FSAE赛车车架的人机工程设计

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FSAE赛车悬架的优化设计及分析

2、阻尼：阻尼的大小直接影响赛车的反弹速度和行驶平顺性。阻尼过大，赛车反弹过快，会影响赛车的操控性和稳定性；阻尼过小，则会导致赛车行驶平顺性降低。
3、几何形状：悬架的几何形状决定了赛车在不同行驶状态下的性能表现。例如，多连杆悬架可以提供更好的操控性和稳定性，但需要更高的技术要求和更复杂的结构设计。
二、大学生方程式赛车悬架的设计
1、确定悬架类型：大学生方程式赛车通常采用麦弗逊式独立悬架，这种悬架具有结构简单、重量轻、占用空间小等优点。
2、选择合适的材料：考虑到赛车的轻量化和刚度需求，通常会选择高强度铝合金作为悬架的主要材料。
3、确定弹簧刚度和阻尼：弹簧刚度需要根据赛车重量和赛道特性进行选择，而阻尼则需根据驾驶风格和赛道条件进行调整。
1、按照设计图纸进行前期准备
在制造阶段，首先要按照设计图纸进行前期准备，包括加工制造、组装等。要确保各个零部件的尺寸和性能符合设计要求，同时要对材料和加工工艺进行严格把关，确保赛车制造的质量。Biblioteka 2、安装动力装置和其他附件
在制造过程中，要安装发动机、变速器等动力装置，并连接相关管路和附件。在这个过程中，要保证各个零部件之间的连接牢固可靠，同时要确保管路和线路的布置合理，不会影响赛车的性能和安全性。
二、FSAE赛车悬架设计
FSAE赛车的悬架设计需要充分考虑赛车性能的要求和实际行驶情况。一般来说，FSAE赛车的悬架设计需要考虑以下几个方面：
1、刚度：悬架的刚度是决定赛车操控性和舒适性的关键因素。刚度过高会导致赛车过于僵硬，操控性虽然好，但舒适性会降低；刚度过低则会导致赛车过于软弱，操控性降低，同时也会影响赛车的稳定性。
2、性能测试与评估：在完成悬架设计后，需要进行实际的性能测试和评估。这包括在实验室进行振动测试、刚度测试等，以及在赛道上进行实际的驾驶测试。根据测试结果对设计进行相应的调整和优化。

