大学生方程式赛车设计发动机匹配试算与装配设计有cad图+三维图.docx

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大学生方程式赛车设计发动机匹配试算与装配设计有cad图+三维图

大学生方程式赛车设计

（发动机匹配试算与装配设计）

摘要

中国大学生方程式汽车大赛（简称中国FSAE）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。

本文具体研究大学生方程式赛车（FSAE）发动机系统的匹配试算和结构设计，通过了解发动机的性能参数、结构参数，运用发动机原理，汽车构造等所学的知识，根据大学生方程式赛车的比赛规则及网上查询资料，对发动机进行选择。

文章主要论述如何改进发动机的进排气及冷却系统，使发动机达到预想的状态，且符合大赛的规定。

对于进排气系统采用GT-Power、FLUNT等软件进行仿真计算设计，进排气系统的优化设计，采用四个分置的进气歧管，避免了各缸进排气时间不同造成的挣气现象，使得进排气更加顺畅，提高了进气效率，从而提升发动机的动力性能。

进气系统限流阀的应用使得赛车更加安全，同时也能让学生更加的主动去学习如何改进进气系统，做成两头锥的形状，使得进气无死角，又不会违背大赛规定。

应用流体力学设计谐振腔，使得进气尽量多。

关键词：

方程式赛车（FSAE），发动机，匹配，进排气

DesignofFSAE

（trialmatchingandassemblydesignofengine）

ABSTRACT

FormulaSAEofChina（hereinafterreferredtoasthe"ChineseFSAE"）isastudybytheinstitutionsofhigherlearninginvehicleengineeringorrelevantmajorsparticipateinautomotivedesignandmanufactureofthegame.

Thispaperstudiescollegestudentsformula（FSAE）matchingcalculationandstructuredesignofenginesystem.byunderstandingtheperformanceparameters,thestructuralparametersoftheengine,usingtheprincipleofengine,automobilestructureknowledge,AccordingtotherulesoftheFormulaSAEandsearchInformationonlinetochooseaengine.Thispapermainlydiscusseshowtoimprovetheintakeandexhaustandcoolingsystemofengine,theenginetoachievethedesiredstate,andinaccordancewiththecompetitionrules.Fortheinletandexhaustsystems,useGT-PowerFLUNTtosimulationcalculation.Optimizationdesignofinletandexhaustsystem,uesfourintakemanifoldsplit,.avoidthephenomenonofeachcylinderearngasintakeandexhaustiscausedbythedifferenttime,theintakeandexhaustmoresmoothly,improvestheairintakeefficiency,soastoenhancethepowerperformanceoftheengine.Theapplicationoflimitedflowvalveinletsystemmakesthecarmoresecure,butalsocanmakestudentsmoreactivegotostudyhowtoimprovetheintakesystem,madeoftwoconeshape,sothattheintakewithoutblindangle,withoutviolatingthecontestrules.Applicationoffluidmechanicsdesigningresonantcavity,sothattheintakeasmuchaspossible.

KEYWORDS:

FormulaOneracing（FSAE）,engine,matching,Theintakeandexhaust.

第一章大学生方程式赛车简介

§1.1赛事简介

中国大学生方程式汽车大赛（简称中国FSAE）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。

2010年第一届中国FSAE由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团——易车（BITAUTO）联合发起举办。

中国FSAE秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家FSAE赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。

中国FSAE致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。

中国FSAE是一项非盈利的社会公益性事业，利在当代，功在未来。

项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。

社会各界对项目投入的人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。

§1.2愿景与使命

促进中国汽车产业自主研发与科技进步，提高中国汽车产业“引进—消化—吸收—再创新”和“自主创新”的能力，加快中国制造向中国创造的转型，推动民族品牌向世界品牌的跨越。

完善汽车人才培育机制，为中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进奠定人才基础。

积极探索有效利用社会资源培养创新型人才的素质教育新体系。

搭建自主创新技术的国际交流舞台，帮助中国汽车产业的未来人才从世界汽车技术的革新潮流中不断获取新的启迪，以国际化的视野捕捉行业动态，丰富知识储备，积极参与国际汽车技术标准的更新与提升。

