FSAE方程式赛车制动系统的设计
第2卷第2期2012年3月
汽车工程学报
ChineseJournalofAutomotiveEngineering
V01.2No.2
Mar.2012
FSAE方程式赛车制动系统的设计
乔军奎,陶文锦,孙博
(北京理工大学机械与车辆学院,北京100081)
摘要:提出了一套适用于FSAE方程式赛车制动系统设计的方法,包括零部件的匹配和制动性能的仿真。从FSAE比赛规则出发,分析了比赛对赛车制动性能的要求,确定了赛车制动系统的形式。通过对赛车在不同制动强度下的受力分析,初步分配了赛车的前后制动力,再以此为基础匹配了制动主缸、制动器和制动盘。在AMESim仿真环境下建立了整车制动系统的模型,并与Simulink中建立的三自由度整车模型进行了联合仿真。仿真结果表明,赛车在中等强度、大强度制动时的制动性能均满足设计要求,通过与实车试验的对比,验证了仿真模型的正确性和有效性。关键词:方程式赛车;制动系统;匹配;联合仿真;制动性能中图分类号:U463.5
文献标志码:A
DOh
10.3969/j.issn.2095—1469.2012.02.009
DesignfortheBrakingSystemof
a
FSAERacingCar
Bo
100081,China)
QiaoJunkui,TaoWenjin,Sun
(SchoolofMechanical
Engineering,Beijing
Instituteof
Technology,Beijing
Abstract:Anewmethodofbrakingsystemdesignfor
a
FSAEracing
car
wasproposed,includingthe
on
matchingofmainpartsandthesimulationofbrakingperformance.Based
therulesofFSAE,the
requirementsofbrakingperformancewereanalyzedandthelayoutwasconfirmed.Thenforcesofthe
car
wereanalyzedunderdifferentbrakingstrengths,thefrontand
rear
brakingforcesweredistributed
preliminarily,andthenthecaliper,mastercylinderanddiscwereselectedandmatched.ThemodelofthebrakingsystemofdynamicvehiclewasestablishedinAmesimandsimulinkrespectively.Theresultsof
thesimulationshowthatthebrakingperformance
can
meetthedesignrequirementsundermoderateand
intensivebrakingconditions.Incomparisonwithexperiments,theeffectivenessofthesimulationmodelwas
testedandverified
Keywords:FormulaRacingCar;BrakingSystem;Matching;Co—simulation;BrakingPerformance
由美国车辆工程师学会于1979年开办的FSAE
(Formula
车,能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。比
静
赛本分报为告
、
O
T●,
SAE)国际学生方程式赛车,在国际上
丽n
被视为是“学界的F1方程式赛车”。比赛过程要求各参赛队伍按照赛事规则和赛车制造标准,在1年的时问内自行设计和制造出1辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛
态营赛销和报动告态和赛技两术项设、F静报态告
.,
目,动每态括项敏目造包成括
直线加速、8字环绕、高速避障、耐久赛和燃油经济性测试Ⅲ。
目前,很多文献都是研究乘用车和商用车的制
收稿日期:201卜12—13
140
汽车工程学报
第2卷
动系统的设计,前后制动力的匹配等,都是以ECE制动法规和GBl2676—1999给出的制动要求为前提”1。然而FSAE方程式赛车是一种比较特殊的车型,因为车的设计目的是参赛,以及涉及到轮胎等与传统车辆的不同因素,所以不能一味地以乘用车的标准去设计。因此本文提出了一套适用于FSAE方程式赛车制动系统设计的方法。
l世段赛车制动系统分析
1.1制动系统比赛规则
比赛涉及到制动系统性能的主要规则如下。I坠制动系统的设计过程
(1)赛车必须安装制动系统。制动系统必须作2.1整车受力分析