FSAE赛车车架的强度和刚度分析

<div class="article_tit"> FSAE赛车车架的强度和刚度分析 </div> 作者 :  赵帅隰大帅王世朝陆善彬 摘要：为保证吉林大学SAE方程式(Formula SAE,FSAE)赛车能够安全参赛，介绍其车架设计方案，利用MSC Patran建立车架的有限元模型，得出该车架在多种工况下的强度值以及扭转和弯曲刚度值；将分析所得数据与已知数据进行对比，证明该方案满足设计要求，为FSAE赛车的安全参赛提供理论保证. 关键词： FSAE赛车；车架；强度；刚度；有限元 中图分类号： U463.83；TB115.1文献标志码： B Strength and stiffness analysis on FSAE racing car frame ZHAO Shuai, XI Dashuai, WANG Shichao, LU Shanbin （College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130025,China） Abstract： To ensure the Formula SAE (FSAE) racing car of Jilin University to participate race safely, its frame design is introduced, the finite element model of the frame is built by MSC Patran, the strength, torsion, and bending stiffness are calculated under a variety of conditions, and the comparison of the data with the existed data indicates that the design scheme can meet the design requirement. The result provides theoretical foundation for the safe participation of FSAE racing car. Key words： FSAE racing car; frame; strength; stiffness; finite element 0引言 SAE方程式（Formula SAE, FSAE)赛车比赛要求大学生自行构想、设计和制造一辆小型方程式赛车参加比赛.本文简要介绍参加首届中国FSAE大赛的吉林大学赛车的车架设计情况，并利用MSC Patran建立该车架的有限元模型，针对赛车车架的几种工况计算该车架的强度和刚度，以保证赛车的安全参赛. 1车架设计 FSAE 赛车的车架设计包括钢管型号选择、车架的空间结构设计以及人机工程设计等几个主要内容.在车架设计满足大赛规则的前提下，吉林大学FSAE赛车车架采用5种不同壁厚的钢管，尽可能降低车架质量，并通过多次理论分析，优化管件的空间结构，提高车架整体的扭转刚度.车架的设计主要用CATIA软件人机工程设计模块完成，并结合1∶1木质模型进行优化设计，使车手能方便地操控赛车.FSAE赛车车架CATIA模型见图1. 2车架有限元模型建立 由于结构复杂，车架结构分析很难用传统的计算方法实现，通过CAE技术可很好地解决该问题. 在CATIA中根据实际车架设计尺寸建立几何模型，然后将几何模型导入MSC Patran中进行有限元分析.吉林大学FSAE赛车车架主体为桁架式结构，由圆形截面钢管和矩形截面钢管焊接而成，可使用梁单元进行网格划分；车架前部焊接的防侵平板、座舱底板以及发动机舱底板为平面结构，可采用壳单元.为保证有限元分析结果的准确性，在模型中施加约束；因直接承受载荷部位和弯曲结构部分的单元受力状态复杂，故采用较密网格单元；其余杆件因结构简单，只承受单一沿杆方向作用力，故采用较稀疏网格单元.整个模型被划分为1 815个节点，1 922个单元，其中梁单元为1 073个，壳单元为849个.车架有限元模型见图 2. 3车架强度分析 3.1车架静态载荷分析 车架所受静载荷主要来自于车架自重和负重（包括驾驶员、发动机总成和传动系总成等）.在进行载荷处理时，车架自重可通过重力场施加在车架上，车架负重可简化为施加在支撑处的集中载荷或分布载荷.车架静态载荷见表 1. 表 1车架静态载荷 Tab.1Static load on frame载荷类型质量/kg处理方式车架自重30重力场发动机总成90均布载荷驾驶员体重65均布载荷传动系总成11集中载荷 车架座舱面积为0.34 m2，故均布载荷为1 911.76 Pa.发动机舱面积为0.042 8 m2，故均布载荷为21 028 Pa. 3.2工况分析及边界条件处理 国家标准GB/T 13043―1991中规定：样车必须以一定车速在各种道路上行驶一段里程.典型工况是高速道路、强扭转道路和一般道路及弯曲道路上的弯曲、扭转、紧急制动和急转弯等4种工况.［1］ FSAE赛车主要在路面良好的赛车场行驶，赛道一般由弯道和直道组成.赛车在良好赛道路面上匀速直线行驶时，为弯曲工况；而弯道上一般会出现紧急制动和急转弯等工况. 约束条件设置得正确与否也是计算成败的关键.本文赛车前、后悬架均采用双横臂式独立悬架，每个独立悬架通过4个焊接点与车架相连.在分析过程中，采用约束车架和悬架连接点的位移自由度模拟整车的实际约束状况.为简化计算，取悬架上、下摆臂的中点作为约束点，这样只需对8个点施加边界条件约束.在此，只对连接点约束位移自由度，释放全部转动自由度.［2］悬架形式和简化连接点见图3，连接点自由度约束见表2. 3.3弯曲工况分析 弯曲工况为满载车辆在水平良好路面上匀速直线行驶的状态.当计算弯曲工况时，车架承受的静载荷需乘上一个动载因数，一般为2.0~2.5，本文取2.5.［3］弯曲工况下的车架变形见图4. 由分析结果可知，在弯曲工况下车架最大变形量发生在车架主环最高点，为1.85 mm；最大应力发生在发动机舱底部焊接点处，为114 MPa，小于材料屈服极限.