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毕业设计（论文）开题报告 学生姓名 系部 汽车与交通工程学 院 专业、班级 车辆工程 导教师姓名 职称 教授 从事 专业 车辆工程 是否外聘 是 否 题目名称 节油车车架优化设计 一、 课题研究 现状 ,选题的 目的、 依据和意义 1、节油车车架的研究现状 油车简介 节能、环保、低碳已逐渐成为当今在能源领域的主题。汽车领域的节能技术对节约能源也至关重要。以节能为主题的节油车竞赛在国内外开展的也越来越多。 本田（ 科 研工业（中国）投资有限公司 曾 主办 过 以 “ 挑战一升、环保一生 ” 为口号的 节能竞技大赛积累的技术和经验，以所具备的专业知识及理论，将符合“节能减排”要求的创意融进节能竞技大赛，通过调研、方案对比、优化，最终设计出合理、有效的“节能”参赛车的设计方案，为制作新型“节能车”提供依据。去年我校（黑龙江工程学院）的汽车与交通工程学院的师生们携自主研制的节能车到上海参加了比赛，并在比赛中获得佳绩，其他高校也展示了各自的成果。 由日本本田公司举办的节能竞技大赛从 1981 年开始，至今已成功举办了 27 届，曾有人以参加本田节能大赛的参赛车 (简称节能车 )为基础，在比赛规则范围内，对影响车辆燃油消耗的相关因素进行了研究，并通过发动机台架试验、道路试验及软件模拟，对发动机部件及车辆结构进行改进，对比改进前后的燃油消耗量，得出降低燃油消耗的一些可行性方案。以此为基础，把试验结果运用到节能车的研发中，比赛结果证明取得了显著效果。改进方案中包括了压缩比的改进，供给系统的改进，发动机散热片的改进，发动机其他部件的改进等。 除了发动机部件改进对整车油耗有重要影响外，节能车的结构设计及装配质量对油耗也有一定影响。如车架及车身外型设计是否满足强度和空气动力学要求 ，转向及制动是否操控灵活，轮胎的选型及传动比选择是否合理，发动机装配位置及安装姿态是否恰当等。结合以上因素，先用软件对节能车进行建模，并通过计算机模拟分析得到最优设计方案，按照此方案制造出节能车实车，通过大量道路试验，再对车辆整体结构及细节进行对比改进，再与改进后的发动机进行匹配，达到了降低油耗的目的。 目前的很多节能赛车根据人机工程学的要求，对车手的体型和坐姿定下整车的初步控制尺寸进行各项数据的测量，并在 建模，确立车架的宽度长度、车身高度等。车身设计成流线型，车身度尽量低矮，一般可以取发动机 竖直放置时的最高点，这个高度车当手躺下时的视野一般是可以保证的。底盘高度要保证有尽量大的离地间隙，同时又不能使得重心太高，以免高速转弯时翻车。轮距轴距不必考虑太多。轮距轴距的计算、前后载荷分配等是为了保证有足够的地面附着力。 架设计要考虑的因素、优化设计的关键和几种优化分析 车架的很多尺寸都来源于其他部分的设计。车架的作用主要是连接其他组件，并保证安装的稳定性。所以设计车架要了解转向、车身和后轴，思考怎么将他们可靠地定位。设计节油车车架要先了解钢材和焊接，怎么对各种钢材加工，并把车架搭出来。有些节 能车采用第 23 号钢（含碳量 料焊接而成，分别采用了车架 20 20 1， 20 20 2 焊接矩形钢管、 20 20 2 角钢。车架采用边梁形式，中间主要承载部份以金型材搭建，前桥以及后桥等受力较大部分由焊接矩形钢管以及 2020 2 角钢搭建，前悬以及发动机支架等非大承载部位由 20 20 2 角钢搭建。 在整车质量中，车架是轻量化设计的主要对象之一，故车架的轻量化程度对于节能车的节能成效来讲固然有重要意义。而车架的轻量化程度还不得不考虑其刚度，强度等性能指标。因此，需在保证足够刚度和强度的前提下，采用较优的结 构、材料使车架质量达到最轻。完成车架优化设计的关键是建立合理的力学模型、优化参数模型、有限元模型、优化数学模型，并且熟悉 数化设计。 架的结构优化分析 车架是汽车主要的承载部件 ,汽车大部分部件如 :动力总成、驾驶室、货厢和车桥等都与车架直接相连。因此车架就必须具有足够的刚度和强度以保证有承受冲击载荷和承受各种工况的能力。目前节油赛车的车架结构主要有两种类型：上浮式和下沉式。最后取两种性能均较好的一种作为车架结构。对于上浮式和下沉式两种车架，主要由于横梁的数量和布置不同，带来了刚度和强度 上的差异。 （ 1）建立有限元模型 在 建立车架模型时 ,略去对整体强度影响较小的孔及其他工艺特征，上浮式车架由左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成，纵梁和横梁是由薄壁型钢冲压而成，再通过焊接和铆接形成整体。有限元单元选用 2 节点梁单元 单元可以有效地模拟细长或中等厚度的梁及其线性弯曲变形和应力水平分析，且计算速度快，单元每个节点均有 6 个自由度，即 x、 y、 z 向平动自由度和绕 x、 y、 z 轴的转动自由度。梁与梁之间进行节点耦合，车轮和车架是刚性连接，无需用弹簧单元来模拟悬架。