車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大學(xué)生方程式賽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1、 方程式賽車車架結(jié)構(gòu)綜述1.1方程式賽車車架的功用與要求1.1.1車架的功用大學(xué)生方程式賽車車架作為賽車的承載基本是賽車的主要承載構(gòu)件，其功用是支撐車身各主要總成的安裝機(jī)體，同時(shí)承受這些總成的重力以及其傳給車架的各種力和力矩，因此，車架應(yīng)有足夠的彎曲強(qiáng)度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車行駛過(guò)程中保持不變并使車身變形量較小:車架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證其具有足夠的可靠性和壽命，車架主要零件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形或者開(kāi)裂。同時(shí)在保證強(qiáng)度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以較少整車質(zhì)量從被動(dòng)安全性考慮車架應(yīng)具有吸收撞擊能力的特點(diǎn)，此外，車架設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮大學(xué)生方程式賽車技術(shù)規(guī)范中的要求。1.1.2車架的要求(1)車架應(yīng)滿足中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽車規(guī)則( 2016)的要求。方程式賽車車架應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，保證賽車在比賽期間的轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等各種工況下賽車的零部件不會(huì)因受力過(guò)大而失效。保證賽車車架的剛度，包括扭轉(zhuǎn)剛度和抗彎剛度，車架保證賽車正常使用。另一方面，車架具有一定的柔度，即但車架彎曲擾度(扭轉(zhuǎn)剛度)不宜過(guò)大，避免變形過(guò)大影響車架上總成的正常配合和各零部件的過(guò)早損壞。車架的整體質(zhì)量應(yīng)盡可能的小，有效的降低賽車的整備質(zhì)量，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造。賽車還需要適合從第5百分位的女性到第95百分位的男性車手駕駛。車架要有一定的韌性。(2)方程式賽車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求賽車的車架被主環(huán)和前環(huán)分成三部分。從側(cè)視圖來(lái)看，主環(huán)斜撐在主環(huán)側(cè)傾的一邊，在下端通過(guò)三角形結(jié)構(gòu)回到主環(huán)底部，從而提高車架的穩(wěn)定性。前環(huán)斜撐延伸到腳部之前，保護(hù)腳部。車架的最前端是前隔板，設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)，能夠吸能緩沖的結(jié)構(gòu)，縱向安裝在平而中部，一起保護(hù)腳部和腿部。賽車的側(cè)面為防撞結(jié)構(gòu)，減少側(cè)面撞擊時(shí)車手受到的傷害。1.2賽車車架的結(jié)構(gòu)形式方程式賽車的車架不同于普通汽車，由于方程式賽車的高負(fù)荷和極限工況等工作環(huán)境使得方程式賽車的車架要求較高。方程式賽車的車架大致可分為三類(1)一體式車架一體式車架是將整個(gè)的車身外殼作為車架的一部分，車架的外面要包裹外殼，其材料一般選用金屬鋼或者選用鋁與非金屬?gòu)?fù)合材料，通過(guò)焊接等方式連接成整體。一體式車架的板件是由高壓壓模機(jī)壓制出來(lái)的，并通過(guò)機(jī)械臂焊接處理，制作僅數(shù)分鐘便可完成，并且體式車架留有褶皺區(qū)域，用于劇烈碰撞時(shí)緩沖其所受的壓力。一體式車架先天擁有良好的撞擊保護(hù)能力，車頭及車尾加裝副車架有利用吸收沖擊力，另一方面對(duì)車架行駛剛性也有所幫助，其次一體式車架預(yù)留褶皺和包裹式構(gòu)造用以吸收撞擊能量，但一體式車架的資金和技術(shù)消耗大，適合大批生產(chǎn)，不適合中小批量生產(chǎn)，所以不適合作為賽車車架。(2)單體式復(fù)合材料車架單體式車架的意念是用金屬制成堅(jiān)固的車身，再將懸架等機(jī)構(gòu)零件直接裝在車身上，這個(gè)車身承受所有的載荷，充當(dāng)車架，又稱為整體式或承載式車架通過(guò)鋼或者鋁沖壓焊接而成，它將車架與車身合二為一，使賽車輕量化，可利用空間大，重心低。