蘇潤凡

（西華大學(xué) 成都 610039）

摘 要：為了加快我國電動汽車高效良性的可持續(xù)發(fā)展，中國汽車工程學(xué)會于 2013 年舉辦了首屆中國大學(xué)生方程式電車大賽（簡稱 FSEC）。西華大學(xué)純電動方程式賽車隊(duì)是首次參賽的國內(nèi)十支電動方程式車隊(duì)之一。本文以西華大學(xué)16屆純電動方程式賽車為例，對FSEC賽車的設(shè)計(jì)方法及指導(dǎo)思想進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。并結(jié)合純電動賽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對FSEC賽車的整車控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、動力電池及管理系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了一一布置和分析。

關(guān)鍵詞：FSEC賽車；設(shè)計(jì)；過程分析

中國大學(xué)生方程式汽車大賽由各高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加。FSEC要求各參賽隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)。自行設(shè)計(jì)和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車。并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。

在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)賽道尺寸及比賽規(guī)則的要求首先從電動機(jī)和電池的選擇入手?？紤]賽車的最高形式速度，加速性能及續(xù)航時間選擇合適的電機(jī)和設(shè)計(jì)滿足比賽要求的電池系統(tǒng)。在選擇好電機(jī)和電池后，賽車的底盤設(shè)計(jì)與燃油式賽車的底盤設(shè)計(jì)類似，分為車架，車身，懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)及制動系統(tǒng)。同時結(jié)合電動汽車的特點(diǎn)完成整車控制系統(tǒng)及整車布線的設(shè)計(jì)與布置。

1、純電動賽車的設(shè)計(jì)概述：

1.1總體設(shè)計(jì)要求：

賽車必須在加速、制動和操控性方面具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，同時又必須具有足夠的耐久性以順利完成規(guī)則中提及的及比賽現(xiàn)場進(jìn)行的所有項(xiàng)目。賽車必須注意駕駛時的安全問題。設(shè)計(jì)制造過程中也要考慮知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)等問題。

1.2總體設(shè)計(jì)目標(biāo)：

通過分析往年FSEC賽車在比賽時采集的數(shù)據(jù)以及賽道特性可以發(fā)現(xiàn)： FSEC 賽道屬于低速多彎賽道，并且對賽車的彎道性能以及出彎加速性能要求較高。因此賽車的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是通過電池箱及電機(jī)的布局，實(shí)現(xiàn)理想的重量分布以及合適的軸距。使重量更向后集中于車輛后軸并盡可能地降低了賽車重心，從而保證前軸靈敏的轉(zhuǎn)向響應(yīng)，以及后輪在出彎時出色的加速表現(xiàn)。其余設(shè)計(jì)目標(biāo)主要為一下幾點(diǎn)：75m直線加速時間不超過10s；動力系統(tǒng)能為賽車提供至少整個耐久賽的動力；設(shè)計(jì)中賽車成本也必須有相關(guān)的考慮。賽車制造完成后需要對其進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。主要的測試項(xiàng)目包括直線加速，側(cè)向速度skid—Pad測試，最小轉(zhuǎn)彎半徑，賽車?yán)m(xù)航能力等。

2、全車結(jié)構(gòu)：

2.1動力總成及傳動系統(tǒng)：

主要部件包括：電池箱體、電池組、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)、電機(jī)控制器、電機(jī)散熱機(jī)構(gòu)、減速驅(qū)動軸、差速器基座、鏈輪/皮帶輪、差速器軸承、差速器、萬向節(jié)、保護(hù)罩和連接緊固裝置等。

2.2車架及車身：

主要包括：主環(huán)、前環(huán)、主環(huán)前撐、前隔板、側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、肩帶安裝桿、電池箱鏈接、驅(qū)動系統(tǒng)保護(hù)結(jié)構(gòu)、前后定風(fēng)翼和擴(kuò)散器等。

