大学生方程式赛车设计（整体车架设计、标准安全系统及座椅附件设计）

题目大学生方程式赛车设计（整体车架设计、标准安全系统及座椅附件设计）方程式赛车整体车架设计摘要FSAE赛车是一项以大学生为对象的赛事，旨在为汽车工业培养更多的优秀人才，参赛的赛车全都由各高校研究设计。由于是为比赛而设计的赛车车架，因此设计时必须要考虑赛事技术规范。我的毕业设计就是为FSAE赛车设计车架。赛车的车架设计必须要考虑赛车发动机、驾驶员的布置以及赛车各个总成的布置。又由于赛车车架是赛车的主要受力结构，赛车上的几乎所有的结构以及部件都是有车架直接或者间接支撑，所以车架的结构一定要合理，同时强度刚度必须达到一定的要求。在车架设计之初，要将大赛的有关规定和评分标准完全掌握，对各部件该怎么布置，布置在什么方位有一个清晰的规划。同时为了使以后的车架结构设计更为合理，我参考了天津大学、湖南大学以及部分国外的车架。进入设计阶段后，在对比了车架的结构形式后，选择了桁架式的车架。根据强度要求，选择车架的材料。在确定了悬架的安装位置后，依据技术规范、赛车的整体布置、发动机以及人体模型确定车架大致的整体尺寸，然后建立几套车架的雏形；再优化车架结构使整体各个系统能合理的布置在车架上，直至使车架结构满足各个方面的要求。在几套车架结构基本定型以后，开始对车架进行结构受力分析、优化以及对比，选择结构合理质量最轻的车架。关键词：FSAE，车架，技术规范，发动机，驾驶员

FORMULSAE—ASPACEFRAMEDESIGNABSTRACTTheFSAEvehicleraceisonetakesuniversitystudentasthesportseventofobject,forthepurposeofcreatesmoreoutstandingtalentsfortheautomobileindustry,participatingvehicleraceallbyvariousuniversityresearchanddesigns.Asaresultofcompetitionvehicleraceframeofdesign,whendesignmustconsiderthesportseventtechnologystandard.MygraduationprojectdesignstheframefortheFSAEvehiclerace.Theframedesignofvehicleracemustconsiderthethearrangementofarrangementaswellasvehicleraceeachunitofvehicleraceengineandpilot.Becausevehicleraceframeisthemainstressstructureofvehiclerace,almostallstructuresaswellasthepartsinvehicleracehavetheframedirectorindirectsupport,thereforethestructureofframeiscertainlyreasonable,simultaneouslytheintensityrigiditymustmeetcertainrequirements.Atthebeginningoftheframedesigns,mustcompletelygraspstheconcernedrequirementsandpointscaleofbiggame,howshouldarrangetovariousparts,arrangeshasaclearplaninanyposition.Simultaneouslytomakethelatervehicleframedesignismorereasonable,IhavereferredtosomeTianjinUniversity,HunanUniversityaswellasoverseasframes.Afterbeinginthedesignstage,aftercontrastingthestructuralstyleofframe,haschosenthetruss-typeframe.Accordingtotheintensityrequest,choosesthematerialofframe.Afterlocatingtheairflowdistributionofsuspensionfork,accordingtotheoverallarrangement,engineofaswellasthemanikindeterminationframeapproximateoverallsizetechnologystandardandvehiclerace,thenestablishestheembryonicformofseveralsetsofframe;Optimizesthevehicleframetoenabletheoveralleachsystemagaintoarrangereasonablyontheframe,untilmakesthevehicleframemeettherequestineachaspect.Afterseveralsetsofvehicleframefinalizesbasically,startstocarryonthestructureanalysisofacceptingforce,tooptimizeaswellascontrasttotheframe,optionalstructurereasonablequalitylightestframe.KEYWORDS:FSAE,frame,technologystandard,engine,pilot目录第一章赛车概述 