对于车架材 料的选择，通常是采用 16。但是基于本项目是要达到节能的效果，在同样强度下无需大的壁厚，因此选用的是 强度钢材。 （ 2）载荷及约束的处理 汽车在行驶过程中要承受各种载荷的作用，在建立车架的有限元模型时就必须对载荷进行适当的处理，以便施加在相应的节点或单元上。由于是行驶于良好路面，无需急转弯掉头和急刹车。也不可能经受外界的猛烈撞击，故可将车架主要承受的载荷简化为只受驾驶员和发动机的重力 ,将它们作为集中载荷加载到相应的节点上，其他质量较小的部件可以忽略。由于赛道是环形沥青路面，路况比较良好，没有 诸如台阶或凹坑之类的路况。可以将其约束情况按弯曲工况和弯扭工况分别处理。 （ 3） 结构分析计算 在此计算过程中，将两种结构的车架材料均取外廓尺寸为 40 0 厚 1 矩形截面钢，在弯扭工况下进行有限元分析。听过分析可以看出，用同样材料、截面尺寸的上浮式和下沉式车架，下沉式车架结构的刚度和强度比较好。且结构更为简单，质量更轻。 架的轻量化分析 轻量化设计可从材料上入手 ,如采用碳纤维或铝合金等轻质材料来替代传统的钢 ,但成本偏高 ,且制作上存在难度 (铝合金不易焊接 ),所以从车架梁的截 面形状和面积来入手显得更为实际 设计提供有力的理论依据。 （ 1） 有限元模型及载荷处理 这部分的有限元模型建立方法和载荷处理方法与结构优化中完全相同。 （ 2） 截面分析计算 车架各梁之间的几何位置关系由上述结构选型时确定 车架结构的薄壁梁截面特性 (包括截面形状、截面尺寸大小 )是可以很方便地进行调换的，当车架所用梁的截面类型不同时，计算得出的车架强度和刚度也不同，通过比较，就可以选出在刚度与强度水平相一致的情况下 ，质量最轻的梁渊即截面面积最小。 架的模态分析 固有频率和振动向量是进行车架动态结构设计中必不可少的参数。因此有必要对车架进行固有特性的模态分析，因为结构较低阶固有频率及相应振型对动态特性的影响最大，故在研究结构的响应时，往往只需要了解前几阶的固有频率和振动特性，需要考虑的是低阶频率应避开发动机的的怠速运转频率，以免发生共振。 2、车架优化设计的目的 对节油车的车架进行 优化设计的目的从狭义上 讲：当代大学生可以理论联系实际，将所学用于所用，激发创新意识，深化专业技能，了解汽车某领域的发展步伐， 使得工科类的大学生有一种责任感和使命感，为将来的节油车产品创造出大批设计人才；同时对节油车的车架进行优化设计更会是对我个人的一次历练，对个人的发展同时也起到一定的奠定作用。通过设计节油车不仅可以把课堂所学的理论知识和实际操作挂钩，还可以更多地体会设计创作带来的乐趣，充分发挥个人创作才能。 对节油车的车架进行 优化设计的目的从广义上 讲：目前国际国家能源紧缩，节油车的问世具有一定的可行性和现实意义。目前这种国际国内的以这种竞赛为导向的节油车优化设计必然会对将来经济型汽车的问世起到一定的奠定作用。而通过车架结构优化 设计，对车架进行轻量化设计又能有效的减少车重，从而降低油耗。 3、车架优化设计的意义 经济意义体现在 ：随着我国经济全球化的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加大，从目前来看，国际油价和工业原材料的价格也是在不断攀升，我国经济在能源领域比较棘手。我国的汽车保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以节能减排是中国汽车产业需要考虑的关键，也值得国家重视。车架的轻量化能够减少整车质量，从而能使汽车达到节能减排的目的，节油了能源和资本，从而具有一定的现实意义和经济意义。 社会意义体现在 ：自从工业革命以来，世 界工业发展飞速，能源开采量逐年增高，汽车工业发展尤为迅速，汽车保有量也呈递增趋势。有限的能源如何能用的更长久是值得人类和社会反思的意见事情，节油车型的普及功在当代，利在千秋。而通过这种节油车竞赛恰恰就能为节油车产品的问世提供有效的依据，使得能源的利用率提高，为人类社会的顺延提供了有效保证。车架的优化设计是使得汽车能够节能减排的主要手段之一，因此车架的优化设计的社会意义重大。 二、设计（论文） 的基本内容 、 拟解决的主要问题 1、研究的 基本 内容 （ 1）进行设计赛车总体布局设计； （ 2）进行车架结构设计； （ 3）进行车架结构有限元优化设计与分析； （ 4）进行车架结构模态分析。 （ 5）绘制设计总图和上述部分的结构装配图、零件图。 2、拟解决的主要问题 通过用最少量的某种材料来设计节油车的车架，使得其在各种工况下的强度、刚度满足必备的要求。 三、技术路线（研究方法） 四、进度安排 1 周：领取题目，资料收集，调研； 2 周：继续调研，整理开题报告，制定完成方案和路线； 3 周：开题答辩，设计任务总体方案，草图设计； 4 周：总体设计方案，草图的审核与修订和 计算； 5：包括底盘，副车架，专用装置的设计、计算与校核； 11：总图设计和部件图的修订，整理设计计算说明书； 13 周：整理、修订、审核； 14 周：预答辩； 15 周：修订； 16：答辩 . 