因此，在弯曲工况下车架强度满足要求. 3.4制动工况分析 赛车在紧急制动时，车架除受各部件重力外，还受纵向惯性力作用，同时轴荷发生转移，车架内部应力也发生变化.本文模拟赛车以1.4g的减速度制动，动载因数取1.5，车架及其负重共196 kg，因此整车制动力为F=ma=196×1.4×9.8=2 689.12 N地面制动力通过轮胎、悬架系统最终作用在车架上，视为平均作用在悬架和车架的8个连接点处，即模拟整车的制动工况.制动工况下的车架变形见图5. 在制动工况下，车架最大应力点和最大变形点与弯曲工况一致，最大变形量为 1.27 mm，最大应力为68.1 MPa，远小于车架材料的屈服极限. 3.5转弯工况分析 离心力会导致赛车在急转弯时产生侧向载荷，所以车架应能承受侧向载荷.赛车经常有高速过弯的情况，此时车速较高、向心加速度较大(可达到0.8g以上），转弯工况即模拟赛车以0.9g加速度左转弯，动载因数取 1.5，此时车架所受的侧向力F=man=196×0.9×9.8=1 728 N侧向力同样由悬架系统传递给车架，故视为平均作用在悬架和车架的8个连接点处.转弯工况下的车架变形见图6.可知，在转弯工况下车架最大变形量为1.07 mm，发生在发动机舱底部；最大应力为68 MPa，小于材料屈服强度.由于车架质量较小，负重不大，上述工况下的车架强度足够.由上述分析可知，无论何种工况，发动机舱底部均为应力最大点.为避免车架发生断裂，可采用具有高屈服强度的钢材料焊接发动机舱；同时尽量保证车架接头过渡处圆滑，能有效降低应力集中现象. 4车架刚度分析 4.1车架扭转刚度分析 车架的扭转刚度决定车辆在扭曲路面行驶时悬架硬点的位置精度，是影响赛车性能的重要指标之一，国外大多数参赛车队均将车架的扭转刚度作为车架设计重点.车架扭转变形示意见图7. 在分析车架的扭转刚度时，施加的约束条件为：在车架与后悬架连接点处施加x，y和z等3个方向的位移约束；在车架与前悬架左右连接点处施加2个方向相反的1 mm强制变形，通过仿真分析计算该硬点的作用力F. 假设悬架硬点间的距离为L，则作用于车架的扭矩M=FL1 mm的强制位移对应的车架转角θ=180πarctan 2L则车架的扭转刚度E=Mθ=FLπ180arctan (2/L)由上述分析可知，F=1 383 N，L=400 mm，则车架扭转刚度为1 922 N•m/(°).提高车架刚度最直接的方法为加固更多的管件，但这增加车架质量，因此单位质量的扭转刚度显得尤为重要.该车架的质量为30 kg，则单位质量扭转刚度为64.07 N•m/((°)•kg) 美国康奈尔大学1999年FSAE桁架式车架的扭转刚度［4］为2 168 N•m/(°)，车架质量为26 kg，其单位质量扭转刚度为83.85 N•m/((°)•kg).康奈尔大学装有该车架的FSAE赛车在有100支参赛队的比赛中获得总分第三名. 查询国外FSAE设计资料可知，大多数学校赛车的扭转刚度在1 000~4 000 N•m/(°).由于比赛偶然因素较多，车架扭转刚度对最终的比赛成绩影响并不显著.尽管如此，尽可能提高单位质量下的扭转刚度仍是设计车架的目标，可采取的措施有： (1)尽可能多地使车架管件构成三角形结构.由于三角形固有的稳定性，可很好地在焊接节点间传递力，并减少车架变形. (2)增大车架整体的宽度，车架截面积随之增大，可提高车架结构的抗扭转刚度. 4.2车架弯曲刚度分析 车架的弯曲刚度指车架在承受垂直载荷时挠曲变形的程度.弯曲刚度会影响整车轴距以及车轮定位参数，进而影响整车的操纵稳定性. 将车架视为简支梁，支点为与前、后悬架的连接点.根据材料力学中简支梁挠度的计算方法，可近似计算车架的弯曲刚度.计算公式［5］为rf=-Fab(l2-a2-b2)6fl式中：rf为车架的弯曲刚度；F为垂直力；a为力作用点到前悬架约束的距离；b为力作用点到后悬架约束的距离；l为前、后悬架约束的距离；f为车架底板最大挠曲变形.约束后悬架连接点的xyz自由度，约束前悬架连接点的yz自由度，并于主环顶点施加5 000 N的垂直力.弯曲刚度计算参数见表3. 将表3中各参数代入计算公式，可得车架的弯曲刚度rf=86 275 N•m2. 车架的弯曲刚度对整车性能的影响比扭转刚度要小，因此关于FSAE车架弯曲刚度的数据资料较少.某电动车车架的弯曲刚度［6］为99 307 N•m2（其扭转刚度为 4 671.6 N•m/(°)），故可知本文FSAE赛车车架的弯曲刚度值合理. 5结束语 所设计的FSAE赛车车架具有较高的强度和刚度，能满足赛车的基本性能要求并能提供足够的安全保障.依据该车架模型，车队通过焊接完成车架的实体制造，并圆满完成比赛. 参考文献： ［1］GB/T 13043―1991客车定型实验规程［S］. ［2］高云凯. 汽车车身结构分析［M］. 北京: 北京理工大学出版社, 2006: 31-32. ［3］王羽亮, 任国峰, 王健. LCK6890G城市客车车身结构有限元分析［J］. 客车技术与研究, 2008(5): 5-8. WANG Yuliang, REN Guofeng, WANG Jian. Finite element analysis for structure of city bus LCK6890G［J］. Bus Technol & Res, 2008(5): 5-8. ［4］RILEY W B, GEORGE A R. Design, analysis and testing of a formula SAE car chassis ［C］ // Motor sports Eng Conf & Exhibition, Indianapolis, 2002: 382-399. ［5］聂毓琴, 孟广伟. 材料力学［M］. 北京: 机械工业出版社, 2009: 153-166. ［6］刘杨. 电动观光车车架结构分析及优化设计［D］. 长春: 吉林大学, 2007. (编辑陈锋杰) </div>。

