FSAE方程式赛车车架设计

黑龙江工程学院本科生毕业设计在已经是为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事，其目的是设计、制造一辆小型的高性能方程式赛车，并使用这辆自行设计和制造的赛车参加比赛。出于此项比赛的宗旨是让学生针对业余高速穿障的车手开发制造一个原型车，该原行车应该具备有可小批量生产的能力，并且原型车的造价要低于25,000美元。这项竞赛包含有3个最主要的基本元素，分别是：工程设计、成本控制以及静态评估,单独的动态性能测试,高性能的耐久性测试在在美国、欧洲和澳大利亚每年都会举办了促进民族汽车工业的发展，中国于2010年开始举办此赛事。本次设计正因此而展开，本次设计主要是从车架的结构入手，为了让车架达到比赛所用赛车的刚度和强度进行设计和分析，本设计对整车做了总体布置，确定重心的位置。然后将自己设计出的三个不同结构的车架运用后将三个车架导入过比较得到优化结果，将优化的车架进行模态分析。由于车架看是简单实际上是比较复杂的，通过且缩短了设计的周期。通过本次优化设计使中国时通过比赛可以通过很多数据为民族汽车工业能提供很多重要的数据，进一步使民族汽车的更安全和实用。关键词：车架；结构；静态分析；模态分析；优化设计黑龙江工程学院本科生毕业设计980 in in is of an is to to of a 5,000 a AE a of in AE In to 010 to is to is of in to s of a of of by of is a to is to by is to be a of by 摘要第1章绪论究的目的和意义究的背景车车架国内外的研究现状要设计内容及技术路线3第2章赛车车架的设计架的概述架的结构形式车车架的介绍架的设计架的结构设计料的选择车质心的确定与受力分析章小结17第3章车架三维模型的建立软件的介绍架方案一的模型建立架方案二的模型建立架方案三的模型建立章小结25第4章车架有限元分析格的划分与施加载荷约束架结构静力分析车架进行优化设计优化后的车架进行侧翻安全分析优化后的车架进行碰撞模拟分析优化后的车架进行模态分析章小结47结论48参考文献49致谢50黑龙江工程学院本科生毕业设计3第1章 绪 究的目的和意义(1)通过此次毕业设计能为填补学校在这方面的空白之处，也能为学校组建2）通过专业综合训练，综合运用汽车设计课程和其他相关的理论与实际知识，掌握汽车设计的一般规律，学习正确的设计思想，培养分析和解决实际问题能力。（3）通过汽车设计专业综合训练，使自己掌握运用标准，手册和查阅相关资料的能力，培养专业的设计能力。（4）让自己学会从工程一线的角度出发，合理选择各总成的结构类型，制定设计方案，正确的分析，计算，校核，并考虑制造工艺，经济，使用，维修等问题，培养汽车设计的能力。（5）汽车作为交通工具之一，已经成为人们生活不可缺失的生活工具，在经济高速发展的今天，汽车工业也得到了很好的发展。所以生产出结构轻、性能好、质量高、安全可靠的汽车非常重要的意义。（6）通过此次研究为车的安全性、动力性等有着至关重要的联系，在生活中的汽车很多的性能数据都是通过各种各样的赛车比赛中体现出来的。（7）为汽车事业培养出有用的人才。（8）由于中国有2010年才开始举办之中国汽车制造业起步晚于发达国家，所以此次车架的研究设计对中国大学方程式赛车的设计有着突破性的意义。究的背景办。力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。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。现黑龙江工程学院本科生毕业设计4在已经发展成为一个拥有大约20竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车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。对挑战，培养创造性思维和实践能力。出于此项比赛的宗旨，参赛学生们是被一个假象的制造公司雇佣，让他们制造一辆原型车，用于量产前的各项评估。