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大学生方程式纯电动赛车（总体设计）

摘要

本文详细介绍了本次设计的方法及指导思想，本次设计的内容是大学生方程式纯电动赛车的设计。

纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。

由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。

随着计算机和电子产品继续开放级骑，电动车技术已经成熟和完善，使驾驶变得更安全，方便，灵活，舒适。

现在，从普通消费者从很远的电动车，只有在少数人匆忙它时髦。

电力汽车可以真正传统燃料汽车在未来竞争的汽车市场，最终会和智能汽车的电动汽车代替。

这只是时间问题。

在设计过程中，我是从电动机和电池的选择入手，为了使汽车获的最高行驶速度,经过计算选择了电机和电池。

在选好电机和电池后，和设计燃油汽车的底盘一样，并同时综合电动汽车的结构特点，对汽车的传动系统，行驶系统，转向系统，制动系统进行一一分析和布置。

在这为纯电动赛车车设计底盘的过程中，要特别注意电动汽车与燃油汽车不同的地方。

在我所设计的这辆纯电动赛车上，它的传动系很简单，是电机直接和主减速器用链传动直接连接，这样整个底盘的总布置也可以变的很自由。

关键词：

纯电动赛车，电机，电池，底盘总布置

ABSTRACT

Thispaperintroducesindetailthedesignmethodsandtheguidingideology,thecontentofthisdesignisacollegestudentequationofpureelectriccardesign.Pureelectriccarispoweredbycarpower,withthemotordrivenwheeldriving,conformtotherequirementsofroadtrafficandsafetyregulationsofthevehicle.Becauseoflessenvironmentalimpactcomparedwiththetraditionalcars,itsprospectiswidely,butthecurrenttechnologyisnotmature.Withthecomputerandelectronicproductscontinuetoopen-classride,electriccartechnologyhasmaturedandimproved,makingdrivingsafer,convenient,flexibleandcomfortable.Now,theelectriccarfromtheordinaryconsumerfromveryfar,onlyafewpeopleinahurryfashionableit.Electriccarscanreallytraditionalfuelvehiclestocompeteinthefutureautomotivemarketwilleventuallybeelectriccarsandsmartcarsarereplaced.Thisisonlyamatteroftimethatdaywillcomefor.

Inthedesignprocess,firstistotheselectionofmotorandbattery,inordertomakethecarwonthehighestspeeds,Ichosethemotorandbatteryaftercalculation.Afterchoosestheelectricalmachineryandthebattery,issamewiththedesignfueloilautomobilechassis,andsimultaneouslysynthesizestheelectricautomobiletheuniquefeature,totheautomobiletransmissionsystem,thetravelsystem,thesteeringsystem,thebrakingsystemcarriesonanalysesandthedesign.Inthecarchassisdesignprocessforelectricvehicles,itisimportanttopayspecialattentiontothedifferentpartsoftheelectricvehiclesandfuelcars.Theelectriccar’sdrivetrainIdesignedisverysimple.motorandreducerconnecteddirectlywithchaintransmission,sothelayoutofthewholechassisisfree.

KEYWORDS:

electriccar,electromotor,thebattery,thechassislayout

第一章大学生方程式赛车介绍

§1.1FSAE赛车起源

FormulaSAE赛事1980年在美国举办第一次比赛以来，现在已经成为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。

出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车，该原型车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于25，000美元。

这项竞赛包含有3个最主要的基本元素，分别是：

工程设计、成本控制以及静态评估、单独的动态性能测试、高性能的耐久性测试。

FormulaSAE赛事的主要参与者通常都是来自高校的学生组成的车队。

现在在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办FormulaSAE比赛。

FormulaSAE向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。

由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。

第一届SAEMiniBaja比赛于1976年举办，并且迅速成为一个地区性的年度比赛。

比赛由三个评判标准组成，即一天的静态比赛——设计、成本、陈述——接着一天是各自的性能竞赛2项目。

MiniBaja比赛重点强调了底盘的设计，因为每个队伍都使用一个8匹马力的引擎，这一点无法改变。

在过去的20多年里，SAEMiniBaja的成功超乎了每个人的预期。

在SAEMiniBaja的成功获得各界认同的同时，SAE联合美国三大汽车公司开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛，这就是FormulaSAE。

FormulaSAE相比SAEMiniBaja有着许多进步和发展，引擎的限制也已经大大放宽，允许参赛车队使用610cc以下的发动机，这极大地提升了赛车的性能表现。

在发达国家，很多高校已经从事FormulaSAE超过20年时间，拥有大量资金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最高时速可达到甚至超过200km/h，0到100km/h加速时间一般都在4.5s以内。

从原先在SAEMiniBaja比赛中的8hp发动机到现今FormulaSAE中已经超过100hp的大功率发动机，FormulaSAE在多方面都取得了惊人的成绩，并且该项比赛一直保持了发展的态势。

