CN111547025A - 一种基于fsc赛车的紧急强制制动装置及制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FSC赛车的紧急强制制动装置及制动方法，在超程开关被触发后，紧急强制制动装置可以迅速抱死车轮，减少赛车车轮的滑行距离，保证赛车在失去制动力后能尽快停止，减少滑行时间，最大程度保证车手和赛车的安全。

Description

一种基于FSC赛车的紧急强制制动装置及制动方法

技术领域

本发明涉及一种基于FSC赛车的紧急强制制动装置及制动方法，属于赛车零部件技术领域。

背景技术

在FSC中国大学生方程式系列赛事中，为了保证在紧急情况下保证车辆、车手和整个赛事的安全，规则规定了：赛车必须装有制动踏板超程开关作为熄火系统的一部分，并且必须与熄火按钮串联；当制动系统一根或两根制动油路都失效，以致于引起制动踏板的行程超出正常范围时，该开关必须能够触发熄火系统；当赛车被触发熄火系统时，虽然已经失去了动力源，但由于赛车具有强大的惯性，且此时制动系统已失效，因此断电后的赛车仍无法快速停止，此时仍对车手、赛车本身和其他赛车具有较大的危险。

在传统的车辆中设计有驻车制动，可以在制动失灵时应急使用，减少滑行的距离；而在大学生方程式赛车的设计上，并没有足够的空间设计手刹系统；由于赛车并未设计类似于手刹的第二种制动方式，因此车辆仅能通过发动机制动和地面的摩擦力来降低车速，导致断电后的安全性难以保证。

发明内容

本发明提供一种基于FSC赛车的紧急强制制动装置及制动方法，保证赛车在失去制动力后能尽快停止，减少滑行时间，最大程度保证车手和赛车的安全。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于FSC赛车的紧急强制制动装置，包括立柱和赛车的棘轮，还包括固定支架，其固定在立柱侧壁；

前述的固定支架包括U型架，U型架的封闭端端面与地面垂直布设，在U型架朝向外部的水平臂上垂直固定连接面，连接面朝向地面的一侧固设电磁铁，在U型架的封闭端端面上安装转动轴，转动轴的中轴线与地面平行；

还包括棘爪，其包括转动部分，转动部分套设在转动轴上，转动部分的一端向外延伸形成尖头，转动部分的另一端连接平板，平板的表面与电磁铁相对布设；

棘爪的转动部分一侧与U型架的封闭端端面相邻，其另一侧设有扭转弹簧，扭转弹簧同样套设在转动轴上；

前述的扭转弹簧包括螺旋状端部和延伸部分，螺旋状端部套设在转动轴上，其延伸部分向平板方向延伸，且延伸部分与平板表面紧贴；

还包括安装在赛车上的棘轮，当棘爪在转动轴上进行旋转时，棘爪的尖头可插入棘轮的轮齿内；

作为本发明的进一步优选，还包括端盖，在端盖中心位置开设通孔，通孔套设在转动轴端部，在端盖内部对称安装两个耳片；

在固定支架的转动轴端部开设两个对称设置的长形槽，长形槽与耳片一一对应，当端盖套设在转动轴端部时，耳片紧贴对应长形槽；

作为本发明的进一步优选，电磁铁与赛车的低压电路连通；

根据上述的基于FSC赛车的紧急强制制动装置的制动方法，包括以下步骤：

第一步：装配，将固定支架通过螺栓固定在赛车立柱侧壁，棘爪的转动部分、扭转弹簧的螺栓状端部顺次套设在固定支架的旋转轴上，在旋转轴的端部套设端盖，扭转弹簧在嵌入端盖内部时，在转动轴上进行旋转，形成预置张紧力，电磁铁通过螺栓安装在固定支架的连接面朝向地面的一侧，棘爪平板的表面与电磁铁相对布设，同时扭转弹簧的延伸部分与棘爪的平板表面紧贴，将电磁铁与赛车的低压电路连通，

第二步：实施，在正常行驶过程中，低压电路启动，电磁铁通电将棘爪的平板紧紧吸附，此时棘爪的尖头未与棘轮的齿轮接触；当需要紧急强制制动时，断开赛车的低压电路，电磁铁断电后失效，此时棘爪的平板脱离电磁铁，由于扭转弹簧的延伸部分紧贴平板表面，此时棘爪的平板在自身重力以及扭转弹簧的作用下，棘爪发生旋转，棘爪的尖头卡进棘轮的齿轮内，此时车轮抱死，实现对赛车车轮的强制制动；