用于所有4个车轮上,并且通过单一的控制机构控制。
整车主要参数见表1。
(2)制动系统必须有两套独立的液压制动回表1整车主要设计参数
路,当某一条回路系统泄漏或失效时,另一条回路还可以至少保证有两个车轮可以维持有效的制动力。每个液压制动回路必须有其专用的储液罐(可以使用独立的储液罐,也可以使用厂家生产的内部
被分隔开的储液罐)。
(3)制动系统必须在后述的测试中,能够抱死
所有4个车轮。
设计静态时前后分配为4:6。赛车使用的是热
1.2制动布置形式
熔胎,参考国内外车队计算参数,同步附着系数取
分析比赛规则和比赛项目,赛车的制动系统必1.4川,质心高度参考值280rm,静态前后轴荷分配
须使用双回路系统,并且制动力要足够,以保证通为45:55。
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(图1),这样布置简单,并且满足比赛规则,同时容易调节前后制动力之比。由图2可知,
制动系统由制动踏板、平衡杠杆、制动主缸、制动
管路、制动器5部分组成”1。
图3
赛车的制动受力图
对赛车进行制动受力分析如图3所示。图中忽
图1
FSAE赛车制动时动力传递路线
略了汽车的滚动阻力偶矩、空气阻力以及旋转质量
第2期乔军奎等:FSAE方程式赛车制动系统的设计
141
2.2匹配分析
(1)理想的前后制动器的制动力分配关系
如下。
/
制动力;du/山'为汽车的减速度,m/s2嗍。
耻i1睫G、,丐一㈢埘-)】,
(8)
式中:E-、E:分别为前后轮制动器制动力。
El・L=Gb+m
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(2)
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图5不同制动强度下赛车的I曲线
I曲线也是车轮同时抱死时前后轮地面制动力的关系曲线(图5)。从图中可以看出前后轮同时抱死时,赛车I曲线的变化趋势”o。
(2)由于FSAE实车在转配完毕动态下前后轮制动力之比是定值,因此前后制动力不会随着
理想的I曲线变化,而是沿着一条直线延续。定
义制动力分配系数13为前轮制动力与总制动力的比值。
堕:上.如
(9)
1—15
确定赛车的同步附着系数为1.4,即在附着系数为1.4的路面上制动时,赛车的前后轮同时抱
死,这样既不会因为前轮提前抱死失去转向能力,
也不会因为后轮提前抱死而发生侧倾。此时得到13
为0.72。
/7
图4不同制动强度下前后轴的轴荷分配
(3)参考国内外车队经验,设计抱死时的
最大制动踏板力输入取500N,制动踏板的杠杆
由图4可以看出,随着制动减速度的不断增大比定为5,由平衡杠杆分配前后的制动力之比为
轴荷分配变化明显。当以14m/s2的减速度制动时55:45。因此可以求出制动踏板作用在前后制
前轴的轴荷分配达到了将近70%。
动主缸上的输入力为B。、%。制动系的效率为
汽车工程学报第2卷
r/=0.85。P为管路压力。d为制动卡钳的活塞面积。
D为制动主缸的活塞面积。
对于制动盘,因为赛车选用254mm轮辋,因此尺寸受到限制,初选确定赛车前后制动盘大小一致,外径195into,有效直径D二为190mm。
以下匹配制动主缸和制动卡钳,主要参数为
各自的活塞面积。
首先求得抱死时制动卡钳的夹紧力E,其中R为制动卡钳作用在制动盘上的有效摩擦力。
R×R=Fb×巩.
(10)R=2/1×E.
(11)
E=2×莩P.
(12)F,X口:孚p.
(13)
通过上述式(10)~式(12)可以初步匹配出合适的制动主缸和卡钳,因为制动主缸和卡钳的型号都是固定的,所以通过不断计算和选型,最终选出的制动卡钳和主缸的活塞直径见表2。
表2制动主缸和制动卡钳的活塞直径
≯轮
陆一
’呈~
坚三
薹|丝强匿k联合仿真
首先在AMESim中建立了制动系统的模型,包括踏板、平衡杠杆、制动主缸、管路以及制动卡钳。然后与Simulink中的三自由度整车动力学模型进行联合仿真。AMESim建模仿真环境可以很精确地反映液压系统的动态特性。
3.1
各个零部件数学模型
3.1.1三自由度整车模型…
在建立双轮车辆模型前,做以下假设:路面是均匀平整的,不考虑汽车的垂直运动。
制动受力分析如图3所示,整车的动力学方程如下。
”詈=一(如I+‰)・
(14)
E-=(m‘g‘b—mhs
d詈)/L
(15)如=(m・g・d+m‰+詈)旭
(16)
对于单轮:
丁■77哥牙i{',7,-■7—77耵
k
f
n
图6单轮模型受力分析
由图6可知,为简化研究问题,忽略空气阻力、车轮滚动阻力及加速阻力,只考虑车体纵向运动和车轮转动,可得二自由度模型如下:_££为轮胎的纵向附着系数;,为车轮的转动惯量;W为车轮的转动速度:m。为车轮等效质量。
车轮平动方程:m,“=一Fk.
