燃油组02中国大学生方程式大赛哈尔滨工业大学（威海） hrtcn
设计简介
HRT在2014新赛季，颠覆设计，在碳纤维悬架、
气动换挡基础上，大胆使用单缸发动机、全单体壳，
以及10寸一体式成型碳纤维轮辋，2014赛季我们
力图实现HRT更轻，更快，更稳定！
设计目标
可靠、轻量、操纵灵敏、造型美观
设计准则
为了实现设计目标，我们严格遵守设计的三角
理论，所有产品的设计使用都经过如下过程：
理论分析
循环设计 试验测试
车身系统
全单体壳
经过对半单体壳3年的探索和优化后，我们突
破性的决定使用全碳纤维单体壳作为HRT_14C的车
身。较之于半单体壳，全单体壳拥有更高的整合度，
更高的扭转刚度（2572Nm/deg）和更轻的质量（包
含主环仅重18.5kg）
为了保证全碳纤维单体壳拥有我们预想的优越
性能，我们进行了如下过程的设计与优化：
铺层材料我们继续使用3K斜纹交织碳纤维预
浸布和夹心铝蜂窝，我们通过ANSYS在不同工
况下的动态静态分析，将整个单体壳分成了10
个不同的部分，每个部分的铺层各自不同，铺
层厚度从15.8mm到21.8mm不等。另外，在受
力较大的单体壳后部，我们使用单向碳纤维预
浸布作为加强层。为了尽可能减少重量和过剩
的刚度，我们制作了试验层合板，并进行了如
同3点弯曲试验和剪切试验等试验。最终，利
用试验数据结合ANSYS仿真分析，确定最优的
铺层方案
我们选择低密度、高强度的工程塑料作为预埋
件材料，经过大量的单双耳拉伸试验分析以保
证强度性能。最终，所有预埋件在满足强度要
求情况下仅重1.38kg
工艺方面，我们采用先进的真空导流的技术制
造上下阴模，并采用一体合模铺层，避免上下
合模带来的精度误差以保证设计的完整实现
人机设计
2014赛季HRT人机工程设计以让车手在比赛中
有更好的表现为最终目标。使用铝型材，木板等材
料搭建了人机模型。此模型可调参数包括座椅高度、
靠背角度、踏板位置、方向盘位置等。车队所有车
手都坐入模型进行模拟操作，并记录每个车手按照
自身习惯驾驶姿态下最舒适的人机参数。最终设计
出最符合本车队车手的人机模型
空气动力学套件
HRT14C赛车拥有包括鼻翼、尾翼和扩散器在内
的全套空气动力学套件（以下简称空套）。空套所提
供的下压力使得HRT_14C赛车在跑动过程中的抓地
力得到提升，极大地提高了过弯稳定性。首先，我
们对包括主翼、第一襟翼、第二襟翼和前缘缝翼在
内的组合翼型做了大量的仿真分析。在分析过程中，
我们特别关注了四片翼型的相对位置以获得最大的
升阻比。之后，我们又分析了端板的形状对翼型作
用的影响，并向下延长了尾翼端板，是尾翼获得更
大的下压力。并且，我们对扩散器的不同结构做了
对比，最终确定了这种五风道结构。在整车分析中，
我们通过侧箱的导流作用，减小了车身尾部的湍流
区，使其对周围物体的吸附作用减小，进而减小了
整车阻力，提升了扩散器的下压力。我们在座舱前
方增加了扰流板，以减少进入座舱的气流，进而减
少整车阻力。另外，我们切掉了鼻翼第二襟翼的一
部分，以保证散热器的进风量。在赛车跑动练习时，
我们还做了整车的气流模拟、空套下压力实测等诸
多实验来验证我们的仿真分析
底盘系统
悬架系统
悬架的设计是建立在赛道和轮胎的基础上的，
所以在设计初期我们首先在负载敏感、外倾角和侧
向特性等方面对我们的轮胎进行了更深入的了解
悬架的动态性能的设计是为了满足我们轮胎的需求
的，对侧倾和转向中的动态外倾特性的选择也同样
是以适合轮胎为前提的
我们关注悬架的动态特性，并对传动比、侧倾
中心进行了优化，校核并协调了整车前后的侧倾刚
度。我们不断尝试各种方法来控制底盘的瞬态的姿
态和避免轮胎接地面的突然变化
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弹簧质量系统的建立是为了优化阻尼系数。我
们运用Adams/car 对各个连接点的静态和瞬态
的工况的受力进行计算，以此来指导对我们的
机构和零件的设计
为了减轻簧下质量我们的车上装备了碳纤维悬
架。并在设计阶段根据不同工况运用有限元分
析对碳纤维复合材料的铺层方案进行了大量分
析。这是为了保证得到与减去的簧下质量等效
的刚度。为了确保铝接头和碳纤管之间粘胶的
强度，我们设计了一系列的拉伸、扭转的实验，
以此得到了十分可靠的粘接长度和粘接间隙
除此之外为了减小不确定性并保证悬架参数我
们在拉杆和摇臂上采用了有级调节
对于转向立柱、控制臂接头、摇臂和连接座，
我们运用了有限元对加速、制动、高速转向等
工况进行了校核以确保刚度和强度并进一步减
轻重量
我们设计与运用了碳纤维轮辋，是为了减轻簧
下质量增强操控稳定性。在优化轮辋的铺层上
我们运用了Ansys和Abaqus。在对有限元结果
