先锋号fsae概念赛车ld先锋队

1、9/14/2022作品名称：“先锋号”FSAE概念赛车参赛团队：LD先锋队湖北汽车工业学院团队成员：连昊、李鸣珂、梁兴建所用软件：Solidworks2011、UG8.0、ANSYS13.0、Autodesk Moldflow2010、Keyshot4、会声会影10指导老师： 陈勇参赛方向：工业与工程设计大赛9/14/2022LD先锋队 连 昊李鸣珂梁兴建设计建模整车装配工程分析运动分析模具设计仿真制造模型渲染视频制作文档撰写团队简介团队理念分工合作、团结一致、3D梦想9/14/2022创作背景 来源于一个小小的赛车梦 FSAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的

2、本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。在制造之前，完成整车的设计建模与虚拟装配是首要任务，而且通过工程分析、零件优化与虚拟制造可以提高整车在制造过程中的经济性与效率，使赛车达到较好的轻量化效果与整车性能。 作为业余休闲赛车，在保证一定的价格下如何尽量提升它的整车动力性能、操纵性能、多功能性以及舒适性是这辆赛车在市场中发展的关键。9/14/2022应用前景市场分析国内市场现状： 在中国，关注赛车运动的群体数量非常庞大。国内平均每场赛车运动的观众人数有16.3万人，

3、参与赛车运动的车手人数有220万，收看赛车电视节目和车友俱乐部的赛车爱好者人数也相当可观，和国际上赛车运动的关注度基本持平，这为中国赛车产业的发展提供了巨大的推动力。业余赛车爱好者及其需求： 在我们的调查中发现，国内业余赛车主要以卡丁车为主，卡丁车起源于美国，以其灵巧的车身，精准的操控很快风靡全球，但国内卡丁车大多速度慢动力小，消费者以青少年居多，市场急需一款针对成年人设计的高性能赛车填补空白。 市场定位一、卡丁车场： 卡丁车场单一的赛车类型已经不能满足各个阶层消费人群的需求，我们的“先锋号”赛车丰富了服务种类，将成为卡丁车场新的利益增长点。二、游乐场： 由于生活工作的压力越来越大，近些年，本

4、该是儿童乐园的游乐场游客平均年龄有逐年增长的趋势，我们适时的抓住这一时机，推出业余休闲赛车项目满足其需求。三、个人DIY改装： 我们将这项服务提供给那些追求个性又据有一定经济实力的成功人士，为他们量身打造别具特色的改装产品，由于赛车的局限性，不可能获准上路，所以可将其爱车寄存于各个卡丁车场或车友俱乐部，周末邀三五好友驾着自己改装的爱车驰骋于赛道是一个十分不错的选择。9/14/2022主要优势一、轻量化对重要结构件进行优化，在保证强度要求的同时最大实现整车轻量化。二、空气动力性能鼻锥，前定风翼，后定风翼，导流板，绕流板三、发动机进气迎风双进气口，座椅后侧对称布置，加大进气量的同时，尽量降低风阻系

5、数。四、安全性双安全带、头盔、蜂窝吸能盒、翻车安全性分析五、一车两款通过更改整车部分性能参数与配件达到一车两款的多功能性重速度的疾速先锋与重越野的猎鲨战甲。9/14/2022一、设计建模二、运动仿真三、工程分析四、模具设计五、仿真制造目录9/14/2022设计理念整车概念设计系统机构设计零部件设计3D思维工程理念赛车心零部件建模系统机构装配整车模型装配设计建模9/14/2022车身车架传动系转向系制动系行驶系悬架系发动机总成空气动力学套件建模流程分系统建模9/14/2022各系统建模车架车架采用空间桁架结构，材料为4130钢，钢管有201.2、25.41.6、25.42.4三种型号1.根据总布

6、置要求确定外廓尺寸；2.根据布置要求确定人机；3.根据悬架硬点、转向、制动、发动机悬置等要求确定车架结构；4.车架结构性分析，优化；5.定稿。9/14/2022车身车身材料为玻璃钢，先在图纸上绘出其初步草图，后用曲面功能进行详细设计建模。导流板扰流板发动机冷却进气道鼻锥海豚海豚细长的嘴和流线型身体，适合在水中快速游动，是速度与美感的完美结合，这对我们设计车身产生了很大的启发。9/14/2022车身-越野版蜥蜴蜥蜴灵活的身躯与顽强的生存能力，与我们所要设计的猎鲨战甲不谋而合。9/14/2022悬架采用不等长双横臂独立悬架，布置形式为上置式。这种推杆式水平悬架系统，最大程度地降低了簧下质量。上下横

