毕业设计（论文）大学生方程式赛车整体车架、标准安全系统、座椅及附件设计（）

毕 业 设 计（论 文） 题目 大学生方程式赛车设计（整体车架、标准 安全系统、座椅及附件设计） 2013年 5月 30日方程式赛车整体车架设计摘 要本文依据大学生方程式汽车大赛FSAE赛事技术规则对大学生方程式赛车整体车架、标准安全系统、座椅及附件进行了设计及制作。在车架设计当中不仅需要考虑赛车车架结构合理性以及强度和刚度能否满足要求，同时必须考虑赛车发动机、驾驶员的布置以及赛车各个总成的布置，最终还必须考虑车架的加工制造的可行性。本文在完全满足上述要求的前提下对车架、标准安全系统、座椅及附件进行了设计。在车架设计之初，将方程式汽车大赛的有关规定和评分标准，作为后续车架设计的技术规范要求；为了达到车架结构设计合理性的目的，本设计参考了湖南大学、天津大学以及部分国外大学的车架。进入设计阶段，本设计通过分析比较几种车架的结构形式，决定选择桁架式车架,之后选择车架的材料为4130钢。然后依据技术规范、赛车的整体布置、发动机以及各总成的安装确定车架的具体尺寸，并在UG软件中建立车架的模型。再对车架进行优化设计和受力分析，使各总成能合理的布置在车架上，直至车架结构满足各个方面的要求。本设计还依据赛事规则对标准安全系统、赛车座椅以及附件进行了设计和说明。关键词：FSAE，车架，技术规范，安全系统，发动机IIFORMULA SAEA SPACE FRAME DESIGNABSTRACTThis paper introduces the designing of the FSAE frame, standard secure system, chair and some attachments. This paper is according to the FSAE racing competition technical specifications. When designing the car frame, I not only consider the structure is reasonable or not, but also consider the strength and stiffness are satisfied the requirements or not. At the same time, I must consider car engine, the layout, the racing car driver and arrangement of each assembly. And when I design, I also must consider how to create the frame and some other attachments. At the beginning of design frame, I contesting the relevant provisions and criterion for the frame design provide a standard requirement. In order to make the frame structure designing more reasonable, I referred to the Hunan university, Tianjin university and some foreign universities frame. In the stage of designing, after contrasting the frame structure form, I chose be space frame, then select materials for the frame is 4130. After determined the installation position of suspension, according to specification, the overall layout, the car engine and human body model frame size, I make the frame model in UG. Then, I making the whole structure frame optimization for each system can arrangement in the frame reasonable, until the frame structure satisfies all aspects of the request. After those frame structure basic designed, I start to make stress analysis, optimize and comparative analysis. Then I design and introduce the standard secure system, chair and attachments.KEY WORD: FSAE, frame, technical specifications, secure system, engineIII目 录前 言1第一章 绪 论21.1 Formula SAE 概述21.2 中国大学生方程式赛车简介2第二章 车架的设计和制造思路42.1 车架的设计思路42.1.1 车架的功用42.1.2 对赛车车架的要求52.1.3 车架形式的确定52.2 车架的制造思路62.2.1 