Car E08 – 2014 中国大学生方程式大赛 – 设计报告
哈尔滨工业大学（威海） hrtcn
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前 言
HRT在2013年中国大学生方程式大赛中取
得了电车设计第三名的成绩。我们新赛季的目标
是在中国大学生方程式大赛中超越过去的自己，
创造更好的成绩。此报告简要地介绍了我们的设
计目标以及我们的第二辆纯电动赛车HRT_14E
设计目标
可靠性、高性能、轻量化、安全性
设计过程
为了实现设计目标，我们提出了三角理论的
设计过程。所有部件及系统遵循以下这个三角理
论进行设计
理论分析
循环设计试验测试
电 气
自制电源管理系统
低压电池总输入为12v，经过此系统后可分
别输出24v，8v，多路5v。多种电源可满足整车
各个部件的供电需求。对低压电池有过压，欠压，
短路和高温保护措施
自制数据记录仪
工程师需要清楚的知道车在行驶过程中，各
个部件的信息。自制的数据记录仪可以通过CAN
总线，收集整车上各个节点发送来的信息，并将
信息存贮于SD卡中，同时可将数据通过Zigbee
无线模块实时地发送到上位机进行分析
自制整车控制器
控制器由9个模拟输入，3个数字输入，3
个数字输出，6个开关输出组成。为了提高系统
的稳定性，所有输入输出均有保护，抗干扰电路
控制器可以采集并分析整车的油门踏板，刹车踏
板及其他传感器信号。并将最终的命令通过CAN
总线发送给电机控制器
控制器可以通过测量电机及电机控制器的水
温，或低压电池电量来自动的控制水泵的开关与
电池的充电。放电回路与启动鸣笛等，也是由整
车控制器根据车手意图实现自动开关
线路布局和通讯
为了检测和维护故障以及实现模块化设计，
我们使用CATIA显示线的三维布局和线束优化
为了降低电磁干扰保障通讯稳定，所有的低压信
号线通过屏蔽线，高压电力线通过屏蔽网实现电
磁屏蔽
所有自制控制单元之间均通过CAN总线进
行整车通讯。既提高了系统的稳定性，又大大优
化了整车线束
自制仪表盘
为了方便测试和提高操纵性，我们为
HRT14E设计了一块仪表盘。由高分辨率OLED
屏幕，CAN总线通信模块，高亮度LED模块以
及主控模块组成。通过CAN总线与ECU，BMS
通信能显示高压驱动系统信息，如电池电压，电
流，温度，电机温度，单机转速，转矩等；低压
控制系统信息，如IMD运行状态，ECU运行状态，
BMS运行状态。可以帮助车手或队员们了解当前
车辆实时信息，方便操纵与调试
动 力
电池
经过对HRT_14E耗电量的计算分析，将电
量调整至5.4kWh，采用16Ah的电芯92串联的
形式，能量密度有所提高，电池整体质量较去年
减少25%左右
我们对自制电池组进行了各项性能测试，通
过读取BMS的数据和对电池组状态的实测，保证
电池的安全性，使各项性能达到比赛要求
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电池管理系统
所有模块均为32位高速CPU，通过CAN实
现整车通讯及充电机通讯，车手可通过显示屏实
时了解电池状态。采用高精度AD变换器，电流
积分周期达到微秒级别，实现精确的SOC估
算。 电池箱内分布40个温度测量点，保证对温
度的精确采样
电机及电机控制器
基于稳定性与轻量化的设计目标，沿用去年
整套电机及控制系统。电机为高效率永磁同步电
机（PMSM），额定输出功率28kW，峰值功率
52kW，最大输出扭矩150Nm，最高转速
8000rpm。控制器采用矢量控制技术，CAN总线
通信技术，可对电机实现四象限控制，从而实现
制动能量回收，在提高整车动力性的同时又注重
经济性。同时在去年调试基础上对控制参数优化，
在保证稳定性的基础上提升加速性能及控制精度，
使驱动系统处于稳定、高效、经济的状态
底 盘
悬架
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
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
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
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
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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
传动系统
为了整车质量的轻量化和加工检修的可操作
性，结合电机外特性曲线，我们选择了初级减速
比2.08末级减速比3.23的两级链传动。初级420
链，末级520链以及相应大量基于有限元分析结
果而设计的结构的等强度设计在极致轻量化的前
提下保证了系统的可靠性。运用摩擦片式限滑差
速器，将来自电机的扭矩合理分配给驱动轮
1.5way的差速器设定，同时也保证了车辆制动时
的循迹性。另外由于碳纤维半轴与3D打印部件
的使用，使复合材料与新材料在传动的减重道路
上发挥了新的意义
车 身
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 14E
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
人机工程
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
HRT14E唯一空气动力学套件（以下简称空
套）是扩散器。它可以提供很大的下压力几乎没
有阻力，使HRT14E有更好的巡航性能，尤其是
在转弯性能。我们多次改进扩散器结构，增加扩
散器的两侧风道的宽度，以充分利用地面效应
此外，我们也试图增加前翼和尾翼来增加
HRT14E的下压力，但在我们的仿真分析中，发
现他们增加太多阻力，从而消耗大量电池能量
所以，我们放弃了全套的空气动力学套件，并只
保留了扩散器
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