FSAE赛车（精选四篇）
FSAE赛车 篇1
自2010年第一届中国FSC比赛以来,中国FSC始终致力于培养国内优秀汽车人才,考验未来一批汽车人的各方面能力。中国FSC比赛规定赛事所用发动机排量小于600cc,且在进气系统的进气总管处设有20mm的限流阀;同时也规定出进气顺序为:空滤—节气门—总管(内设限流阀)—稳压腔—歧管—发动机。在以上这些限制条件下,设计出的赛车要取得更好的成绩,并能使发动机工况处于最佳状态,这就要求进气系统做出更合理的设计,并尽可能提高充气效率。本次的研究目的主要是对进气系统进行优化设计,并验证优化结果。
1 FSAE赛车进气系统的结构
进气系统的结构如图1所示,主要包括:1进气口、2限流阀、3进气总管、4稳压腔、5进气歧管。其工作原理是气体经过空气滤清器、节气门后由进气系统的进气口经过进气总管(内设有内径为20mm的限流阀)进入稳压腔,气体在稳压腔内稳压、蓄能。在进气门开启时,气体在负压的作用下吸入气道,与燃油混合后进入气缸并燃烧。进气系统的优劣直接影响发动机充气效率,并对整车的动力性与加速性有很大的影响,因此在进气过程中,要尽可能大的、范围广的提高发动机的充气效率。
2 进气系统的设计
进气系统的设计主要包括进气总管角度的设计、稳压腔容积的设计、进气歧管结构的设计等。其设计所需参数如表1所示。
2.1 进气总管角度的设计
为了能使发动机在运行中获得最佳的充气效率,应对进气总管的进气锥角与出气锥角进行合理的设计,如图2所示为进气总管示意图。进气口到限流阀以及限流阀到稳压腔的距离分别为40mm,230mm,初步设定总管的渐缩角15°与扩张角6°[4],并分别配合不同渐缩角与扩张角,运用FLUENT分析计算得出充气效率,结果如表2所示,可以看出当渐缩角为18°、扩张角为6°时充气效率最高。
2.2 稳压腔的分析
稳压腔容积的大小范围在3.0L左右时,发动机的充气效率处于较佳状态[11]。以下把稳压腔容积大小分为2.8L、2.9L、3.0L、3.1L进行比较,运用GT-power进行仿真分析得出稳压腔容积大小对发动机充气效率的影响。
分析结果如图3所示,发动机转速在8000~9600rad/min时,四种稳压腔容积下的充气效率都为上升趋势。图中可以明确看出发动机转速在8000~8200rad/min,稳压腔容积在2.8L、2.9L时充气效率高于3.0L、3.1L时充气效率数值;在8200-9000rad/min,稳压腔容积在2.8L、2.9L时充气效率略低于3.0L、3.1L时的充气效率数值,但在9000rad/min之后均明显升高。发动机转速在8000~8200rad/min、9000~9600rad/min,稳压腔容积在2.9L时的充气效率数值均高于稳压腔容积在2.8L时的充气效率数值,在8200~9000rad/min之间充气效率数值差距甚微,分析得出稳压腔容积在2.9L时的充气效率较好。结合图4发动机功率图也可以得出稳压腔容积在2.9L时发动机功率折线图对应功率数值最高,综上所述发动机在高速8000~9600rad/min运转时,稳压腔容积在2.9L时效果最好。
2.3 进气歧管的分析
1)进气歧管长度的初步计算与确定
进气管长度根据公式计算如下:
式中:L为进气歧管长度。
c为当地声速。
q为惯性效应波动系数,取q=4.5。
n为发动机转速,取n=9000r/min。
计算得出进气歧管的长度为180mm。
2)进气歧管的分析结果