分析题目，收集资料 借鉴以往经验，确定设计方案 油车总体布局设计 节油车车架结构设计 用 件对其进行优化 对车架进行结构模态分析 完成装配图、零件图 完成设计说明书 、 参考文献 1刘惟信 . 汽车设计 M清华大学出版社 ,2001. 2卞学良 M机械工业出版社， 2008. 3余志生 . 汽车理论 M机械工业出版社 ,2000. 4陈家瑞 . 汽车构造 M机械工业出版社， 2005. 5王国权 ，龚国庆 M机械工业出版社， 6王霄峰 M. 北京 :清华大学出版社， 2010. 7 王桂姣 ,周建美 . 节能车车架选型和轻量化设计 J. 汽车科技 , 2008, (5). 8 杜海珍 ,荣见华 . 汽车车架结构的拓扑优化设计 J. 机械设计与研究 , 2007, 23 (1). 9 王新彦 . 基于 越野赛车车架模态分析 J. 拖拉机与农用运输车 , 2009, 36 (4). 10 周建美 ,王桂姣 . 基于有限元分 析的节能车车架轻量化设计 J. 天津汽车 , 2008, (9). 11 夏晓坤 ,颜伏伍 ,杜常清等 . 降低节能车燃油消耗量的研究 (1) J. 摩托车技术 , 2008, (10) . 12 夏晓坤 ,颜伏伍 ,杜常清等 . 降低节能车燃油消耗量的研究 (2) J. 摩托车技术 , 2008, (11) . 13黄天泽，黄金陵汽车车身结构与设计，北京：机械工业出版社， 1992 10. 14冯国胜，客车车身结构的有限元分析，机械工程学报， 1999. 15安立新，有限元计算在车架设计中的应用， 1996 年优秀论文选 . 16马迅，盛勇生，车架的有限元分析及优化， 2004国用户论文集， 2004. 17张宝生，李杰，林明芳，汽车优化设计理论与方法第 l 版，北京：机械工业出版社， 2000. 18张丽华， 客车车架的设计与分析，辽宁汽车， 1996. 19张铁山，胡建立，唐云， 术在汽车车架设计中的应用， 200l， (3). 20宋云，陈全世，王霄峰，轻型电动客车车身 车架的有限元结构分析及试验研究 J，汽车技术，1997， (10). 21冯国 胜，汽车车架动特性分析及应用汽车技术， 1994 年第 8 期 . 22张朝晖， 构分析及实例解析，第一版，北京：机械 T 业出版社， 2005. 23刘涛，杨风鹏，精通 一版，北京：清华大学出版社， 2002. 24冯国胜，贾素梅，轻型车有限元分析及应朋 J，机械强度， 1996， (6). 25管迪华模态分析技术，第 1 版北京：清华大学出版社， 2000. 26郭一，顾卿， 架有限元模态分析，上海汽车， 1997 27辛中东，毕坤，王常清，农用运输车车架 的模态仿真分析，拖拉机与农用运输车， 1999， (1)， 17 20. 28郭立新，车架结构优化设计， 1990 年优秀论文选 . 29张宝生，李杰，林明芳，汽车优化设计理论与方法，第 1 版，北京：机械工业出版社， 2000. 30李杰，赵旗，洪哲浩，车架纵梁、横梁截面几何特性的计算，专用汽车， 1996 2. 3100l. 32_to 25， ， 2001. 330l 25， 2001. 六、备注 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 I 摘 要 面对国际国内能源的减缩，节能减排已经成为汽车业所面临的主题。节能环保具有现实意义和深远意义。车架是汽车的重要组成部分，承受车上装置和来自地面的交变作用力，需要满足一定的刚度和强度。由 司发起的节能竞技大赛将会促进更加节能减排的汽车的问世。汽车节能可以通过很多渠道做到，本设计主要从车辆的轻量化角度出发，通过减少车架质量，从而在满足车架刚度的强度的条件下来进一步减少节油车整车质量。本设计对整车做了整体总布置，确定了重心的位置。而且通过 软件设计出了三个不同结构的模型，然后将三 个车架模型转换成工程图。最后通过 件多车架进行进一步的有限元分析，其中包括静力结构分析，模态分析，和基于实际情况的有限元优化设计。由于车架结构的复杂性，通过有限元软件不但可以减少繁重的计算量，而且可以有效提高计算精度。通过静力结构可以更为直观的反映出车架受的最大应力和变形，同时便于三种车架比较。通过模态分析可以看出车架的动态特性，看其是否在发动机怠速状态下与发动机发生共振，应该避免共振。车架优化设计原则上是以梁段横截面的高、宽和壁厚为设计变量（ ,以总应力和位移为状态变量（ 以车架总重量 为目标函数的设计过程。但基于实际，本优化设计是在选出最好的车架模型的基础之上通过加减不同的梁，变换在不同处的梁截面，从而达到对车架优化的目的，进一步实现整车的轻量化而使得节能车更节能、更环保。 