车架设计说明书

1 题题 目目 氧传感器演示台设计 专专 业业 车辆工程 班班 级级 0902 宿宿 舍舍 I3 204 201 学学 生生 杨辉宝 张鑫 李峰府 程鹏 刘驹扬 赵崇建 陈怡玲 指导老师指导老师 刘成武 2 目目 录录 1 1 引言引言 3 2 2 车架设计和制造的整体思路 车架设计和制造的整体思路 3 2 12 1 车架的设计思路 车架的设计思路 3 2 22 2 车架的制造思路 车架的制造思路 3 3 3 车架整体设计车架整体设计 3 3 13 1 车架形式的选择 车架形式的选择 4 3 23 2 车架材料的选择 车架材料的选择 4 3 33 3 车架用钢管规则选择 车架用钢管规则选择 4 3 43 4 车架各部分设计 车架各部分设计 5 4 4 车架制车架制 作作 14 4 14 1 车架制作的问题与解决方案 车架制作的问题与解决方案 14 4 24 2 车架焊接顺序 车架焊接顺序 15 4 34 3 车架受力分析及计算 车架受力分析及计算 15 5 5 设计车架的发展趋设计车架的发展趋 势势 17 5 15 1 材料方 材料方 面面 17 3 5 25 2 结构方面 结构方面 17 6 6 课程设计总结课程设计总结 22 1 引言 引言 赛车的车架是支撑赛车其他部件 构成赛车主体的重要部件 该报告就是 叙 述车架从最初设计到最后制成整个过程的 其主要包含四大部分内容 车架外 形 设计 车架模拟力学分析 车架制作以及缓冲结构数据报告 车架外形设计从 车 架的形式选择 材料选择 管件规格选择和各部分详细设计等方面进行了叙述 车架模拟力学分析主要运用 ANSYS 力学分析软件对车架模型进行了计算机模 拟 分析 完成的主要工作有静载分析 翻车情况分析 运动模态分析和车架扭转 刚 度分析 车架制作部分详细阐述车架的焊接步骤 并叙述了在车架焊接中遇到 的 各种问题以及解决方法 由于规则中还明确要求对缓冲结构进行性能试验并给 出 试验数据报告 所以该报告也给出了缓冲结构试验的报告 除了这三部分工作 在本报告的最后还指出了设计中的缺陷并提出改进方案 为今后的设计提供了 重 要经验 2 车架设计和制造的整体思路 车架设计和制造的整体思路 2 1 车架设计思路 车架设计思路 4 如果把一辆赛车比作一个充满活力的运动员的话 车架就是他的骨骼 如 同 骨骼是人的重要组成部分 车架对于赛车来说也是最重要的部分之一 一个运 动 员要想得到好成绩 他的骨骼就必须要轻并且强劲 对于赛车也是如此 一个 轻 而结实的车架能够让赛车的的性能得到很大提高 赛车的车架的作用是支撑赛 车 其他部件 构成赛车主体的 所以车架也应该能够容纳下赛车的所有部件但不 能 有太多空间浪费 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 车车架强度与刚度的条件下车架重量达到最轻 在满足容纳下赛车所有部件的 条 件下车架空间达到最小 2 2 车架制造思路 车架制造思路 车架的整体为钢管焊接而成 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要考虑的问题 根据这个问题 车架制 造 的整体思路确定为通过选用合适的工具和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 车架的重要部分的尺寸满足设计要求 3 车架整体设计 车架整体设计 3 1 车架形式的选择车架形式的选择 根据规则要求 加上查阅部分资料 我们发现车架的选择方案主要有以下 三种 一体式金属车架 一体式复合材料车架和桁架式金属车架 其中桁架式 金属车架是由多根金属钢管通过焊接或铆接形成的具有空间三角结构的框架 其加工工艺简单 不需要特殊加工技术和加工专业设备 并且具有良好的刚度 和强度 加工成本低廉 