1§1.1国外FormulaSAE简介 1§1.2中国大学生方程式汽车简介 2第二章车架结构特点综述 3§2.1车架的功用与要求 3§2.1.1车架的功用 3§2.1.2对赛车车架的要求 3§2.2车架的计算 4§2.3车架综合实验要求 4§2.3.1车架的应力测定 5§2.3.2车架的刚度测定 5§2.3.3可靠性与耐久性台架试验 5§2.3.4随整车进行的可靠性道路试验或试车场试验以及使用试验 5第三章车架类型方案的对比与分析 6§3.1一体式金属车架 6§3.2单体式车架 7§3.3桁架式车架 7第四章车架的材料以及结构 8§4.1车架材料的材料力学分析 8§4.2方程式赛车车架材料的技术规范要求 8§4.3车架材料的选择 9§4.4赛车车架的结构 10§4.5车架应力的消除 10第五章大学生方程式赛车车架设计 11§5.1赛车整体结构的设计 11§5.2赛车驾驶舱的设计 14§5.3赛车各个系统及零部件在车架上的安装位置的设计 15§5.3.1悬架系统的安装位置的设计 15§5.3.2转向系统安装位置的设计 17§5.3.3传动系统的要求 18§5.4安全系统的要求 18第六章赛车车架的结构分析和优化 21§6.1车架在实际环境下的受力 21§6.2车架的结构分析方法 21§6.3有限元分析方法的基本原理 22§6.4有限单元法的分析步骤 23§6.5基于有限元分析方法的车架的分析 24§6.6基于有限元分析方法的碰撞块分析 24第七章座椅设计 26§7.1人性化座椅设计 26§7.1.1系统中人和机的职能分工 27§7.1.2体坐姿体压分布 28§7.1.3座垫上的体压分布 28§7.2汽车座椅舒适性设计 30§7.2.1座椅强度的设计 30§7.2.2座椅结构型式的设计 30§7.3座椅蒙皮、椅垫阻燃设 31第八章结论 32参考文献 33致谢 34第一章赛车概述§1.1国外FormulaSAE简介FormulaSAE，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。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE方程式（FormulaSAE）系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（FormulaSAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。FormulaSAE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。FormulaSAE为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。FormulaSAE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。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。§1.2中国大学生方程式汽车简介中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：1、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；2、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；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。

第二章车架结构特点综述§2.1车架的功用与要求§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、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汽车行驶过程中保持不变并使车身变形量较小；车架也应有足够的强度，以保证其具有足够的可靠性和寿命，车架主要零件在使用期内不应有严重变形或者开裂。车架刚度不足会引起震动和噪声，也使汽车轮胎的接地性变差，是通过性变坏。在保证强度、刚度的前提下车架的自身质量应尽可能小，以较少整车质量。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。§2.1.2对赛车车架的要求1、车架应满足大学生方程式赛车技术规范的要求2、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。3、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。