关键词 ：节能车；车架；轻量化；三维建模；静力分析；模态分析；优化设计 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 of in or in an in is by be We my is to to By we My do s be in of I At to by by of s by is we By we of of is By we if at We by in as V, by as V, by as on I of so we It in of be 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要 I 1 章 绪论 1 油车的研究背景 1 能竞技大赛的规则简介 2 能赛车的节能技术简介 3 能赛车的车架简介 4 能赛车车架的研究的目的和意义 6 节油车车架研究的基本内容及技术路线 7 第 2 章 车架结构设计与总体布局 8 油车车架选用材料 8 油车车架结构设计 8 油车总体布局 8 油车整体质心位置的确定 10 章小结 14 第 3 章 基于 的模型的构建 15 软件简介 15 架三维模型的构建 15 油车车架方案一模型 16 油车车架方案二模型 20 油车车架方案三模型 23 章小结 26 第 4 章 有限元分析与优化设计 27 限元分析的简介 27 限元法及分析过程简介 27 件简介 30 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 于对该车车架分析的软件预设置 32 和 口的创建 32 置内存与选求解器 34 油车车架的结构静力分析 38 数的定义 38 格的划分 38 加约束和载荷 39 架的结构静力分析 44 架静力分析的对比及阶段性结论 50 于实际的节油车车架优化设计 50 化设计的基本概念 50 于实际的车架结构的优化设计 51 架优化设计的阶段性结论 53 架的模态分析 53 限元模态分析简介 53 化后车架的模态分析 53 化后车架模态分析的结论 57 章小结 57 结论 58 参考文献 59 致谢 61 附录 63 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 1 第 1章 绪 论 油车的研究背景 节能与环保是当今世界的重要课题。汽车工业也面临了创新、优化产品类型的新挑战，以适应广大民众和社会的需求。其实，汽车的从无到有，由简单到复杂，由追求的目标的单一化发展到追求速度、舒适性等方面的多元化，一直在升级换代。百年间，在节约能源上有很大进展。整车轻量化，降低轮胎的滚动阻力，降低空气阻力，变速器多挡及无挡化，代用燃料的使用等思想就恰恰是人们对汽车 在节能领域的总结和探索。 上个世纪八十年代的世界性课题之一就是“节能”，本田技研钻研节能课题的成果之一，就是推出了油耗仅为 160 的新经济性车型 为纪念这一车型的推出而举办了节能车竞技大赛。第一届大赛在铃鹿赛道上举行，比赛分为第一组合第二组两类。第一组的参赛车辆为搭载了本田 50程引擎的市售二轮车，参赛选手为16 岁以上的有驾驶执照者，是使用一定量的燃料比赛行驶多长的距离的竞技。另外，第二组的参赛的车辆为搭载一台 50程发动机的原创车型，参赛选手为 18 岁以上有驾驶执照者，是在 规定的路程中以平均 25km/h 以上的时速行驶后比较油耗的竞技。 随着大赛举办次数的增多，油耗竞技的运动性和靠自己的智慧、技术制作车辆并不断改良的魅力使之越推越广，凭参赛者自己的双手扩大了影响，使大赛不断成长至今。 21 世纪节约能源、节省资源之外，环保工作也是刻不容缓。但是另一方面，能够随时去到自己想的地方去这种对车辆灵便性的要求也越来越高。要解决这一矛盾，除了投入科学技术之外，还需要使用者掌握经济智慧的使用方法。 以“挑战一升，环保一生 ”为口号的 能竞技大赛， 2007 年正式登陆中国，参赛车辆统一搭载 了由 司提供的单缸四冲程发动机，车身和底盘等靠自己设计。比赛时用一定量的油在跑道内行驶，换算成一升油能在跑道上行驶多少千米，油耗少，则胜出。比赛旨在让更多的人体会到“低油耗就是环保”。 国节能竞技大赛是以搭载 程的发动机为基础装置，分为两个组别，分别是市售车级别和节能车级别。其中节能车级别又分为学生组别、 联企业组别和普通组别。现在学生组别一般由高校老师带领，学生动手动脑的积极参与。去年去我校 黑龙江工程学院在 2010 年的 国节能竞技大赛上取得了黑龙江工程学 院本科生毕业设计 2 很好 的成绩。 凡参赛的车辆必须符合大赛的规则，车手在规定的时间内行驶玩规定的路程，然后测量油耗。凡违反大赛规则的队伍将被取消参赛资格。具体比赛的进行流程在本说明书就不在赘述。下面就赛车规则予以简单的介绍。 要求参赛车辆必须为 3 轮以上（包括 3 轮），要求其结构无论是停止还是行驶时都为三轮以上（包括三轮）结构且能够站立。全高要求在 以下，轴距要求在 长要求在 以下，轮距要求在 以上，全宽要求在 以下，排气管要求不能超出车身后面以及侧面 10 厘米以上 ，刹车配线等结构需要从车内穿过，以免与地面接触造成摩擦。 