2.3懸架車輪及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：

主要包括：彈性元件、減震裝置、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、橫向穩(wěn)定器、車轂、車輞、車輻、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)等。

2.4制動系統(tǒng)：

主要包括：制動踏板機(jī)構(gòu)、制動傳動裝置和制動器。

2.5整車電氣部分：

主要包括：整車控制器、整車線速、絕緣檢測裝置、各類傳感器、繼電器、各式開關(guān)、制動燈和儀表盤等。

2.6其他：

主要包括：座椅、安全帶、防火墻、車架車身涂裝和防護(hù)罩等。

3賽車設(shè)計(jì)的基本流程：

3.1基準(zhǔn)目標(biāo)的設(shè)定：

基準(zhǔn)目標(biāo)是制作車輛的直接目標(biāo)，將其分解為各個單元和部件的設(shè)計(jì)目標(biāo)。即：制定如何完成各個單元和部件的功能、重量、成本等設(shè)計(jì)目標(biāo)的方案。制定基準(zhǔn)目標(biāo)前應(yīng)進(jìn)行必要信息的收集。盡可能地詳細(xì)調(diào)查車輛的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、各種性能以及比賽成績（外形設(shè)計(jì)、車檢、75m加速、制動性能、耐久性、成本報告、營銷報告、噪聲等）。通過研究成功的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)失敗的原因設(shè)定出基準(zhǔn)目標(biāo)。

在基準(zhǔn)目標(biāo)的設(shè)定階段有很多性能要素還未正式定下來，這時需要對性能要素進(jìn)行假設(shè)，或者使用上次參賽時車輛的重量及重心位置等進(jìn)行假設(shè)以使其符合基準(zhǔn)目標(biāo)。需要事先設(shè)定的要素：①質(zhì)量。②重心位置。③輪距。④軸距。⑤電機(jī)形式、位置、重量及輸出功率。⑥變速器的形式位置。⑦轉(zhuǎn)向齒輪比、轉(zhuǎn)向盤半徑。⑧駕駛座的位置、加速踏板、制動踏板的位置。⑨電池箱的位置和電池總?cè)萘?。⑩車架的大概?gòu)造。

3.2繪制總布置草圖

通過CATIA等三維建模軟件繪制出賽車的整體三維模型。在此之前要設(shè)計(jì)確定出各總成及部件的外形和尺寸，完成各總成及部件的三維建模。通過對賽車進(jìn)行整體裝配確認(rèn)各部件之間不存在干涉情況。如果存在干涉情況，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)及時進(jìn)行協(xié)調(diào)并更改設(shè)計(jì)解決干涉問題。通過繪制總布置草圖，確定整車主要尺寸，性能要素。以便較準(zhǔn)確地確定賽車其他部件的相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)。

3.3各零件具體設(shè)計(jì)及校核：

通過前期確定的關(guān)鍵參數(shù)，查閱相關(guān)資料進(jìn)行零部件的具體設(shè)計(jì)及校核。使用建模工具UG、CATIA和CAD等常用的機(jī)械設(shè)計(jì)或模具打造的模擬軟件，完成零部件的三維模型。完成三維建模后，對于本身承受外力較大的零部件我們應(yīng)使用ANSYS等有限元分析軟件對其進(jìn)行校核。

3.4零件加工及裝配：

零部件初步設(shè)計(jì)好后還應(yīng)充分考慮加工的可行性，本著不影響零部件功用的情況下盡量減少加工工序，降低成本。在加工前應(yīng)完成對應(yīng)工程圖及裝配圖的出圖。零部件加工完后應(yīng)對應(yīng)工程圖及裝配圖檢查是否合格，不合格應(yīng)及時返工。

4賽車各系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

西華大學(xué)純電動式方程式賽車采用國內(nèi)外普遍應(yīng)用的電機(jī)后置后驅(qū)的布置方式。電池箱內(nèi)置位于車架主環(huán)后。