4、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。5、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。6、车架要有一定的韧性。§2.2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，可将车架看做平面结构，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着一静不定关系统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。§2.3车架综合实验要求车架的实验内容包括：应力测定、刚度测定、可靠性测定与耐久性台架试验台架试验、随整车进行的可靠性道路试验或者试车场试验以及使用试验等。§2.3.1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。§2.3.2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，§2.3.3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。§2.3.4随整车进行的可靠性道路试验或试车场试验以及使用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。

第三章车架类型方案的对比与分析赛车车架是赛车的主体结构，它为其它部件，如悬架、发动机、座椅、踏板、传动装置等提供安装的位置，并承受所有部件传来的力。赛车车架一般采用两种形式：一是单体式车架，另一种是桁架式车架。§3.1一体式金属车架一体式金属车架，整个车身的外壳本事就属于车架的一部分。所以它不同于传统的梯形车架或者管式车架，需要在车架外包裹外壳。事实上，按严格的定义来说，一体式车架都是由不同的组件装嵌而成的，其中最大的一块就是地台，其余的如车顶、侧板大小各异，所有的板件都是由高压压模机压制出来的，利用机械臂做电焊处理，有的甚至使用激光焊接技术。整个制作过程短至数分钟便可宣告完成。因此，一体式车架主要为了适应高度机械化的流水生产作业大量生产，这样做可以大大的降低生产成本。而且一体式车架先天拥有良好的撞击保护能力，车头以及车尾加装副车架一方面有利于吸收撞击所造成的冲击力，另一方面对车架行驶的刚性也有所帮助。其次，一体式车架能够预留用以吸收撞击能量的褶皱区外，车架本身的包裹式构造还可以将褶皱区域吸收不完的能力经过车柱分散到车体的其余部分，避免猛烈撞击力在瞬间过于集中而对乘客造成严重的创伤！相对于其他的车架构造，一体式车架没有高而阔的门榄、防滑动支撑架和大型的传动轴管道等，空间的利用率极高。凡事总有正反两面，一体式车架生产前的配套投资极其庞大，不适合小批量生产。另外一个明显的缺陷就是一体式车架因为使用大量的金属，重量偏高。外壳的作用主要是用来营造理想的空间效果，而车架的设计主要由金属钢片构成，虽然钢片已经作了开坑的加强韧度处理，但是在物理结构上的刚度，特别是非水平扭动，始终不及桁架式车架。如果以重量和刚性比来作比较的话，使用同等金属重量所制作出来的一体式车架是所有车架中刚性表现最不差的。§3.2单体式车架也称作整体式或承载式式车架。由于一般汽车采用大梁式车架，其车架质量重、体积大、重心高的问题，单体式车架的意念是用金属制成坚固的车身，再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷，充当车架，所以准确称呼应为“无车架结构的承载式车身”（采用大梁车架的汽车车身则称为“非承载式车身”）。承载式车架由钢或者铝经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求都很高。成型的车架是个带有坐舱、发动机舱和底板的骨架，我们所能看到的光滑的汽车车身则是嵌在骨架上的覆盖件。承载式车车架是目前国外赛车车架的主流，因为这种结构将车架和车身二合为一，重量轻，可利用空间大，重心低，而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产。但是除了开发制造难度高外，刚度（尤其是抗扭刚度）不足也是承载式车身的一大缺陷。这问题在日常用车上还不明显，但对于大马力、大扭力的高性能跑车，要求有很高的车架刚度，普通承载式车身就显得刚度不足。由于承载式车架将全车所有部件，包括悬架、车身和乘员连成一体，具有很好的操控反应（正式学名是“操作响应性”），而且传递的震动、噪音都较少，这是大梁式车架不可比拟的。§3.3桁架式车架也可以说是钢管式车架。由于单体式车架的设计开发和生产工艺都复杂，故其主要用于大批量生产。但是对于中国大学生方程式赛车虽然可以采用共用平台策略，但所谓的“共用平台”能共用的只是悬架、传动系统底盘部件，单体式车架由于必须与车身形状吻合，对于不同的车身造型是不能共用车架的。而桁架式车架就比较合适。为了降低成本同时与小规模生产相匹配，本赛车车架采用桁架式车架。

