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浙江科技学院21_FSC方程式赛车设计报告

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更新时间:2019/10/28(发布于河南)

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文本描述
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4.系统结构(System Structure)
4.1车架、车身设计优化
2014年大赛规则新增了很多细节,旨
在满足车架强度和刚度的前提下,尽量减轻
质量并提高其可靠性来优化设计。而
ZUSTattacker采用四缸发动机,车架的纵横
向尺寸均较大。为平衡轻量化和提高强度的
矛盾,车架纵向面采用一体桁架式结构,横
向侧面多采用三角稳定结构,并通过大量的
Ansys分析,反复修改其外观实现最优化效
果。在后期初焊接车架过程中,又对各加工
工艺进行了统筹考虑及再优化
图1原车架模型图2优化后车架模型
在车身设计过程中,综合考虑了经济性
和轻量性,因碳纤维轴向强度和模量高,又
无蠕变,耐疲劳性好,故用其作车身材料
在车身制作过程中,采用发泡剂进行发泡制
作车身母模以及玻璃钢制作车身子模,完全
由车队自主独立完成碳纤维车身制作
图3车身网格图
4.2动力系统
动力系统采用BJ 465MS原装四缸发动

4.2.1发动机参数
规则中规定要求进气管中安装一个直
径不超过20mm的限流阀。根据空气动力学
原理,将进气管设计成两个锥形拼接而成,
中间连接部分为20mm。并且利用GT-Power
软件模拟发动机的工作状况,最终确定两个
锥形的尺寸。排气系统沿用原装排气管的起
始段,重新制作排气管,重新选择消音器来
实现对噪音的控制。具体参数请见下表:
表1 发动机特性及其参数
4.2.2传动系统
传动系统采用托森差速器。车架布置空
间有限,故选择占空间较小的链传动,并沿
用发动机总成自带有14齿的小链轮。传动
系统的计算核心放在确定传动比上,利用
MATLAB软件绘图分析,最终确定传动比为
3.357,大链轮齿数为47
差速器方面,选用了托森差速器,使差
速更加灵敏,传动更加平稳。在差速器壳体
内及右端盖内设计了三爪弧形对应差速器
上凹形曲面,从而带动差速器转动,左端盖
则与大链轮连接。经过ANSYS分析采用7075
号铝合金保证轻量化。半轴采用40Cr,强度
刚度大,所以半轴壁厚薄,保证轻量化
图4 GT-Power功率分析 图5 差速器外壳
4.3转向系统
转向梯形采用断开式结构,这能够保证一侧
车轮上、下跳动时,不会影响另一侧车轮,
同时,也充分考虑到了悬架组采用的双横臂
式独立悬架
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图6 方向机三维设计及实物图
为了提高赛车的平稳性和转向灵敏性,
利用 ADAMS软件进行了转向特性的运动
仿真,将阿克曼百分比调至60%左右。控制
梯形的阿克曼与理想的阿克曼误差,使实际
阿克曼尽量与理想阿克曼相贴近
图7 ACKERMAN百分比图
图8 优化后ACKERMAN百分比图
方向盘的设计是根据人体工程学设计
而成,为了轻量化,因此使用碳纤维板制造
快拆器采用渐开线花键结构,受力均匀
换挡原定采用气动按钮,经设计优化采
用气动拨片换挡。通过拨片电控气动元件,
推动换挡拨杆实现可靠便捷的换挡
图9 转向部分实物图 图10 拨片三维图
4.4 悬架系统
前后悬架系统均用不等长双横臂独立
悬架。在ADAMS 中进行运动学仿真分析,并
优化在跳动行程范围内变化较大的参数。在
CATIA中进行各部件的建模和优化布置,使