根据计算所得歧管长度为1 8 0 m m,为了得到最佳的充气效率,将分别设置歧管长度为175mm、1 8 0 m m、1 8 5 m m、1 9 0 m m。运用G T-p o w e r在转速为8000~9600rad/min时,对不同进气歧管长度进行分析。分析结果如图5、图6所示,发动机转速在8000~9000rad/min时充气效率最好的是进气歧管长度180mm,虽然转速在9000rad/min之后岐管长度为180mm对应的充气效率数值有所下降,但其下降斜率较小、下降平缓,所以不会给发动机运转带来影响。结合图6功率图可以明确看出进气歧管长度为180mm时,转速在8000~9200rad/min,折线图对应的发动机功率数值最大;转速在9200~9600rad/min时,发动机功率折线图下降甚小,对发动机的运转没有影响,所以歧管长度为180mm时发动机功率最好,经分析得出歧管长度为180mm时为最优结果。
3 进气系统的整体优化分析
根据以上分析得出优化数据如表3所示,并利用CATIA对进气系统进行整体建模,如图7所示。
进气系统整体模型建立后,运用FLUENT软件对该进气系统进行分析。如图8(a)、8(b)壁面压力图所示,可以看出优化后的进气系统整体壁面压力大于优化前进气系统整体壁面压力,壁面压力越大说明其内部进气量越多,充气效率越好。从图9(a)、9(b)可以看出优化后的稳压腔内气体平均速度小于优化前的稳压腔内气体平均速度,说明优化后的稳压效果更好,同时对其它三缸的进气影响较小;优化后限流阀处的流速高于优化前限流阀处的流速,说明优化后的限流阀处单位时间内流经的气体较多,进而提高发动机的充气效率、改善发动机性能。经FLUENT软件分析得出优化前充气效率为0.1408,优化后充气效率为0.3641,优化后的充气效率与优化前相比提高了1.5倍。
4 结束语
运用GT-POWER、CATIA以及FLUENT软件对进气系统进行试验分析与流场分析后,得出进气总管的渐缩角为18°、扩张角为6°、进气歧管的长度为180mm、稳压腔体积为2.9L时充气效率效果较优。
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FSAE赛车 篇2
1 整车控制器
整车控制器实为赛车动力系统控制核心, 其完成功能包括:1、踏板信号采集2、Can总线信息处理3、整车传感器信息采集4、仪表和无线通信5、实时数据存储。
基于以上的任务选用基于Cortex-M3内核的STM32F103单片机, 搭配外围处理电路, 构成整车控制器。
配合电气盒和接插件, 最后达到模块化设计效果。图一接头从左到右接头依次为轮速传感器接头, 仪表显示, 方向盘转角, 减速箱温度和水泵调速, 油门踏板1, 油门踏板2, 无线模块, 制动踏板, 背面有整车控制接头。
1.1 踏板信号采集方案
通过自主设计踏板结构, 搭配角度传感器获得油门和制动信号。
旋转编码器可靠性更好, 使用寿命更长, 数字总线式的绝对编码器又具有灵敏度高抗干扰能力强的优点。SSI总线较为常见, 基于差分式信号经由MAX490解码, 极大减轻处理器负担, 提高通信速度。实际测试获取角度信息频率>5kHz。
常见的模拟量旋转编码式传感器通过屏蔽线有效接地, 并联电容滤波, 处理器配置DMA模式, 软件多次测量、大小排序、去极值、取平均几种方式共用, 实际验证可有效解决大功率同步电机工作的电磁干扰。
1.2 Can总线 (基于J1939协议) 方案
Can总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性, 基于J1939协议的Can总线被大多数车用器件兼容。
整车控制器微处理器STM32集成Can (2.0B) 模块, 可替代基于TJA1040模块的通用性方案, 搭配CTM1051A通用Can隔离收发器同时解决电气隔离和电平转换问题。通过设置微处理器屏蔽模块, 屏蔽电机控制器和电池管理系统内部通信, 减轻处理器负担, 提高通信效率。且电路构成简单可靠配备多级缓存。