目标市场就是那些会在周末去参加高速穿障比赛（非专业车手。因此，这些赛车在加速、制动、和操控性方面要有非常好的表现。它们要造价低廉、便于维修并且足够可靠。另外，这些赛车的市场竞争力会因为一些附加因素，比如美观、舒适性和零件的兼容性而得到提升。制造公司日产能力要达到4辆，并且原型车的造价要低于25,000美元。对于设计团队来说，挑战在于要在一定的时间和一定的资金限制下，设计和制造出最能满足这些目的的原型车。每一项设计将会与其他的设计一起参与比较和评估从而决出最佳整车。）国外当今有三个地区有美国、欧洲澳洲。70年代中期，几个美国大学开始主办当地的学生设计竞赛赛车。一届且迅速成为一个地区性的年度比赛。比赛由三个评判标准组成，即一天的静态比赛设计、成本、陈述接着一天是各自的性能竞赛2项目。为每个队伍都使用一个8匹马力的引擎，这一点无法改变。在过去的20多年里，就是擎的限制也已经大大放宽，允许参赛车队使用610极大地提升了赛车的性能表现。在发达国家，很多高校已经从事有大量资金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最高时速可达到甚至超过200km/h，0到100km/原先在且该项比赛一直保持了发展的态势。（2）国内上海交通大学机械与动力工程学院于2006 年率先开始致力于海交通大学后又在2008年完成了第二辆赛赛车的设计和制造，并于同年6 月参加了位于美国加州赛，最终获最佳新秀车队奖。湖南大学汽车学院也在国外获得过一定的成绩。这也是到目前位置中国高校在该项赛事中获得的最好成绩。2010年中国也举办了第一届个高校虽然在国内都取得一定的成绩，但是赛车的性能相对国外的比较还差得很远。赛车车架的设计又是赛车非常重要的设计，车架对赛车来说固定各个零部件的同时还得在发生危险的时候保护车手的安全，这些国内还有很多的距离要去追赶。要设计内容及技术路线主要设计内容：（1）研究应用有限元、静态分析以及所有软件基础。（2）车架设计方法以及设计步骤的研究。（3）以收集的资料车架为参考设计出三种不同结构的车架。（4）研究自己设计出来的三种不同结构的车架运用5）运用过分析结果得到优化车架。优化设计后进行模态分析与车架侧翻的安全分析（6）是整车的安装基础，所以对整车的总体布置也是属于研究范围。技术路线：黑龙江工程学院本科生毕业设计6调研并收集黑龙江工程学院本科生毕业设计7第2章 架的概述车架作为汽车的承载基体，为货车、中型及以下的客车、中高级和高级轿车所采用，支承着发动机、离合器、变速器、转向器、非承载式车身和货箱等所用簧上质量的有关机件，承受着传给它的各种力和力矩。为此，车架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身的变形最小；车架也应有足够的强度，以保证其有足够的可靠性与寿命，纵梁等主要零件在使用期内不应有严重的变形和开裂。车架刚度不足会引起振动和噪声，也使汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性及某些机件的可靠性下降。货车车架的最大弯曲挠度通常应小于10车架扭转刚度又不宜过大，否则将使车架和悬架系统的载荷增大并使汽车轮胎的接地性变差，使通过性变坏。通常在使用中其轴间扭角约为1/m。在保证强度、刚度的前提下车架的自身质量应该尽可能减小，以减小车身质量。货车车架质量一般约为整车整备质量的1/10。此外，车架设计时还应考虑车型系列化及改装车等方面的要求。架的结构形式根据纵梁的结构特点，车架可分为以下几种结构型式：1、周边式车架周边式车架用于中级以上的轿车。如图2.1（a）所示，在俯视图上车架的中部宽、两端窄。中部宽度取决于车身门槛梁的内壁宽；前端宽度取决于前轮距及前轮最大转角；后端宽度则有后轮距确定。左右相关纵梁由横梁连接。其最大特点是前后两段纵梁系经所谓的缓冲臂或抗扭盒与中部纵梁焊接相连。前缓冲臂位于车厢前围板下部倾斜踏板前方；后缓冲臂位于后座下方。其结构形状容许缓冲臂有一定的弹性变形，可吸收来自不平路面的冲击和降低车内噪声。此外，车架中部加宽既有利于提高汽车的横向稳定性，又减短了车架纵梁外侧装置件的悬伸长度。