FSC方程式赛车制动系统总成设计与计算

摘 要：从FSC比赛规则出发，初步分析赛车的前后制动力，提出一套适合于FSC方程式赛车制动系统设计的方法，介绍大学生方程式赛车制动系统的组成，包括零部件的选择和总成的匹配。还根据已知的汽车相关参数，通过计算得到了制动器主要参数、前后制动力矩分配系数、制动力矩和制动力以及液压制动驱动机构相关参数。

关键词：方程式赛车；制动系统；轴荷分配

前言

中国大学生方程式汽车大赛（Formula Student of China，简称：FSC）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校大学生组队参加的汽车设计与制作比赛，各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在接近一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动操控性等方面具有优异表现的小型单座赛车、并能够完成全部或部分禁赛环节的比赛[1]。

1 设计目的

赛车制动的目的是根据车手的意图实现赛车减速和停车。在赛车遇到紧急情况，需紧急制动时能安全、平稳、迅速地减速停车，保证车辆和赛车手的安全。

2 制动方式的确定

2.1 制动方式的确定

钳盘式制动器按制动钳的结构形式不同可分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等。由于浮钳盘式制动器只在单侧有制动油缸，结构尺寸小；且在单侧布置油管，液压缸的冷却工况稳定且成本低；制动摩擦片兼具停车制动以上三点优点，所以选择浮钳盘式制动器。

2.2 制动回路布置形式

分析比赛规则和比赛项目，赛车的制动系统必须使用双回路系统，并且制动力要足够，以保证通过制动测试，且使赛车具有制动安全性。由以上分析可以得到：对于FSAE赛车，使用Ⅱ型双回路[2]。

3 设计预计算

3.1 车相关主要参数

质量（含人） m=320kg

轴距 L=1650mm

前轮中心到质心 a=932.5mm

后轮中心到质心 b=817.5mm

质心高 hg=280mm

轮胎半径 R=230mm

3.2 同步附着系数的分析

当制动时前轮先抱死，赛车丧失了转向能力；制动时后轮先抱死，赛车容易发生后轴侧滑而使汽车丧失方向稳定性。所以分析表明，汽车在同步系数为？渍的路面上制动（前后轮同时抱死）时，地面的附着条件才可以得到充分利用。赛车使用的是热熔胎，考虑到赛车制动时，完全抱死，参考国内外车队计算参数，同步附着系数？渍取 1.4。

3.3 整车受力分析

对赛车进行制动受力分析，不考虑FSC赛车在滚动时的阻力、空气阻力和在减速时惯性阻力偶矩，其中：FZ1是刹车时前轮受到地面的法向反力；FZ2为刹车时后轮受到地面的法向反力；G为重力；Fxb1为地面对前轮的制动力；Fxb2为地面对后轮的制动力；du/dt为刹车减速度，单位m/s2。

汽车静止时前后轴荷是平衡的，法向反作用力是均衡分布的。但在制动过程中，由于汽车惯性力的作用，轴间的载荷会重新分配。在制动过程中，汽车受惯性影响向前冲，前轮负荷大幅度增大，后轮载荷大幅度减少。要实现较短的制动距离或较大的制动减速度，赛车的轴荷分配特别重要，应大致为前后制动器制动力之比，才能得到峰值附着系数，制动效果最好。设计静态时的前后轴荷分配为45：55[3]计算过程：

所以解方程组得：FZ1=2234.4N FZ2=901.6N

随着制动减速度的不断增大，轴荷分配变化明显，当以14m/s的减速度制动时，前轴的轴荷分配为2234.4N，后轴的轴荷分配为901.6N。赛车轴荷的70%分配给了前轴，充分利用地面制动力，实现前后轮同时抱死，保证了赛车的方向稳定性和操作稳定性。前后轮同时抱死的条件是：在不同行驶条件的路面，前后轮的附着力分别等于制动器制动力，且附着力之和等于制动器制动力之和。即赛车前后轮处于理想制动器制动力分配曲线-I曲线。用符号？茁表示前轮制动盘制动力F？滋1和总制动力F？滋2之比，在赛道上，当赛车的前后制动器制动力各等于地面对的附着力，且总和等于地面对赛车的最大附着力，即前后轮制动时满足理想制动力分配曲线-I曲线，这时，赛车能够实现前后轮同时抱死。式中，F？滋1为前制动器制动力；F？滋2为后制动器制动力，则F？滋1+F？滋2为赛车总制动器制动力[4]。

根据公式：F？滋1/F？滋2=？茁（1-？茁）

得到：前制动力约3128.16N；后制动力约1262.24N。

4 零部件选择

4.1 制动盘的选择

（1）选取较大的制动盘，则制动盘的有效半径较大，制动钳接触摩擦片的面积较大，制动夹紧力较小，可以降低摩擦片上的单位面积的压力和温度升高[5]。（2）选择较厚的，也可以降低摩擦片上的单位面积温度；为降低制动盘的转动惯量，制动盘厚度又不能取得过得大，则根据赛车其他条件的限制，例如：轮辋直径的限制，暂选外径180mm有效直径160mm的制动盘。根据经验值，选择制动盘抱死时的最大制动踏板力为600N，选择踏板杠杆比为6，跟据制动力分配比可知前轮分配的制动力为55%，后轮为45%。总体制动系统的效率为84%。

4.2 选择制动主缸和制动卡钳

制动时前轮制动器油压取4.8MPa，后轮制动器油压取2.8MPa。根据已设计好的制动盘对制动油缸和卡钳进行选择，选择主要考虑的问题就是制动摩擦片在制动盘上的摩擦面积。考虑角度为根据抱死时卡钳对制动盘的摩擦力矩选择合适型号的制动主缸，然后再通过计算和校核，最终定出卡钳和油缸。其具体尺寸如下：

前轮：主缸缸径为17.607mm 轮缸（卡钳）缸径为29.317mm

后轮：主缸缸径为20.853mm 轮缸（卡钳）缸径为24.383mm

5 结束语

（1）针对FSC比赛规则，提出了一套能适用于多种设计要求的赛车制动系统总成的计算方案。（2）介绍大学生方程式赛车制动系统的组成，通过从制动方式的分析、操作结构的设计、以及油路的布置和制动油缸以及卡钳形式的优化选择和设计来对选择和分析制动系统的方案是否合理。（3）还根据已知的汽车相关参数，通过计算得到了制动器主要参数、前后制动力矩分配系数、制动力矩和制动力以及液压制动驱动机构相关参数。

参考文献

[1]中国大学生方程式汽车大赛规则组委会.2014中国大学生方程式大赛赛事手册[M].北京：汽车工程学会，2014.

[2]乔军奎，陶文锦，孙博.FSAE方程式赛车制动系统的设计[J].汽车工程学报，2012，3.

[3]唐应时，李雪鹏，肖启瑞，等.FSAE赛车制动性能仿真与优化[J].计算机仿真，2010，5.

[4]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

作者简介：刘攀（1993-），男，汉，湖北麻城人，本科，南京农业大学，研究方向：FSC方程式赛车制动系统总成设计与计算。