基于“五性一化”的巴哈賽車設計及性能研究

中圖分類號：U462 收稿日期：2025-03-20 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.008

Study on Baja Racing Car Design and Performance Based on the “Five Characteristics and One Standard ”Approach

Huang Yanbo Liuzhou Second Vocational and Technical School，Liuzhou 545ooo，China

Abstract：Under thepremiseofcomplying withtherulesof theChinaSocietyofAutomotiveEngineers（SAE）Bajacompetition， takestheZ10Bajaof-roadracingcarastheresearchsubjectandconductsasystematicoptimizationdesignbasedonthe\"FiveCharactersticsndOneStandardappoach（hanlingelabilityaetyomfort，passabilityndligtweight）.edsignoptiatiis cariedoutthrough methodssuchasCAEsimulationanalysisandADAMSsuspensionsimulation，focusingonkeycomponentsuchas the chassis and suspension systems.The results show that the optimized car has a curb weight of 150kg ，an increase of 10% in chassis torsional stiffness，a 20% improvement in transmission efficiency，and a maximum speed of 70kmΩh . All performance indicators meet or exceedthedesignrequirementsandtheresearchresults providevaluablereferencesforthedesignanddevelopment ofsmilarracing cars.

Key words：Bajaracingcar;Fivecharacteristicsandone standard;Lightweight;Performance optimization;CAEanalysis

1前言

巴哈大賽（BajaSAE）是一個全球性的大學生工程設計與制造比賽，旨在通過實際的工程設計、制造和賽事體驗，培養學生的工程實踐能力、團隊合作精神以及創新思維。該大賽是一項極具挑戰性的競技運動，對賽車的綜合性能有很高的要求[1]。在中國汽車工程學會巴哈大賽等高水平賽事中，如何在保證車輛各項性能的前提下實現輕量化設計，是當前賽車設計領域的重要研究方向。目前，國內外對越野賽車的研究主要集中在單項性能優化方面，缺乏系統性的設計方法[2]。

本文提出“五性一化\"的設計理念，采用現代設計分析方法，對Z10賽車進行了系統優化設計。具體來說，本文提出基于五性一化的整車設計方法，開發了自制核心部件，實現了關鍵性能的突破，并通過理論分析與實驗驗證相結合的方法，驗證了設計方案的可行性和有效性。

2整車設計方案

2.1賽車設計目標與技術路線

作為一項越野賽事，巴哈賽車的最主要設計目標是確保車輛能夠在各種復雜的路況下（如泥濘、沙地、巖石地等）順利行駛，具備較強的通過性。巴哈賽道的環境嚴苛，賽車需要承受長時間的高速運轉、頻繁的震動和沖擊，因此車輛的耐久性至關重要。

設計時要確保賽車的各個部件能夠長時間穩定運行，不易出現故障。雖然巴哈賽車注重越野性能，但安全性仍是不可忽視的目標。設計時需要考慮車架的堅固性、駕駛員的保護措施，以及碰撞后的反應。為了提高賽車的加速性和操控性，設計時要盡可能減小車輛的重量。輕量化不僅能提升性能，還能幫助在比賽中提高燃油效率和減少零部件的磨損[3]。

結合歷年中國汽車工程學會巴哈大賽的賽道難度，以及巴哈賽事要求和\"五性一化\"設計理念，確定了以下主要技術指標：整備質量 ?150kg ，最高速度 ?70km/h ，最大爬坡度 ?33^° 。設計采用CAD/CAE集成的技術路線，結合仿真分析和試驗驗證，實現整車性能的優化。整車裝配圖如圖1所示。

2.2賽車參數與性能對比

根據近5年中國汽車工程學會比賽的優秀賽車參數分析，結合比賽規則的更新，確定整車參數與布局，Z10賽車主要參數：軸距 1460mm ，前后輪距分別為 1340mm.1300mm ，重心高度 350mm ，軸荷分配40/60。采用中置發動機后驅動布局，結合空氣動力學分析優化了整車外形，提高了通過性和穩定性。對比武漢理工大學的巴哈賽車，Z10的通過性和和操控性有明顯提升，且整車質量輕了 8.5kg ；對比廣西科技大學的巴哈賽車，Z10的重心高減少 40mm ，但通過性更好。