在侧视图上，与其他型式的轿车车架类似，在前方车轮处纵梁向上弯曲以让出前后独立悬架或非断开式后桥的运动空间。采用这种车架时车身地板上的传动轴通道所形成的鼓包不大，但门槛较宽，见图2.2（a）。2、（b）所示，这种车架为一些轿车所采用。车架的中部为位于汽车纵向对称平面上的一根矩形断面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成俯视图上的a）周边式车架；（b）c）车车架前端的叉形梁用于支承动力后端则用于安装后桥。传动轴经中部管梁通向后方。中部管梁的扭转刚度大。前后叉形边梁由一些横梁相连，后者还用于加强前、后悬架的支承。管梁部分位于后座乘客的脚下位置且在车宽的中间，因此不妨碍在其黑龙江工程学院本科生毕业设计9两侧的车身地板的降低，但地板中间会有较大的纵向鼓包。门槛的宽度不大，见图2.2（b），虽然从被动安全性考虑，要求门槛有足够的强度和刚度。3、梯形车架梯形车架又称边梁式车架，是由两根相互平行的纵梁和若干根横梁组成。其弯曲刚度较大，而当承受扭矩时，各部分同时产生弯曲和扭转。其优点是便于安装车身、车厢和布置其他总成，易于汽车的改装和变型，因此被广泛的采用在载货汽车、越野汽车、特种车辆和用货车底盘改装的大客车上。在中、轻型客车上也有所采用，轿车则较少采用。用于轿车的梯形车架，见图2.1（c），为了降低地板高度，可局部减小纵梁及横梁的断面高度并相应地加大其宽度，但这使纵梁的制造工艺复杂化且其车身地板仍比采用其他车架时为高，当然地板上的传动轴通道鼓包也就不大了，见图2.2（c）。如果也包括固定车身的支架，则上述三种轿车车架的自身质量差别不大。无论哪一种轿车车架，在前、后桥处均要求有较大的扭转刚度，为此，相关的纵、横梁可采用封闭式断面，这种封闭式断面可由相配的一对且以垂向面为开口的冲压成型的槽型梁相互插入并用电弧焊焊接而成。对于不承受扭矩的车架元件、用于固定动力总成的横梁以及车架两端位于基本横梁以外的纵梁，均采用冲压成型且具有开口的槽型断面。两根相互平行且开口朝内、冲压制成的槽型纵梁及一些冲压制成的开口槽型横梁组合而成。通常，纵梁的上表面沿全长不变或局部降低，而两端的下表面则可根据应力情况，适当地向上收缩。既纵梁中部相当长的范围内具有最大高度和宽度，而两端可根据应力情况相应的缩小。车架宽度多为全长等宽。车架宽度的标准化有利于产品的三化，例如可使车架横梁、前后桥及驾驶室、货箱等进行互换。车架等宽也简化了纵梁的冲压工艺且在纵梁上不会产生附加扭矩。有时根据设计要求需将车架前、后端的宽度做得窄些或宽些，架的长度大致接近整车长度，、如一根脊梁。管梁将动力动轴从其中间通过，故采用这种结构时驱动桥必须是断开式的并与独立悬架相匹配。与其他类型的车架比较，其扭转刚度最大。容许车轮有较大的跳动空间，使汽车有较好的平顺性和通过性。但车架的制造工艺复杂，维修不便，仅用于某些平顺性、通过性要求较高的汽车上。5、综合式车架系综合上述脊梁式和边梁式两种型式而成，时，主减速器与脊黑龙江工程学院本科生毕业设计10梁相固定，该驱动桥应为断开式的且独立悬架相匹配。其实，图2.1（b）所示的该车架可与非断开式驱动桥及非独立悬架相匹配。（a）采用周边式车架时；（b）采用c） 车车架的介绍赛车一般分为两类：1、单体式（架是由复合材料一体成形的壳体，质轻而坚硬，尺寸也非常精确，然性能优异但是造价高昂，在国内也非常难找到能制造高温真空碳纤件的工厂，故暂时未被国内车队采用。2、空间衍架结构（种十分传统也是在业余比赛中最为常见的车架。它十分受欢迎的原因是设计制造都很简单便宜。制造它所需要的工具仅仅是锯子、量具和焊枪。相对于单体式车身它的另一个优势在于发生碰撞后可以很容易的检修。优点：高强度，轻量化，易于车身造型，安装一步到位，精度容易保证缺点：制造加工困难，造价高昂，结构强度难控制，基本没有容错性。限制条件：经费有限，加工厂家少，最终效果难以保证空间车架：有车队采用混合结构，即坐舱部分为单体式，而前后悬和发动机舱用管件搭成。在目前以承受全车载荷，并且是所有部件的安装基础。属于最基本的车架类型。