1、中北大学2014届毕业设计说明书中国大学生方程式赛车进、排气系统设计摘要本文以中国大学生方程式大赛为基础进行赛车的进排气设计，设计包括赛车进气系统和排气系统，并对赛车具体布置提供合理方案，最后对进气排气系统进行改进。首先介绍了跟赛车进排气布置有关的相关理论以及国内外的研究现状，为赛车总体设计定下合理的目标，建立相关的设计规则。然后对赛车进排气系统建模、确定布置方案，目标是提高赛车在赛道上的表现。本文的重点是进气排气系统的建模与实物制作，运用GT-Power对单缸汽油机进行数值模拟，模拟发动机的动力输出，为分析进排气效率提供数据依据，最终制作并安装满足大赛要求的进气排气系统。关键词：FSC赛车，
2、进、排气系统，发动机，建模FSC intake and Exhaust system designAbstractIn this paper, we design the intake and exhaust system according to Chinese Formula Student competition , including the design of the intake system and exhaust system , and providing a reasonable solution to racing specific arrangement , and f
3、inally to improve intake and exhaust systems.First introduced the arrangement of the intake and exhaust racing theory and research on the status of domestic and abroad,and setting the over all design of the car reasonable goals,establishing relevant design rules.Then modeled the exhaust system to de
4、termine the layout plan, the goal is to improve the performance of the car on the track.This article focuses on intake and exha the GT-Power simulation of gasoline engine and output power providing the basis for the analysis of the data of intake and exhaust efficiency, and ultimately produced and i
5、nstalled to meet the contest requirements.Keywords: FSC car,intake and exhaust systems, engine, modeling目 录1 绪论 11.1 赛事背景意义 11.2 大学生方程式汽车大赛简介 21.2.1 Formula SAE 21.2.2 大赛规则简介31.2.3 评定项目简介31.2.4 中国大学生方程式大赛简介41.3 进排气系统规则概况 42 进气系统设计 72.1 进气的设计 92.2 进气布置设计 92.3 进气形式选择 102.4 进气系统套件设计 102.5 进气系统材料与制造工艺16
6、2.6 进气管长度对发动机性能的影响182.7 进气管流体分析203 排气系统设计213.1 排气布置设计选择213.2 排气系统各参数的计算223.2.1 排气管内径 223.2.2 消音器各参数 233.3 排气管道及消声器的材料 253.3.1 排气系统的性能与强度分析 264 进排气系统的实物制作29 5 总 结 31参 考 文 献32致 谢33第 I 页 共 I 页1 绪 论1.1 赛事背景意义 中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造一辆小型方程式赛车并参加比赛。为了给予参赛车队最大的设计灵活性和自由度来表现我们大学生的创新能力和想象能力，大赛对于赛
7、车的整体设计没有太多的限制。每一个参赛队所面临的挑战在于要制作出一辆能够顺利完成规则中的所有比赛项目的赛车。中国大学生方程式汽车大赛给参赛车队创造一个同来各地大学的车队同场竞技的平台，以展示和证明我们大学生的创新能力和工程技术水平。 大赛评分规则由静态部分和动态部分两个部分组成，动态部分包括：直线加速测试、8 字绕环测试、高速避障测试、耐久测试、燃油经济性测试等。要想在动态项目中取得好的成绩，则对于赛车的动力系统要求又很高的要求。首先要求赛车要匹配一台高性能的发动机，因为动态项目的成绩直接受发动机性能的影响。因此，在赛车设计过程中，进排气改进工作将对赛车的性能和在比赛中的成绩起到至关重要的影响
