FSC方程式賽車制動系統(tǒng)總成設計與計算

摘 要：從FSC比賽規(guī)則出發(fā)，初步分析賽車的前后制動力，提出一套適合于FSC方程式賽車制動系統(tǒng)設計的方法，介紹大學生方程式賽車制動系統(tǒng)的組成，包括零部件的選擇和總成的匹配。還根據(jù)已知的汽車相關參數(shù)，通過計算得到了制動器主要參數(shù)、前后制動力矩分配系數(shù)、制動力矩和制動力以及液壓制動驅(qū)動機構相關參數(shù)。

關鍵詞：方程式賽車；制動系統(tǒng)；軸荷分配

前言

中國大學生方程式汽車大賽（Formula Student of China，簡稱：FSC）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校大學生組隊參加的汽車設計與制作比賽，各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在接近一年的時間內(nèi)自行設計和制造出一輛在加速、制動操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單座賽車、并能夠完成全部或部分禁賽環(huán)節(jié)的比賽[1]。

1 設計目的

賽車制動的目的是根據(jù)車手的意圖實現(xiàn)賽車減速和停車。在賽車遇到緊急情況，需緊急制動時能安全、平穩(wěn)、迅速地減速停車，保證車輛和賽車手的安全。

2 制動方式的確定

2.1 制動方式的確定

鉗盤式制動器按制動鉗的結(jié)構形式不同可分為定鉗盤式制動器、浮鉗盤式制動器等。由于浮鉗盤式制動器只在單側(cè)有制動油缸，結(jié)構尺寸小；且在單側(cè)布置油管，液壓缸的冷卻工況穩(wěn)定且成本低；制動摩擦片兼具停車制動以上三點優(yōu)點，所以選擇浮鉗盤式制動器。

2.2 制動回路布置形式

分析比賽規(guī)則和比賽項目，賽車的制動系統(tǒng)必須使用雙回路系統(tǒng)，并且制動力要足夠，以保證通過制動測試，且使賽車具有制動安全性。由以上分析可以得到：對于FSAE賽車，使用Ⅱ型雙回路[2]。

3 設計預計算

3.1 車相關主要參數(shù)

質(zhì)量（含人） m=320kg

軸距 L=1650mm

前輪中心到質(zhì)心 a=932.5mm

后輪中心到質(zhì)心 b=817.5mm

質(zhì)心高 hg=280mm

輪胎半徑 R=230mm

3.2 同步附著系數(shù)的分析

當制動時前輪先抱死，賽車喪失了轉(zhuǎn)向能力；制動時后輪先抱死，賽車容易發(fā)生后軸側(cè)滑而使汽車喪失方向穩(wěn)定性。所以分析表明，汽車在同步系數(shù)為？漬的路面上制動（前后輪同時抱死）時，地面的附著條件才可以得到充分利用。賽車使用的是熱熔胎，考慮到賽車制動時，完全抱死，參考國內(nèi)外車隊計算參數(shù)，同步附著系數(shù)？漬取 1.4。

3.3 整車受力分析

對賽車進行制動受力分析，不考慮FSC賽車在滾動時的阻力、空氣阻力和在減速時慣性阻力偶矩，其中：FZ1是剎車時前輪受到地面的法向反力；FZ2為剎車時后輪受到地面的法向反力；G為重力；Fxb1為地面對前輪的制動力；Fxb2為地面對后輪的制動力；du/dt為剎車減速度，單位m/s2。

汽車靜止時前后軸荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的。但在制動過程中，由于汽車慣性力的作用，軸間的載荷會重新分配。在制動過程中，汽車受慣性影響向前沖，前輪負荷大幅度增大，后輪載荷大幅度減少。要實現(xiàn)較短的制動距離或較大的制動減速度，賽車的軸荷分配特別重要，應大致為前后制動器制動力之比，才能得到峰值附著系數(shù)，制動效果最好。設計靜態(tài)時的前后軸荷分配為45：55[3]計算過程：

