大學生方程式賽車踏板總成設計

王世權，任豪放

大學生方程式賽車踏板總成設計

王世權，任豪放

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

以武漢理工大學WUT車隊2019賽季賽車為例，以《2019中國大學生方程式大賽規(guī)則》為依據(jù)，使用CATIA、ANSYS等軟件對賽車踏板總成進行優(yōu)化設計并對其進行仿真分析，最終設計出了一種滿足各工況下的制動和加速要求、安全可靠的踏板總成，確定了前后輪同時抱死時的制動力分配，能為大學生方程式賽車踏板總成的設計提供參考依據(jù)。

方程式賽車；踏板總成；仿真分析；制動力

中國大學生方程式汽車大賽要求各參賽車隊遵照大賽規(guī)則，在為期1年的時間里，車隊全體成員一起設計并制造出1輛性能優(yōu)異的賽車，最后到參賽場地爭取成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)[1]。加速踏板在方程式賽車改變車速中扮演著十分重要的角色，制動踏板是制動系統(tǒng)的重要組成部分，在賽車減速停車時發(fā)揮著重要作用，一款符合人機工程的制動踏板總成，能讓車手更好地操縱賽車，這將直接提高賽車的行駛安全性。

1 設計目標

滿足中國大學生方程式賽車規(guī)則要求；滿足各種競賽工況下的制動要求，以求達到足夠的制動效能，合理進行制動力分配，能保證在動態(tài)賽路上應對任何突發(fā)情況；與上賽季相比，減輕踏板總成質量，達到輕量化目標。

2 選定主缸和卡鉗

通過與車手進行討論，預設251.96 N的制動抱死時的踏板力，最終選定制動主缸為titon 78-625series，活塞孔徑為0.625 in（1 in=2.54 cm），活塞面積為0.31 in2，活塞行程為1.1 in；卡鉗為Wilwood GP200，平衡桿為72-250，螺紋尺寸3/8-24，總長4.75 in，中心距2.5 in。

3 設計方案

3.1 制動主缸放置形式

可選擇的制動主缸放置形式有立式、臥式前置、臥式后置。上賽季采用的是立式主缸，節(jié)約了布置空間，拆裝較為方便，滿足了使用方面要求，只是在兩主缸的限位方式上存在問題，限位夾具與超程開關發(fā)生干涉，2020年進行了適當調整，解決了問題。因此，本賽季依然采用主缸立式布置形式。

3.2 油門拉線固定形式

3.2.1 選擇油門拉線的固定形式

可選擇的油門拉線的固定形式有支架式、連桿式、滑塊式。根據(jù)以往賽季的經(jīng)驗來看，支架式拉線與固定孔存在一定的偏離角度，但完全可以通過調節(jié)支架的固定位置來避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，改進之前的不足；而滑塊式油門拉線位于踏板底部，減小了使用空間，減少了部分裝置，但是會產生不順滑、卡頓的現(xiàn)象，設計與加工誤差可能會導致桿件卡死；連桿式油門拉線需要將加速踏板桿做到邊緣處，增大了踏板總成的質量，總體不如支架式油門拉線。因此，最終選用支架式油門拉線作為本賽季油門拉線固定形式，即將油門拉線支架連到油門加速軸上，易于操作裝配和檢查。

3.2.2 優(yōu)化方案

上賽季后期練車中發(fā)現(xiàn)了支架式油門拉線出現(xiàn)了油門踏板的空程過大（大于5°），而正常油門拉線的空程應小于3°。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，是因為油門拉線支架和踏板前端固定的油門拉線固定吊耳高度不匹配，使油門拉線沒有緊繃，高度差比較明顯。而本賽季特別注意了這一點，在設計時保持二者的高度一致。為了便于與轉動軸進行焊接，固定拉線支架采用鋼材制作。

3.2.3 建立三維模型并進行仿真分析

通過CATIA軟件建立固定拉線支架的三維模型如圖1所示，并使用ANSYS軟件對固定拉線支架進行仿真分析，分析結果如圖2所示。

圖1 固定拉線支架三維模型

圖2 固定拉線支架仿真分析

由圖2可以看出最大應力所在位置的最大應力值約為383.21 MPa，分析結果顯示所設計的固定拉線支架完全符合要求，正常情況下不會被踩得彎曲或扭曲，安全可靠。

3.3 踏板面設計

由于賽車運動具有激烈性，要求車手的腳尖和腳跟均需橫向固定，以防止車手在過彎過程中雙腳脫離踏板，進而發(fā)生危險。因此，腳托的固定位置不能離踏板桿過近，進而無法發(fā)揮好腳托的作用，且不符合人體工程學，踏板面通過車手的多次嘗試確定了形狀和尺寸。此外，本賽季利用復合碳纖維材料加工出踏板面，相比于上賽季采用的鋁質材料，降低了踏板的質量并且增加了其強度，保證安全、可靠的同時也能夠實現(xiàn)輕量化。

