【正文】 中，參賽學(xué)生需要把各項(xiàng)目比賽的評(píng)委看作是虛擬賽車生產(chǎn)商的各部門負(fù)責(zé)人。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 從世界范圍來看，當(dāng)今有三個(gè)地區(qū)有 Formula SAE 的學(xué)生競(jìng)賽，即美國、歐洲、澳洲。 SAE Mini Baja 的名稱沿襲了著名的墨西哥 Baja 1000 汽車比賽。比賽由三個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)組成，即一天的靜態(tài)比賽 —— 設(shè)計(jì)、成本、陳述 —— 接著一天是各自的性 能競(jìng)賽項(xiàng)目。在過去的 20 多年里， SAE Mini Baja 的成功超乎了每個(gè)人的預(yù)期。 Formula SAE 相比 SAE Mini Baja 有著許多進(jìn)步和發(fā)展，引擎的限制也已經(jīng)大大放寬，允許參賽車隊(duì)使用 610cc 以下的發(fā)動(dòng)機(jī)， 這極大地提升了賽車的性能表現(xiàn)。 從原先在 SAE Mini Baja 比賽中的 8hp 發(fā)動(dòng)機(jī)到現(xiàn)今 Formula SAE 中已經(jīng)超過 100hp 的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)， Formula SAE 在多方面都取得了驚人的成績(jī)，并且該項(xiàng)比賽一直保持了發(fā)展的態(tài)勢(shì)。中國 FSC秉持“中國創(chuàng)造擎動(dòng)未來”的遠(yuǎn)大理想，立足于中國汽車工程教育和汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，吸收借鑒其他國家 FSC 賽事的成功經(jīng)驗(yàn)，打造一個(gè)新型的培養(yǎng)中國未來汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者和工程師的交流盛會(huì)，并成為與國際青年汽車工程師交流的平臺(tái)。 、任務(wù)及目標(biāo) 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，選擇大學(xué)生 F1 方程式賽車為主要研究對(duì)象。 主要研究?jī)?nèi)容： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，總體布置，各工作部件相互位置關(guān)系的確定以及計(jì)算其性能參數(shù)；對(duì)部分零部件進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及車架的強(qiáng)度校核。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 第一章 賽車總體參數(shù)與主要總成的選擇 、概述 、總體設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求 由動(dòng)力裝置、底盤、車身、電器以及儀表等四部分組成 的汽車，是用來載送人和貨物的運(yùn)輸工具，而這里我們要設(shè)計(jì)的是用來參加比賽的賽車，其賽車懸架、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)總成設(shè)計(jì)參數(shù)選取和具體結(jié)構(gòu)等方面與普通車輛都存在差異，通過對(duì)在網(wǎng)上搜索的各類方程式賽車資料，進(jìn)行整理，然后分析總結(jié)出方程式賽車應(yīng)當(dāng)具備的一些普通車輛所沒有的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 、總體設(shè)計(jì)的目的 總體設(shè)計(jì)目的是制造一輛安全可靠、各方面性能均衡、有良好駕駛特性、調(diào)整方便并且足夠快的賽車?？烧{(diào)整的特性可以讓賽車適應(yīng)不同的駕駛環(huán)境和不同的駕駛員。賽車要讓車手在任何行駛狀態(tài)下都能有清晰的路感，這可以使駕駛變得容易和高效。 、軸數(shù) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 汽車可以有兩軸、三軸、四軸甚至更多的軸數(shù)。 這里我們選擇：兩軸。汽車的用途、總質(zhì)量和對(duì)車輛通過性能的要求等，是影響選取驅(qū)動(dòng)形式的主要因素。 、布置形式 汽車的布置形式是指發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋和車身的相互關(guān)系和布置特點(diǎn)而言。 這里我們選擇一般賽車常用的方式：中置后驅(qū)。我們根據(jù)網(wǎng)上搜索的資料以及查看各個(gè)學(xué)校的技術(shù)報(bào)表，然后根據(jù)大賽規(guī)則大概確定主要參數(shù)： 表 汽車尺寸參數(shù) the Size parameters of the car 車型參數(shù) 賽車 總長(zhǎng)（ mm） 2610 總寬（ mm） 1420 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 總高 (滿載 )（ mm） 1200 軸距（ mm） 1920 前輪距（ mm） 1150 后輪距（ mm） 1240 前懸（ mm） 530 后懸（ mm） 160 最小離地間隙（ mm） 60 、汽車質(zhì)量參數(shù)的確定 汽車質(zhì)量參數(shù)包括整車質(zhì)量 m0，載客量、滿載質(zhì)量、質(zhì)量系數(shù)η m0,和軸荷分配等。 