§1.2FSAE赛车现状

§1.2.1赛车现状

从2010年开始，大学生SAE方程式赛车比赛在美国、英国、澳洲、日本、意大利、德国、巴西、叙利亚等国家，不但深受汽车行业者瞩目，而且广受工程学生的欢迎。

在美国每年吸引将近140支来自世界各地的队伍参加比赛；日本2006年前才开始举办，马上风靡了50余所大学参与；在欧洲也有70队以上的学校每年相互竞技。

全世界已有数百队大学生车队，每年打造一辆新车互较高下。

§1.2.2我校赛车现状

2010年，第一届中国大学生方程式汽车大赛（FormulaSAEChina简称FSC）与上海举办。

此次大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。

我校与湖南大学、同济大学、吉林大学、清华大学等20所高校作为中国第一届参赛院校于上海国际赛车场经行了4天激烈的比赛，开创中国FSAE的纪元。

我校河洛风赛车队在学校、学院的大力支持、指导老师不辞劳苦的指导以及河洛风队员的努力下，历时6个月，最终打造出河南省第一辆大学生方程式赛车。

在第一届大学生方程式汽车大赛中，河洛风16号赛车凭借绚丽的车身外观以及优异的综合性能取得绿色环保大奖、最佳外观设计奖、最佳安全性大奖、最佳赛场表现奖、年度综合奖、最佳车队网站奖、最佳车队新闻宣传奖等七项大奖。

第二章纯电动汽车

§2.1纯电动汽车的发展

纯电动汽车（BladeElectricVehicles，简称BEV），它是完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。

图2-1纯电动汽车

§2.1.1电动汽车电池发展

电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在“低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三个要求上。

要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。

氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。

但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。

铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成本得到大幅度降低，也有厂家采用。

锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。

我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。

电动汽车其他有关的技术，近年都有巨大的进步，如：

交流感应电机及其控制，稀土永磁无刷电机及其控制，电池和整车能量管理系统，智能及快速充电技术，低阻力轮胎，轻量和低风阻车身，制动能量回收等等，这些技术的进步使电动汽车日见完善和走向实用化。

我国大城市的大气污染已不能忽视，汽车排放是主要污染源之一，我国已有16个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。

我国现今人均汽车是每1000人平均10辆汽车，但石油资源不足，每年已进口几千万吨石油，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全球水平——每1000人有110辆汽车，我国汽车持有量将成10倍地增加，石油进口就成为大问题。

因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。

§2.1.2电动汽车行业发展

美国在今年第二季度在全世界范围内销售了7931台电动车，这一数字领先于其他所有市场，销量同比上涨28%。

其他市场的数字分别是日本4240台，法国2056，德国1284。

而在中国，今年的第一季度仅有235台电动汽车售出，比上一季度的343台下降了31%。

日本将会是这个产业的领头羊，到2017年，日本将生产77.9万辆电动车，占其汽车生产总量的9.7%。

德国和美国也有可能将电动汽车的产量推升至21.83万辆和36.23万辆，分别占汽车市场总产量的3.55%和3%。

在此期间，中国的产量可能会达到273150辆，仅为汽车总产量的1%。

随着电动汽车行业竞争的不断加剧，大型电动汽车企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的电动汽车企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。

正因为如此，一大批国内优秀的电动汽车品牌迅速崛起，逐渐成为电动汽车行业中的翘楚！

§2.1.3中国汽车驶入“无油”时代

新能源汽车的发展方向有多种，但其中之一的氢燃料电池技术不成熟，成本昂贵，是20年之后的技术。

2007年1月，汽车和动力电池专家MenahemAnderman博士在美国参议院能源与资源委员会作证时下此结论。

中国也没有氢燃料电池反应所必需的铂金属。

虽然没有公开申明，但据传国家内部决策层曾明确表示中国不适宜发展氢燃料电池汽车，只作为科研跟踪

从技术发展成熟程度和中国国情来看，纯电动汽车应是大力推广的发展方向，而混合动力作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术。

今年中外车厂都先后推出了混和动力和纯电动汽车。

比亚迪汽车公司先后展示了F6DM和F3DM双模电动车和F3e纯电动车。

长安与加拿大绿色电池生产商Electrovaya合作，共同拓展加拿大新能源汽车市场，首推奔奔纯电动版。

美国通用汽车公司推出了以电动为主的ChevyVolt混合动力车，MiniCooper推出了其纯电动版。

2011年江淮同悦推出了纯电动版新车。

但混合动力车动力系统复杂，成本昂贵。

比亚迪F3DM有两套动力系统，其公布的动力系统成本增加了5万元，相当于每年要节省8千元的油费才能比传统汽油车经济。

不过混合动力车省油有限，丰田Prius省油大致10%-20%，奇瑞汽车公司A5-ISG在北京奥运试运期间公布的省油参数为10%。

可以算一笔帐，假设家庭年行驶2万公里，汽油车百公里油耗7.5升，年油费9450元，混合动力车省油20%节省了1890元，无法抵消其车价成本的增加。

混合动力的优势是保留了传统汽油汽车的使用生活方式，根据汽油机和电动机混合程度，充电次数和传统汽油汽车加油次数相当，或者不用充电。

行驶距离也不受限制。

纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统，相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动车能量转换效率更高。

