大學生方程式賽車整車優化設計

王世權，任豪放

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

中國大學生方程式汽車大賽是一項由高等院校在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各參賽車隊需遵照規則和制造標準，在一年時間內自行設計并制造出一輛性能優異的賽車，最后爭取成功完成全部或部分賽事環節[1]。隨著中國大學生方程式汽車大賽的發展，越來越多的車隊加入到比賽當中，并且合理地運用各項新技術，使賽車的性能有了很大的提高。

1 總體設計概述

1.1 設計目標

設計目標主要包括滿足規則要求、提升賽車操縱性、提高賽車動力性、實現賽車輕量化。

1.2 整車主要參數

本賽季賽車主要參數如表1 所示。

2 動力系統設計

結合以往賽季經驗，本賽季依舊采用HONDA CBR600-RR 發動機。動力總成各部分進行如下優化：①進氣系統優化；②排氣系統重新設計，自主設計制作阻抗式消音器；③低油底殼高度。

2.1 進氣系統

2.1.1 GT-Power 模型建立

往年采用的GT-Power 模型精度不夠，本賽季重新對發動機模型建模，通過對比臺架實驗外特性曲線與軟件仿真外特性曲線，將誤差控制在5%以內，保證模型及后續其他仿真的準確性。

2.1.2 進氣歧管長度對發動機外特性的影響

利用ANSYS 軟件Fluent 模塊對穩壓箱進行仿真分析，運用控制變量法，每次分析只改變進氣歧管長度，根據各缸進氣均勻性、氣體湍流程度及進氣阻力等建立出最佳模型。優化結果顯示，新的進氣系統與上賽季相比能減少20%的進氣阻力。

2.2 排氣系統

2.2.1 確定排氣歧管尺寸參數及布置形式

用排氣歧管的GT-Power 模型與發動機模型一起分析，得到轉速-扭矩外特性曲線，改變排氣歧管長度、內徑等尺寸參數以及布置形式，進行多次對比分析，得到最佳尺寸參數和布置形式，排氣歧管內徑為32 mm，長度為180 mm，總長度為1 320 mm，布置形式為4-2-1。

2.2.2 仿真分析

利用 ANSYS 軟件Fluent 模塊對排氣歧管進行仿真分析，得到的排氣速度云圖和排氣壓力云圖如圖1、圖2 所示，對排氣歧管形狀進行優化，以盡可能地降低排氣阻力和背壓。

2.2.3 消音器設計

本賽季采用阻抗式消音器的形式，并引入了回壓鼓的設計理念，T-Power 仿真結果顯示，各個轉速下噪聲分貝在90～105 dB 內，該消音器顯著降低了排氣噪聲，滿足大賽要求。

通過CATIA 軟件建立所設計的消音器的三維模型如圖3 所示。

2.3 潤滑系統

在保證安全和使用安裝的前提下，計劃降低油底殼高度，從而降低發動機重心，提高整車穩定性。

圖1 排氣速度云圖

圖2 排氣壓力云圖

圖3 消音器結構圖

3 底盤各系統設計

本賽季底盤系統如下幾個方面進行優化設計：①傳動系統選用合理的主減速比，采用可調節機構實現鏈輪的張緊，實現輕量化；②轉向系統減小空程，優化連接形式，加裝角位移傳感器；③行駛系統懸架增加第三彈簧設計；④制動系統優化踏板總成，采用滑槽結構，輪邊輕量化。

3.1 傳動系統設計

本賽季的設計理念就是在保證傳動系統穩定性的前提下，提升賽車動力性，在保證系統強度的前提下，追求輕量化。

3.1.1 主減速比的選定

首先進行主減速比的計算，得出范圍為1.9～3.2，最后借助OptimumLap 軟件進行賽道仿真分析，根據比賽項目設置可得，耐久賽成績占比最大，優先考慮耐久賽成績，綜合得到主減速比為2.909，大鏈輪齒數為32 齒。

3.1.2 差速器支架及調節機構

本賽季差速器支架的設計，將多個方案在ANSYS 中進行強度分析，再綜合考慮輕量化、加工難易程度。最后選用正反螺紋調節機構，具有前后調節能力，能將鏈條調至張緊度合適的位置。

