电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统

摘要

一种电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统，包括用于控制踏板安装位置的滑移机构、用于赛车手对踏板施力的脚踏机构、用于将受力行程转换为控制电信号的控制机构、用于对赛车进行制动的制动机构、用于控制制动机构的制动油路机构、用于调节赛车前后制动力的平衡杆调节机构、用于限制赛车速度的加速踏板可调限位移机构和用于检测制动机构是否失效的可调超行程开关机构，所述脚踏机构、控制机构、制动机构、加速踏板可调限位移机构、可调超行程开关机构通过滑移机构装在赛车车架上，所述控制机构、制动机构与赛车滑动连接；所述制动机构与制动油路机构相通。本发明普适性更强、操纵性更好、制动安全性更可靠、结构优良、生产成本低。

说明书

技术领域

本发明属于电动方程式赛车，涉及一种电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统。

背景技术

近年来，国内大学生电动方程式赛车各车队的制动系统主要侧重点在于制动系统的安全性和可靠性，而通过计算机仿真分析对制动系统的部件结构、以及部件间结构布局等方面进行分析相对较少。本实用型发明的研究现实意义：在于通过计算机仿真分析很好地解决了现在目前大学生方程式赛车制动系统部分中难以解决的部件结构和各部件之间诸多的配合问题。制动系统的基本即首要要求必然是制动的安全性可靠性，但若对制动系统进行软件仿真分析或产品建模设计，则很多复杂结构和配合问题就能迎刃而解，工厂生产效率就可以因此得到提高。介于现大多数方程式赛车制动系统简单、质量较大且难以调节的问题，我们通过计算机仿真分析后优化零部件结构设计以减轻重量以及考虑加入平衡杆调节机构、加速踏板可调限位移机构、可调超行程开关机构来更好地保证制动的安全可靠性来保证车手的人身安全，而此系统目前在市场上的运用很少，因此此制动系统在市场上也具有非常大的潜力。性能优越赛车缺少不了安全可靠、操纵性良好的制动系统，在拥有安全可靠性高强度的制动系统的前提下，车手才能把赛车的性能发挥出来。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种普适性更强、操纵性更好、制动安全性更可靠、结构优良、生产成本低的电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统，解决目前大多数大学生方程式赛车制动总成质量过大的问题、制动内部结构和部件配合存在问题以及难以适应不同工况的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统，包括用于控制踏板安装位置的滑移机构、用于赛车手对踏板施力的脚踏机构、用于将受力行程转换为控制电信号的控制机构、用于对赛车进行制动的制动机构、用于控制制动机构的制动油路机构、用于调节赛车前后制动力的平衡杆调节机构、用于限制赛车速度的加速踏板可调限位移机构和用于检测制动机构是否失效的可调超行程开关机构，所述脚踏机构、控制机构、制动机构、加速踏板可调限位移机构、可调超行程开关机构通过滑移机构装在赛车车架上，所述控制机构、制动机构与赛车滑动连接；所述制动机构与制动油路机构相通；

所述滑移机构包括用于安装控制机构的加速安装板、用于安装制动机构的制动安装板、用于与加速机构配合的加速安装架以及用于与制动机构配合的制动安装架，所述加速安装板安装在所述赛车的前部加速机构对应的加速安装架上，所述制动安装板安装在制动机构对应的制动安装架上。

进一步，所述脚踏机构分为左脚的左脚脚踏机构和用于适应赛车手右脚的右脚脚踏机构以用于适应赛车手需求，并且左脚脚踏机构和右脚脚踏机构并排设置，所述左脚脚踏机构包括左脚托和左脚踩脚踏，所述左脚托固装在制动安装板上，并位于制动机构的后方，所述左脚踩脚踏装在制动机构上部，并与制动机构的受力端相连，保持左脚托的踩踏凹槽和左脚踩脚踏的踩踏凹槽均面向赛车手；所述右脚脚踏机构包括右脚托和右脚踩脚踏，所述右脚托固装在加速安装板上，并位于控制机构的后方，所述右脚踩脚踏装在控制机构的上部，保持右脚托的踩踏凹槽和右脚踩脚踏的踩踏凹槽均面向赛车手。