(17)车轮转动方程:,・W=如-R—Tb.
(18)纵向力方程:如=/.t・E.(19)定义滑移率:J=1一百W鬲.
(20)
3.1.2轮胎模型
本文车辆动力学建模仿真分析,采用的轮胎
模型是魔术公式。如式(21),轮胎建模时关键
参数A、B、C、D通过购买轮胎数据拟合获得。
由图7可知,赛车使用的热熔胎在胎压为100kPa
二”、r『
,
~~‘一]
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酬
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乔军奎等:FSAE方程式赛车制动系统的设计
143
时,0。外倾角下,不同载荷下轮胎的纵向力随滑制动器活塞的动力学方程如下。移率的变化关系(SAE坐标系)。
,脚。也+唧・韩+kP如=P・Aw一风,
(24)
p(J)=90+A
sm{Barctan[Cs—D(Cs—arctan(Cs)]}.
式中:%为制动器活塞质量;%为制动器活塞位,
(21)
移;o为等效制动器阻尼;k为等效制动器刚度;
式中:p(J)为轮胎的纵向附着系数:铀为车轮滚动A。为制动器活塞面积;R。为制动器活塞干摩擦力。
时的附着系数,一般设为O:A、曰、c、D为与路
3
2仿真模型
面有关的参数;s为滑移率。图9为AMESim中建立的制动系统的模型,
3.1.3制动主缸
图10为Simulink中的整车联合仿真模型。
制动主缸的作用是将由踏板力输入的机械推力转换成液压力。本系统采用的是单腔的制动主
缸,前后制动回路各用1个主缸。以往在制动系
统的研究中,通常使用1个线性一维系统来近似表示制动液压系统动力学,而近年的研究表明,
用不可压缩流体通过小孔的标准方式来表达其动
力学模型更加精确。使用AMESim软件可以把小
-姐帮孽鍪到
耍嚼p8一
孔效应显示出来。
制动主缸的压力为
蕊弘一
P=(品一兄一厅),A。,(22)m2盔=如一k地一日,
(23)
式中:P为主缸压力;L。为制动推杆推力:F0
为主缸回位弹簧的反作用力;k为回位弹簧刚度:
恐为主缸活塞位移;凡为主缸活塞干摩擦力;A。
为主缸活塞面积。
3.1.4制动器
制动器采用钳盘式制动器。在制动过程中,
制动压力的反复变化,使制动器活塞的受力和运
动状态不断变化,因此在建立制动器活塞模型时,
应考虑动态特性的影响,图8为制动器活塞的动
力学模型示意图。
图10联合仿真下整车模型
Bab茚真结果分析与试验验证
因为FSAE方程式赛车的轮胎是热熔胎,随着胎温的升高,在一定的工作温度下,轮胎才会处于最佳工作状态,所以以下仿真条件对于轮胎的设定是轮胎处于最佳的工作温度。而制动试验对于轮胎的条件是胎温处于最佳的工作温度范围之内,测量
图8制动器活塞的动力学模型示意图
仪器为胎温计,方法为先热车使胎温升高至合适温
144
汽车工程学报第2卷
度。但是由于是实车动态试验,这也会造成一定的误差。制动试验制动减速度的获取依靠赛车上的减速度传感器,车速以及制动距离的获取依靠GPS设备,踏板力的获取依靠踏板位移的折算。
(1)以20m/s速度制动,中等制动强度,踏板输入力在1s内达到最大值200N,之后保持不变。
图11(a)为制动器油压的建立过程,可以看出有0.26S的迟滞,主要是由于踩下踏板后制动液首先消除管路中的间隙造成的,一定程度上也反应了液压响应特性。而与图11(b)制动器夹紧力过程相比,可以看出前轮比后轮提前建立制动力矩,主要原因是前轮的制动管路比后轮短了2/3。
时间tls
a)制动器油压建立过程
一
时阃tls
fh1制动辨班啭七建青过柙
、
fl
、
1fl
、、
、1
2、
时间tls
c)制动过程中制动减速度的建立过程
l’J』3、
(e)制动距离的变化
图l
I20
m/s速度、中等制动强度下各个参数的建立过程
图11(c)一(e)反映了制动过程中制动减速
度、车速、制动距离的变化。随着踏板力的增加,制动减速度首先是以一个比较大的斜率增加,当踏
板力达到恒定值之后,制动减速度也保挣叵定值。
因制动油压建立迟滞导致的制动力矩建立迟滞在车
速的变化过程中也有反映,如图11(d),可以看出,
仿真模型中车速的下降是在O.26s开始的。
(2)以20rrds速度制动,大制动强度,踏板
输入力在1S内达到最大值500N,之后保持不变。
时间tls
(劬制动器油压建立过程
第2期乔军奎等:FSAE方程式赛车制动系统的设计