车架材料的选择62.2.2 车架的焊接方法7第三章 车架的结构设计93.1 赛车车架材料的技术规范要求93.2 赛车车架整体结构的设计103.2.1 车架前环的设计113.2.2 车架主环的设计113.2.3 车架其余结构的设计123.3 赛车驾驶舱的设计143.4 赛车各系统及零部件在车架上安装位置的设计153.4.1 悬架系统的安装位置的设计153.4.2 转向系统安装位置的设计173.4.3 传动系统的要求183.5 安全系统的要求19第四章 车架的综合实验214.1 车架的计算214.2 车架的应力测定224.3 车架应力的消除224.4 车架的刚度测定224.5 可靠性与耐久性台架试验234.6 可靠性道路试验23第五章 赛车车架的模拟力学分析和优化245.1 车架在实际环境下的受力245.2 车架力学分析的必要性245.3 车架的模拟力学分析255.3.1 车架在静载下的受力情况255.3.2 车架在翻车条件下的受力情况265.4 车架的扭转刚度计算275.5 基于有限元分析方法的碰撞块分析28第六章 标准安全系统、座椅及附件设计296.1 标准安全系统的组成296.1.1 标准安全系统的要求296.1.2 车手安全带306.2 座椅及头枕的设计316.2.1 座椅的主要部件设计326.2.2 车手头枕设计34结 论35参考文献36致 谢371前 言大学生方程式赛车设计是一项具有重要意义的毕业设计。其目的一是重点培养学生的设计、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企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升。此次设计为方程式赛车整体车架和座椅安全附件设计，其主要依据中国大学生方程式大赛规则。众所周知，车架就是一辆赛车的框架结构，整体车架作为赛车的承载基础是赛车的主要承载构件，其功用是支撑发动机、离合器、变速、底盘和车身各主要总成的安装机体，同时承受这些总成的重力以及其传给车架的各种力和力矩。另外车架还应该具有足够的刚度和强度，用以保证车架其具有可靠的寿命和最小的变形量。在满足刚度和强度的前提下，车架还应有较小的尺寸和质量，以降低整车的质量。因此，方程式赛车的车架设计是一项非常重要并且有意义的设计。本设计在参考国内湖南大学、天津大学等高校的赛车以及我校前两代赛车的基础上，对车架进行尺寸确定以后，用三维建模软件UG对车架进行初步建模，之后在小组成员的讨论研究后，最终确定了车架的方案，并对整体车架进行有限元分析和优化设计，使其更好的满足方程式汽车大赛的需要并易于加工制造。之后又对赛车的标准安全系统和座椅附件的设计进行了阐述，使其完全满足大赛有关安全系统的规则。之后绘制了两张工程图纸，以及完成了外文翻译，最终完成了本次毕业设计。第一章 绪 论1.1 Formula SAE 概述Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of Automotive Engineers 简称SAE）主办。SAE 是一个拥有超过60000 名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980 年在美国举办了第一届赛事。比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。 Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发展成为一个拥有大约20个竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车队。Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。Formula SAE 队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。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。1.2 中国大学生方程式赛车简介 中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。 FSAE活动由各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。FSAE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赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。中国大学生方程式赛车目的主要有：1、为中国汽车业培养人才，改进人才培养模式，增强实践经验，全面提升学生的综合能力。2、通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升。河南科技大学是一所具有悠久历史的综合性大学，而车辆工程是学校的老牌专业，这次学校组织车队参赛对学校来说是个提升知名度的有效契机，我们车辆专业将不负众望，为学校建设一流大学做出重要贡献。中国大学生方程式汽车大赛已在上海成功举办过三次，而我们河南科技大学河洛风赛车队也分别于2010年和2011年成功参加了两次比赛。并且两次完赛，一共获得了10项大奖，取得了骄人的成绩。如今，在我校前两代赛车的基础上，我们的毕业设计是要设计是我校河洛风第三代赛车，并顺利参加大赛。28第二章 车架的设计和制造思路2.1 车架的设计思路车架是支撑赛车的骨架，是赛车的重要组成部分之一。