FSAE赛车制动系统优化设计

摘要

　　赛车是一种对操纵性要求极高的车型。赛车制动系统能否高效可靠的工作会影响到比赛过程中车手的人身安全和比赛的最终结果。因此改善方程式赛车的制动性能，提高制动系统的工作可靠性，对充分发挥赛车的潜力具有重要作用。

　　通过对制动系统性能要求的理解，详细介绍了各类制动系统的基本组成结构以及制动效能产生的工作机理，并按照作用形式进行功能分类，并对不同形式的制动系统进行比较，选择适合赛车使用的制动系统形式。根据国家法规和大赛的规则要求，利用汽车理论知识建立整车制动受力模型，确定制动系统的主要参数。

　　对前后制动器制动力分配比进行数学建模和优化，得到具有好的制动性能和高制动效率的最优制动系统设计参数。

　　通过对传热学以及摩擦生热理论的理解，对盘式制动器温度场进行研究。为了提高计算效率并保证分析精度，对制动器进行相应的结构简化处理，建立了制动器的有限元分析模型。对制动器的温度场进行分析，建立制动器三维瞬态热传导微分方程，并根据相关的公式确定分析所需要的热学参数。利用 ABAQUS 软件对盘式制动器进行热结构耦合仿真分析，发现制动器的温度与制动器的尺寸有关。采用 MATLAB 里的多目标遗传优化算法，以制动器温度和尺寸为目标，进行多目标优化，得到优化后的制动器性能参数。

　　最后，为了提高制动系统的可靠性，降低生产制造和维修成本，运用可靠性分析的理论和方法，分析了制动系统常见的故障模式及其产生原因，建立制动系统功能失效故障树，并对故障树进行定性和定量的分析。

　　关键词：制动系统；优化设计；热结构耦合；多目标优化；可靠性分析

ABSTRACT

　　The race car is a vehicle with highly demanding maneuverability. The braking system of the car directly affects the safety of the driver and the final result of the race. Therefore, it is of great significance to improve the braking performance and improve the reliability of the braking system.

　　This paper first introduces the braking system, the braking system structure, functional classification and working principle. Different kinds of the brake system are compared and the suitable braking system form is selected for the use of the car. According to the requirements of the national regulation and competition rules, the vehicle force model is established by using the theory of automobile to determine the main parameters of the braking system. The optimal braking system design parameters with good braking performance and high braking efficiency are obtained by mathematical modeling and optimization of braking force distribution ratio of front and rear brakes.

　　Secondly, through the understanding of heat transfer and friction heat theory, the temperature distribution of disc brake is studied. On the premise of ensuring the accuracy of the analysis, the structure of disc brake is simplified, and the finite element analysis model is established. Based on the analysis of the temperature field of the brake, the differential equation of the three-dimensional transient heat conduction is established and the thermal parameters required are determined according to the relevant formula. Using ABAQUS software to analyze the thermal structure coupling of disc brakes, it is found that the temperature of the brake is related to the size of the brake. The multi-objective genetic optimization algorithm based on MATLAB is used to optimize the performance of the brake.

　　Finally, in order to improve the reliability of the braking system, reduce the manufacturing and maintenance costs, the theory and method of reliability analysis are used to analyze common failure modes and the causes of the braking system. The fault tree of malfunction faults of the braking system is established and analyzed qualitatively and quantitatively.

　　KEYWORD: The brake system; Optimization design; Thermal-structural coupling;Multi-target; Reliability analysis

　　汽车产业从 1886 年第一辆汽车诞生开始，发展到现在已经有 130 多年的历史了。随着人们对科学理论的钻研与探究，更多的发明成果被运用到汽车的生产制造与使用的各个过程中去。如对橡胶技术的研究，改善了人们对汽车驾驶的体验；对控制理论和制造工艺的研究，加快了汽车的生产速度并且降低了原料成本；对互联网思维的研究，使得汽车逐步向无人智能化发展等。在当前和平的世界大环境中，各国都在努力发展经济，汽车产业在其中扮演着至关重要的角色。经济的发展使得人民生活水平发生了巨大的变化，汽车的加入使得人类的活动变得更加快捷方便，汽车逐渐成为当下不可或缺的工具。

