【文章內(nèi)容簡介】 車了解總結(jié)之后發(fā)現(xiàn)，萬豐和Hoosier 是 FSAE 車隊(duì)使用最多的輪胎品牌和輪輞品牌，性能最好的是Hoosier 品牌，但由于成本因素等等考慮，我們選擇萬豐輪輞和馬牌輪胎品牌。其參數(shù)如下： 萬豐 13 英寸鋁合金輪輞；馬牌 223/533R14。 、懸架系統(tǒng)的選擇 、比賽要求 （ 1）賽車所有車輪必須安裝有功能完善的、帶有減震器的懸架。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）。如果賽車沒能表現(xiàn)出適合比賽的操13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 控能力，或是沒有經(jīng)過認(rèn)真的設(shè)計(jì)，裁判有權(quán)取消賽車的參賽資格。 （ 2）在技術(shù)檢查中，懸架的所有的安裝點(diǎn)必須可以被呈示給技術(shù)檢查官，無論是可以直接看到或是通過移除覆蓋件來實(shí)現(xiàn)。 、懸架的作用 懸架是汽車中的一個重要總成，它把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來，關(guān)系到汽車的多種使用性 能。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(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立的。比如，為了取得良好的舒適性，需要大大緩沖汽車的震動，這樣彈簧就要設(shè)計(jì)得軟些，但彈簧軟了卻容易使汽車發(fā)生剎車“點(diǎn)頭”、加速“抬頭”以及左右側(cè)傾嚴(yán)重的不良傾向，不利于汽車的轉(zhuǎn)向，容易導(dǎo)致汽車操縱不穩(wěn)定等。 、懸架的分類 汽車懸架的形式分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩種： （ 1）非獨(dú)立懸架的車輪裝 在一根整體車軸的兩端，當(dāng)一邊車輪跳動時(shí)，影響另一側(cè)車輪也作相應(yīng)的跳動，使整個車身振動或傾斜，汽車的平穩(wěn)性和舒適性較差，但由于構(gòu)造較簡單，承載力大，目前仍有部分轎車的后懸架采用這種型式。 （ 2）獨(dú)立懸架的車軸分成兩段，每只車輪用螺旋彈簧獨(dú)立地安裝在車架 (或車身 )下面，當(dāng)一邊車輪發(fā)生跳動時(shí)，另一邊車輪不受波及，汽車的平穩(wěn)性和舒適性好。但這種懸架構(gòu)造較復(fù)雜，承載力小。現(xiàn)代轎車前后懸架大都采用了獨(dú)立懸架，并已成為一種發(fā)展趨勢。 、懸架的選擇 本賽車采用當(dāng)今方程式賽車普遍使用的懸架結(jié)構(gòu)，故采用獨(dú)立懸架。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 獨(dú) 立懸架有多種形式，基于方程式賽車特點(diǎn)，選用雙橫臂不等長獨(dú)立懸架。采用此種懸架，主要優(yōu)點(diǎn)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(yán)重的弊端。路面的適應(yīng)力好，輪胎接地面大、貼地性好。 如圖 25 所示： 圖 25 雙橫臂不等長獨(dú)立懸架 Fig 25 Range double wishbone independent suspension 、方程式懸架系統(tǒng)的特殊性 該系統(tǒng)采用將彈性元件內(nèi)置于車身外殼中的形式，這樣可以降低高速行駛中的風(fēng)阻，避免了避震彈簧上的橫向力影響，減小了由于橫向力而造成的車身振動，并且減小了懸架運(yùn)動部分的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。將彈簧與阻尼元件隱藏在車身中，利用推拉桿和搖臂盤的組合，達(dá)到外置式懸架同樣的效果。真實(shí)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(shè)定來確保賽車的表 現(xiàn)，通過獨(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。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 、制動系統(tǒng)的選擇 、制動系統(tǒng)要求 ： （ 1）賽車必須安裝有制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)必須作用于所有四個車輪上，并且通過單一的控制機(jī)構(gòu)控制。 （ 2）制動系統(tǒng)必須有兩套獨(dú)立的液壓制動回路，當(dāng)某一條回路系統(tǒng)泄漏或失效時(shí)，另一條回路還可以至少保證有兩個車輪可以維持有效的制動力。每個液壓制動回路必須有其專用的儲液罐（可以使用獨(dú)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） 。 （ 3）安裝有限滑式差速器的車橋，其兩個車輪可以使用單個制動器制動。 （ 4）制動系統(tǒng)必須在后述的測試中，能夠抱死所有四個車輪。 （ 5）禁止使用線控制動。 （ 6）禁止使用沒有保護(hù)的塑料制動管路。 （ 7）制動系統(tǒng)必須被碎片護(hù)罩保護(hù)，以防傳動系失效或小碰撞引起的碎片破壞制動系統(tǒng)。 、制動器的分類 （ 1）制動器主要有摩擦式、液力式和電磁式等幾種形式。