 FSC 大賽規(guī)則（ 2020）》要求，首先利用 軟件對賽車車架進行結構設計，建立起多個車架的三維模型，然后將設計出來的多個車架以及 BAJA 模型的車架導入到有限元軟件中，對車架進行靜力學分析，通過對比靜力和應力分布圖分析選出更優(yōu)秀的車架。大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 畢業(yè)設 計（ 論 文） 題目 大學生 F1 方程式賽車 整車設計 整車設計 專業(yè) 車輛工程 班級 學號 學生 指導教師 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 大學生 F1 方程式賽車整車設計 摘要 本文基于汽車理論課程實踐所做的 BAJA 賽車模型，并結合 FSAE 賽車比賽規(guī)則和賽道的布置特點，進行拓展設計一款大學生 F1 方程式賽車。同時對 Formula SAE 賽車的發(fā)動機系統(tǒng)、車輪系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等進行選型和整體布置，然后根據(jù)所選的總成參數(shù)對整車動力性能進行匹配以及整車動力性能進行分析，從而設計出一款符合大賽要求同時性能優(yōu)異的賽車。 SAE 方程式（ Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團隊構思、設計與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為了達到比賽的目的、學生可以把自己假想設計人員。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。各個設計環(huán)節(jié)將作為競賽比較和評判的內(nèi)容。產(chǎn)品的目標市場是周末業(yè)余賽車比賽。但是由于整個比賽涉及了汽車工業(yè)所包括的設計、生產(chǎn)、測試、市場、管理和財務等各個方面。賽事對賽車各系統(tǒng)的材料，結構等都做出了詳細的規(guī)定。比賽規(guī)則主要分為兩部分，賽車技術要求和比賽條例。 FSAE賽車比賽主要分為靜態(tài)項目比賽和動態(tài)項目比賽兩部分。 70 年代中期，幾個美國大學開始主辦當?shù)氐膶W生設計競賽賽車。 Mini Baja 比賽重點強調(diào)了地盤的設計，因為每個隊伍都使用一個 8 匹馬力的引擎，這一點無法改變。 在發(fā)達國家，很多高校已經(jīng)從事 Formula SAE 超過 20 年時間，擁有大量資金和試驗基礎的情況下，他們的作品已經(jīng)基本達到了專業(yè)水平，最高時速可達到甚至超過 200km/h， 0 到 100km/h 加速時間 一般都在 以內(nèi)。中國 FSC 致力于為國內(nèi)優(yōu)秀汽車人才的培養(yǎng)和選拔搭建公共平臺，通過全方位考核，提高學生們的設計、制造、成本控制、商業(yè)營銷、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)學生的綜大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 4 合素質(zhì)，為中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進行長期的人才積蓄，促進中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“產(chǎn)業(yè)強國”的戰(zhàn)略方向邁進。 預期目標：通過對現(xiàn)有大學生 F1方程式賽車的了解以及各種資料的分析，確定整機總體結構及總體布置圖，設計計算，三維建模，對車架進行強度分析，繪制圖紙，并 附帶說明書?？煽啃钥梢源_保測試階段的順利進行，同時可以保證完成在競賽中的所有比賽項目。 、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)動形式以及布置形 式上有區(qū)別，這里我們選擇的是大學生 F1 方程式賽車。 、驅(qū)動形式 汽車驅(qū)動形式有 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 前軸負荷（滿載）（ kg） 170 后軸負荷（滿載）（ kg） 192 、汽車動力性參數(shù)的確定 汽車動力性參數(shù)包括最高車速 vmax、加速時間 t、上坡能力、比功率和比轉(zhuǎn)矩等。 Endurance 賽道的直道不超過 70m。而選擇小重量單缸機的高水平車隊也有不少。如果重心較高，將會導致車過彎的時候不穩(wěn)，重量轉(zhuǎn)移過大。這樣的改進不但極大的降低了使用成本，避免使用 Kawasaki 售價高昂的原裝空氣濾清器，而且在采購上也有著極大的便利。限流 器采用的是一個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試當中增加引擎功率。 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) 、傳動系統(tǒng) 、變速箱性能參數(shù)的確定 采用發(fā)動機自帶的變速箱： 6 速常嚙合循環(huán)擋位。 主減速比： 鏈傳動傳動比 =； 、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)鱽淼臎_擊力；通過輪胎同路面的附著作用來產(chǎn)生驅(qū)動力和制動力；汽車轉(zhuǎn)彎時產(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，通過車輪產(chǎn)生的自動回正力矩，使汽車保持直線行駛方向；承擔越障提高通過性的作用等。在有車手乘坐的情況下，輪胎的跳動行程至少為 （ 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，但千萬不要以為它很簡單，相反轎車懸架是一個較難達到完美要求的汽車總成，這是因為懸架既要滿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立的。