赛车要想做得轻巧灵活，其车架起着至关重要的作用。车架的作用是支撑赛车其他部件及总成，构成赛车的主体，因此，赛车必须能够容纳下赛车的所有部件而且还不能有太多的空间浪费。综上所述，车架设计的整体思路是以大赛规则为依据，满足赛车车架强度和刚度的条件下重量达到最轻，满足容纳下赛车各部件及总成的条件下空间达到最小。2.1.1 车架的功用大学生方程式赛车车架作为赛车的承载基本是赛车的主要承载构件，其功用是支撑发动机、离合器、变速器、底盘和车身各主要总成的安装机体，同时承受这些总成的重力以及其传给车架的各种力和力矩，因此，车架应有足够的弯曲强度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在赛车行驶过程中保持不变并使车身变形量保持在较小范围内；车架也应有足够的刚度，以保证其具有足够的可靠性和使用寿命，车架的主要零部件在使用期内不应有严重的变形或者开裂。车架刚度不足会引起赛车整体的震动和较大的噪声，也使汽车轮胎的接地性变差，使赛车的通过性变坏。在保证强度、刚度满足要求的前提下车架的自身质量应尽可能小，以减少整车质量。从被动安全性考虑车架应具有吸收撞击能力的特点。此外，车架设计时，还要考虑大学生方程式赛车技术规范中的要求。从提高整车的横梁稳定性以及较小纵梁侧装置的悬架伸出长度来看，希望尽可能增大车架宽度，从简化制造工艺和避免纵梁宽度转折处引起应力集中而导致车架损坏来看，还要求最好车架前后等宽，但是，考虑到整车的总布置，上述要求往往难以满足，目前，大学生方程式赛车应用最广泛的是单体式车架和空间桁架式车架。赛车车架纵梁承担了车架受力的大部分，而车架横梁将左右纵梁连接起来，构成一个框架，不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还用以支撑赛车上的主要部件。2.1.2 对赛车车架的要求车架应满足大学生方程式赛车技术规范的要求1、车架应具有足够的强度，保证在各种工况下长期使用不致发生严重损坏。2、具有足够的刚度，车架应保证赛车的正常使用，固定在车架上的各个总成和部件的相对位置变化较小，使它们能正常工作。另一方面，当车辆在不平道路上行驶时，为了提高其平顺性和通过能力，要求车架具有一定的柔度，即扭转刚度不宜过高。3、车架质量要轻，在保证强度的前提下应尽量较少车架质量以减低材料消耗，制造成本和提高使用的经济性。4、结构应尽可能简单，便于制造。此外，简单有效地车架能使车架的质量和尺寸尽可能的降低。5、车架要有一定的韧性。2.1.3 车架形式的确定根据规则要求，通过查阅资料，发现车架的形式有很多种方案可供选择：1、一体式金属车架：一体式车架就是车身与车架融合成一体的车架，整个车身的外壳本身就属于车架的一部分。此种方案可以使得到的车架具有较轻的重量。此种车架大多选用钢或铝制成，用焊接或铆接的方法将各组件连接成一个整体。但是各组件一般用高压冲压机冲压而成，这就需要专用的设备、模具还有较大的配套设备与资金投入，所以，这种车架适合大批量生产，不适合单件生产。2、一体复合材料车架：此类车架的结构形式与上面的一体式金属车架相同，只是所选的材料是碳纤维等复合材料。复合材料与钢或铝相比在同等质量下有着更高的强度和刚度。所以此类车架的质量与其他车架相比是最轻的。但是生产这类车架需要专用的加工模具，并且如果车架的设计发生修改的话，模具还需重新再造一个，而且复合材料的车架不易于修理。这种复合材料的价格也十分昂贵，一般只有在不计成本的F1赛车上才用。3、桁架式金属车架：这种车架就是用很多金属管焊接成具有空间三角结构的框架。车上其他零部件全都装在这个框架上，这种车架生产工艺简单，不需要特殊的加工技术与专用的设备，只用焊接或者铆接即可完成车架。这种方式加工成本较低，并且对车架修改或者局部加强十分容易，只需修改金属管的焊接位置或者加焊金属管即可。在同等质量情况下，桁架式车架往往可以得到比承载式车架更大的刚度。参加FSAE的赛车应该从车架强度刚度，加工难易程度，是否需要专用设备与技术，材料与加工成本等各方面进行综合考虑，这样才能使赛车在比赛中有良好的表现。 因为桁架式金属车架具有良好的刚度和强度，加工容易，不用专用的设备与技术，材料与加工成本都十分低廉，所以，本赛车选用桁架式金属车架。2.2 车架的制造思路车架为钢管焊接而成，由于钢材在焊接后会产生较大的热变形，所以如何控制热变形也成了车架制造需要首先考虑的问题。根据这个问题，车架制造的整体思路确定为先选用合适的材料，再设计合适的夹具以及采取合适的焊接工艺来保证车架焊接后的热变形影响最小。2.2.1 车架材料的选择由于车架是金属管焊接而成，为了满足车架的刚度强度轻量化和减小焊接时的热变形，车架材料的选择起着至关重要的作用。表2-1 各种钢材性质比较表材料抗拉强度屈服强度断后伸长率断面收缩率焊接性4130#41024525%55%很好30#49029521%50%一般45#60035516%40%一般30CrMo93078512%50%焊后易冷裂35CrMo98583512%45%焊接性较差钢材是桁架式车架中最常用的材料，它具有较好的力学性能，并且焊接后也能够保持其原有的基本力学性能。钢材是最常用的金属材料之一，具有价格便宜，易于购买，加工简便等优点。在规则当中，基本材料就是钢材。基于钢材的这些优点，我决定选用钢材作为车架的材料。由于钢材的种类很多，我需要在其中选择最适宜的材料。表2-1中给出了几种钢材的性质。从表2-1我们可以看出，待选的几种钢材屈服强度逐渐增加，但是材料的韧性逐渐下降，随之焊接性也变得不好，由于车架为焊接而成，所以材料的焊接性与焊后力学性能成为重要的考虑因素。