權(quán)春鋒

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710302）

1 巴哈大賽背景

中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)巴哈大賽是由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)主辦，在全國(guó)大專(zhuān)院校開(kāi)展，制作一輛單人乘坐的越野賽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)有賽事承辦方提供，其它車(chē)輛系統(tǒng)有各個(gè)院校自行設(shè)計(jì)制造和裝配。此項(xiàng)賽事起源于美國(guó)，是大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽的前身，適合職業(yè)院校和本科低年級(jí)學(xué)生參與。比賽目前分為兩個(gè)場(chǎng)地，一個(gè)人場(chǎng)地稱為草原賽、第二個(gè)場(chǎng)地稱為泥濘賽。每項(xiàng)比賽之前要對(duì)各個(gè)參賽賽車(chē)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)項(xiàng)目包括發(fā)動(dòng)機(jī)功率調(diào)教、車(chē)身尺寸、燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、防撞強(qiáng)度、制作成本等等。動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括制動(dòng)系統(tǒng)、爬坡能力、通過(guò)性、操控性檢測(cè)等。

大賽目的培養(yǎng)參賽學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)，提高學(xué)生對(duì)汽車(chē)工業(yè)的興趣。每個(gè)參賽隊(duì)花費(fèi)近一年時(shí)間打造屬于自己團(tuán)隊(duì)的賽車(chē)。他們分別從設(shè)計(jì)、制造、裝配、調(diào)教、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)等各個(gè)方面進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的技術(shù)學(xué)習(xí)，最終參賽。目前全國(guó)參賽院校達(dá)到120 多所，包括本科院校，通過(guò)同場(chǎng)競(jìng)技，提升專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵，為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)輸送更多復(fù)合型人才。

2 巴哈賽車(chē)整車(chē)設(shè)計(jì)要求

2.1 車(chē)架結(jié)構(gòu)單元

巴哈比賽過(guò)程中，有原木樁、炮彈坑等，車(chē)輛在高度通過(guò)時(shí)，極易造成翻車(chē)。所以賽車(chē)設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，必須保證車(chē)輛的防滾架有足夠的強(qiáng)度。而且車(chē)輛防滾架必須是一根完整的鋼管彎曲而成，不能出現(xiàn)焊接點(diǎn)。因?yàn)楹附狱c(diǎn)會(huì)降低整個(gè)賽車(chē)的強(qiáng)度。車(chē)架承載著賽車(chē)上所有零部件同時(shí)擔(dān)負(fù)著在各種極限路況下為車(chē)手的生命安全保駕護(hù)航。車(chē)架一定得有足夠的強(qiáng)度以此抵抗來(lái)自外力的變形和破壞?；诖塑?chē)架材料的選擇至關(guān)重要，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比：

其中4130 對(duì)焊接的要求比較高，在焊接前需要對(duì)管材預(yù)熱到175℃以上，與之相比的是20Cr 是珠光體，焊接性較好，焊后一般不需要熱處理。

在充分滿足了賽事對(duì)車(chē)架扭轉(zhuǎn)剛度的要求之下，基于經(jīng)濟(jì)性及加工制造難易程度的考慮，最終選擇20Cr 作為車(chē)架的材料。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

巴哈賽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器。發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)一由百力通公司提供，功率為20kW。變速器各個(gè)參賽院校自行設(shè)計(jì)，大部分院校采用無(wú)級(jí)變速器。因?yàn)闊o(wú)極變速器不用增加變速器操作機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單并且可以達(dá)到大賽動(dòng)力輸出要求。巴哈大賽在動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)，要求賽車(chē)有很強(qiáng)的爬坡能力和牽引力。所以個(gè)別院校采用雙CVT 技術(shù)，通過(guò)兩級(jí)減速來(lái)增大扭矩。但是車(chē)輛的提速能力將會(huì)收到一定的影響。本科院校學(xué)生設(shè)計(jì)能力強(qiáng)，有學(xué)校采用手動(dòng)變速器，增加檔桿，提速特性明顯，但是制造成本相對(duì)很高。傳動(dòng)是實(shí)現(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力矩傳遞到輪上以克服來(lái)自地面的摩擦，我們?cè)O(shè)計(jì)傳動(dòng)要考慮的是我們的車(chē)輛是否有足夠大的扭矩拖動(dòng)一輛皮卡，即如何設(shè)計(jì)我們的減速機(jī)構(gòu)。比賽選用的是百利通的發(fā)動(dòng)機(jī)其扭矩功率輸出二維曲線如下圖所示：