第四章车架的材料以及结构§4.1车架材料的材料力学分析车架的材料应具有足够的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中敏感性，良好的冷冲压性和焊接性能。车架材料与所选定的制造工艺密切相关。拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需要采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢；拉伸尺寸不大，形状不复杂的冲压件常采用强度较高且冷冲压时不宜冲压和回弹的的材料。钢材在冷冲压成型后，其疲劳强度降低，静强度提高，延伸率较小的材料的降低幅度更大，赛车常用材料在冲压成型后的疲劳强度一般为140～160MPa。同时，由于车架是一个大型的焊接件，选择材料时要考虑材料的可焊接性。§4.2方程式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（含碳量最小%1）、最小直径如下表3-1（或者采用替代材料，替代材料应满足下文所述）：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隔板支撑25.4mm*1.25mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm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刚才外，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。而且，规范上还规定，对于替代的另一种材料——铝管的最小壁厚要求为至少3.0mm。§4.3车架材料的选择弯折尺寸较大的主环以及主要支撑车架的主环支架，由于技术规范中要求必须用钢材，而考虑到材料的材料力学性能以及技术规范的要求，4130钢满足要求。另外，在选择了材料之后，为了尽可能的降低车架的质量，在满足技术规范的要求下，应尽可能的用小的外径和壁厚，但同时必须满足车架的强度和扭转刚度等力学性能。这一部分在下文中会有详尽叙述，这里不再简述。§4.4赛车车架的结构赛车车架采用的是桁架结构，其作用是为赛车所有其他部件的连接基础，同时通过前、中、后防滚架的设计对驾驶舱提供保护。空间桁架结构是一种十分传统的也是在比赛中最为常见的车架。§4.5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50～90Hz，激振力可达500～900KN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50～100N/mm2范围内，一般需要维持共振状态15～20min。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。

第五章大学生方程式赛车车架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。§5.1赛车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4-1。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。图4-1赛车车架的基本结构长度方向上,发动机如图4.2所示，尺寸为610x587x519mm，为了是赛车整体尺寸降低，采用发动机纵置，链传动的形式，因此，赛车车架主环到后轴的距离至少为610mm。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255mm，由发动机的形式，发动机法兰盘面到发动机纵置时的后端面的距离为306mm，因此，车架主环到后轴中线的距离至少为610+（306-255）=661mm。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1100mm。另外，制动踏板以及制动轮缸的最前端距离脚尖大概有500mm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为100mm。因此，车架的长度约为661+1100+500+100=2456mm.考虑到加工因素及其他零部件的安装，在此范围内架上200mm,可以使加工安装时的预备尺寸更加合理，车架的长度约为2630mm。宽度方向上，内操纵舱必须能让一个自由垂直的横断面如4.3的模板水平通过，故内操纵舱车架最窄处应至少为350mm。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650mm的宽度，暂定为660mm。高度方向上，安装悬架位置点，即上下叉臂高度约为200mm，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50mm，因此，主环高度约为1050mm。图4-2发动机模型图4-3内驾驶舱检测板§5.2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4.4，被水平拖着，并且垂直插入直到它穿过侧防撞结构的顶部管件的底部。