像表中的45#中碳钢，其材料的焊接性就较为一般，焊后接口区域性能不好。如30CrMo，虽然其强度与刚度较高，但其焊接性能普遍不好，并且焊接复杂，需要采用氩弧焊等专业焊接方式，焊接之后材料容易出现冷冽的状况。基于这些情况，为了保证焊接出来的车架能满足要求，我们选择了焊接性能比较好的4130#作为车架材料，虽然其强度与刚度在待选金属中较低，但其焊接性较好，焊接后性能稳定，价格便宜，易于购买，焊接工艺简单。正是基于这些优点，参加FSAE大赛的赛车车架材料确定为4130#。2.2.2 车架的焊接方法桁架式车架是通过许多钢管焊接而成的，要制造成一个完整的车架，就必须对车架的焊接工艺提出一定的要求。首先，要消除影响车架精度的误差，即测量误差和焊接变形。必须先找到合适的测量基准。基准的选取有助于降低或消除影响车架精度的误差。其次，在车架的焊接过程中，模具和夹具也是非常重要的环节。本设计采用根据车架的结构专门设计夹具的方法来实现车架的定位。先选取一块平整的厚钢板作为基座，然后将车架最底层平面结构搭建出来并固定在基座上，然后再根据车架的具体结构一块一块将其固定并夹紧。最后将所有定位好的钢管通过点焊焊接成一体的车架。由于点焊的焊点很小，几乎不会造成焊接变形而引起的定位失位，所以只要尽可能的保证夹具的夹紧力满足要求，即可完成车架的搭建。最后，在完成车架的搭建之后，复查所有的关键尺寸，如果没有问题，则在每个管件接头位置用点焊方法进行加固，对管件比较多的连接点位置可增加专门的杆件进行加固和支撑。在完成所有加固之后，即可开始对车架的所有接头进行焊接。在焊接顺序上应注意做到左右对称，在焊接中要有意识的减慢焊接速度，在多管接头处焊一段应冷却一段时间继续焊，以减小变形和应力。完成所有接头的焊接后，检查是否有漏焊发生，检查后用氧炔焰对焊点及附近的管件进行加热，以消除焊接应力。在完成车架的焊接之后，就可以进入整车的装配，根据各个部件的安装位置，在车架上点焊安装各种接头、连接件及底座。当所有直接于车架连接的部件都安装上且位置无误之后，拆除所有部件，加固所有增加的连接附件后进行焊接。焊接的注意事项在之前已叙述过。在完成所有的焊接工作之后，涂刷防锈漆和表面漆，最终完成车架的焊接。第三章 车架的结构设计车架设计的出发点是将车手、发动机和悬架连接点安排在它们各自理想的位置上。这些系统决定了车架最基本的结构和形状。空间框架结构的车架制造成本低，方便维护，同时比较适合承受集中载荷。悬架和车架的连接点、摇臂盘、以及其他受力点都尽可能地布置在靠近车架节点地位置，以便减小应力矩和位置误差。车架尽量多地采用承载轴向载荷的部件以便最大程度地增加单位质量所表现出来的强度。大学生方程式赛车的车架是赛车的整体外形框架，它的设计的可以很大程度的决定赛车的外形特征，个性、美化的车架加上车身很容易给人以震撼的感觉，同时也更容易给人以好感。但是，大学生方程式赛车车架的设计同时也必须考虑一定的因素:必须满足驾驶舱以及发动机放置的要求必须满足赛车整体框架以及赛车轴距的要求，必须满足赛车各个系统如悬架系统、传动系统、转向系统、制动系统等的要求，必须满足赛车安全系统等等的要求。3.1 赛车车架材料的技术规范要求根据技术规范要求，大学生方程式赛车车架的基准钢铁材料的最低材料要求。赛车的基本结构必须为如下材料制作：圆形、低碳钢或合金钢管。最小直径如下表3-1。表3-1 基准钢铁材料部件或用途外径*壁厚主环和前环，肩带安装杆25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.5mm侧防撞结构、前隔板、防滚架支撑、车手约束部件安装环25.4mm*1.65mm或25.0mm*1.75mm或25.4mm*1.60mm前隔板支撑25.4mm*1.25mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm备注：使用的合金钢不允许比低碳钢的薄另外，规则中除了主环和主环支架必须用钢材外，其它可以使用替代的管件和材料，但是已被焊接的钛管不能在基本结构中使用，这包括支架和管件之间的连接件或其他部件和管件之间的连接件。替代钢管最小壁厚如下表3-2：表3-2 最小壁厚要求材料和用途最小壁厚主环、前环钢管2.0mm防滚架支撑、前隔板、车手约束连接件1.6mm侧防撞结构和前隔板支撑钢管1.2mm备注1：不允许合金钢管件的壁厚比所用的低碳钢的壁厚更薄。备注2：为了保持相同的屈服强度和极限拉伸强度，必须保持钢材相同的横截面积。根据技术规范要求，以及表3-1、3-2中车架各部分的管件的外径和壁厚，又综合考虑到降低车架重量的要求，本设计采用两种规格的管材，分别是：25.4mm2.4mm和25.4mm1.25mm。3.2 赛车车架整体结构的设计赛车整体结构对赛车车架的设计有很大影响。赛车整体结构的设计必须考虑赛车整体结构的布置：驾驶舱的布置，发动机的布置，水箱油箱的布置，轴距的分配，轮距的大小等。赛车车架主要是由三个防滚架以及必要的支撑包围的结构，如图3-1。赛车防滚架是一组钢管组合件（有可拆卸和不可拆卸两种），使用冷拔无缝碳素钢管弯制而成，安装时一根一根按照车厢内部的轮廓进行连接或焊接的。如果去掉车身外壳，所看见的就是一个由数根钢管搭建的金属笼子。防滚架所用的钢管材质和抗扭曲度是根据车身重量而定的，一般要能够承受两倍以上车身重量的冲击。由于场地赛的路面较平，基本没有落差，相比之下在野外进行的拉力赛和越野赛更容易发生翻车事故，车身损坏就会大一些。因此拉力赛车和越野赛车防滚架的强度（强度和场地赛没分别）更高，管件构造更密集。赛车的防滚架，除了应付意外情况以外，还可以起到增强车身强度和抗扭曲度的作用。