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：气流在扩散器与鼻锥组成的楔形
区域形成高压，增加下压力。侧箱底部的通道设计成
特殊曲面，气流在侧箱中受阻减速，进而产生较大下
压力。扩散器两侧向下延伸形成侧裙，利用地面效应
增大下压力。侧箱外侧设计成复杂的几何形状，形成
导流槽，将赛车两侧气流加速引导到扩散器后方，提
高扩散器效率
●减小阻力：为了减少前轮的气动阻力，前翼端板
设计成略微向外的弧形，引导气流绕过前轮；鼻锥上
表面加装导流板，以应对上置阻尼的气动阻力；为减
少尾翼后方的气动阻力，抵消新增翼片的阻力，尾翼
端板上增加百叶窗式的导流孔
CFD仿真结果显示，引入空气动力学套件，使赛车
在115km/h的条件下，下压力为2200 N，极限侧向加
速度从1.4G提高到2.0G，升力系数为-2.582，显著
地提升了赛车的附着力和操纵稳定性
6 仪表与测试
6.1 仪表
Gspeed2014 赛车上采用了自行设计的赛车仪表，
显示设备采用了半穿透半反射式点阵液晶屏。仪表通
过CAN 总线与发动机ECU、传感器信号处理单元通
信，可以显示挡位、发动机转速、车速、加速度、发
动机水温等39 个参数，并在发动机工作异常的条件下
将触发报警功能。显示信息可以定制，并且支持翻页
功能，目前已添加圈速计时页面和发动机状态页面
同时，仪表带有换挡提示灯、外部按钮扩展接口和报
警灯扩展接口，方便进行扩展
6.2 数据采集及遥测系统
本赛季我们自行开发了数据采集及遥测系统，
Gspeed2014 赛车上配备了CAN总线数据采集器和基
于STM32单片机以太网功能的无线遥测系统。数据采
集器可以实时地记录CAN总线上的全部数据，并存储
到SD中。无线遥测系统可以读取CAN总线中的数据
并发送到场地附近的终端上，配套的数据处理软件可
以实时显示各种数据，以便掌握赛车的动态性能
Gspeed2014 赛车上安装有三轴加速度传感器、自
行设计的胎温传感器、悬架拉杆应力传感器、悬架行
程传感器、方向盘转角传感器和GPS接收机。通过这
些传感器，我们可以了解赛车的加速、制动和过弯性
能，以及悬架的压缩和回弹速度分布，从而更全面地
了解赛车的运行情况，为赛车调校提供依据
7 分析与测试技术清单
7.1 理论分析技术清单
理论分析 所用技术或软件
整车
轮胎测试数据拟合 Matlab数据拟合工具箱/魔
术公式MF5.2拟合
术公式MF5.2拟合
整车闭环系统仿真与控制 Adams和Simulink联合仿真
整车操纵稳定性仿真 ADAMS/CAR
动力总成
进气排气系统CFD分析 ANSYS Fluent
发动机功率扭矩仿真 GT-power
发动机散热系统分析 GT-cool
传动比设计 Matlab
差速器锁紧系数选择 Matlab/Simulink
底盘与车架
悬架K&C特性分析 Adams/CAR
悬架转向运动学仿真 CATIA/DMU
零部件强度校核 Hyperworks和Abaqus
ABS控制算法设计 Carsim和Simulink联合仿真
车架扭转刚度分析 MSC Patran
车身与空气动力学套件
前翼、尾翼流场分析 ANSYS Fluent
整车流场分析 ANSYS Fluent
7.2 测试技术清单
测试名称 所用试验设备
整车静态测试
风洞试验 汽车风洞实验室
质心惯量测量试验 转动惯量特性试验台
总成、零部件测试
发动机台架试验 电涡流测功机
悬架K&C试验 K&C特性试验台
阻尼试验 阻尼特性试验台
轮胎试验 六自由度轮胎试验台
静态轮胎定位参数测试 四轮定位仪
整车跑动测试
发动机工作参数测试 Motec M84
加速度测试 集成式三轴加速度传感器
方向盘转角测试 方向盘转角传感器
悬架位移测试 减振器位移传感器
零部件应力测试 自开发应力采集系统
赛道跑动圈速测量 AIM红外圈速计
轮胎温度测试 自制非接触式胎温传感器
CAN总线数据记录 自制CAN总线数据记录仪
整车无线数据传输 自制遥测系统
FSC 2014 设计报告 吉林大学 吉速车队
FSC 2014 Design Report5
发动机外特性曲线 双稳压箱气体流速云图 双稳压箱实物图
干式油底壳实物图 传动系统爆炸图（部分）
整车仿真模型 悬架装配渲染图 转向节应力云图（制动工况）
质心惯量测量试验 风洞试验 车身CFD分析
换挡电机ABS结构框架图 自制仪表PCB。