大学生电动方程式赛车设计

　　大学生方程式赛车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造的比赛。继2010年首次举办油车大赛以来，2015年首次在上海举办电动方程式大赛，2020年参加电动方程式大赛的队伍超过40支，大学生电动方程式赛车已经成为车辆工程人才培养的优秀平台。本书是为大学生电动方程式赛车编写的专业教材。 本书主要包括赛车的总体设计、单体壳设计、悬架设计、制动系统设计、传动系统设计、转向系统设计、人机交互系统设计、空气动力学、动力电池设计、电机系统、电控系统及赛车驾驶理论等。立足于大学生电动方程式汽车大赛，分系统地阐述了电动赛车的重点规则、理论基础、零部件构造、设计思路、加工工艺及控制算法，是一本专门面向广大电动方程式赛车参赛队员和指导教师的教材。本书注重基础性、全面性、前沿性与实用性，是我校赛车队多年参加电动方程式大赛的经验总结与成果梳理，既适合入门级的参赛队员，也适合有数年经验的赛车队员。对于众多的业余赛车爱好者而言，本书也值得学习和参考。

　　王建，北京航空航天大学汽车工程系主任、副教授。主要研究方向是汽车电子技术、自动驾驶。自2010年起担任北航AERO方程式赛车队指导教师。完成包括国家重点研发计划项目在内的省部级以上项目20余项，发表论文50余篇，获国家发明专利13项，主编出版高等学校汽车专业教材5部，获北京市教学成果奖一等奖1项，北航教学成果奖8项，指导团队参加世界智能大会自动驾驶挑战赛获奖励5项，入选江苏省“双创计划”人才。担任全国道路运输标准化技术委员会委员，中国汽车质量技术联盟专家咨询委员会委员委员。