3關鍵系統優化設計

3.1車架系統

車架必須包含一個符合標準的防滾架，它是保護駕駛員免受側翻或撞擊傷害的關鍵。防滾架的設計必須確保在碰撞或翻車時，能夠最大程度地保護車內人員的生命安全[4]。

防滾架的管材一般使用高強度鋼材，管徑和壁厚有明確規定。Z10車架系統采用最常見的4130合金鋼管設計車架，在重量、結構強度、材料選擇、安全性等方面進行綜合考慮，以確保賽車能夠在比賽中獲得理想的表現。通過ANSYS進行強度和模態分析，結果如圖2～圖7所示。

車架扭轉剛度達到 4030N?m/（^°） ，較上一代賽車提升 10% 。采用四種工況進行仿真分析，包括緊急制動、極限轉向、對角扭轉和單側扭轉，最小安全系數為1.5，滿足強度要求。

為防止車架發生共振危險，共振模態分析看出，車架前六階固有頻率基本為0，第七階以上頻率均不接近15～30Hz ，在行駛過程中無共振危險。

3.2人機系統

巴哈賽車的人機系統設計不僅要求考慮安全性，還需要注重舒適性、操控性、信息反饋等方面的綜合平衡[5]。良好的駕駛體驗能夠提高駕駛員的操作精度和賽事表現，而合理的設計也能最大程度地降低事故風險，提高整體安全性[6]。因此，人機系統的設計必須從駕駛員的角度出發，充分考慮其需求與操作習慣，同時兼顧車輛的性能和賽事規則。通過UG導入人體模型進行優化設計。微調踏板角度和靠背角度較去年改良為 75^° 和 105^° ，使人體H點更接近腳跟水平線。

根據駕駛員的體型，專門設計了一款碳纖維座椅，采用先進的真空導流工藝，使座椅能夠更精準地貼合車手的身體曲線。此次設計首次增加了腰部支撐和肩部保護，進一步提升了座椅的包裹性，使駕駛員在激烈的駕駛過程中能夠獲得更好的穩定性和舒適性。這樣的改進不僅增強了座椅的支撐性，還大大提升了駕駛員在長時間駕駛中的舒適體驗。

3.3懸架系統

前懸架采用不等長雙A結構，上擺臂向下調節至12^° ，下擺臂焊接套向上調節 12^° ，解決了擺臂魚眼與螺桿發生摩擦會加大螺桿的磨損度，甚至會發生斷裂的問題，并且增加了上下擺活動角度，解決了上下擺動過大導致下擺魚眼從A臂斷裂的問題，并且使車身高度變高，提升了車輛的通過性。

后懸架采用拖曳臂式，吊耳在原方案基礎上焊接了一塊長 39mm 寬 19mm 厚 3mm 的鋼板，增加了吊耳的可靠性。采用ADMAS輪跳仿真優化前后懸架側傾中心高度，前懸側傾中心高于后懸，皆位于質心高度下方，且主銷內傾、前輪外傾、主銷后傾根據輪跳仿真為9^°，1^°，3^° ，各硬點位置均選取最優點。

前后輪均采用可變剛度的FOX減震器，通過分析FOX減震器的特性曲線，結合仿真運動中彈簧剛度更接近于懸架特性曲線。

輪距隨懸架跳動優化后，變化量減小，有效減小磨輪，較小的輪距變化還能減小在懸架壓縮時由于輪距變化帶來的側向力，減小了動態特性的影響因素，增大賽車穩定性。輪距變化圖曲線如圖8所示。前后懸架結構均經過優化后達到互相迎合的特性，在確定最優硬點后設計兩套立柱方案，最終選取更符合強度結構的方案。

3.4傳動系統

設計減速箱的傳動比為11.5，相較方案12.75減速器減小，選用較小的減速在足夠情況下可增加扭矩并穩定發揮賽車提速快的性能。自制前進擋減速箱，進行CVT甩塊彈簧配重試驗，首次加工不同材料的甩塊運用不同質量配合三組剛度不同的彈簧進行測試，最終最佳組合。

3.5轉向及制動系統

設計轉彎半徑 2800mm ，齒條行程優化至 120mm 。制動系統采用中央軸制動，配合自制制動平衡桿，實現了制動力的精確調節。輕量化設計與實現。通過計算摩擦力、夾緊力、制動力，反算出的主缸和活塞直徑為28mm?31mm ，較去年缸徑減小，質量更輕，采用AK卡鉗，后輪采用中央軸制動系統重量減輕 1kg ，踏板傳動比為1：4。7075鋁輪芯經整體結構大改，重量極輕，經過Ansys分析和輕量化后強度安全可靠。

自制制動平衡桿，可以有效調節踏板制動力，經測試可以在極速后達到四輪抱死。全新的立柱和輪芯，自制剎車盤，輪邊系統整體質量更輕，踏板布置形式更簡單、牢固，前后輪芯應力分析圖見圖9，輪邊系統布置圖見圖10，制動踏板布置圖見圖11。

