大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王超，周岳斌

（湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)441053）

大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王超，周岳斌

（湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)441053）

根據(jù)大學(xué)生方程式賽車（FSAE）的比賽規(guī)則對(duì)賽車制動(dòng)性能的設(shè)計(jì)要求，確定了賽車制動(dòng)系統(tǒng)方案和主要制動(dòng)參數(shù)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際測(cè)試和整車運(yùn)行表明，所設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和操縱性，滿足了賽車整體性能的需要，對(duì)大學(xué)生方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

FSAE；制動(dòng)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)優(yōu)化；仿真分析

制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車底盤機(jī)構(gòu)四大組成部分之一，其主要作用是使汽車按照駕駛員的要求減速或停止，對(duì)汽車起到重要的作用，對(duì)賽車更起著不可替代的作用，同時(shí)在緊急情況下保護(hù)賽車手的生命安全，并與賽車懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相配合，達(dá)到行駛和操作的穩(wěn)定性。制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車手與賽車的安全保障至關(guān)重要，也是賽車發(fā)揮動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性的前提條件。設(shè)計(jì)制造并調(diào)校出性能優(yōu)異的制動(dòng)系統(tǒng)是整車性能與安全的基本保證。本文以2015年湖北文理學(xué)院TSD車隊(duì)賽車為例，對(duì)大學(xué)生方程式賽車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

1　制動(dòng)系統(tǒng)方案

方程式賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終目的就是達(dá)到規(guī)則要求的四輪同時(shí)抱死，同時(shí)對(duì)成本、輕量化等也有具體要求[1]。為達(dá)到規(guī)則要求，同時(shí)兼顧安全和效能，湖北文理學(xué)院TSD賽車制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)回路布置如圖1所示，制動(dòng)回路采用H型并聯(lián)液壓雙回路以及制動(dòng)力分配可調(diào)的四輪盤式制動(dòng)系統(tǒng)。并聯(lián)液壓雙回路可有效減小管路泄漏或失效帶來(lái)的嚴(yán)重后果，便于前、后制動(dòng)力的分配，液壓制動(dòng)布置簡(jiǎn)單且效率高、效果好。通過(guò)制動(dòng)力分配調(diào)節(jié)裝置（平衡桿）可使賽車實(shí)現(xiàn)最佳前、后制動(dòng)力分配并保證四輪同時(shí)抱死。盤式制動(dòng)器相對(duì)鼓式制動(dòng)器質(zhì)量輕，熱穩(wěn)定性好，具有更高的制動(dòng)效率和制動(dòng)效能[2]。

圖1　制動(dòng)回路布置圖

2　制動(dòng)參數(shù)的確定

根據(jù)賽車規(guī)則要求與設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算，賽車主要整體參數(shù)如表1所示。

表1　整車參數(shù)表

2.1前后制動(dòng)力及分配系數(shù)

將賽車簡(jiǎn)化為兩輪模型，分析賽車在水平路面的制動(dòng)受力情況。可按下面的公式計(jì)算地面對(duì)前、后輪垂直反力FN1、FN2：

式中，dv/dt為賽車減速度，dv/dt=zg，z表示制動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)制動(dòng)強(qiáng)度z達(dá)到最大附著系數(shù)φ時(shí)，可實(shí)現(xiàn)四輪同時(shí)抱死，此時(shí)φ=1.4.

制動(dòng)力分配系數(shù)β=Fu1/（Fu1+Fu2），設(shè)φr、φf(shuō)分為前后軸利用附著系數(shù)，當(dāng)即將出現(xiàn)前輪先抱死或前后輪同時(shí)抱死時(shí)，有φr≤φ≤φf(shuō).制動(dòng)力分配系數(shù)的極限關(guān)系為：

湖北文理學(xué)院TSD賽車使用熱熔胎，與賽道最大附著系數(shù)可達(dá)1.4，在0.15≤φ≤1.4條件下，通過(guò)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化計(jì)算[3]，確定制動(dòng)力分配系數(shù)最佳值為β=0.66.

在任何附著系數(shù)為φ的路面上，前后車輪同時(shí)抱死的條件是：前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力之和等于附著力，且前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分別等于各自的附著力，即：

計(jì)算可得前后輪制動(dòng)器制動(dòng)力分別為

2.2制動(dòng)盤參數(shù)

在保證足夠制動(dòng)力的前提下，制動(dòng)盤直徑的確定還要兼顧輕量化的要求。根據(jù)一般選擇為輪輞直徑的70%～79%，賽車采用10英寸輪輞，確定制動(dòng)盤直徑D=172 mm.

