FSC 2014 设计报告 吉林大学 吉速车队
FSC 2014 Design Report2
3.1.1 双稳压箱设计
Gspeed2014发动机率先引入源自于WRC赛车和
勒芒原型车上所使用的双稳压箱进气系统
（Dual-Plenum），其概念来源于世界拉力锦标赛
（WRC），通过一级锥形腔体与渐窄狭缝均匀分配气流，
然后通过二级胶囊型腔体减速稳压。双稳压箱结构尤
其适用于带限流器的小排量涡轮增压发动机。双稳压
箱平均分配气流的效果要大大强于一级稳压箱，各缸
气流流量差异小于1%，而2013款发动机使用的一级
稳压箱仅能达到3%左右。更高的缸间均匀程度不仅仅
会改善发动机的动力性与经济性，更有利于发动机的
平衡与平顺。此外，双稳压箱还可以提升中等转速区
间的扭矩表现，这尤其适合于FSAE比赛中发动机长
时间工作于中等转速区间的特点
3.1.2主动式涡轮增压技术
Gspeed2014发动机的涡轮增压系统以优化动力输
出特性、恢复发动机功率为设计目标。在传统涡轮增
压器的基础上，引入了主动式增压控制技术，通过真
空驱动的泄压执行器和PID控制方式，实现了多段式
增压值闭环控制策略：在中低转速区间逐步提高增压
值，以提升低转速下的转矩；在中转速区间维持较高
进气压力，以拓宽最大转矩平台；在高转速区间迅速
降低进气压力，以实现恒功率输出并降低泵气损失
3.1.3发动机管理系统
Gspeed2014发动机使用了MoTeC M84电控系统和
基于“质量-流量法”的控制模型。在标定过程中引入
了目标转矩控制的思想，以发动机转速、节气门开度、
发动机温度为输入变量，以发动机输出转矩为控制目
标，实现更为线性的转矩输出
Gspeed2014发动机升级了牵引力控制（TCS）与起
步控制系统（LC）。该系统基于分段式PID算法，通过
推迟点火提前角和中断点火的方式控制发动机的转矩
输出，将驱动轮的滑移率始终控制在最理想的范围内
3.1.4干式油底壳润滑系统
Gspeed2014发动机配备高端赛车的干式油底壳系
统。此系统不仅解决了传统润滑系统在大加速度极端
工况下供油压力不足的问题，更是将发动机高度大大
降低。同时通过重新设计储油罐结构和油盘结构，使
得其重量较上赛季降低30%
3.1.5电控热管理系统
Gspeed2014配备有电控热管理系统，以电子水泵
取代了传统发动机的机械水泵、节温器和小循环水路
该系统以发动机水温为控制目标，随水温升高逐渐增
大冷却系统循环流量，当水温达到门限值即开启散热
风扇。此方式既满足了大功率增压发动机的散热需求，
又减少了发动机的机械损失，有益于发动机的动力性
和经济性
3.2传动
Gspeed2014赛车沿用链传动和电机换挡技术，搭
配有CUSCO摩擦片式限滑差速器，并自行设计了质量
较轻的差速器壳体，将差速器质量由4.6kg降低至
2.5kg，减重比例达80%
Gspeed2014传动系统的设计注重与赛道本身的结
合，同时充分利用了仿真软件的优势。主要有以下三
点创新：
在主减速比的确定中，以最佳动力性为设计目标，
选择轮胎附着条件和发动机转矩特性为约束条件，使
用整车仿真软件优化主减速比的设计
利用Matlab/Simulink仿真平台建立了一个包含
限滑差速器的七自由度整车动力学模型，根据赛道特
点设计典型工况，探讨差速器锁紧系数对操纵稳定性
的影响。通过调整锁紧系数使赛车拥有更加出色的操
纵性能
使用电动伺服离合器系统取代机械控制，以离合
器控制拨片转角为输入量、步进电机作为执行机构、
电机转角作为输出，从而控制离合的开度。步进电机
加速过程采用有限供应成长模型曲线，具有低速时低
加速度、中速时高加速度、及高速时低加速度的优点，
能有效降低频繁离合时的丢步。全离合的动作时间为
1.3s左右
4 底盘
4.1 悬架
Gspeed2014的悬架设计，在轮胎试验、阻尼试验
和KC试验的基础上，通过多体动力学分析和有限元分
析，进行了几何参数匹配和结构优化设计，以期解决
上赛季存在的侧倾中心变化过大的问题，进一步提高
赛车的极限性能和响应特性并进一步实现轻量化。悬
架部分参数如表4-1
表4-1 悬架部分参数表
悬架参数 前 后
悬架形式 不等长双横臂独立悬架，
减振器上置，有横向稳定杆；
轮胎规格 Continental205/510 R13
侧倾中心高度 18.6mm 42.1mm
静态车轮外倾 -4deg -3deg
静态车轮前束 -0.5deg 1deg
主销后倾角 3deg —
主销内倾角 8deg —
线刚度 33.9 N/mm 37.2 N/mm
侧倾角刚度 0.53deg/G 0.55deg/G
偏频 3.6 Hz 3.4 Hz
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在结构和布置上采用前后不等长双横臂独立悬架，
统一采用推杆配合阻尼器上置方案，并配备横向稳定
杆。赛车侧倾时，质心和侧倾中心的位移进一步降低，