FSAE实用赛车模拟器支架优化及关键部件设计

Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2017, 6(4), 311-323Published Online October 2017 in Hans. /journal/methttps:///10.12677/met.2017.64038The Optimization of FSAE FunctionalRacing Simulator Bracket andthe Design of Its Main PartWenpu Wang, Ningning Liu, Yunjie YanSchool of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, ShanghaiReceived: Oct. 8th, 2017; accepted: Oct. 24th, 2017; published: Oct. 30th, 2017AbstractIn this paper, a simulator bracket for driver training is designed and manufactured with the back-ground of 2016 Formula Student Electricity China. The whole design process is based on the rules of the competition, the maximum reduction of drivers in the car sitting posture, improve the driv-er’s situation reproduction ability, and to meet the requirements of the process to minimize the cost. The main work of this paper is to complete the design and calculation of the car simulator bracket, the utility analysis of the simulator bracket and the manufacture of the simulator bracket.The research and manufacture of this topic provide reference for the design of the training mode of FSAE driver in the future, and summarize the experience and lessons of the design and manu-facturing process, which has a certain engineering value.KeywordsSimulator Bracket, Driver Training, SAE 95%, Situation ReproductionFSAE实用赛车模拟器支架优化及关键部件设计王问璞，刘宁宁，严赟杰上海工程技术大学汽车学院，上海收稿日期：2017年10月8日；录用日期：2017年10月24日；发布日期：2017年10月30日王问璞等摘要本论文以2016 FSEC 中国大学生电动方程式汽车大赛为背景，设计并制造了一套用于车手训练的模拟器支架。

FSAE电车车架的结构分析

FSAE电车车架的结构分析引言FSAE（Formula SAE）是全球性质的学生汽车赛事，旨在由大学生设计、制造并竞赛单座式赛车。

FSAE电动车组则是以电动车为动力的比赛，其车架的设计有着非常重要的作用。

本文将就FSAE电动车车架的结构进行分析。

FSAE电车车架的功能与要求车架是整个赛车的基础结构，它的主要功能是承受各个部件的负荷和力矩，同时作为支撑和固定整个车辆的基础，保证了整个赛车的稳定性和可靠性。

要求实现的主要目标是轻量化、高强度和高刚性。

在设计车架时，需要考虑各个部件的尺寸、形状、分布、重量等因素。

电车车架需要考虑的因素还囊括有限电池重量和电池包形状等。

FSAE电车车架的结构FSAE电动车车架主要由四部分构成：前部、中部、后部以及支撑部分。

具体结构如下：前部前部由车轮、转向系统、刹车系统以及驾驶员和前悬架组成。

在车架设计中，应该注重前部的重量，优化车轮的位置和减小前悬架部分重量，以保证前部的刚性。

中部中部对保护驾驶员非常关键，它一般包括驾驶员座椅、驾驶员兼容结构和车辆的中构架等。

在车架设计中，应该将耐撞性和刚性的平衡融合，以保证减小车重的同时，增加载荷和力矩。

后部后部是车辆的动力拓展部分，这部分主要由驱动力转移系统，例如驱动电机、汽缸和离合器以及制动系统、悬挂和后轮组成。

在设计车架时，需要考虑到具体功能布局和连续的强度冲击要求。

支撑支撑是所有重要部分的基础，它由地面直接接触的部分和支持整个车辆的主要框架组成。

它能够为到处不同部分的能量和力矩提供平衡和平衡，同时尽可能地减少重量，提高整车的灵活性。

FSAE电车车架的材料在车架设计中，材料的选择是至关重要的，因为各个部分的质量和性能都取决于材料的选择。

FSAE车架经常采用碳纤维复合材料或铝合金材料。

1.碳纤维复合材料碳纤维的强度比铝高，密度却比铝低，因此其强度重量比非常优秀。

此外，它还具有优异的抗腐蚀性。

2.铝合金材料铝合金的强度重量比比钢高，但比碳纤维要低。

FSAE赛车车架的总体设计

FSAE赛车车架的总体设计王承梅;黄爱维;牛华【摘要】“FSAE”是大学生方程式汽车大赛的简称，是面向高等院校本科和研究生人员的一场高水平竞赛，是对车辆设计制造全过程的深入研究。

车架作为整车的重要组成部分，既需要足够的刚度和强度，又要满足轻量化设计和空气动力学等要求。

车架的设计包括前环、主环、前隔壁、前环支撑、主环支撑、侧防撞杆的设计，可以利用CAD软件先建立整车模型，然后利用有限元软件进行力学分析，提高整车的力学性能，使整车结构可靠。

【期刊名称】《黑龙江科技信息》【年(卷),期】2016(000)015【总页数】1页(P51-51)【关键词】FSAE赛车;车架设计;轻量化设计【作者】王承梅;黄爱维;牛华【作者单位】南通理工学院汽车工程学院，江苏南通 226000;南通理工学院汽车工程学院，江苏南通 226000;南通理工学院汽车工程学院，江苏南通 226000【正文语种】中文“FSAE”是大学生方程式汽车大赛的简称，2010年首次在中国举行。

这项由高等院校车辆工程或相关专业在校学生组队参加的汽车设计、制造与使用的比赛，是目前国内大学生汽车赛事中科技水平最高、对学生实践能力要求最高的比赛。

车架是车辆底盘形式系统的组成部分，汽车的装配基体，俗称“大梁”，汽车绝大多数的零部件、总成，如发动机、座椅、悬架、车声、踏板、传动总成都要装在车架上。

除了支承、连接汽车的各零部件和总成之外，还要承受来自车上和地面上的各种静、动载荷。

因此车架需满足以下四点要求：a.应满足汽车总布置的要求；b.车架应具有足够的强度和适当的刚度，保持其上各总成和部件之间的相对位置；c.其质量尽可能小，结构简单；d.尽可能降低汽车重心位置和获得较大的转向角。