并且單體式車架將所有部件包括車身，懸架和乘員連成一體，具有較好的操控反應(yīng)，質(zhì)量輕并且堅(jiān)硬，尺寸精確，性能好同時(shí)傳遞振動(dòng)，噪聲都比較少，這是大梁車架不可比擬的。其結(jié)構(gòu)形式與一體式相同，材料一般選用復(fù)合材料使其擁有更高的剛度和強(qiáng)度，其車架的總質(zhì)量與其它類型相比也是最輕的缺點(diǎn)是這種車架不易修理，制造的價(jià)格相對(duì)較高，加工和制作較為困難。(3)桁架式車架即鋼管式車架，桁架式車架是選用很多不同直徑的金屬管件焊接成一定的空間結(jié)構(gòu)的框架。此種結(jié)構(gòu)在大學(xué)生方程式賽車中較為傳統(tǒng)、也最常見(jiàn)，質(zhì)量較為輕便，并且相對(duì)其他兩種車架而言，價(jià)格相對(duì)便宜，可以對(duì)本同的車型進(jìn)行不同的焊接，制作過(guò)程較為簡(jiǎn)單，車架的制作方式一般為焊接和鉚接，生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，并且析架式車架制造成本低，由鋼管組合焊接而成的桁架式車架，具有剛度大，強(qiáng)度也能得到保證，對(duì)于大學(xué)生方程式賽車較為適合。綜合考慮，本方案中選用第三種桁架式車架，材料選用4130高強(qiáng)度鋼。添4130結(jié)構(gòu)鋼具有高的強(qiáng)度和韌性，淬透性較高；鋼的熱強(qiáng)度性也較好，在500°C以下具有足夠的高溫強(qiáng)度，但550C時(shí)其強(qiáng)度顯著下降；當(dāng)合金元素在下限時(shí)焊接相當(dāng)好，但接近上限時(shí)焊接性中等，并在焊前需預(yù)熱到175C以上；鋼的可切削性良好，冷變形時(shí)塑性中等；熱處理時(shí)在300?350C的范圍有第一類回火脆性。1.3車架材料(1)車架技術(shù)規(guī)范要求根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，大學(xué)生方程式車架的基準(zhǔn)鋼鐵材料的最低較要求，賽車的基械結(jié)構(gòu)必須為如下材料制作，圓形，低碳鋼或合金鋼管(含碳量最小1%)，參加比賽車架所使用材料的性能下限不能低于以下值：楊氏模量=200Gpa，屈服強(qiáng)度=305Mpa，極限強(qiáng)度=365Mpa。直徑要求如下表。表1基準(zhǔn)鋼鐵材料部件或用途 外徑*壁厚主環(huán)和前環(huán)、肩帶安裝桿 25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.50mm側(cè)防撞結(jié)構(gòu)、前隔板、防滾架斜撐、安全帶安25.4mm*1.65mm或25mm*1.75mm或25.4mm*1.60mm裝桿及其斜撐、電池動(dòng)力保護(hù)結(jié)構(gòu)前隔板、主環(huán)斜撐支撐，電車：傳動(dòng)系統(tǒng)部件25.4mm*1.20mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm備注：使用的合金鋼不允許比低碳鋼的薄規(guī)則中除了主環(huán)和主環(huán)支架必須用鋼材外，其它可以使用替代管件和材料，替代鋼管最小壁厚見(jiàn)表2。表2最小壁厚要求材料和用途 最小壁厚鋼管，用于主環(huán)、前環(huán)、肩帶安裝桿 2.0mm鋼管，用于防滾架斜撐、主環(huán)支架斜撐、前隔板和側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)、前隔板支撐鋼管、安全帶固定 1.2mm件、高壓蓄電池保護(hù)、高壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)備注1：不允許合金鋼管件的壁厚比所用的低碳鋼的壁厚更薄。備注2：為了保持相同的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度，必須保持相同的橫截面積。對(duì)于替代的另一種材料-鋁管的最小壁厚要求為至少3.0mm。方程式賽車車架的材料應(yīng)具有足夠的屈服極限和疲勞極限，低的應(yīng)力集中和敏感性，良好的冷沖壓性和焊接性能。同時(shí)車架的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減輕本身的重量從而改善賽車的加速性、操縱穩(wěn)定性、最高車速和燃油經(jīng)濟(jì)性等。