因此 我们最终选定车架形式为桁架式车架 5 3 2 车架材料的选择车架材料的选择 根据 2012 中国 FSC 大赛规则 后简称 规则 第二章 3 3 1 条规定 车 架最低原材料为合金钢和低碳钢 20 钢力学性能及特点如下 抗拉强度 b MPa 410 42 屈服强度 s MPa 245 25 伸长率 5 25 断面收缩率 5 硬度 未热处理 156HB 试样尺寸 试 样尺寸 25mm 电弧焊和接触焊的焊接性能好 气焊时厚度小 由于规则中对主环和前环的材料进行了相应的规定 而 20 号钢管具有焊接 性能好 价格便宜等优势 所以我组最终决定整车车架材料为 20 号钢管 3 3 车架用钢管规格选择 车架用钢管规格选择 3 3 1 根据规则第二章 3 3 1 条规定 赛车基本结构最小尺寸如下 为便于零件采购 管理和加工 以及减轻车架重量 我组选取钢管规格为 25 0mm 1 5mm 和 25 0mm 2 5mm 的两组尺寸 前隔板支撑规格为前者 后 者为车架其他部分规格 3 3 2 车架发动机安装区域 官方提供的发动机尺寸为 610mm 568mm 519mm 长 宽 高 为保 证发动机可以正常放置 以及考虑到传动系统的布置 发动机安装区域尺寸设 计为长 655 mm 宽 600mm 3 3 3 侧防撞结构设计 根据规则要求 桁架式车架的侧边防撞结构必须有车手两侧各至少 3 个车 架单元构成 当车手普通驾驶姿势乘坐时 侧防撞结构必须有至少 3 根管件位 6 于车手两侧 这三根所需的管件必须由满足规则要求的材料制成 这三根管件 的位置如下 上部的侧防撞管件必须和主环及前环相连接 当一个 77kg 的车手以普通 姿势乘坐时 该管件的位置必须在离地 300mm 至 350mm 之间 上部的车架管 件若是满足该高度 直径和厚度的条件 也可以代替使用 底部侧防撞结构必须和主环底部及前环底部相连接 如果车架底部钢件 车架单元的管件外径和管壁厚度满足要求 也可以代替使用 侧面对角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 面防撞单元 3 4 3 4 车架各部分设计车架各部分设计 3 4 1 底盘外形设计 设置为梯形底盘可有效地降低赛车重心高度 但要保证车手的坐姿所以不 能降低过多 3 4 2 前隔板设计 规则关于前隔板的要求如下 前隔板必须用封闭的管件做成 前隔板必须位于所有不可挤压部件之前 如电池 主缸和液压缸 安装前隔板后 当车手的脚底接触但没有踩踏板时仍能位于隔板 平面 的后面 该 平面 是指由管件的最前端表面所构成的一个平面 可调 节的踏板必须位于最前端的位置 承载结构需要一个合格的 SEF 以便展示此结构与焊接车架在能量耗散 屈服强度和极限弯曲扭转 拉伸强度方面具有相同的表现 根据规则我们可以知道 前隔板应该是位于整个车架的最前端 用于安 装前防撞结构 该车所设计的缓冲结构 蜂窝铝制 的尺寸为 300mm 200mm 150mm 长 宽 高 则要求前隔板的外形至少应该是一个 矩形 其尺寸为 200mm 150mm 以这个数据为基础 前隔板设计成如下图的 形式 7 在该图中 前隔板被设计成倒梯形的样子 该梯形的上底长度为 390mm 下底长度为 310mm 高度为 220mm 设计成倒梯形的原因是为了使车架前部 结构不至于过复杂 3 4 3 前环设计 有关前环的设计要求有 前环必须由封闭的金属管件构成 禁止前环使用复合材料 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 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 前环的最高点必须在任何角度下高于方向盘的最高点 前环于方向盘前的距离不得超过 250 毫米 9 8 英寸 