設計轉彎半徑為 2800mm ，符合轉向需求，根據計算齒條行程為單邊 36mm ，設計齒條總長為 120mm ，較去年增加 40mm ，節臂長度 72mm ，最大外輪角度達30^° ，前置轉向更靈活，不易干涉制動踏板。設計出的轉向內外斷開點，采用MALTAB對阿克曼轉向梯形進行優化。圖12為三心定理圖。

仿真分析后，前束角變化得知變化量小，且轉向過度輕微趨勢，如圖13所示。

3.6電氣系統

Z10整車電氣系統包括制動燈、熄火開關，采用三維模型建模后布置線路，線路長度規劃更為合理，波紋管包裹線路防水性更好。采用雙切斷開關、負極搭鐵和自制線路布置使賽車電氣系統更簡單、易維修。

3.7輕量化結構與創新工藝

采用碳纖維復合材料制作車身、座椅、方向盤等部件，結合拓撲優化技術，實現車架結構優化，并通過3D打印技術制作進氣罩等非承載部件。同時開發了碳纖維真空導流工藝，實現了高品質輕量化部件的制造。采用自制夾具和激光定位技術，保證了制造精度。

4試驗驗證與性能測試

本研究與廣西汽車集團合作，針對Z10越野賽車的減速箱、制動系統等關鍵部件進行了臺架試驗，旨在驗證這些核心部件的設計性能。臺架試驗主要從以下幾個方面進行。

4.1減速器性能驗證

通過臺架試驗對減速器進行了負載測試，測試了其在不同工況下的傳動效率和耐久性。試驗結果表明，減速器在高速、高負載條件下工作穩定，傳動效率達到設計要求，且無過熱或損壞現象，驗證了其優化設計的可靠性。

4.2制動系統性能驗證

制動系統的臺架試驗主要驗證了制動器在不同工作環境中的性能表現，包括高溫、高速狀態下的制動效率和穩定性。試驗結果顯示，制動系統能夠在極速狀態下實現四輪抱死，且在重復測試試驗。結果表明，減速箱、制動系統等部件的性能均達到或超過設計要求，為整車性能的優化提供了有力支持。

4.3整車性能測試

通過實車測試驗證了整車性能指標，在非鋪裝路面上，對Z10越野賽車的最高速度進行了實車測試。考慮到地面摩擦力較小，測試結果顯示，賽車在無明顯打滑和失控的情況下，成功達到了 70km/h 的最高速度。此測試驗證了賽車動力系統的穩定性與強勁加速性能，表明在復雜路況下，賽車能夠保持高效的牽引力和穩定的控制。

在多個非鋪裝路段進行的爬坡測試中，Z10越野賽車在不同土質和坡度條件下表現出色，特別是在最大33^° 的坡度下，賽車能夠順利完成爬坡，驗證了其強大的驅動系統和優越的動力傳輸能力，說明Z10越野賽車在極限越野條件下具備了卓越的爬坡能力和穩定性。操控性測試重點考查了賽車在非鋪裝路面上的轉彎半徑和轉向表現。

測試結果表明，Z10越野賽車的轉彎半徑達到了設計要求，且在多次急轉彎測試中，賽車能夠保持良好的穩定性，避免了甩尾或失控的情況。得益于優化的懸掛系統和精準的轉向設計，賽車在復雜地形上依然能夠提供出色的操控性，增強了駕駛員對車輛的控制力和信心。

5結語

本文基于\"五性一化\"理念，對Z10 越野賽車進行了系統優化設計，主要結論如下：a.提出的“五性一化\"設計方法能有效指導賽車開發；b.開發的輕量化技術實現了整車質量的顯著降低；c.各項性能指標均達到或超過設計要求；d.研究成果在實際比賽中得到驗證。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2019

[2]尹偉，楊超起，黃玉四，等.一種輕型載貨汽車車架的可靠性研究[J].專用汽車，2024（10）：23-30.

[3]常金麗.汽車底盤發動機冷卻系統的設計方法[J].專用汽車，2024（2）：26-28.

[4]孫桓.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2018.

[5]劉貽華.基于有限元分析的轎車輪轂輕量化設計[J].專用汽車，2022（9）：30-33.

[6]韓萍.汽車設計中的輕量化技術研究[J].專用汽車，2023（8）：23-25.

作者簡介：

黃彥博，男，1992年生，機動車檢測維修工程師，研究方向為汽車制造與檢修。