表3幾種材料的特性材料屈服強(qiáng)度5s抗拉強(qiáng)度5b密度g/cm3焊接性能4130#2245M410Mpa7.85很好30#M295MpaM490Mpa7.85一般45#2355MpaM600Mpa7.85一般30CrMoM785MpaM930Mpa7.85焊后易冷裂35CrMoM835MpaM985Mpa7.85焊接性較差Q235235MpaM205Mpa7.85優(yōu)良Q345345MpaM490Mpa7.85良好對(duì)于彎折尺寸較大的主環(huán)以及主要支撐車架的主環(huán)支架，由于技術(shù)規(guī)范中要求必須用鋼材，通過(guò)以上表3幾種材較的性能可以看出Q235的塑性和焊接性能能優(yōu)良，但價(jià)格低，比其他和Q345和焊接性能好，但屈服強(qiáng)度低，會(huì)導(dǎo)至強(qiáng)度和強(qiáng)度滿足不了機(jī)械性能，4130的屈服強(qiáng)度大焊接性也較好，因此先用4130高強(qiáng)度鋼。同時(shí)為了降低車架的質(zhì)量，在滿足技術(shù)規(guī)范的要求下，應(yīng)盡可能用小的外徑和壁厚，同時(shí)必須滿足車架的強(qiáng)度。同時(shí)初步選定車架材較尺寸如表4所示，同時(shí)選用氬弧焊。表4初步選定車架材較尺寸表部件名稱直徑壁厚主環(huán)、前環(huán)25.4mm2.4mm其余管件25.4mm1.65mm1.4車架的研究方法整車的設(shè)計(jì)和研發(fā)中，車價(jià)是基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)的特性、強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)頻率等。都會(huì)影響整車的性能，例如汽車的動(dòng)力性、安全性、操控性、共振性等等，因此確保車架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性尤為重要。(1)理論實(shí)驗(yàn)法理論實(shí)驗(yàn)法是以理論設(shè)計(jì)計(jì)算為基礎(chǔ)，按照試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，公式，圖表等進(jìn)行設(shè)計(jì)，理論系試驗(yàn)計(jì)算復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，資金消耗大，受人為因素的影響較大，其設(shè)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)意圖偏離較大。(2)經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是也長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，通過(guò)類比近似的數(shù)值來(lái)對(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是憑借設(shè)計(jì)者長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)方案。因此設(shè)計(jì)方案受設(shè)計(jì)者的影響較大，結(jié)果常使車架結(jié)構(gòu)不均衡，材料運(yùn)用不夠合理，動(dòng)力性不足，車架總質(zhì)量大。(3)有限元法在對(duì)車架的研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)有限元軟件對(duì)車架的強(qiáng)度剛度進(jìn)行分析，通過(guò)有限元分析優(yōu)化，車架是車架結(jié)構(gòu)，布局合理，性能更優(yōu)，車架材料使用少，質(zhì)量輕，提高整車的性能。2、方程式賽車車架設(shè)計(jì)2.1車架整體結(jié)構(gòu)及總體結(jié)構(gòu)要求2?1?1車架整體結(jié)構(gòu)組成賽車車架整體設(shè)計(jì)必須考慮賽車整體結(jié)構(gòu)的布置：駕駛艙的布置、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、懸架的布置，軸距，輪距的大小等。如圖1所示為車架基本結(jié)構(gòu)組成。如圖1所示，車架總體由前隔板、前隔板技撐系統(tǒng)、前防滾架（也稱前環(huán)）、側(cè)面防撞結(jié)構(gòu)、主防滾架（也稱主環(huán)），防滾架斜撐幾部分組成。前隔板作為鋼管車架最前端，還需安裝規(guī)定尺寸的碰撞緩沖塊，緩沖塊，同時(shí)車架結(jié)構(gòu)中都需要盡可能多的使用三角結(jié)構(gòu)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，符合力學(xué)要求。圖1車架基本結(jié)構(gòu)2.1.2方程式車架總體結(jié)構(gòu)要求ECmmlSJ,hJJUniiniy7上湍的鞠防掩桿屮間的側(cè)防撞村槪邯的側(cè)呦捕柑圖2為車架總體結(jié)構(gòu)要求圖2為車架總體結(jié)構(gòu)要求，賽車的結(jié)構(gòu)必須包括兩個(gè)帶有支撐的防滾架，有支撐結(jié)構(gòu)和緩沖結(jié)構(gòu)的前隔板、以及側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)。