3.4 制動燈開關布置形式

制動燈開關的布置形式有傳統(tǒng)式、油壓式、按壓式。2019年采用的是按壓式的制動燈開關，由于在設計時沒有考慮到制動燈開關的位置，在練車中發(fā)現(xiàn)制動時制動燈需要主缸達到一定行程時才會亮，因此，2020年擬選購適合的油壓傳感器安裝在制動管路中，以電信號來控制制動燈的亮滅，但仍然為點動開關預留位置。

3.5 踏板總成可調機構設計

方程式賽車踏板總成可調機構可實現(xiàn)制動踏板、加速踏板的前后移動，可以使不同身高的駕駛人員無拘無束地駕駛賽車，符合人機工程學，能夠在一定程度上保障賽車的行駛安全性。

踏板總成可調機構主要分為槽式、棘輪式、蝸輪蝸桿式以及電動調節(jié)。本賽季采用滑槽結構，根據(jù)幾位車手的身高來選定孔的位置，在鋁板面上開孔實現(xiàn)有級調節(jié)。利用CATIA軟件搭建實體踏板總成的簡易模型，來確定最適合的尺寸和位置，從而使車手操作更加舒適。固定方式不再采用螺栓螺母，而是采用快拆銷進行固定，拆卸調節(jié)更加方便。

3.6 加速踏板

加速踏板形式主要有懸掛式和地板式兩種，懸掛式下部結構簡單，踩踏輕便；而地板式則可以減少疲勞，實現(xiàn)控制精準。

本賽季決定采用地板式，加速踏板桿和轉動軸采用螺栓螺母的形式固定，油門拉線支架與加速踏板的轉動軸焊接在一起，保證了聯(lián)動。油門拉線通過帶孔螺栓緊固，同時，可以調節(jié)油門拉線的撓度，調節(jié)節(jié)氣門的打開程度，油門踏板處的軸承座在網(wǎng)上購買，用螺栓螺母與底板固定。

4 參數(shù)及制動性能計算

通過計算和校核，最終確定卡鉗和制動盤的具體尺寸，如表1所示。

表1 卡鉗與制動盤具體尺寸參數(shù)

位置卡鉗缸徑/mm制動盤缸徑/mm 前輪31.24195 后輪25.40195

表2 制動器制動力分配系數(shù)與最小制動踏板力計算結果

同步附著系數(shù)φ0制動器制動力分配系數(shù)β最小制動踏板力/N 0.80.604 7179.42 0.90.618 7197.54 1.00.637 5215.87 1.10.656 3237.15 1.20.675 0257.20 1.30.693 8268.43

同時可以根據(jù)計算結果來調節(jié)平衡桿，進而改變杠桿比，使兩主缸受力不同，產生的壓力不同，實現(xiàn)前后輪的制動器所產生的摩擦力矩不同，制動更加穩(wěn)定、可靠、安全[3]。

5 結語

本文詳細介紹了制動主缸放置形式、油門拉線固定形式、踏板面設計、制動燈開關布置形式、踏板總成可調機構設計、加速踏板等設計方案，并通過CATIA軟件建立了相關三維模型，利用ANSYS軟件進行了仿真分析，最終設計出的踏板總成滿足各種競賽工況下的制動要求，能夠合理地進行制動力分配，以達到足夠的制動效能。在參考上賽季踏板總成設計的同時進行了部分優(yōu)化，減輕了質量，實現(xiàn)了輕量化目標，能夠為方程式賽車踏板總成的設計提供一定的參考。

［1］中國大學生方程式汽車大賽［J］.汽車工程學報，2012，2（2）：146.

［2］余志生.汽車理論［M］.5版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］張唯一，李紹春，徐晨輝，等.大學生電動方程式賽車踏板總成可調機構設計［J］.汽車實用技術，2017（2）：95-96.

U462

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.010

2095－6835（2020）12－0026－02

〔編輯：張思楠〕