目前，FSAE赛车中广泛使用的是由金属管件构成的空间管件结构、单体壳车身两种。

空间管架结构使用钢管、铝合金管经焊接、铆接或高强度粘接加工而成，用以承受全车载荷。

单体壳其实是一种结构技术，利用壳体表面承载，而非采用内部框架结构进行承载。

ChinaFSAE方程式赛车悬架系统设计分析

毕业设计说明书学院：机械工程系(专业)：车辆工程题目：方程式赛车悬架系统设计分析毕业设计（论文）中文摘要目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 FSAE大学生方程式汽车大赛简介 (1)1.3 赛事意义 (4)1.4 课题的主要任务 (5)2 FSAE悬架设计 (6)2.1 FSAE底盘规则概况 (6)2.2 悬架概述 (8)2.3 悬架设计要求 (9)2.4 悬架结构的选型 (10)2.5 双横臂独立悬架导向机构的设计 (11)2.6 FSAE赛车悬架参数 (15)2.7 车轮定位参数 (23)2.8 弹性元件、减震器的选择与布置 (24)2.9 A臂材料与尺寸 (25)2.10 连接件及轴承的选择 (26)2.11 CAD图与CATIA三维实体图 (29)2.12 主要零件的受力分析 (40)3 方程式悬架的运动仿真 (45)3.1 ADAMS软件简介 (45)3.2 ADAMS基本模块 (46)3.3 前悬架模型的建立 (47)3.4 模型的仿真 (53)3.5 仿真曲线的后期处理 (60)结论 (66)参考文献 (67)致谢................................................. 错误!未定义书签。

1绪论1.1引言悬架是现代汽车上的重要总成之一[1]，由于双横臂悬架有较好的运动特性，因此在越来越多的轿车的前悬上得到应用，特别是在赛车上，更是得到广泛运用，其设计好坏对操纵稳定性、平顺性和安全性有着重要的影响。

操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度, 而且也是决定汽车高速安全行驶的一个主要性能[2]。

本文根据中国FSC大赛规则对赛车的悬架系统进行了设计与分析。

汽车的四轮定位决定了整车的运动性能，前转向轮的定位整合了转向与悬架系统的所有几何参数[3]。

悬架的运动学性能直接影响操纵稳定性等汽车使用性能，而正确的车轮定位参数能够使赛车的运动性能得到良好地发挥，同时还能够增加赛车的安全性与舒适性提高轮胎的使用寿命[4]，减轻驾驶员的驾驶疲劳。

FASE方程式赛车车架设计报告

目录引言 (2)1车架外形设计 (2)1．1车架设计和制作的整体思路 (2)1. 1. 1车架设计思路 (2)1. 1. 2车架制造思路 (2)1．2车架整体设计 (2)1．2．1车架形式选择 (2)1.2.2车架材料选择 (3)1．2．3车架用钢管规格选择 (4)1. 3车架各部分设计 (5)1. 3. 1底盘外形设计 (5)1．3．2前隔板设计 (6)1. 3. 3前环设计 (7)1. 3. 4前隔板支架 (9)1. 3. 5前环支架 (10)1. 3. 6主环与肩带安装管 (11)1. 3. 7主环支架 (12)1. 3. 8侧防撞结构设计 (14)1. 3. 9发动机安装区的设计 (15)1．3．10后悬架安装区设计 (16)1．3．11其他斜支撑管 (16)2 车架有限元模型的建立 (17)2.１车架实体模型的建立 (17)2．3载荷的分析与处理 (18)2．4车架工况分析 (18)2．4．1弯曲工况 (18)2．4．2扭转工况 (19)2．4．3前右轮悬空 (19)2．4．4右后轮悬空 (20)2．4．5制动工况 (20)2．4．6转弯工况 (21)2．5车架的模态分析 (22)3 结束语 (3)车架设计引言赛车的车架是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的重要部件。

该报告就是叙述车架设计的整个过程的，其主要包含两大部分内容:车架外形设计、车架有限元分析。

车架外形设计从车架的形式选择、材料选择、管件规格选择和各部分详细设计等方面进行了叙述。

车架有限元分析主要运用ANSYS力学分析软件对车架模型进行了计算机模拟分析，主要利用有限元方法通过工程分析软件ANSYS对车架进行静态强度和模态分析，获得车架在不同工况下的变形量和强度载荷及不同阶数的固有频率和振型，检验车架的结构是否合理，并未其改进提供依据。