3.2 轉向系統設計

3.2.1 轉向操縱的連接形式

上賽季圓柱軸孔萬向節與圓柱接頭之間用塞打螺栓連接，由于4 個孔不能很好地保證同軸度，且孔與塞打螺栓有一定的過盈量，裝配時有難度，并會對萬向節造成二次損傷。

本賽季操縱的連接形式優化：①采購有平鍵槽的萬向節，重新設計萬向節接頭，整體采用平鍵連接；②快拆連接軸的長度加至118 mm，增加角位移傳感器安裝的位點；③萬向節和軸承座是過盈配合，裝配時軸承要敲進去很長一段距離，會造成軸承和快拆連接軸的損傷，因此減小過盈長度使其剛好為軸承的寬度，并用卡簧固定。

3.2.2 轉向器與轉向操縱的連接形式

上賽季齒輪軸與轉向傳動軸為焊接連接，不可拆卸。本賽季購買的齒輪軸上自帶花鍵，根據齒輪軸上的花鍵制作齒輪接頭，壓緊裝置可以保證同軸度。

3.3 行駛系統

3.3.1 懸架優化設計

采用雙橫臂推桿式獨立懸架，傳承了車隊的風格，也充分利用車架的空間位置，保證車身流線型的設計，減少空氣阻力。車輪外傾角使用快插墊片實現量化調節，前輪前束角通過使用正反絲伸縮桿進行無極調節。增加橫向穩定桿，通過調節力臂的距離來實現對前后側傾角剛度的定量調節。

3.3.2 第三彈簧設計

本賽季增加第三彈簧，以抑制賽車加速和制動時的俯仰，提高操縱穩定性。通過更換不同剛度的彈簧，來實現對前后懸架線剛度的定量調節，以此來滿足不同行駛工況的要求，提高賽車的操縱穩定性。

3.4 制動系統

3.4.1 制動系統參數

制動剎車最大加速度為1.57G，根據整車參數計算出數據如下：前軸兩輪制動器制動力之和的最小值為2 921.27 N，后軸兩輪制動器制動力之和的最小值為1263.33 N，制動器制動力分配系數為0.689 1。

3.4.2 制動踏板總成

本賽季采用滑槽結構，通過在鋁板面上開孔，實現有級調節，并且根據幾位車手的身高來選定孔的位置，以此來滿足車手身高不同的要求。通過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的舒適。利用復合碳纖維材料加工出踏板面，既有強度保證，也能夠實現輕量化。制動底板與滑槽的配合由2019 年的螺栓螺母改成銷固定，簡化底板的位置調節。

4 車架車身設計

4.1 車架結構

本賽季的車架采用空間桁架式車架，在設計時，根據規則確定好必要桿件。根據懸架硬點坐標、發動機的固定位置以及其他的零件要求確定其余桿件的具體位置。在車架模型基本確定之后，通過測得每個車手的身體參數，在CATIA中進行人機工程的分析，同時搭建簡易車架，車手親身感受，盡量保證每個車手的駕駛舒適性。最終設計的車架三維模型如圖4 所示。

圖4 車架三維模型

4.2 有限元分析

為了保證強度和輕量化的要求，在ANSYS 中進對車架的靜彎曲、扭轉、極限轉彎和極限制動等工況進行受力分析[2]，保證強度的情況下，簡化桿件的結構以及確定每根桿件的壁厚，控制車架的質量在16～30 kg。

4.3 空氣動力學效益

車身在滿足規則的情況下，降低車鼻俯角，減少車頭所造成的升力，盡量貼合車架，減少正投影面積，減少氣動阻力，減少風阻系數。側箱上利用文丘里管效應，加快流經側箱的氣體流速，利于散熱。

5 電氣系統設計

本賽季電氣系統基本保持上賽季設計，部分優化如下：新增無線數據采集系統，換擋方式采用氣動換擋。

5.1 無線數據采集系統

優化線位移、轉向盤角度、輪速等傳感器安裝位置，建立與ECU 的CAN 通訊總線，自行設計了轉換電路、采集系統、CAN 通訊系統與遠距離通訊系統，可實現整車數據實時采集并傳輸到上位機，方便場外隊員實時監測賽車行駛狀態。

5.2 氣動換擋

上個賽季由于氣動換擋技術還在探索階段，技術不夠成熟，所以保留了手動換擋方式，采用手動和氣動兩種換擋方式。經過比賽和從練車使用的表現來看，氣動換擋已經可以完全取代手動換擋，因此本賽季采用氣動換擋方式。

6 結語

本文詳細介紹了武漢理工大學WUT 車隊2019 賽季賽車各個子系統的設計方案，在滿足規則的基礎上使用CATIA、ANSYS 等軟件設計出了一款性能出眾的方程式賽車，經過后期驗證，該賽車的各子系統工作正常，車身車架安全可靠的同時較為美觀，整車動力性、操縱穩定性、行駛平順性等性能良好，達到了設計目標。