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1、大学生F1方程式赛车整车设计大学生F1方程式赛车整车设计摘要本文基于汽车理论课程实践所做的BAJA赛车模型，并结合FSAE赛车比赛规则和赛道的布置特点，进行拓展设计一款大学生F1方程式赛车。从赛车底盘角度出发，本文侧重于汽车车架的设计，因为车架是整车的重要组成部分，它不仅承受着来自路面的各种复杂载荷，同时也是其他总成的安装载体。通过有限元法对车架结构进行分析，对提高整车的各种性能有重要的意义。本文根据中国FSC大赛规则（2012）要求，首先利用UG6.0软件对赛车车架进行结构设计，建立起多个车架的三维模型，然后将设计出来的多个车架以及BAJA模型的车架导入到有限元软件中，对车架进行静力学分析，

2、通过对比静力和应力分布图分析选出更优秀的车架。同时对Formula SAE 赛车的发动机系统、车轮系统、传动系统、悬架系统、转向系统、制动系统等进行选型和整体布置，然后根据所选的总成参数对整车动力性能进行匹配以及整车动力性能进行分析，从而设计出一款符合大赛要求同时性能优异的赛车。关键词：UG，大学生F1方程式赛车，车架，有限元分析，动力匹配Formule SAE Collegiate Design of The Racing CarABSTRACTThe article is Based on the BAJA racing car model which is made at the Pra

3、ctice of Automobile Theory Course , and at the same time with combinations of the FSAE car racing game rules and the circuit layout characteristics, to expand the design of a formula sae race car. Start from the chassis of the car , this article focuses on the design of automobile frame, because the

4、 frame is an important part of vehicle, it not only suffered from a variety of complex surface load, at the same time it is the carrier to install the other assembly. Through the finite element method analysis of frame structure, has important significances to improve the vehicle performance. Accord

5、ing to FSC contest rules (2012) of the Peoples Republic of China requires, first of all, using the software of UG6.0 to carrry out on the car frame structure design, setting up multiple 3 d model of the frame, and then imported multiple frame and BAJA model frame into the finite element software, us

6、ing the statics to analysis the frame, by comparing the static and stress distribution analysis to select the better frame. To select the type of Formula SAE racing car engine system, the wheel system,the transmission system, the suspension system, the steering system and the brake system and layout

7、 of the whole, and then according to the parameters of the selected to match the vehicle dynamic performance and analyzed the vehicle dynamic performance , Thus design a car to match requirements of the competition and also have performances.KEY WORDS:UG, the formula 1 racing car of College students

8、, frame ,finite element analysis , dynamic matching.第一章 绪论1.1、 Formule SAE概述1.1.1、 背景1.1.2、 发展及现状1.2、 任务及目标第二章 赛车总体参数与主要总成的选择2.1、 概述 2.1.1、 总体设计因满足的要求 2.1.2、 总体设计的目的2.2、 汽车形式的选择 2.2.1、 轴数 2.2.2、 驱动形式 2.2.3、 布置形式2.3、 汽车主要参数的选择 2.3.1、 汽车主要尺寸的确定 2.3.2、 汽车质量参数的确定 2.3.3、 汽车动力性参数的确定2.4、 发动机的选择 2.4.1、 发动机限

9、制 2.4.2、 发动机主要性能指标的选择 2.4.3、 进气系统 2.4.4、 排气系统2.5、 传动系统 2.5.1、 变速箱性能参数的确定 2.5.2、 主减速器及差速器的确定2.6、 轮胎和轮辋的选择2.7、 悬架系统的选择 2.7.1、 比赛要求 2.7.2、 悬架的作用 2.7.3、 悬架的分类 2.7.4、 悬架的选择 2.7.5、 方程式赛车悬架的特殊性2.8、 制动系统的选择 2.8.1、 制动系统要求 2.8.2、 制动器的分类 2.8.3、 制动器的选择2.9、 转向系统的选择 2.9.1、 转向的要求 2.9.2、 转向系的确定2.10、 车架形式的选择 2.10.1、