作为本发明的进一步优选，扭转弹簧在转动轴上进行旋转的角度范围为21.7°-35.3°，当扭转弹簧位于赛车左轮时，扭转弹簧的扭转方向矢量应指向车外侧，当扭转弹簧位于赛车右轮时，扭转弹簧的扭转方向矢量应指向车内侧。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过棘爪与棘轮的相对结合设置，通过棘爪卡进棘轮的齿轮内即可实现整个系统的紧急制动；

2、本发明采用电磁铁通电进行吸附棘爪平板的方式，实现在正常行驶时对棘爪的控制与限位功能；

3、本发明通过扭转弹簧对棘爪的约束，可以保证在电磁铁断电后，棘爪准确卡进棘轮的齿轮内，实现整个系统的准确制动。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的爆炸示意图；

图2是本发明的优选实施例固定支架的立体图；

图3是本发明的优选实施例棘爪的立体图；

图4是本发明的优选实施例扭转弹簧的结构示意图；

图5是本发明的优选实施例固定支架的侧视图；

图6是本发明的优选实施例端盖的结构示意图；

图7是本发明的优选实施例中关于扭转弹簧各项数据示意图。

图中：1为固定支架，2为封闭端端面，3为水平臂，4为连接面，5为电磁铁，6为转动轴，7为棘爪，8为转动部分，9为尖头，10为平板，11为扭转弹簧，12为螺旋状端部，13为延伸部分，14为端盖，15为通孔，16为耳片，17为棘轮，18为长形槽。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在FSC大学生方程式系列赛事中，无论是电车还是油车都需要满足关于超程开关的规则，即：赛车必须装有制动踏板超程开关作为熄火系统的一部分，并且必须与熄火按钮串联；当制动系统一根或两根制动6CB9路都失效，以致于引起制动踏板的行程超出正常范围时，该开关必须能够触发熄火系统；然而当发动机熄火后，即使已经失去了动力源，车辆仍会由于惯性向前滑行，因此当速度太快，质量太大时，赛车很难在短距离停止。

实施例：

本申请基于上述陈述的缺陷，提供一种基于FSC赛车的紧急强制制动装置，图1所示是本申请提供的优选实施例的爆炸示意图，图中可以看出，包括固定支架1，其固定在立柱侧壁，此固定支架1如图2所示，包括U型架，U型架的封闭端端面2与地面垂直布设，在U型架朝向外部的水平臂3上垂直固定连接面4，连接面4朝向地面的一侧固设电磁铁5，电磁铁5与赛车的低压电路连通，可以保证赛车在正常行驶过程中可以提供足够的且持续的吸附力，在U型架的封闭端端面2上安装转动轴6，转动轴6的中轴线与地面平行；还包括图3所示的棘爪7，其包括转动部分8，转动部分8套设在转动轴6上，此时棘爪7与固定支架1的转动轴6配合，形成一个转动副，棘爪7在不受任何外力限制条件下时，可以在转动轴6上进行自由转动；转动部分8的一端向外延伸形成尖头9，当棘爪7在转动轴6上进行旋转时，棘爪7的尖头9可插入棘轮17的轮齿内，且尖头9可以保证棘爪7在插入棘轮17的齿圈并与齿圈的侧齿碰撞后可以保持在碰撞原位，从而使得车轮抱死；

转动部分8的另一端连接平板10，平板10的表面与电磁铁5相对布设，平板10表面平整，可以被电磁铁5紧密吸附；棘爪7的转动部分8一侧与U型架的封闭端端面2相邻，其另一侧设有扭转弹簧11，扭转弹簧11同样套设在转动轴6上；图4所示，是扭转弹簧11的结构示意图，扭转弹簧11包括螺旋状端部12和延伸部分13，螺旋状端部12套设在转动轴6上，其延伸部分13向平板10方向延伸，且延伸部分13与平板10表面紧贴，当电磁铁5对棘爪7不具有吸附力时，由于扭转弹簧11的限制，可以使棘爪7向远离电磁铁5的方向转动，从而使棘爪7准确卡入棘轮17的齿轮内；