　　随着人们对汽车使用频率不断提高，高速公路等相关设施也在逐渐扩建，最高行驶车速以及车流密度也日益增大，随之而来的则是排放、噪声等环境污染以及由各种原因造成的交通事故隐患的增加。相关机构统计发现，全球每天约有1400 人因交通事故离开人世，约有 3 万人因交通事故而受到不同程度的伤害。因交通事故带来的巨大的生命财产损失，使得人们不得不提高对车辆的安全性问题的重视。在汽车安全性的评价体系中，较为重要的一项就是对制动性能进行分析。根据相关的数据统计表明[1]，在所有的道路交通事故中约有 40%是与车辆的制动性能有关系的。路面附着系数越低的路面，因车辆失控所造成的事故率越高。在需要长期不断制动的下坡路面上或者需以较高的速度的赛道上，80%事故产生的原因与制动有关。

　　汽车性能的不断提升也带来了人们对速度极限的不断追求，赛车也逐渐演化成一种风靡欧洲乃至全球的运动。目前，F1、WRC、勒芒并称为世界着名的三大汽车赛事。对于开轮式赛车，除了 F1 之外，还有国际汽联的二级方程式赛事、美国的 indycar，日本的 super formula 等；对于由普通车改装的房车赛，比较出名的赛事主要包括 V8 Super Car、DTM 房车大师赛、以及 BTCC、CTCC 等。房车赛对发动机排量、转速、赛车和车手重量等都有严格要求。场地赛车不仅包含方程式和房车赛，还有漂移赛、轿车赛、运动汽车赛、GT 耐力赛、短道拉力赛、场地越野赛以及直线竞速赛等。场地赛是指在封闭的规定场地内进行的比赛，非场地赛的比赛场地不是封闭的。非场地赛主要分为拉力赛、越野赛、登山赛、沙滩赛及泥地赛等。受赛事文化的影响，第一次 SAE 方程式系列赛于 1979 年在美国波士顿举行。方程式大赛由高等院校的车辆工程及相关专业在校学生组队参加，培养学生组建团队、相互协作、创意构想、工程实践的能力，大赛的规则要求参加比赛的车队必须在规定的时间里通过自行决策、独立设计以及自主加工的方式制造出一辆在加速、制动、操控等方面具有优异表现的方程式赛车，能够在比赛时顺利通过对赛车的各方面检查并且成功的完成直线加速、高速避障等动态比赛以及设计、营销等静态环节。为了充分发挥车队队员的创意和想象能力，以及设计和决策能力的，大赛对整车设计方面限制和约束很少。

　　FSAE 方程式汽车大赛自举办以来已经有 30 多年的历史，而中国 FSC 油车组大赛已经举办了六年，FSEC 电车组比赛已经办三年。在比赛中需要通过电检、机械检、制动检测、淋雨测试等各项检查后才能被允许参加动态项目的比赛，其中的制动检测则要求赛车在直线赛道上加速后进行制动四个车轮能同时抱死，且不偏离规定区域；在比赛过程中发现，许多车队在车检过程中因制动问题而耽误了部分动态项目的比赛，并且在比赛时也出现甩尾侧滑等而冲出赛道。在高速复杂的赛道路面上，制动系统具有极其攸关的作用，它能充分保证赛车操控能力的发挥，提高赛车圈速，还能在遇到危险时通过人为主动保证车手和赛车的安全。

　　因此，为了充分发挥赛车的潜力，保证赛车安全，需对制动系统进行更加合理优化的设计制造，并在实车训练时进行调校与改善，同时制动系统的可靠性也应成为设计过程中需要考虑的重要部分。

