方程式賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)(本科畢業(yè)設(shè)計(jì))

1、一、設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)背景：本文基于揚(yáng)州大學(xué)力行車(chē)隊(duì)的方程式賽車(chē)進(jìn)行研究闡述FSAE賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配現(xiàn)狀與發(fā)展的相關(guān)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)方程式賽車(chē)的電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)比、電池組容量進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，借以尋找一種有效的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化思路。在保證賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行水平的基礎(chǔ)上，持續(xù)改進(jìn)系統(tǒng)功能及其運(yùn)行策略最終進(jìn)一步提高FSAE賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行能力，使得所設(shè)計(jì)以及制造的方程式賽車(chē)能夠滿(mǎn)足AE賽事比賽的要求。主要內(nèi)容如下：（1）參考對(duì)比國(guó)內(nèi)高校方程式賽車(chē)電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)布置方式，設(shè)計(jì)本文所要求設(shè)計(jì)的揚(yáng)州大學(xué)電動(dòng)方程式賽車(chē)的布置方式；（2）以本校電動(dòng)賽車(chē)基本參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)裝置及能源系統(tǒng)進(jìn)行

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體性能計(jì)算；（3）使用CATIA軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模，對(duì)電機(jī)、電池、控制器以及驅(qū)動(dòng)橋的位置進(jìn)行合理布置，做好動(dòng)力系統(tǒng)的總布置圖；（4）按照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中對(duì)賽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，對(duì)賽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配，最終確定整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)組成部分的選型。在OptimumLap軟件中建立賽道模型，通過(guò)軟件分析方程式賽車(chē)的比賽工況；（5）基于CRUISE軟件進(jìn)行賽車(chē)的性能仿真，對(duì)影響賽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性的幾個(gè)因素進(jìn)行分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的動(dòng)力系統(tǒng)各部分參數(shù)的準(zhǔn)確性；二、設(shè)計(jì)思路圖1-3整體設(shè)計(jì)技術(shù)路線(xiàn)三、設(shè)計(jì)內(nèi)容賽車(chē)的設(shè)計(jì)是從賽車(chē)的總布置開(kāi)始，涉及車(chē)架、車(chē)身、底盤(pán)、傳動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、可靠性和穩(wěn)定性測(cè)試等多方

3、面內(nèi)容13。純電動(dòng)賽車(chē)與傳統(tǒng)的燃油賽車(chē)相比，由于動(dòng)力源的差異，所以純電動(dòng)賽車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)和油箱，代之以動(dòng)力電池系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。FSEC純電動(dòng)方程式賽車(chē)是本著對(duì)傳統(tǒng)車(chē)輛的加速、制動(dòng)和操縱性能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，賽車(chē)的總布置是一個(gè)穿插賽車(chē)設(shè)計(jì)始末的過(guò)程，總布置的確定對(duì)賽車(chē)的性能有著重要的影響。三、系統(tǒng)布置整個(gè)賽車(chē)的組成結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，主要有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、車(chē)架車(chē)身、底盤(pán)系統(tǒng)等基本結(jié)構(gòu)要素。圖2-2整車(chē)部分系統(tǒng)布置四、控制系統(tǒng)由于FSAE賽車(chē)實(shí)質(zhì)上就是一輛純電動(dòng)汽車(chē)，因此賽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)也與純電動(dòng)汽車(chē)相似，都是由電機(jī)和電機(jī)控制器組成。一般電動(dòng)汽車(chē)上中的能量流動(dòng)是直接通過(guò)車(chē)載控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)和

4、車(chē)輪間則是由傳動(dòng)裝置連接。電動(dòng)方程式賽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)類(lèi)似，動(dòng)力系統(tǒng)包括蓄電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、主減速器、差速器和驅(qū)動(dòng)后軸。五、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總布置賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)總布置設(shè)計(jì)是基于整車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，以此確立電機(jī)、電池組、控制器以及驅(qū)動(dòng)橋的布置方案。方程式賽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源可以有多種選擇，目前市場(chǎng)上純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力能源一般分有蓄電池，燃料電池與超級(jí)電容。能量存儲(chǔ)裝置的重量要占到整車(chē)重量20%左右。方程式賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有以下幾類(lèi)，使用廣泛的單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)式、以及雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式和極少用于實(shí)際制作中的四電機(jī)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式。賽車(chē)驅(qū)動(dòng)方案定為單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)方式。單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)布置在實(shí)際生產(chǎn)裝