再进一步，所述控制机构包括加速踏板和KPM线位移传感器以及回位弹簧，所述加速踏板的底部铰接在加速安装板与右脚托之间的所述加速安装架上，所述加速踏板的顶部安装右脚踩脚踏；所述KPM线位移传感器的一端铰接在所述加速踏板的上部，另一端铰接在加速安装板的前部，其中KPM线位移传感器和右脚踩脚踏分列与加速踏板的前后两侧，所述KPM线位移传感器的信号输出端与赛车的电机控制器的信号输入端电连，回位弹簧安装于KPM线位移传感器上，节省了布置空间以及提升了传感器数据精确性。

更进一步，所述制动机构包括用于控制赛车前轮制动的前制动主缸、用于对前制动主缸输油的第一油罐、用于控制赛车后轮制动的后制动主缸、用于对后制动主缸输油第二油罐、制动踏板、平衡杆调节机构和可调超行程开关机构，所述前制动主缸的底部、后制动主缸的底部以及所述制动踏板的底部均铰接在所述制动安装板上，所述制动踏板设置在前制动主缸、后制动主缸之间，上部水平安装平衡杆调节机构，同时在制动踏板上部安装孔增加轴套，用于延长平衡杆调节范围；所述的前制动主缸的压缩杆顶部、所述后制动主缸的压缩杆顶部分别与平衡杆的对应的端部铰接；所述第一油罐、第二油罐均使用环形块与焊在车架上的吊耳相连，其中所述的环形块根据实际需要进行结构设计3D打印而成；其中所述第一油罐的出油口与所述前制动主缸的进油口管路连通，所述第二油罐的出油口与所述后制动主缸的进油口管路连通，所述前制动主缸的出油口、所述后制动主缸的出油口分别与赛车的制动油路机构连通；所述可调超行程开关机构设置在制动安装板的前中部，用于在控制制动机构的最大制动行程处切断电源。

优选的，所述制动踏板为上宽下窄条形状结构，并且左脚踏制动踏板通过转轴竖直铰接在前制动主缸和后制动主缸之间的制动安装架上，其中，左脚踏制动踏板上部设有用于安装平衡杆的安装孔和配合轴套的安装孔。

所述平衡杆调节机构上设有用于与主缸螺接的外螺纹调整段，可实现平衡杆中心球铰轴承位置的水平移动。通过调整平衡杆调节机构的旋钮，可调整平衡杆中心球铰轴承相对于两个制动主缸顶部的距离，从而调整前后轮制动力分配比例。

所述制动油路机构包括用于向赛车前轮的制动器供油的前管路以及用于向赛车后轮的制动器供油的后管路，所述前管路的进油口与所述前制动油缸的出油口管路连通，所述前管路的出油口通过三通接头一分为二分别与两个前轮的制动器进油口连通，实现对前轮的制动控制；所述后管路的进油口与所述后制动油缸的出油口管路连通，所述后管路的出油口通过三通接头一分为二分别与两个后轮的制动器进油口连通，实现对后轮的制动控制。

赛车的每个轮毂均安装一个制动器，其中，所述制动器包括用于与赛车轮毂配合的制动盘和用于卡住制动盘的卡钳，所述制动盘通过ANSYS热仿真分析优化结构，在保证其安全可靠性地前提下增强了散热性能，所述制动盘同轴固装在赛车的轮毂上，所述卡钳安装在所述轮毂立柱上，并且卡钳的刹车片分列于制动盘的两侧；所述卡钳的进油口与制动油路机构的对应的出油口连通。

所述加速踏板可调限位移机构为L型；其通过螺栓与所述加速安装板固接，所述加速安装板上开有条形槽，根据计算不同工况下所述加速踏板的转动角度调整限位移机构的位置来限制车速大小。

所述可调超行程开关机构安装于制动安装板前端，制动安装板前端同样开有条形槽，用于控制制动机构最大行程；检测制动机构是否失效。

所述加速安装板通过滑块、螺栓与所述加速安装架固接。

所述制动安装板通过滑块、螺栓与所述制动安装架固接。

所述左脚托的踩踏凹槽前壁、所述右脚托的踩踏凹槽前壁设有弧形凸起以增强车手驾驶舒适感。

本发明的有益效果主要表现在：在保证制动可靠性的前提下，提高了制动系的操作性能，优化结构，实现轻量化，降低了生产加工成本，同时设计了多种可调机构，能够很好地适应不同工况。