8、。作为一名大学生，平时很少能直接接触到动力系统的相关的一些设计，因此，这次比赛能称得上是对大学生的非常有意义的一次锻炼。 大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：重点培养学生的创新设计能力、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应中国企业的需求，为中国企业挑选优秀人才提供了一个很好的平台；通过这项比赛来创造学术竞争的氛围，为各院校提供一个进行交流沟通的平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展培养锻炼人才，增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对
9、汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA 、UG、ANSYS 以及焊接、定位、机加工技能，更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE 赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。通过FSAE 大赛可以学到很多书本上学不到的东西，并且能够
10、将知识转化为专业技能，同时还能锻炼学生的团队合作能力和责任感。1.2 大学生方程式汽车大赛简介1.2.1 Formula SAE Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7 个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981 年创办以来，FSAE 已发展成为每年由7 个国家举办的9 场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。规则是制作一台5 马力的木制赛车。 SAE 方程式（Formula S
11、AE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8 至12 个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素
12、，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车， 并要求原型车实际耗资应低于2.5 万美元（该规则09 年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。2008 年Formula SAE 系列赛包括以下九个比赛：1. 美国密歇根，Formula SAE，由SAE 举办；2. 美国加利福尼亚，Formula SAE West，由SAE 举办；3. 美国弗吉尼亚，Formula SAE VIR，由SAE 协办；4. 澳大利亚，Formula SAE Australasia，由澳洲SAE 举办；5. 巴西，Formu
13、la SAE Brasil，由巴西SAE 举办；6. 意大利，Formula SAE Italy，ATA 举办；7. 英国，Formula Student，由ImechE 举办；8. 德国，Formula Student Germany；9.日本，Formula SAE Japan。2009 年的比赛包括美国的密歇根、加州和弗吉尼亚赛，以及英国、巴西、意大利、日本、德国、澳大利亚赛。2010 年10 月，中国第一届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。2011 年10 月，中国第二届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。2012 年10 月，中国第三届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车
14、场举办。2013 年10 月，中国第四届大学生方程式汽车大赛在襄阳举办。1.2.2 大赛规则简介比赛规则非常开放，以鼓励学生的原创设计和各种形式的赛车的出现。比赛的基本原则如下所示：使用的发动机为四冲程汽油机且排量不能超过610cc必须安装内径20mm 的进气限流阀已控制发动机功率大量安全和结构强度要求整车的成本不能大于25000 美元（按规则计算）11.2.3 评定项目简介比赛通过一系列静态和动态的比赛项目来评判赛车的优劣，这些项目包括：技术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经济性。通过给这些项目进行打分来进一步评判赛车的整体性能。每个项目的分值分配如表1.1
15、所示。环节名称分值静态项目陈述75工程设计150成本分析100动态项目加速性75弯道性能50操作稳定性150燃油经济性50耐久性300总体两项总分1000 图1.11.2.4 中国大学生方程式大赛简介中国大学生方程式汽车大赛（简称FSC）是中国汽车工程学会及和其一起合作的会员单位，在学习和总结美国、日本、德国等国家相关经验的基础上，结合中国自身的国情，精心打造出的一项全新的比赛。这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，并且会对学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案进行评比，以及把赛车制造成产品的过程。这并不是一场竞速比赛或节油比赛，而是对中国汽车