5、配過(guò)程中較為方便，也能夠給整車(chē)底盤(pán)布置節(jié)省很大一部分空間，其次單電機(jī)在裝配過(guò)程中涉及到的零件較少，所以綜合考量下成本較低，最后涉及到的配套電機(jī)型號(hào)和配套控制器也容易選取。不足之處便是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求較高，不僅要具有較高的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還要求具有較大的后備功率，以保證賽車(chē)的啟動(dòng)、加速等動(dòng)力性18。單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)方式是參考燃油賽車(chē)，在燃油車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，用電機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)，其動(dòng)力傳遞經(jīng)過(guò)車(chē)載電機(jī)、減速器、差速器、后軸和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)后輪。六、設(shè)計(jì)要求畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求：傳統(tǒng)的電動(dòng)式方程式賽車(chē)包括動(dòng)力系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車(chē)架車(chē)身、制動(dòng)系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)。其中，動(dòng)力系統(tǒng)在方程

6、式賽車(chē)設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用，也是取得動(dòng)態(tài)項(xiàng)目成績(jī)的保證。研究電動(dòng)方程式賽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，對(duì)提升方程式賽車(chē)的整體性能水平有著重要性作用3。大學(xué)生電動(dòng)方程式賽車(chē)（FSEC）動(dòng)力系統(tǒng)底盤(pán)是整車(chē)的核心總成部件，直接影響賽車(chē)的綜合性能。本課題以中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽規(guī)則（電動(dòng)車(chē)部分）為設(shè)計(jì)原則，結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)的布置方法，以本校電動(dòng)賽車(chē)基本參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)、傳動(dòng)裝置及控制系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體性能計(jì)算；運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模和系統(tǒng)仿真，并利用設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行實(shí)車(chē)制作。（1）實(shí)習(xí)調(diào)研，資料收集，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，完成文獻(xiàn)綜述與實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告；（2）完成與課題相關(guān)的

7、外文資料翻譯；（3）熟悉FSEC底盤(pán)系統(tǒng)的特點(diǎn)，制定設(shè)計(jì)方案，完成開(kāi)題報(bào)告；（4）根據(jù)規(guī)則，參照汽車(chē)總布置方法，確定賽車(chē)電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的主要參數(shù)；（5）對(duì)動(dòng)力裝置進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)計(jì)算；（6）利用相關(guān)軟件建模與仿真分析，繪制總成圖；（7）編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；（8）附：設(shè)計(jì)車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)：整車(chē)整備質(zhì)量：280KG；乘員：一人（80kg最大95%的人體模板）前后軸載荷分配系數(shù)：滿(mǎn)載為45/55；整車(chē)重心高度：不大于350mm；最高速度：120km/h；加速時(shí)間（0-100km/h）：6s電動(dòng)機(jī)：按照要求自行匹配；輪胎、輪輞型號(hào)：輪輞不小于8英寸；賽車(chē)的軸距：至少為1525mm（60英寸）；地面附著系數(shù)

8、：1475m加速時(shí)間：5s；所設(shè)計(jì)的方程式賽車(chē)的動(dòng)力以及經(jīng)濟(jì)性能的好壞取決于動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的布置和關(guān)鍵部件的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。揚(yáng)州大學(xué)力行車(chē)隊(duì)的往年FSAE方程式電動(dòng)賽車(chē)在最高車(chē)速、續(xù)駛里程、5m直線(xiàn)加速、8字繞環(huán)等項(xiàng)目測(cè)試中，綜合可得出動(dòng)力性能指標(biāo)參數(shù)如表3-1。表3-1性能指標(biāo)性能指標(biāo)參數(shù)性能指標(biāo)參數(shù)最咼車(chē)速km/h12075m加速時(shí)間/s22綜合考慮之下，本文設(shè)計(jì)中選用永磁電機(jī)作為純電動(dòng)賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。采用鋰電池。七、設(shè)計(jì)計(jì)算3.3動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)3.3.1電機(jī)匹配電機(jī)功率賽車(chē)分別以最高車(chē)速行駛和75m直線(xiàn)加速狀態(tài)行駛所要求的功率Pmax1，Pmax2，最終比較兩個(gè)功率大小，可取得驅(qū)動(dòng)電機(jī)所