1G侧向加速度下前后悬架侧倾中心横向变化仅有
11.6mm和21mm，相比于2013赛季前后150mm的位
移大幅度减小，改善了赛车在弯道中的姿态变化规律
和赛车响应特性
悬架几何的设计以轮胎性能作为依据，根据轮胎
数据，获得了基于魔术方程的轮胎模型。依据轮胎数
据所反映的轮胎附着特性，控制极限工况下外侧车轮
外倾角在-3deg左右；采用前轮负前束、后轮正前束，
可以有效提高入弯的灵敏程度
在悬架动力学特性上，考虑空气动力学装置的作
用与场地较为平坦的特点，结合前几年的实车试验，
将偏频定为前3.6Hz，后3.4Hz，侧倾角刚度0.54deg/g，
以降低赛车的侧倾角度、改善赛车的响应特性，同时
减小车轮和路面间的动载荷，保证赛车有较好的附着
针对减振器，我们利用阻尼特性实验和数据采集系统
获得的数据，合理选择拐点速度，并采用低频大阻尼、
高频小阻尼的设定，改善了赛车在载荷转移时的姿态，
并降低了路面高频输入造成的附着损失
Gspeed2014更加注重悬架的调校，在实车测试中
根据不同的赛道对轮胎定位参数、胎压、前后悬架的
刚度、阻尼进行适应性调校，并利用悬架位移传感器
分析悬架的压缩和回弹速度分布
悬架结构设计方面，在保证悬架几何和零部件强
度的基础上，进一步实现轻量化设计：
悬架部分杆件选用碳纤维材料；
采用一体式轮毂，将制动盘法兰、轮辋法兰合二
为一，使用中央螺栓和钛合金销钉进一步实现轻量化，
减重效果明显，前后轮毂质量分别为510g和549g
立柱有7075铝合金数控铣加工而成，采用拓扑优
化设计，具有大量镂空结构，前后立柱质量为550g和
479g
4.2 转向
Gspeed2014的转向系设计，以保证内外轮转角关
系、提高传动效率、降低车手体力消耗和减少空间占
用和自重为设计目标。考虑到赛道较为紧凑、平均速
度不高，并兼顾转向灵敏性和转向轻便性，转弯半径
为4.2m，转向系传动比为6，转向手力约为150N
转向梯形的布置方式为下前置，并采用35%阿克
曼率和平行转向两套转向梯形，以满足不同比赛项目
和不同的驾驶风格。转向梯形的调整通过改变转向横
拉杆与转向节的连接点来实现
整套转向系统均自行设计，转向器为齿轮齿条式，
其壳体质量仅为48g；齿轮齿条为斜齿硬齿面，啮合性
好，间隙较小，提高了其承载能力。快拆器总质量低
于100g，内嵌有快速电缆插头，避免了外设线路引起
的冗余。方向盘为碳纤维制作，轻巧坚固，并整合有
多功能显示屏、换挡提示灯、报警灯、换挡拨片以及
ABS/TCS 调整旋钮
4.3 制动
Gspeed2014装备有防抱死制动系统，并在2013
赛季的基础上完善了底层算法和控制策略，以显著提
高赛车的制动性能，并防止制动时因车轮抱死而造成
的失控，同时有助于在循迹制动时发挥后轮的附着能
力。此系统的液压控制单元（HCU）采用Continental
Teves MK70，并自行设计了控制器硬件和控制算法
控制策略采用车轮滑移率门限和车轮角加速度门限相
结合的方法，轮速的估算则主要采用“最大轮速法”，
系统的主要参数通过PV特性试验和路面制动试验来进
行标定
为了满足不同身高的车手，制动踏板位置可调；
为了便于车手调节制动力的分配，平衡杆上带有软管；
制动踏板采用铝合金加工而成，杠杆比大于7，踏板力
仅为240N；经过有限元分析进行减重设计，质量仅为
180g。主缸采用完全竖置的布置方案，制动踏板组的
纵向长度仅70mm，大大节省了空间
卡钳采用后置式安装，以降低制动时对轮毂的弯
矩，有利于轻量化设计。采用浮动式制动盘，防止偏
磨现象、延长摩擦块使用寿命
5 车身与空气动力学
5.1 车身
Gspeed 2014车身设计灵感来自于黑曼巴，冷酷的
外表下隐藏着无限的爆发力，整体外观给人带来一种
蓄势待发的感觉
车身采用碳纤维环氧树脂复合材料，车身整体质
量较轻，质量仅为4.5Kg。合理的车身分块设计使得拆
卸车身时无须拆卸悬架，方便快捷且稳定可靠
5.2 空气动力学
Gspeed2014赛车的空气动力学设计围绕提高赛车
负升力、优化前后负升力的分配和降低气动阻力进行
Gspeed2014赛车通过整车风洞试验对空气动力学设计
效果进行验证，利用空速管对赛车周围流场进行测定
Gspeed 2014赛车配备有三段分层式变截面前翼，
双层双襟翼式可调尾翼，带有分离劈的三通道式扩散
器：
前后翼分析：前后翼翼型通过CFD分析，对翼型攻
角、前后缘半径、翼型厚度、弦长、主襟翼相对位置、
端板形状等进行优化，前后翼的第二片襟翼上采用
Gurney襟翼。考虑到发动机散热的要求，前翼采用分
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段变截面翼，减小中间段襟翼攻角，使气流通过侧箱
和尾翼，提高散热器的散热效果，并在赛车的中后段
部产生下压力。尾翼的主翼上方加装翼片，使尾翼下
压力提高20%
●侧箱与扩散器：气流在