16、人才综合素质的比赛，这项赛事通过全方位考核来进一步提高大学生的设计、制造、成本控制、营销、沟通与协调等五方面的综合能力，从而全面地提高大学生的综合素质。未来支撑中国汽车产业的人才一定会在这些大学生中出现，同时这也是这项比赛的最大意义，举办中国大学生方程式汽车大赛的目的，就是为了中国汽车产业的发展做长期的人才培养和积蓄。中国大学生方程式汽车大赛由各中国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。比赛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，并携该车进行参加全部或部分的比赛项目。在比赛过程中，参赛车队不仅要对设计理念进行阐述，还要由裁判对该车进行
17、若干项其他的性能测试。2010 年中国举办第一届FSC，北京理工大学代表队以总分第一的成绩获得总冠军。2011 年的中国第二届FSC 北京理工大学代表队以总分第一的成绩蝉联冠军。2012年，湖北汽车工业学院获得冠军，2013年厦门理工获得冠军。1.3 进排气系统规则概况以下部分为FSC 规则对于进排气系统的一些要求，在进行相关设计时必须按照规则要求进行。赛车的发动机必须为四冲程、排量不能超过610毫升的活塞式发动机。可以在规则的限制范围内对发动机进行一定的改造。如果使用多个发动机，那么其总排量不得超过610毫升，并且所有的进气气流必须经过同一个进气限流阀。发动机进气系统与供油系统的所有零部件（
18、包括节气门或化油器，以及整个进气系统：包括空气滤清器和进气室）必须安装在整车的外框内。赛车必须装有化油器或节气门。化油器或节气门的设计及尺寸不限。节气门必须为机械控制，比如通过拉线或连杆系统进行操作。禁止使用电子节气门或类似的线控系统。节气门控制系统必须至少有两个复位弹簧位于节气门体。使节气门系统的某部分如果出现故障时，节气门依然可以顺利回到闭合的位置。 油门拉线与排气系统部件之间必须至少相距50.8毫米，并且远离排气气流。油门踏板必须安装有限位块，当油门拉线或节气门控制系统超载时用以及时切断总电源。为限制发动机功率，在进气系统的节气门与发动机之间必须安装一个内部截面为圆形的限流阀，并且所有发
19、动机的进气气流都应流经此限流阀。 禁止在限流阀和发动机之间使用任何可以控制进气流量的装置。限流阀内部截面的最大直径为：使用汽油燃料20.0毫米使用E-85 燃料19.0毫米限流阀必须安放在技术检查对其进行测量时方便的位置 进气系统的任何部分如果离地面的高度小于350毫米，为了抵挡来自侧面或背面的碰撞必须安装保护罩对其进行保护。进气歧管必须使用支架或者机械连接，牢固地与发动机体或者气缸盖连接固定在一起。不允许使用钳夹，塑料扎带或者安全绳等进行连接。可以使用橡胶套管或者软管以实现气密，但是不允许将其用于结构固定。任何情况下，限流阀的内部截面都不能任何发生变化（例如限流阀不能作为节气门可动部件的一部
20、分）。如果使用了多台发动机，所有发动机的进气气流都必须流经限流阀。若使用增压器，限流阀必须安装在增压设备与化油器或节气门之间。因此，唯一允许的顺序是：节气门、限流阀、增压设备、发动机。尾气出口必须要合理布置，使赛车以任何速度行驶时，车手都不会遭受尾气污染。排气口不得处于后轴中心线450mm之后的位置，离地距离不得高于600mm。如果排气系统的零部件从车身两侧延伸到主环以前，那么这些零部件必须有护罩遮盖，以防车手或其他人员烫伤。赛车的噪音等级将使用静态方法测定。测试时，自由场测量麦克风的探头将位于尾气出口后方0.5m处，与排气口水平，并与气流流动方向夹角成45度。变速箱处于空挡且发动机处于指定转
21、速。如果使用了多个排气口，检测将测量各排气口的噪音等级，取最高读数为最终测量值。如果排放装置带有可调节或节流装置，那么在测试时，这些装置必须处在最大开口位置。这些装置的开口位置必须能让测试官员看到，并且测试官员能够直接手动对装置进行调节。汽车或摩托发动机在活塞平均速度914.4m/min的转速下进行噪音测试，“工业发动机”在活塞平均速度为731.5m/min的转速下进行噪音测试，上述方法计算所得转速取整后即为实际测试转速。组委会将公布常用发动机的测试转速。噪音等级上限为110加权分贝。组委会有权在比赛中任何时候检测赛车的噪音等级。如果赛车未通过噪音测试，赛车必须退出比赛。直至修改并再次通过噪音
22、测试1。2 进气系统的设计我校于2013 第一次筹划参加的中国大学生方程式汽车大赛，当时使用的发动机为嘉陵600。与当时其他学校使用的本田CBR600 的四缸发动机相比，动力性相差很大。发动机型式 单缸、四冲程、水冷、四气门、SOHC排量：599cc 缸径 (mm) 94 行程 (mm) 85 最大功率 (kW) 30kw(6000rpm) 最大扭矩 (N.m) 51N.m(4500rpm) 冷却方式 强制水冷(组成：水泵、散热器、风扇等) 供油方式 闭环电喷系统（组成：供油系统、控制系统、参量、操控系统、喷油系统等） 变速器型式五档常啮合 排放指标达到欧III标准点火方式 电感储能式点火（D
