大学生电动方程式赛车设计-重要部件选型

大学生电动方程式赛车需要采购的部件主要包括电机及电机控制器、电池电芯、电池管理系统、轮胎、轮辋、整车控制器、减震器、制动分泵、制动主缸、安全带、缓冲块等，但也有实力强劲的车队会自制以上部分零部件，或者很大程度地改造了采购的零部件。本节在讨论零部件的选型时主要讨论电机的选型和轮辋、轮胎选型。

作为赛车动力的来源和赛车动力最终的输出者，电机和轮胎的选择很大程度上决定了赛车的最终性能。同时，电机和轮胎的选型关系到赛车车身空间的安排、轮内空间的大小和悬架几何设计的自由程度，因此将这两个列为最重要的选型部件。

使用一款产品的决定因素不仅仅在于其性能，同时还需要考虑其价格、可维护性、数据支持程度、购买途径和使用的难易程度等因素，需结合车队自身的情况进行综合考虑。

1.电机选型

电机的选型主要由驱动形式和技术难易程度决定，总体原则是根据车队自身的发展情况和驱动形式对资源与知识的需求进行匹配，在资源条件允许的情况下选择最优的方案。在3种驱动形式中，总的趋势应是电机数量越多，越有优势，但是因为电子差速的和扭矩分配的效果参差不齐，双电机和单电机的最终成绩并没有拉开差距，而近些年趋于成熟的四电机方案因其能够充分利用4个车轮的摩擦力，使得其在直线加速和“8”字绕环上相较于后轮驱动的形式有了质的飞跃，在相对竞赛水平更高的德国赛中也同样是四电机布置的天下。

电机型号的选择并不像油车发动机那样广泛，在没有自研能力的情况下，双电机车队普遍采用ERMAX电机，四电机车队普遍采用AMK的轮边电机，因此对驱动形式的选择基本上就已经决定了电机的型号。

2.轮胎选型

在比赛规则中，能够接触地面的唯一部件就是轮胎，车手的每一个动作和每一种影响赛车的力量都通过轮胎传递，赛车的几乎每个系统都围绕着轮胎的性能展开，因此轮胎的重要性不言而喻。

在FSAE的比赛中，最主流的轮胎品牌是Hoosier和马牌轮胎Continental（于2021年退出对FSAE的产品支持），其他还有米其林轮胎、佳通轮胎、固特异轮胎等品牌。轮胎主要为全热熔胎，其质量轻、配方软，温度升高后胎面易熔化，在干地条件下能够牢牢地抓住地面，产生十分可观的抓地力。(www.xing528.com)

（1）首先要进行轮胎的外径选择。FSAE赛事主流的轮胎外径有两种，即10英寸^[1]与13英寸。10英寸轮胎尺寸很小，使整个行驶系统和悬架系统的尺寸都很小，能够节约一定的重量。直观上来说，要跑过同样的距离，小尺寸轮胎需要转动更多的圈数，磨损也更大，但是对于仅有22 km的耐久赛长度来说，稍大的磨损并不是主要影响因素，反而因其升温快的特点能够令赛车在不能使用暖胎设备和短暂的5 min动态准备时间的条件下能够在比赛时更快地达到工作温度，同时小尺寸的轮胎产生的轮胎乱流更小，降低了对空气动力学套件性能的负面影响。10英寸轮胎的主要挑战是：在更小的轮辋内布置立柱、刹车盘和卡钳等零部件，车轮转向或跳动过程中更容易发生运动干涉等，特别是对于四电机布置来说，因为增加了减速器、电机、冷却水套等部件，使得轮辋内空间更加狭窄，对于悬架转向几何的设计提出了更高的要求。因此，建议经验较少的车队可以从13英寸轮胎开始设计，等技术成熟后再向10英寸轮胎发展。德国赛中也有使用8英寸轮胎的车队，但其轮胎为车队和赞助商联合开发，并不是市场中公开售卖的产品，因此8英寸轮胎不过多介绍。

13英寸轮胎的主要优势在于其内部空间更大，便于布置轮系零部件。在相同宽度下，13英寸轮胎的接地面积更大，可以有更大的极限抓地力。缺点是转动惯量更大，同时在车身前进方向的投影面积更大，对于空气动力学的消极影响也更大。

两种尺寸轮胎的重量优势需要综合轮辋和内部零件考虑，不可单一考虑轮胎自身的重量就作决定。

（2）其次需要考虑轮胎的配方，较软的配方能够更快地达到工作温度和提供更高的抓地力，但容易产生过热的问题。

（3）最后需要考虑的因素是轮胎的宽窄。在确定了品牌、轮胎直径和配方后，需要具体选择轮胎和轮辋的型号。原则上希望轮胎与轮辋质量更轻、胎面更宽、胎壁更薄，但需要为适配因素作出妥协。更宽的胎面直接提高了轮胎的抓地极限，因此宽胎是主流强队的选择。另外，较宽的轮胎也会带来重量以及转向力增加的问题，还需要综合考虑。

在大学生方程式赛车设计中，掌握自己所用轮胎的数据是十分必要的，不了解轮胎的特性，所有设计如同空中楼台，对于赛车的测试数据也无从分析。轮胎数据获取一般有两种途径：一种来自轮胎赞助商的提供，对于获得轮胎供应商赞助的车队，赞助公司通常会提供所赞助的轮胎数据，因此积极争取轮胎赞助商的帮助对于赛车的研发大有裨益；另一种来自“民间”组织TTC众筹发起的轮胎测试活动，每隔几年其会对市场上主流的几款轮胎进行测试，得到轮胎的测试数据，每支参与的车队缴纳一定的会费即可成为终生会员，之后可以免费获取所有该组织的轮胎测试数据。因此，如果没有轮胎赞助商的帮助但有一定的经济基础，那么加入该组织将对赛车研发和车队后续发展有很大帮助。

3.车架形式

如今大学生电动方程式赛车车架形式主要分为钢管桁架结构和碳纤维单体壳两种形式，钢管桁架结构的主要特点在于成本低廉，但因为需要焊接，其尺寸精度难以保证，因此对硬点吊耳的焊接等工作提出了更高的要求，常规钢管桁架的质量一般在37 kg左右。而碳纤维单体壳因其质量轻、刚度高以及对空气动力学友好等特点，成为众多车队的优先选择。且因其制造工艺不同于钢管桁架结构，硬点的定位也较钢管桁架结构更容易做到精准，成熟的碳纤维单体壳质量一般在30 kg以内，极致的碳纤维单体壳设计质量能够做到18 kg以内，相较于钢管桁架形式的车架有十分可观的质量优势。