图4-4驾驶舱检测板由于主环处最宽，定义了约为660mm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1100mm；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4.4，主环与前环之间的距离至少为600mm，暂定为可以大致确定前环与前环支架的距离约为500mm。§5.3赛车各个系统及零部件在车架上的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。§5.3.1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要求。前悬架的安装如图4-5(a):图4-5（a）前悬架的安装示意图前悬架上下叉臂的高度为199.51mm，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4-5(b)和4-59(c)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，下部宽为430，上部宽度为430+2X104.3=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。图4-5（b）前上叉臂图4-5（c）前下叉臂后悬架的安装如图4-6(a）：后悬架上下叉臂的高度为199.51，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4.6(b)。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，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。图4-6（a）后悬架的安装示意图图4-6(b)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为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。§5.3.2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4-7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。图4-7转向操纵机构示意图§5.3.3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4-8图4-8主减速器模型图§5.4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.安装在前隔板之前，2.在前隔板之前200mm(7.8英寸)范围内，至少100mm（3.9英寸)高，200mm(7.8英寸)宽。3.碰撞时不能穿透前隔板，前隔板必须要有足够的厚度和强度，4.技术规范中要求，缓冲结构和前隔板直接并且安全地连接在一起，而不是作为非承载式车身的一部分。，5.同时，缓冲结构的安装必须为横向和垂直载荷提供一个足够的卸载路径，以防偏心和偏轴线的撞击。。6.技术规范中要求，缓冲结构和单体壳的连接，必须通过结构等同性报告得到审核批准。7.如果缓冲结构内部填充泡沫，或是成蜂窝结构，则必须将厚度为1.5mm的钢板(0.060英寸)，或厚度为4.0mm(0.157英寸)的铝板作为“防侵平板”整合在缓冲结构内。该金属板必须和前隔板的轮廓尺寸相同，并且和前隔板焊接或用螺栓连接在一起。。8.若“防侵平板”没有和车架固结，如没有焊接在一起，则必须用至少四个8mm8.8级螺栓把缓冲结构和前隔板连接在一起。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，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4-9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。图4-9侧防撞管件的位置图4-10方程式赛车车架初步设计模型综上，方程式赛车的初步设计初步设计模型如图4-10所示。对于赛车的强度和刚度的校核以及赛车的优化设计在下面会有详尽叙述，这里就不再赘述。

第六章赛车车架的结构分析和优化§6.1车架在实际环境下的受力车架在实际环境下要面对的4种压力：（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（即离心力）会使车身产生向弯外甩的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对的压力将车架横向扭曲。（4）水平菱形扭动，因为车辆在行驶时，每个车轮因为路面和行驶情况的不同，每个车轮会承受不同的阻力和牵引力，这可以使车架在水平方向上产生推拉以至变形，这种情况就好像将一个长方形拉扯成一个菱形一样。§6.2车架的结构分析方法由于FormulaSAE的比赛规则对车架的安全性有着非常严格的标除了对所有防滚架、撞击保护区域以及所有组成框架的杆件的连接与支撑形式有着严格的规定以外，对所选用的材料的种类和规格也有着很严格的限制。基于这个原因，只要是符合FormulaSAE规则的车架在强度上是不可能出现任何问题的。