1车架外形设计1．1车架设计和制作的整体思路1. 1. 1车架设计思路如果把一辆赛车比作一个充满活力的运动员的话，车架就是他的骨骼。

FSAE大学生方程式赛车（电动版）设计说明书

FSAE⼤学⽣⽅程式赛车（电动版）设计说明书以⼤学⽣⽅程式赛事为背景，参考⼴西⼯学院⿅⼭学院⼤学⽣⽅程式赛车作为基础，应⽤汽车理论和汽车设计等相关知识结合⽐赛规则，对赛车的基本尺⼨、质量参数和赛车的性能参数进⾏选择，对赛车各总成进⾏选型和总布置，进⾏赛车蓄能系统、再⽣制动系统以及⾏驶系统、传动系统进⾏设计。

根据同组同学确定的驱动系统，结合⽐赛需求计算出电池、电容容量和要求，选择电池、电容型号和组合形式，确定出外形尺⼨和质量和安装位置。

再为蓄能装置匹配出合适的充电系统。

设计节能环保的再⽣制动系统,然后按照⿅⼭⼆号对纯电动⽅程式赛车的⾏驶系统、传动系统进⾏改动,最后再结合同组同学的参数，确定整车的设计参数。

随着全球能源、环境问题的⽇益严峻，节能环保的纯电动车辆将会成为下⼀个时代的主流。

关键词：⼤学⽣⽅程式赛车；总布置；磷酸铁锂电池；超级电容Students Formula One racing events as the background, refer to the Guangxi Institute of Technology the Kayama College Students Formula One racing as a basis for the automotive design and automotive theory and other related information as well as the FSAE competition rules，application of automotive theory and knowledge of automotive design , combined with the rules of the game , the basic dimensions of the car , quality parameters and performance parameters of the car selection , selection and general arrangement of the assembly of the car , the car energy storage system , regenerative braking system and driving system, transmission system design.According to the same group of students to determine the drive system , combined with the game needs to calculate the battery, capacitor , capacity and requirements , select the battery, capacitor model and the combination to determine the shape size and quality , and installation location . Match the charging system for the energy storage device . The regenerative braking system of the design of energy saving and environmental protection , and then follow the Lushan II Formula One racing for pure electric driving system , the transmission system to make changes , and finally combined with the parameters of the same group of students to determine the design parameters of the vehicle .Keywords:college students and Formula One racing ; general arrangement ; lithium iron phosphate batteries ; super capacitor ⽬录1 绪论 (4)1.1 ⼤学⽣⽅程式赛事介绍 (4)1.2 ⼤学⽣⽅程式的历史 (4)1.3 赛事意义 (5)1.4 国内外发展现状 (5)2 纯电动⽅程式赛车总布置设计 (6)2.1 赛车主要参数的选取 (6)2.1.1 纯电动⽅程式赛车机械部分参数的选取 (6)2.1.2 赛车性能参数的选取 (7)2.1.3 悬架主要参数（学院车队提供） (8)2.2 赛车驱动电机的选取 (8)2.2.1 电机类型的选择 (8)2.2.2 电机功率的选择 (9)2.3 赛车各总成选型原则和总布置 (10)2.3.1 悬架、轮胎的选择 (10)2.3.2 制动系统 (10)2.3.3 车架 (11)2.4 ⼈机⼯程 (11)2.4.1 ⼈体尺⼨ (11)2.5 赛车的轴荷分配 (12)2.5.1 学院⿅⼭2号的轴荷分配 (12)2.5.2 纯电动⽅程式赛车相对后轴增加的质量分布的计算 (13)2.5.3 纯电动⽅程式赛车轴荷的分配 (13)3 储能装置的选择 (14)3.1 蓄能装置的容量计算 (14)3.1.1 赛车的续驶⾥程 (14)3.1.2 蓄能器容量的计算 (14)3.2 蓄能装置类型的选择 (14)3.2.1 ⾼⽐能量蓄能装置 (14)3.2.2 ⾼⽐功率储能设备的选择 (17)3.2.3 ⾼⽐功率装置的计算 (17)3.2.4 超级电容的计算 (22)4 充电器的设计 (24)4．1 锂离⼦电池充电⽅法 (24)4.1.1 常⽤的充电⽅法[10] (24)4.1.2 赛车充电放式的选取 (25)4．2 赛车的充电要求 (25)4.2.1 赛车的充电要求 (25)4.2.2 充电器⽅框图 (26)4.2.3 充电器的分析 (27)5 再⽣制动 (29)5.1 赛车制动⼒矩的计算 (29)5.1.1 赛车制动⼒的要求 (29)5.1.2 赛车制动⼒的计算 (29)5.2 制动距离和制动减速度 (30)5.2.1 制动减速度计算 (30)5.2.2 制动距离计算 (31)5.3 制动效能的恒定性 (31)5.4 制动的稳定性 (31)5.5 前、后制动器制动⼒的⽐例关系 (31)5.5.1 求出I曲线 (31)5.5.2 具有固定⽐值的前、后制动器制动⼒分析 (32)5.6 赛车要求的最⼤制动⼒ (33)5.6.1 赛车最⾼车速下所具有的能量 (33)5.6.2 塞车的制动⼒要求 (34)5.6.3 赛车制动器制动⼒的选取 (34)5.6.4 赛车再⽣制动路线分析 (36)6 机械传动系统与⾏驶系 (37)6.1 机械传动系统 (38)6.2 ⾏驶系 (38)6.2.1 车架 (38)6.2.2 车桥和车轮 (38)6.2.3 悬架 (39)致谢 (42)参考⽂献 (43)1 绪论1.1 ⼤学⽣⽅程式赛事介绍全球可利⽤能源逐渐减少、环境恶化的形式越来越严峻，⼈类需要⼀个更安全、低碳的能源体系及环境。