在安全性上，为提高安全性，车身结构必须保证行驶时车手的头盔前轮车轴的后方，另外，发生冲撞时车身结构需避免头部直接受到撞击。在驾驶姿势的状态下，车身结构要确保车手的脚不会伸出车架的前方，车辆底板不能与地面接触，保证车手的全身完全完全与地面脱离。车手的臀部与地面保持 60 厘米以上的距离且脚步有安放的位置除外。另外发生撞击时车身结构需避免身体直接受到撞击。 所有的参赛车辆必须将主办方分发的号码牌。参赛号码粘贴在车身两侧及车辆前端清楚可见的位置，共三处。号码牌 周围 25 厘米范围内不得粘贴于比赛无关的内容，号码牌丢失将无法评定成绩。 发动机以 供的四冲程 125动机为基础，可自由改造，但要保证汽缸盖、曲轴箱、曲轴使用下发的发动机的零部件，且排气量在 125下，为自然吸气式。赛车至少要配备两套的独立的制动系统。并且每套系统都要有操作杆，需保证车手能够独自完成安全有效的刹车。此外，制动钳、制动垫等的固定安装也要充分考虑其安全性。制动操作杆必须固定在车身上。 所有车辆必须配备车手能以正常驾驶姿势启动发动机的位置。但禁止靠起动机装置的动力前进。启动装置只有 在断开离合器时才能启动。另外，在没有制动的情况下，启动发动机的的车子不允许前行。车辆搭载的蓄电池必须是普通市售的产品。前方所有的 车辆需保证车手以正常驾驶姿势行驶时正前方的事业左右宽度至少 90 度，而且保证不使用反射镜、棱镜、潜望镜等直接可视高为 80 厘米的物体。所有参赛车辆为确保后方视野，必须在左右各装备一个带框的后视镜。单个后视镜的镜面面积必须在 40平方厘米以上。 参赛者在比赛时必须使用主办方供给的专用燃油和带编号的燃油瓶，在比赛期间领取的燃油瓶若发生损坏，应该予以赔偿。 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 3 油赛车的节能技术简介 为能提高 节油车的节能特性，可考虑一下几个方面： 1、传动系统 输出功率固定为 2 速挡，可省略变速器，减轻发动机本身的质量。不过，上述情况下若要车辆能够行驶并发挥最高车速，则需通过安装在车轮上的链轮齿轮比来决定。使用自行车用自由轮毂（棘轮齿轮），可以减少车轮旋转阻力，并且可防止发动机停止时发动机制动造成的减速和燃油消耗。因为要反复切换发动机驱动、惯性行驶，就必须对链条防松装置中的弹簧等加以调整，防止在使用驱动力时链条脱落。 2、点火系统 火花塞通过采用双火花塞的形式，可以使稀薄燃烧时燃烧室内的燃烧稳定且充分，并 且能缩短燃烧时间，减少爆震。采用双火花塞时，要把握燃烧室的形状，防止添加的火花塞互相干扰。另外，进行加工时，最好事先准备好半旧的汽缸盖等供加工联系用。点火系的电气部分可借用能使 2 根火花塞同时点火的摩托车用部件。去掉交流发电机、飞轮部分以提高机械效率，使用蓄电池向火花塞提供电力，火花塞使用高压白金 V 火花塞。 3、汽缸 对汽缸盖上汽缸接触面进行磨削及研磨，同时，通过使用薄汽缸垫能提高压缩比；通过优化化油器到吸气口之间的进气支管的长度，可提高惯性吸气的填充效果；通过将排气管直管化并调节其长度，可提高惯性排气量；切 削气门挺杆减轻重量，并对气门和连杆的表面进行研磨以降低转动惯性，同时防止附着过多的润滑油；发动机油为比赛期间的消耗品，可采用自然落下式，卸下既有的润滑系统以减轻重量；通过研磨吸气、排气口内部，减低供气排气摩擦阻力；由于发动机的驱动时间较少，为保温可去掉冷却风扇，这样也可减轻重量；吸气部的各个接合部位提高气密性可以使用填隙料等密封。 4、化油器 要延长全开驾驶时间，可变更化油器的主喷嘴、怠速喷嘴的直径，同时根据行驶基准线测定最佳调整值（以 整备信息为基础调整）。另外，天气会使最佳值发生变化， 所以在比赛之前将各种天气情况下的设定值整理成数据库，会比较方便。 5、车架 为减轻底盘的重量，可以吧发动机当做车架的一部分。一般来说车架也可使用方钢材加固定螺栓的结构，但为了减轻重量减少体积，建议使用空心圆钢焊接而成的结构。另外，在需要强度的地方，可以加入支撑件。加强筋等增加强度；座位部为了支黑龙江工程学 院本科生毕业设计 4 撑车手的体重需要进行必要加固，还要安装靠背使车手能经住长时间驾驶，靠背还可兼做发动机的隔板；板材可以通过开适度的孔等方法以减轻重量。 6、转向系统 为确保视野，车手的驾驶姿势以及视野要求会使车轮的设置位置受到很大限制，所以应先确定车手的驾驶姿态；根据连杆臂的长度和转向横拉杆的长度，决定方向盘舵角和实际舵角之比、内轮差。另外，有整流罩时，还需考虑转向时车轮和整流罩的互相干扰问题；关于前轮系统的定位，请在搭载了发动机、车手就坐时车身弯曲的情况下，调整到最佳角度，并注意阻力的减轻。特别是前轮前束和外倾角最好趋于 0；转向臂的上部由于承受车辆荷重，在保持高强度的同时，可以在里面加入推力轴承，增加转向的顺滑性；轮胎对方向盘造成反冲，可以通过固定转向臂安装部位上下来调整，也可防止行驶时过度转向。 