基于BAJA賽車設(shè)計技術(shù)的大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)研究

金兆輝 王達(dá) 于文博

摘要：為了提高大學(xué)生創(chuàng)新能力，培養(yǎng)大學(xué)生工程技術(shù)能力，建立以學(xué)生為中心的大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力教育改革。根據(jù)《2019中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽規(guī)則》，對巴哈越野賽車進行設(shè)計。本文針對吉林大學(xué)2019年BAJA參賽賽車，在車架、動力總成、懸架系統(tǒng)3個方面進行了探究，在保證賽車安全性的前提下，更大地提高賽車動力性、穩(wěn)定性和可靠性。以期通過創(chuàng)新實踐能力教育改革，培養(yǎng)出創(chuàng)新型高素質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：巴哈越野賽車;車架;動力總成;懸架系統(tǒng);教育改革

doi：10.1608 3/j .cnki.16 71-15 80.2019.11.0004

中圖分類號：F407.471;G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-1580（2019）11-0015-05

在新工科背景下，傳統(tǒng)培養(yǎng)工科人才的教學(xué)模式已不能滿足社會對人才的需求。如何改革傳統(tǒng)工科專業(yè)教學(xué)模式十分重要。因此，以大學(xué)生巴哈大賽為平臺，建立一種以學(xué)生為中心，工程實踐為主體的大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)平臺，對加快新興領(lǐng)域T程科技人才的培養(yǎng)具有積極的促進作用。

中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽（Baja SAE Chi-na），簡稱BSC大賽，是由中國汽車工程學(xué)會于2015年創(chuàng)辦的主要面向職業(yè)院校和本科院校開展的小型越野汽車設(shè)計和制作賽事[1]。吉林大學(xué)肯賽巴哈越野車隊成立于2018年，是一支年輕的學(xué)生賽車團隊，將于2019年攜新賽車CONCEPT 19B首次參加中國大學(xué)生巴哈越野汽車大賽。車隊以積累經(jīng)驗、學(xué)習(xí)交流、成長提高作為此次參賽的首要目標(biāo)。精細(xì)設(shè)計的動力總成、應(yīng)用復(fù)合材料的拖曳臂獨立懸架、系統(tǒng)動力學(xué)驅(qū)動的底盤設(shè)計，是新賽車的三大技術(shù)特色。

一、整車布置和車架設(shè)計

賽車整體布置是在賽車的總體方案確定后，要對總成和部件進行空間布置，并校核初步選定的各個部件的結(jié)構(gòu)尺寸與安裝位置能否滿足整車空間尺寸的要求，通過整車布置設(shè)計與裝配培養(yǎng)學(xué)生三維建模能力和動手能力，提高學(xué)生工程實踐能力。

（一）整車布置

CONCEPT 19B整車布置緊湊，重量集中。整車尺寸長2026mm，寬1470mm，高1457mm，最小離地間隙280mm，在保證整車離地間隙的前提下，盡量降低整車的質(zhì)心高度，減少整車橫擺方向的轉(zhuǎn)動慣量[2][3]。合理布置了車輛各個系統(tǒng)，并且留出維修空間，方便進行操作。我們將發(fā)動機適當(dāng)抬高，在保證動力總成空間布置的同時將減速箱置于車架底面，降低質(zhì)心高度。蓄電池在符合工程設(shè)計的前提下，置于防火墻后側(cè)。車輛X、Y、Z各軸慣量分別是56.275kg.m2、71.922kg.m2、105.331kg.m2。整車渲染圖如圖1。

（二）人機工程

在滿足賽規(guī)的前提下，我們重新設(shè)計了車架結(jié)構(gòu)并相應(yīng)調(diào)整了各構(gòu)件的安裝位置，充分提高了駕駛艙的空間利用率。全新的人性化布置令車手擁有更加安全和舒適的車內(nèi)空間，讓車手能在相對舒適的狀態(tài)下進行操作。新賽車采用了H30為35mm的人機布置，有效保證了車手開闊的視野。