7、臂臂长度不等，下臂更长，这样轮胎与地面实际成“八”字形，这样在过弯时即使离心力很大，轮胎也可以贴住地面。悬架系统前悬架后悬架优点：1、两侧车轮互不影响，这样在不平道路上行驶可减少车架的振动，而且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象；2、减少赛车的非簧载质量，可以提高赛车平均行驶速度。3，采用断开式车桥，赛车重心降低。缺点：结构复杂，制造成本高，维修不便，轮胎磨损较严重。9/14/2022悬架机构简图正视俯视对于车轮定位参数，双叉臂悬架都是精确可调的，且由于双叉臂结构在设计之初就拥有较高的自由度，可以对双A字臂的铰接点以及双A字臂的长短进行合理设计，就可以将定位参数的变化范围缩小，从而提升了车辆的

8、整体操控稳定性。9/14/2022转向系统转向采用阿克曼梯形转向机构，转向器为齿轮齿条式，优点是可以使转向传动机构简化，齿轮齿条无间隙啮合，无需调整，且逆传动效率高（多用于前轮为独立悬架的轿车）。转向系的功能：1、操纵赛车；2、获得“路感”转向机构简图转向梯形臂长217mm，梯形底角度为67。9/14/2022转向梯形优化前轮距K=1188mm，轴距L=1572mm，取转向梯形臂m=217mm，利用MATLAB对梯形底角度进行优化。梯形底角度余数平方和640.0175650.0141660.0117670.0103680.0117690.0148700.0178理想阿克曼曲线优化后阿克曼曲线通

9、过优化可知，梯形底角度可取67.曲线拟合（67.0078，0.01030）9/14/2022传动系统传动采用链条传动（定传动比、机构可靠），半轴与车轮、链轮的连接使用球笼式等速万向节，在保证动力传递的同时协调后悬架的跳动。差速器为托森限滑差速器。膜片弹簧离合器变速箱球笼式等速万向节半轴托森差速器链轮9/14/2022传动示意图9/14/2022膜片弹簧离合器膜片弹簧离合器具有以下特点：1、轴向尺寸小、径向尺寸大；2、不需专门的分离杠杆；3、可适当增加压盘厚度，提高热容量；4、主要部件形状简单，易于加工。9/14/2022变速器9/14/2022托森差速器 托森差速器采用双蜗轮、蜗杆结构，它们的

10、相互啮合互锁以及扭矩单向地从蜗轮传送到蜗杆齿轮的构造实现了差速器锁止功能，这一特性限制了滑动。在弯道正常行驶时，前、后差速器的作用是传统差速器，而当一侧车轮打滑时，蜗轮蜗杆组件发挥作用，通过托森差速器极为迅速地自动调整动力分配。蜗杆行星齿轮蜗轮蜗轮中心轴传动轴差速器壳9/14/2022制动系统钳盘式制动器，采用前轮双轮制动、后轮中央制动的布置形式。9/14/2022发动机总成发动机型号HondaCBR600F4I最大功率44.1kw/9000r/min最大扭矩38Nm/5500rpm排量599cc燃油供给形式化油器冷却形式水冷布置形式横向中后置迎风双进气口油箱排气管化油器散热风扇排气歧管进气歧

11、管发动机空气滤清器9/14/2022前轮定位参数（主销内倾、主销后倾、车轮外倾、前束）加入到转向和前悬架的设计中。轮胎采用赛车专用轮胎。光头胎与地面接触面积最大，可以获得最大抓地力。轮胎充的是氮气，利用氮气的高稳定性获得更好的驾驶性能。轮胎+履带轮可随地面而改变倾角的履带轮，作为越野款的配件，大大提高了赛车的越野性能。9/14/2022增大赛车转弯时的抓地力，但同时也会增大赛车的空气阻力。为了减小这种阻力，将多个定风翼叠加做成开缝翼，延缓边界层分离，减小空气阻力。空气动力学套件前翼尾翼9/14/2022安全配件头盔吸能盒座椅赛车双安全带9/14/2022整车装配9/14/2022整车装配图9/

12、14/2022整车爆炸图9/14/2022零件BOM表9/14/2022整车渲染9/14/2022车型参数赛车总长(mm)3032总宽(mm)1443总高（满载）(mm)1274轴距 (mm)1572前轮距（半）(mm)1188后轮距（半）(mm)1170最小离地间隙（mm）72.6整车整备质量(kg)250满载质量(kg)310主销后倾角()2.2主销内倾角()1.12前轮前束()-0.67前轮外倾()-0.54后轮外倾()-0.6后轮前束()0迎风面积(m)1.033最大转角()30.2最小转弯半径(Rk) m3.125整车参数9/14/2022通过更改整车部分性能参数与配件达到一车两款的

