FSAE赛车踏板总成的优化设计

王峥明

（武汉理工大学国际教育学院，湖北 武汉430070）

1 引言

在汽车理论中，车辆越轻，其整体性能与经济性会越好[1]；但同时不能忽略了部件的强度与人机工程的需要。在大学生方程式赛车的设计中，每一个部件都应充分考虑强度、人机工程和轻量化。一套好的踏板总成，可以使得车手在驾驶赛车时更加轻松，可以调节踏板位置的机构，满足了不同身材车手的需求，同时利用软件优化结构，可以让踏板为整车轻量化作出贡献。

2 相关背景

2.1 大赛简介

中国大学生方程式汽车大赛（下简称“FSAE”）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。

FSAE 活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE 要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。

在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、赛车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。

2.2 设计背景

武汉理工大学WUT 车队往年的赛车上，并未对踏板进行过优化设计，其中含有很多冗余的结构，增加了整个部件的质量，且关键位置的强度不足，在练车过程中，出现过踏板底板断裂的情况。

同时在历届的赛事中，WUT 车队的踏板设计未曾将人机工程考虑在设计过程之中，而在赛事答辩过程中，其中有30 分为人机工程分数，人机工程不仅使得车手有更好的驾驶体验，同时有利于车队在静态项目中获得更好的成绩。规则中的人机工程项目主体分为3 个要求，分别为：赛车是否满足不同体型的人？操控及仪表是否满足便捷？能否超越安全性要求？

3 设计方案与选型

3.1 主缸布置形式

主缸的布置形式有前置式、后置式和立式，前置式有建构简单、拆卸方便的特点，但伸出车头的部分过长，一定程度上影响了赛车的灵活性；后置式主缸外观美观，节约空间，但布置的方式较为复杂，制动力的调节较为复杂；立式主缸有节约空间、安装方便等特点，但主要难度在于踏板杆与主缸体的匹配。巴哈后置式主缸如图1 所示。立式主缸如图2 所示。

图1 巴哈后置式主缸

图2 立式主缸

WUT 车队2020 赛季赛车最终决定采用立式主缸，两主缸的限位方式上存在挑战，限位夹具易与超程开关发生干涉。

3.2 油门拉线固定形式

大学生方程式车队大部分采用拉线式油门，少部分采用电子节气门，考虑到技术、成本与可靠性的问题，选用拉线式节气门，拉线式油门在踏板位置主要有3 种形式，分别为支架式、连杆式和底部滑块式。最终采取支架式，即将油门拉线支架连到油门加速轴上。

支架式油门拉线易于操作装配和检查，支架上拉线与固定孔存在一定的偏离角度，但完全可以通过调节支架的固定位置来避免这种现象的发生，改进了之前的不足。而滑块式油门拉线位于踏板底部，减少了使用空间，减少部分装置。但这种形式仍存在缺点，如会产生不顺滑、略卡顿的现象，设计与加工误差更是可能会导致杆件卡死。连杆式油门拉线需要将加速踏板杆做到边缘处，增大踏板总成的质量，优点不比支架式油门拉线。综上，决定选用支架式油门拉线[2]。

3.3 踏板面的形式

本赛季踏板采用包脚式，即脚托采用全包式，踏板采用包脚式。由于赛车运动的激烈性，脚尖需横向固定，以防止车手在过弯过程中双脚脱离踏板。这样的设计可以使得车手操控踏板更加精准。重新设计的脚托结构使其不会被踩坏。半包式脚托如图3 所示。全包式脚托如图4 所示。

图3 半包式脚托

图4 全包式脚托

踏板面材料用碳纤维，降低了质量，同时碳纤维材料在保养方面优于钢材，不易生锈。

3.4 加速踏板形式

加速踏板主要有两种形式：悬挂式和地板式（风琴式），地板式有控制精准、更符合人机工程学等方面的优势。

最终采用方案：加速踏板杆和转动轴采用螺栓螺母的形式固定，油门拉线支架与加速踏板的转动轴焊接在一起，保证了联动。油门拉线通过带孔螺栓紧固，同时可以调节油门拉线的挠度，调节节气门的打开程度，油门踏板处的轴承座在网上购买，用螺栓螺母与底板固定。

