FSC赛车制动系统设计

吴祥超，赵运德，鲁雄文

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

设计研究

FSC赛车制动系统设计

吴祥超，赵运德，鲁雄文

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

本文提出了一套适用于FSC赛车制动系统的设计方法。选用简单液压盘式制动系统，并且加装平衡杆以调节制动器制动力分配系数。计算和分析表明，该制动系统能够满足比赛时动态测试的要求。

FSC赛车；液压；盘式制动；平衡杆

CLC NO.:U463.5Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014) 12-01-04

1、引言

1.1 赛事介绍

中国大学生方程式汽车大赛（Formula Student 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学生组队参加的汽车设计与制动比赛。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竞赛环节的比赛[1]。

1.2 制动系统的比赛规则

（1）制动系统必须作用于所有四个车轮上，并且通过单一的控制机构控制。

（2）制动系统必须有两套独立的液压制动回路，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）制动系统必须在动态测试中，能够抱死所有四个车轮[2]。

2、制动系统结构方案的确定

为使赛车在动态测试中能够抱死四个车轮，需要制动器制动力分配系数可以调整，因此在选用分别控制前后车轮的两套简单液压盘式制动系统的基础上[2]，添加平衡杆[3]以调整前后制动器制动力分配系数。制动系统的结构示意图[4]如

图1所示。

平衡杆结构及工作原理。平衡杆安装示意图如图2所示，图3为平衡杆受力分析图，AOB为平衡杆丝杠，F为制动踏板输出力，F1为前制动主缸推力的反作用力，F2为后制动主缸推力的反作用力，O为关节轴承在丝杠上的作用点，A为前制动主缸推力作用点，B为后制动主缸推力作用点，L为两制动主缸推力作用点的距离，X为关节轴承力作用点到后制动主缸推力作用点的距离。

因此，通过调整关节轴承力作用点到两制动主缸推力作用点的距离，可以调整前后制动主缸的推力比io，产生不同比例的制动器制动力，进而实现对β的调整。

3、制动系统的设计计算

3.1 赛车相关参数

表1 赛车参数表

3.2 制动力矩的确定

赛车制动时的受力分析如图4所示，图中忽略了汽车的滚动阻力偶矩、空气阻力以及旋转质量减速时产生的惯性力偶矩，并且忽略了制动时车轮边滚边滑的过程。

对前后轮接地点分别取力矩得：

式（5）可整理为：

前后地面制动力为：

在同步附着系数路面上制动时，为了满足四轮同时抱死的要求，需要使前后制动器制动力矩分别等于前后地面制动力矩，R0为车轮滚动半径，即：

3.3 制动器参数的确定

制动器参数主要包括制动盘的直径、有效半径和制动钳的缸径[6]。受轮辋内径的限制，前后制动盘直径均取240mm，前制动盘有效半径Re1=103mm；后制动盘有效半径Re2= 108mm；f为衬块与制动盘间的摩擦系数，取f=0.4，则有单侧衬块压紧力为：

使前后制动回路的液压力相等，并取液压力P=2MPa，可得出前后制动钳的缸径：

3.4 制动主缸直径的确定

根据液压力P=2MPa，将Fp1和Fp2带入式（15）可得前后制动主缸直径[7]。

根据以初步参数，最终确定配件的参数如表2所示。

表2 配件参数

4、制动系统的校核

本赛车选用热熔型轮胎[7]，最大路面附着系数可接近1.40，根据经验，在附着系数为1.50的路面[8]上对制动系统进行校核。经校核，制动回路的最大液压力为3.43 MPa，满足不超过10～12MPa的要求；最大制动踏板力为362.68N，满足不超过500N的要求[4]；前后制动主缸的最大推力比io=1.23，在平衡杆0.50～2.00的调整范围内；前制动主缸推杆行程为8.14mm，后制动主缸推杆行程为6.29mm。因该制动系统加装有平衡杆，故对制动踏板行程的校核进行详细说明。

平衡杆工作行程图如图5所示：AOB为平衡杆的初始工作位置，为平衡杆终止工作位置；线段为前主缸推杆的行程，线段为后主缸推杆的行程，线段为关节轴承的行程。

解得：O’E=1.02mm

所以关节轴承的行程为：

由平衡杆的工作原理知，O越靠近A，推力比io越大，β越大，即四轮达到同时抱死的路面附着系数越大。因此附着系数为1.50的路面上，制动踏板的行程最大。最大制动踏板行程为：

满足最大踏板行程不大于100～150 mm的要求[4]。

5、制动系统的分析

绘制该制动系统的I曲线和β曲线，如图6所示。由图6知，同步附着系数分别为0.45、0.90和1.50时的β曲线与I曲线都有交点，即通过调整平衡杆的推力比io，在0.45～1.50的路面附着系数[9]范围内，赛车制动时都能达到四轮同时抱死的要求，保证了制动时的方向稳定性，并充分利用了路面附着条件。

6、结论

由本文所提出的FSC赛车制动系统的

设计方法得到的制动系统，经校核与分析表明，赛车在附着系数为0.45～1.50的路面上紧急制动时，四轮可以同时抱死，能够满足比赛时动态测试的要求。

[1] 中国大学生方程式汽车大赛规则组委会. 2013中国大学生方程式汽车大赛赛事手册[Z].北京：汽车工程学会，2013.

[2] 中国大学生方程式汽车大赛规则组委会. 2013中国大学生方程式汽车大赛规则(正式版)[Z].北京：汽车工程学会，2013.

[3] 布罗伊尔.比尔，刘希恭（译）.制动技术手册[S].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 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，(2).

[5] 余志生.汽车理论（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2009.

[6] 王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7] VahidMortazavi，ChuanfengWang.Stability of Frictional Sliding with the Coefficent of FrictioDependedon the Temperature[J].ASME，2012，(134).

[8] Jingliang，LiJingangYi.A Hybrid Physical-Dynamic Tire/Road Friction Model[J].ASME，2013，(135).

[9] OsamuNishihara，Kurishige Masahiko.Estimation of Road Friction Coefficient Based on the Brush Model[J].ASME，2011，(133).

FSC racing brake system design

Wu Xiangchao, Zhao Yunde, Lu Xiongwen
（Automotive Institute, Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064）

A design method of brake system that is applicable to theFormula Student China racing car is proposed in this paper. A simple hydraulic disc brake system is chosen, and adding balance bar is to regulate the distribution coefficient of braking force. Calculation and analysis show that the braking system can meet the requirements of dynamic testing during the game.

Formula Student China；Hydraulic；Disc brake；Balance bar

U463.5

A

1671-7988(2014)12-01-04

吴祥超，硕士研究生，就读于长安大学汽车学院车辆工程专业。