# FSAE車輛設計簡述

## Table of Contents

[TOC]

## 總體目標
當涉及車輛動態設計時，不同類型的車輛將重視不同的性能參數，並會根據各自的需求進行調整。例如，賽車的設計重點在於提高高速穩定性和操控靈敏度，而家用車則可能更注重乘坐舒適性和燃油效率。就算是賽車也會因賽事不同導致須調整的細節完全不一樣，以下介紹的內容較適用於FSAE賽事之車輛，該賽事有以下特徵:
1. 車速最高會落在90-120km/h
2. 在進行Autocross時平均時速會落在40-50km/h
3. 彎道最小半徑約為3.5m
4. 直線距離不會超過75m
5. 單圈不會超過0.8km，耐久賽約22km
6. 半徑7.625m的穩態轉向越快越好

從上述條件，我們可以推斷出此車輛設計大概方向會是:
1. T-N curve需能讓車輛在75m內加速至90-120km/h
2. 較多低速彎，低速轉向性能比重較高，但須根據賽道layout確定
3. 續航能力要支撐車輛跑完22km

雖然上面寫了這麼多，但是其實做賽車重點就是要讓車更快，車多快算快可以參考各賽事歷年成績，下方是2023與2024年各大fsae賽事的各項成績範圍，皆為1-15名的成績範圍:
<!-- | :--: | :--: |:--:|:--:|:--:| -->
| 2023賽事<img width=100> | <img width=100>Acceleration| <img width=100>Skidpad | <img width=100>Autocross | <img width=100>Endurance |
:-----: | :-----: | :------: | :-----: | :-----:
| FSG | 3.271-3.810 | 4.644-5.098 | 72.520-84.795 | 1396.84-1821.74 |
| FSAE M | 3.645-5.467 | 4.823-5.678 | 46.319-54.344 | 1473.683-2042.080 |
| FSC | 3.8-5.08 | 4.94-5.63 | 72.341-92.162 | 1545.575-2223.652 |

| 2024賽事<img width=100> | <img width=100>Acceleration| <img width=100>Skidpad | <img width=100>Autocross | <img width=100>Endurance |
:-----: | :-----: | :------: | :-----: | :-----:
| FSG | 3.380-3.812 | 4.627-5.072 | 73.490-81.703 | 1620.89-1863.85 |
| FSAE M | 3.642-4.687 | 4.898-5.386 | 46.776-51.657 | 1581.258-1832.578 |
| FSC | N/A | N/A | N/A | N/A |

其中因各賽事的Autocross和Endurance地圖都不相同，僅Acceleration與Skidpad較有橫向對比度，且因配分機制如下:
|項目|分數|
|--|--|
|Acceleration |100|
|Skid Pad |75|
|Autocross |125|
|Efficiency |100 |
|Endurance |275 |
|Total | 675|

可以看到Endurance的分數占比最高，故車輛穩定性為第一優先，次高為Autocross，也就是測試車輛的綜合性能，故在目標設定時應研究目標賽事過去賽道，制定好賽道策略在進行細節設計，不用一昧追求最高速度與Skid Pad等最佳化，但是這兩個項目也能用於大致比較與他隊車輛性能差別，並非能完全忽略。

我們可以從各個系統分別去探討如何如何使車更快，與性能相關的車輛系統主要有:
1. 動力系統
2. 車體
3. 空力系統
4. 懸吊系統
5. 轉向系統
6. 煞車系統
7. 電控系統

這些系統會互相影響，整合需從前期做起，但各組通常無法從設計初期就提供他組需要的設計條件，在接下來各系統介紹時會提及該組須提供那些設計目標給他組。

## 設計流程
一般常採用的工程設計流程為v cycle，如下圖所示:
根據專案細節不同各個塊的內容會有所不同，但大體架構就是這樣，v cycle通常沒有一個嚴格的定義，根據開發團隊架構不同，v cycle的各個塊可以是相對獨立運行也可以是連續進行的，但大多都會由一團隊/小組負責一水平層(目前車隊狀況多為一人負責多層，僅少數層的細項可以分發進行，如執行層)，v cycle不只能在整車層面上運用，也能運用至各系統研發流程，但須注意v cycle僅定義了大致設計流程框架，細項設計仍須自行定義Design flow，以下以整車性能方面研發流程定義:
### 1.車輛性能目標設定:
如[1.總體目標](#1.總體目標)所述，FSAE賽車重點在於系統穩定性與低速賽道綜合性能，系統穩定性部分屬於最基本的設計條件，必須根據賽道環境與車輛預計使用年限等去設定系統架構、零件壽命等，具體定義如下
#### 系統穩定性:
要求:在**賽道環境連續高強度運行**40分鐘不會出現**系統失效**，根據**必要**增加**冗餘設計**