7、车轮和轮胎 建议使用速度竞技的自行 车的车轮和轮胎；在正式比赛时要将车轮轴承内的润滑脂用清洁器清除，减少滚动阻力；为减少轮辐造成的空气阻力，最好使用板轮，使用辐条轮时，表面用聚乙烯板盖住比较有效；在一小曲率半径过弯时轮胎要承受与普通自行车不同的横向力，为了此时保证车轮不爆胎，所以车轮和轮胎的接合，要是用更强的粘着剂；为减少接地面积降低滚动阻力，轮胎内压要比普通竞技自行车胎压高；轮胎为单支撑时，可以借用速度竞技用轮椅的轮毂。 油赛车车架简介 若车身的骨架车架制作完成，再加上发动机、车轮、转向装置、座席、整流罩，赛车即制作完成。制作车架时，需 要便考虑发动机的安装、驱动装置的调整、车轴的支撑方式，转向装置的行驶等。 下图显示了汽车用车架的类型，但最近的轿车厂使用这些车架的复合型甚至无骨架结构。竞技节能大赛车辆必须更轻便、同时能支撑发动机和车手的重量。在其中焊接管道或型钢，组成车架最有利。但这需要焊接设备和技术做支撑。 在车架的类型中，最常用的是平板式和脊骨式，自己动手制作时需要注意转向装置的型式，确定车手的驾驶姿势。另外，安装整流罩时，要考虑车手的上下车方式和装卸方式，车架要支撑车手、发动机的重量，请事先考虑驾车时的变形量后，决定各个部位的安装角 度。 车架使用木材构建时工作等会非常容易，但强度和刚度都不足，此时，使用带板钢作为补强材料会更有效。 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 5 图 代汽车车架类型图 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 6 在节油车车架的结构上，曾经有人将车架抽象成两种模型，他们分别是上浮式和下沉式。本设计的方案三就参考了所谓下称式车架的结构。下图为前人的总结的两种车架形式（上浮式和下沉式）。 图 浮式车架 4 图 沉式车架 4 油赛车车架研究的目的和意义 1、车架优化设计的目的 对节油车 的车架进行优化设计的目的从狭义上讲：当代大学生可以理论联系实际，将所学用于所用，激发创新意识，深化专业技能，了解汽车某领域的发展步伐，使得工科类的大学生有一种责任感和使命感，为将来的节油车产品创造出大批设计人才；同时对节油车的车架进行优化设计更会是对我个人的一次历练，对个人的发展同时也起到一定的奠定作用。通过设计节油车不仅可以把课堂所学的理论知识和实际操作挂钩，还可以更多地体会设计创作带来的乐趣，充分发挥个人创作才能。 对节油车的车架进行优化设计的目的从广义上讲：目前国际国家能源紧缩，节油车的问世具有一定的 可行性和现实意义。目前这种国际国内的以这种竞赛为导向的节油车优化设计必然会对将来经济型汽车的问世起到一定的奠定作用。而通过车架结构优化设计，对车架进行轻量化设计又能有效的减少车重，从而降低油耗。 2、车架优化设计的意义 经济意义体现在：随着我国经济全球化的不断加快，我国对国际能源及原材料市场的依赖程度不断加大，从目前来看，国际油价和工业原材料的价格也是在不断攀升，我国经济在能源领域比较棘手。我国的汽车保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以节能减排是中国汽车产业需要考虑的关键，也值得国家重视。车架的轻量化能够减 少整车质量，从而能使汽车达到节能减排的目的，节油了能源和资本，从而具有一定的现实意义和经济意义。 社会意义体现在：自从工业革命以来，世界工业发展飞速，能源开采量逐年增高，汽车工业发展尤为迅速，汽车保有量也呈递增趋势。有限的能源如何能用的更长久是值得人类和社会反思的意见事情，节油车型的普及功在当代，利在千秋。而通过这种黑龙江工程学 院本科生毕业设计 7 节油车竞赛恰恰就能为节油车产品的问世提供有效的依据，使得能源的利用率提高，为人类社会的顺延提供了有效保证。车架的优化设计是使得汽车能够节能减排的主要手段之一，因此车架的优化设计的社会意义重大。 1、设计主要内容及分析、校核： （ 1） 进行设计赛车总体布局设计； （ 2） 进行车架结构设计； （ 3） 进行车架结构有限元优化设计与分析； （ 4） 进行车架结构模态分析。 绘制设计总图和上述部分的结构装配图、零件图。 2、技术路线 分析题目，收集资料 借鉴以往经验，确定设计方案 油车总体布局设计 节油车车架结构设计 用 件对其进行优化 对车架进行结构模态分析 完成装配图、零件图 完成设计说明书 龙江工程学 院本科生毕业设计 8 第 2章 车结构设计与总体布局 油车车架选用材料 节油车车架所选用的材料是 6061 铝合金。 6061 铝合金的主要合金元素是镁和硅，并形成 。有时还添加少量的铜和锌，以提高合金的强度，而又不使其抗腐蚀性明显下降；导电材料中还有少量的铜，以抵消钛及铁对导电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织；为了能改善可切削性能，可加入铅与铋。