#039南京理工大学NUT车队2014年设计报告3.
赛车的设计与分析描述
3.1
悬架及转向系统设计
悬架系统设计利用ADAMS软件对赛车后悬架进行多刚体运动学分析，在分析的基础上针对出现的问题对
悬架的几何结构进行优化，如改变后悬架的上下横臂的空间位置避免了零件之间的相互干涉。悬架总成包括前悬上
下横臂、后悬上下横臂、推拉杆、前束角约束杆以及四套轮边总成。在悬架的设计与分析中，可以将其分成前悬总
成和后悬总成，两套单独分析，各种分析条件相仿，但具体参数有所不同。对后悬架的运动学仿真分析的过程如下：
首先在CATIA中根据原始设计尺寸建立几何模型，测出各个零件的硬点坐标、动力学参数，之后在ADAMS中
依据所测出的相关数据建立简化模型。仿真采用双轮同向激振实验，即对其左右侧车轮轮心处同时施加同向位移，
进行轮跳仿真试验。依据大赛相关规定，采用上下跳动30mm的参数设置，得出的相关参数变化如图
图1仿真结果表明，赛车处于静平衡状态时车轮外倾角为-1°；随着车轮上跳，车轮外倾角的数值减小，上跳
30mm时变化为-2.33°；随着车轮下跳，车轮外倾角的数值增大，下跳30mm时变化为0.24°。因此，车轮外倾
角随车轮的变化为2.57°/60mm，对赛车悬架而言变化在可接受范围内
图2仿真结果表明，赛车处于静平衡状态时后悬架轮距为设计初值1180mm，随着车轮上跳下跳，轮距的最大
变化范围是1178.4～1187.2mm，轮距随车轮跳动的变化为8.8mm/60mm，变化率较小，可以接受
图3仿真结果表明，后悬架的静态有效刚度为17.8N/m；随着车轮上跳，悬架有效刚度略有减小，上跳30mm
时变化为18.7N/m；随着车轮下跳，悬架有效刚度的数值有所增大，下跳30mm时变化为16.3N/m。因此，悬架有
效刚度随轮跳的变化为2.4N/m/60mm，变化率较小，并且车身发生侧倾时，悬架刚度增大，有利于保持车身的稳
定，综上后悬架的有效刚度不需进行优化
转向系统设计赛车转向系统采用自行设计制作高效率的齿轮齿条式转向器，针对比赛对转向间隙的要求
进行结构优化。为适应新的比赛场地，赛车设计了阿卡曼特性及平行转向特性的两套转向参数，采用两段式转向柱，
保证赛车的安全性。由悬架与转向系统共同优化了与转向力矩有关的转向梯形参数，前轮定位参数及磨胎半径（Scrub
Radius）等参数，实现转向力矩的减小，减轻车手负担。同时在转向系统上加上角度传感器，显示方向盘转过角度，
更加精确的表示出车辆在转弯时的角度，给车手更直接的数字化反馈
3.2动力与传动系统的设计与研究
发动机动力特性的设计为使发动机适应比赛规则对进气系统的限制，并使发动机的动力特性更适合FSC
比赛，选择GT-Power软件对动力系统性能进行仿真预测。利用GT-POWER软件搭建发动机模型如附图4，根据适合
工况下发动机功率转矩曲线，选择出合适的进气歧管长度，如附图5、图6所示。图中L值是指进气歧管的长度，
在GT-Power仿真中选取了该参数作为优化变量，通过图表可知，进气歧管对发动机在高转速下的功率有较大影响
根据赛车实际驾驶中常用的转速范围大约为6000r/min~12000r/min，初步分析可以得知进气歧管长度L=280mm时
发动机功率在此范围内爬升较快，并且其最大转矩点位于8500r/min附近，此动力特性较为适宜，故选择L=280mm
的曲线。在规则对发动机进气系统进行限制的条件下，为提高发动机充气效率，并保证发动机各气缸
进气量均匀，对自行设计的进气歧管进行流体力学分析
利用Catia建立三维模型，划分网格后，将其导入Fluent软件进行模拟。采用可压缩的ske黏性流体模型，边
界条件设置为压力入口和压力出口，压差为10kpa。结果表明，设计结构可保证进气流动与压力的均匀性，如附图
8、图9所示。由排气的动态效应确定了排气歧管的长度，为了尽量减少各缸排气干扰，歧管采用4-2-1的布置方法，
并使用了波纹管进行热解耦。材料上选用了更耐高温的409不锈钢管。最后通过使用MoTeCM84更换原厂ECU，对
喷油脉宽和点火提前角等参数进行调整，并在电涡流测功机上实现优化和验证，对比数据
#039南京理工大学NUT车队2014年设计报告气动拨片换挡系统为提高赛车操纵的便利性及可靠性，在保留手动换挡的条件下设计了独立的包含自动
离合控制及空档控制气动换挡操作系统。该系统采用瓶装高压C02气体为动力源，微型气缸为执行元件，结合以