深化中国汽车产业自主创新的主流意识，强化中国汽车厂家在汽车人才培养、技术研发等方面的企业社会责任感，帮助众多汽车自主品牌积极探索自身广阔的发展空间。

图1-1我校参加第一届FSAE的赛车

第二章发动机的匹配

§2.1发动机的匹配

§2.1.1匹配的定义

在汽车设计中，根据整车中各个部件系统的特性，合理地选择发动机、变速器和其它部件的类型和参数，将其进行优化组合，通过计算、仿真和实验等手段来估计和验证整车性能，使整车具有最优的动力性、经济性、排放性能和制动性能的过程和方法。

本文将分机械匹配和电气匹配两个方面来介绍发动机匹配技术。

§2.1.2发动机匹配的应用场合

通常发动机匹配项目主要应用于两个方面：

一是在设计新车型过程中，开发新的动力系统；二是已有车型更换发动机或发动机国产化。

发动机和变速器的选型和匹配是此类项目的工作重点。

§2.2发动机的机械匹配技术

§2.2.1发动机和变速器的选型和匹配

一、设计计算

发动机匹配项目的设计计算是根据汽车要求的性能，来确定发动机和变速器等部件的类型和参数，有3种方法：

1、手工计算

主要根据汽车驱动力与行使阻力的平衡图来确定汽车在不同档位情况下的最高车速、加速能力和爬坡能力，从而评价变速器的不同传动比对汽车性能的影响，确定发动机和变速器的参数。

这种方法计算繁琐，结果不够准确。

2、仿真计算

在设计汽车和各部件的模型基础上，输入发动机和变速器等汽车部件和整车的性能参数，指定要求的行驶循环，最后计算出汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能。

它可以在计算机上显示和打印各种分析报告和图表结果，计算快速准确，能反映出汽车系统中任何参数的变化对整车性能的影响。

目前国内常见的车辆仿真商业软件有奥地利李斯特内燃机及测试设备公司开发的汽车性能仿真分析软件CRUISE。

3、参数优化

将汽车的动力性、经济性、排放性能和制动性能作为目标函数,将发动机功率、汽车重量和变速器的各档传动比等参数作为优化变量，在一定范围内，寻求最优的匹配组合，使汽车达到最佳性能价格比。

二、发动机和变速器的布置

在完成发动机匹配设计计算后，根据初步确定的计算参数和汽车布置形式，可以从市场上选择一款或多款发动机和变速器，然后选择和开发相应制动系统、转向系统和空调系统等部件，在发动机舱和车身上试布置。

也可以通过建立汽车和部件的CAD数字模型，在CAD软件环境中试装配，检查干涉情况，并进行调整。

在确定汽车主要部件的位置后，可以进行后续工作。

三、发动机附件系统的开发

通常汽车发动机供应商只提供基础发动机或称为短发动机，它缺少部分外围附件系统，因此需要汽车制造商开发这些系统。

通常这些附件系统包括：

风扇及风扇离合器、进气和排气管道、空气过滤器、发动机油泵、发动机悬置、动力转向泵、三元催化器、空调压缩机、燃油箱及供应系统。

§2.2.2设计与分析

1、CAD设计

在现代汽车的开发过程中，需要应用CAD软件来设计汽车和部件的数字模型。

汽车设计CAD软件主要有：

美国UnigraphicsSolutions公司的UG和ParametricTechnologyCorp公司的Pro/ENGINEER、法国DassaultSystems公司的CATIA。

CAD建模方法主要有：

特征造型、用三坐标测量机进行逆向扫描。

2、CAE分析

汽车CAE分析软件主要有：

美国ANSYS股份公司的ANSYS和UG、Pro/ENGINEER及CATIA。

发动机匹配项目中的CAE分析项目有：

发动机的噪声与振动分析、发动机支撑的分析、发动机热力学分析、计算流体力学分析（验证散热器的尺寸和发动机进气流动特性）。

§2.2.3主要试验项目

发动机和汽车台架试验：

发动机噪声与振动试验；发动机悬置的振动频率测量试验；排气系统的耐久性试验；发动机过滤器和冷却系统的压力和流动试验。

针对新设计的发动机和变速器等部件设计装配用的夹具工具；针对新设计的发动机和变速器等部件设计制造工艺；针对新设计的发动机和变速器等部件，开发维修工具，例如OBD车载诊断仪器及其软件；开发汽车经销商销售管理数据库系统等。