国外的FormulaSAE比赛参赛车队都需要提交大量相关的技术报告，但关于车架强度校核的报告是不需要提交的。车架的强度是通过规则的相关规定来保证的。我们赛车车架设计时所选定的的材料为25.2×3mm的4130钢钢管，超过规则规定的材料上限标准25.4mm×2.4mm低碳钢管。且样车的车架设计完全符FormulaSAE的规则，所以车架的强度是完全可以保证的。对于车架的结构的分析，由于传统力学计算比较复杂，同时由于传统力学需要建立力学模型，而理学模型与实际的对象会有一定程度上的差别，因此，传统力学对对象的分析会有一定程度的失真。因此我们能可以使用有限元分析方法对车架的结构进行分析。§6.3有限元分析方法的基本原理有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是五十年代首先在连续体力学领域――飞机结构静、动态特性分析中应用起来的一种有效的数值计算方法。有限元法分析计算的思路和作法可归结如下：1、物体离散化将某个工程结构离散为由各单元组成的计算模型。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定。一般情况，单元划分越细，则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。2、单元特性分析（1）选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法；选择节点力作为基本未知量时称为力法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中应用最广。当采用位移法时，物体或结构离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如，中是待定系数，是与坐标有关的某种函数。（2）分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立节点力和节点位移的关系式，从而导出单元刚度矩阵。（3）计算等效节点力物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效节点力来代替所有作用在单元上的力。3、单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来，形成整体有限元方程。式中,K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。4、求未知节点位移解有限元方程式得出节点位移。可以看出，有限元法的基本思想是“一分一和”，分是为了进行单元分析，和则是为了对整体结构进行综合分析。§6.4有限单元法的分析步骤有限单元法的分析步骤一般如下：1、单元剖分和插值函数的确定根据构件的几何性质、载荷情况及所要求的变形点，建立由各单元所组成的计算模型。再按单元性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数。2、单元特性分析根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应变。3、单元组集把各单元按节点组集成与原结构相似的整体结构，得到整体结构的节点力与节点位移得到关系，即整体结构平衡方。4、解有限元方程可采用不同的计算方法解有限元方程，得出各节点的位移。在解题之前，必须对结构平衡方程组进行边界条件处理。然后再解出节点位移。5、计算应力在计算出各单元节点位移后，即可求出相应的节点应力。§6.5基于有限元分析方法的车架的分析由于车架钢管材料选择的是强度比较大的4130钢，材料的屈服极限为785Mpa，根据去年学校参赛赛车的强度分析报告，4130钢远远大于车架上的最大应力，因此，车架的强度满足要求。§6.6基于有限元分析方法的碰撞块分析根据FormulaSAE规则的要求，参赛赛车在车架最前部安装有蜂窝铝制成的碰撞吸能块。模型如图5-7所示。图5-7车架防撞块及其安装使用UG高级仿真对碰撞吸能块进行分析，图5-8为吸能块模型。缓冲快上下为钢板，中间为蜂窝铝。外形尺寸为200mm×100mm×100mm。蜂窝铝的材料为铝合金，取E=70Gpa，G=27Gpa，=2700kg/，蜂窝结构的六角形边长l=3.5mm，壁厚t=0.06mm。蜂窝结构和钢板都使用固体建模。图5-8设定质量M=300kg，7m/s，碰撞方向为Z轴。吸能块的变形如图5-9所示。图5-8质点加速度图5-9吸能块重心加速度对车辆碰撞来说，最大的加速度应该发生在碰撞初期，如图5-10，碰撞产生的最大加速度为3215mm/s2=3.215m/s2=0.33g。吸能块重心的最大加速度为1680×102mm/=168m/=17g<20g。符合FormulaSAE规则的规定，改吸能块的设计是安全的。