23、LI） 接插件结构 全密封式防水、防漏电接插组合件 自诊断系统 电路系统故障显示或提示为了得到初始发动机的相关数据，并得到为发动机改进提供思路的数据，我们对初始发动机运用GT-Power进行数值模拟。模拟侧重对发动机进气系统的模拟，主要在进气系统进气情况以及充气效率上。GT-power是一款由Gamma Technologies公司开发的具有发动机工业标准的模拟仿真工具，现在被世界上大多数发动机和汽车制造厂家及供应商使用。 GT-Power是GT-Suite系列软件中的一部分，涵盖了发动机本体、驱动系统、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构六个方面。该软件采用有限体积法进行流体的计算，计
24、算步长自动可调，有强大的辅助建模前处理工具，自带有丰富的燃烧模型，具有丰富的控制功能，能与SIMULINK进行耦合求解，能与三维的CFD软件进行耦合计算，自带有优化设计功能，能进行直接优化、DOE设计/优化，能进行进、排气系统噪音分析，能对进、排气系统的消音元件进行优化设计。12 在该模型的模拟中，我们期望得到的是发动机在未限流的情况下进气系统的气流情况，包括单位时间气流量、发动机输出情况，以及发动机的响应情况。模型建立的约束条件如下：发动机形式：嘉陵JH600单缸汽油发动机燃烧模型：Wiebe函数模型进气环境定义：标准大气压（1bar），常温（300K）进气歧管：内壁粗糙度def，内壁温度4
25、50K进气门开启时间：139凸轮轴转角排气门开启时间：126凸轮轴转角。排气歧管：内壁粗糙度def，内壁温度600K排气环境定义：标准大气压，常温。生成的模型树如图2.1图2.1单缸汽油机GT-Power模型建立模型并进行模拟计算，如图2.2 图2.2未加限流器前发动机进气道气流情况从模拟结果中我们可以得到，本次模拟共有832个循环，各种参数比较正常，在正常情况下，该发动机的进气情况比较理想，进气系统中没有能影响发动机进气的组件，进气管单位时间内的空气流量比较高，在88kg/h左右，发动机充气效率较高，燃油燃烧完全，输出性能跟厂商数据相差不大。2.1 进气系统的设计把空气或混合气导入发动机气缸
26、的零部件集合体称为发动机进气系统，主要组件有原始进气道、空气滤清器、连接管路、增压器、中冷却器等。其功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气。由于大赛对于进气系统的限流阀的要求，所以一套进气系统包括：空滤、节气门、限流阀、稳压箱、进气管。2.2 进气布置设计a) 上方进气：理论上这里的进气效果应该是最好的，进气压力高，空气干净较稳定。不过这样进气管较长，气体的沿程损失较大，而且因为布置空间的原因（发动机高度，主环高度，限流阀长度），很可能布置不开。b) 侧向进气：布置方便，进气效果也较好，不足是因为侧向吸气，可能导致各缸的进气不均匀度提高；下部的进气较脏，侧翼的空气也可能会由于车辆运行而不稳定
27、。可以从稳压箱设计上减小这问题，但是制造上可能有问题（异形，从进气处到尾端由大到小渐缩），后面会有稳压箱设计。唯一要考虑的是不能超过进气系统设置的范围（不大可能超出）。c) 冲后进气：理论上车辆后面有个正压区，但是这个区域随着车速而变化，而且车后空气较脏，此处进气效果较差，但是进气管可以做的比较短，降低沿程损失，布置也是最方便。考虑综合因素，选择上方进气。2.3 进气形式设计进气方式主要有自然进气、涡轮增压、机械增压三大类。涡轮增压和机械增压均能增加充气效率。但涡轮增压会使发动机的零部件长期处于高负荷状况，零部件易受损，导致日后的维护成本较高，维修也不方便；更大的弊端是在低转速下涡轮有迟滞现象
28、，输出不线性，不利于操控。机械增压则需要对发动机内部进行改动，效率不如涡轮增压。反观自然进气，虽然没有增压器，但可以通过改变进气管长度提高充气效率。根据赛事规则与参赛内容，发动机常处于中低转速工况。因此，决定先采用自然进气为今年的方案，在实践中累积经验，熟悉这款发动机的特性，在今后尝试对发动机做更突破的改造。2.4 进气系统套件设计选择a) 空滤：选用冬菇头，如有可能比赛时可以改用一层滤网，能减少进气阻力。另外应该注意如果使用冬菇头的话，选用合适形状的冬菇头，避免冬菇头超出外框。b) 节气门：节气门喉口不宜过大，因为节气门将变得同原机比相差过多。同样由于原机ECU，故而需要考虑节气门位置传感器的安装位置。由于怠速空气控制阀和原机不匹配，故而不适用怠速空气控制阀，改用节气门预开一个小开度来保证怠速的时候的进气。可以通过节气门上的螺钉进行微调。节气门位置传感器的全闭电压可选用0.330.5v，低于0.32v将会报警。全开电压在4.0v左右。最终选用发动机原装节气门，内径45mm。c) 限流阀：限流阀基本构型为文丘里管式的渐缩渐扩管，考虑三种形式：通过查阅相关资料我们得到三种不同形式的限流器设计方案，如图2.3a 限流器1b 限流器2c 限流器3 图2.3 三种不同设计参数的限流器 限制器1是参考劳伦斯科技大学所公布的数据而设计的。设计包括了“入口32mm，14角延伸至20毫米限流器