9、要達(dá)到的峰值功率Pmax。電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速3.3.2電池組匹配總?cè)萘恳軌蛑钨愜?chē)跑完耐力賽全程大約22km的路程。因此在選擇時(shí)，偏向于選擇具有高比能量、高功率以及高安全性的電池，綜合考慮之下，選擇鋰電池作為車(chē)載動(dòng)力能源。電池組能量電池組容量電池參數(shù)3.3.3傳動(dòng)比選擇設(shè)計(jì)傳動(dòng)比的原因：FSEC純電動(dòng)賽車(chē)在行駛中由于不可控因素會(huì)遇到行駛阻力，且行駛過(guò)程中的阻力會(huì)隨車(chē)速的變化而變化，所以單靠改變電動(dòng)機(jī)的輸出力矩時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的行駛性能要求20。本文中，為了滿(mǎn)足所設(shè)計(jì)的方程式賽車(chē)的性能要求，提高賽車(chē)整體經(jīng)濟(jì)性，對(duì)賽車(chē)的傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。最小傳動(dòng)比汽車(chē)的最高車(chē)速取決于最小傳動(dòng)比最大傳動(dòng)比確定賽車(chē)的

10、最大加速度取決于最大傳動(dòng)比，3.3.4驅(qū)動(dòng)半軸設(shè)計(jì)計(jì)算方程式賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋中半軸起到了一個(gè)動(dòng)力傳遞的作用，即將差速器傳來(lái)的動(dòng)力傳送給左右車(chē)輪。本文中所設(shè)計(jì)的方程式電動(dòng)賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋與電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)橋類(lèi)似，考慮到全浮式半軸在實(shí)際工作中的可靠性，所以最終采用全浮式半軸。3.4驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的選型3.4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的初步確定3.4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器的確定通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)市場(chǎng)的調(diào)研，選擇深圳大地和永磁同步電機(jī)CMLB15和配套的電機(jī)控制器AMCC42,其基本參數(shù)如表3-1所示，電機(jī)外特性曲線(xiàn)、效率和三維數(shù)模分別如圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-4所示。八、系統(tǒng)模型建立及仿真賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

11、完成后，在OptimumLap軟件中搭建賽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型和FSEC模擬賽道，分析賽車(chē)工況，優(yōu)化賽車(chē)的傳動(dòng)比，最終提高整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。賽車(chē)模型參數(shù)主要有五方面：整車(chē)參數(shù)，包括質(zhì)量與驅(qū)動(dòng)方式；空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括空氣阻力系數(shù)、升力系數(shù)、迎風(fēng)面積和空氣密度；輪胎參數(shù)，包括輪胎半徑、滾動(dòng)阻力系數(shù)、縱向附著系數(shù)和橫向附著系數(shù)；電機(jī)參數(shù)，主要是轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的外特性參數(shù)；傳動(dòng)參數(shù)，包括傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率。結(jié)合賽車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，確定電機(jī)參數(shù)并進(jìn)行具體選型，初定主減速器傳動(dòng)比，確定動(dòng)力電池參數(shù)并進(jìn)行電池組的設(shè)計(jì)；利用OptimumLab賽道仿真軟件，建立耐久賽道和75m直線(xiàn)加

12、速賽道對(duì)賽車(chē)運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，最后對(duì)傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化，為下一章節(jié)在AVLCruise中的性能仿真奠定基礎(chǔ)。九、Crusie仿真通過(guò)對(duì)FSEC純電動(dòng)賽車(chē)性能的仿真分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)是否合理。AVLCruise軟件可在車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配以及車(chē)輛性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。AVLCruise軟件提供了燃油汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)等建模所需要的各種組件，包含輪胎、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、制動(dòng)、變速器等。根據(jù)仿真需求從模型庫(kù)中拖出相應(yīng)的組件，能夠迅速地建立目標(biāo)車(chē)型的系統(tǒng)框圖，最后正確連接數(shù)據(jù)總線(xiàn)，便能夠得到整車(chē)仿真模型59。本文建立FSEC純電動(dòng)賽車(chē)的整車(chē)仿真模型結(jié)構(gòu)如圖6-1所示，利用AVLCruise進(jìn)行仿真的流程如圖6-2所示。電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數(shù)及技術(shù)要求Jr11r1車(chē)身動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)車(chē)輪、輪軸附件控制策略1L整車(chē)模型圖6-1仿真模型結(jié)構(gòu)圖6-2仿真流程圖所需參數(shù)：整車(chē)模塊參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、其他模型仿真任務(wù)：本次仿真的目的是驗(yàn)證賽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，在Cruise中建立以下三個(gè)計(jì)算任務(wù)60：滿(mǎn)載全負(fù)荷加速模塊(