制動(dòng)盤厚度不宜太大以免質(zhì)量過(guò)大，同時(shí)為了降低制動(dòng)工作時(shí)的溫升，制動(dòng)盤厚度也不宜過(guò)小。利用CATIA和ANSYS軟件進(jìn)行制動(dòng)盤的設(shè)計(jì)和仿真分析，最終確定制動(dòng)盤厚度h=4.5 mm.

2.3制動(dòng)卡鉗及主缸參數(shù)

賽車選用10英寸輪輞，前后制動(dòng)盤采用同一規(guī)格，取制動(dòng)盤有效作用半徑R=80 mm，車輪半徑取r=200 mm.

取油管壓力p=5 MPa，制動(dòng)輪缸活塞直徑為d，抱死時(shí)制動(dòng)輪缸的夾緊力為Fn，制動(dòng)卡鉗作用在制動(dòng)盤上的有效摩擦力為Fb，摩擦襯塊與制動(dòng)盤之間的摩擦系數(shù)u=0.35～0.45，取u=0.4.不考慮壓力油的影響，假定左右輪受力相同，輪缸直徑d及制動(dòng)卡鉗中液壓p之間關(guān)系計(jì)算如下：

由此算得前后輪活塞直徑為d1=33.12 mm，d2=23.46 mm.前后制動(dòng)輪缸采用相同規(guī)格，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取制動(dòng)卡鉗直徑d=34 mm.

制動(dòng)輪缸的工作容積V可按下式計(jì)算[4]：

式中，δ為輪缸活塞在完全制動(dòng)時(shí)的行程，取δ=2 mm.

制動(dòng)主缸工作容積V0可按下式計(jì)算：

主缸活塞直徑d0和活塞行程S0（一般取0.8 d0~1.2 d0），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸系列可取主缸活塞直徑d0=21 mm.

3　制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1制動(dòng)盤

賽車采用四制動(dòng)盤式布置，要使賽車抱死，需要制動(dòng)卡鉗提供的力矩與地面摩擦力對(duì)輪胎的力矩達(dá)到平衡。制動(dòng)盤采用浮動(dòng)盤設(shè)計(jì)，使制動(dòng)器退距均等，不會(huì)發(fā)生偏剎、干磨現(xiàn)象，具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，不需人工動(dòng)手，同時(shí)制動(dòng)盤體可拆換[5]。

通過(guò)CATIA建模繪出制動(dòng)盤三維模型，采用ANSYS軟件對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)及熱力學(xué)仿真分析。圖2為制動(dòng)盤變形量分布圖，圖3為制動(dòng)盤溫度場(chǎng)分布圖，圖4為制動(dòng)盤輪芯裝配圖。裝配過(guò)程中徑向留有一定間隙，防止因制動(dòng)盤過(guò)熱產(chǎn)生的徑向變形產(chǎn)生的不良后果，同時(shí)為加強(qiáng)散熱除結(jié)構(gòu)上打孔設(shè)計(jì)外，在外部增加一個(gè)導(dǎo)流裝置，賽車跑動(dòng)將風(fēng)導(dǎo)入制動(dòng)盤，以增強(qiáng)散熱。根據(jù)與輪芯的裝配關(guān)系，設(shè)計(jì)制動(dòng)盤外徑為172 mm，內(nèi)徑為82 mm，與輪芯結(jié)合孔半徑為7 mm，減重孔半徑為3 mm.

圖2　制動(dòng)盤變形量分布圖

圖3　制動(dòng)盤溫度場(chǎng)分布圖

圖4　制動(dòng)盤輪芯裝配圖

3.2踏板

賽車踏板分為離合、制動(dòng)、油門（離合油門結(jié)構(gòu)相同）踏板，三個(gè)踏板設(shè)計(jì)均采用優(yōu)質(zhì)鋁合金，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工。考慮到離合在賽車行駛過(guò)程中只起到起步的作用，換擋使用氣動(dòng)換擋，故離合與制動(dòng)距離比油門與制動(dòng)距離短。考慮到離合及油門踏板使用工況以及輕量化要求，踏板板面均用碳纖維板用鉚釘固定，主體厚度為4 mm.