因为防滚架的焊接固定均是选取车身底盘比较坚固、承重的位置，比如底盘框架钢梁，以及前后避震器座。对于赛车来说，原装的车厢就好像是一个盒子，在激烈操控的时候很容易发生扭曲变形，而防滚架撑起的骨架比车厢坚固很多，因此即使车辆频繁地颠簸跳跃，来自地面的冲击力都会分散一部分到防滚架上，对车体就起到了很好的保护作用。赛车防滚架既可焊接固定，也可用螺栓固定，或者两种方法混合使用。防滚架安装时，应尽可能靠近车体。车手所坐的区域是最重要的，因此该区域的防滚架搭建也是最重要的。主体防滚护栏、支撑杠（B柱间的主框架）、允许使用的加强支撑杠在与车体连接固定时，必须尽可能选择车体坚固受力的地方，其固定点必须装有一块加固板。在车手身体、头盔可能同防滚架接触的位置必须加设不易燃的柔性防护垫。另外，必须使用冷弯法制作防滚护栏的拐角处，如钢管在弯曲时形成椭圆，则钢管变形的比率必须在0.9以上。有了防滚架，车子遇到撞击、翻滚等严重事故时，即使车身外部惨不忍睹，车内的车手也会安然无恙。3.2.1 车架前环的设计大赛规则有关前环的要求有：1、前环必须由封闭的金属管件构成；2、禁止前环使用复合材料；3、前环必须从车架单元一侧的最低端，向上绕过车架后再连接到另一侧车架的最低端；4、若是采用合适的节点和三角板结构，允许把前环设计成多段组合的管件；5、前环的最高点必须在任何角度下高于方向盘的最高点；6、前环与方向盘前的距离不得超过250mm（9.8英寸）；根据大赛规则，本设计的前环由尺寸规格为25.4mm2.4mm的钢管制成。并且前环由一根钢管弯成。其具体尺寸为：前环总高590mm，弯折处的圆弧半径为200mm。前环平面与水平方向程10度倾角。这样设计的目的就是方便加工制造，并且模具和夹具也好设计。3.2.2 车架主环的设计大赛规则有关主环的要求有：1、主环必须由一根未切割的，连续的，封闭的钢管构成；2、禁止使用铝合金、钛合金或其他复合材料；3、主环必须从车架一侧的最低处向上延伸，越过车架，再到达另一侧的车架最低处；4、从车的侧视图看，主环位于车架主体结构的安装点以上的部分必须在与竖直方向上的倾斜角在10度的范围以内；5、正视图时，主环的垂直构件必须至少远离主环与框架主体结构的接合点380mm。根据规则要求，本设计的主环选用一根同前环材料与规格相同的管件弯折而成。其具体尺寸为：主环中心线总高1050mm，宽660mm，主环有四处弯折，半径均为100mm，弯折处距底边高550mm。主环平面与水平面垂直，没有倾斜角度。在主环中部位置增加一根横杆，用于安装座椅和安全附件。主环这样设计既满足了大赛规则要求，又方便加工制造，并且模具和夹具也容易设计，在焊接车架时也提供一定的方便。3.2.3 车架其余结构的设计图3-1 赛车车架的基本结构发动机如图3-2所示，尺寸为610x587x519mm，为了是赛车整体尺寸降低，采用发动机横置，链传动的形式，因此，赛车车架主环到后轴的距离至少为600mm。当采用链传动时，为了较好的传动，发动机法兰盘的中线到后轴中线的水平距离至少为360mm，由发动机的形式，发动机法兰盘面到发动机横置时的端面的距离为200mm，因此，车架主环到后轴中线的距离至少为600+（360-200）=760mm。由人体工程学，65Kg，165mm的人以自然的驾驶姿势驾驶时，脚尖距离后背最后点的距离大致为1170mm。另外，制动踏板以及制动轮缸的最前端距离脚尖大概有350mm的距离。由于后悬架的上叉臂的张开宽度约为200mm，因此，后轴轴线距离车架最后端的距离至少100mm。因此，车架的长度约为350+1170+760+100=2380mm.宽度方向上，内操纵舱必须能让一个自由垂直的横断面如3-3的模板水平通过，故内操纵舱车架最窄处应至少为420mm。主环底部，至少大于发动机的长度尺寸587mm，考虑到油箱和水箱放置于发动机两侧，故主环应留有约为660mm的宽度。高度方向上，安装悬架位置点，即上下叉臂高度约为210-220mm之间。主环高度最高，由于人体自然驾驶姿势驾驶时坐高约为850mm，而且主环最高点与前环最高点连线至少高于头顶50.8mm，因此，主环高度约为1050mm。 图3-2 发动机模型 图3-3 内驾驶舱检测板 图3-4 驾驶舱检测板3.3 赛车驾驶舱的设计驾驶舱的设计主要使驾驶员有一个相对安全的的环境，同时驾驶舱是驾驶员操纵车辆的地方，驾驶舱太小的话会影响驾驶员的操纵灵活性。如果长时间坐于过小的驾驶舱会对驾驶员的身体有一定程度的损害；驾驶舱过大的话既浪费了材料，又增加了车重。因此，驾驶舱的设计对赛车车架的设计相当重要。驾驶舱的要求至少能让65Kg，165mm人体坐进去。同时大赛规则要求，必须满足一标准版，如图3-3，被水平拖着，并且垂直插入直到它穿过侧边防撞结构的顶部管件的底部。由于主环处最宽，定义了约为65mm左右。而由板的形状，驾驶舱底部可以做成梯形以较少材料，降低车重。故前环与侧防撞最高车管件的焊接处距离主环的水平距离至少为400mm。 内舱为驾驶员操纵制动系统以及传动系统的地方，主要为制动踏板和油门、离合器踏板。人体自然驾驶时脚尖距离后背最后点约为1170mm；有技术规范，车架前环的支架必须延伸到驾驶员前部，因此，前环支架在车架中心线的投影，至少在驾驶员脚的前部。又由图3-4，又考虑到驾驶舱的操作间隙，主环与前环之间的距离至少为700mm，可以大致确定前环与前环支架的距离约为500mm。3.4 赛车各系统及零部件在车架上安装位置的设计车架是赛车的整体框架，赛车的各个系统都在车架上直接或者间接固定，各个系统的布置位置都有一定的要求。一个合格的车架必须满足各个系统直接或者间接的固定要求。