2.整车设计
2.1 底盘部分
2.1.1 车架
车架采用空间桁架结构，选用高强度4130钢管，焊条为H18CrMoA，通过氩弧焊来完成车架的焊接
HQU-04赛车车架的设计重点如下：
1.着重考虑人机工程学，使车手具有舒适的坐姿和宽阔的视野，将前环改为六边形的设计，优化了车手的腿
部空间；
2. 通过与悬架、发动机、传动等系统相互配合、合理布置，降低整车的重心；对结构进行优化，在满足规则
要求和安全要求的前提下，通过ANSYS进行扭转工况、弯曲工况的有限元分析，减少不必要的杆件或使用轻量化
的管件，使结构更加紧凑以实现轻量化的设计目标。HQU-04赛车车架总重量32kg，较HQU-03赛车减重8kg
3.优化发动机的固定方式，通过模态分析等方法优化发动机固定支架结构，减小发动机与车架共振。通过在
有预应力的有限元模型上，对车架的前六阶振动频率进行提取（嘉陵600发动机的怠速取1500±250r/min，怠速
频率10.42~14.58Hz）。车架的各阶频率有效的避开了发动机的怠速频率
2.1.2 悬架系统
HQU-04赛车悬架主体采用不等长双A臂拉杆的布置形式。赛车轴距1550mm，前轮距1200mm、后轮距1150mm，满
载静态271mm的重心高度。与HQU-03号赛车相比重心高度降低19mm，以期更好的操纵稳定性表现。轮胎轮辋部分
沿用Hoosier的18.0x6.0-10 R25b轮胎，配合2片式碳纤维轮辋，轮胎轮辋部分的质量减轻1.7kg，降低了簧下质
量，在满足轻量化设计目标的同时使悬架系统拥有更好的动态响应能力，从而使车辆具有更好的操控性。在考
虑HQU-03号赛车操纵特点及受力特征的基础上，阻尼器选用了Ohlins TX25mkii以及275 lb/in的减震弹簧；通
过对积累数据的综合比较，计算选择了车辆在极限工况下的基本运动学参数，并以此为基准确定悬架系统线刚
度（车架到轮心）、侧倾角刚度（车架到轮心）、压缩/回弹阻尼、悬架偏频的初始值
同时对于悬架的设计进行一定优化，主要体现在：
1、前后悬架在满足悬架动力学特性的基础上改善悬架杆件受力特性，从而使选用更轻更薄的A臂杆件成为了
可能，满足了轻量化的设计思路。同时考虑到低制造成本和高可靠性的设计目标，HQU-04没有使用碳纤维悬
架。拉杆布置，巨大的摇臂、阻尼/弹簧被车架底部，降低了车身空气动力学优化难度，同时降低整车重心
2、适当提高后悬架侧倾中心高度，提高了后悬架载荷转移速率，与前悬架更加匹配
3、通过对TTC轮胎参数的相关研究，建立相关轮胎模型，进行Adams等CAE软件的运动学仿真，通过大量CAE仿
真以及设计计算的验证，增加了仿真的准确性
经过运动学几何初始设计后，便着手进行结构设计，主要是立柱、摇臂及吊耳的设计。结构设计时首先是选
型与选材，在优先满足加工工艺，低制造成本以及零部件的力学性能后，我们确定了45#钢，7075系列、2024系
列以及6061系列的铝合金材料组合，在进行了大量市场调研后选择了一系列标准件作为设计的参考基础
以Upright的设计为例，Upright作为轮边结构，是车辆虚拟主销的构成部分，主要用于安装轮毂轴承、悬架
系统上下A臂铰点、制动系统卡钳，是轮边结构中最大的结构件，承受着由于车辆转向、加速和制动时的加速度
而产生的载荷转移，以及悬架跳动而引起的冲击载荷，复杂的力相互作用要求Upright应具有极高的可靠性；同
时Upright属于簧下质量，对车辆悬架系统的动态响应及整车的操纵稳定性有较大的影响。较小的簧下质量，可
以产生较小的惯性力，更易于获得好的动态响应和操作稳定性；作为轮边乃至整车结构中最复杂的零部件，轻
阶数
频率
（Hz）
振型描述 阶数
频率
（Hz）
振型描述
1 98.01 主环顶部扭转 4 199.05 前舱横向弯曲
2 135.48 前舱顶部横向摆动 5 207.33 前舱纵向弯曲
3 164.05 纵向弯曲 6 234.96 主环及斜撑扭转以及侧防撞的横向摆动
量化设计往往意味着较差的加工工艺和较高的造价对制造成本的控制是重大的考验。在这三者相对矛盾的要求
下要做到协调统一，是比较困难的。在总结往年设计经验的基础上，通过利用ANSYS Workbench进行设计优化，
在保证upright结构可靠的同时，降低Upright质量，以使悬架系统拥有更好的动态响应能力，从而使车辆具有
更好的操控性。HQU-04赛车的前Upright重量为461g，较HQU-03减重11.3%，后Upright重量为615g，较HQU-03减
重6.8%
而在对前后ARB的设计上，为使赛车的赛道适应能力更强，我们通过对ARB连杆进行三级可调式结构设计，以
提高赛车对不同赛道情况、比赛条件以及车手驾驶习惯的适应能力
2.1.3 转向系统
转向系统的设计根据襄阳梦想赛车场赛道情况，将最小转弯半径定为3700mm，转向传动比设4.5:1，实际最大
转角为28.5°，偏过度转向的设计能够有效提高车手在赛场上的表现。在梯形臂的设计过程中，我们运用
Matlab计算、设计梯形臂长度和底角，通过Adams协同悬架系统仿真，使得前束角变化在轮胎跳动时变化符合设