因为体壳车身两种，综合考虑制造、造价和性能因素后选用此种车架结构形式。接或高强度粘接加工而成。优点：加工制造方便，造价低廉，具有较好的容错性，强度较高。缺点：不利于空间布置和车身造型，需要覆盖车身，因而不利于轻量化限制条件：结构设计，架的设计通过各种对国内为车架的借鉴对车架进行设计，通过车架的设计来完成本次设计黑龙江工程学院本科生毕业设计12的初步内容。考车架2同时根据人机工程学，选用95百分位身高的人做参考对车架进行设计，他对车架黑龙江工程学院本科生毕业设计13的前舱尺寸有着非常重要的意义。发动机的外观尺寸参考后对车架进行了总体的布置（车总体布置图总体布置是由发动机前置前驱与发动机后置后驱所选择，最终选用发动机后置后黑龙江工程学院本科生毕业设计14驱的原因有以下几点：（1）如果选用发动机前置前驱使其结构复杂化，总体布置工作较为困难，维修与保养时的接近性变差。（2）选择后置后驱时，驱动可以选择其结构简单化，自然整车的制造成本降低，比赛在制造成本也会得到好的比赛分数。（3）后置后驱的方式改善了赛车驾驶员的视野，让驾驶员更能观察比赛的情况同时做出相应的调整。（4）在特殊赛段有上坡比赛时候后置后驱驱动轮上的附着力增加爬坡能力提高的优点。架的结构设计车架作为自制部件中最重的部分，首先需要考虑的是车内物体的安放空间。车内体积最大的是车手、发动机和传动系统，放置好后就能围绕它们布置管件，勾勒出赛车的轮廓。同时在规则中有很多是专门保证车架乘坐空间和车身强度的，诸如座舱的俯视有效面积、腿部空间、一定坐姿下头部离主环前环连线的距离，以及管件的截面最小尺寸，侧防撞结构，前隔板、前环、主环的支撑结构等等。根据这些多如牛毛的规定调整和细化前面的框架，可以初步满足结构需要。通过设计本次共设计出三种不同结构的车架。方案一（架方案一图黑龙江工程学院本科生毕业设计15特点：（1）此车架长宽高2300）此车架通过边梁式车架衍生而来，底部由直钢管焊接而成。（3）车架主环梯形的设计方案，是主环加工简单。（4）发动机由车架2根纵梁连接，是发动机固定在车架上更简单。方案二（架方案二图特点：（1）车架长宽高2410）车架底座与发动机舱和前环成一定的角度，使整车的重心下降。（3）发动机是通过几根固定拉杆焊机在车架的主环上连接的，相对而言这种结构的车架发动机固定困难，且由于空间的缘故维修起来也比较麻烦。（4）主环顶部采用圆形结构设计，让车架的有一定的流线美观的同时也为赛车侧翻起保护作用。（5）车加的侧面防撞杆通过2跟斜拉杆分别与前环主环焊接而成。方案三（架方案三图特点：（1）车架长宽高2410）车架发动机舱与座位底舱平行，前环与座位底舱成一定角度，是人的重心和发动机重心降低。（3）车架发动机也是通过2根纵梁连接，去掉发动机舱2跟横向拉杆，是发动机舱空间更大。（4）该车架同时也省略了前环与侧防撞杆的连接，使其结构强度降低但降低了车架的质量。料的选择造在几何设计的同时，需要选择合适的车架材料。目前多采用低碳钢及合金钢，铝合金和复合材料也有车队采用。大赛规则对材料的限制，例如铝合金的壁厚须在3选择材料首先要考虑的问题。对材料不仅仅要考虑它的强度和密度，同样重要的是材料的稳定性、加工焊接工艺要求、能否获得、价格等因素。不同部位可以选择不同的材料和管型，以在受力能保证的前提下降低成本。但是整个车架材料和管径不宜过多，这会导致采购的困难，反而增加了成本。如果选用低碳钢就得根据中国2010架钢管直径部件或用途 外径与壁厚主环和前环 隔板防滚架支撑 服极限235了使车架加工方便和降低成本，车质心的确定与受力分析(1)求出整车的质心位置 （2.1） （ （2.3）第g)第车质心质地面的高度x=650 y=300人的坐标：x=600 y=300黑龙江工程学院本科生毕业设计18发动机坐标：x=1180 y=210m 车架 发动机 10493003030055a 897833 L 10493003030055 所以整车质心为x=897 y=267座位用且焊接且最终受力于车架边梁(2)受力分析由于在以分别对加载载荷进行计算：压强公式 座椅对车架横梁的压强： 02931025546550 6 座椅靠背对车架主环横梁压强： 5 发动机对车架纵梁的压强： 40001025700245 6 车架侧翻时主环所受的力计算： 21 F指赛车侧翻时主环所承受的力t当发生侧翻时候有最高车速变为0车速的时间，车的整备质量约为200车的最高速度约为150km/车车速变为龙江工程学院本科生毕业设计19所以 Nt 004121 章小结本章对车架进行了介绍，提供车架的设计参考。