所以解方程組得：FZ1=2234.4N FZ2=901.6N

隨著制動減速度的不斷增大，軸荷分配變化明顯，當以14m/s的減速度制動時，前軸的軸荷分配為2234.4N，后軸的軸荷分配為901.6N。賽車軸荷的70%分配給了前軸，充分利用地面制動力，實現(xiàn)前后輪同時抱死，保證了賽車的方向穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性。前后輪同時抱死的條件是：在不同行駛條件的路面，前后輪的附著力分別等于制動器制動力，且附著力之和等于制動器制動力之和。即賽車前后輪處于理想制動器制動力分配曲線-I曲線。用符號？茁表示前輪制動盤制動力F？滋1和總制動力F？滋2之比，在賽道上，當賽車的前后制動器制動力各等于地面對的附著力，且總和等于地面對賽車的最大附著力，即前后輪制動時滿足理想制動力分配曲線-I曲線，這時，賽車能夠?qū)崿F(xiàn)前后輪同時抱死。式中，F(xiàn)？滋1為前制動器制動力；F？滋2為后制動器制動力，則F？滋1+F？滋2為賽車總制動器制動力[4]。

根據(jù)公式：F？滋1/F？滋2=？茁（1-？茁）

得到：前制動力約3128.16N；后制動力約1262.24N。

4 零部件選擇

4.1 制動盤的選擇

（1）選取較大的制動盤，則制動盤的有效半徑較大，制動鉗接觸摩擦片的面積較大，制動夾緊力較小，可以降低摩擦片上的單位面積的壓力和溫度升高[5]。（2）選擇較厚的，也可以降低摩擦片上的單位面積溫度；為降低制動盤的轉(zhuǎn)動慣量，制動盤厚度又不能取得過得大，則根據(jù)賽車其他條件的限制，例如：輪輞直徑的限制，暫選外徑180mm有效直徑160mm的制動盤。根據(jù)經(jīng)驗值，選擇制動盤抱死時的最大制動踏板力為600N，選擇踏板杠桿比為6，跟據(jù)制動力分配比可知前輪分配的制動力為55%，后輪為45%。總體制動系統(tǒng)的效率為84%。

4.2 選擇制動主缸和制動卡鉗

制動時前輪制動器油壓取4.8MPa，后輪制動器油壓取2.8MPa。根據(jù)已設計好的制動盤對制動油缸和卡鉗進行選擇，選擇主要考慮的問題就是制動摩擦片在制動盤上的摩擦面積。考慮角度為根據(jù)抱死時卡鉗對制動盤的摩擦力矩選擇合適型號的制動主缸，然后再通過計算和校核，最終定出卡鉗和油缸。其具體尺寸如下：

前輪：主缸缸徑為17.607mm 輪缸（卡鉗）缸徑為29.317mm

后輪：主缸缸徑為20.853mm 輪缸（卡鉗）缸徑為24.383mm

5 結(jié)束語

（1）針對FSC比賽規(guī)則，提出了一套能適用于多種設計要求的賽車制動系統(tǒng)總成的計算方案。（2）介紹大學生方程式賽車制動系統(tǒng)的組成，通過從制動方式的分析、操作結(jié)構的設計、以及油路的布置和制動油缸以及卡鉗形式的優(yōu)化選擇和設計來對選擇和分析制動系統(tǒng)的方案是否合理。（3）還根據(jù)已知的汽車相關參數(shù)，通過計算得到了制動器主要參數(shù)、前后制動力矩分配系數(shù)、制動力矩和制動力以及液壓制動驅(qū)動機構相關參數(shù)。

參考文獻

[1]中國大學生方程式汽車大賽規(guī)則組委會.2014中國大學生方程式大賽賽事手冊[M].北京：汽車工程學會，2014.

[2]喬軍奎，陶文錦，孫博.FSAE方程式賽車制動系統(tǒng)的設計[J].汽車工程學報，2012，3.

[3]唐應時，李雪鵬，肖啟瑞，等.FSAE賽車制動性能仿真與優(yōu)化[J].計算機仿真，2010，5.

[4]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[5]王望予.汽車設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

作者簡介：劉攀（1993-），男，漢，湖北麻城人，本科，南京農(nóng)業(yè)大學，研究方向：FSC方程式賽車制動系統(tǒng)總成設計與計算。