3.4.1 悬架系统的安装位置的设计悬架系统是赛车的重要总成之一，它把车架与车轮弹性的连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架的冲击载荷，衰减由此产生的承载系统的震动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证赛车的操纵稳定性，是赛车获得良好的行使能力。悬架系统与车架焊接位置，很大程度的影响了悬架系统的工作性能，悬架系统对车架也有相当精密的我要求。前悬架的安装如图3-5: 图3-5 前悬架的安装示意图前悬架上下叉臂的高度为214mm，前上叉臂的张开宽度为128.95mm，前下叉臂的张开宽度为202.94mm。在车架投影面上，前上叉臂的中线在车轮前轴线前0.87mm处，前下叉臂的中线在车轮前轴线后0.87mm处。车架上放置两个前下悬架的焊点宽度为430mm，而在地面的投影面上，前下叉臂的中线要比前下叉臂的中线长104.38mm。前悬架的上下叉臂如图3-6和3-7所示。因此为满足前悬架的要求，车架上叉臂安装点必须要有高为199.5mm，下部宽为430mm，上部宽度为430+2104.3=638.6mm。 车架前悬架支座的安装应在两根水平的车架管件上，且上部的管件长度不能少于前上叉臂的张开宽度，下部的安装管件长度不能少于前下叉臂的张开宽度。 图3-6 前上叉臂 图3-7 前下叉臂后悬架的安装如图3-8：后悬架上下叉臂的高度为220mm，后上叉臂的张开宽度为172.16mm，后下叉臂的张开宽度与后上叉臂的张开宽度相等，如图3-9。在车架投影面上，后上叉臂的中线在车轮前轴线前0.87mm处，后下叉臂的中线在车轮前轴线后0.87mm处。车架上放置两个后下悬架的焊点宽度为460mm。 图3-8 后悬架的安装示意图 图3-9 后悬架叉臂因此为满足前悬架的要求，车架上上下叉臂支座必须要有高199.5mm。鉴于后上叉臂和后下叉臂的张开宽度相等，为了节约材料，同时减少车的总长，可以将叉臂支座固定于车架上的在竖直平面内的管件上，且此两管件的距离应满足叉臂张开宽度的要求。3.4.2 转向系统安装位置的设计转向系统是用来保持或者改变赛车行驶方向的机构，在赛车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。转向系统在车架上不同的固定位置不仅对转向时驾驶员转向力有影响，而且对转向的灵敏性有影响。方向盘以及转向柱如图3-10所示。大学生方程式赛车技术规范中规定，车架前环与转向盘之间的最近距离不能少于250mm，而且，车架前环在任何方向上都不能低于方向盘。由于齿轮齿条包与方向盘的高度距离为541mm，考虑到齿轮齿条包不能是其他系统的最低点以及其在车架上的安装位置的高度的影响，前环应高于541mm。又由于转向立柱应固定于车架上，考虑到方位上的因素，可以从前环支架上伸出两根管件与转向柱的固定支座相焊接配合。图3-10 转向操纵机构示意图3.4.3 传动系统的要求传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将发动机发出的动力依次经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置一键安装在驱动桥中的主减速器、差速器和半轴，最后传给驱动车轮。传动系统主要实现减速增矩、实现汽车变速和到倒驶、在必要时中断动力传递，同时还应使驱动车轮具有差速作用。为了主加速器，车架尾部的下部必须设计两根横杆或者焊接一个底板，且为了和主加速器包的轴承支撑相配套，两横钢管的距离应为111.5mm。如图3-11。图3-11 主减速器模型图3.5 安全系统的要求安全系统是驾驶员生命安全的一大重要保障。赛车的安全系统存在于赛车的各个方面，但主要分为前防撞结构和侧防撞结构。赛车的车头位置主要为驾驶员的双脚和腿部，为了驾驶员的安全考虑，必须使驾驶员的双脚包裹在赛车框架的主体结构之中，而且，当驾驶员的脚接触制动踏板时，不论从侧面还是前面来看，驾驶员的任意部分都不准伸出或者高于车架之外。同时，在赛车的前隔板之前，必须要有能量吸收装置以防止撞车时损害驾驶员的脚和腿部，为了使能量吸收装置有足够的缓冲作用，必须要求能量吸收装置: 1、沿车架中心轴线方向至少200mm， 2、至少高100mm、宽200mm，而且至少在前隔板前200mm， 3、为了不使能量吸收装置在撞车之后穿破前隔板伤到驾驶员，前隔板必须要有足够的厚度和强度，4、技术规范中要求，能量吸收装置和前隔板必须是直接并且安全的连接在一起，而不是一个非结构性部件，5、同时，为了放屁安心和偏轴线的撞击，能量吸收装置的安装必须为横向和垂直载荷提供一个足够的卸载路径。车架的侧防撞结构主要保护驾驶员的身体不在撞车时受到伤害。因此，1、当驾驶员以普通驾驶姿势乘坐时，侧防撞结构必须有至少三根管件位于驾驶员的两侧，如图3-12， 2、这三根管位置为：上部的侧防撞管件必须和主环以及前环相连接，当一个77Kg的驾驶员以普通姿势乘坐时，该管件的位置必须在离地300mm到350mm之间；底部的侧防撞管件必须和主环和前环相连接；侧面对角侧防撞结构必须连接位于主环前部、前环后部的上部和下部的侧防撞单元。同时，翻车时驾驶员的任何部位都不能接触地面，因此，前环顶端和主环顶端的连线必须高于驾驶员头盔顶端至少50.8mm。图3-12 侧防撞管件的位置图3-13 方程式赛车车架初步设计模型综上，方程式赛车的结构设计初步设计模型如图3-13所示。对于赛车车架的计算、实验、强度和刚度的校核以及赛车车架的优化设计在下面会有详尽叙述，这里就不再赘述。第四章 车架的综合实验 在车架的结构设计完成，确认车架各个部件尺寸无误之后，就可以对车架进行加工和制造了。