電磁式制動器雖有作用滯后性好、易于連接而且接頭可靠等優(yōu)點(diǎn)，但因成本高，只在一部分總質(zhì)量較大的商用車上用作車輪制動器或緩速器；液力式制動器一般只用作緩速器。目前廣泛使用的仍為摩擦式制動器。 （ 2）摩擦式制動器按摩擦副結(jié)構(gòu)形式不同， 可以分為鼓式、盤式和帶式三種。帶式制動器只用作中央差速器；鼓式和盤式制動器的結(jié)構(gòu)形式也分有多種。 （ 3）盤式與鼓式相比有如下優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好；水穩(wěn)定性好；制動力矩與汽車運(yùn)動方向無關(guān)；易于構(gòu)成雙回路制動系，使汽車有較高的可靠性和安全性；尺寸小、質(zhì)量小、散熱良好；更換襯塊簡單容易。易于實(shí)現(xiàn)間隙自13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 動調(diào)整等。 、制動器的選擇 通過以上比較，以及參考其他院校制動器的選擇，這里我們選擇雙輪浮動盤式制動 willwood DSP。如下圖 26 所示： 圖 26 雙輪浮動盤式制動， willwood DSP Fig 26 Double floating disc brake,willwood DSP 、轉(zhuǎn)向的選擇 、轉(zhuǎn)向的要求 （ 1）方向盤必須與前輪機(jī)械連接。禁止使用線控轉(zhuǎn)向。 （ 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)在一個節(jié)點(diǎn)處發(fā)生反轉(zhuǎn)）。限位塊可安裝在轉(zhuǎn)向立柱或齒條上，并且必須防止輪胎在轉(zhuǎn)向行 駛時(shí)接觸懸架、車身或車架部件。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 （ 3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程不得超過 7176。（在方向盤上測量）。 （ 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。 （ 5）方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或近橢圓形。例如：方向盤的外輪廓可以有一些部分 趨向直線，但不可以有內(nèi)凹的部分。禁止使用 H 形、 8 型或分開式方向盤。 （ 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(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。機(jī)械轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。 （ 2）轉(zhuǎn)向系的組成：轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)。 其中轉(zhuǎn)向器我們選擇機(jī)械式中的齒輪齒條式，因?yàn)樗且环N最常見的轉(zhuǎn)向器。其基本結(jié)構(gòu)是一對相互嚙合的小齒輪和齒條。轉(zhuǎn)向軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條便做直線運(yùn)動。有時(shí)，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以，這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，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，可以直接帶動橫拉桿。在汽車上得到廣泛應(yīng)用。如下圖所示： 圖 28 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器基本原理示意圖 Fig 28 the basic principle diagram of Pinion and rack steering gear 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)采用轉(zhuǎn)向梯形如下圖所示： 圖 29 轉(zhuǎn)向梯形示意圖 Fig 29 the diagram of steering trapezium 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 、車架形式的選擇 、車架的定義 也稱大梁。汽車的基體，一般由兩根縱梁和幾根橫梁組成，經(jīng)由懸掛裝置﹑前橋﹑后橋支承在車輪上。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的沖擊。 、車架的設(shè)計(jì) 要評價(jià)車架設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的好壞，首先應(yīng)該清楚了解的 是車輛在行駛時(shí)車架所要承受的各種不同的力。如果車架在某方面的韌性（ stiffness）不佳，就算有再好的懸掛系統(tǒng)，也無法達(dá)到良好的操控表現(xiàn)。而車架在實(shí)際環(huán)境下要面對 4種壓力。 （ 1）負(fù)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。