计预期。HQU-04的梯形臂长为77mm，比HQU-03短5.17%，减小齿轮轴分度圆直径，提高转向系统的轻便性。在结
构设计上，我们采用铝制转向器外壳、碳纤维管作为齿条包裹物，转向总成总重3.15kg，较HQU-03号车减重
19.2%（HQU-03号转向器总成3.91Kg），符合轻量化的设计目标。在实现轻量化的同时，又减小了零件尺寸，降
低了材料成本
2.1.4 制动系统
制动系统对赛车性能的发挥有重大的影响。制动系统可靠性、制动稳定性及优良的制动性能是制动系统的设
计目标。我们考虑以下因素:
制动系统采用的是双主缸控制的II式布置双回路四轮盘式制动。前后采用5/8英寸制动主缸。前卡钳采用双活
塞浮动卡钳活塞（直径28.8毫米）,后卡钳采用双活塞浮动卡钳（活塞直径25.5毫米）。车手对踏板的踏板力通
过平衡杆按照预设比例（可实时调节）分配给前后主缸。通过在驾驶过程中对平衡杆进行实时调节，赛车在路
面附着系数为0.5—1.4的路面上都能有良好的制动效果（最大制动减速度为1.4g）。前后制动盘都采用188mm浮
动式刹车盘，内、外盘通过安装销结合，销、盘具有微小间隙，使刹车盘外圈有一定的轴向移动空间。在增强
了散热效果的同时，提高了制动效果，同时减轻刹车盘重量。轮毂通过CAE分析，优化了轮毂结构，降低悬架系
统的簧下重量，提高悬挂动态响应能力，从而提高了车辆的操控性
2.2 动力总成
2.2.1 发动机及电控系统
发动机部分
HQU-04赛车动力部分沿用嘉陵JH600单缸水冷四冲程四气门发动机。JH600发动机扭矩大、整机稳定性突出，
符合整车高可靠性的设计预期。同时此款发动机在同系列发动机中价格低廉，性价比高，满足低制造成本的设
计目标
HQU-04赛车动力部分为适应其具体使用工况，做出以下几项改进：
1.进气部分，限流阀的进出锥角是根据文氏管设计的，以最大程度的减少限流阀对进气气流沿程流动损失的
影响。同时HQU-04赛车节气门形状经过优化设计，整合限流阀，进气总成体积明显减小，重量相比去年下降30
﹪，最大程度的实现轻量化。进气管后段设计了容量为3L的稳压舱，利用Fluent进行流场分析，优化了进气环
境，减少管内紊流现象以起到稳压的作用，使发动机更适应加装限流阀后的工作环境
2.排气方面，今年最大的改动是将排气管直径缩小至35mm，从而增大了排气速率，有利于发动机扭矩的输
出。同时排气管直径统一，弯曲处曲率半径相同，使排气时管内压降均匀
3.冷却系统方面，今年采用并联式水箱设计。水箱为铝制，质量明显轻于原厂冷却系统。双水箱总散热面积
达到98700mm，同比去年增长近50﹪。在增强了散热效果的同时，又可以节约大量空间，有利于车身设计
4.为了使赛车在大侧向加速度工况下供油平顺，油箱采用油泵纵置、底部收缩且分层设置隔板的布置形式
电控部分
1.ECU部分采用马瑞利SRA-E进行点火喷油参数标定，以使发动机在限流阀存在情况下的达到较好的功率输
出。我们在赛车上设置了高转速断油保护和电池电压监控预警、水温警报等功能，满足可靠性的设计目标
2.STC89C52RC 单片机作为控制部分，采用磁电效应式传感器对转速信号进行采集提取，并利用4个7段数码管
显示；同时提取JH600变速箱中档位传感器信号，以7 段数码管实时显示档位数值；采用LED显示水温警报和电
池欠压警报。仪表盘电路系统通过PROTEUS 软件绘制原理图，并进行系统仿真，达到预期效果后，用Altium
designer 软件绘制PCB 电路板，控制及显示电路系统集成于方向盘中,以达到紧凑的设计效果
3.气动换挡的驱动也是基于STC89C52 单片机。拨片换挡通过触动可复位开关，输出脉冲信号，进而控制继电
器对驱动气瓶进行换挡动作
2.2.2 传动系统
为了在不同赛况充分发挥轮胎性能，HQU-04赛车设计了两套主减速比（45/15和38/15），并在赛前实车中进
行测试比较，从而确定比赛中的最终减速比；我们选用德雷克斯勒限滑差速器，该款差速器为摩擦片式限滑差
速器，性能优异、传动效率高、重量轻、灵敏度高，可通过赛前测试调节锁紧系数以适应各种不同的赛况，从
而提高整车的操作性能；通过分析差速器的悬置结构的综合受力特性，使用ANSYS软件优化分析，HQU-04赛车差
速器悬置机构总重748g，较HQU-03赛车减重35.7%，同时坯料体积减少48.6%，大大的降低了制造成本；外球笼
以钢套的形式嵌入后轮毂，降低簧下质量（1.268kg），使悬挂系统拥有更好的动态响应能力,从而让车辆拥有
更好的操控性；HQU-04赛车的传动系统总重12.2kg，较HQU-03赛车减重20%（HQU-03赛车传动总成重
15.23kg）
2.3 车身及空气动力学部分
车身部分
HQU-04整车采用了囊包的设计概念，以期车身能够紧贴车架，HQU-04赛车车身体积较HQU-03缩小了大约20%，
减小体积的同时使车身质量大幅减轻，实现了轻量化的设计目标。车头与扩散器的连接处采用了曲面过渡，保
证了更多的气流吸入扩散器。侧箱俯视