第七章座椅设计随着科技的发展、时代的进步、技术的更新、节奏的加快等一系列的社会与物质的因素，使人们更加注重产品的人性化设计问题。人体工程学设计的产品也就越来越受到大众的欢迎。汽车座椅作为汽车内饰最重要的组成部分之一，越来越受到关注。人性化的汽车座椅设计并不是仅有数据符合要求的座椅，它还包括人体机能、人机工程、健康设计、造型设计及黄金比例等原则。在这些原则的指导下的人体工程学座椅是功能与美学的完美结合。§7.1人性化座椅设计人性化产品，就是包含人机工程的产品。实际上任何系统都是人机系统，人机系统包括人、机、环境三个方面，人机工程学的显著特点是在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将使用“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人——机——环境”系统。在座椅设计中应科学地利用三个要素间的有机联系来寻求系统的最佳参数。汽车座椅是影响驾驶与乘坐舒适程度的重要设施，舒适而操纵方便的汽车座椅，可以减少乘员疲惫程度，降低故障的发生率。汽车座椅的主要功能在于承受司机和乘客的重量，衰减或缓和由车身地板传来的振动和冲击。给司机一个舒适的安全的乘坐环境，和良好便捷的操作条件。所以，座椅设计的好坏，将对汽车的平顺性、乘坐舒适性、安全性以及操作方便性等产生很大的影响。这里主要介绍从人机工程学的角度、从人体坐姿生理特性出发，使座椅具有良好的静态特性，即座椅设计和布置的尺寸和形状能使人体具有合适的坐姿，良好的体压分布，良好的触觉，并能方便调整有关尺寸和位置，以保证乘坐稳定、舒适、操作方便、视野良好，减轻疲劳和保障安全。按照人机工程学的原理，座椅首先必须能够承受人们活动带来的各种力量和冲击。否则就不能充分体现座椅的实用功能。因此应在此基础上进行设计，应充分了解：§7.1.1系统中人和机的职能分工如何配合；环境与人相适应；机对环境的影响等问题，经过不断修正和完善最终确保系统优化组合方案的实现。这是人机工程学为工业设计开拓了新的思路，并提供了独特的设计方法和有关理论依据。只有座椅的结构和尺寸设计使驾驶员的脊柱形态接近于正常自然状态，才会减少腰椎的负荷以及腰背部肌肉的负荷，防止驾驶疲劳发生。。图3.2为各种人体处于不同姿势下所产生的腰曲弧线。人体正常腰曲弧线是松弛状态下侧卧的曲线，如图中曲线B所示。汽车座椅设计及其在驾驶室中的布置16躯干挺直坐姿和前弯时的腰弧曲线会使腰椎严重变形，如图7-1曲线F和G所示。欲使坐姿能形成几乎正常的腰曲弧线，躯干与大腿之间必须有大于90°的角度，且在腰部有所支撑，如图中曲线C所示。可见，保证腰弧曲线的正常形状是获得舒适坐姿的关键。因此在进行汽车座椅设计时，应注意有足够的腰部支撑。正常腰弧曲线是微微前突，为使人体坐姿下的腰弧曲线变形最小，座椅应在腰椎部提供所谓两点支撑。由于第5—6胸椎高度相当肩胛骨的高度，肩胛骨面积大，可承受较大压力，所以第一支撑应于第5—6胸椎之间，称其为肩靠。第二支撑设置在第4—5腰椎之间，称之为腰靠，和肩靠一起组成座椅的靠背。无腰靠或腰靠不明显将会使腰椎呈后突形状，而腰靠过分凸出将使腰椎呈前突形状。腰椎后突和过分前突都是非正常状态，合理的腰靠应该使腰弧曲线处于正常的生理曲线。图7-1§7.1.2体坐姿体压分布体压分布与人的坐姿及座椅靠背和坐垫的刚度分布和形状密切相关。根据人机工程学的研究成果，合理的体压分布应该是：体重应以较大的承受面积、较小的压力合理的分布在座垫和靠背上，但避免平均分布。体压分布过程应平滑过度，不要突然变化，而应根据各部位在产生不舒适感觉以前能承受压力的大小予以合理的分布。座垫上的体压分布应使坐骨部分承受的压力最高，有坐骨周围扩展到臀部外围，压力逐渐降低，直到与座垫前沿接触的大腿下平面趋于最低值。靠背上的体压分布应以肩胛骨和腰椎骨两部分的压力最高，这就是靠背设计中的“两点支承”坐姿体压分布包括座垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。就座者的骨盆可以比喻为倒立的锥体，与椅面接触的主要是臀部两块薄肌肉层下的坐骨。人体大约75%的重量需由骨盆下两块面积为25cm2左右的坐骨支点(薄肌肉层支承)承受。由坐骨向外，压力逐渐减少。为了减少臀部下部的压力，座面一般应设计成软垫，其柔软程度以使坐骨支承人体60%左右的重量为宜。采用软性坐垫，增大臀部与座面的接触面积，就改善了这种压力集中的现象，使整个臀部均承担体重的压力，减缓坐骨下支点处的疲劳，从而可以延长就座时间。如图7-2所示。图7-2§7.1.3座垫上的体压分布人体坐骨结节处是人体最能耐受压力的部位，适合于承重，而大腿下靠近表面处不宜承受重压。人坐在座椅上最舒适的姿势，是臂部离开靠背向前略移，上体胸肩部位与大腿下平面之间夹角为·。。使腰背肌肉放松，双腿能舒适地搁置于地面，使腹部通向大腿的血管不受压迫，血液正常循环，符合人体座下休息时的生理要求。除了要考虑座椅的舒适度外，还要考虑其保证人的视野开阔，手部与方向盘的关系和角度、腿部与脚踏板的距离、脚和离合器、刹车的距离等等，要做到这些部位的合理性是离不开对人机工程的研究的。采用人机工程学的方法进行分析，并用优化设计理论对座椅进行设计，得出更符合人体生态曲线的座椅，以提高乘坐和驾驶的舒适性，并适应人体的健康需要．这是设计发展的主流和趋势：更健康、更人性化。如图7-3所示。图7-3XH、ZH：分别为H点的x方向和z方向坐标值；XAHP、ZAHP分别为踵点的x方向和z方向坐标值；α0踝点与踵点的连线和鞋底平面的夹角；α1：躯干与垂直面之间的夹角；α3:大腿与小腿之间的夹角；95º＜α3＜135ºα4:小腿与