其不产生运动干涉。再运用ANSYS对悬架各
部件及装配体进行有限元应力分析,在保证
强度的前提下,进行减重。各参数详见如下:
表2 悬架参数表
1)A型臂
根据ANSYS受力分析,上横臂受力较小,
下横臂较大,选择的上横臂管径为14mm,壁
厚为1.5mm的4130合金钢管,而下横臂选
择管径为14mm,壁厚为2mm的钢管,使整车
更趋于轻量化。横臂与车架通过杆端关节轴
承相连,且设计为微量可调结构,保证A型
臂角度
2)立柱与轮芯
图11 分离吊耳
前后立柱和轮芯材料均采用7075铝合
金材料,运用ANSYS分析,在保证强度的前
提上,进行减重设计,减轻赛车非簧载质量,
有效提高赛车操纵稳定性。前后立柱上端与
A型臂相连位置设计成分离结构,立柱与分
离吊耳间通过螺栓连接。如此设计目的意为
通过调节吊耳与立柱间垫片数以改变外倾
角、内倾角等参数
图13 前后立柱应力分析
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4.5 制动系统
制动系统采用全7075铝设计,并采用
前后四轮碟刹的形式,以确保安全、高效实
现四个车轮减速及抱死。考虑到轮辋为13
寸及整车载荷和质心高度的问题,采用前轮
240mm的制动盘,后轮200mm的制动盘的方
案。同时为了保证制动时的稳定性,制动盘
的形式为浮动式,这样的设计便于在实际制
动的过程中,自动调节最优的制动间隙,提
高传递效率
制动管路采用Ⅱ型双回路,布置形式简
洁明了,便于调节前后制动力,同时满足制
动时四轮同时抱死的规则要求。前后制动力
分配采用了可调节平衡杆,并安装远程调节
旋钮装置,以便于更加高效地调节制动力的
分配比,增强赛车的制动安全性
图12 踏板总成三维设计及实物图
踏板系统设计:
1) 制动踏板设计:制动踏板杆上有ZUST
字样的校名缩写,踏板面的减重图案是
学校校徽。制动与油门踏板面具有侧挡
面,防止车手脚打滑。考虑到制动踏板
的行程和复位,将踏板杆底部设计成一
端圆弧一端矩形。回位端的矩形设计,
保证每次转动后能确保回到初始位置,
离合与油门踏板的前限位与之一致。2)
离合踏板设计:离合踏板的回位设计采
用回位扭簧,后限位为加后挡板的设计,
可以根据车手情况,通过调节螺母来调
节车手最适应的踏板行程。3)油门踏板
设计:油门踏板的回位装置采用的是液
压挺杆,快速回位并且做到油门踏板的
后限位。4)制动底板设计:利用拉压式
插卸销和多
2) 孔式底板边来自由调节踏板总成的位
置,体现出人机优化
4.6 电气系统
所设计电气系统由四个子系统组成,包
括发动机电控系统、数字仪表系统、换档控
制系统和紧急制动系统。由于篇幅所限,这
里重点介绍数字仪表系统。如图11所示,仪
表盘上的驾驶舱主开关符合规则4.3,仪表
板上其他元件考虑到人机关系,合理地配置
了相应模块,具体包括启动按钮,机油压力
灯,转速灯,转速显示,水温报警,风扇开
关,液晶显示屏,档位显示,风扇灯,蓄电
池电压等。除此之外,生动形象的标注也使
得车手易于熟悉操作,故此,该数字仪表系
统具有布局合理、人机关系优良的特点
图13 仪表盘布置形式及其实物图
软件方面,该数字仪表系统充分体现了
队员的自主学习实践能力。电路板设计采用
protel99se软件,如图12所示是液晶显示
屏的PCB图和实物图,元件24C02芯片用来
存储里程掉电时候的数据,AD芯片PCF8591
用来转换温度传感器的电压数据,DS1302
芯片用来显示时间,CPU由51单片机来处
理,继电器用来控制水温报警灯,液晶屏显
示通过2.54mm标准接口和速度传感器接口
整体液晶屏显示效果图见图5所示
图14 液晶显示屏的PCB图和实物图
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