因电动车的能量来源——电，来自大型发电机组，其效率是小型汽油发动机甚至混合动力发动机所无法比拟的。

纯电动汽车因此使用成本在下降。

按比亚迪F3e纯电动车公布的数据，百公里行驶耗电12度，依照0.5元的电价算，百公里使用成本才6元。

而其原形车F3汽油车百公里耗油7.6升，按目前6.2元的油价，成本是46.5元。

相比之下，电动车的使用成本才是传统汽油汽车的八分之一。

纯电动车的缺点是它改变了传统汽车的使用生活方式，需要每天充电。

传统的汽车使用习惯是大致一到两周加一次油。

而且每次出行也有几百公里的距离限制，虽然一个家庭远距离出行可能一年就这么几次。

§2.2电动汽车优点

1、无污染、噪声小

电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，不产生排气污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。

众所周知，内燃机汽车废气中的CO、HC及NOX、微粒、臭气等污染物形成酸雨酸雾及光化学烟雾。

电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。

噪声对人的听觉、神经、心血管、消化、内分泌、免疫系统也是有危害的。

2、结构简单，维修方便

电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修保养工作量小。

当采用交流感应电动机时，电机无需保养维护，更重要的是电动汽车易操纵

3、能量转换效率高

同时可回收制动、下坡时的能量，提高能量的利用效率；电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车。

特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。

电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。

有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。

4、平抑电网的峰谷差

可在夜间利用电网的廉价“谷电”进行充电，起到平抑电网的峰谷差的作用。

电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。

向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。

除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。

§2.3发展现状

§2.3.1发达国家现状

国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车，世界发达国家不惜投入巨资进行研究开发，并制定了一些相关的政策、法规来推动电动汽车的发展。

美国目前正在大力研制和推广使用燃料电池电动汽车和纯电动汽车，政府能源部与通用、福特和戴-克三大汽车制造商联合开发燃料电池电动汽车。

现在，美国已有7个州加入了零排放计划，到规定年限后这些地区销售的汽车必须为零排放，即只能为纯电动汽车和燃料电池电动汽车。

以美国蓝鸟客车公司、英国的FRZAERNASH公司、日本丰田、日本本田为代表的电动客车和轿车已经上市，英国已有数万辆电动汽车在使用；

法国是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一，成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉罗舍尔已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网基础设施，制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策，且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。

在近年的国际性大型运动会上，电动汽车也成为各国展示其科技实力和环保意识的工具之一。

亚特兰大奥运会使用了美国蓝鸟客车公司生产的纯电动客车作为公务和电视转播车，悉尼奥运会购买了英国FRAZER-NASH公司的近400辆电动客车作为运动员接送车辆。

混合动力电动汽车领域，

日本丰田公司开发的Prius和本田公司开发的Insight2种混合动力电动汽车已开始批量投放市场。

丰田公司的Prius销售已在2006年累计突破150万辆，并于2005年底在我国长春一汽进行了组装生产和销售。

日产公司也于2003年推出Tino混合动力汽车，在日本国内市场上销售了100多辆。

欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车，甚至德国的博世（BOSCH）等著名的零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力电动汽车技术。

美国已有近20个城市试验使用混合动力电动公交车，瑞典、法国、德国、意大利、比利时等国计划在9个欧洲城市开通混合动力电动公共汽车线路。

燃料电池电动汽车斩露头角，国外企业界纷纷组成强大的跨国联盟，以期达到优势互补的目的。

如日本丰田与美国通用公司，日本东芝公司与美国国际燃料电池公司，德国BMW公司与西门子公司，雷诺汽车公司与意大利DeNora公司分别组成联盟开发燃料电池电动汽车；本也已投资数亿美元开发燃料电池电动汽车。

其中，以加拿大的巴拉德、美国的福特、德国的戴姆勒-克莱斯勒联（XCELLSIS）最具代表性，该联盟投资10亿加元开发生产电动汽车用燃料电池动力系统。

在燃料电池电动汽车的研发热潮中，几乎所有的国外大型企业集团全部介入，投入的总额超过百亿美元。

但是，由于燃料电池的成本和寿命问题，使得这一项目目前进展缓慢。

在燃料电池电动汽车的示范运行方面，世界各国也都不约而同地把注意力集中在大客车上，如欧盟的CUTE示范项目、UNDP/GEF燃料电池商业化示范项目、美国加州的CAHFC示范项目和日本的JHFC计划等。

