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图3 车身流线图
为提高赛车的操纵性，增设鼻翼、尾翼、扩散
器，利用ANSYS fluent模块进行空气动力学分析（如
图4），增加轮胎与地面的附着力
图4 车身压力分布图
根据profili软件分析翼型在各个角度的升阻
比，最终选取NACA6409作为主翼，根据翼型的失速
角度及升阻比仿真计算,选择clackY作为副翼
鼻翼的攻角设置为不可调型，主翼片5°，副
翼片分别为30°、45°
尾翼处的副翼片攻角可调，根据ANSYS参数优
化分析得出尾翼在各个工况下的攻角，如表1所示
表1 不同工况下尾翼角度设置
行驶工况 主翼片攻角 副翼片攻角
75米加速 9° 0°
8字绕环 9° 38°
高速避障 / 耐久 9° 31°
根据文丘里管原理、车架结构以及赛车尾部
气流流线仿真，利用ANSYS进行扩散器参数设计，
优化后的扩散器流场稳定，无气流剥离现象。扩
散器参数如表2所示
表2 扩散器参数
前部上
扬曲面
角度
扩散器
角度
两侧气
流通道
宽度
两侧气
流通道
长度
中央气
流通道
长度
中央气
流通道
宽度
12° 13° 180mm 900mm 460,mm 160mm
车身、翼片采用碳纤维抽真空工艺，翼片内采
用碳纤管和肋板支撑，增加强度，减轻质量
二、悬架系统
QTU-04悬架设计致力于改善操控性能，兼顾稳
定性。前后悬架采用拉杆设计，均加入防倾杆
表3 悬架部分参数
前侧倾中心 后侧倾中心 前侧倾外倾系数 后侧倾外倾系数
-18mm 34mm 0.74 0.72
采用参数一致性分组方法，利用Adams对悬架、
整车进行动力学仿真优化（《汽车技术》已录用），
保证在车轮±25mm跳动范围内车轮参数的变化符合
设计要求：车轮外倾角、束角、主销内倾角、主销
后倾角在一个合理的范围内变化（如图5），使转向
操纵力及回正力矩随轮跳变化很小；前后车轮刚度
随轮跳呈增大的趋势；减小轮距的变化，使外倾角
梯度和轮跳转向在合理的范围内；通过整车八字绕
环和绕桩仿真及优化（如图6），保证了赛车较小的
不足转向特性和良好的瞬态响应特性
图5 前悬架外倾、束角优化
图6（a）车轮转角/横摆角/侧向加速度 vs.时间
图6(b) 整车20m/s绕桩仿真
重要部件材料选用7075铝，利用ANSYS、Adams
建立刚柔耦合的轮毂、立柱模型，通过柔性体分析
和优化设计，前后轮毂分别减重0.2kg、0.4kg，前
后立柱分别减重0.15kg、0.2kg。考虑制动、驱动
工况时吊耳的不同受力状态，车架吊耳采用一体式不对称设计（如图7），较去年减重0.5kg。后轮毂
与外球笼做成一体，减小了传动间隙，重量由1.39Kg
减到0.98Kg，相比去年去年减重29%。前立柱采用
单吊耳设计，较去年减重0.15Kg
图7 吊耳的非对称优化
悬架装配使用特制的夹具，控制车架重要杆系
与悬架装配精度，保证设计参数，同时为赛车后期
调校提供便利
三、转向系统
转向系统的设计主要围绕保证转向操纵力及响
应、操控性能、机构轻量化三方面展开
对于转向的操纵力学性能，从减少转向传动比
和合理设置主销后倾角的轮跳特性着手，在满足方
向盘手力要求范围内，转向系角传动比选为1:5，
方向盘左右转角为150°。通过结构设计优化和加
工精度控制，将转向间隙控制在3±0.5°
操控性能主要围绕设计阿克曼转向和优化齿条
断开点来展开。其中阿克曼设计是利用Adams car
进行整车车重、载荷分布、车轮侧偏刚度、侧向加
速度等多参数协同寻优，最终选取20%阿克曼
图8 转向梯形优化
通过优化转向器外壳和各杆系、吊耳尺寸，以
及使用碳纤维、镁铝合金等替代材料，较去年减重
1kg
四、制动系统
制动系统设计根据整车参数计算制动力矩，选
择wilwood PS-1卡钳,选用Tilton77-625立式制动
主缸，外形长度尺寸较去年减小20mm，结构紧凑，
质量较去年减轻2kg
图9 制动力分配曲线
采用自制浮动刹车盘结构，自制平衡杆，增设
制动力分配器并进行标定，如图10所示
图10 制动力分配器标定
五、动力传动系统
QTU-04使用Benelli BJ600GS 四缸自然吸气发
动机，整机质量为65kg。利用MOTEC M84进行发动
机标定，对进排气系统、电控喷油系统、电控线路
进行针对性优化，更换进气压力、进气温度、水温，
重新标定，同时搭配宽氧传感器，实现闭环反馈控
制，提升赛车动力,提高燃油经济性
限流后的测功试验表明，BJ600GS在转速
11000rpm时获得最大功率46kw。在转速为8000rpm
时获得的峰值扭矩为45N.m，如图11所示