但是加工制造的车架是否能满足赛车各项目的要求，还需对车架进行一系列的综合实验，例如车架的应力测定、强度及刚度测定、耐久性实验、可靠性道路实验等，这些实验不仅对车架的优化设计有所帮助，而且对车架的加工制造也有影响。4.1 车架的计算大学生方程式赛车车架具有一定的强度和扭转刚度，其车架计算的主要任务是：1、确定赛车满载时在不平度很小的平坦路面上以需要考虑动载荷的足够高的车速行驶时，车架元件的应力。2、确定车架上所有元件中应力最大的元件，以及其危险截面。3、确定各个系统与车架相连接位置的应力是否满足要求。为了不仅评价车架的柔度以及作用在车元件上的应力，而且要弄清变形和应力突变处的危险截面以及它们沿车架长度的变化情况，则应对通过特征点的一系列横向平面处的车架挠度、扭转角和应力进行计算，计算结果最好能用沿车架长度绘制出的挠度、转角和应力图表达出来。为了简化计算，可将车架看作为平面结构，而车架纵、横元件的交接处的交角认为是刚性的且认为车架元件在两结点之间的全长的惯性矩不变，并取为该元件惯性矩的平均值。最简单的车架的计算，是在对称载荷（弯曲）作用下简化为简单元件的应力。在反对称载荷(弯曲)作用下，车架是一个静不定系统，用材料力学教程中的一些方法求解一静不定关系的各个元件的应力和变形时计算十分复杂，工作量很大。然而，如果对系统作某些假设则可使计算简化。由于本设计对车架进行了有限元分析，所以车架的具体计算在此不作详细叙述。4.2 车架的应力测定 对车架的应力测定可以较快的得出其应力分布情况，找出薄弱环节和产生的原因以及改进后的效果。除了进行静弯曲和静扭转的应力测定外，还以整车在道路模拟试验台上、试车场以及在使用条件下进行应力测定。这对车架的设计定型很有指导作用。4.3 车架应力的消除 对于车架这种大型焊接件采用自然时效、回火时效来消除焊接应力收效甚微，必须采用共振时效来消除或者降焊接应力，具体措施如下：用一台振动频率为5090 Hz，激振力可达500900 KN的机械激振器，将车架放在大与车架的平台上，用弹性垫将其支撑牢固，最佳支撑位置在振动的节点上。并将激振器牢固地安装在车架上，其位置应选在振峰附近，而不能装在节点附近，开动激振器，调节频率，当与工作频率一致时，引起共振；通过改变激振器的偏心距来调节激振力，对车架来说应力应控制在50100 N/mm2范围内，一般需要维持共振状态1520min。通常对于较轻的赛车车架，可采用并联或联法放在平台上进行。4.4 车架的刚度测定 包括对车架的弯曲刚度和扭转刚度进行测定，测定车架的弯曲刚度时，是在前后轴处设置刚性支撑并模拟实际负荷情况下加载。测定车架的扭转刚度时，因注意车架在试验台上的紧固情况，以避免试验装置对其刚度产生影响，也要明确试验条件，并测出装置这些有关条件前后即在不同实验条件下的刚度变化情况，车架的扭转刚度，由于整车总布置和机构上的需要，车架纵向元件与横向元件的形状以及连接形式不尽相同，因此，难以利用解析法来较准确的计算车架的扭转刚度。尽管国外对车架扭转刚度的问题，在理论分析上做过不少的尝试，但所提出的计算公式都有一定的局限性，一般只能用作定性比较的计算，最后还是要通过试验来予以定量的确定。所谓“车架的扭转刚度”，通常系统的指前后轴之间那一段车架而言，由于纵向元件不是常截面，而且，横向元件也不是等距布置的相同截面，所以实际上扭转刚度沿车架长度不能保持为常数。4.5 可靠性与耐久性台架试验 包括车架的弯曲疲劳试验和扭转疲劳试验，等副度试验台是较为简单的实验装置，有机械式、液压式和激振式，常用作进行车架的对比试验，程控疲劳试验台能更好的模拟车架在实际使用中的载荷，后者常用于整车状态下的疲劳试验。4.6 可靠性道路试验让满载的赛车行驶于试车场专门路段上来进行车架的弯曲疲劳试验和扭转疲劳试验。随着优化设计、可靠性道路设计与有限元分析等现代设计方法与分析技术的发展以及计算机的运用，在产品设计阶段对车架进行多方案的分析和优选，可使试验费用减到较低程度，但车架设计的最终评价仍要以试验结果为准。第五章 赛车车架的模拟力学分析和优化5.1 车架在实际环境下的受力 车架在实际环境下要面对的4种力：1、负载弯曲，从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量，是由车架承受的，通过轮轴传到地面。而这个压力，主要会集中在轴距的中心点。因此车架底部的纵梁和横梁，一般都要求较强的刚度。2、非水平扭动，当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压力，情况就好像要你将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。3、横向弯曲，所谓横向弯曲，就是汽车在入弯时重量的惯性（即离心力）会使车身产生向弯外甩出的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对的压力将车架横向扭曲。4、水平菱形扭动，因为车辆在行驶时，每个车轮因为路面和行驶情况的不同，每个车轮会承受不同的阻力和牵引力，这可以使车架在水平方向上产生推拉以至变形，这种情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。5.2 车架力学分析的必要性车架的主要作用是与汽车其他总成装配起来组成汽车整体。如悬架、发动机、传动系、座椅、踏板等等。并且车架还承受各个总成部件传来的力，使汽车的各总成良好的工作。所以，车架是汽车的一个主体部分。方程式赛车的车架是一个空间桁架结构，需要较强的力学知识对其进行结构的优化以及校核。