对且对赛车车架进行了三种不同结构的设计，还对车架的材料如何选择规定进行了介绍，同时对车架的材料进行了选择，最后对整车的质心进行了确定和受理分析。黑龙江工程学院本科生毕业设计20第3章 ro/始参数化建模软件的研究。1988年，过10余年的发展，前已经发布了包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。成最紧密的产品开发环境。下面就要特性全相关性：就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了而使之成为可能。黑龙江工程学院本科生毕业设计21装配管理：如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，维模型的建立通过运用描，拉伸的功能将三个车架的模型分别建立出来。适用缺省模板，然后选择牛顿毫米秒的单位（择牛毫米秒为单位图建立各种平面完成车架的线型（架一线形的建立图黑龙江工程学院本科生毕业设计23然后运用拉伸扫描的功能完成车架方案一的模型建立（架方案二的模型建立首先新建零件图，不适用缺省模板，然后选择牛顿毫米秒的单位（择牛毫米秒为单位图建立各种平面完成车架的线型（架二线形的建立图黑龙江工程学院本科生毕业设计25然后运用拉伸扫描的功能完成车架方案二的模型建立（架方案三的模型建立首先新建零件图，不适用缺省模板，然后选择牛顿毫米秒的单位（架三线形的建立图黑龙江工程学院本科生毕业设计27然后运用拉伸扫描的功能完成车架方案二的模型建立（章小结本章主要对时运用导入时也可以通过龙江工程学院本科生毕业设计28第4章 借助于高速数字电子计算机解决问题的近似计算方法。它既包括有数学理论，又包括有程序设计技巧。它运用离散的概念使整个问题由整体连续到分段连续；整体解析转化为分段解析，从而使数值法与解析法互相结合，互相渗透，形成一种新的数值计算方法。也就是论把整个求算域离散成为有限个分段(子域)，而每一分段内运用变分法，即利用与原问题中微分方程相等价的变分原理来进行推导，从而恢原问题的微分方程组退化到代数联立方程纸使问题归结为解线性方程组，出此得到数值解答。这种方法首先在固体力学范畴，而后在工程技术各个领域令得到了广泛的应用。众所局知，从数学角度来看，一个工程问题往往可以用一个偏微分方程来描述，但是常常很难求得精确的解析解16。20世纪50年代开始，随着电子计算机的应用，有限元法作为一种数值分析工具，借助于高速电子计算机的配合，使得以前这类难以处理的工程技术问题都可能获得一个近似的计算机解。因此，有限无法引起了工程师和科学家的极大兴趣。现在，它已经被公认是一种有效的数值计算方法，被广泛应用于固体力学、流体力学、热传导以及电磁学等连续介质或场问题这类工程技术领域。在机械设计中，从齿轮、轴、轴承等通用零、部件到机床、汽车、飞机等复杂结构件的应力和变形分析(包括热应力和热变形分析)，采用有限无法计算，都可以获得一个足够精确的近似解来满足工程上的要求。有限元法分析的思想可以追溯到更早一些时候，1943年R将一个原来是连续的整体剖分(离散)成为有限个分段连续单元的组合，并第一次尝试应用三角形单元的分片连续函数来求解扭转问题。50年代，有限元法首先用于飞机设计中，1956年MJ用当时出现的数字计算机，第一次给出了用三角形单元求得复杂平面应力问题的解1960年RW限元”这个名词，有限元法作为种数值分析方法正式出现于工程技术领域。有限元法的第一个黄金时期开始于6年代初，当时，将一个连续体离散化为有限个单元组合体的这种有限元的概念开始在工程界流行，GN变分原理出发来求解微分方程式。1963年JF且证实了它是处理弹性连续介质问题的一种通用方法，此后有限元法才开始巩固其地位。1965年OC就使有限元法得到了更广泛的应用。