同時，新賽車使用了為車手定制的專用碳纖維復(fù)合材料座椅，使車手駕駛體驗得到有效改善。在座椅的設(shè)計過程中，我們讓座椅椅背貼合車手駕駛姿態(tài)時的脊柱弧線，使腰背部能得到有效支撐，并讓坐骨結(jié)節(jié)承重承壓，避免了大腿以下部分承壓。通過上述設(shè)計，達(dá)到了使車手體壓分布更加合理的目標(biāo)。在座椅的實際制作過程中，我們根據(jù)車手的反饋信息，對座椅的側(cè)面支撐等區(qū)域進行剛度加強，以保證在行駛過程中座椅能有效限制住車手的移位。

此外，我們采用了5-95百分位人體模型與真人實物體驗雙重校核方法，保證了車手身體各肢體角度和視野處在合適位置。車手駕駛新賽車時，腳角、膝角、肘角分別穩(wěn)定在900、850和1 100左右。

（三）車架設(shè)計

車架設(shè)計符合BSC2019版規(guī)則[1]，在保證人機工程和整車布置的前提下，以提高車架剛度和降低總質(zhì)量為設(shè)計目標(biāo)：扭轉(zhuǎn)剛度不低于1800Nm/deg、彎曲剛度不低于65000Nm2、總質(zhì)量控制在33kg以內(nèi)。

在設(shè)計過程中，我們以有限元分析為校核依據(jù)，通過選用不同規(guī)格的30CrMo無縫鋼管和增加超靜定結(jié)構(gòu)以達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。同時，對車架結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化以降低裝配復(fù)雜度，如：前艙合理增加鋼管，合理設(shè)計懸架耳件與車架的連接關(guān)系，避免異形耳件的出現(xiàn)，降低耳件的加工、焊接難度。此外，我們對避震器固定點進行了局部加強設(shè)計，提高了車架在應(yīng)對極限工況的強度。以滿載扭轉(zhuǎn)工況為例，改進前前艙最大應(yīng)力為303MPa，改進后滿載扭轉(zhuǎn)工況最大應(yīng)力為180MPa。

經(jīng)上述設(shè)計，車架計算扭轉(zhuǎn)剛度為1960Nm/deg、彎曲剛度為70600NNm2，車架及附屬焊接結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為31kg，與上一代賽車相比減重13%。

二、動力總成

CONCEPT19B采用“CVT+自制兩擋手動變速器”的傳動路線，以賽車動力性為設(shè)計目標(biāo)，兼顧最大爬坡度與最高車速。同時，為了進一步提高賽車的動力性，我們對CVT進行調(diào)整，盡量利用發(fā)動機的最大扭矩和最大功率的轉(zhuǎn)速區(qū)間。通過CVT調(diào)速特性試驗，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性實驗思維，加強理論與實踐結(jié)合。

（一）兩擋變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對變速器殼體和齒輪進行了有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化，在保證強度剛度滿足使用需求的情況下，對變速器進行輕量化設(shè)計，最終變速器總重4.8kg，相比于前代設(shè)計減重30%，如圖2。該變速箱有如下的設(shè)計特征：

1.減速器內(nèi)部設(shè)計了一個白鎖機構(gòu)，使用波珠螺栓對撥叉軸進行鎖止，保證在賽車高速運動時減速器不跳擋，同時讓車手能擁有良好的換擋手感;同時在換擋桿上加入限位機構(gòu)，防止車手比賽時失誤換擋。

2.考慮了減速器整體布置和傳動比，將接合套布置在中間軸上。

3.在保證齒輪得到充分潤滑的情況下，盡量降低潤滑油液面;在減速器殼體上加入了視油窗設(shè)計，便于觀察機油狀況。

4.在注油孔上使用防水透氣閥，可以在防止?jié)櫥惋w濺出減速器的同時，保持減速器內(nèi)外氣壓平衡。

5.在齒輪腹板設(shè)計上，我們結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)計了齒輪異形孔減重結(jié)構(gòu);在減速器殼體設(shè)計上，我們采用加強肋來增大軸承安裝孔的剛度，并通過有限元方法分析加強肋方向與軸承剛度之間的聯(lián)系，最終在保證合理力學(xué)性能的前提下實現(xiàn)了對減速器的輕量化設(shè)計。