STC15F104E单片机、电磁阀为主体的控制电路，实现了赛车换挡时的自动离合操纵，利用单片机，可以在试车测试
中实现换挡与离合间延迟时间的调整。为使离合器的接合更加平顺，优化了离合控制执行机构，加入了回程调速模
块。通过加入具有反馈控制机制及调速回路的空档控制模块，能够在不改动原有档位顺序的情况下通过按钮或拨片
使赛车置入空档，提高了系统的实用性与安全性。其控制原理如附图7所示
3.3
可变空气动力学套件设计及分析
空气动力学套件
CFD
分析通过在NACA翼型库初步选择在低速下具有较高升阻比的厚翼型，并在catia软件
中绘制翼型的二维截面图，将二维翼型截面及建立好的计算域导入至Gambit网格划分软件中对计算域进行网格划
分，得到翼的外流场的离散化模型。在Gambit软件中对截面及计算域进行处理，赋予各个几何元素边界条件。向
Fluent软件中导入Gambit生成的网格文件并进行必要的处理后，对流场分析的模型、流体性质及边界条件进行定义，
分析者根据实际情况将流场定义为RNGk-epsilon湍流模型下的无粘流体流场
根据前翼、尾翼二维流场分析的结果，对尾翼在整车中的位置进行布置。根据初步的位置布置，将前翼与尾翼
的三维模型与整车装配后利用Gambit、Fluent软件进行三维计算机流体力学分析，得到三维状态下前翼、尾翼的空
气动力学特性，并根据计算结果对翼的位置、部分翼型参数及整车外形进行适当调整，得到最终的翼型方案及布置
方案。根据三维赛车外流场分析，得到最终尾翼、前翼及整车的空气动力学特性。由于车速远小于0.4马赫，可忽
略空气的可压缩性。先使用无黏模型建立初始流场，然后改用ske黏性流体模型，求解后根据经验规律对翼型的前
缘和局部进行优化
根据赛车外流场分析结果，对赛车不同尾翼攻角在各个车速下车速下的空气阻力进行计算，分析其影响，低阻
力的尾翼攻角对赛车在70km/h车速以上的空气阻力降低明显，根据赛事官方统计，赛车在大直道末端一般能够达
到115km/h车速，取该工况下数值进行分析可得攻角的变化使赛车风阻降低了19.7%，综上可以初步得出赛车采用
可变攻角的尾翼对圈速的提升有明显帮助。同时设计了一套通过改变襟翼角度实现阻力减少的系统(DragReduction
System)正常行驶时此套件可在20m/s的速度下，总计产生负升力618.9N，阻力139.1N。开启DRS后在直线加速时
可将阻力减少为25.8N其部分分析如附图10、图11所示
3.4
数据采集系统设计及分析
集成显示系统设计赛车为提高车手的操纵效率，减少操作失误，设计了一套集成显示系统。该系统采用
89C52单片机完成行车信息的采集与处理，得到车速、发动机转速、冷却水温度、油量及其节气门旋转角（油门大
小）等指标，然后驱动LED灯组构成的仪表来显示数据。仪表数据由发动机自带传感器获得，利用多路开关，分时
序采集并实时更新数据，利用单片机外部中断检测脉冲，准确性好，效率高。仪表放置于前环，即满足人机工程学，
又方便布线减少干扰
行车信息采集系统设计为得到赛车动态数据，以便验证设计以及失误分析，在赛车上安装传感器以及信
息采集系统。数据信息具体为各轮轮速、方向盘转角、整车加速度等。各轮转速由安装在四个车轮上的霍尔传感器
产生的脉冲计算得出，方向盘转角由转向柱角传感器得出，采集的信息由单片机处理后存入SD卡或由无线模块传
输到上位机，同时由配套的上位机软件进行数据再现及分析。整车加速度信息还可以作为空气动力学套件的控制量，
由加速度控制尾翼位置，实现自动可变尾翼
#039南京理工大学NUT车队2014年设计报告4.
分析与测试清单
分析或测试项目对象所用工具主要目的
有限元分析钢管桁架焊接总成、悬架轮边零
件、后驱动桥零件、进气腔等
Ansys、Catia、
Midas
保证各零部件的强度,
并进行轻量化设计
空气动力学分析进气腔、空气动力学套件、整车
外形
Fluent1.优化进气腔形状
2.获得合适的空气动力
学套件参数
发动机台架调试发动机及变速器电涡流测功
机、MoTeC
获得良好的发动机动
力特性及经济性
碳纤维圆管拉伸
实验
碳纤维圆管万能力学试
验机
测试碳纤维圆管胶粘
工艺的力学性能
多体动力学分析赛车悬架系统Adams优化悬架部分参数
#039南京理工大学NUT车队2014年设计报告附图：。