>**賽道環境**:定義是平滑柏油路面，溫度在10-50度，可能有太陽直射，可能有雨。
**連續高強度運行**:定義是根據賽道狀況，通常是縱向加速度-1.5>1 G，橫向加速度-2>2 G循環交替出現。
**要求**:如安全相關系統或是控制相關系統。
**冗餘**:如備用系統。

根據以上要求可以得到，各個系統的必要條件有:
1. 耐溫範圍10-50度，周遭有高溫部件則以該部件溫度計，如電池部分可能達到60-70度
2. 具有防水性能
3. 抗電磁干擾
4. 抗震動，根據安裝部件不同可能會有單震或雙震狀況出現
5. 零件壽命在450小時以上，耗材壽命在45小時以上(計算方式:8小時x20次試車+8小時x5次比賽x2年+50小時冗餘，請注意，該算法未考慮車輛運動，如果需精算建議使用公里數/平均時速算法，結果會較準確)

#### 賽道綜合性能
要求:將速度盡可能推向**物理極限**，可分為**縱向動態性能**與**橫向動態性能**與**動態響應**來看，同時由於**規則規定**與**製造工法**因素，**車輛參數**會被限制在某一範圍

>**物理極限**:定義是完全利用輪胎性能
**縱向動態性能**:定義是車輛在加速與減速的性能，通常衡量指標是g
**橫向動態性能**:定義是車輛承受側向加速度的性能，通常衡量指標是g
**動態響應**:定義是車輛改變工況的能力，衡量指標眾多，主要可以以yaw acceleration或Steering Sensitivity或under steering gradient來衡量
**規則規定**:見[fsae rule][1]
**製造工法**:會直接影響零件重量強度等
**車輛參數**:包含wheelbase、重量等

根據以上要求，可以得到部分車輛參數為

|車輛參數|數值|備註|
|--|--|--|
|wheelbase|1525-1600 mm|越短越好，以轉向響應為主 |
|track width|1100-1300mm|根據前後側向重量轉移量調整|
|wieht without drive|150-250 kg|越輕越好，通常不砸大錢200kg是極限|
|前後重量配比|50:50|較不會為平衡前後正向負載做出過多調整|
|車長 |n/a |越短越好，盡量將物件往重心配置避免轉動慣量過大|

性能指標為
|性能指標|數值|備註|
|--|--|--|
|縱向加速度範圍|-2>1.5| |
|側向加速度範圍|-2>2||
|Steering Sensitivity|0.083g/deg||
|under steering gradient|linear||

以上性能指標僅為初估，詳細定義與原因待寫
具體要採用什麼數值須以各組的能力來定義，例如如果不能取得好的輪胎，加速度就不可能超過1g

### 2.大系統目標設定:
以下為各大系統主要目標

#### 1. 動力系統
- 選擇馬達與調教，使其t-n curve能夠符合賽事項目目標，並確保其可靠度
- 儲能器設計，保證能供馬達發揮其性能且穩定運行
- 傳動設計，優化扭矩輸出
- 降低重量
#### 2. 車體
- 優化扭轉剛度
- 改善布局增進各系統可維護性
- 降低重量
#### 3. 空力系統
- 降低阻力係數
- 合理範圍內增加下壓力
- 確保下壓力作用中心穩定
- 降低重量
#### 4. 懸吊系統
- 改善車輛瞬態響應
- 確保空力作用
- 降低重量
#### 5. 轉向系統
- 改善車輛轉向響應
- 降低重量
#### 6. 煞車系統
- 改善煞車性能
- 降低重量
#### 7. 電控系統
- 確保控制系統正常運行

### 3-8子系統目標設定至大系統組裝與驗證
這部分涉及各組設計細項，暫不展開來講

### 9. 各系統整合與車輛性能驗證
具體驗證方式就根據設定目標時同工況進行即可

## 實務操作
以上即為車輛設計的簡短介紹，詳細細節需洽各組，以下為連結
[1. 車輛動態設計](/Bj7kwreyT2y_n3yQAtciLQ)
[2. 懸吊與轉向系統設計](/ptfGIzGARqW1zneIi7S8Kw)
3. 煞車系統設計
4. 傳動系統設計
5. 控制系統設計
6. 動力電池設計
7. 動力馬達設計
8.

## 最終成果

[1]: https://www.fsaeonline.com/cdsweb/gen/DocumentResources.aspx