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(e)制动距离的变化
图12
20
m/s速度、大制动强度下各个参数的建立过程
由图12可知,大强度制动与中等强度制动下各参数变化趋势基本一致。由图12(b)可以看出前后轮制动力矩(制动夹紧力可以推算)建立的/
延迟时间缩短,主要是因为大强度制动下500
N
踏板力造成的升压较快。图12(c)表明试验的最
大制动减速度已经达到16.9m/s2,可以看出FSAE
赛车热熔胎相比普通轮胎附着能力更强。
实车试验时,多次测试,4轮都抱死。经过平衡杠杆调整前后制动力分配,并通过测抱死拖痕的出现时间和长短,发现均是前轮早于后轮先抱死,这样达到设计目标,提高了赛车的制动稳定性。
而两次仿真和试验结果都存在差异,分析是
由于轮胎温度和建模精度造成的。首先实车试验和专业轮胎测试之间误差较大,包括路面状况,使其没有达到最佳轮胎附着特性,其次仿真模型忽略了风阻、滚阻等因素,两个原因最终导致仿真的最大制动减速度大于试验的最大制动减速度。
l融结论
通过仿真和试验结果的对比,得到以下结论(1)仿真结果可以得到制动压力建立的迟滞,为实际设计管路长度和布置管路提供参考。
(2)仿真结果可以得到不同制动强度下赛车受到的制动力,为整车转向节等零部件有限元分析的边界条件提供参考。
(3)仿真结果表明,赛车在中等强度、大强
度制动时朐制动性能均满足设计要求,然而仿真和试验数据的差异也表明轮胎温度和路面条件对于轮胎附着的重要性。
(4)通过实车试验与仿真结果的对比,验证了本文提出的FSAE方程式赛车制动系统设计方法的有效性,以及建立的整车动力学模型和制动模
型的可行性,可以满足对方程式赛车的制动性能
进行仿真与预测的要求。
146
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乔军奎(1987一),男,河南漯河人。硕士研究生,主要从事汽车主动安全研究。所在北京理工大学方程式车队曾获得首届中国大学生方程式汽车大赛冠军。
11e1:18010096768
E—mail:qjk0716@126
com
中国大学生方程式汽车大赛
“国际学生方程式赛车”(FSAE)在国际上被视为是“学界的F1方程式赛车”,由美国汽车工程师学会于1979年创办,目前举办此赛事的有美、英、德、意、澳、巴西及日本等国.借以培养及训练车辆工程研发设计人才,该赛事专为提升大学生研发设计与创新能力而设,参赛学生必须按照比赛规定与车辆规格自行设计研制赛车,
中国大学生方程式汽车大赛【Fommla
SAE
L
ofChina,简称“中国
FASE”),是~项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准.在1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人座休闲赛车,能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。该项赛事已经于2010年11月和2011年10月在上海成功举办了两届。
作为两届大赛的总冠军,北京理工大学方程式赛车队是这项赛事名副其实的强队。为筹备这项赛事.北京理工大学方程式赛车俱乐部在机械与车辆学院的牵头下于2009年11月24日正式成立,组建了以十几名研究生和几名本科生为主体的参赛队伍。由他们自主研制的第l辆赛车从设计到最后完工花了9个月的时间,期间经历了反复的修改设计和性能完善。在赛车的研发过程中,整辆车的制造包括零件、焊接、结构、组装完成,均由学生一手“包办”,极大地提高了学生的研发设计与创新能力。通过这项赛事,不仅大大锻炼了参赛选手的实践能力,而且对他们个人的未来规划也产生了很重要的影响。随着该赛事在中国的深八发展,必将提高各个大学相关专业学生的技术和管理能力,为中国民族汽车工业提供离素质人才储备。
FSAE方程式赛车制动系统的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
乔军奎, 陶文锦, 孙博, Qiao Junkui, Tao Wenjin, Sun Bo北京理工大学机械与车辆学院,北京,100081汽车工程学报
CHINESE JOURNAL OF AUTOMOTIVE ENGINEERING2012,2(2)
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