6.在中間軸齒輪與軸有相對旋轉(zhuǎn)的部位加入銅墊片以減小摩擦阻力，同時可以調(diào)整減速器軸向間隙。

（二）兩擋減速器的參數(shù)設(shè)計

設(shè)計高速擋傳動比的設(shè)計方向是使賽車最少滿足爬坡25°，同時最高車速達(dá)到65km/h以上，這樣的設(shè)計可以使賽車在長直道中有出色的表現(xiàn)。設(shè)計低速擋傳動比時，綜合考慮了減速器整體布置和賽車最大爬坡度。最終選擇了9.32和12.40兩個傳動比。當(dāng)賽車處于高速擋時，可達(dá)最高車速71km/h，最大爬坡度280;當(dāng)賽車處于低速擋時，可達(dá)最高車速5 Skm/h，最大爬坡度380。

我們選用75mm作為第一級齒輪的中心距，90mm作為第二級齒輪的中心距，兼顧了減速器整體布置需求和齒輪強度的需求。在選擇齒寬時，我們考慮讓齒輪在有足夠承載能力的同時盡量減少齒寬，以減輕齒輪質(zhì)量和減少齒輪齒向載荷分布不均的情況。同時小齒輪的齒寬比大齒輪大2mm，以避免齒輪軸向安裝誤差導(dǎo)致齒輪副不完全嚙合。在選擇變位系數(shù)時，我們考慮讓齒輪承載能力和重合度得到提高，同時調(diào)整齒輪中心距以滿足設(shè)計需求。

此外，使用KISSsoft軟件進行計算，兼顧齒根彎曲強度和重合度，選擇1.5為第一級齒輪模數(shù)，2.5為第二級齒輪模數(shù)。按照DIN3990的標(biāo)準(zhǔn)對齒輪進行了校核，齒根安全系數(shù)為1.539，齒面安全系數(shù)為1.025，齒面安全系數(shù)偏低。在齒輪加工時我們對齒面進行滲碳淬火處理以提高齒面安全系數(shù)。

（三）CVT調(diào)速特性試驗

為了實現(xiàn)整車的動力匹配，我們白行設(shè)計了一個CVT調(diào)速特性實驗來觀察CVT在更換多種不同剛度的壓盤彈簧和不同質(zhì)量的離心滑塊后CVT調(diào)速特性的變化。實驗臺使用鋁型材搭建，兩個霍爾傳感器來記錄CVT主動輪和從動輪的轉(zhuǎn)速，如圖3。經(jīng)過多組實驗，通過使用合適的壓盤彈簧和離心滑塊對CVT的調(diào)速特性進行了調(diào)整，調(diào)速特性曲線如圖4。該調(diào)整通過換用大質(zhì)量的離心滑塊將CVT的起始變速轉(zhuǎn)速提高，調(diào)試特性曲線整體向高轉(zhuǎn)速平移，從而使發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到最大扭矩區(qū)間時的CVT傳動比相比于調(diào)整前提高約10%，使整車最大驅(qū)動力得到提高。換用低剛度的壓盤彈簧使CVT變速速率提高，彌補了由于換用大質(zhì)量離心滑塊后導(dǎo)致的調(diào)速特性曲線整體后移，使CVT在發(fā)動機達(dá)到最大功率轉(zhuǎn)速區(qū)間之前能達(dá)到其自身最小傳動比，充分利用了發(fā)動機的最大功率轉(zhuǎn)速區(qū)間。

三、懸架設(shè)計

CONCEPT 19B通過理論設(shè)計與實踐經(jīng)驗相結(jié)合的方式，基于賽道情況，借助多體動力學(xué)分析和有限元分析，進行了懸架的性能設(shè)計、參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計[4][5][5]。前懸架具有退讓式幾何，增加了整車的越障能力。后懸架采用復(fù)合材料拖曳臂設(shè)計，在保證可靠性的前提下，減小了焊接誤差，如圖5。通過仿真分析，讓學(xué)生迅速了解設(shè)計的優(yōu)缺點，從而優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，經(jīng)過幾輪迭代過程，最終完成設(shè)計，從多個角度更好地讓理論與實踐相結(jié)合。