的验证方面我们进行了大量试验台试验，其中
包括扭转疲劳试验、弯曲试验、径向载荷实验
使分析结果更加真实可信，并弥补了有限元分
析的不足
转向系统
作为赛车手控制赛车至关重要的部分，转向系
统的设计目标是使操控性能表现卓越
在TTC轮胎数据的帮助下，我们选择了平行转
向来提供在不同工况下的最优的内外轮侧偏
角
我们使用了ADAMS来帮助我们检验是否跳动转
向并且优化了转向特性
转向立柱上的分体式外销点节臂可以被替换与
调整，因此，我们有机会来弥补轮胎数据的缺
陷与不足
为了消除转向游隙，我们选择了滚针轴承的万
向节来提高使用寿命并且设计了一套偏心轮装
置来调整齿间间隙
我们使用了3D打印技术来制作出多个方向盘
的实体模型以供车手选择出一款最符合人机工
程的方向盘。同时，我们使用了塑料与镁合金
来代替铝合金作为零件材料来达到我们轻量化
的目标
制动系统
为了设计出轻质，稳定，并能提供足够的制动
力使赛车四轮同时迅速彻底的抱死的制动系统。我
们做了以下几点：
自制可调平衡杆使调节制动力分配变得更加容
易
有适当通风孔的制动盘能加速散热，避免制动
盘热衰退失效，这些通风孔还能起到导出磨下
的碎屑的作用以避免影响制动力
自制浮动销是用于限制制动盘的轴向浮动范围
同时提供少量径向浮动范围的，它使我们的制
动盘成为了真正意义上的全浮动制动盘
我们将制动盘内法兰集成在轮轴上，这样做可
以使我们的轮辋内布置更紧凑
踏板的设计完全符合人机工程学并且严格以制
动力的分配的计算为依据
全碳纤维加速踏板夹有铝合金芯材来保证它的
强度并在一定程度上取得了足够的耐磨性
传动系统
精心设计的传动系统可以稳定的传输巨大的扭
矩,良好的传动系统也需要高强度的设计同时有较
小的重量。经过计算和分析，基于单缸发动机
LD196MR的特性，并协调链传动的高效、稳定、轻
质，我们选用3.077的减速比。我们购买的LSD壳
体太重不能满足设计要求，7075 –合金铝是我们设
计LSD壳体结构的合适材料。经过多次ANSYS仿真
分析，我们也把7075-合金铝用于大链轮的制作，
同时尽可能减轻了差速器支撑差速器壳的重量
我们也在尝试新材料像碳纤维，LSD和悬挂通
过碳纤维半轴和钢制的三球销等速万向节连接在一
起,通过有足够强度的链来传输动力。碳纤维半轴比
钢制半轴有更高的强度比。同时我们还运用了一些
新技术，比如3D打印来制作球笼防尘套的安装座以
达到极限的轻质。同时我们进行了实际的实验测试
以证明我们的设计是可行的
动力系统
发动机改装
我们使用亚翔LD196MR发动机为蓝本进行修
改，将缸径从96mm改为100mm，压缩比从11改为
13.1，相应排量从450cc改为487cc.此外，为匹配
排量的增大，将凸轮改为大升程凸轮。经过GT-POWER
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的分析，发动机输出性能提升32%
亚翔LD450发动机是一款化油器发动机，我们
自行改为电喷发动机。我们在气门室罩上安装了凸
轮轴位置传感器检测凸轮的轨迹找到压缩行程，并
且将曲轴的齿圈改成24-2以更精确的找到压缩上
止点
进排气系统
2014赛季，我们为改装的发动机搭建一维
GT-POWER模型，通过对模型仿真，得到进气系统各
参数的变化对发动机性能的影响，初步确定进气系
统各基本参数，然后使用ANSYS FLUENT 进行三维
流场稳态及非稳态分析，目的是使得发动机在7500
转左右充分利用进气谐振效应获得最大充气系数
此外，进气系统使用碳纤维材料，实现轻量化，为
确定碳纤维铺层方案，我们使用ANSYS ACP模块进
行铺层分析，最终得到铺层方案。在后期的台架实
验中，我们通过实验验证了我们的仿真分析结果，
实验结果与仿真分析结果最大误差为9.6%，较好地
符合了仿真结果
跟进气系统一样，排气系统同样充分利用了
GT-power 仿真和使用测功机测试。我们进行了精确
的一维热力学和三维的CFD分析，经过台架实验测
试排气温度与分析的数据吻合程度为91.5%，而且
排温没有大的波动和过高的现象
燃油系统
我们对14赛季燃油系统要求为轻便，简洁，稳
定可靠。为实现这一目标，我们选用CRF450电喷版
原装油泵总成，实现油箱内部稳压回油，将供油压
力稳定在3.5Bar，去掉了外部回油管路，使得燃油
系统更为简洁可靠。此外，我们使用BOSCH 12孔喷
油器，获得了更好的雾化效果。在油箱设计方面，
我们使用ANSYS进行油箱晃动分析，优化隔板位置，
使得赛车在1/3燃油的情况下，侧向加速度2G，纵
向加速度2G的情况下油泵能够稳定吸油工作
冷却系统
参照去年国内其他车队同型号发动机标定功率
和燃油消耗率，初步确定散热器设计