§2.3发动机管理系统及其开发技术

§2.3.1发动机管理系统

发动机管理系统（EMS,enginemanagementsystem）是在发动机电子点火和电控汽油喷射系统的基础上发展起来的集电子控制喷射、排放控制、电子点火、起动、防盗、诊断等功能于一体的集成电路系统。

电子控制技术的飞速发展及发动机排放法规的不断加严和人们对汽车发动机性能的要求不断提高（方便性、舒适性、高效性和经济性）促进了EMS的发展，EMS能实现对发动机各系统的精确控制和灵活控制,是改善发动机各项性能指标和排放的主要手段。

发动机管理系统都是由微处理器、各种传感器和执行器组成，通过传感器检测各种工作状态和参数，然后由微处理器经过计算、分析、判断后发出指令给各执行器完成各种动作，使发动机在各种工作状况下都能以最佳状态工作。

市场上常见的发动机管理系统有：

德国的博世、西门子;美国的德尔福（DELCO）；日本的丰田SFI/TCCS、本田PGM2F1、尼桑ECCS等；韩国的现代ECFI。

§2.3.2发动机管理系统开发技术

发动机管理系统开发技术涉及到计算机技术、自动控制、嵌入式系统、发动机技术等多个领域，是汽车电气控制系统中最复杂的系统。

目前汽车制造商在匹配发动机系统的过程中，不需要进行EMS的开发工作。

这是因为通常由发动机供应商提供的基础发动机上，已经配有现成的EMS，汽车制造商仅需要联系相应的EMS开发商进行标定工作。

目前流行的EMS开发过程是，在MATLABSimulink仿真计算平台上，采用可视化和模块化的方法,建立发动机的控制模型，待调试成功后，编译成机器执行代码，然后下载到汽车电子控制单（ECU,ElectronicControlUnit）中。

例如英国Pi技术公司推出的发动机和汽车控制系统OpenECU开发工具，提供了一种自动代码生成和快速原型的解决方案，它的应用范围包括发动机控制系统、变速器控制系统、底盘控制系统、混合动力控制系统和汽车批量生产系统。

OpenECU平台能够在MATLABSimulink环境中自动生成控制代码，然后在汽车ECU中运行。

它可以为8缸发动机自动生成控制代码。

§2.4发动机的标定技术

§2.4.1发动机标定

发动机的标定试验是指在汽车不同的工作状态和气候环境下，对发动机管理系统的参数进行不断调试，找到发动机最佳工作状态下的一组参数的测试技术。

它通常分为室内台架实验和室外道路实验，室外道路实验要求在汽车试车场进行，另外还要进行“高寒、高温和高海拔”的“三高”试验,分别在冬季最冷的黑河、夏季最热的吐鲁番和海拔最高的拉萨进行。

发动机标定试验的主要工具是发动机标定软件和发动机标定设备。

§2.4.2发动机标定软件

从发动机传感器采集试验数据，经过技术处理后，再将其写入（或下载）汽车ECU中，由于在标定试验中需要处理大量的试验数据，发动机标定软件具有强大的数据库管理功能。

由于现代发动机的功能越来越复杂，控制参数也由最初的十几个急剧上升到目前的上千个，导致实验次数呈几何级数上升。

要求对每一个标定参数的所有工况都进行全部排列组合的实验是不可能实现的。

因此，现在也出现了基于试验优化技术（DOE,De2signofExperiments）的标定软件，它可以优化试验方案，减少标定试验的次数，降低试验费用，缩短试验周期。

§2.4.3发动机标定设备

在发动机标定试验中，需要测量发动机转速、温度和压力等多种物理量的试验数据，另外需要将标定软件生成的标定数据写入汽车ECU中，发动机标定设备可以实现这些功能。

德国CSM公司是发动机标定设备的主要供应商，其部分产品有：

AD2Scan提供测量模拟-3.5～16V范围的电压；Thermo2Scan提供测量-100～1372℃范围的热电偶传感器信号的温度通道；Dual2Scan能同时提供模拟通道和温度通道的测量功能。

