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【摘 要】本文以某大学生方程式（FSAE）赛车为例，介绍了其整车及部分关键子系统的设计方法。在FSAE赛车的设计过程中首先需要遵守的就是严格的比赛规则，在此基础上提出了“轻量化设计、足够大gg附着椭圆、优异操纵性能”的设计要求，并基于此介绍了整车设计、动力传动系统设计、转向系统设计及悬架系统设计等流程。论文可在一定程度上指导国内FSAE赛车设计。
【关键词】FSAE赛车；整车设计
1.整车设计要求
赛车圈速与赛道情况、车手水平等密切相关，不能以“开环”的性能参数来表达。所以，工程师们在进行赛车设计时，往往难以提炼出明确的设计指标。作者所在车队曾获得两届中国FSAE大赛冠军，结合多辆FSAE赛车设计经验，将FSAE赛车的整车设计要求概括为以下定性的三点。
1.1轻量化极限设计
轻量化设计是赛车的首要设计要求。基于牛顿第二定律，越小质量的物体在同等外力作用下的加速度越大。并且，FSAE赛车不像传统汽车一样需要很高的耐久性。故而，FSAE赛车整车零部件在满足强度、刚度的要求下应该尽可能采取轻量化设计。
1.2尽可能大的极限侧向加速度
根据作者经验，一辆优秀FSAE赛车的极限侧向加速度不应该小于所用轮胎静载时的附着系数，一般在1.8g左右。当然，轮胎的垂直载荷会影响到其附着系数的大小，一般应该以静载时为准。
1.3优异的操纵性能
对于FSAE赛车而言，所谓优异的操纵性能主要关注赛车的瞬态响应能力以及各侧向加速度下的转向特性，其决定着车手是否可以“顺利”驾驶赛车并发挥赛车极限。
为保证赛车的绕桩速度以及进出弯道的响应速度，要求赛车具有优秀的瞬态响应能力。换言之，希望其为近似临界阻尼系统，基于汽车动力学相关理论可知，其阻尼比主要由赛车轮距、质心位置、轮胎侧偏刚度等主要参数决定。
2.整车及其子系统设计
2.1整车设计流程
图1某FSAE赛车整车设计流程
某FSAE赛车的整车设计流程如图1所示。
2.2动力传动系统及其设计
考虑到轻量化及操纵性的整车设计要求，选择HondaCRF450发动机。其本为越野摩托专用发动机，变速箱为序列6档。FSAE赛事规则要求发动机进气系统必须装配一个口径为20mm的限流阀，在此基础上，需要进行如下工作：外形轮廓三维测绘精确建模、进排气系统设计、发动机电控系统MAP标定等。
2.2.1发动机进排气系统设计
FSAE赛车的发动机进、排气系统一般是裸露在车体外的，其布置方式、加工材料的选择具有较大灵活性。
考虑进气管长度与谐振频率的关系表达式以及发动机常用转速，初定进气管长度为800mm；排气管为减小阻力采用直排式。在进气管初定长度800mm的基础上，分别增大和减小15%，10%和5%，考察六种不同设计方案的充气系数随发动机转速的变化，最终将进气管长度确定为730mm。
结合FSAE比赛经验，单缸发动机在动态耐久赛中的使用转速应该在8000-10000rpm之间，八字环绕赛的使用转速在5000rpm左右，可以看到当进气管为730mm时，充气系数在这两个常用转速区间内的表现良好。
结合整车布置的尺寸约束，分别对不同排气管头段长度、弯管角度以及半径进行仿真。仿真主要关注的参数为排气系统背压以及温度。
2.2.2传动子系统设计
链传动链盘通过花键啮合在差速器外壳上。差速器由两边的三角型支撑并连接在车架上，三角型支撑是由内外两部分组成的，内部分结构为一偏心圆结构，两部分通过型面紧配合安装，通过调节偏心圆的旋转角度可以调节传动链的张紧。
2.2.3气动换挡子系统设计
为降低换挡速度，减少动力中断时间，采用气动换挡技术。其最上层机构为气动换挡拨片，安装在方向盘背面，由碳纤维制成；控制元件为两个电磁阀，分别控制升降档气缸与离合气缸，其响应时间可以达到30ms；执行元件为两个气缸，分别控制换挡花键与离合拉把。在ECU接收到换挡信号时，将同时通过改变点火频率的方式以增加或减弱发动机动力，从而配合换挡动作。
2.3底盘系统及其设计
FSAE赛车底盘系统包括转向系统及悬架系统。其采用机械齿轮齿条式转向机、不等长双横臂独立悬架。由于FSAE赛事弯道多的特点，底盘系统的优劣很大程度决定一辆FSAE赛车的竞技水平，尤其是转向与悬架系统。
2.3.1转向子系统设计
转向系统的阿克曼特性是FSAE赛车转向子系统设计的重要参数。因为FSAE赛车的轮胎常工作在极限工况内，其侧向附着能力往往需要发挥至极限并产生较大侧偏角，故而转向横拉杆、断开点等设计参数为保证车轮做纯滚动运动必须进行重新设计。
2.3.2悬架子系统设计
经CFD仿真可知，赛车空气动力学套件在50km/h时可产生约500N下压力，并考虑赛车为30mm离地高度则可初步制定赛车悬架弹簧刚度为100N/mm。在此基础上，进行车辆各加速度下载荷转移、车身侧倾幅度校核，小幅度修正悬架弹簧刚度。
3.结论
本文以某FSAE赛车为例，介绍了其整车设计要求及整车设计流程，并且介绍了动力传动系统、转向系统及悬架系统等关键子系统的设计流程，研究结果将为国内FSAE赛车设计提供借鉴。
参考文献：
[1]杨林，吴志成，倪俊。面向FSAE竞赛的某赛车动力学仿真及试验验证[J]。北京理工大学学报，32（11）：1121-1124
[2]W.F.Milliken.RaceCarVehicleDynamics[M].SAE：WarrenMichigan.1994.