13、多功能性。速度越野自动适应地形的履带轮一车两款极速先锋猎鲨战甲9/14/2022运动仿真前悬架后悬架转向传动9/14/2022托森差速器发动机变速器9/14/2022工程分析力学校核零件优化流场分析使用工况分析形状拓补优化降低风阻，确保发动机散热与排气正常安全性与可靠性轻量化空气动力性，发动机正常运转赛车-工程人机校核车架等尺寸参数确定，人机工程9/14/2022人机工程头盔间隙虚拟驾驶渲染图9/14/2022车架有限元分析对车架进行静载荷弯曲分析、扭转刚度分析、模态分析、翻车安全性分析、转弯分析、制动分析等工况分析，力学校核的同时为局部优化提供基础。车架网格划分网格划分:整体网格控制加焊接处

14、精细化控制，同时设置Relevance调整网格较细划分。单元类型为3D实体单元Solid186，整个模型被离散为76325个单元 。约束条件与载荷:根据赛车不同工况添加约束条件与载荷。模型建立:利用Solidworks焊件功能建立车架模型，其建立的车架焊件模型可以较真实地模拟焊接处钢管的形状。 车架材料为4130铬钼钢 9/14/2022 从位移云图可知，车架整体变形十分小，最大位移处在主环顶端中心处，为0.16647mm，即在满载弯曲工况下车架的最大弯曲挠度小于1mm，说明车架刚度足够。 由应力云图可知，车架整体的应力值不大，最大应力位于车架发动机舱下横梁与纵梁连接处，最大应力值为55.10

15、7MPa，远小于受拉屈服强度460MPa，而且车架的安全系数最小值8.3474，远大于3，说明车架不仅拥有足够的结构强度，还拥有一定的疲劳强度以避免在耐久赛长期交变应力下可能会发生断裂变形的潜在危险，保证了车架的强度和安全性。静载荷弯曲分析9/14/2022扭转刚度分析 从分析结果可知1mm位移处约束反力F1=3008.1N，方向竖直向上；F2=3269.2N，方向竖直向下，故扭转力 F=(F1+F2)/2=3138.65N。因为后悬架上横臂悬架硬点间的距离为L=0.543m，所以约束反力作用于车架的扭矩M=FL =1694.87N/m，1mm的强制位移对应的车架转角为=arctan(0.00

16、2/L)=0.211 ，则车架的扭转刚度为 E=M/=8032.6Nm/deg 。由以往国内外参赛车队所设计的车架扭转刚度的经验值得知K值一般在1000Nm()以上，由此判断该车架扭转刚度很好。9/14/2022翻车安全性分析 从分析结果可知，车架整体变形十分小，最大位移处在车架前环上梁中心处，为0.20599mm，不足1mm。前环和主环虽有位移，但其变形都很小，故在翻车情况下，车架有足够的刚度保证车手的安全。 我们再看车架的应力分布情况，车架整体的应力值不大，最大应力处位于驾驶舱底部横梁与纵梁连接处，最大应力值为85.12MPa，远小于受拉屈服强度460MPa，而且车架的安全系数最小值为5.

17、4041，就算考虑到翻车时瞬间冲击力很大，以如此大的安全因数也可以保证车架的强度要求，所以该车架在翻车时的强度足够。9/14/2022悬架摇臂优化优化中利用Shape Optimization对零件进行优化优化前优化后优化对比优化后零件减轻约40%，且应力较之前没有增大。9/14/2022零件工程图悬架摇臂（优化前）工程图9/14/2022悬架摇臂（优化后）工程图9/14/2022整车流场分析边界条件：赛车绕流问题一般为定常、等温、不可压缩三维流场，考虑到由于复杂外形引起的分离，应按湍流处理，湍流强度及耗散率分别取0.5%、0.5。地面、车身表面设置为无滑移的固壁条件，入口速度设为20m/s。

18、模型建立：为了正确模拟赛车行驶过程状态，对暴露在车体外部的驾驶员头盔和轮胎进行了简化处理。赛车放在风洞中，根据经验，选取长方体形的计算域流场，假设汽车模型长为L，宽为w，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3 L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取6 L。网格划分：网格划分越细，分析精度越高，计算时间也越长。因此需选用合适的网格划分方法。由于车身表面是关键，因此采用较细的六面体网格单元与较小的单元尺寸，风洞采用四面体网格。模型网格总数为649708。9/14/2022XY截面压强云图车轮截面压强云图经ANSYS CFD分析知，车前端与车手压强最大，未加翼时车前部为正压区，但中后部为负压区，且车轮压强较大；加翼后车前部正压力变大，后部变为正压区，增强了赛车对地附着力，且由于前翼的导流作用使得前轮受压大大减小，减少了前轮的干扰阻力。由于导流板的作用使得后轮受压减小，上升力降低。压强云图对比分析风向风向9/14/2022从图中可以看出气流经过扰流板