图11 发动机外特性曲线进气限流系统基于发动机原理、流体力学、
GT-Power进行的设计,采用ANSYS fluent分析优化，
进气流畅
进气稳压腔歧管口采用喇叭口结构（如图12），
有效提高进气量，整个系统能够很好的发挥中低转
速下的高扭平台；排气系统采用4-2-1合并形式，
各管等长，排气阻力小，宜于协调进气系统充分发
挥发动机动力性能，此外也有利于发动机的噪声控
制，以满足规则要求
表4 进气稳压腔参数
稳压腔体积 进气管总长 限流阀上部收缩角 限流阀上部扩张角
2.2L 400mm 14° 6.5°
图12 进气流线图
整个传动系统在得到发动机实际功率的基础
上，充分结合整车质量和赛事的特点，主要从提高
动力性考虑，主减速比调整为3.07。大链轮齿数定
为43，小链轮齿数为14。链轮及半轴等主要零部件
进行了ANSYS强度校核。使用限滑差速器，传动系
统总体质量由去年的12kg降低到今年的7kg，减重
41%
六、电控系统
电控系统包括三个部分：
（1）气动换挡系统，使用CAN总线通信，优化
线束。为提高换挡的可靠性，气动换挡档位传感器
使用非接触式的双传感器布置（DSA），实现升降档
独立检测；同时换挡程序中加入看门狗程序确保在
换挡卡死或程序卡死、跑飞时能自动复位
（2）集成式方向盘，主控芯片由8位80C51更
换为32位STM32F103芯片。采用新型段式液晶屏幕，
有效解决其他类型材料强光下显示不清晰的问题
综合考虑车手对于转速、速度、档位、油量、水温、
蓄电池电压、里程数等信息需求的频数不同，采用
波段开关切换屏幕显示不同内容
（3）数据采集系统，包括数据采集端、无线数
据接收端与上位机。自主设计和开发与赛车配套的
无线数据采集系统（组成结构如图13所示），覆盖
半径可达1千米，满足实际需求
图13 数据采集系统组成结构图
为提高数据采集精度和抗干扰能力，采用迭代卡
尔曼滤波，效果如图14所示
图14 卡尔曼滤波与均值滤波对比
由图可知，采用卡尔曼滤波法效果明显，虽有响
应迟滞（2ms），但在可接受范围内
主要软硬件条件
软硬件名称 功用
Adams 动力学仿真
ANSYS FEA分析
CATIA CAD建模、干涉
Fluent 流体分析
GT-Power 发动机工作模拟
Keil C 编程
Matlab 控制算法
Proteus 电路板设计
Solidworks CAD建模
3D打印机 制作稳压腔
3D红外线扫描仪 发动机建模
测试
气动换挡测试：QTU-03实车测试
加速度测试：QTU-03实车测试QTU-04分析与测试技术细节清单
组别 项目 使用软件/设备 详情
底盘组 立柱 ANSYS\Adams ANSYS进行结构静力学分析，Adams进行柔性体分析
轮芯 ANSYS\Adams ANSYS进行结构静力学分析，Adams进行柔性体分析
A臂 ANSYS\Adams ANSYS进行结构静力学分析，Adams进行柔性体分析
车架 ANSYS\Adams ANSYS进行结构静力学优化、模态、碰撞分析
吊耳 ANSYS\Adams ANSYS进行结构静力学分析，Adams进行柔性体分析
制动踏板 ANSYS ANSYS进行结构静力学优化分析
制动盘 ANSYS ANSYS进行热力耦合分析
齿轮齿条 ANSYS ANSYS进行结构静力学分析
悬架 Adams Adams进行悬架参数优化
整车 Adams Adams进行柔性体、运动学分析
发动机组 大链轮 ANSYS ANSYS进行结构静力学分析
差速器外壳 ANSYS ANSYS进行结构静力学分析
差速器支撑 ANSYS ANSYS进行结构静力学分析
球笼 ANSYS ANSYS进行结构静力学分析
进气稳压腔 ANSYS ANSYS Fluent进行流体力学分析
排气管 ANSYS ANSYS Fluent进行流体力学分析
吊耳 ANAYS ANSYS进行结构静力学分析
发动机 测功机 扭矩、功率
车身组 车身 ANSYS ANSYS Fluent进行流体力学分析
鼻翼 ANSYS ANSYS Fluent进行流体力学分析
尾翼 ANSYS ANSYS Fluent进行流体力学分析、参数优化
扩散器 ANSYS ANSYS Fluent进行流体力学分析
鼻翼支撑 ANSYS ANSYS进行流固耦合分析
电气 程序 Keil uVision4、
ST-Link调试器
程序在线调试
数据采集 匿名科创上位
机
用于程序调试和初期简单的赛车数据分析（纵向加速
度、侧向加速度、横摆角速度、转速、速度、水温、
方向盘转角、悬架跳动行程、）
Excel 用于后期数据处理和分析
气动换挡测
试
QTU-03实车测
试
测试程序、机构的可靠性
加速度测试 QTU-03实车测
试
获取实车数据。