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩圖

由曲線圖我們可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在2800rpm 得到它的峰值扭矩19.66NM，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩通過(guò)CVT 皮帶傳動(dòng)，傳遞給減速機(jī)繼而在輸出在輪上，由于今年賽道的變化多端，以及拉皮卡的要求，今年我們的車(chē)輛采用雙CVT 結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過(guò)CVT減速之后，我們使用自制的減速比為9 的減速機(jī)構(gòu)，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置將為我們提供更多的減速范圍，增加比賽的安全性，可靠性。其減速范圍見(jiàn)表所示：

表2 變速器傳動(dòng)比

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著控制車(chē)輛行駛軌跡的重要任務(wù)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們考慮到賽道的操控性比賽的車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑比較小，因此轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)我們?cè)诰C合了轉(zhuǎn)彎半徑，車(chē)手的反應(yīng)時(shí)間等因素之后作出了設(shè)計(jì)。我們選用齒輪齒條式方向機(jī)，方向盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈就實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛即被鎖死，這將為車(chē)手提供更好的操控感。為了使車(chē)輛更加輕量化，我們采用了自制的鈦合金齒條，碳纖維方向機(jī)，齒條在88.9mm 即實(shí)現(xiàn)方向打死。

在車(chē)輛的前輪參數(shù)設(shè)定里我們的主銷(xiāo)外傾角為3.5°主銷(xiāo)后傾角11.5°，主銷(xiāo)后傾將為我們提供一個(gè)適宜的回正力矩，主銷(xiāo)外傾將使我們的車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)獲得更佳的附著力。

圖3 轉(zhuǎn)向原理圖

2.4 制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了讓車(chē)輛在任何時(shí)刻都能立即停下來(lái)以確保車(chē)手的安全。我們采用兩個(gè)獨(dú)立的液壓回路，每個(gè)主缸分別控制前后輪，如下圖所示，以便于制動(dòng)分配閥能更好的為前后輪提供不同的制動(dòng)力。自制的單活塞卡鉗，活塞直徑30mm，制動(dòng)盤(pán)直徑220mm，這將為車(chē)輛提供足夠大的制動(dòng)力矩。人最大能提供的蹬力為2000NM，基于此我們的制動(dòng)踏板從腳尖至腳踝380mm，如此將讓我們的制動(dòng)變得輕便靈活。

圖4 制動(dòng)原理圖

3 巴哈賽車(chē)懸架設(shè)計(jì)

3.1 輪胎和輪輞

輪胎和輪輞通過(guò)將來(lái)自地面的推力轉(zhuǎn)化為車(chē)輛的加速能力，同時(shí)輪胎的胎面為懸架系統(tǒng)減震給予了幫助，合適的選擇輪輞將提高我們的車(chē)輛操控性。

圖5 輪輞運(yùn)動(dòng)原理圖

3.2 懸架設(shè)計(jì)

懸架是實(shí)現(xiàn)車(chē)架與車(chē)輪之間力的傳遞的連接裝置，傳遞輪胎與車(chē)架之間一切力和力矩、緩和，抑制路面對(duì)車(chē)架造成的沖擊、保證車(chē)輛的操控穩(wěn)定性與舒適性。在比賽當(dāng)中來(lái)自路面的沖擊主要有以下幾種。

圖6 路況測(cè)試

表3 輪輞參數(shù)

為了更加適應(yīng)賽道，我們的后懸采用拖曳式，長(zhǎng)的縱臂將能更好的吸收來(lái)自不平路面的沖擊。這將充分為我們提供足夠的而前懸采用雙A 臂，將更適宜于四輪定位，使轉(zhuǎn)向更加輕便靈敏；同時(shí)三角結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，撓度??；主銷(xiāo)傾角的設(shè)計(jì)更加靈活。該結(jié)構(gòu)將為我們提供230cm 的輪上跳動(dòng)行程，這將對(duì)我們?cè)谂趶椏?、圓木、飛跳等賽道上的出色表現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。由于前后載荷分配在36:64，于是后懸將需要更高強(qiáng)度的減震器?；诖宋覀兒髴也捎貌坏裙?jié)距變位彈簧以便于適應(yīng)不同的路況，采用帶氮?dú)夤薜臏p震器將為我們提供260cm 的懸架跳動(dòng)行程。前懸我們選用自制的230cm 行程的減震器，兼具舒適性與操控性。