　　在制动系统设计过程中通常从两个方面来进行:一是根据基本的整车参数对制动系统的结构参数进行计算。另一方面是通过对整车的动力学分析，优化零部件结构性能和整车的制动性能。通过利用 catia 等三维实体建模软件及 ANSYS、ABAQUS 等有限元仿真分析工具，可以极大的提高设计的速度和准确性，减少产品开发所需要的时间。为了获得比较满意的制动性能，借助计算机软件工具，可以进行多次的调整修改及试算，再通过优化函数工具箱的运用，最终可以获得比较合适的设计方案。此外为提高汽车行驶的安全性，在进行制动系统设计时，需要有的放矢，确定制动系统中的部件对行驶安全性的影响程度。对制动系统部件的安全关键度进行合理的量化评估，进行可靠性分析，根据关键度进行实效分析和应用改进，可以对人力、物力和财力进行合理的分配，得到最为理想的经济效益[1]。

　　本文以大学生方程式赛车为研究目标，建立整车及制动系统模型，并根据相关的法律法规及规则要求对制动系统的相关参数进行计算、确定及优化改进，并对制动系统的可靠性进行分析。主要内容如下：

　　（1）制动系统分析及系统建模

　　根据新赛季整车性能的需求确定的整车基本参数，对制动系统中的各参数进行设计计算、确定所需要的零部件型号、建立三维模型并进行装配。

　　（2）制动器制动力分配比的优化

　　通过分析不同前后制动力分配的制动效果，使β曲线接近I曲线，建立目标函数和约束条件。

　　（3）摩擦片温升和制动器尺寸的多目标优化

　　建立制动器的温度场的三维瞬态微分方程，利用 ABAQUS 软件对其进行仿真分析，得到盘式制动器温度升高与尺寸大小的关系，以温度升高最低和尺寸大小最小作为优化目标，建立目标函数和约束条件进行优化分析。

　　（4）制动系统的可靠性

　　从制动系统整体到零部件，通过对失效模式的分析，采用统计的方法确定各种失效的可靠度，并对制动系统的改进设计提供参考。

　　FSAE赛车制动系统优化设计模型：

制动器三维模型图

 
简化后的制动器模型

制动盘和摩擦片的网格图

t=0 时刻温度分布

t=0.05 时刻温度分布

 t=0.1 时刻温度分布

t=0.5 时刻温度分布

t=1.73 时刻温度分布

选取的温度节点

制动盘径向温度节点选取

不同半径节点处的温度分布曲线

目录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 国内研究现状
　　　　　　1.2.2 国外研究现状
　　　　1.3 本文研究的主要内容
　　第二章 制动系统优化设计
　　　　2.1 制动系统简介
　　　　2.2 制动系统设计
　　　　　　2.2.1 制动系统设计要求
　　　　　　2.2.2 制动时整车受力分析
　　　　　　2.2.3 制动系统主要参数的确定
　　　　2.3 制动力分配比的优化
　　　　　　2.3.1 实际制动力分配曲线
　　　　　　2.3.2 设计变量
　　　　　　2.3.3 目标函数
　　　　　　2.3.4 约束条件
　　　　　　2.3.5 优化结果分析
　　　　2.4 本章总结
　　第三章 制动器温升和尺寸的多目标优化
　　　　3.1 传热学基本理论
　　　　3.2 摩擦生热理论
　　　　3.3 盘式制动器温度场仿真模型
　　　　　　3.3.1 模型的建立
　　　　　　3.3.2 热学参数的确定
　　　　　　3.3.3 仿真分析及结果
　　　　3.4 多目标优化
　　　　　　3.4.1 优化方法概述
　　　　　　3.4.2 优化数学模型的建立
　　　　　　3.4.3 优化结果分析
　　　　3.5 本章总结
　　第四章 制动系统的可靠性分析
　　　　4.1 可靠性概述
　　　　　　4.1.1 制动可靠性的定义
　　　　　　4.1.2 可靠性尺度
　　　　　　4.1.3 可靠性分析函数
　　　　4.2 可靠性分析方法
　　　　　　4.2.1 失效模式及后果分析法
　　　　　　4.2.2 故障树分析法
　　　　4.3 液压制动系统故障模式分析
　　　　4.4 故障树的建立
　　　　4.5 制动系统故障树定性分析
　　　　4.6 制动系统故障树定量分析
　　　　4.7 本章小结
　　第五章 总结与展望
　　　　5.1 全文总结
　　　　5.2 研究展望
　　参考文献

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