这里需要单独阐述的是，当扭转弹簧11嵌入端盖14内时，需要先在转动轴6上做一个扭转预置，这是为了在整个装置装配时预置张紧力，提供当电磁铁5断电后能够驱动棘爪7转动的扭转力矩，扭转的角度范围为21.7°-35.3°，扭转角度的旋转方向与赛车的车轮位置有关，本申请提供的优选实施例为赛车的左轮，此时扭转弹簧11扭转的方向为矢量指向外侧的方向，当为赛车的右轮时，扭转弹簧11扭转的方向为矢量指向内侧的方向，以保证扭矩方向的正确性；

在转动轴6的端部套设有一个端盖14，图6所示，在端盖14中心位置开设通孔15，通孔15套设在转动轴6端部，在端盖14内部对称安装两个耳片16，图5是固定支架1的侧视图，从中可以看出，转动轴6端部开设两个对称设置的长形槽18，长形槽18与耳片16一一对应，当端盖14套设在转动轴6端部时，耳片16紧贴对应长形槽18，此种贴合设置避免了端盖14与固定支架1发生相对转动，同时可以固定扭转弹簧11与端盖14接触的一端，对固定弹簧起到了一个限位的作用。

上述实施例进行实施制动的过程包括以下：

在正常行驶过程中，低压电路启动，电磁铁5通电将棘爪7的平板10紧紧吸附，此时棘爪7的尖头9未与棘轮17的齿轮接触；当需要紧急强制制动时，断开赛车的低压电路，电磁铁5断电后失效，此时棘爪7的平板10脱离电磁铁5，由于扭转弹簧11的延伸部分13紧贴平板10表面，此时棘爪7的平板10在自身重力以及扭转弹簧11的作用下，棘爪7发生旋转，棘爪7的尖头9卡进棘轮17的齿轮内，此时车轮抱死，实现对赛车车轮的强制制动。

扭转弹簧11在安装时储存一个适当的初始转矩，使之略小于电磁铁5的电磁吸力，一个是当电磁铁5通电时，保证棘爪7能被电磁铁5实施限制，另一个就是使其在电磁铁5断电后，可以将限位中的棘爪7迅速弹开；发明人在做实验过程中发现，扭转的角度范围为21.7°-35.3°时，效果较优，具体的验证过程如下：

扭转弹簧11扭力常数计算：

扭转弹簧11扭矩计算：

M＝k*φ

上述式中：

k为弹簧扭力常数，E为钢性模数，d为线径，n为圈数，D为中径，R为负荷作用力臂，M为扭转弹簧11扭矩，φ为扭转角度；其中，d、R以及D在图7中有具体表示，d代表扭转弹簧11的直径，D代表扭转弹簧11螺旋状端部12的直径大小，R代表扭转弹簧11延伸部分13与D/2之和，即扭转弹簧11延伸部分13与平板10表面紧贴的点至转动轴6轴心的距离；

在安装过程中，弹簧扭力常数k：k＝1.84kg·mm/deg，为避免由于颠簸电磁铁5意外松开，该扭矩Mmax需小于65kg·mm，同时为保证能及时弹开，该扭矩Mmin应大于40kg·mm，因此扭转角度范围：

φmax＝Mmax/k＝65/1.84＝35.3°

φmin＝Mmin/k＝40/1.84＝21.7°；

在实施例在做验证时，初始安装扭转角度φ0为：φ0＝30°，提供的预置扭矩M计算：M＝k*φ0＝55.2kg·mm，选用电磁铁5吸力为3kg，作用点与轴心距离为25mm，产生的扭矩为75kg·mm，由于55.2<75，因此可以保证在电磁铁5工作时棘爪7尾端被吸附在电磁铁5上。

在安装初始扭转角度为30°时的紧急强制制动装置做一个制动验证，假定方程式赛车队油车(包含车手)总质量为m＝326kg，总重力G＝3195N；油压出现泄漏后，赛车滑行阻力为残余制动力、滚动阻力、空气阻力及加速阻力，油压泄漏时，残余制动力在一段时间内迅速下降，取残余制动力为正常制动时的15％，正常情况下，赛车可获得的制动力为3641.6N，因此残余制动力F₁ ¹为

