FSC賽車制動系統(tǒng)設(shè)計

王漠　齊林芳　繆秉宏

摘要：大學生方程式汽車大賽是一項激烈的賽車運動，對賽車的制動性提出了較高的要求，對此設(shè)計了一款不同于乘用車的踏板總成，利用可電動調(diào)節(jié)的絲杠滑軌進行踏板總成位置的前后調(diào)節(jié)，采用matlab軟件對不同賽車——路面情況下的前后制動力分配進行計算，得到適合從濕滑到干燥范圍的地面情況下的對應(yīng)最佳制動力分配比，在前置主缸和平衡桿的配合下實現(xiàn)制動力可在較大范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，提高了賽車適應(yīng)路面的能力。

關(guān)鍵詞：大學生方程式汽車大賽；踏板總成；電動絲杠滑軌；制動力

1引言

中國大學生方程式汽車大賽是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽，是大學生中的“FI”。在這項激烈的賽車運動中，作為汽車的重要組成部分，制動和加速踏板是車手的主要操縱部件。制動踏板主要用于減速，是使用頻率極高、用以保證汽車行駛安全性的操縱件；加速踏板通過油門拉線和節(jié)氣門相連，通過踩下加速踏板使節(jié)氣門有不同的開度，從而控制發(fā)動機的動力輸出。

比賽過程中制動距離太長、緊急制動發(fā)生側(cè)滑等情況的發(fā)生是由于前后的制動力分配比不恰當所導致的，而制動力分配比是由附著系數(shù)直接計算得出。傳統(tǒng)的車隊往往采用Excel表格的方式進行計算，雖然較為方便，但在比賽時由于天氣狀況、路面狀況以及輪胎磨損情況難以確定，使得設(shè)計時所用的附著系數(shù)與真實的附著系數(shù)之間存在偏差，以至于所得到的制動力分配比范圍并不能良好地應(yīng)對各種賽車——路面狀況。所以導致許多車隊在賽前測試時難以抱死。

由于車手的體型和駕駛習慣不同，通常需要對踏板總成位置進行前后調(diào)節(jié)，但在傳統(tǒng)的踏板總成設(shè)計中，通過機械方式實現(xiàn)前后可調(diào)的裝置不僅檔位有限，而且調(diào)節(jié)起來復(fù)雜費時。

2制動力匹配計算

2.1受力分析

對賽車制動工況進行如下規(guī)定與簡化：假設(shè)賽車同軸上輪邊受到的載荷相同，且忽略汽車的滾動阻力，忽略輪邊、飛輪的慣性力矩，忽略空氣阻力對制動性能的影響。對車輪進行制動工況的受力分析。如圖1，分別對前、后車輪接地處取力矩為

3制動時最佳制動力的分配計算

對于兩軸汽車，常用前制動器制動力與汽車總制動器制動力之比來表示分配的比例，稱為制動器制動力分配系數(shù)，以符號B表示，即有：

4目標函數(shù)及約束條件的確定

當附著系數(shù)φ=0.2～0.8時，當賽車不在同步附著系數(shù)的路面上制動時，達到前輪或者后輪抱死前的制動強度必然低于路面附著系數(shù)，而賽車的制動強度越接近路面附著系數(shù)，地面的附著條件發(fā)揮的就會越充分，汽車制動力分配的合理程度越高。在進行乘用車，尤其是商用車的前后制動力分配比優(yōu)化時，需進行空載和滿載2種工況的校核。可是對于大學生方程式賽車來說，其載荷變化并不大。故只考慮承載車手時的賽車制動工況。根據(jù)前、后軸的利用附著系數(shù)，利用實際曲線與理想曲線間差值平方和為最小，建立下列目標函數(shù)

賽車在任何載荷情況下都要滿足聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會汽車法規(guī)要求，而賽車作為單人駕駛的車輛，屬于M1類。ECE制動法規(guī)和GB12676-1999.x～M1類車輛的制動器制動力分配系數(shù)有如下要求：