4.1動力電池及管理系統(tǒng)：

常用的充電電池有鉛酸電池、鈉硫電池、鎳氫電池、鋰電池、及軟包電池。而大學(xué)生方程式賽車上一般使用的是鋰電池或軟包電池。2016賽季西華大學(xué)電車隊(duì)選用三星2500mAH，放電倍率達(dá)10C的18650電池。電池在滿足賽車對大電流需求的同時，其高強(qiáng)度的單體外殼還能為高壓電池組的安全提供保障。電池箱還應(yīng)配備相對應(yīng)的電池管理系統(tǒng)。實(shí)時精準(zhǔn)的檢測電池狀態(tài)，保障高壓電池組的安全，在合理管理電池能量的同時使電池內(nèi)部與外部整車進(jìn)行信息交互。其裝配的熱管理系統(tǒng)，可以有效減少電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止電池過快衰減，延遲電池組整體壽命。

4.2驅(qū)動電機(jī)及整車控制系統(tǒng)：

賽車電機(jī)的選擇需要考慮賽車的最高車速、加速性能，并根據(jù)電機(jī)峰值功率的持續(xù)時間、控制響應(yīng)時間、扭矩及調(diào)速范圍等條件。選用合適的電機(jī)，還應(yīng)為電機(jī)設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。整車控制系統(tǒng)的芯片國內(nèi)外普遍應(yīng)用飛思卡爾芯片。西華大學(xué)電車隊(duì)采用四層PCB板提升抗電磁干擾能力，為了提高運(yùn)算速度，采用雙核16位飛思卡爾M9S12XS128作為主控芯片，自助設(shè)計(jì)嵌入式整車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整車可靠、高效、精準(zhǔn)的控制。

4.3懸架系統(tǒng)

懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從解讀輪胎開始。通過建立的輪胎模型，對輪胎不同載荷、不同胎壓下的橫向及縱向特性進(jìn)行了分析，從而優(yōu)化懸架幾何保證賽車在出彎時兩側(cè)后輪同時工作在理想的輪胎外傾角下，配合底部擴(kuò)散器，確保出彎時更快的加速。懸架對硬點(diǎn)有很高的精度要求，所以懸架的夾具設(shè)計(jì)應(yīng)避免由于懸架硬點(diǎn)附近車架焊接變形造成的誤差。其他關(guān)鍵零件如立柱、輪轂，搖臂應(yīng)運(yùn)用CAE軟件進(jìn)行校核和優(yōu)化。最后，懸架設(shè)計(jì)離不開實(shí)車調(diào)校，應(yīng)安裝相應(yīng)的傳感器為懸架的調(diào)校測試提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4.4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

針對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案的確定，賽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向拉桿橫置，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為齒輪齒條。由于在連接轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橫拉桿以及齒條機(jī)構(gòu)的過程中必然存在微小的間隙，因此在轉(zhuǎn)向梯形后置的狀態(tài)下，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時，來自轉(zhuǎn)向輪的力將會影響整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這將對其操控性產(chǎn)生一定不良的影響。

4.5制動系統(tǒng)

設(shè)計(jì)制動器時不僅要考慮諸如制動距離長短等物理指標(biāo)，還要考慮到人-機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，例如車輛能否按照駕駛員的意圖減速等問題。賽車由于制動情況頻繁，所以就需要制動器在頻繁的工作狀態(tài)下也能確保瞬間產(chǎn)生穩(wěn)定、足夠的摩擦力，這時需要解決關(guān)于制動散熱等問題，一般采用盤式制動器。

5結(jié)語：

本文主要是作為一名正式參賽隊(duì)員對所學(xué)的汽車設(shè)計(jì)知識及賽車設(shè)計(jì)制造過程的總結(jié)。從賽車的總體設(shè)計(jì)要求，基準(zhǔn)目標(biāo)的設(shè)定，到賽車各系統(tǒng)的介紹和各系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理簡述，本文皆做了全面的探討。作者希望本文對其他后續(xù)參賽者能有所幫助。

參考文獻(xiàn)

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