第1章赛车总体设计
1.1基准目标设定/002
1.1.1信息收集/002
1.1.2设定目标名次/003
1.2整车形式/004
1.2.1赛车基本样式/004
1.2.2驱动形式选择/005
1.2.3重要部件选型/007
1.2.4基本参数选取/009
1.3赛车总体布置/011
1.3.1部件空间安排/011
1.3.2制定分系统设计目标/012
第2章单体壳
2.1单体壳材料介绍/015
2.1.1“三明治”结构层合板/015
2.1.2碳纤维布/016
2.1.3夹芯材料/0182.2单体壳设计/019
2.2.1单体壳几何设计/019
2.2.2结构等同性表格与单体壳铺层/020
2.2.3单体壳附件设计/021
2.2.4预埋件设计/022
2.2.5单体壳仿真校核/023
2.3单体壳加工/024
2.3.1成型工艺/024
2.3.2模具介绍/025
第3章悬架
3.1悬架简介/028
3.2悬架预设计/029
3.2.1轮胎和轮辋的选择/029
3.2.2轴距和轮距的确定/030
3.3悬架几何设计/030
3.3.1车轮定位参数/031
3.3.2悬架等效臂/033
3.3.3侧倾中心/035
3.3.4纵倾中心/036
3.3.5悬架杆系设计/037
3.4悬架刚度阻尼匹配/038
3.4.1质量分布/038
3.4.2悬架弹性元件和阻尼元件的常见布置方式/039
3.4.3线刚度计算/040
3.4.4偏频计算/040
3.4.5角刚度计算/041
3.4.6阻尼比计算/041ⅢⅣ3.5设计过程中部分软件仿真过程介绍/042
3.5.1Optimum Kinematics悬架运动学仿真/042
3.5.2Ansys Workbench静力学仿真/047
第4章转向系统
4.1转向系统概述/054
4.1.1转向系统组成/054
4.1.2转向系统设计目标/055
4.1.3转向特性/055
4.1.4线性二自由度汽车模型/056
4.1.5稳态回转行驶/057
4.1.6前、后轮侧偏角值之差/058
4.2转向系统基本参数/058
4.2.1传动比/058
4.2.2小转弯半径/059
4.3阿克曼转向/060
4.4转向器/063
4.4.1转向器选型/063
4.4.2齿轮齿条设计/065
4.4.3齿轮齿条校核/067
4.5转向柱/067
4.5.1材料/068
4.5.2万向节/069
4.6转向旷量/072
第5章传动系统
5.1传动系统布置形式/074
5.1.1电机中央驱动形式/0745.1.2轮边电机驱动形式/075
5.1.3轮毂电机驱动形式/076
5.2减速器/077
5.2.1减速器传动比的确定/077
5.2.2主减速器形式/080
5.2.3轮边减速器形式/087
5.3差速器/088
5.3.1普通齿轮差速器/088
5.3.2防滑差速器/089
5.4半轴总成/092
5.4.1半轴设计计算/093
5.4.2万向节选型/093
5.5车轮系统/094
5.5.1立柱/095
5.5.2轮毂/096
5.5.3轮辋/097
第6章制动系统
6.1制动系统总体布置/102
6.1.1制动系统规则梳理/103
6.1.2制动管路布置形式的确定/103
6.1.3制动器形式的确定/105
6.2确定制动系统基本参数/106
6.2.1制动系统相关基本参数及来源/106
6.2.2制动系统基本工作原理/107
6.2.3相关计算过程/108
6.3制动卡钳的选择/112
6.3.1制动卡钳类型的确定/112ⅤⅥ6.3.2制动卡钳相关基本参数的确定/113
6.4制动盘的设计/115
6.4.1制动盘基本介绍/115
6.4.2制动盘的相关设计/116
6.5制动主缸的选择/118
6.5.1制动主缸类型的确定/118
6.5.2制动主缸相关基本参数的确定/120
第7章人机系统
7.1驾驶坐姿/126
7.1.1车手数据采集/126
7.1.2舒适坐姿角度/127
7.1.3方向盘与踏板定位/128
7.1.4坐姿检查/129
7.1.5人机台架/130
7.2人机交互/130
7.2.1座椅/130
7.2.2踏板/132
7.2.3仪表/134
7.2.4方向盘/135
7.2.5结语/136
7.3车手安全装备/136
7.3.1安全带/137
7.3.2穿戴装备/138
7.3.3头枕/138
7.3.4驾驶舱/139
7.3.5防火墙/139第8章空气动力学
8.1空气动力学基本原理/143
8.1.1下压力的产生/143
8.1.2阻力的产生/145
8.2空气动力学套件/146
8.2.1总体要求/146
8.2.2尾翼/147
8.2.3前翼/150
8.2.4扩散器/151
8.3CFD仿真/152
8.4复合材料加工工艺/154
8.4.1准备工作/154
8.4.2铺层工艺分类/155
8.4.3翼片的加工/156
第9章动力电池
9.1总体参数确定/161
9.1.1电池组电压确定/161
9.1.2电池组能量确定/162
9.1.3电池组其他参数确定/164
9.2电芯选型/165
9.3模组设计/168
9.3.1汇流排种类/169
9.3.2汇流排连接形式/170
9.3.3电池信息采集/171
9.3.4模组机械结构/172
9.3.5模组散热/173ⅦⅧ9.4高压元器件选型/174
9.4.1高压插头/174
9.4.2绝缘继电器/174
9.4.3预充继电器/175
9.4.4预充电电阻/176
9.4.5熔断器/176
9.4.6电压表/高压指示灯/177
9.4.7绝缘检测装置/178
9.4.8维护插头/178
9.4.9高压线缆/179
9.5机械设计结构/179
9.5.1模组结构/179
9.5.2电池箱体/181
9.6热管理设计与仿真/183
9.6.1电池热力学分析/185
9.6.2电池热力学建模/186
9.6.3电池热仿真/188
9.7电池管理系统/189
9.7.1大学生方程式赛事现状/189
9.7.2电池管理系统架构/190
9.7.3电池管理系统功能/192
9.7.4自制电池管理系统/196
9.8电池充放电试验/197
9.8.1试验仪器介绍/198
9.8.2充放电测试试验流程/199
9.9动力电池项目管理/200第10章电机系统
10.1电机简介/205
10.1.1电机的分类/205
10.1.2直流电机/206
10.1.3异步电机/207
10.1.4同步电机/208
10.1.5开关磁阻电机/209
10.1.6步进电机/209
10.2电机参数/210
10.2.1电机典型参数/210
10.2.2电机特性曲线/211
10.2.3电机参数选择/212
10.3赛车驱动形式/215
10.4电气连接/216
10.4.1线缆/216
10.4.2电气连接器/218
10.4.3电磁屏蔽/219
10.5冷却系统/220
10.5.1冷却方式/221
10.5.2赛车常见冷却部件/223
10.6电机台架试验/224
10.6.1台架组成部分/224
10.6.2试验内容/226
10.7制动能量回收/226
第11章电子电路
11.1配电系统设计/230ⅨⅩ11.1.1低压电池参数设计/230
11.1.2低压电源设计/231
11.2安全系统设计/234
11.2.1安全回路总体设计/234
11.2.2主开关（GLVMS、TSMS）/235
11.2.3急停开关/236
11.2.4惯性开关/236
11.2.5互锁/237
11.2.6自锁/238
11.2.7制动系统可行度检测装置（BSPD）/238
11.2.8驱动系统激活指示灯（TSAL）/242
11.3线束设计/245
11.3.1线束整体设计/245
11.3.2线束设计方法/246
11.3.3线束缠绕方法/246
第12章电控系统
12.1赛车的电控系统/250
12.1.1赛车常用传感器/251
12.1.2赛车的数据采集/253
12.2常见的赛车控制方法/253
12.3整车动力学模型/255
12.3.17自由度车辆动力学模型/255
12.3.2轮胎模型/257
12.3.3Carsim车辆模型搭建/262
12.3.47自由度车辆模型仿真验证/263
12.4四轮独立电驱动赛车状态参数估计/267
12.4.1卡尔曼滤波理论/26812.4.2自适应卡尔曼滤波车速估计/269
12.5四轮独立电驱动赛车稳定性控制系统设计/275
12.5.1稳定性控制系统控制变量选取/275
12.5.2稳定性控制系统框架设计/276
12.5.3直接横摆力矩控制方法/277
12.5.4驱动力分配/277
12.5.5驱动防滑控制/283
12.5.6稳定性控制算法仿真验证/284
12.6试验验证/287
12.6.1车速估计试验验证/287
12.6.2直接横摆力矩控制试验验证/290
第13章赛车驾驶理论
13.1车手训练/296
13.1.1身体素质训练/296
13.1.2驾驶能力训练/299
13.2正式比赛/300
13.2.1直线加速/300
13.2.2八字绕桩/301
13.2.3高速避障/303
13.2.4耐久测试/305
13.3车手心理/307
13.4进阶驾驶技巧/308
13.4.1线路选择/308
13.4.2车身控制/309
13.4.3在极限上驾驶/311
13.5底盘调校/312
参考文献/315