与此同时，部分国家政府为促进电动汽车的发展，通过财税手段调整汽车发展结构。

像美、日等国政府对于电动车产品给予10%的鼓励性补贴，荷兰政府的补贴更是高达30%。

并对传统汽车开征燃料税，如欧洲部分国家燃料税高达200~300%，最低的美国也有34%。

§2.3.2中国电动汽车现状

中国电动汽车虽然没有欧美等国家起步早，但国家从维护能源安全，改善大气环境，提高汽车工业竞争力，实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，从“八五”开始到现在，电动汽车研究一直是国家计划项目，并在2001年设立了“电动汽车重大科技专项”。

通过组织企业、高等院校和科研机构，集中各方面力量进行联合攻关，现正处于研发势头强劲阶段，部分技术已经赶上甚至超过世界先进水平。

“电动汽车重大科技专项”实施以来，已成功开发出燃料电池汽车样车，累计运行数千公里；混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过百万公里；纯电动汽车已通过国家有关认证试验。

§2.4电动车的未来发展方向

自上世纪爆发石油危机后，不少跨国汽车公司都开始研制电动汽车。

其中不乏福特，丰田等知名大型汽车厂。

可以预见到电动汽车的发展将会是本实际汽车工业的重点和主流。

电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决人类巨大能源和环境压力的最有效途径。

上文已经提到电动车问世以来，主要有三种形式，即纯电动车、混合动力汽车和燃料电池电动车。

下面就详细的来说说这几种形式的电动车。

纯电池电动车是完全由二次电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力的汽车。

纯电池技术发展已经相当成熟，国外汽车发达国家和我国都进行了小批量生产。

近日，北京公交线上推出的两辆以铅酸蓄电池和锂离子电池为动力的电动车已投入商业运行，表现出了较好的经济性和环保性。

纯电池电动车具有无污染，零排放等优点，但其缺点也十分突出，能量低，质量大，充电时间长，成本高，折旧快，还容易对环境造成二次污染，其应用范围有限。

混合动力汽车采用内燃机和电动机两种动力，克服了纯电池电动车行驶里程短、充电时间长等致命弱点，虽然混合动力车不能实现零排放，但其兼俱环保与节能，同时又能实现规模生产，因此，具有非常好的发展前景。

近年来，世界

各大汽车公司纷纷推出这种车型日本已经走在了世界前列，如丰田汽车公司推出的PRIUS汽车，本田推出的INSIGHT汽车均早已上市。

PRIUS汽车尾气排放水平仅相当于日本现行法规的1/10，耗油量和二氧化碳排放量相当于普通汽车的1/2，最高时速达140公里。

我国的混合动力汽车研究也进入了实质性阶段。

1999年，清华与厦门金龙展出了联合研制的混合力客车，今年4月，一汽展出了刚生产的混合动力红旗轿车。

专家指出，燃料电池汽车是未来汽车的发展方向。

日本媒体认为燃料电池技术，将成为21世纪汽车工业的核心技术，谁掌握了这种技术开发主导权，谁将成为汽车业的领袖。

燃料电池，这是一种能与燃油发动机相比的电池，可以使用包括再生燃料在内的所有含氢元素的燃料。

燃料电池车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生电能启动电动机进而驱动汽车。

由于大量的纯氢难以贮存在汽车上，而且加氢站也没有那么多，因此，汽车制造商们正试图使用汽油或甲醇，不过要在汽车上安装燃料重整装置，从这些物质里提出氢。

但是这将会产生极少的二氧化碳和氮氧化物，总的来说，这类化学反应除了电能，就只产生水，因此，燃料电池车被称为“地道的环保车”。

曾研发出“氢动一号”（液氢燃料电池概念车）的美国通用汽车公司，最近推出了汽油燃料重整技术燃料电池，新研制的CENIII型车载燃料重整器比起前期产品体积、重量大大减少，预计其能量利用，污染物排放几乎为率可达.40%，而且可以充分利用现有的加油站等设施，它为燃料电池车批量生产奠定了基础。

我国第一辆具有自主知识产权的燃料电动公共汽车也已在东风汽车工程研究院问世，它的研制成功，缩短了中国汽车工业在这一领域与国外同行的差距。

据有关专家分析，我国的汽车工业几乎没有结构调整的沉重包袱，完全可以充分利用后发优势，以电动车为新契机，集中力量解决以电池为中心的关键技术问题，在21世纪凭借国内仍较低的劳动力成本，在国际汽车市场上以电动汽车与工业发达国家展开竞争。

在上世纪我国已经错