但這種懸架構造較 復雜，承載力小。采用此種懸架，主要優(yōu)點是不等長式上下各有一個不等長搖臂，共同吸收橫向力，因此橫向剛度大，并且通過合理的布置，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，這就克服了等長式雙橫臂懸架輪胎磨損嚴重的弊端。真實比賽中，由于天氣、溫度、賽道形式等因素，需要通過不同的懸架參數(shù)設定來確保賽車的表現(xiàn)，通過獨特的機構，可以方便地改變懸架參數(shù)，達到比賽需要。每個液壓制動 回路必須有其專用的儲液罐（可以使用獨立的儲液罐，也可以使用廠家生產(chǎn)的內(nèi)部被分隔開的儲液罐） 。 （ 6）禁止使用沒有保護的塑料制動管路。目前廣泛使用的仍為摩擦式制動器。易于實現(xiàn)間隙自大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 17 動調(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)向連桿結構反轉(zhuǎn)（四桿機構在一個節(jié)點處發(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)向系是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)向關系。其基本結構是一對相互嚙合的小齒輪和齒條 。它的優(yōu)點是結構簡單，成本低廉，大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 19 轉(zhuǎn)向靈敏，體積小，可以直接帶動橫拉桿。具有足夠的強度和剛度以承受汽車的載荷和從車輪傳來的沖擊。 （ 1）負載彎曲 從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。 （ 3）橫向彎曲 所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對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 承載式車架的設計開發(fā)和生產(chǎn)工藝都復雜，只適宜大批量生產(chǎn)。它的生產(chǎn)工藝簡單，很適合小規(guī)模的工作坊作業(yè)， 5070 年代英國有很多小規(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期。 缺點：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： 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 23 圖 212 單體殼車架 Fig 211 Single shell frame （ 2）、優(yōu)缺點 優(yōu)點：高強度，輕量化，易于車身造型，安裝一步到位，精度容易保證。 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 24 第三章 賽車整車的總體設計 、車架的設計 、車架的設計流程： (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； (3)根據(jù)懸架硬點、轉(zhuǎn)向、制動、發(fā)動機懸置等要求確定車架結構； (4)車架結構性分析，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 —— 車架主體結構前端的一個平面結構。因此， 《中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則》 (201 0 版 )對于車架的前環(huán)做了詳細而具體的要求，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)點和三角板結構，允許把前環(huán)設計成多段組合的鍵。 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，前環(huán)的任何一個部分與垂直方向所成的角度不得超過 20 度。 前環(huán)支架： （ 1）前環(huán)必須由兩個分別位于前環(huán)兩側(cè)的 向前伸的支架支撐； 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 29 （ 2）必須安裝前環(huán)支架是為了保護車手的腿部，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％ )，所以車架輕量化對于整車輕量化有重要意義。并會隨著材質(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。 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 31 通過以上比較既要輕量化又要達到足夠的強度，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，參照別的學校懸架 設計經(jīng)驗設計出懸架的三維模型如下圖所示： 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (論文 ) 33 圖 39 懸架系統(tǒng)三維模型 Fig 39 the 3 d model figure of suspension system 、制動系統(tǒng)的三維建模 參 照 雙輪浮動盤式制動 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 UG軟件將建立好的車架模型、車身模型、懸架模型、車輪模型、制動模型、發(fā)動機模型以及驅(qū)動橋模型進行總裝，總裝后的賽車三維模型如下圖所示： 大學生 F1 方程式賽車整車設計 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設計 (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