这个距离是沿赛 车的中线 水平的从前环的后部到方向盘放置状态下的最前端量起 侧视图时 前环的任何一个部分与垂直方向所成的角度不得超 20 度 根据规则 我们设计的赛车的前环由尺寸规格为 25mm 2 5mm 的管件制成 为了保证悬架安装管焊接时位置的精度 我们把前环设计成三段结构 由于斜 杆用于保持悬架安装管的尺寸 所以其尺寸与安装形式根据悬架要求进行设计 8 即斜杆尺寸为 222mm 安装时与竖直平面有着 10 的夹角 根据赛车待选的方 向盘的尺寸 我们把圆弧管的半径取为 150mm 综合考虑所有问题 我们设定 前环的高度为 600mm 管件轴线离底盘高度 该赛车的前环的三维造型如下 图所示 3 4 4 前隔板支架与前环支架 3 4 4 1 前隔板支架 经过讨论 我们确定出前隔板与前环底部之间的距离为 790mm 根据这个 数据 我们最后可以得到顶管与底管的实际长度 再考虑到规则的要求 我们 可最终设计出前隔板支撑如下图 9 3 4 4 2 前环支架 根据规则叙述 前环支架应该完全覆盖住车手的腿部 所以该赛车设计的 前环支架如下图所示 其连接了前环与前隔板 我们确定前环支架在前环上的 安装位置为 前环支架与前环的连接点距前环顶端 45mm 又由于悬架系统中 减震器需要安装空间 所以前环支架被设计成 X 的样式 减震器安装所需 的附属结构就焊接在该交叉点上 这样就可以满足减震器的安装空间要求 10 3 4 5 主环 肩带安装管与主环支架 3 4 5 1 主环与肩带安装管 依据规则的要求 该赛车的主环选用一根同前环材料与规格相同的管件 弯曲而成 该赛车主环共有三处弯曲 一处圆弧弯与两处折弯 其中圆弧弯的 半径依旧设定为 150mm 与前环系统中的圆弧弯半径相同 这样可以在加工前 环的圆弧弯后继续加工该圆弧 不用更换模具 可以大大减少加工成本 本赛 车车架主环如前环一样与竖直平面有着 8 的倾斜 不过方向是向车架后部偏移 经过多个方案讨论 我们最终确定主环的高度为 1200mm 这样既可以使主环 满足规则的各种要求 使赛车布置有足够空间 又不会因为主环过高而影响赛 车的各项性能 肩带安装管也是赛车车架中十分重要的一个结构 其对于保护赛手安全有 很大的作用 所以我们选取该管为一直管 其尺寸规格与底盘所选取的相同 经过讨论 我们最终确定肩带安装管的位置 肩带安装管中心线与底盘管中心 线在竖直方向上距离为 600mm 主环与肩带安装管三维造型如下图所示 11 3 4 5 2 主环支架 根据规则 由于主环向车架后部倾斜 所以主环支架设计在主环的后部 为两根直管 为了满足 主环支架和主环接触点必须与主环顶越近越好 并且 与主环最高面距离不超过 160 毫米 的规则要求 我们确定该赛车的主环支 架与主环连接点距主环顶端的距离为 120mm 又因为 主环和主环支架所构成 的角度至少为 30 度 和 支架必须能通过适当的三角结构把这些载荷转移回 主环底部 这两个要求 我们确定主环支架与车架主体的连接点的位置在发动 机安装区的尾部 主环支架最终方案的三维造型如下图所示 12 3 4 6 侧防撞结构设计 根据规则 我们选用的侧防撞结构如下图所示 该结构只由三根管组成 一根是赛车一侧底盘管中座椅安装区的管件 一 根满足离地高度要求的横管和一根连接位于主环前部 前环后部的上部和下部 的侧面防撞单元对角管 我们最终确定横杆的位置 其中心线与底盘管 座椅安 13 装区 轴线在竖直方向上有 230mm 的距离 当横管的位置确定后 整个三管式 侧防撞结构就确定了 下图显示了该赛车侧防撞结构的三维模型 3 4 7 车架其他部分设计 3 4 7 1 发动机安装区设计 车架的发动机安装区的功能为固定与支撑发动机及其附属结构 本赛车的基 本尺寸为 610 568 519 长 宽 高 这个尺寸为发动机安装区的设计的基 础尺寸 安装区至少能够容纳发动机的大小 