在 溶于铝中，使合金有人工时效硬化功能。6061 铝合金中的主要合金元素为镁和硅，具有中等强度、；良好的抗腐蚀性、可焊接性，氧化效果较好。美铝 6061 6 系合金的主要合金，是经热处理预拉伸工艺的高品质铝合金产品；美铝 6061 具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、上色容易、氧 化效果极佳等优良特点。 主要用途：广泛应用于要求有一定强度和抗腐蚀性高的各种工业结构件，如制造卡车。塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆。 油车车架的结构设计 根据人机工程学，确定了人的腿的长度的精确范围，从而确定了置脚横梁到前桥横梁的纵向距离；根据驾驶员的前脚掌的活动范围确定了置脚横梁到钱保险杠的纵向长度；根据驾驶员与臀部座椅的接触范围，确定了车架前桥横梁到座椅横梁前端的纵向距离；根据驾驶员的上身的长度 (以及根据驾驶员驾驶姿势的修正 )可以确定座椅各梁在纵向的相对长度；根据驾驶员横向的宽度可以确定座椅的梁的横 向宽度；根据发动机的极限高度确定座椅立梁的极限高度；根据发动机长宽高的尺寸确定了车架座椅后纵梁距离发动机固定横梁的距离；根据发动机打孔位置来确定支撑发动机的两个固定横梁的相对位置；根据发动机的高度来确定高架辅助纵梁的最低极限位置；根据选用车轮的直径的大小和节能车大赛规定的最小离地间隙来确定后桥纵梁距离车架最下端的相对高度；根据车轮半径确定车架后桥纵梁的长度；根据驾驶员的极限视野（水平方向或竖直方向）来确定前桥上横梁相对车架最下端的高度。 油车的总体布局 现在市面上的汽车的车轮数一般都大于 3，但是为了简化 结构，提高传动效率，黑龙江工程学 院本科生毕业设计 9 进一步减少车重，减少车速器等装置 5。发动机的驱动齿轮直接通过链条和驱动车轮(后轮 )上的从动齿轮相连并进行动力传递，所以本设计所设计的三个车架都是仅适用于前两轮后一轮的节油车型。 根据人机工程学的要求，对车手的体型和坐姿定下整车的初步初步控制尺寸进行各项数据的测量，并在 中建模，确立了车架的宽度长度、车身高度等。车架的宽度一般能满足车手乘坐要求，并能安装排线（刹车线、油门线、电线），车身安装即可，尽量取小。这样，在保证车架用料少的同时，也利于车身设计的流线型。车身高度尽量低矮， 一般可以取发动机竖直放置时的最高点，这个高度车手躺下时的视野一般是可以保证的。底盘高度要保证有尽量大的离地间隙，同时又不能使重心过高，以免高速转弯时翻车。轮距轴距不及考虑太多，但要满足大赛要求，轴距轮距的计算、前后载荷分配等是为了保证有足够的地面附着力。我们节能车驱动力还没有能大到可以超过地面附着力的程度。所以只要保证不干涉即可（驱动力的大小取决于发动机的改造，当发动机输出的转矩过大时才要考虑此因素）。三个车架的总布置尺寸： 1、方案一 总长 2997高 1057 架最宽 907距 1861距 800，采用后置发动机后轮驱动。转向操作方法为握把手动式，最大转向角 20 度，驾驶员采用半躺坐姿驾驶，视线角度上下为 90 度，左右为 120 度，接近角为 8 度。驾驶员选用体型较小的 40、身高在 1550右的女驾驶员。（图 图 案一主、侧视图 2、方案二 总长 2997高 1057车架最宽 907 轴距 1861，轮距 800，采用后置发动机后轮驱动。转向操作方法为握把手动式，最大转向角 20 度，驾驶员采用半躺坐姿驾驶，视线角度上下为 90 度，左右为 120 度，接近角为 8 度。驾驶员选黑龙江工程学 院本科生毕业设计 10 用体型较小的 40、身高在 1550右的女驾驶员。（图 图 案二主、侧视图 3、方案三 总长 2710高 1057 架最宽 907距 1880轮距 800，采用后置发动机后轮驱动。转向操作方法为握把手动式，最大转向角 20 度，驾驶员采用半躺坐姿驾驶，视线角度上下为 90 度，左右为 120 度，接近角为 8 度。驾驶员选用体型较小的 40、身高在 1550右的女驾驶员。（图 图 案三主、侧视图 油车车架整体质心位置的确定 本设计需要对节油车的静态稳定性进行计算。节油车的静态稳定性分析，首先应该计算出整车的质心位置 6。当总体布置完毕后既可以对该车的质心位置进行计算。 计算时刻用计算方法来确定专用车各总成的质量及其质心位置坐标，然后按照力黑龙江工程学 院本科生毕业设计 11 矩平衡方程式，求出整车的质心位置。计算公式如下： ( ( ( (式中：第 i 个总成的质量， 第 i 个总成的质心到前轴中心的水平距离， m； 第 i 个总成的质心距地面的距离， m； 第 i 总成的质心距该车纵向对称面的距离， m； 整车质心距离地面的高度， m； a 整车质心距前轴中心的水平距离， m； b 整车质心距后轴中心的水平距离， m； c 整车质心距该个纵向对称面的距离， m； L 轴距， m。 