§2.4.4发动机标定试验

发动机台架标定试验项目有：

发动机实际充气效率标定、空燃比标定、点火正时标定和基本发动机热机标定。

整车标定试验项目有：

整车废气排放控制标定、整车驾驶性标定、热带环境标定、高原环境标定、寒带环境标定、车辆零部件故障诊断系统标定和系统验证。

§2.5其它相关电气系统的开发

§2.5.1车载网络系统的开发

随着汽车电气系统数量和功能的不断增多，电气线束系统变得越来越复杂，越来越粗，损耗功率也越来越大。

车载网络和总线系统可以大大减少电气系统的复杂程度。

同时《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》的轻型汽车Ⅲ号排放国家标准自2007年7月1日起实施，将促进车载诊断系统OBD在汽车上普及，这使汽车必须装备车载网络系统。

因此开发车载网络和总线系统成为当今的主流趋势。

§2.5.2电气线束系统的开发

由于发动机和变速器包含了复杂的电气控制系统，因此在发动机匹配项目中涉及到电气线束系统的开发。

其主要工作包括对发动机和变速器的电气线束的布线，,设计其与整车电气系统连接的接插件接口等。

在电气系统开发完成后，必须按照国家标准进行相关的电气试验。

§2.6发动机的选购

§2.6.1赛车发动机的选择原则

赛车发动机的选择要根据比赛规则的要求和赛道特点而决定。

FSAE比赛中分值最高和赛程最长的是Endurance比赛。

Endurance赛道的直道不超过70m。

所以FSAE赛车发动机最关键的性能是稳定优秀的扭矩输出，而发动机功率输出性能的重要性则被弱化。

FSAE比赛中发动机的选择主要分为两个方向。

大排量高性能4缸机是多数车队的选择，较为典型的是HondaCBR600F4i。

而选择小重量单缸机的高水平车队也有不少。

YamahaWR450F就是一款非常适合FSAE的单缸机。

越是性能优秀的发动机，往往意味着改进的难度越大。

对于FSAE而言，使用的往往是摩托车发动机（因为排量最大610cc的限制），自行改进发动机的进排气系统往往是车队必须面临的工作。

新车队在没有FSAE研制经验的情况下，需要面临和解决的诸如设计、制造、配件选购的问题非常多。

而且顺利完成FSAE赛车底盘研制任务是新车队应该投入更多精力的工作。

所以新车队应该选择一款符合自身情况的发动机，以利于自己第一辆FSAE赛车的顺利完成。

§2.6.2以下是国内几款常用FSAE发动机的资料

一、LD450

在国产发动机中选择，可以说是一个悲剧，因为怎么选都没有一台好发动机，国人的发动机无论是设计还是生产，都要比国外落后很多年（这也就是为什么我们要上学，上学不是为了找工作，而是为了让我们的国家和社会得到更好的发展，靠读书来振兴我们的国家从来都不是一句笑话）。

国人现在的技术水平，没有办法自己研究出一台高水平发动机，那只有仿了。

山寨一词已经不需要我多解释了。

汽车都能山寨，发动机当然也可以。

亚翔公司的LD450就是一台山寨。

它抄袭了本田的CRF450。

虽然CRF450在我之前的帖子里已经说过有诸多地方比不上YAMAHA的WR450，但是如果必须在国产发动机里面选，那我想这台还是不错的。

它有原装32kw的功率，重量33kg，比JH600要轻很多，原装马力更大。

由于是完全仿造，所以大家连说明书都可以看本田CRF的，零配件也都可以通用，在一些比较关键的配件上，可以选用进口件。

虽然这违背了使用国产发动机的初衷，但是为了让你的车更快更稳定，你没有理由不这样做。

使用LD这台发动机最大的困难就是进气的改装了，由于原装是不带电喷的（据说在研究电喷），所以你必须自己造一套电喷设备，可以选用MOTEC或者其他有一些公司的ECU来完成你的进气改装，自己排线路，自己造进气管，自己装感应器，自己写ECU程序等，前提是你需要有一个发动机实验室。

如果你什么都没用，要想用这台发动机，那只有用化油器了，你需要设计并且制造一个20mm口径的化油器歧管，装在化油器和发动机之间，国外的论坛上的讨论说这样的一套，马力大概在23hp，对于FSAE来说是没有什么竞争力的，但是相比JH600，马力应该不会相差很多，但是可以减轻很多整车重量，调整也相对简单，几乎没有电路。