又由于在此区域还需要布置油箱 水箱及其它附属结构 所以经过多种布置方案的比较 我们最终确定该部分的 尺寸为 一侧底盘管上的发动机安装部分管件长 655mm 与另一侧的间的发动 机安装部分管件平行 轴线距离为 600mm 发动机安装区高度为 330mm 距 底盘管轴线 最终得到的发动机安装区的结构如下图所示 14 3 4 7 2 后悬架安装区设计 后悬架安装区的主要功能是为后悬架系统提供安装基础 所以后悬架安装 区 设计所需的尺寸主要来自于后悬架的设计结果 为了满足后悬架以及差速器的 安装要求 我们设定发动机安装区尾部至车架尾部的距离为 540mm 后悬架安 装 区为悬架系统的安装区域 此部分受到的承受载荷较大 并且没有其他管件进 行 支撑 所以为了保证该部分的刚度 我们在此处加入了几根斜支撑管用来进行 支 撑 下图显示了后悬架安装区的具体设计 15 3 4 7 3 其他斜支撑管的设计 为了保证赛手的胳膊在驾驶时不会伸出车架外 以保护赛手的安全 该赛 车 的车架应该在赛手的肘部位置安装管件 经过在赛车车架上实际的测量之后 我们最终确定出该管件为斜管 其安装位置在前环与主环之间 斜管和前环的 连接点与前悬架上悬臂安装管和前环的连接点相重合 斜管和主环的连接点与 底盘管轴线在竖直方向上的距离为 400mm 下图显示的是斜管的三维模型 16 4 车架制作车架制作 4 14 1 车架制作的问题与解决方案 车架制作的问题与解决方案 车架所选用的材料即为普通的 20 钢 车架的整体结构就是由不同规格的 20 钢钢管组成 20 钢具有良好的焊接性能 焊接工艺简单 通过用普通的手 工电弧焊即可完成焊接任务 故选取的车架的焊接方式为手工电弧焊 钢铁在 热加工后会出现热变形的现象 这将会导致热加工后零件的尺寸出现很大误差 严重影响零件的功能 焊接即是热加工 故车架焊接面临的一大问题就是如何 控制焊接后的车架的热变形 保证车架重要部分尺寸精度 首先 从设备上来保证焊接加工的精度 需购入了一个焊接平台和设计制 造了诸多夹具 整个焊接过程就是把管件用夹具固定在这个平台上来完成 焊 接加工时以平台作为基准面 因为其平面度较好 所以焊接位置尺寸的测量的 精度会比较高 焊接加工的精度也就随之大大提高 由于平台上的各管件有着 夹具的固定 焊接之后管件出现热变形也无法移动 这对于控制车架焊接后热 变形起着极大地作用 其次 一个合理的焊接顺序对于控制热变形与保证重要部分尺寸精度也起 着 重要的作用 所以需最终确定出如下的焊接顺序 最后 对车架进行及时地调整也是十分必要的 为了保证重要部分的尺寸 我们需要边焊边调整 使车架满足设计尺寸要求 当整体车架完成后 还要把 车 架再静置一段时间 当车架内应力释放完毕后 我们再对车架进行最后的调整 这样才能得到符合设计要求的车架 4 24 2 车架焊接顺序 车架焊接顺序 4 2 1 焊接底盘 保证底盘前悬架安装区的尺寸严格满足设计要求 其他 部分基本满足设计要求 4 2 2 焊接前隔板 前隔板支撑 与前环 由于该赛车车架前隔板支撑与 17 前悬架安装管为一体 所以要前悬架安装管有较高的尺寸精度就需要前隔板 前隔板支撑 与前环这三者严格满足设计要求 4 2 3 焊接前环支撑 X 形交叉点的位置要严格按照设计要求 4 2 4 焊接主环 主环部分基本满足设计要求即可 4 2 5 焊接侧防撞结构 侧防撞结构的顶管尺寸需要严格保证按照设计要 求 4 2 6 焊接发动机安装区 尺寸基本满足设计要求即可 4 2 7 焊接主环支撑 尺寸基本满足设计要求即可 4 2 8 焊接后悬架安装区 由于该区与车架主体独立 所以较容易保证精 度 此部分尺寸要严格按设计要求 4 2 9 后悬架安装系统与车架主体进行对接 对接位置要严格按照设计要 求 4 2 9 焊接肩带安装管与车架其余斜支撑管 这些管在车架主体完成后在 