大学生f1方程式赛车整车设计毕业论文

大学生f1方程式赛车整车设计毕业论文内容摘要：

车了解总结之后发现，万丰和Hoosier 是 FSAE 车队使用最多的轮胎品牌和轮辋品牌，性能最好的是Hoosier 品牌，但由于成本因素等等考虑，我们选择万丰轮辋和马牌轮胎品牌。 其参数如下： 万丰 13 英寸铝合金轮辋；马牌 223/533R14。 、悬架系统的选择 、比赛要求 （ 1）赛车所有车轮必须安装有功能完善的、带有减震器的悬架。 在有车手乘坐的情况下，轮胎的跳动行程至少为 （ 2 英寸），其中向上 （ 1 英寸），向下 （ 1 英寸）。 如果赛车没能表现出适合比赛的操13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 14 控能力，或是没有经过认真的设计，裁判有权取消赛车的参赛资格。 （ 2）在技术检查中，悬架的所有的安装点必须可以被呈示给技术检查官，无论是可以直接看到或是通过移除覆盖件来实现。 、悬架的作用 悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关系到汽车的多种使用性 能。 从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。 比如，为了取得良好的舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。 、悬架的分类 汽车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种： （ 1）非独立悬架的车轮装 在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架采用这种型式。 （ 2）独立悬架的车轴分成两段，每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架 (或车身 )下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性和舒适性好。 但这种悬架构造较复杂，承载力小。 现代轿车前后悬架大都采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。 、悬架的选择 本赛车采用当今方程式赛车普遍使用的悬架结构，故采用独立悬架。 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 15 独 立悬架有多种形式，基于方程式赛车特点，选用双横臂不等长独立悬架。 采用此种悬架，主要优点是不等长式上下各有一个不等长摇臂，共同吸收横向力，因此横向刚度大，并且通过合理的布置，可以使轮距和前轮的定位参数在可接受的限定范围内变化，这就克服了等长式双横臂悬架轮胎磨损严重的弊端。 路面的适应力好，轮胎接地面大、贴地性好。 如图 25 所示： 图 25 双横臂不等长独立悬架 Fig 25 Range double wishbone independent suspension 、方程式悬架系统的特殊性 该系统采用将弹性元件内置于车身外壳中的形式，这样可以降低高速行驶中的风阻，避免了避震弹簧上的横向力影响，减小了由于横向力而造成的车身振动，并且减小了悬架运动部分的质量和转动惯量。 将弹簧与阻尼元件隐藏在车身中，利用推拉杆和摇臂盘的组合，达到外置式悬架同样的效果。 真实比赛中，由于天气、温度、赛道形式等因素，需要通过不同的悬架参数设定来确保赛车的表 现，通过独特的机构，可以方便地改变悬架参数，达到比赛需要。 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 16 、制动系统的选择 、制动系统要求 ： （ 1）赛车必须安装有制动系统。 制动系统必须作用于所有四个车轮上，并且通过单一的控制机构控制。 （ 2）制动系统必须有两套独立的液压制动回路，当某一条回路系统泄漏或失效时，另一条回路还可以至少保证有两个车轮可以维持有效的制动力。 每个液压制动回路必须有其专用的储液罐（可以使用独立的储液罐，也可以使用厂家生产的内部被分隔开的储液罐）。 （ 3）安装有限滑式差速器的车桥，其两个车轮可以使用单个制动器制动。 （ 4）制动系统必须在后述的测试中，能够抱死所有四个车轮。 （ 5）禁止使用线控制动。 （ 6）禁止使用没有保护的塑料制动管路。 （ 7）制动系统必须被碎片护罩保护，以防传动系失效或小碰撞引起的碎片破坏制动系统。 、制动器的分类 （ 1）制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式。 电磁式制动器虽有作用滞后性好、易于连接而且接头可靠等优点，但因成本高，只在一部分总质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓速器；液力式制动器一般只用作缓速器。 目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。 （ 2）摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同， 可以分为鼓式、盘式和带式三种。 带式制动器只用作中央差速器；鼓式和盘式制动器的结构形式也分有多种。 （ 3）盘式与鼓式相比有如下优点：热稳定性好；水稳定性好；制动力矩与汽车运动方向无关；易于构成双回路制动系，使汽车有较高的可靠性和安全性；尺寸小、质量小、散热良好；更换衬块简单容易。 易于实现间隙自13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 17 动调整等。 、制动器的选择 通过以上比较，以及参考其他院校制动器的选择，这里我们选择双轮浮动盘式制动 willwood DSP。 如下图 26 所示： 图 26 双轮浮动盘式制动， willwood DSP Fig 26 Double floating disc brake,willwood DSP 、转向的选择 、转向的要求 （ 1）方向盘必须与前轮机械连接。 禁止使用线控转向。 （ 2）转向系统必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转（四杆机构在一个节点处发生反转）。 限位块可安装在转向立柱或齿条上，并且必须防止轮胎在转向行 驶时接触悬架、车身或车架部件。 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 18 （ 3）转向系统的自由行程不得超过 7176。 （在方向盘上测量）。 （ 4）方向盘必须安装在快拆器上，必须保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手套时可以操作快拆器。 （ 5）方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。 例如：方向盘的外轮廓可以有一些部分 趋向直线，但不可以有内凹的部分。 禁止使用 H 形、 8 型或分开式方向盘。 （ 6）在任何角度，方向盘上端必须低于前环的上端如图 27： 图 27 方向盘的位置 Fig 27 The location of the steering wheel 、转向系的确定 （ 1）转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转向关系。 