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FSAE赛车车架的人机工程设计
赵帅, 隰大帅, 王世朝, 王达, 姜莽
吉林大学
【摘要】在赛车开发过程中，人机工程设计是及其重要的设计工作。

FSAE赛车是单人驾驶的方程式赛车，在满足大赛规则规定的前提下，应尽量保证车手具有合适的驾驶姿势、可以方
便地进行各项驾驶操作，并合理安排赛车驾驶舱的空间布置，使整辆赛车紧凑而高效。

在本次
FSAE赛车的设计过程中，吉林大学FSAE车队依照V字形开发流程，主要利用CATIA软件进
行初步设计并搭建木条模型完成设计工作。

【关键词】 FSAE ，车架，人机工程设计
Ergonomics Design for FSAE Race Car Frame
Zhao Shuai, Xi Dashuai, Wang Shichao, Wang Da, Jiang Mang
Jilin University
Abstract:During the process of designing a race car, ergonomics is a very important part. Considering FSAE race car is for one racer, we should ensure that the racer has a right posture to control expediently. On the other hand, a more reasonable cabin-space layout can make the whole car compact and efficient. Based on the V design flow, JLU racing team finished the work by Dassault CATIA engineering software and manual wooden model.
Key words: FSAE, Frame, Ergonomics
1引言
FSAE赛车的人机工程主要关系到赛车车架的结构设计。

车队从大赛的相关规则规定入手，同时满足车手的驾驶条件，利用CATIA软件逐步设计出满足最低条件的车架模型，之后通过搭建1:1木条模型进行修改完善，最终确定车架的人机结构。

开发流程如图1。

大赛的基本要求确定车架的结构和尺寸
①车手的驾驶姿势多次完善修改
②驾驶舱的空间布置
③腿部空间搭建1:1
…… 木条模型
满足条件的
车架模型
图1 V字形开发的基本流程
1.1《中国大学生方程式汽车大赛规则》（以下简称《规则》）相关规定
（1）《规则》3.9：当车手正常乘坐并且在车手约束系统的约束下，一个第95百分位男性和该车队所有车手的头盔：
a）必须与前环顶端和主环顶端的连线有至少50.8毫米(2英寸)的距离（图2a）
b) 如果主环支撑置后，头盔必须与主环顶部和主环支架底端末尾连线至少有50.8毫米的间距（图2b）
c）如果主环支撑置前，头盔不可以超过主环后表面。

（2）《规则》3.17：车手的双脚必须完全包裹在框架的主体结构之中。

当车手的脚接触踏板时，从侧面和前面看，车手脚的任意部分都不准伸出或高于车架之外。

（3）《规则》4.1：驾驶舱开放规定，为了给驾驶舱的开口有足够的尺寸，大赛模板将被插入开放的驾驶舱内。

（4）《规则》4.2：驾驶舱内部横断面规定，一个自由垂直的横断面允许大赛模板可以被水平的通过从驾驶舱内距离踏板后端面之后100mm处的内操纵舱的位置，并且在其整个长度内都要保持这个状态。