主体上直接测量后加工焊接即可 4 2 10 在重点位置焊接加强板 以加强车架的整体刚度 4 34 3 车架受力分析及计算 车架受力分析及计算 图中 Gef Ger为前 后支架所承受的有效载质量 由上装平衡条件 1 计算 可得 Gef 2 2 2 nfednf Ge 2 2 2 nfedde efeer G GGG e Ff Fr为前后轴对车架 的支反力 由车架平衡条件计算可得 F f bnflbGaL e s G 2 18 Fr l b n fGL L 2 e Gs Gs为空车簧载重质量 取Gs 20 m g 3z 0 m 为汽车整备质量 车架纵梁弯矩计算 由受力分析和计算结果 可计算每侧车架纵梁各段的弯矩 2 1 2 S MG XL 0 Xa 2 2 2 Sf MG XLFXa a Xac 22 3 2 sfef MG XLFXaG Xac a cXacd 2 4 2 sfef MG XLFXaGXacd a cdXab 2 5 2 ers MGXabG XabL acdXabln 22 6 2 2 Ser MGXablnLGXablnn ablnXL 式中 X 为截面至车架前端距离 由此可以求得车架纵梁的最大弯矩 max M 5 5 设计车架的发展趋势 设计车架的发展趋势 由于车架的设计相对车的其它零部件而言 车架设计是比较简单 设计时 一般只考虑的结构和强度要求 在满足车架强度要求前提下 设计者都开始追 求车架质量的最小化 车架质量的最小化也成了未来车架发展的趋势 下面就 材料与结构方面来减轻车架质量 5 1 5 1 材料方面材料方面 随着科技的进步 那些以前只用于飞机和军用材料也慢慢的走入民用市场 例 如比钢材的密度小的铝合金 钛合金 特别是高强度钢材的出现大大减轻了车 架重量 在一些只能采用钢材的部位 使用高强度钢板 可以降低钢板厚度 从而减重 车架用的热轧钢板 均可以用高强度钢材 欧美重卡使用的钢材都 是高强度钢 然而国产重卡才逐步的用高强度钢 现在材料科技者除了在传统 的金属合金材料研究外 越来越多人开始去研究非金属材料 为了获得质量更 轻 强度更高的材料 5 2 5 2 结构方面结构方面 19 由于高强度的材料出现 车架的结构方面也变的越来越简单 随着设计水 平 制造工艺的提高 材料性能的提高 单层车架完全可以胜任标准载荷工况 08 北京国际车展 东风 解放 陕汽等国产开始展示车架采用单层结构的重卡 牵引车 采用单层车架也将是车架发展的潮流趋势 有许多不同风格的框架 空间框架 单体 和阶梯是赛车框架的例子 对于 FSAE 的最流行的风格是管状空间框架 空间框架是一连串的管子是连接起来形 成一个结构 连接在一起的必要组成部分 然而 大多数的概念和理论可以应 用 到其他的机箱设计 图 4 刚度 在悬挂设计上保持与当地所有四个轮胎扁平整个车辆的性能远景目标 一 般来说 悬挂系统设计的假设下 该框架是一个刚体 例如 在曲面和脚趾可 能会出现不良变化框架如果缺乏刚性 一个遭受了扭转加载帧图像叠加在下图 undeflected 框架 20 图 5 UM 的罗拉发现 在大多数情况下 机箱 是非常激烈的竞争不会产生足够 的 然而 一些应注意 以确保帧的附着点不屈服时 受到设计载荷 例如 发动机架应作出足够的硬度 以减少失败的可能性 抗扭刚度 扭转刚度是框架抗扭转负荷 4 UM 的罗拉采用有限元分析 了 1996 年的底盘抗扭刚度 作者 简单杆和框架梁单元模型的解表明 大约是 2900 抗扭刚度 每偏转程度牛顿米 的群众 1996 帧约 27 公斤 其中澳门大学 罗拉认为重量超过了为期两天的系列赛需要 然而 一些额外的结构 增加了框架 以增加其安全性 另外 动力传动系统坐骑显 着加强 使汽车能够作为一个驾驶员培训工具服务于几个学期 由于 1996 年框架的演变 刚度重量比不同的设计进行了比较 