1.3 整车传感器信息采集
整车传感器主要包括齿轮传感器, 方向盘角度传感器, 变速箱温度传感器, 姿态传感器等。
齿轮传感器选用霍尔式, 但需保证在安装精度。方向盘传感器选择电位器式, 经由AD模块采集处理并存储。温度传感器模块 (非线性) , 通过多次实际测量获取多组数据, 通过曲线模拟获得3阶多项式以拟合实际对应关系, 可获足够精度度。。
1.4 仪表显示和无线通信
为了方便车手了解赛车实时信息, 仪表采用独立CPU的智能PS-LCD, 可独立自主二次开发显示界面, 但刷新频率较低。
通过界面设计软件Designer在线仿真界面设计。通过RS233协议与整车控制器通信, 实时显示当前赛车状态, 包括速度, 电压, 电量, 故障等。
无线模块选用基于ZigBee通信协议的1.6公里的无线模块, 配合基于Labview软件开发的上位机软件, 完成实时监控。
1.5 实时数据存储
由于赛车运行时传感器信息量较大, 无线模块传输信息通信速率无法满足需求, 无法实现大量数据的实时存储, 通过文件管理芯片CH376S实现U盘或SD卡的实时信息读写。其内置了FAT32文件系统的管理固件, 支持SPI接口。
通过该模块实现了大量数据的实时存储, 经过测试, 该模块的数据块写入速度高于1Mb/s, 综合有效速率达100Kb/s, 且稳定性良好。
2 安全回路的设计
安全回路为连接各可靠性模块及保护开关等的电气回路, 在整车电气系统中占有重要位置。包括:两个主开关, 3个急停开关, 制动超程开关, 绝缘可靠性装置 (IMD) , 惯性开关, 制动可靠性装置, 电池管理系统 (AMS) 等。以上除了开关外其余模块直接控制继电器开关串联在安全回路中, 任何一个模块被激活均直接断开安全回路, 进而断开电池箱内的直流接触器, 确保赛车无动力输出。整车控制电源 (12V) 经由为控制系统开关和驱动系统开关为系统供电。在该过程中, 组成安全回路的绝缘监控和制动可靠性装置成为难点。绝缘监控临界值应规则要求需要达到500Ω/V, 该装置需在到达响应值后独立断开安全回路。Bender A-ISOMETER®iso-F1 IR155-3203或-3204均符合规则要求, 测试中用外接电阻模拟故障, 5次测试中均成功断开回路。
制动可靠性装置用于避免制动时有动力输出, 通过霍尔式电流传感器和接近开关, 独立采集制动踏板角度和电机电流, 当二者同时达到阈值时, 模块动作断开安全回路。
3 结论
经过对该方案的具体实施, 成功完成了符合规则的电动方程式赛车的电气系统构建, 在实际1h的连续跑动测试过程中:
(1) 无意外断开安全回路状况。
(2) U盘存储、仪表、无线模块均正常工作。
(3) 跑动结束后的绝缘、制动可靠性测试通过。
各个模块均得到了验证, 其可靠性和稳定性均有所保证, 方案的可行性得到验证。但仍存在整车布线杂乱的情况, 有待优化模块机械安装位置。
摘要：在一辆动力电动赛车中, 安全可靠的整车电气系统是赛车高性能的保障。构建符合赛事规则的包括电机控制器、电池管理系统、绝缘监控装置、制动可靠性装置等功能模块在内的电气系统成为重点。针对该问题, 提出了由整车控制器辅助下的安全回路的电气拓扑结构整体设计方案。基于stm32单片机的整车控制器和Can总线通信网络及安全回路构建更优的整合整车各类传感器及可靠性模块信息, 为赛车电气设计人员提供新的可参考的设计方案。
关键词：FSAE,电动赛车,STM32,安全回路,Can总线,整车控制器
参考文献