附图说明

图1是电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统的控制机构示意图。

图2是电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统的制动机构示意图。

图3是本发明的传动角示意图。

图4是本发明的左脚托结构图，a是弧形凸起。

图5是本发明的制动踏板结构图。

图6是本发明的加速安装板、制动安装板安装示意图。

图7是本发明制动油路机构结构图。

图8是本发明前制动器结构图。

图9是本发明后制动器结构图。

图10是本发明可调平衡杆机构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图10，一种电动方程式赛车多行程可调轻量化制动系统，包括用于控制踏板安装位置的滑移机构、用于赛车手对踏板施力的脚踏机构、用于将受力行程转换为控制电信号的控制机构、用于对赛车进行制动的制动机构、用于控制制动机构的制动油路机构、用于调节赛车前后制动力的平衡杆调节机构、用于限制赛车速度的加速踏板可调限位移机构和用于检测制动机构是否失效的可调超行程开关机构，所述脚踏机构、控制机构、制动机构、加速踏板可调限位移机构、可调超行程开关机构通过滑移机构装在赛车车架上，所述控制机构、制动机构与赛车滑动连接；所述制动机构与制动油路机构相通；

所述滑移机构包括用于安装控制机构的加速安装板18、用于安装制动机构的制动安装板3、用于与加速机构配合的加速安装架17以及用于与制动机构配合的制动安装架1，所述加速安装板18安装在所述赛车的前部加速机构对应的加速安装架19上，所述制动安装板3安装在制动机构对应的制动安装架1上。

所述脚踏机构分为左脚的左脚脚踏机构和用于适应赛车手右脚的右脚脚踏机构以用于适应赛车手需求，并且左脚脚踏机构和右脚脚踏机构并排设置，所述左脚脚踏机构包括左脚托2和左脚踩脚踏6，所述左脚托2固装在制动安装板3上，并位于制动机构的后方，所述左脚踩脚踏6装在制动机构上部，并与制动机构的受力端相连，保持左脚托2的踩踏凹槽和左脚踩脚踏6的踩踏凹槽均面向赛车手；所述右脚脚踏机构包括右脚托13和右脚踩脚踏16，所述右脚托13固装在加速安装板18上，并位于控制机构的后方，所述右脚踩脚踏16装在控制机构的上部，保持右脚托13的踩踏凹槽和右脚踩脚踏16的踩踏凹槽均面向赛车手。

所述控制机构包括加速踏板15和KPM线位移传感器19以及回位弹簧20，所述加速踏板15的底部铰接在加速安装板18与右脚托13之间的所述加速安装架17上，所述加速踏板15的顶部安装右脚踩脚踏16；所述KPM线位移传感器19的一端铰接在所述加速踏板15的上部，另一端铰接在加速安装板18的前部，其中KPM线位移传感器19和右脚踩脚踏16分列与加速踏板15的前后两侧，所述KPM线位移传感器19的信号输出端与赛车的电机控制器的信号输入端电连，回位弹簧20安装于KPM线位移传感器上，节省了布置空间以及提升了传感器数据精确性。

所述制动机构包括前制动主缸9用于控制赛车前轮制动、第一油罐12用于对前制动主缸9输油；后制动主缸10用于控制赛车后轮制动、第二油罐11用于对后制动主缸10输油。制动踏板5、平衡杆调节机构8、可调超行程开关机构4，所述前制动主缸9的底部、后制动主缸10的底部以及所述制动踏板5的底部均铰接在所述制动安装板3上，所述制动踏板5设置在前制动主缸9、后制动主缸10之间，上部水平安装平衡杆调节机构8，同时在制动踏板5上部安装孔增加轴套，用于延长平衡杆调节机构8调节范围；所述的前制动主缸9的压缩杆顶部、所述后制动主缸10的压缩杆顶部分别与平衡杆调节机构8的对应的端部铰接；所述第一油罐12、第二油罐11均使用环形块7与焊在车架上的吊耳相连，其中所述的环形块7根据实际需要进行结构设计3D打印而成；其中所述第一油罐12的出油口与所述前制动主缸9的进油口管路连通，所述第二油罐11的出油口与所述后制动主缸10的进油口管路连通，所述前制动主缸9的出油口、所述后制动主缸10的出油口分别与赛车的制动油路机构连通；所述可调超行程开关机构4设置在制动安装板3的前中部，用于在控制制动机构的最大制动行程处切断电源。

所述制动踏板5为上宽下窄条形状结构，并且左脚踏制动踏板5通过转轴竖直铰接在前制动主缸9和后制动主缸10之间的制动安装架1上，其中，左脚踏制动踏板5上部设有用于安装平衡杆调节机构8的安装孔和配合轴套的安装孔。

