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（全套图纸） .pdf

毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题目题目 大学生方程式赛车设计（整体车架、标准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）安全系统、座椅及附件设计） 2013 年年 5 月月 30 日日 i 方程式赛车整体车架设计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 ii 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 iii formula saea space frame design abstract this 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, engine iv 目目 录录 前 言 . 1 第一章 绪 论 2 1.1 formula sae 概述 2 1.2 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 4 2.1 车架的设计思路 4 2.1.1 车架的功用 4 2.1.2 对赛车车架的要求 . 5 2.1.3 车架形式的确定 . 5 2.2 车架的制造思路 6 2.2.1 车架材料的选择 . 6 2.2.2 车架的焊接方法 . 7 第三章 车架的结构设计 9 3.1 赛车车架材料的技术规范要求 9 3.2 赛车车架整体结构的设计 . 10 3.2.1 车架前环的设计 11 3.2.2 车架主环的设计 11 3.2.3 车架其余结构的设计 12 3.3 赛车驾驶舱的设计 . 14 3.4 赛车各系统及零部件在车架上安装位置的设计 15 3.4.1 悬架系统的安装位置的设计 15 3.4.2 转向系统安装位置的设计 17 3.4.3 传动系统的要求 18 3.5 安全系统的要求. 19 第四章 车架的综合实验 . 21 4.1 车架的计算 21 4.2 车架的应力测定. 22 4.3 车架应力的消除. 22 v 4.4 车架的刚度测定. 22 4.5 可靠性与耐久性台架试验 . 23 4.6 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 . 24 5.1 车架在实际环境下的受力 . 24 5.2 车架力学分析的必要性 . 24 5.3 车架的模拟力学分析 . 25 5.3.1 车架在静载下的受力情况 25 5.3.2 车架在翻车条件下的受力情况 26 5.4 车架的扭转刚度计算 . 27 5.5 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 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.1 标准安全系统的组成 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.1.1 标准安全系统的要求 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.1.2 车手安全带 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2 座椅及头枕的设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2.1 座椅的主要部件设计 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.2.2 车手头枕设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结 论 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 前前 言言 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。 2 第一章第一章 绪绪 论论 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， 3 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。 4 第二章第二章 车架的设计和制造思路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。 5 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 6 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 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 材料 抗拉强度 屈服强度 断后伸长率 断面收缩率 焊接性 4130# 410 245 25% 55% 很好 30# 490 295 21% 50% 一般 45# 600 355 16% 40% 一般 30crmo 930 785 12% 50% 焊后易冷裂 35crmo 985 835 12% 45% 焊接性较差 7 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 8 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。 9 第三章第三章 车架的结构设计车架的结构设计 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 10 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 11 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： 12 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 13 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 14 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。 15 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， 16 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。 前上叉臂 40 17.5 128.95 237.15 2820 10 10 60 28.24 1 0 前下叉臂 40 64 29 14 17.5 338.79 202.94 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。 203 . 2 a b 1280 c o 89. 5 90. 5 0.5 50 94 199. 9 9 7 65. 7 9 0. 4 d ?53 0 ?32 0 72.8 6 17.1 4 29. 3 41. 5 2 ?25 . 4 29 8 430 338. 0 9 219. 7 6 52.7 164.63199.51 104.38 60 56.9 2 56.9 2 30. 7 28 56. 4 7 278. 0 9 56. 4 7 68. 6 5 60. 5 8 71.7 2 图 3- 8 后悬架的安装示意图 17 296.5 172.16 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。 18 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 19 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。 20 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。 21 第四章第四章 车架的综合实验车架的综合实验 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。 22 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”， 23 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。 24 第五章第五章 赛车车架的模拟力学分析和优化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