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FSAE赛车 篇3
悬架是汽车的重要组成部分, 决定着汽车的平顺性与操纵稳定性, 其中前悬架至关重要[1]。前悬架应具有良好的运动学特性, 保证在轮跳中前轮定位参数在合理的范围内变化, 从而确保汽车的转向轻便性, 减少轮胎的磨损[2]。双横臂独立悬架具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性, 轻便可靠, 结构简单, 在FSAE赛车上得到了广泛的应用。本文以赛车悬架为研究对象, 利用ADAMS对其进行仿真, 从而达到优化的目的[3,4]。
1 双横臂独立悬架仿真模型的建立
悬架的建模主要是在ADAMS/Car模块中完成的, 为了建模的方便, 应对前悬架系统进行适当简化和假设[5]: (1) 悬架中除橡胶元件和弹性元件外, 所有零部件都认为是刚体, 同时零部件之间的所有连接都简化为铰接, 内部间隙不计; (2) 认为左、右两侧非悬挂质量系统相同, 关于赛车纵向中分面对称; (3) 车轮上下跳动时, 假设车身相对于地面是静止的, 即没有上下位移。
从机械实物或者CAD软件中获取硬点的空间坐标, 给机械系统建立运动部件、施加相应的约束, 并定义模型中的相关部件、弹性元件、铰链及相应的外界条件, 从而建立起机械系统的运动学模型, 如图1所示。
2 仿真结果及数据分析
在标准模式下建立前悬架子系统模型, 装载在悬架试验台上进行双轮平行跳动仿真试验, 对左、右轮施加垂向运动, 行程为±30mm, 仿真结果如图2所示。
(1) 为了最大发挥轮胎性能, 在转弯中提供最大侧向力, 设计时常把外倾角设为负值, 而且希望其随车轮的跳动变化尽量小。从图2 (a) 可看出, 外倾角的变化范围是-4.348 5°～-3.763 3°, 外倾角变化幅度过大。
(2) 后倾角的主要作用是保证汽车转弯后自动回正以保持直线行驶的能力。后倾角越大, 回正力矩越大, 但转向不灵敏, 所以后倾角不宜过大, 一般设计要求随车轮上跳而增加[6]。从图2 (b) 可以看出, 主销后倾角的变化范围是-0.000 8°～0.013°。
(3) 适当的内倾角使赛车在转弯时自动回正, 保持赛车直线行驶的稳定性。但内倾角过大, 前轮自动回正能力就会过强, 转动转向盘就会费劲, 而且也会增加轮胎的磨损, 因此希望内倾角变化尽量小。由图2 (c) 可以看出, 主销内倾角的变化范围是3.198 8°～3.783°。
(4) 前束角要与外倾角匹配, 外倾角为负值, 前束角也设为负值。前束角变化过大影响赛车直线行驶的稳定性, 使轮胎磨损加剧, 所以希望其变化量越小越好。由图2 (d) 可以看出, 车轮前束角的变化范围是-1.666 3°～-0.578 6°。
通过上述分析, 可看出赛车在跳动过程中, 主销内倾角、车轮外倾角和前束角变化范围过大, 需要优化。
3 设计变量对目标的影响度
利用Insight进行优化分析, 考虑到整车的尺寸限制, 选定悬架中的下横臂前后点、上横臂前后点、转向拉杆内点5个硬点的YZ坐标为设计变量。创建DOE工作矩阵, 通过521次迭代运算, 从而得到各变量对设计目标的影响度, 如表1所示[7]。
%
从表1中可以看出:对外倾角和内倾角影响较大的是上下横臂各硬点的Z坐标, 对前束角影响最大的是拉杆内点的Z坐标。硬点的Z坐标相对Y坐标更能影响前轮定位角的大小。
4 优化结果分析
利用平方和加权的方法来解决多目标优化的问题[8]。目标函数为:
其中:ωi (i=1, 2, 3, 4) 为加权系数;αmax、βmax、γmax、δmax分别表示外倾角、后倾角、内倾角、前束角绝对值的最大值;αmax0、βmax0、γmax0、δmax0分别表示外倾角、后倾角、内倾角、前束角绝对值的最大目标值。
由于安装尺寸的限制, 将10个设计变量的变动范围限制在 (-5, 5) mm内, 根据优化结果, 修改硬点坐标, 保持其他参数不变, 再次进行双轮同向激振仿真, 优化前、后对比如图3所示。
(1) 前轮外倾角:从图3 (a) 可以看出, 优化后外倾角的变化范围是-4.131 2°～-3.763 3°, 变化量是0.363 3°, 比优化前0.585 2°减少了0.221 9°, 优化后外倾角变化量明显减少。
(2) 主销后倾角:从图3 (b) 可以看出, 优化后后倾角的变化范围是-0.094 2°～0.108 8°, 变化量为0.203°, 比优化前0.013 8°增加了0.189 2°, 虽然后倾角的变化量增加, 但增加幅度不大, 而且这种变化有利于整车的操纵稳定性, 符合车轮上跳增加、下调减少的设计原则, 补偿了赛车急刹车或急加速引起的后倾角的变化。
(3) 主销内倾角:从图3 (c) 可以看出, 优化后内倾角的变化范围是3.411 1°～3.564 3°, 变化量为0.153 2°, 比优化前0.584 2°减少0.431°, 优化比较理想, 满足了内倾角随车轮上跳而增大的要求, 避免了赛车在大载荷转向时, 由于回正能力的增强出现的转向不稳的情况。
(4) 车轮前束角:从图3 (d) 可以看出, 优化后前束角的变化范围为-1.441 2°～-0.849 5°, 变化量为0.591 7°, 比优化前1.087 7°减少了0.496°, 变化量明显降低, 提高了赛车直线行驶的稳定性。
5 结论
利用ADAMS/Car进行悬架建模和仿真分析, 并指出其缺陷, 利用Insight模块, 建立设计变量和目标对悬架进行优化分析。优化结果表明, 悬架的性能得到明显的改善。基于ADAMS虚拟样机技术对悬架的仿真优化设计方法, 缩短了研发周期, 对FSAE赛车悬架的设计、制造和调试提供了参考。
参考文献
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FSAE赛车 篇4
汽车在转弯时弯内轮与弯外轮在地面上画出的圆周不同即表示左右轮有转速差出现, 为了确保汽车能顺畅的转弯就需要装置差速器。例如左轮行驶在沙地上, 右轮在柏油路上, 左边轮因为摩擦系数比右边低, 负载变低, 动力就转移到左轮造成打滑, 全汽车失去驱动力, 无法按照原来轨迹行驶造成失控。这种情况在结冰路面, 泥泞路面或者高速转弯时, 因为离心力令车身侧倾, 内轮抬起的一刻经常发生, 所以在一般行车或竞赛时都会显露出标准差速器的不足。CUSCO LSD差速器总成能解决两轮间的转速差问题, 设计利用机械、物理的控制方式, 让左右轮在转弯时容许出现正常转速差, 但遇上不合理的转速差时, 动力又不会100%的传向低负载的轮上, 而保留部分或强制传送到高负载的轮上令汽车继续保持一定的驱动能力, 稳定行驶, 而对AWD汽车而言, LSD不仅加强四轮的抓地力, 同时能减少转向不足和转向过度的特性, 使驾驶更加趋于中性, 所以LSD差速器总成不仅是赛车的装备更是安全行车的装备。
LSD差速器外壳采用的材料是高强度铬钼钢, 其具有独有的润滑油循环系统, 使流向LSD差速器总成内部的油更流畅, 效果更佳。此差速器外壳加大了润滑油的进出口, 得以快速流向压缩环及MZ片等, 发挥更高效率的润滑效果。
1 可制造性设计的概念和实施
1.1 概念
可制造性设计 (DFM) 是面向制造的设计的简称。DFM定义对象是零件, 是为考虑效率、高质量生产的零件形状的获得。DFM的关键点在于详细说明零件最好的制造过程和确保零件形状所需而选择的制造过程。