4 踏板的人机工程

踏板和脚托位置的确定必须要符合人机工程学，否则极易影响车手的正常发挥。其中，脚托的固定位置不能离踏板杆太近，否则不能充分发挥脚托的作用，踏板高度要合适，要兼顾不同车手脚部的不同尺寸，同时踏板行程及初始角度也是要考虑的重要问题，不能出现车手无法将油门刹车踩到底的状况[3]。人机工程实验台架如图5 所示。

2019 赛季赛车踏板的初始位置为竖直角度，并且加速和制动踏板都十分灵敏，稍稍触碰便会触发相应效果，因此车手在驾驶时脚部必须注意，2020年将踏板初始位置设计为向后倾斜一定角度，以防车手误触。踏板数据如表1 所示。测量所得的人机数据如表2 所示。

图5 人机工程实验台架

表1 踏板数据示意图

表2 测量所得的人机数据

5 制动力公式计算

参考表3WUT2020 赛季赛车基本参数。

表3 赛车主要参数

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，计算过程为：

式（1）（2）中：FZ1为地面对前轴的法向反作用力，FZ2为地面对后轴的法向反作用力。

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。用符号β 表示前轮制动盘制动力Fu1和总制动力Fu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，这时赛车能够实现前后轮同时抱死[4]。公式为：

式（3）中：Fu1为前制动器制动力，前轴两轮制动器制动力之和的最小值。

式（4）中：Fu2为后制动器制动力，后轴两轮制动器制动力之和的最小值。

则Fu1+Fu2为赛车总制动器制动力。

考虑热衰退，则Fu1/Fu2=β（1-β）。

前轴单侧车轮制动器需产生的制动力矩：Tf1′=Fu1/70%×D/1 000/4。

后轴单侧车轮制动器需产生的制动力矩：Tf2′=Fu2/70%×D/1 000/4。

前轴单个车轮单侧摩擦衬块在制动盘上需产生的摩擦力等于：Tf1′/前轮制动盘有效半径Re×1 000/2。后轴单个车轮单侧摩擦衬块在制动盘上需产生的摩擦力等于：Tf2′/后轮制动盘有效半径Re×1 000/2。

前轴单个车轮单侧衬块所需的最小压紧力F01等于前轴单个车轮单侧摩擦衬块在制动盘上需产生的摩擦力/摩擦系数f。后轴单个车轮单侧衬块所需的最小压紧力F02等于后轴单个车轮单侧摩擦衬块在制动盘上需产生的摩擦力/摩擦系数f（摩擦系数取0.3～0.35）。

前轮抱死所需最小制动液压力等于：

式（5）中：l 为前轴单个车轮轮缸单侧活塞数。

后轮抱死所需最小制动液压力等于：

式（6）中：l 为后轴单个车轮轮缸单侧活塞数。

前轮主缸推杆所需的最小作用力等于π×（d012），前轮抱死所需最小制动液压力/4。后轮主缸推杆所需的最小作用力等于π×（d022），后轮抱死所需最小制动液压力/4。

踏板作用给平衡杆的力=（前轮主缸推杆所需的最小作用力+后轮主缸推杆所需的最小作用力）×0.144 8。

平衡杆调节比例=前轮主缸推杆所需的最小作用力/后轮主缸推杆所需的最小作用力。

控制前轮的制动主缸行程：S01=4×前轴单个车轮轮缸单侧活塞数×（d12）/（d012）×0.8 （7）式（7）中：0.8 为制动衬块与制动盘面单侧间隙。

控制后轮的制动主缸行程：

S02=4×后轴单个车轮轮缸单侧活塞数×（d22）/（d022）×0.8 （8）

主缸空行程1.5 mm，制动踏板和主缸传动效率η=0.98，制动踏板传动比1.65，考虑到主缸中推杆与活塞之间的间隙1.5，抱死时所需的最小制动踏板力为：Fp=踏板作用给平衡杆的力/（制动踏板传动比×制动踏板和主缸传动效率η）。