这台发动机的价格在11000RMB左右（由于是新机器，这个价格在国内可以买2台二手的4缸600cc发动机或者其他日本制造的发动机）

图2-1LD450及其化油器

二、LD192YMR

同样来自亚翔，我没有去研究这台发动机是抄袭的意大利哪一款，但是从数据来看，比JH600要强，重量48kg，转速也比JH600要高。

相比LD450，最大的优点应该是电喷。

而且该发动机是油冷的，虽然重量比LD450要重，但是湿重的差别会相对小，因为LD450的水箱很重，水箱里的水也很重。

500CC同样符合SAE的要求，价格不清楚，有兴趣的车队可以购买研究，我想无论如何都要比春风的那台强。

500油冷发动机（LD192YMR）为单缸风冷加油冷四冲程发动机，采用意大利技术，强大的低扭输出澎湃动力！

最大功率30kw（7800r/min），最大扭矩39.3N.m（5500r/min），点火方式MSE3.0，电镀陶瓷缸体，德国博世专配电喷系统，理论速度达150km/h以上，按需可配内置倒档，适用于大排量长途旅行类摩托车及全地形车。

500cc发动机特点：

a、意大利CAGIVA技术，稳定可靠。

b、功率大、低速大扭矩、油耗低。

c、电镀陶瓷缸体。

d、风冷加油冷，冷却效果好。

e、德国博世专配电喷系统。

f、按需可配内置倒档，适用于沙滩车等。

表2-1LD192YMR参数表

技术参数

发动机型号

LD192YMR

发动机型式

单缸、油冷、4气门、单顶置凸轮轴

排量

498ml

缸径/行程

92.8mm×73.6mm

压缩比

9.2:

1

最大功率

30kw／7800r/min

怠速

1500±100r/min

图2-2LD192YMR图2-3JH600

三、JH600

这是一台国产唯一的600cc发动机（据说春风新出了600cc的，那么至少它是国产第一台600CC发动机，跟嘉陵600ATV动力一样，传动不同）。

这台发动机的排量，基本是符合FSAE的最大排量了，所以必然有它的优势，它排量大，如果你有发动机实验室并且能整，这台机器的马力和扭矩都将有不错的优势。

虽然说这更像是一台柴油机，低转速，高扭矩，但是对于FSAE来说，这正是我们所需要的。

这台发动机也是国内目前最好的2支FSAE队伍所使用的发动机，一个是湖南大学，一个是厦门理工大学。

如果能减轻除了发动机以外其他部件的重量，搭载这台JH600的车队也将拥有不错的性能。

我不知道它在限制20mm进气以后能有多大的输出，湖南大学也没用设备进行马力测试，但是如果你有能力写ECU（购买MOTEC这样的通用ECU），那这台发动机的马力和扭矩还是非常值得挖掘的，毕竟它有着600cc排量。

还有一点可以参考的是，你相信嘉陵因为嘉陵跟本田合作了很多年。

四、CBR600F4i

FormulaSAE发动机首当其冲的当然是本田的CBR600F4i，是本田公司的上一代产品，在FormulaSAE中的使用比例是其他发动机没法比的。

那为什么这台发动机如此受欢迎呢？

为什么人们不去用最新的CBR600RR发动机而更多地选择老款的F4i?

先看一下2张图，一张是CBR600的油底壳，一张是CBR600F4i的油底壳。

对于新车队来说，改装油底壳会比较麻烦，没有经验，也不知道如何去改的时候，用F4i是很好的选择。

F4i还有一个优点就是价格比600RR便宜，国内二手发动机的价格应该在一万人民币以下。

原装电脑，改成规则规定的20mm进气以后，马力应该在60~65hp

发动机重量（连6档顺序变速箱）大概是59kg

所以我想这台发动机应该也是中国的FSAE首选发动机。

CBR600RR年代比较新，比较容易买，国内二手价格应该也不超过万元.

图2-4F4i油底壳图2-5RR改造后的油底壳

五、CBR600RR

CBR600RR是本田现在在产的600cc上的产品，国内也叫F5

它比F4i更轻，有2级进气喷射，所以也更省油，对于摩托车来说，它的安装更紧凑，排气管放到了油底壳的一侧，但是对于FS