運(yùn)用CATIA進(jìn)行三維建模，采用ANSYS軟件對(duì)制動(dòng)踏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了軟件仿真與分析。圖5為制動(dòng)踏板應(yīng)力變形圖，圖6為制動(dòng)踏板應(yīng)力狀態(tài)圖。根據(jù)軟件分析結(jié)果，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化制動(dòng)踏板的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)。

圖5　制動(dòng)踏板應(yīng)力變形圖

圖6　制動(dòng)踏板應(yīng)力狀態(tài)圖

圖7為踏板底板，采用鋁合金一體化加工而成，結(jié)構(gòu)輕盈強(qiáng)度高，可承受制動(dòng)踏板2 000 N的力。固定底座采用材料輕盈、力學(xué)性能好的碳纖維材料，同時(shí)層鋪環(huán)氧樹脂，隔幾層鋪入玻璃纖維以增強(qiáng)整體硬度，再抽真空處理，最終風(fēng)干得到底板。踏板底座依據(jù)汽車駕駛座椅前后移動(dòng)原理設(shè)計(jì)為前后可調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同身高的車手，以改善駕駛舒適性。

圖7　踏板底板

3.3其它部件

圖8為主缸支架結(jié)構(gòu)圖，由于采用水平布置的主缸，同時(shí)要能承受來(lái)自制動(dòng)踏板的2 000 N的力，支架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，將支架結(jié)構(gòu)拆分為四部分，分別加工，再焊接而成，不僅節(jié)省了材料，還降低了加工要求，節(jié)省了成本。

圖8　主缸支架

賽車油門控制采用拉線進(jìn)行控制，為了使拉線隨踏板轉(zhuǎn)動(dòng)呈線性變化，采用扇形片結(jié)構(gòu)，如圖9所示。扇形片可將踏板的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為拉線的水平移動(dòng)距離，并保持移動(dòng)均勻，確保油門控制線性變化，達(dá)到最佳控制效果[6]。油門踏板的扇形片半徑設(shè)計(jì)為節(jié)氣門半徑的1.5倍，可使油門踏板踩到60°時(shí)，節(jié)氣門開度達(dá)到100%，輸出最大動(dòng)力。

圖9　扇形片

制動(dòng)系統(tǒng)總成裝配圖如圖10所示，賽車實(shí)物圖如圖11所示。

圖10　制動(dòng)系統(tǒng)總成裝配圖

圖11　賽車實(shí)物圖

4　結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的賽車要求和特點(diǎn)，對(duì)湖北文理學(xué)院的TSD賽車的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。整車完成加工和裝配后，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，在2015年“昆侖潤(rùn)滑油杯”中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽中獲得二等獎(jiǎng)，賽車在賽場(chǎng)上較好地完成了相關(guān)的測(cè)試和動(dòng)作要求，表現(xiàn)出較好的操縱性和穩(wěn)定性。

[1]中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則組委會(huì)．2015中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽參賽手冊(cè)[R]．北京：中國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)，2015.

[2]鄧召文，唐俊祥.FSAE賽車制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015，（11）：3-7.

[3]賀紹華，陽(yáng)林，廖世豪，等.FSAE賽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50（12）：35-38.

[4]李棟新，黃光緒，包耳.FSAE賽車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[J].大眾科技，2014，16（2）：45-48.

[5]羅永革.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]王海林，賴遠(yuǎn)宏，蘇喜，等.基于ADAMS的FSAE賽車整車仿真分析和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016，54（06）：41-45.

Braking System Design of FSAE Racing Car

WANG Chao，ZHOU Yue-bin
（School of Mechanical&Automotive Engineering，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang Hubei 441053，China）

According to the design requirement of racing car braking performance in the FSAE rules，the car braking system and the main braking parameters are determined，and the braking system simulation analysis and optimal design are carried out on the key parts.Actual test and vehicle running shows that the design of the braking system has good stability and maneuverability，meets the needs of the overall performance of the car，and has certain guiding significance and reference value for the braking system design of the FSAE racing car.

formula racing car；braking system；simulation and analysis

TH122

A

1672-545X（2016）10-0068-04

2016-07-03

湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（2013B203），湖北文理學(xué)院教研項(xiàng)目（JY2015032）。

王超（1993-），男，湖北襄陽(yáng)人，本科在讀，研究方向：新能源汽車；周岳斌（1973-），男，湖南岳陽(yáng)人，博士，副教授，研究方向：測(cè)試技術(shù)與機(jī)電一體化。