#33同济大学
2014中国大学生方程式汽车大赛设计报告
可量化每次调整对整车侧倾刚度的影响，使调
校更加准确、高效
悬架参数的可调范围较往年更大，正是因
为车队意识到底盘调校的重要性。因此车队既
安装了三轴加速度，悬架位移，方向盘转角等
多个传感器，也自制了能准确测量四轮定位参
数的工具。此外，车队设计了简单但完整的标
准赛道，包含直线，稳态转向和瞬态绕桩赛段，
以进行系统性的试验、比对和调校，减少车手
发挥差异带来的影响。还将在上赛卡丁车场
（FSC2012赛场）进行进一步的测试，指导调
校和车手训练
机械结构方面，车队通过有限元分析软件
对立柱、轮毂、摇臂和碳纤维横臂接头等多个
零件进行了拓扑优化，验证了先前的轻量化设
计，并为进一步的减重提供了思路和指导。基
于拓扑优化的概念设计也大大提高了设计效率
参考车架设计的思路，车队也根据不同的工况
选用了不同管径和壁厚的碳纤维管制作不同的
悬架
三、 车架
车架的设计延续了钢桁架结构，并根据去
年的经验进一步优化了各系统的布置和车架管
件的选用
车架的设计从人机工程开始。通过搭建人
机工程的试验台，测量了各车手的坐姿数据，
包括靠背角、方向盘高度和角度以及腿部位置
等。综合所有车手的坐姿信息，得到一个适合
所有车手的人体坐姿图样，并由此确定了座舱
基本结构。之后，结合硬点位置及规则要求，
初步确定了大多数钢管的位置和规格
车架的扭转刚度是评价车架性能的重要指
标。车队根据去年的车架表现和整车、悬架的
刚度需求，制定了1600Nm/deg的刚度目标，并
同时提出减重要求。为此车队采取了以下措施：
一、通过更合理的布置改善载荷路径。通
过简化后舱并使主环后倾，使座舱刚度提高，
后舱刚度下降，两个更加接近、平衡，从而实
现了架整体刚度的提高
二、根据管件受力合理选择外径和壁厚
对于主要受弯的管件，采用大外径小壁厚，抗
弯截面系数高的钢管。举例来说，将过去常用
的25.4*1.6的钢管换为33*1.2的，质量不变的
前提下，抗弯能力可提高78%
三、通过局部硬点加载分析，进行局部补
强，尽量把硬点布置在多个钢管的交汇处，提
高极限工况下的硬点受力情况，减小其挠度
在焊接精度的控制上，车队继续使用了焊
接平台和自制焊接夹具，通过机加工关键夹具
保证精度。同时，在车架设计上进行简化，减
少难以定位的管件，从而提高精度和效率。例
如，车队修改了减震器的布置方案，将吊耳布
置到便于定位的钢管上，减小定位难度和误差，
提高焊接精度。最终最大的焊接误差不超过
1.5mm，发生在无精度要求的座舱底部；而在硬
点处，则保证有非常高的焊接精度
通过以上的努力，车队实现了车架5kg的
减重，而刚度与去年车几乎相同，实验实测（图
2）刚度值较目标值仅下降6%。关键硬点刚度
以及焊接精度显著提高，达到了设计目标
四、 空气动力学套件
翼驰车队在2013年首次使用了空气动力学
套件，取得了一定的成效。今年车队投入了更
多精力，设计了包括扩散器在内的整套空气动
力学套件，提高了总体下压力和升阻比，以减
小阻力和油耗。最后，车队模拟风洞实验进行
了整车的CFD仿真，更加准确地量化了空气动
力学套件的作用，也为底盘调校提供匹配参考
前翼位于赛车最前端，影响前方来流对扩
散器、尾翼和侧箱的作用，并且受到车鼻和轮
胎的限制，不便后期改动，故最先设计。前翼
采用三段翼结构，以获得足够下压力。综合考
虑下压力系数，升阻比和加工成本，选取了
S1223翼型作为用于前翼的三段翼。由于前翼受
到了强烈的地面效应影响，攻角对下压力的影
响有所不同于一般情况。通过二维CFD仿真发
现，正攻角时，压力面的压力虽然较大，但吸
力面负压分布靠前切区域较窄，故整体下压力
有限；而使用负攻角时，吸力面负压区明显扩
大，从而在整体上增加了前翼的下压力
空气动力学套件中的扩散器更多地利用了
地面效应，在地面与赛车底板间的形成负压区
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以产生下压力。由于适用不同赛事的扩散器设
计变化较多，车队首先初步设计了四种类型的
扩散器原型，通过仿真比较其压力分布和不同
扩张角对应的下压力和升阻比（图3），初步确
定了包裹悬架的渐扩式底板。之后，车队深入
研究了扩张段导流板，收缩段扰流板，扩散器
出口翻边等细节。通过对不同细节结构进行仿
真，比较压力分布、气流分离、下压力和阻力，
确定最终方案
尾翼设计同样沿用三段翼结构，并进一步
提高升阻比和升力系数。为此，车队进行了更
加细致的翼型选择。由于多段翼的升力主要由