10、 车架的定义 2.10.2、 车架的设计 2.10.3、 车架的分类第三章 赛车整车的总体设计3.1、 车架的设计 3.1.1、 车架的设计流程 3.1.2、 车架设计要求 3.1.3、 名词解释 3.1.4、 车架设计过程 3.1.4.1、 前环以及前斜撑设计 3.1.4.2、 主环设计 3.1.4.3、 支撑要求 3.1.5、 车架材料的选择 3.1.6、 车架焊接方式的选择3.2、 其他部件的三维建模 3.2.1、 发动机总成以及变速箱三维建模 3.2.2、 制动总泵以及各个踏板的三维建模 3.2.3、 悬架系统建模 3.2.4、 制动系统的三维建模 3.2.5、 车轮三维建模 3.2.

11、6、 后驱动桥三维建模 3.2.7、 转向系统的设计 3.2.8、 油箱三维模型的建立 3.2.9、 车身的设计 3.2.10、 座椅的设计 3.2.11、 赛车的总装第四章 整车设计中的关键问题4.1、 车架强度校核 4.1.1、 有限元软件介绍 4.1.2、 有限元模型的建立 4.1.3、 模型的简化及建立 4.1.4、 网格划分 4.1.5、 车架静力学分析 4.1.5.1、 车架静态载荷分析 4.1.5.2、 工况分析及边界条件处理 4.1.5.3、 弯曲工况分析 4.1.5.4、 制动工况的分析 4.1.6、 车架刚度分析 4.1.6.1、 车架扭转刚度分析 4.1.6.2、 车架弯

12、曲刚度分析 4.1.7、 车架模型（二）的有限元模型分析4.2、动力系统计算匹配及评价 4.2.1、 概述 4.2.2、 动力性能计算 4.2.2.1、 动力性相关公式 4.2.2.2、 计算过程及结果 4.2.2.3、 本节结论第五章 结论参考文献致谢绪论1.1、Formule SAE 概述1.1.1、背景Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE

13、已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末

14、业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车, 并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。1.1.2、发展及现状FSAE赛车比赛虚构了一家赛车生产商。学生组成的设计团队将为该生产商设计一辆小型方程式赛车。原型车将被该生产商用来评估一个生产项目的市场潜力。产品的目标市场是周末业余赛车比赛。为了保证比赛能够顺利、公平的进行，赛事组委

15、会制订了一系列详细的规则。学生设计团队在满足规则要求的前提下一般用8到12月的时间设计、制造和测试自己的赛车。 FSAE赛车比赛的目的在于培养汽车及其他机械领域的工程技术人才，为工科学生将来的职场生涯建立良好的基础。但是由于整个比赛涉及了汽车工业所包括的设计、生产、测试、市场、管理和财务等各个方面。所以随着比赛的不断发展，很多非工科专业的学生也很好的参与到这项赛事中，并得到了极大的锻炼。FSAE赛车比赛给参赛学生提供了走出课堂将理论知识应用到工程实践的良好机会。多年来FSAE赛车比赛不断地为汽车及其他各个行业输出了大量的高水平人才。赛事对赛车各系统的材料，结构等都做出了详细的规定。但是除了对赛

16、车的安全性有大量详细的要求以外，比赛规则整体上比较开放。目的就是为了在充分保证参赛人员人身安全的前提下，尽可能的为参赛学生营造一个自由的比赛环境，来鼓励学生发挥想象力和创造力，使更多的原创设计和多种形式的赛车出现在赛场上。根据每年比赛所遇到的问题和其他各方面因素的变化和发展，FSAE赛事规则委员会每年都会对比赛规则进行修订，使比赛规则更加合理系统。比赛规则主要分为两部分，赛车技术要求和比赛条例。 FSAE赛车比赛是供大学生参与的工程设计竞赛，其比赛目的与商业性质赛车比赛有着很大的不同。为了更好的达到锻炼和培养参赛学生综合能力的目的，比赛虚拟了一个商业研发环境，所有的比赛项目都是基于这一环境而设