制动衬块移动至与制动盘面接触过程的踏板行程=制动踏板传动比×（主缸空行程+考虑到主缸中推杆与活塞之间的间隙）[4]。卡钳直径数据如表4 所示。制动力随附着力的变化如表5 所示。计算所得数据如表6 所示。

表4 卡钳直径数据

表5 制动力随附着力的变化

6 踏板模型的建立

利用CATIA 软件建立模型，基于前几届赛车的踏板的设计中出现的问题，本设计进行了改进。

对于脚托，车手在操控赛车时，在弯道前重刹时对于制动踏板的踩踏力度非常大，因此，制动踏板脚托的设计要充分考虑强度，在往届的赛车中，就出现了制动踏板脚托被踩踏断裂的状况，因此本赛季重新设计了脚托的形状，采用半圆形包脚设计，更有利于车手脚部的定位，且结构更强，不容易被踩裂。依据上文所述的结构参数，建立了踏板总成的总成。踏板总成模型如图6 所示。

7 踏板的有限元静力学分析

7.1 设置底板材料

考虑到成本与质量，踏板底座采用7075 铝合金材质。铝材性能参数如表7 所示。

表6 计算所得数据

图6 踏板总成模型渲染图

表7 铝材性能参数

7.2 设置底板受力

底板主缸固定孔受到的力为1 005 N，602.99 N 制动踏板杆受到的力为500 N，对底板施加载荷，B 点、C 点、D点、E 点为主缸固定孔；F 点、G 点为制动踏板杆固定孔。踏板受力设置如图7 所示。

图7 踏板受力设置

根据踏板的极限工况，进行结构仿真优化，本分析主要参考3 个变量：等效形变、等效应力、安全系数。第一版设计形变量分析结果如图8 所示。

图8 第一版设计形变量分析结果

7.3 分析与优化

第一版设计分析后，发现有局部受力变形过大现象，且有部分结构是冗余的，不受力，可以去除。根据这一结果，进行了优化。优化后的安全等级分析结果如图9 所示。

优化后的结构的在强度上满足需求，强度等级与最大型变量都在标准之内，但仍存在图10 所示的局部应力集中现象，对细节应做进一步优化[5]。

如图11 所示，经过在打孔处倒圆角处理后，应力集中现象消失，整体强度完全满足要求，经过软件计算，整体的质量为0.48 kg，数值较上一赛季的踏板底座有大幅度降低，完成了轻量化的设计目标。优化后的踏板参数如图12 所示。

8 总结

通过公式计算、软件仿真与人机工程实验相结合的设计方法，最终团队设计出了一个满足大学生方程式大赛标准的踏板总成，加速踏板与制动踏板是车手控制车辆的直接媒介，其强度与耐久性至关重要，同时部件的质量与使用舒适性也影响这整台赛车的成绩，采用ANSYS 静力学仿真模块，在受力位置直接施加响应的力，直观地得到强度等级。同时利用铝型材搭建人机工程台架，使设计完全符合车手的身材。是一种非常完善的踏板总成设计流程。赛车成品如图13 所示。

图9 优化后的安全等级分析结果

图10 局部应力集中展示

图11 应力集中解决办法展示

图12 优化后的踏板参数

图13 赛车成品展示

WUT 车队在2020 赛季的大学生方程式大赛中取得二等奖，这其中与各个部件强度与轻量化的保证有很大的关系，同时更优异的人机工程学设计，使得赛车在静态赛与动态赛中都取得了更佳的成绩。