底盘可极为 严酷的料 加入大量的框架 然而 这可能会降低其他材料的 因为增加的大 众汽车的性能 显然 扭转刚度并非是分析一个底盘刚度只测量 抗弯刚度也可以用来分析框架的设计效率 然而 抗弯刚度不如抗扭刚度 重要 因为由于弯曲变形不会影响轮载 4 由于设计时间在 FSAE 的严重限制 UM 的罗拉的研究小组利用一个扭转分析 以确定不同的框架设计的相对刚度 三角网 三角可以用来增加一帧抗扭刚度 因为三角形是最简单的形式 始终是一个结构 而不是一种机制 显然 这是一个框架结构比将扭转僵硬的 机制 7 因此 应当努力进行三角底盘尽可能 作为一个可视化 是由脚关节连接杆可以帮助收集帧帧设计师在设计中的 定位机制 8 设计人员还可以通过检查评估 看看每个引脚接合节点包含至少 三杆 以补充他们的负荷路径框架 UM 的罗拉选择使用薄壁钢管材 1996 年的框架设计 这需要大量的三角框 架的薄壁管以来 在表现得非常好张力和压缩 但糟糕的弯曲 其中生产的部 件 例如发动机和悬挂大量的力量 被装在三角点的框架 图 6 前 UM 的罗拉帧具有高负荷部件缺乏足够的三角测量 这些组件被装到具有承重 21 其中在一个单节油管焊接的中点标签帧 正如预期的那样 这就像一个简支梁 管弯曲 造成不必要的附加组件的运动 虽然这些设计对于本次比赛的时间工 作 他们总是失败的压裂管或打破了标签 为 1996 年的车 装载组件的高度重 视都是三角点 区转动惯量 对惯性面积的时刻已经对结构刚度的影响较大 因此 越远 的物质从轴的扭转更严厉的框架将在弯曲和扭转 这个概念是通过加入方舱结 构的基本框架 图 7 图 7 显示了三角一方被用来增加 1996 架抗扭刚度的豆荚 这种材料还增加 了侧面碰撞保护 新增的侧箱结构远离尽可能底盘 增加了前部和后部之间悬 架惯性面积时刻中心线 大部分成功 FSAE 的车侧有安全结构豆荚和抗扭刚度增 加 除了使用的侧箱 以增加刚度的底盘 1996 年入境时滚铁环 下管增加帧 的刚性 1997 年 FSAE 的规则规定 从轧辊顶管箍到帧的基础必须是 0 049 墙时 从编造 4130 钢 1 由于这些管比 0 035 壁管更严厉 僵硬的 框架可以大大提高妥善放置滚箍管 朗读荷载路径 在设计过程中 重要的是要考虑如何荷载传递到框架 A 负载路径描述了 通过该部队到帧消散路径 例如 图 8 显示了如何垂直负荷的重量产生的车轮 将穿越直立 推杆 摇臂 线圈 并进入了休克的框架结构 当然 要适当调 查有关部队 为每个组件弗里博迪图 必须绘制 然而 这个概念可以使用可 视化的设计框架应该如何构建 在安全利益 公式 SAE 的规则委员会已写得很具体的规则来保护正面 侧 面的驱动程序和翻车事故的情况 在设计 1996 项 澳罗拉分校研究小组发现 如果 FSAE 的规则 遵循和框 22 架是为刚度优化 无用功碰撞 这是明显的 该车将是最有可能崩溃的情况下 足够了 由于一头部碰撞的可能性 更多的结构被放置在该框架是必要的鼻子 比 1996 年的规则 根据以往经验的基础上 研究小组认为 到了坚实的对象 如抑制或装卸码头 运行车辆 概率很高 因此 相当大的想法是考虑到司机 的脚正面碰撞时的安全 图 8 一 FSAE 的汽车每一个系统必须有包装的框架内 这些组件的位置限制了 管可用路径 通常是有害的底盘刚度 8 例如 司机占有了可用于大幅增加结 构刚度框架部分 暂停 要框架悬空包装一般不会干涉问题 因为大部分都 是外部的组件的框架 但是 它是特别重要的附加组件暂停僵硬的底盘部分正 确的负载分配将通过这些组件通过 8 设计的框架 以便控制臂连接到一个僵硬的底盘部分 有时会非常困难 UM 的罗拉发现改变控制臂之间的支点距离可以帮助优化装载路径 为控制武器 这个距离是可以改变的 因为它不会影响到悬挂几何 因为控制 臂的旋转轴是不会受到影响 然而 减少了