17、置。所以FSAE比赛的过程同一般的赛车比赛有着很大的不同。FSAE赛车比赛主要分为静态项目比赛和动态项目比赛两部分。在静态项目比赛中，参赛学生需要把各项目比赛的评委看作是虚拟赛车生产商的各部门负责人。学生需要通过语言，图表等各种方法，将自己作品的设计理念、技术特点、性能优势、加工成本和商业价值等要素有效地表达出来，使这家公司的负责人能够充分了解你的设计方案的优势，并最终使他们认可你的设计方案。 从世界范围来看，当今有三个地区有Formula SAE 的学生竞赛，即美国、欧洲、澳洲。70年代中期，几个美国大学开始主办当地的学生设计竞赛赛车。SAE Mini Baja 的名称沿袭了著名的墨西哥Ba

18、ja 1000 汽车比赛。第一届SAE Mini Baja 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项目。Mini Baja 比赛重点强调了地盘的设计，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，SAE Mini Baja 的成功超乎了每个人的预期。 在SAE Mini Baja 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Formula SAE。Formula SAE 相比SAE Mini Baja 有着许

19、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Formula SAE 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SAE Mini Baja 比赛中的8hp 发动机到现今Formula SAE 中已经超过100hp 的大功率发动机，Formula SAE 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。 2010年第一届中国FSC由中国汽车工程学

20、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FSC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FSC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FSC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。1.2

21、、任务及目标在本次毕业设计中，选择大学生F1方程式赛车为主要研究对象。通过对底盘总布置的设计计算，合理选用各总成，合理装配布置，保证底盘各总成运动协调，操纵轻便，使底盘各总成更加高效合理可靠的工作。 主要研究内容：大学生F1方程式赛车整车结构设计，总体布置，各工作部件相互位置关系的确定以及计算其性能参数；对部分零部件进行必要的设计计算，以及车架的强度校核。 预期目标：通过对现有大学生F1方程式赛车的了解以及各种资料的分析，确定整机总体结构及总体布置图，设计计算，三维建模，对车架进行强度分析，绘制图纸，并附带说明书。第一章赛车总体参数与主要总成的选择2.1、概述2.1.1、总体设计应满足的基本要

22、求由动力装置、底盘、车身、电器以及仪表等四部分组成的汽车，是用来载送人和货物的运输工具，而这里我们要设计的是用来参加比赛的赛车，其赛车悬架、转向、制动总成设计参数选取和具体结构等方面与普通车辆都存在差异，通过对在网上搜索的各类方程式赛车资料，进行整理，然后分析总结出方程式赛车应当具备的一些普通车辆所没有的性能和结构特点。根据这些特点进行设计，从而使赛车能在比赛中发挥出高性能和取得良好的比赛成绩。2.1.2、总体设计的目的总体设计目的是制造一辆安全可靠、各方面性能均衡、有良好驾驶特性、调整方便并且足够快的赛车。可靠性可以确保测试阶段的顺利进行，同时可以保证完成在竞赛中的所有比赛项目。可调整的特性

23、可以让赛车适应不同的驾驶环境和不同的驾驶员。一辆平衡和驾驶特性良好的赛车会让车手更有信心，这能有效提高所有动态项目中最快圈速，这对经验不足的新车手特别重要。赛车要让车手在任何行驶状态下都能有清晰的路感，这可以使驾驶变得容易和高效。2.2、汽车形式的选择不同形式的汽车，主要体现在轴数、驱动形式以及布置形式上有区别，这里我们选择的是大学生F1方程式赛车。2.2.1、轴数 汽车可以有两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。影响选取轴数的因素主要有汽车的总质量、道路法规对轴载质量的限制和轮胎的负荷能力以及汽车的结构等。这里我们选择：两轴。2.2.2、驱动形式汽车驱动形式有4x2、4x4等等，其中前一位数字表示

24、汽车车轮总数，后一位表示驱动轮数。汽车的用途、总质量和对车辆通过性能的要求等，是影响选取驱动形式的主要因素。这里我们选择：4x2。2.2.3、布置形式汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身的相互关系和布置特点而言。常用的有前置前驱、后置后驱、前置后驱和中置后驱。这里我们选择一般赛车常用的方式：中置后驱。2.3、汽车主要参数的选择2.3.1、汽车主要尺寸的确定汽车的主要尺寸参数有外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬。我们根据网上搜索的资料以及查看各个学校的技术报表，然后根据大赛规则大概确定主要参数：表2.1 汽车尺寸参数Tab2.1 the Size parameters of the car车型参