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計和校核方法。我們設(shè)定了CON-CEPT 19B可能會遇到的幾種極限工況。例如：最大垂直力、側(cè)向沖擊、制動力和驅(qū)動力工況。在設(shè)計過程中安全系數(shù)大于8，以此保證導(dǎo)向機構(gòu)在受到極限工況沖擊時依舊具有可靠性。前懸架轉(zhuǎn)動副兩端自主設(shè)計了尼龍襯套，起到潤滑、減震緩沖和保護轉(zhuǎn)動副的作用。

2.輕量化輪邊總成。本車輪邊總成質(zhì)量約為初代車的70%，轉(zhuǎn)向節(jié)、芯軸和輪轂材料均為7075-T6鋁合金，在保證強度的同時實現(xiàn)了簧下質(zhì)量的輕量化。考慮到行駛過程中的受力情況和可能面臨的較為惡劣的賽道條件，每個輪邊總成選用兩個不同規(guī)格的帶油封的角接觸球軸承作為輪邊軸承。該軸承不但具有足夠的縱向承載能力還具有很強的抵抗側(cè)向力的能力，保證軸承有更高的使用壽命。

3.復(fù)合材料拖曳臂。我們采用凱夫拉布與碳布混合鋪層的設(shè)計方法，利用碳纖維抗拉伸能力強和凱夫拉纖維耐磨韌性好的特性。將強芯氈和碳纖維布鋪在中心。凱夫拉布在外側(cè)，如圖6。這種工藝在滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的同時，達(dá)到輕量化的目的，同時省去焊接加工時夾具設(shè)計的問題。

（二）運動學(xué)設(shè)計

1.合理的退讓幾何設(shè)計。我們通過參考比賽場地障礙分布，兼顧整車在各種不同路況的運動，減小路面起伏對整車縱向沖擊。整車輪跳范圍為180mm，上跳llOmm。我們還對前后懸架進行了合理的退讓設(shè)計，前輪每上跳lOmm后跳1.5 mm，后輪每上跳lOmm后跳1.6mm，有利于整車速度和操縱操控性的保持，使得CONCEPT 19B對輪胎接地點和地面成角在120以下的障礙有著很強的通過能力。

2.輪跳過程四輪定位參數(shù)控制。為了增加整車的過彎極限，使懸架系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零件的受力情況在整個輪跳范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定和可控。我們控制賽車輪跳lOmm時車輪外傾角相對地面變化O.ldeg，前輪前束角相對于車身軸線變化0.04deg，使整車在過彎時轉(zhuǎn)向特性更加可控，提高過彎時整車操縱性。前輪選取-2.5deg的靜態(tài)外傾角，后輪選取-ldeg的靜態(tài)車輪外傾角，但后輪外傾角增益稍大于前輪，這樣可以使賽車過彎時輪胎提供足夠的側(cè)向力，出彎時縱向力和側(cè)向力達(dá)到更好的配合，提高CONCEPT 19B過彎時的極限速度。

3.側(cè)傾中心位置的合理設(shè)計。為了使CON-CEPT 19B具有更好的操縱穩(wěn)定性，設(shè)計側(cè)傾中心高度為前135mm、后140mm。整車側(cè)傾中心高度在接近質(zhì)心高度減小側(cè)傾力矩和側(cè)傾角的情況下，得到更好的直線行駛穩(wěn)定性和輪胎抗磨損性能。并且限制了整車側(cè)傾中心在側(cè)傾角度變化10的作用下，縱向變化為1.29mm，側(cè)向變化為17.14mm，避免在整車側(cè)傾時出現(xiàn)側(cè)傾中心運動范圍過大的現(xiàn)象，使側(cè)傾力矩大幅度變化。