所述平衡杆调节机构8上设有用于与主缸螺接的外螺纹调整段，可实现平衡杆中心球铰轴承位置的水平移动。通过调整平衡杆调节机构8的旋钮，可调整平衡杆中心球铰轴承相对于前制动主缸9和后制动主缸10顶部的距离，从而调整前后轮制动力分配比例。

所述制动油路机构包括用于向赛车前轮的制动器供油的前管路21以及用于向赛车后轮的制动器供油的后管路23，所述前管路21的进油口与所述前制动油缸9的出油口管路连通，所述前管路21的出油口通过三通接头22一分为二分别与两个前轮的制动器进油口连通，实现对前轮的制动控制；所述后管路23的进油口与所述后制动油缸10的出油口管路连通，所述后管路的出油口通过三通接头24一分为二分别与两个后轮的制动器进油口连通，实现对后轮的制动控制。

赛车的每个轮毂均安装一个制动器，其中，所述前制动器和后制动器包括用于与赛车轮毂配合的前制动盘28、后制动盘26和用于卡住制动盘的前卡钳27、后卡钳25，所述制动盘通过ANSYS热仿真分析优化结构，在保证其安全可靠性地前提下增强了散热性能，所述前27、后制动盘25同轴固装在赛车的轮毂上，所述前卡钳27、后卡钳25安装在所述轮毂立柱上，并且卡钳的刹车片分列于制动盘的两侧；所述卡钳的进油口与制动油路机构的对应的出油口连通；

所述加速踏板可调限位移机构14为L型；其通过螺栓与所述加速安18装板固接，所述加速安装板18上开有条形槽，根据计算不同工况下所述加速踏板的转动角度调整加速踏板可调限位移机构14的位置来限制车速大小。

所述可调超行程开关机构4安装于制动安装板3前端，制动安装板前端同样开有条形槽，用于控制制动机构最大行程；检测制动机构是否失效。

所述加速安装板18通过滑块、螺栓与所述加速安装架17固接。

所述制动安装板3通过滑块、螺栓与所述制动安装架1固接。

所述左脚托2的踩踏凹槽前壁、所述右脚托13的踩踏凹槽前壁设有弧形凸起以增强车手驾驶舒适感。

本实施例的制动系统成的前、后制动主缸立式布置，节省空间。加速机构与脚踏机构分开，便于装配、维修，并且节省材料。制动机构通过杠杆原理，放大驾驶员施加的制动力，通过平衡杆将制动力分配到前后轮的前、后制动主缸上，使赛车在不同工况下前后轮分配不同制动力。脚踏总成通过自制的滑移机构装在赛车车架上，前后位置无级别调节，达到适应不同身高车手需求的目的。整个总成配有两个脚托，保护车手脚部安全，并且提高车手舒适性。

此制动系统相比于其他，最大的优点就是加进了可调平衡杆机构、滑移机构以及可调加速踏板限位移机构，进一步提升了制动的操纵性以适应不同工况，另外此制动总成可实现无级别的前后调整，以适应不同身位的车手。同时此制动总成能将人体对制动踏板的力通过踏板以5倍放大比进行放大。再通过平衡杆调节，分配到前、后轮制动主缸，从而传递制动力，达到制动效果。制动总成的加速安装板、制动安装板在保证强度的情况下进行镂空处理，达到既美观又轻量化的目的。并且采用立式布置油缸，立式主缸相对于卧式主缸的主要优势在于可以很好地节约赛车的前舱空间，除此之外能较简单的设计传动比。加速机构与制动机构相互分开，实现互不干涉、独立装配、方便维护的目的，并且减轻重量、节省底板材料。

制动踏板及传动比设计：制动踏板需要足够的强度、简约的结构、优良的人机关系、传动比合理。

设计过程：通过搭建人机工程实验台实验，确定制动踏板的基本尺寸范围为200～220mm，根据踏板受力以及放大比等设计参数，建立力学模型进行分析计算得到制动踏板的高度为208mm，厚度为18mm，根据传动比确定传动角为11°并用Adams仿真分析确认传动过程中传动比基本不变。确认踏板的主要受力部位在转轴处及与平衡杆的轴套连接处。同时在中间开槽以达到优化结构，减轻重量的效果。主缸是倾斜安装的，主缸和左脚制动踏板之间的夹角是传动角。制动踏板主要受力点在转轴处以及与平衡杆的轴套连接处，中间镂空以减轻质量；材料选取：制动踏板的材料选择需要综合考虑强度、质量。参考资料我们选择制动踏板材料为7075铝。7075铝密度小，强度却远胜软钢，大量用于航空制造业，其屈服强度大于450MPa，完全满足制动踏板对强度的要求，制动踏板重量为110g。