襟翼提供，车队为襟翼选择了13种高升力系数
翼型，为主翼选择了8种高升阻比翼型。通过
Profili和Xfoil进行分析和数据处理，比较了升
力系数、升阻比、稳定性后，车队选定了主翼
和襟翼翼型。随后，车队设计了一个四因素五
水平的正交实验，通过比较二维CFD仿真结果，
确定了两襟翼与主翼的弦长比及其攻角这四个
主要的三段翼参数。之后，单独分析了升力系
数、升阻比随主翼攻角在-10°到5°内变化的
趋势，发现下压力、阻力均随攻角的增大而增
大，升阻比在主翼攻角小于-5°之后变化不大，
尾翼性能在主翼攻角-3°到3°之间较为稳定，
故选择最终的主翼攻角为0°。在尾翼调校方面，
通过设计可调鹅颈式的支承结构，实现尾翼整
体攻角的调节，适应八字绕环和直线加速这两
种差异较大的工况
最终，通过对尾翼位置进行微调，实现了
下压力与轴荷比（48:52）的平衡。根据整车三
维CFD仿真结果（图4），全套空气动力学套件
带来的下压力为2100N，阻力742N，升阻比2.93，
在下压力较去年提高65.4%的前提下，阻力仅增
加了38.7%，达到设计目标。基于OptimumLap
的仿真显示，配备全套空气动力学套件的新赛
车在耐久赛/高速避障，8字绕环项目上分别有
4.5%和5.3%的提高，这一结果有待实车检验
五、 电控
今年采用全新的Magneti Marelli SRA-E发
动机控制单元和MDU 220仪表盘，相比往年使
用的Haltech Platinum Sport 1000，具有更加丰
富的输入输出端口和通讯协议，也能实现更精
确的控制
在之前的赛车上，由于Haltech PS1000的
信号输入端口仅能采集模拟电压信号，车队不
得不自制数据采集装置采集轮速、档位和水温
等不同类型的信号。且因其并未开放CAN总线
通讯，整车的线路变得非常复杂，降低了可靠
性又增加了检修难度。而自行开发的数据采集
系统虽能满足使用需求，但可靠性欠佳，也占
用了相当的研发精力
马瑞利公司的SRA-E控制器具有多个不同
类型的输入端口：8个模拟信号，6个数字信号，
6个霍尔效应信号等，满足了车队的数据采集需
求。在输出控制方面，SRA-E能控制8个喷油
驱动，使车队能够使用GSX-R 600原装的8个
喷油嘴。当发动机高速运转使喷油窗口变小时，
不必增加单个喷油嘴的喷射量，而是使用两个
喷油嘴，可使喷射的油液颗粒更小，提高燃烧
质量和燃油经济性，也提高发动机的高速性能
其控制逻辑也支持两套不同的MAP图。车队因
此决定采用两套不同的标定，在耐久赛中兼顾
燃油经济性，而在其他项目中使用动力性最好
的控制策略
MDU 220仪表盘同样具有一定的数据采集
功能，并且具有内置的三轴加速度传感器。配
合悬架位移传感器，方向盘转角传感器以及制
动油路油压传感器，能够更好地分析车手的驾
驶行为，指导车手的训练和底盘调校
在变速箱控制方面，车队仍然采用了自制
控制器实现拨片换挡功能。为提高换挡的操控
性及可靠性，改电控气动为电控电动，保留原
有的拨片机构及换挡策略而选择直流减速电动
机作为换挡执行机构。相对于气动换挡，电控
电动的换挡方案具有两个优势：1）取消了气压
系统，简化控制系统结构，提高可靠性；2）电
动机取代气压执行元件，减少了气压元件动作
的误差，使得系统的控制方法上更简单，控制
的精度进一步提高，反应动作更加准确。同时
电动换挡实现了500克左右的减重，并将换挡
时间缩短至0.2秒以内
六、 发动机
今年车队沿用了铃木GSX-R 600的四缸发
动机，一方面考虑到中国赛赛道的高速段更多，
一方面则考虑到发动机的稳定性。车队主要针
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对进气效率和冷却可靠性进行了优化设计
由于规则的限制器要求，发动机进气量收
到了一定的限制，因此进气系统主要的设计目
标是尽可能减小进气系统的进气阻力，减小沿
程压力损失。车队参考了去年的设计，对不同
的限制器扩张角进行了仿真并比较了其压力损
失和气流分离，发现2°扩张角的限制器的压力
损失最小，故最终采用。采用类似的方法，车
队比较了不同的限制器出口，集气箱几何和进
气歧管开口，并选取了仿真结果最优的设计
根据Helmholtz谐振理论，进气歧管的长度
将影响最大转矩出现的转速。由公式
计算得知，172mm的进气歧管长度
可使最大转矩出现在7000~8000转/秒。车队因
此采用了160mm的进气歧管长度，使转矩峰值
更早出现，提升发动机的加速性能
在集气箱容积的选定上，参考L. J.