（三）動力學(xué)設(shè)計

1.通過理論分析及實踐，為了確保整車的賽道T況有理想的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。考慮到車手乘坐位置和整車質(zhì)心均位于中后部，我們選取懸架偏頻為前2.OHz、后1.8Hz，這樣較為接近前后懸偏頻，也可以減小不必要的側(cè)向角震動，進而通過偏頻匹配計算出懸架線剛度、角剛度及懸架靜撓度。結(jié)合本車避震器氣簧彈簧剛度可調(diào)的特點，我們選擇合適的彈簧剛度，防止出現(xiàn)由于懸架剛度過大造成的整車平順性差、剛度過小及連續(xù)過彎時操縱性差的情況。

2.在阻尼系數(shù)的選擇上，由于巴哈賽車的比賽場地坎坷不平，賽車需要較大的阻尼來盡快地減弱輪跳對懸架的影響。我們充分利用彈性元件的緩沖能力，減小沖擊載荷。在同彈行程充分吸能，及時吸收整車振動能量。采用欠阻尼系統(tǒng)，保證非簧載質(zhì)量在路面激勵下不拖離地面，改善附著。因此選取伸張行程阻尼系數(shù)為0.4，壓縮行程阻尼系數(shù)為0.2。這樣的設(shè)計既可以獲得較好的平順性，又可以減弱沖擊載荷，也能避免懸架上跳時超出行程，發(fā)生干涉。

四、結(jié)論

在動力總成方面，為適應(yīng)不同的賽道T況，調(diào)和賽車爬坡加速能力與最高車速之間的矛盾，車隊采用了無級變速器配合二擋手動變速器的傳動方案。設(shè)計過程中，以發(fā)動機外特性和白行測定的CVT調(diào)速特性為基礎(chǔ)，以最高車速和最大爬坡度為約束條件，以常用T況下充分利用發(fā)動機高功率區(qū)間為主要目標(biāo)，最終確定了9.32和12.40的齒輪傳動比，總傳動比范圍覆蓋了5.13～37.2。

為了更好地適應(yīng)越野賽道的垂直輪跳，同時簡化懸架的復(fù)雜程度，新賽車應(yīng)用了具有橫向推力桿的拖曳臂式獨立懸架，并創(chuàng)新性地在拖曳臂結(jié)構(gòu)上應(yīng)用了復(fù)合材料。該拖曳臂使用碳纖維及凱夫拉纖維制成，碳纖維作為芯材，以保證結(jié)構(gòu)強度，凱夫拉纖維作為面材，充分發(fā)揮其抗剪切性能。單個拖曳臂凈重僅為246克，與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)比較，減輕40%。

通過參考賽道的具體情況和設(shè)計文獻(xiàn)，保證車輛在障礙路段有足夠的動力性和通過性，以及在過彎時有良好的操縱穩(wěn)定性。我們選取懸架偏頻為前2.OHz、后1.8Hz，并根據(jù)整車質(zhì)量及輪荷轉(zhuǎn)移來匹配懸架角剛度，降低賽車側(cè)傾角度，改善賽車響應(yīng)特性的設(shè)計目標(biāo)。在阻尼系數(shù)的選擇上，為了改善車輛在載荷轉(zhuǎn)移時的姿態(tài)，采用“低頻大阻尼，高頻小阻尼”的設(shè)計思路，選取伸張行程阻尼系數(shù)為0.4，壓縮行程阻尼系數(shù)為0.2，在兼顧平順性的同時減少沖擊載荷對結(jié)構(gòu)的影響。

基于大學(xué)生巴哈大賽的工程實踐教學(xué)改革，以學(xué)生白主學(xué)習(xí)為主體，培養(yǎng)了創(chuàng)新型、復(fù)合型、應(yīng)用型高素質(zhì)人才。在新工科背景下，為新一輪科技革命開辟了新的道路。

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[責(zé)任編輯：尚欣]

收稿日期：2019-07-26

基金項目：吉林大學(xué)2019年度本科教學(xué)改革研究立項項目（項目編號：2019XYB123）。

作者簡介：金兆輝（1988-），男，吉林長春人，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，工程師，碩士。研究方向：實驗教學(xué)管理和教學(xué)研究。

王達(dá)（1988-），男，吉林長春人，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，講師，博士。研究方向：低碳與新能源汽車。

于文博（1997-），男，河北滄州人，吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，本科生。研究方向：車輛工程。