机加工零件的制造过程要考虑加工用工具和夹具。零件在加工时必须夹紧、从夹具中取出以及在制造过程中移动, 零件的设计可能影响所有这些加工问题。工具和夹具的设计应该在部件设计过程中一起考虑, 工具和夹具的设计与零件的设计遵循同样的过程:建立需求、形成概念然后是最终产品。
采用并行工程的理念就是制造工程师与设计工程师并行进行工作, 可缩短零件设计和制造周期, 而且面对成千种的制造方法, 如果没有制造专家的辅助, 设计工程师是不可能有足够的知识完成DFM工作的。
1.2 实施
设计工程师根据方程式赛车采用的是后轮驱动的方式, 采用的是把大链轮布置在左右差速器支架的左侧, 差速器外壳左端盖的长度要加长后才能保证与相关部件的联接到位, 并且需要在差速器外壳上增设出法兰来固定链轮, 差速器外壳上的法兰与差速器端盖间使用花键连接, 所以在差速器外壳上要增设花键。如图1所示。
制造工程师根据所掌握的制造技术和工作经验提出了此设计存在的技术问题:
(1) 浪费材料。
(2) 机械加工工作量大。
(3) 被加工面的形状和要求复杂。
(4) 不便于夹持、测量。
(5) 尺寸和重量大。
设计工程师协同制造工程师一起对原差速器外壳存在的上述制造问题采取的技术方案是:把差速器外壳与差速器右端盖整合成一起, 左端盖与差速器外壳采用法兰连接, 链轮固定在法兰上, 取消了差速器外壳左端盖加长长度, 取消了差速器外壳上的法兰, 取消了差速器外壳上的花键。如图2所示。
由于取消了差速器外壳左端盖加长长度、法兰、花键, 节约了差速器外壳的材料, 减少了差速器外壳的机械加工工作量, 简化差速器外壳加工面的形状和要求, 差速器外壳尺寸小了重量也轻了, 在机械加工过程中便于夹持和测量。
2 可装配性设计评价的概念和运用
2.1 概念
可装配性设计 (DFA) 是衡量产品装配难易程度的最好实践。因为实际上所有产品都是由许多个零件装配而成的, 装配需要花时间, 故有强烈的动机尽可能使产品的装配容易。零件的配合装配是将零件放在一起的动作。配合装配可能环节很少, 如把一个零件放在平面上或可能是将紧固件旋入螺纹孔中。常用的配合的同义词是插入, 在装配过程中, 一些零件要插入孔里, 其他零件放在平面上以及其他销或轴的配合, 所有这些情况都称为插入装配。
DFA根据产品整个装配效率以及零件取出、摆放和配合装配的方便程度评价一个产品。装配效率高的产品有少量的零件, 容易搬运而又容易装配在一起。
2.2 运用
在新差速器外壳设计时, 为了提高装配效率, 使用如表1所示的工作表的设计方法。工作表是对每件所评估产品的装配率的打分, 分数从0至140, 分数越高, 越好装配。最后的得分是同一产品不同设计或相近产品不同设计的相对评价, 得分的绝对值没有任何实际意义。根据设计原则可以对原设计进行修补或改变设计方案, 然后再重新评价, 原产品的评价得分与重新设计的产品评估得分之差表示装配效率的改进程度。
尽管这一方法仅在设计过程的后期使用, 此时产品已经进行了详细设计, 以至于个别零件作紧固方法都已经确定, 但是它的价值在设计过程的较早期就有体现。因为填几次评价工作表后, 设计者在开发时对怎样使产品易于装配已经有了解, 这些知识会对今后设计有影响。
3 结论
(1) 学习设计的唯一途径是去作设计。
(2) 在工程设计中, 设计者用到三类知识:产生概念的知识、评价概念的知识和组织设计过程的知识。
(3) 有足够的评价概念的经验和训练, 是能够学得到高质量产品的设计过程的。
(4) 设计过程应该在两个方面学习:在学术环境中, 在模拟工业实际的环境中。
参考文献