由此看出，对FSAE赛车车架进行力学分析对于车架的设计是十分重要且必要的。车架的受力主要来自车手和发动机的重力以及悬架等各总成传过来的地面反作用力。经过之前设计出来的车架模型，可将车架可导入三维分析软件，加载重力并夹持住悬架受力点进行受力分析，找出危险截面。即为对赛车车架的静载分析，是车架力学分析中的一个重点。最后根据分析结果调整管件布局、改变管件或增加管件等以降低最大应力，提高整车安全性。车架的静载分析十分重要，整车的模态计算是不能忽视的。根据模态计算的结构，可以以其为基础强化车体，尽量让车体各阶频率避开地面的输入频率和发动机的正常工作频率。由于车架需要承受一定的扭转应力，所以必须保证车架有足够的扭转刚度，因此还需对车架进行扭转刚度的分析与校核。 5.3 车架的模拟力学分析在本文的分析中，车架先在UG中建模，然后对其进行模拟力学分析。根据车架的受力特点，分别对车架的各个部分进行加载，建立有限元模型，并进行分析。根据所计算出的应力分布图对车架进行调整和强度校核。在以下内容中，主要涉及到车架在静力作用下的变形和应力状态的计算、在赛车翻车时车架各个部分的变形和应力状态的计算、整车的模态计算和扭转刚度的计算。5.3.1 车架在静载下的受力情况根据赛车各个部分的安装情况，车架在静力状态下受到如下的各个力：赛车前部的配重力、车身重力、赛车手的重力、发动机系统的重力、车架自重、赛车后部的配重力等等。这些是主要受力部分。在分析受力的时候，先导入几何模型。然后对模型进行单元设置，然后进行网格划分，网格划分采用自动划分。 划分之后就可以对车架进行加载和约束。根据车架主要承受的力，首先对车架前部构件加载力。在分析中，将前部构件的力均布在车架底端的杆上。由于车身通过车架上的固定点固定在车架上，所以车身的力是通过在车架上选取固定的点施加集中力的。车手的重力是通过座椅的安装位置来确定的。车架的自重力通过施加重力即可。后部件与前部件一样，也是均布力施加。约束是施加在悬架上的，所以施加约束应该将与悬架相连的部位固定。加载和约束施加完之后，就可以进行求解和计算。计算结果分析如下：车架总的变形主要发生在主环和左右侧边防撞杆上边，以及前环和前环支撑杆上，经过分析可以得出，车架的最大位移为0.65915mm，不足一毫米。说明车架的总体结构还是比较稳定的。最大变形发生在主环底部的横梁上，符合受力分析的结果。因为主环底部横梁不仅承受车手的重量，也承受发动机系统的一部分重量。从整个车架的总体变形图来看，由于车架的两端与悬架相连接的部分设定为固定端，所以车架的中部受到的变形比较大，这也符合力学的受力原则。通过受力分析还可以得到车架在受力作用下沿X、Y、Z方向上的位移图，但位移量都不大，故不再详述。车架在静载情况下受力分析时，除了要分析车架的总变形，还要对车架的等效应力云图进行分析。通过对车架的等效应力云图的分析，可以得出，应力集中的部分都发生在各个杆的连接处以及悬架与车架的连接部位。这与力学的分析是一致的。最大应力发生在主环与底部横梁相交接的地方，最大应力为60.663MPa。我们选用的钢材为4130#钢，许用应力强度为410MPa，屈服强度为245MPa，采用安全系数为3，那么最大应力为182MPa。低于屈服强度和许用应力强度，说明车架的强度达到要求。第二幅图可以更清楚的看到最大应力发生的位置。从第三幅图中可以在悬架与车架相接的部分是应力集中的部分，这与我们的力学常识是符合的。通过对车架的剪应力分析可以得出剪应力最大发生在前环和主环之间的横梁交界处，最小剪应力发生在车架后悬架相接的部分。最大剪应力为17.188MPa。小于4130#钢的许用剪应力，满足要求。5.3.2 车架在翻车条件下的受力情况为了检验赛车在出现翻车事故情况下的安全性，必须对赛车在翻车情况下的受力和变形状况进行分析。赛车在翻车的情况下，我们要保证车架的主环和前环不发生变化，在前述分析中所加载的力全部反向加载，悬架也就不存在位移约束，在对车架进行加载受力分析之后，可得如下结果。从分析中可以得出，在固定前环和主环的情况下，车架最大变形发生在车架后部，最大变形量为0.5928mm，不足一毫米，其变形不大，可以说明是此车架是安全的。从分析中还可以看出，车架在X、Y、Z方向上的变形量都十分微小，故在此不再叙述。5.4 车架的扭转刚度计算车架的扭转刚度是车架的一个十分重要的力学性能评估指标，是衡量车架性能的一个重要参数。车架的扭转刚度对车架的优化设计具有重要的指导意义。本设计为在三维制图软件UG中建立车架模型，然后对车架进行力学分析，并计算出车架的扭转刚度。在对车架进行刚度分析时，在后桥左侧纵梁上的竖直投影点施加一个垂直向下的载荷，让车架产生纯扭转变形。计算扭转刚度的公式如下： (5-1)其中，为扭转刚度，为力臂，为施加载荷，为加力点的挠度。对模型施加载荷并进行计算，计算结果如下：从计算结果中可以得出，为290mm，为1000N，挠度为1.066mm，代入计算公式可得车架的扭转刚度为1376.94Nm/，满足车架的扭转刚度要求。图5-1 车架防撞块及其安装5.5 基于有限元分析方法的碰撞块分析根据Formula SAE 规则的要求，参赛赛车在车架最前部安装有蜂窝铝制成的碰撞吸能块。模型如图5-1所示。使用UG高级仿真对碰撞吸能块进行分析，图5-2为吸能块模型。缓冲快上下为钢板，中间为蜂窝铝。外形尺寸为200mm100mm200mm。蜂窝铝的材料为铝合金，取E = 70Gpa ，G = 27Gpa，= 2700kg /，蜂窝结构的六角形边长l = 3.5mm，壁厚t = 0.06mm 。蜂窝结构和钢板都使用固体建模。 图5-2 缓冲块应力元模型 图5-3 缓冲块碰撞吸能形变设定质量M=300kg，7m/s。吸能块的变