設(shè)計(jì)目標(biāo)： 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 表 汽車動(dòng)力性參數(shù) The power performance parameters of the automobile 車型參數(shù) 賽車 最高車速 Vmax(km/h) 150 加速時(shí)間 t（ s） (0~100km/h) 、發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇 、發(fā)動(dòng)機(jī)限制 （ 1）、驅(qū)動(dòng)賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)必須為四沖程、排量 610cc 以下的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)； （ 2）、為限制發(fā)動(dòng)機(jī)功率，一個(gè)內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，并且 所有發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣氣流都應(yīng)流經(jīng)此限流閥。 FSAE 比賽中分值最高和賽程最長(zhǎng)的是 Endurance 比賽。所以 FSAE 賽車發(fā)動(dòng)機(jī)最關(guān)鍵的性能是穩(wěn)定優(yōu)秀的扭矩輸出，而發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出性能的重要性則被弱化。大排量高性能 4 缸機(jī)是多數(shù)車隊(duì)的選擇，較為典型的是 Honda CBR600 F4i。 Yamaha WR450F 就是一款非常適合 FSAE 的單缸機(jī)。 性能指標(biāo)： 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 表 發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo) Engine performance metrics 發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo) 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)排量 599cc 未限流最高功率（ kw） 80 最高轉(zhuǎn)速（ r/min） 13000 缸徑 x 沖程（ mm） 壓縮比 :1 最高馬力 110ps/12500rpm 最大扭力 限流后最大功率 該發(fā)動(dòng)機(jī)還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)油底殼較低，這樣車的重心也會(huì)較低。對(duì)于新車隊(duì)來說，改裝油底殼會(huì)比較麻煩，沒有經(jīng)驗(yàn)，也不知道如何去改的時(shí)候，用 F4i是很好的選擇 F4i還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是價(jià)格比 600RR 便宜，國內(nèi)二手發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格應(yīng)該在一萬人民幣以下原裝電腦，改成規(guī)則規(guī)定的 20mm進(jìn)氣以后，馬力應(yīng)該在 60~65hp。如圖 22 所示。 由于受到 Formula SAE 規(guī)則的限制，所有的引擎都必須加裝一個(gè)最小截面直徑不超過 20mm 的限流器來限制引擎功率。如圖 23 所示。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 圖 22 空氣濾清器匣 （圈內(nèi)） Fig 22 Air filter cartridge(in Circle) 圖 23 限流器（圈內(nèi)） Fig 23 current limiter(in Circle) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 、排氣系統(tǒng) 汽車排氣系統(tǒng)是指收集并且排放廢氣的系統(tǒng)，一般由排氣歧管，排氣管，催化轉(zhuǎn)換器，排氣溫度傳感器，汽車消聲器和排氣尾管等組成。汽車排氣系統(tǒng)主要用于輕型車、微型車和客車，摩托車等機(jī)動(dòng)車輛。 換擋順序?yàn)椋?1 擋－空擋－ 2 擋－ 3 擋－ 4 擋－ 5 擋－ 6 擋。在差速器外殼均需要加裝合適的鏈輪。 通過對(duì) 2020 年各個(gè)學(xué)校參加比賽的賽車了解總結(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。 、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。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。 、懸架的作用 懸架是汽車中的一個(gè)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。比如，為了取得良好的舒適性，需要大大緩沖汽車的震動(dòng)，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。 （ 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(dòng)時(shí)，另一邊車輪不受波及，汽車的平穩(wěn)性和舒適性好?，F(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(shì)。 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(zhǎng)獨(dú)立懸架。路面的適應(yīng)力好，輪胎接地面大、貼地性好。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。 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 、制動(dòng)系統(tǒng)的選擇 、制動(dòng)系統(tǒng)要求 ： （ 1）賽車必須安裝有制動(dòng)系統(tǒng)。 （ 2）制動(dòng)系統(tǒng)必須有兩套獨(dú)立的液壓制動(dòng)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(gè)車輪可以維持有效的制動(dòng)力。 （ 3）安裝有限滑式差速器的車橋，其兩個(gè)車輪可以使用單個(gè)制動(dòng)器制動(dòng)。 （ 5）禁止使用線控制動(dòng)。 （ 7）制動(dòng)系統(tǒng)必須被碎片護(hù)罩保護(hù)，以防傳動(dòng)系失效或小碰撞引起的碎片破壞制動(dòng)系統(tǒng)。電磁式制動(dòng)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(dòng)器或緩速器；液力式制動(dòng)器一般只用作緩速器。 （ 2）摩擦式制動(dòng)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。 （ 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(dòng)力矩與汽車運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)；易于構(gòu)成雙回路制動(dòng)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(jiǎn)單容易。 、制動(dòng)器的選擇 通過以上比較，以及參考其他院校制動(dòng)器的選擇，這里我們選擇雙輪浮動(dòng)盤式制動(dòng) willwood DSP。禁止使用線控轉(zhuǎn)向。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。（在方向盤上測(cè)量）。 （ 5）方向盤輪廓必須為連續(xù)閉合的近圓形或近橢圓形。禁止使用 H 形、 8 型或分開式方向盤。機(jī)械轉(zhuǎn)向系依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。 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。轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條便做直線運(yùn)動(dòng)。所以，這是一種最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向器。在汽車上得到廣泛應(yīng)用。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。 、車架的設(shè)計(jì) 要評(píng)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。而車架在實(shí)際環(huán)境下要面對(duì) 4種壓力。而這個(gè)壓力，主要會(huì)集中在軸距的中心點(diǎn)。 （ 2）非水平扭動(dòng) 當(dāng)前后對(duì)角車輪遇到道路上的不平而滾動(dòng)，車架的梁柱便要承受這個(gè)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。 （ 4）水平菱形扭動(dòng) 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。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。但是對(duì)于少量生產(chǎn)的轎車又如何呢？雖然可以采用共用平臺(tái)策略，但所謂的“共用平臺(tái)”能共用的只是懸架、傳動(dòng)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(duì)于不同的車身造型是不能共用車架的。顧名思義，鋼管式車架就是用很多鋼管焊 接成一個(gè)框架，再將零部件裝在這個(gè)框架上。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。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(cuò)性，強(qiáng)度較高。 一體式碳纖維車架 （ 1）、定義 它通過一個(gè)物體的表面來承載，而不是使用內(nèi)部框架來承載。 Coque 是來源于法語，殼的意思。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。另外在超跑和賽車領(lǐng)域，也幾乎都是碳纖維單體殼。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(cuò)性，壽命短，修復(fù)困難，不可回收。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。 、車架設(shè)計(jì)要求： （ 1）賽車的結(jié)構(gòu)必須包括兩個(gè)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。 、名詞解釋 （ 1）主環(huán) —— 位于車手旁邊或是身后的一個(gè)防滾架； （ 2）前環(huán) —— 位于車手雙腿之上，接近方向盤的防滾架； （ 3）防滾架支承結(jié)構(gòu)支承 —— 從主前環(huán)支承的末端引出到主前環(huán)上； （ 4）車架單元 —— 最短的未切割的、連續(xù)的管件； （ 5）車架 —— “車架”是被設(shè)計(jì)用來支撐所有賽車的功能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總成，該部件可以是單個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，也可是復(fù)雜 的焊接結(jié)構(gòu)，或是復(fù)合材料13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 與焊接結(jié)構(gòu)的組合； （ 6）基本結(jié)構(gòu) —— 基本結(jié)構(gòu)包括以下車架部件： 1）主環(huán) 2）前環(huán) 3）防滾架斜撐 4）側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu) 5）前隔板 6)前隔板支撐系統(tǒng) 7）所有的能將安全帶的負(fù)荷傳遞到 16