机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。 （ 2）转向系的组成：转向器和转向传动机构。 其中转向器我们选择机械式中的齿轮齿条式，因为它是一种最常见的转向器。 其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。 转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。 有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向。 所以，这是一种最简单的转向器。 它的优点是结构简单，成本低廉，13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 19 转向灵敏，体 积小，可以直接带动横拉杆。 在汽车上得到广泛应用。 如下图所示： 图 28 齿轮齿条转向器基本原理示意图 Fig 28 the basic principle diagram of Pinion and rack steering gear 转向传动机构采用转向梯形如下图所示： 图 29 转向梯形示意图 Fig 29 the diagram of steering trapezium 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 20 、车架形式的选择 、车架的定义 也称大梁。 汽车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂装置﹑前桥﹑后桥支承在车轮上。 具有足够的强度和刚度以承受汽车的载荷和从车轮传来的冲击。 、车架的设计 要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的 是车辆在行驶时车架所要承受的各种不同的力。 如果车架在某方面的韧性（ stiffness）不佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。 而车架在实际环境下要面对 4种压力。 （ 1）负载弯曲 从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量，是由车架承受的，通过轮轴传到地面。 而这个压力，主要会集中在轴距的中心点。 因此车架底部的纵梁和横梁 (member），一般都要求较强的刚度。 （ 2）非水平扭动 当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压力 (longltudinaltorsion），情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。 （ 3）横向弯曲 所谓横向弯曲，就是汽车在入弯时重量的惯性（即离心力）会使车身产生向弯外甩的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对的压力将车架横向扭曲。 （ 4）水平菱形扭动 实车架的好坏并非物理指标就可以涵盖，所以即使有超强的新车架出现，最传统的车架形式依然存在，正因为此，以下的内容才有了发布的意义。 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 21 、车架的分类 车架的类型有：梯形车架、一体式金属车架、超轻量一体式车架、一体式碳纤维车架、大梁式车架、承载式车架、钢管式车架、铝 合金车架、碳纤维车架、副车架等等。 由于成本原因国内 FSAE 赛车大多使用的是钢管式车架，但国外大多使用一体式碳纤维车架。 下面我们主要介绍一下这两种车架： 钢管式车架介绍 （ 1）、定义 承载式车架的设计开发和生产工艺都复杂，只适宜大批量生产。 但是对于少量生产的轿车又如何呢。 虽然可以采用共用平台策略，但所谓的“共用平台”能共用的只是悬架、传动系统等底盘部件，承载式的车架由于必须与车身形状吻合，对于不同的车身造型是不能共用车架的。 于是钢管式（又称“框条式”）车架便应运而生。 顾名思义，钢管式车架就是用很多钢管焊 接成一个框架，再将零部件装在这个框架上。 它的生产工艺简单，很适合小规模的工作坊作业， 5070 年代英国有很多小规模的车厂生产各式各样的汽车，都是用自行开发制造的钢管车架，是钢管车架的全盛时期。 时至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂，如 LAMBORGHINI和 TVR，原因是可以省去冲压设备的巨大投资。 由于对钢管车车架进行局部加强十分容易（只须加焊钢管），在质量相等的情况下，往往可以得到比承载式车架更强的刚度，这也是很多跑车厂仍乐于用它的原因。 如下图所示： 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 22 图 210 桁架结构车架 Fig 210 Truss structure frame （ 2）、优缺点 优点：加工制造方便，造价低廉，具有较好的容错性，强度较高。 缺点：不利于空间布置和车身造型、需要覆盖车身，因而不利于轻量化。 一体式碳纤维车架 （ 1）、定义 它通过一个物体的表面来承载，而不是使用内部框架来承载。 Mono 来源于希腊，指单一的意思。 Coque 是来源于法语，壳的意思。 所以 monocoque就算是承载式车身的一种。 但现代大多数乘用车的白车身，并不是完整意义上的单体壳，而是箱体、管件和舱壁的组合，并不强调表面的刚度和强度，主 要通过凹凸形成的箱体和管件来承载。 FSAE 界的单体壳也绝大多数是碳纤维增强树脂（ Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP)） —— 简称碳纤维的单体壳，金属单体壳仅有英国的 Oxford Brookes University 近几年的赛车，它使用的是铝合金来制造单体壳。 另外在超跑和赛车领域，也几乎都是碳纤维单体壳。 如下图所示： 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 23 图 212 单体壳车架 Fig 211 Single shell frame （ 2）、优缺点 优点：高强度，轻量化，易于车身造型，安装一步到位，精度容易保证。 缺点：制造加工困难，造价高昂，结构强度难控制，基本没有容错性，寿命短，修复困难，不可回收。 结论 通过以上比较国内 FSAE 赛车多数使用的是钢管式车架，但随着技术不断地成熟，以及资金的充裕必将会有越来越多的车队使用一体式碳纤维车架。 由于我们学校正处于研究初期， 所以我们选用的钢管式车架，然后通过 ANSYS 软件进行强度分析。 13 车辆工程专业毕业设计 (论文 ) 24 第三章 赛车整车的总体设计 、车架的设计 、车架的设计流程： (1)根据总布置要求确定外廓尺寸； (2)根据布置要求确定人机； (3)根据悬架硬点、转向、制动、发动机悬置等要求确定车架结构； (4)车架结构性分析，优化； (5)定稿。 、车架设计要求： （ 1）赛车的结构必须包括两个带有斜撑的防滚架、有支撑系统和缓冲结构的前隔板、以及侧边防撞结构； （ 2）赛车的基本结构必须为以下材料制作：低碳钢或合金钢（ 含碳量至少为 %）圆管； （ 3）除主环和主环斜撑必须使用钢材以外，其他管件均可使用替代尺寸规格和材料。 即铝制或钛制的管件以及复合材料在主环和主环斜撑上禁。