中国大学生方程式赛车进、排气系统设计

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，进、排气系统，发动机，建模中北大学2014届毕业设计说明书FSCintakeandExhaustsystemdesignAbstractInthispaper,wedesigntheintakeandexhaustsystemaccordingtoChineseFormulaStudentcompetition,includingthedesignoftheintakesystemandexhaustsystem,andprovidingareasonablesolutiontoracingspecificarrangement,andfinallytoimproveintakeandexhaustsystems.Firstintroducedthearrangementoftheintakeandexhaustracingtheoryandresearchonthestatusofdomesticandabroad,andsettingtheoveralldesignofthecarreasonablegoals,establishingrelevantdesignrules.Thenmodeledtheexhaustsystemtodeterminethelayoutplan,thegoalistoimprovetheperformanceofthecaronthetrack.ThisarticlefocusesonintakeandexhatheGT-Powersimulationofgasolineengineandoutputpowerprovidingthebasisfortheanalysisofthedataofintakeandexhaustefficiency,andultimatelyproducedandinstalledtomeetthecontestrequirements.Keywords:FSCcar,intakeandexhaustsystems,engine,modeling中北大学2014届毕业设计说明书第I页共I页目录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…………………………………………………………21.2.1FormulaSAE…………………………………………………………………………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……………………………………………………………162.6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…………………………………………………………………295总结……………………………………………………………………………………31参考文献…………………………………………………………………………………32致谢…………………………………………………………………………………………33中北大学2014届毕业设计说明书第1页共33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。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中北大学2014届毕业设计说明书第2页共33页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1.2.1FormulaSAEFormulaSAE，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（FormulaSAE）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，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FormulaSAE系列赛包括以下九个比赛：1.美国密歇根，FormulaSAE，由SAE举办；2.美国加利福尼亚，FormulaSAEWest，由SAE举办；3.美国弗吉尼亚，FormulaSAEVIR，由SAE协办；4.澳大利亚，FormulaSAEAustralasia，由澳洲SAE举办；5.巴西，FormulaSAEBrasil，由巴西SAE举办；中北大学2014届毕业设计说明书第3页共33页6.意大利，FormulaSAEItaly，ATA举办；7.英国，FormulaStudent，由ImechE举办；8.德国，FormulaStudentGermany；9.日本，FormulaSAEJapan。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）[1]1.2.3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中北大学2014届毕业设计说明书第4页共33页燃油经济性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