25、数赛车总长（mm）2610总宽（mm）1420总高(满载)（mm）1200轴距（mm）1920前轮距（mm）1150后轮距（mm）1240前悬（mm）530后悬（mm）160最小离地间隙（mm）602.3.2 、汽车质量参数的确定汽车质量参数包括整车质量m0，载客量、满载质量、质量系数m0,和轴荷分配等。表2.2 汽车质量参数Tab2.2 The quality parameters of the automotive车型参数赛车整车整备质量m0(kg)300载客量1满载质量ma（kg）360质量系数m00.2前轴负荷（满载）（kg）170后轴负荷（满载）（kg）1922.3.3、汽车动力性参

26、数的确定汽车动力性参数包括最高车速vmax、加速时间t、上坡能力、比功率和比转矩等。设计目标：表2.3 汽车动力性参数Tab2.3 The power performance parameters of the automobile车型参数赛车最高车速Vmax(km/h)150加速时间t（s）(0100km/h)6.32.4、发动机的选择2.4.1、发动机限制（1）、驱动赛车的发动机必须为四冲程、排量610cc 以下的活塞式发动机；（2）、为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀。2.4.2、发动机主要性能指标

27、的选择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Honda CBR600 F4i。而选择小重量单缸机的高水平车队也有不少。Yamaha WR450F就是一款非常适合FSAE的单缸机。参考绝大多数学校发动机的选择，我们选择本田摩托车的Honda CBR600 F4i电喷发动机，引擎形式四冲程水冷DOH

28、C，并列四汽缸。性能指标：表2.4 发动机性能指标Tab2.4 Engine performance metrics发动机性能指标发动机参数发动机排量599cc未限流最高功率（kw）80最高转速（r/min）13000缸径x冲程（mm）67x42.5压缩比12.0:1最高马力110ps/12500rpm最大扭力6.3kg.m/10500rpm限流后最大功率44.1kw/9000r/min该发动机还有个优点油底壳较低，这样车的重心也会较低。如果重心较高，将会导致车过弯的时候不稳，重量转移过大。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

29、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6065hp。图2-1 本田Honda CBR600 F4i电喷发动机Fig 2-1 the electronic fuel injection engine of Honda CBR600 F4i2.4.3、进气系统把空气过滤器的安装位置从进气稳压箱中独立了出来，并增加了专门的空气滤清器盖板，在维护时只需单独打开盖板即可方便更换空气滤清器。如图2-2 所示。这样的改进不但极大的降低了使用成本，避免使用Kawasaki 售价高昂的原装空气滤清器，而且在采购上也有着极大的便

30、利。由于受到Formula SAE 规则的限制，所有的引擎都必须加装一个最小截面直径不超过20mm 的限流器来限制引擎功率。所以在空气滤清器旁边的进气口上还加装了一个限流器。如图2-3 所示。限流器采用的是一个圆锥形的漏斗状装置，固定在限流器出口位置的盖板上，限流器可以随盖板一起方便地拆除，以便在某些必要的测试当中增加引擎功率。图2-2 空气滤清器匣（圈内）Fig 2-2 Air filter cartridge(in Circle)图2-3 限流器（圈内）Fig 2-3 current limiter(in Circle)2.4.4、排气系统汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，一般由排气

31、歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。汽车排气系统是主要是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染减小，噪音减小。汽车排气系统主要用于轻型车、微型车和客车，摩托车等机动车辆。我们这里采用摩托车的排气系统如图2-4：图2-4 Kawasaki ZRX400 排气系统（线框内）Fig 2-4 the exhaust system of Kawasaki ZRX400(in wireframe)2.5、传动系统2.5.1、变速箱性能参数的确定采用发动机自带的变速箱：6速常啮合循环挡位。换挡顺序为：1挡空挡2挡3挡4挡5挡6挡。其参数如下：表2.5 变速箱性能参数Tab2.5 Performance parameters of the gearbox发动机内部减速器传动比1.822一档速比2.833二档速比2.062三档速比1.647四档传动比1.421五档传动比1.272六档传动比1.1732.5.2、主减速器及差速器的确定