（5）《规则》4.7：车手视野规定，车手必须具有车前面与车侧面良好的可见度。

当车手坐在正常位置时，他的视角需为200度（左右各100度）。

要求的视角可以包括车手转头或使用反视镜所看到的角度。

图2a 图2b
2车手的驾驶姿势
车手模型使用1988年中国95百分位男性和5百分位女性人体尺寸数据制作，考虑可容纳95%男性模型（身高178cm）。

（1） H30：H30是人机工程设计的最基本参考点，取为H点（胯部关节点）到AHP （踵点，脚跟与车内地板接触点）的垂直距离。

根据乘用车推荐数据，跑车的H30为120mm～170mm，考虑到赛车垂直方向上空间紧张，选定H30=120mm。

（2）踏平面角度：踏平面角度是加速踏板在未踏下时，与地板平面所成夹角。

可以通过H30代入公式求得。

本例中，以H30=120mm计算得，踏平面角度74.86deg。

（3）踏板位置：经过人体模型推移定位，可以确定加速踏板、制动踏板和离合器踏板的中心点坐标。

以整车坐标系原点为基准，三个踏板的中心坐标分别是：（-300，100）（-290，30）（-295，-80）。

（4）踏板行程：根据舒适范围计算得，所有踏板踏到底的踏平面角度不能低于45deg。

（5）方向盘位置L6：L6表示方向盘中心到AHP的水平距离，根据总布置酌情选取。

在方向盘不干涉人体的情况下，选定L6=595±10mm。

（6）方向盘倾角：根据眼椭圆倾角，方向盘平面与水平面之间的夹角应为78±2deg.
（7）方向盘尺寸：方向盘外缘直径不可大于330mm（13inch）。

（8）仪表盘位置：仪表盘应平行于方向盘平面，另外，在该方向盘位置下，方向盘平面是最适合布置仪表的位置（距离眼点550mm）。

倘若不便于在方向盘上布置仪表，则仪表盘应距离方向盘平面150mm以内。

根据以上几条限定，在CATIA V5中确定的人体坐姿模型如图3a、图3b。

图3a：坐姿模型1 图3b：坐姿模型2
3基于人体坐姿的车架设计及空间布置
3.1车架的初步设计
根据规则的设计要求及初期悬架硬点和各总成的位置要求，首先完成车架的整体框架。

即在CATIA软件中依据坐标建立点线模型，然后赋予模型截面属性。

从而生成三维车架模型。

此时主环高度、前环高度、驾驶舱宽度以及腿部空间长度尚不确定，均为待调整量。

主环与前环的高度应保证车手头部与主环前环顶部连线的距离，驾驶舱宽度应满足规则的测试模板，腿部空间长度除满足测试模板外，还应考虑车手踩踏踏板时便利性。

初步设计的车架模型如图4。

3.2车架相关尺寸的确定
3.2.1主环与前环的高度
图4：车架初步模型图5：头盔约束示意图
打开CATIA装配模块，并将人体坐姿模型与车架的三维模型一起导入装配环境下，调整人体与车架模型的相对位置，使其符合驾驶姿态。

将主环顶端与前环顶端连线，考虑头盔的厚度为20mm，为达到车手头盔与连线、主环
支架的距离不得小于50mm，调整主环前环高度，如图5所示，此时人体头部距离连线105.5mm，距离主环支架76mm，距离足够。

确定后的主环前环高度见表1（车架的人机尺寸）。

3.2.2驾驶舱尺寸的确定
建立大赛规定用的空间测试模板，并将其导入装配图中。

要求驾驶舱测试板能够垂直插入直到穿过侧防撞结构的顶端管件的底部。

（图6）
要求横断面测试板能够水平的通过从驾驶舱内距离踏板后端面之后100mm处的内操纵舱的位置。

（图7）
图6：驾驶舱测试图7：驾驶舱横断面测试
3.2.3腿部空间尺寸
腿部空间关系到车手踩动制动踏板的便利性，逃离驾驶空间所需的时间，以及转向系统以及制动系的布置形式甚至upright的结构形式。

根据95百分位中国男子模型的腿长，暂定车架前隔板距离前环下焊点的距离为850mm，转向系统布置方式为下置。

4搭建木条模型
图8a：第一版木模图8b：第二版木模根据CATIA人体坐姿模型的设计结果，我们搭建了车架1:1比例的木条模型（图8a、图8b），各位车手进入车架进行模拟驾驶，根据车手反馈的信息，在原有车架模型的基础上进行修改和完善。

通过搭建模型，发现了软件建模欠准确的地方：
①人体模型仅是人体身高的统计值，在某种程度上具有一定的准确性，但并不能完全替代车手的实际身材。

②人体模型的空间位置是通过摆放确定的，然而无法模拟出车手的实际感受，所以搭建木条模型获取车手真实的驾驶感受是十分必要的。

搭建模型后，做出了以下修改：
①缩短了腿部空间的位置，修改了转向系统的布置形式，使整车结构更加紧凑。

②降低了主环高度
③修改了前环前部的杆系结构。

5车架人机尺寸确定
经过上述设计过程和后期的多次修改，车架的人机尺寸确定，具体尺寸如表1所示：项目数据项目数据
主环高度 1170mm 腿部空间长度 700mm
主环宽度 818mm 腿部空间宽度 400mm
主环倾角 0deg 驾驶舱最小长度 612mm
前环高度 562mm 驾驶舱最大长度 725mm
前环宽度 400mm 驾驶舱最小宽度 400mm
前环倾角 12deg 驾驶舱最大宽度 818mm
表1 车架尺寸
6结束语
车架的人机工程设计过程中，利用CATIA软件建立了95百分位人体坐姿模型，完成了车架的人机工程初步设计，之后搭建了木条模型，弥补了软件设计的不足。

设计好的车架完全满足驾驶员的驾驶需求，为赛车发挥优异的性能奠定了基础。

参考文献
1中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则.2009
2北京兆迪科技有限公司. CATIA V5宝典.电子工业出版社.2009
3郑午.人因工程设计.化学工业出版社。

2006；
4毛恩荣.汽车人机工程学.北京理工大学出版社.1999。