Hamilton和J. E. Lee在一满足FSAE规则要求
的四缸发动机上进行的集气箱容积比对试验，
车队选择了3.4L的集气箱容积，略低于6倍发
动机排量，既减小集气箱压力突变，又保证较
快的发动机响应
冷却系统是发动机稳定性的重要保障之一，
但其设计、优化具有一定困难。乘用车的经验
公式过于保守；而GT-Cool仿真需要的很多参
数车队难以准确获得，故无法得到准确的仿真
结果；此外，由于空气动力学套件和车轮对通
过散热器的气流影响较大，故风洞内的实验也
不能很好地模拟赛车工况。因此，车队采用了
试车实验的方法，在13年的赛车上进行了冷却
系统的匹配测试，比较了两个型号、不同迎风
面积（0.09 m2和0.12m2）的散热器，散热器安
装位置考前或靠后以及是否安装风扇集中不同
情况下的散热效率发现取较大的迎风面积，靠
后安装的散热器并使用一个风扇，可以满足赛
车的工况。车队分析认为，靠后的安装位置可
以减小冷却气流受到的干扰，同时冷却液管路
的沿程损失也较小，散热效率更高
七、 机械结构设计
在前几年的赛事中，对轻量化的重视为车
队带来了一定优势。意识到继续投入大量的精
力已不能得到较高的回报，在新车的设计中车
队更重视设计过程的高效性和科学性，并总结
出“拓念设计-几何设计-CAE、实验验证”的设计
流程。以立柱的设计为例，车队先通过
Hypermesh的OptiStruct求解器进行了概念设计
（图5），得到了制动、转向等不同工况下的应
力流。基于此，在兼顾加工可行性、保证刚度
的前提下设计了材料分布更优的三维几何。再
通过ANSYS对其安全性、刚度进行仿真，验证
设计合理性。经过重新设计的前后立柱，重量
分别为501g和517g，在加大了轮毂轴承跨距的
情况下仍有20g~30g的减重，而等效的刚度并
未发生明显下降（在1.8g的侧向加速度下，立
柱形变带来的Camber变化仅为0.03°）。类似的
设计过程也被应用到了悬架摇臂、可调踏板、
差速器支承以及尾翼支承等结构上，充分提高
了机械结构设计效率，使车队有更多精力专注
于整车系统的设计和匹配
八、 人机工程
为了给车手提供更好的驾驶体验，新车优
化了拨片换挡系统和可调踏板，并根据对所有
车手的坐姿、身材测量得到的数据，专门设计
并加工了一个碳纤维座椅
通过搭建一个人机工程的台架（图6），车
队测量了各个车手的坐姿，包括靠背角、方向
盘高度以及角度以及脚部位置等信息。这为座
椅的设计通过了重要的依据。通过多次设计和
修改，为车手们量身定做的座椅能很好地贴合
其后背，同时加强了大腿和肩部两侧的支撑，
减少车手在驾驶过程中的左右摇摆，提高车手
的舒适度，让车手能够更加专注地发挥
今年参赛车手的身高仍然具有较大差异，
从165cm到185cm，因此车队仍然沿用了去年
的可调踏板设计（图7），并进行了几项优化
首先，可调踏板的设计同样参考了人机工程台
架的试验数据，使得车手的坐姿更加舒适。其
次，操作也更加简便，车手可以在车内自行调
节，可调档位也较去年更多。通过拓扑优化的
帮助，可调踏板组进一步减重。此外，油门踏
板的设计保证了节气门控制的线性度。通过作
图法，选取油门踏板四杆机构多个角度的位置，
调整其相对位置关系，优化油门踏板角位移和
自制转阀节气门开度的线性关系
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图1 悬架传递比与悬架位移关系
图2 车架扭转刚度试验
图3 四种扩散器结构的下表面压力分布比较
图4 半车CFD仿真网格示意
图5 后立柱拓扑优化仿真结果
图6 人机工程试验台
图7 可调踏板。