F₁ ¹＝3641.6*15％＝546.24N

忽略风阻和加速阻力，取滚动较大阻力系数f＝0.03，获得的滚动阻力F₁₁为

F₁₁＝Gf＝3195*0.03＝96N

四轮共获得阻力F₁ ²为

F₁ ²＝4*F₁₁＝4*96＝384N

因此整车在滑行状态下共获得制动力F₁为

F₁＝F₁ ¹+F₁ ²＝546.24+384＝930.24N

减加速度a₁为

a₁＝F₁/m＝930.24/326＝2.85m/s²

在加装本发明后，赛车车轮抱死情况下，车辆的制动力来源为车轮抱死拖动时的附着力，取附着力系数φ＝1.4，地面提供的制动力F₂为

F₂＝F_zφ＝Gφ＝3195*1.4＝4473N

减加速度a₂为

a₂＝F₂/m＝4473/326＝13.72m/s²

在车速v相等的情况下，由公式x＝v²/2a可推算出，滑动距离x的比值即为减加速度a比值的倒数，因此可计算出

x₁/x₂＝a₂/a₁＝13.72/2.85＝4.81

上述式中x₁为自由滑动状态下车辆停止距离，x₂为抱死情况下车辆停止距离，a₁为自由滑动状态下车辆减加速度，a₂为抱死情况下车辆减加速度，由此可知自由滑动状态下车辆停止距离约为抱死状态下滑动距离的4.81倍，也就是说，通过本申请提供的紧急强制制动装置，使得赛车抱死的滑行距离达到自由滑行距离的五倍左右，因此在赛场上大大提高了赛车的安全性能。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种基于FSC赛车的紧急强制制动装置，包括立柱和赛车的棘轮，其特征在于：还包括固定支架，其固定在立柱侧壁；

前述的固定支架包括U型架，U型架的封闭端端面与地面垂直布设，在U型架朝向外部的水平臂上垂直固定连接面，连接面朝向地面的一侧固设电磁铁，在U型架的封闭端端面上安装转动轴，转动轴的中轴线与地面平行；

还包括棘爪，其包括转动部分，转动部分套设在转动轴上，转动部分的一端向外延伸形成尖头，转动部分的另一端连接平板，平板的表面与电磁铁相对布设；

棘爪的转动部分一侧与U型架的封闭端端面相邻，其另一侧设有扭转弹簧，扭转弹簧同样套设在转动轴上；

前述的扭转弹簧包括螺旋状端部和延伸部分，螺旋状端部套设在转动轴上，其延伸部分向平板方向延伸，且延伸部分与平板表面紧贴；

还包括安装在赛车上的棘轮，当棘爪在转动轴上进行旋转时，棘爪的尖头可插入棘轮的轮齿内。

2.根据权利要求1所述的基于FSC赛车的紧急强制制动装置，其特征在于：还包括端盖，在端盖中心位置开设通孔，通孔套设在转动轴端部，在端盖内部对称安装两个耳片；

在固定支架的转动轴端部开设两个对称设置的长形槽，长形槽与耳片一一对应，当端盖套设在转动轴端部时，耳片紧贴对应长形槽。

3.根据权利要求1所述的基于FSC赛车的紧急强制制动装置，其特征在于：电磁铁与赛车的低压电路连通。

4.根据权利要求1至权利要求3任一所述的基于FSC赛车的紧急强制制动装置的制动方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：装配，将固定支架通过螺栓固定在赛车立柱侧壁，棘爪的转动部分、扭转弹簧的螺栓状端部顺次套设在固定支架的旋转轴上，在旋转轴的端部套设端盖，扭转弹簧在嵌入端盖内部时，在转动轴上进行旋转，形成预置张紧力，电磁铁通过螺栓安装在固定支架的连接面朝向地面的一侧，棘爪平板的表面与电磁铁相对布设，同时扭转弹簧的延伸部分与棘爪的平板表面紧贴，将电磁铁与赛车的低压电路连通，

第二步：实施，在正常行驶过程中，低压电路启动，电磁铁通电将棘爪的平板紧紧吸附，此时棘爪的尖头未与棘轮的齿轮接触；当需要紧急强制制动时，断开赛车的低压电路，电磁铁断电后失效，此时棘爪的平板脱离电磁铁，由于扭转弹簧的延伸部分紧贴平板表面，此时棘爪的平板在自身重力以及扭转弹簧的作用下，棘爪发生旋转，棘爪的尖头卡进棘轮的齿轮内，此时车轮抱死，实现对赛车车轮的强制制动。

5.根据权利要求4所述的基于FSC赛车的紧急强制制动装置的制动方法，其特征在于：扭转弹簧在转动轴上进行旋转的角度范围为21.7°-35.3°，当扭转弹簧位于赛车左轮时，扭转弹簧的扭转方向矢量应指向车外侧，当扭转弹簧位于赛车右轮时，扭转弹簧的扭转方向矢量应指向车内侧。

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