1、方案一的质心求解过程 533.6 21 龙江工程学 院本科生毕业设计 12 案一主视图 图 案一左视图 2、方案二的质心求解过程 图 案二主视图 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 13 图 案二左视图 61 、方案三的质心求解过程 图 案三主视图 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 14 图 方案三左视图 51 61 8 8 0章小结 本章先对三种不同结构的车架分别做了总体布置，确定了车的总长、总宽、轴距、轮距、接近角，以及对驾驶员的要 求和前方视角等，然后又对三种不同布置的节油车进一步确定质心的位置。通过分析比较可以初步看出方案二车架质量最轻，重心高度最低， c 值最小。进而可知方案二行驶的稳定性相对较好，车架成本相对较低。 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 15 第 3章 基于 的模型的构建 软件简介 1985 年， 司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。 1988 年， 生了。经过 10 余年的发展， 经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了 系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还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。 提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就 特点及主要模块进行简单的介绍。 主要特性 全相关性： 所有模块都是全相关的。这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： 用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这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。 装配管理： 基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如 “ 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。 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 16 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，这种形式使得容易使用 7。 维模型的构建 利用 软件构建三个车架的模型，主要应用了拉伸操作、构建基准面等基本操作。 油车车架方案一模型 1、建模流程如下： （ 1）方案一手绘三维图。 图 案一手绘草图 （ 2）用 建模，用多步拉伸命令，创建车架底板模型。 图 架一模型创建过程截图 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 17 （ 3）用 建模，用多步拉伸命令，进一步创建车架前桥和前板斜拉梁。 图 架一模型创建过程截图 （ 4） 用 建模，用多步拉伸命令，进一步创建车架靠椅梁及后桥立梁。 图 架一模型创建过程截图 （ 5）车架方案一建模完成。 图 架一模型创建过程截图 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 18 2、车架模型特点 为了有效加强驾驶员后部、后桥前部这一部分纵梁的刚度，在上部增加了辅助纵梁，但为了使发动机便于布置，需要使得该辅助纵梁和主纵梁的高度大于 450为了便于施加约束和载荷，前桥和发动机固定座的相应位置出制作出了薄凸台。）以下是反映该模型特点的截图： （ 1）车架前底版拉伸出薄凸台。 图 便加载建模过程截图 （ 2）斜拉下的前底板面创建凸台。 图 便加载建模过程截图 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 19 （ 3）座椅下底板面创建凸台。 图 便加载建模过程截图 （ 4）前桥制造为方便施加约束的凸台。 图 便加约束建模过程截图 （ 5）固定发动机的位置制造凸台。 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 20 图 便加载建模过程截图 油车车架方案二模型 1、建模流程如下： （ 1）方案二手绘三维图。 图 案二手绘草图 黑龙江工程学 院本科生毕业设计 21 （ 2）用 建模，用多步拉伸命令，构建模型过程截图。 图 架二模型创建过程截图 （ 3）车架方案