制动安装板设计：使用分离式设计保证强度的同时，减少装配工序、降低装配难度、实现轻量化、经济可靠目的，并且能够无级别可调，满足不同百分位的车手。

设计过程：考虑KPM线位移传感器的布置，两边所用材料量不同，并且制动安装板于加速底板所受力不同，将其分为两部分。一方面满足强度同时节省材料，一方面装配更加方便，更经济省力。加速安装板、制动安装板下面使用滑块固定在加速、制动安装架上，通过螺栓固定，在受力较大的制动底板使用四个滑块，在加速安装板处使用两个滑块，在使用过程中通过调节滑块实现无级别可调整。滑块与螺栓采用焊接形式，只需通过调节螺母调节便可移动滑块，从而移动整个底板，方便快捷。材料选取：制动底板、加速底板材料均选用6061铝，经济实惠，满足受力及轻量化要求，制动安装板仅为230g。

脚托设计：使车手更好地施力与制动踏板上，保护车手，并提高舒适性。

设计过程：通过搭建人机工程试验台，将车手踩踏板过程进行模拟，并设计出满足车手踩踏习惯的脚托。

制动盘结构设计：可安装于10英寸的轮辋中且制动盘具有迅速散热的作用。

设计过程：根据赛车前后轮的制动力需求、轮辋的形状大小及加工成本等确定制动盘的尺寸，并用ANSYS对制动盘进行连续制动工况下瞬态热力分析。确定前制动盘的直径尺寸为190mm，后制动盘的直径尺寸为184mm，制动盘厚度为4mm，制动盘外部轮廓采用曲线设计最大化散热面积并采用打孔式通风盘降低质量。

制动油路机构的选择与设计布置：为了提高制动工作的可靠性，应该采用分路制动系统。即将整车的制动系统系统分成独立的两个或者多个制动回路。当其中一个制动回路制动能力丧失时，另外一个制动回路可以独立的进行制动。

设计过程：本辆赛车采用双立式主缸布置方式，选择Ⅱ型布置制动回路。这种布置方式管路最短且布线简单。

环形块的结构设计：在行驶过程中保证油壶稳定，不会摇晃导致制动管路进入空气。

设计过程：根据油罐尺寸设计吊耳以及环形块固定于赛车前挡板，采用光固化3D打印，具有精度高成型快的特点。材料为光敏树脂轻量经济。

制动力分配系数的选择与优化：在不同的工况下选择最合适的制动力分配系数以调整平衡杆位置

优化过程：利用MATLAB SIMULINK模块建立整车动力学模型，其中制动力分配系数模块可以根据输入的不同工况画出匹配当前工况的分配系数曲线，并在实车测试中验证其匹配度。

KPM线位移传感器选择：KPM铰接式直线位移传感器将踏板位移精确地反馈至电控系统以准确输出动力，寿命高达5千万次，体积小巧，密封等级最高为IP67，有直接出线和五芯插头插座输出两种选择，可以适用在大多数通用场合，特别适用于安装空间狭小，本体无法固定，运动有摆动的场合，无需对中；允许极限运动，可在潮湿、油垢、灰尘等各种恶劣条件下使用。

利用实施例的大学生电动方程式赛车多行程可调轻量化制动总成的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、赛车手的双脚放置于脚踏机构上，其中左脚放在左脚踏机构上，右脚放置在右脚踏机构上，并根据车手的身高情况通过滑移机构前后调节控制机构和制动机构的位置；

二、赛车手右脚踩踏加速踏板，带动KPM线位移传感器移动，从而KPM线位移传感器采集加速踏板的位移行程并转化为电信号传输给电机控制器以控制赛车动力输出；

三、赛车手左脚踩制动踏板，平衡杆将制动踏板所受到的力分配给前制动主缸和后制动主缸，前制动主缸和后制动主缸受力通过制动液将制动力传递给制动系统的卡钳上；

四、若制动踏板时将被踩踏超过规定行程从而触碰超行程开关，则制动系统失效，此时赛车动力输出被切断以保护赛车及赛车手。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。