（1）當制動強度為0.1-0.61時，前軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線，在后軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線之上，而且前后軸的利用附著系數(shù)都應(yīng)小于（2+0.07）/0.85。

（2）當制動強度為0.3-0.45時，前軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線，在后軸兩輪的利用附著系數(shù)曲線之上；如果后軸利用附著系數(shù)曲線不超過直線φ=z+0.05，則允許后軸利用附著系數(shù)曲線在前軸利用附著系數(shù)曲線之上。但賽車的車速較高，因此在設(shè)計中不允許后輪先于前輪抱死。故數(shù)學約束條件為（7）和（11），編寫目標函數(shù)。

得到B=0.6452

5踏板總成設(shè)計

5.1平衡桿機構(gòu)設(shè)計方案的分析與選擇

當車手給予的踏板力為F時，制動主缸和108 AUTOTIME制動踏板之間的平衡桿兩端所受到的力F1和F2為

所以，當路面附著條件發(fā)生變化，從而要改變賽車的制動器制動力分配系數(shù)時，可以將平衡桿與制動踏板相連接的支點左右調(diào)節(jié)，通過改變L1、L2的比例，由式（1）、（2）改變F1、F2的大小，即改變了賽車的制動器制動力分配系數(shù)。

5.2電動絲杠滑軌的設(shè)計

當今，F(xiàn)SC參賽的車隊使用最多的調(diào)節(jié)踏板總成的方式是手動調(diào)節(jié)，其中分為吊耳式、棘輪式、滑軌式。吊耳式調(diào)節(jié)時往往需要拆除車頭、掀起制動總成的底板，且只能進行2-3個檔位的調(diào)節(jié)，不能很好地滿足不同體型的車手的需求。棘輪式以及滑軌式調(diào)節(jié)法的主要缺點是調(diào)節(jié)后需要卡緊機構(gòu)固定踏板總成，整個操作過程耗時過長。在時間緊迫的賽場上無法貼合車手以及賽事的需求。

如圖1所示，包含踏板總成底板3、兩條平行的滑軌2和絲桿6，所述兩條滑軌2以及絲桿6處于踏板總成底板3的一側(cè)并相互平行。所述兩條滑軌2上各設(shè)有兩個滑塊1，在平衡踏板受力的同時利于調(diào)節(jié)踏板位置。所述兩條滑軌2與兩根車架鋼管4相連接。所述的兩個滑座5通過螺栓孔與踏板總成底板連接。所述電機7與絲桿6末端相連接，用以驅(qū)動絲桿轉(zhuǎn)動進行踏板位置調(diào)節(jié)。所述絲桿6前端與上方車架鋼管4相連接。

在實際操作過程中，僅需轉(zhuǎn)動儀表板上的旋鈕即可調(diào)節(jié)踏板位置，通過絲桿滑軌與電機的連接即可實現(xiàn)踏板總成的電動可調(diào)。絲桿的螺紋與滑座的螺孔形成滑動副，通過電機控制實現(xiàn)踏板總成位置的無級調(diào)節(jié)。采用絲桿滑動副，實現(xiàn)了踏板總成位置的無級可調(diào)，在提高駕駛舒適度的同時縮短了調(diào)節(jié)踏板的時間，免除了以往拆卸車身，裝拆螺母的步驟，僅需轉(zhuǎn)動儀表板上的旋鈕即可調(diào)節(jié)踏板位置。

6結(jié)語

對于大學生方程式賽車來說，其載荷變化并不大，本文基于承載車手時的賽車的制動工況，利用Matlab工具對中國大學生方程式賽車的制動器制動力分配系數(shù)B進行了優(yōu)化。該方法已應(yīng)用于2016賽季武漢理工大學WUT車隊制動力設(shè)計中。本優(yōu)化的方法較為實用、簡捷，可縮短賽車的研發(fā)改進周期。