而這個壓力，主要會集中在軸距的中心點(diǎn)。因此車架底部的縱梁和橫梁 (member），一般都要求較強(qiáng)的剛度。 （ 2）非水平扭動 當(dāng)前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的梁柱便要承受這個縱向扭曲壓力 (longltudinaltorsion），情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。 （ 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。 （ 4）水平菱形扭動 實(shí)車架的好壞并非物理指標(biāo)就可以涵蓋，所以即使有超強(qiáng)的新車架出現(xiàn)，最傳統(tǒng)的車架形式依然存在，正因?yàn)榇耍韵碌膬?nèi)容才有了發(fā)布的意義。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 、車架的分類 車架的類型有：梯形車架、一體式金屬車架、超輕量一體式車架、一體式碳纖維車架、大梁式車架、承載式車架、鋼管式車架、鋁 合金車架、碳纖維車架、副車架等等。由于成本原因國內(nèi) FSAE 賽車大多使用的是鋼管式車架，但國外大多使用一體式碳纖維車架。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)。但是對于少量生產(chǎn)的轎車又如何呢？雖然可以采用共用平臺策略，但所謂的“共用平臺”能共用的只是懸架、傳動系統(tǒng)等底盤部件，承載式的車架由于必須與車身形狀吻合，對于不同的車身造型是不能共用車架的。于是鋼管式（又稱“框條式”）車架便應(yīng)運(yùn)而生。顧名思義，鋼管式車架就是用很多鋼管焊 接成一個框架，再將零部件裝在這個框架上。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(shí)期。時(shí)至今日仍采用鋼管車架的都是一些產(chǎn)量較少的跑車廠，如 LAMBORGHINI和 TVR，原因是可以省去沖壓設(shè)備的巨大投資。由于對鋼管車車架進(jìn)行局部加強(qiáng)十分容易（只須加焊鋼管），在質(zhì)量相等的情況下，往往可以得到比承載式車架更強(qiáng)的剛度，這也是很多跑車廠仍樂于用它的原因。如下圖所示： 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 圖 210 桁架結(jié)構(gòu)車架 Fig 210 Truss structure frame （ 2）、優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：加工制造方便，造價(jià)低廉，具有較好的容錯性，強(qiáng)度較高。 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。 一體式碳纖維車架 （ 1）、定義 它通過一個物體的表面來承載，而不是使用內(nèi)部框架來承載。 Mono 來源于希臘，指單一的意思。 Coque 是來源于法語，殼的意思。所以 monocoque就算是承載式車身的一種。但現(xiàn)代大多數(shù)乘用車的白車身，并不是完整意義上的單體殼，而是箱體、管件和艙壁的組合，并不強(qiáng)調(diào)表面的剛度和強(qiáng)度，主 要通過凹凸形成的箱體和管件來承載。 FSAE 界的單體殼也絕大多數(shù)是碳纖維增強(qiáng)樹脂（ Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP)） —— 簡稱碳纖維的單體殼，金屬單體殼僅有英國的 Oxford Brookes University 近幾年的賽車，它使用的是鋁合金來制造單體殼。另外在超跑和賽車領(lǐng)域，也幾乎都是碳纖維單體殼。 如下圖所示： 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。缺點(diǎn)：制造加工困難，造價(jià)高昂，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難控制，基本沒有容錯性，壽命短，修復(fù)困難，不可回收。 結(jié)論 通過以上比較國內(nèi) FSAE 賽車多數(shù)使用的是鋼管式車架，但隨著技術(shù)不斷地成熟，以及資金的充裕必將會有越來越多的車隊(duì)使用一體式碳纖維車架。由于我們學(xué)校正處于研究初期， 所以我們選用的鋼管式車架，然后通過 ANSYS 軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。 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、發(fā)動機(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。 、車架設(shè)計(jì)要求： （ 1）賽車的結(jié)構(gòu)必須包括兩個帶有斜撐的防滾架、有支撐系統(tǒng)和緩沖結(jié)構(gòu)的前隔板、以及側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)； （ 2）賽車的基本結(jié)構(gòu)必須為以下材料制作：低碳鋼或合金鋼（ 含碳量至少為 %）圓管； （ 3）除主環(huán)和主環(huán)斜撐必須使用鋼材以外，其他管件均可使用替代尺寸規(guī)格和材料。即鋁制或鈦制的管件以及復(fù)合材料在主環(huán)和主環(huán)斜撐上禁