【关键词】FSAE赛车；整车设计
1.整车设计要求
赛车圈速与赛道情况、车手水平等密切相关，不能以“开环”的性能参数来表达。所以，工程师们在进行赛车设计时，往往难以提炼出明确的设计指标。作者所在车队曾获得两届中国FSAE大赛冠军，结合多辆FSAE赛车设计经验，将FSAE赛车的整车设计要求概括为以下定性的三点。
1.1轻量化极限设计
轻量化设计是赛车的首要设计要求。基于牛顿第二定律，越小质量的物体在同等外力作用下的加速度越大。并且，FSAE赛车不像传统汽车一样需要很高的耐久性。故而，FSAE赛车整车零部件在满足强度、刚度的要求下应该尽可能采取轻量化设计。
1.2尽可能大的极限侧向加速度
根据作者经验，一辆优秀FSAE赛车的极限侧向加速度不应该小于所用轮胎静载时的附着系数，一般在1.8g左右。当然，轮胎的垂直载荷会影响到其附着系数的大小，一般应该以静载时为准。
1.3优异的操纵性能
对于FSAE赛车而言，所谓优异的操纵性能主要关注赛车的瞬态响应能力以及各侧向加速度下的转向特性，其决定着车手是否可以“顺利”驾驶赛车并发挥赛车极限。
为保证赛车的绕桩速度以及进出弯道的响应速度，要求赛车具有优秀的瞬态响应能力。换言之，希望其为近似临界阻尼系统，基于汽车动力学相关理论可知，其阻尼比主要由赛车轮距、质心位置、轮胎侧偏刚度等主要参数决定。
2.整车及其子系统设计
2.1整车设计流程
图1某FSAE赛车整车设计流程
某FSAE赛车的整车设计流程如图1所示。
2.2动力传动系统及其设计
考虑到轻量化及操纵性的整车设计要求，选择HondaCRF450发动机。其本为越野摩托专用发动机，变速箱为序列6档。FSAE赛事规则要求发动机进气系统必须装配一个口径为20mm的限流阀，在此基础上，需要进行如下工作：外形轮廓三维测绘精确建模、进排气系统设计、发动机电控系统MAP标定等。
2.2.1发动机进排气系统设计
FSAE赛车的发动机进、排气系统一般是裸露在车体外的，其布置方式、加工材料的选择具有较大灵活性。
考虑进气管长度与谐振频率的关系表达式以及发动机常用转速，初定进气管长度为800mm；排气管为减小阻力采用直排式。在进气管初定长度800mm的基础上，分别增大和减小15%，10%和5%，考察六种不同设计方案的充气系数随发动机转速的变化，最终将进气管长度确定为730mm。
结合FSAE比赛经验，单缸发动机在动态耐久赛中的使用转速应该在8000-10000rpm之间，八字环绕赛的使用转速在5000rpm左右，可以看到当进气管为730mm时，充气系数在这两个常用转速区间内的表现良好。
结合整车布置的尺寸约束，分别对不同排气管头段长度、弯管角度以及半径进行仿真。仿真主要关注的参数为排气系统背压以及温度。
2.2.2传动子系统设计
链传动链盘通过花键啮合在差速器外壳上。差速器由两边的三角型支撑并连接在车架上，三角型支撑是由内外两部分组成的，内部分结构为一偏心圆结构，两部分通过型面紧配合安装，通过调节偏心圆的旋转角度可以调节传动链的张紧。
2.2.3气动换挡子系统设计
为降低换挡速度，减少动力中断时间，采用气动换挡技术。其最上层机构为气动换挡拨片，安装在方向盘背面，由碳纤维制成；控制元件为两个电磁阀，分别控制升降档气缸与离合气缸，其响应时间可以达到30ms；执行元件为两个气缸，分别控制换挡花键与离合拉把。在ECU接收到换挡信号时，将同时通过改变点火频率的方式以增加或减弱发动机动力，从而配合换挡动作。
2.3底盘系统及其设计
FSAE赛车底盘系统包括转向系统及悬架系统。其采用机械齿轮齿条式转向机、不等长双横臂独立悬架。由于FSAE赛事弯道多的特点，底盘系统的优劣很大程度决定一辆FSAE赛车的竞技水平，尤其是转向与悬架系统。
2.3.1转向子系统设计
转向系统的阿克曼特性是FSAE赛车转向子系统设计的重要参数。因为FSAE赛车的轮胎常工作在极限工况内，其侧向附着能力往往需要发挥至极限并产生较大侧偏角，故而转向横拉杆、断开点等设计参数为保证车轮做纯滚动运动必须进行重新设计。
2.3.2悬架子系统设计
经CFD仿真可知，赛车空气动力学套件在50km/h时可产生约500N下压力，并考虑赛车为30mm离地高度则可初步制定赛车悬架弹簧刚度为100N/mm。在此基础上，进行车辆各加速度下载荷转移、车身侧倾幅度校核，小幅度修正悬架弹簧刚度。
3.结论
本文以某FSAE赛车为例，介绍了其整车设计要求及整车设计流程，并且介绍了动力传动系统、转向系统及悬架系统等关键子系统的设计流程，研究结果将为国内FSAE赛车设计提供借鉴。
参考文献：
[1]杨林，吴志成，倪俊。面向FSAE竞赛的某赛车动力学仿真及试验验证[J]。北京理工大学学报，32（11）：1121-1124
[2]W.F.Milliken.RaceCarVehicleDynamics[M].SAE：WarrenMichigan.1994.