根據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則(2018),有如下要求：軸距要求(2.3):至少1525mm；輪距(2.3)：賽車較小的輪距(前輪或后輪)必須不小于較大輪距的75%。前環(huán)與主環(huán)要求：(3.10)防滾架是賽車對(duì)車手安全保護(hù)的一個(gè)最重要的安全屏障，當(dāng)賽車發(fā)生側(cè)翻或翻滾時(shí)必須保護(hù)車手的頭部和腿部不與地面接觸，因此對(duì)主環(huán)和前環(huán)要求如下：在正常乘坐并系好安全帶的情況下，所有車手的頭盔和男性第95百分位模板的頭部必須符合下列要求：必須與前環(huán)頂端與主環(huán)頂端的連線至少有50.8mm的距離。如果主環(huán)斜撐后置，主環(huán)頂端和主環(huán)斜撐底端的連線與頭盔必須至少有50.8mm的距離，如圖3a。如果主環(huán)斜撐前置，頭盔向后方不得超過(guò)主環(huán)后平面，如圖3b。男性第95百分位模板如圖4所示，男性第95百分位二維模板的尺寸如下：用直徑為200mm的圓代表髖部和臀部。用直徑為200mm的圓代表肩膀及部頸位置區(qū)域。用直徑為300mm的圓代表佩戴頭盔的頭部。用一條280mm的直線連接位于上方的直徑為200mm和300mm的頭部圓的圓心。

圖4男性第95百分位模板位置(4)主環(huán)及主環(huán)斜撐(3.13)主環(huán)的尺寸大小在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到對(duì)車手的保護(hù)，主環(huán)寬度最小不得小于380mm。主環(huán)必須由兩個(gè)在主環(huán)兩側(cè)并且向前或向后延伸的斜撐支撐。從側(cè)視圖上看，主環(huán)和主環(huán)斜撐禁上布置在過(guò)主環(huán)頂端垂線的同側(cè)。也就是說(shuō)，若主環(huán)前傾，斜撐必須在主環(huán)之前；若主環(huán)后傾，斜撐必須在主環(huán)之后。主環(huán)斜撐和主環(huán)的連接點(diǎn)應(yīng)盡量接近主環(huán)頂端，連接點(diǎn)低于主環(huán)頂端距離不得超過(guò)160mm以內(nèi)，主環(huán)與垂線夾角10°以內(nèi)，主環(huán)斜撐與主環(huán)角度應(yīng)該在30°以上。圖5防滾架位置要求2(5)前環(huán)及前環(huán)支撐車手在操作方向盤(pán)的時(shí)候，方向盤(pán)不能超出前環(huán)最頂端，并且方向盤(pán)距前環(huán)間距水平間距250mm以內(nèi);b） 前環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)與路面垂直方向的夾角小于20°。如果前環(huán)在垂直方向向右傾斜超過(guò)10°，在前環(huán)后方必須用另外斜撐支撐。c） 前環(huán)必須由丙個(gè)位于前環(huán)兩側(cè)向前延伸的斜撐支撐，前環(huán)斜撐必須延伸至車手腳部之前，保護(hù)車手腿部。d） 前環(huán)斜撐和前環(huán)的連接點(diǎn)應(yīng)盡量接近前環(huán)頂端，連接點(diǎn)低于前環(huán)頂端的距離不得超過(guò)50.8mm,如圖所示5。（6）側(cè)邊防撞側(cè)邊防撞區(qū)域——從座艙底板上表面到座艙內(nèi)部車架最低點(diǎn)往上240mm到320mm,從前環(huán)到主環(huán)間的的車輸側(cè)面區(qū)域。兩側(cè)防撞區(qū)域必須至少各由三根管件構(gòu)成，如圖6所示，上部的側(cè)邊防撞桿距離地面距離為300-500mm之間。圖6車架側(cè)面防撞結(jié)構(gòu)要求（7）前隔板及前隔板支撐賽車的每一側(cè)前，隔板都必須使用至少三個(gè)車架單元向后支撐到前環(huán)，一個(gè)位于頂部，與頂端（前隔板）距離不超過(guò)50.8mm，一個(gè)位于底部，以及一個(gè)用來(lái)形成三角結(jié)構(gòu)。a）上支撐構(gòu)件必須連接在距離前隔板頂端50mm范圍內(nèi)。連接到前環(huán)上距離上側(cè)邊防撞構(gòu)件以上100mm或以下50mm的區(qū)域內(nèi)。如果上支撐構(gòu)件連接在高于上側(cè)邊防撞構(gòu)件100mm的區(qū)域，那么需要合體的三角結(jié)構(gòu)，把載荷轉(zhuǎn)移到主環(huán)，可以通過(guò)上側(cè)邊防撞桿或者另外增加符合T3.4尺寸的桿件，用來(lái)傳遞前隔板支撐上支撐構(gòu)件與前環(huán)連接點(diǎn)處的載荷。

支撐構(gòu)件必須連接前隔板的底板和前環(huán)的底部，斜撐必須上下支撐構(gòu)件中形成正確的三角結(jié)構(gòu)。(8)駕駛艙空間要求為了保證駕駛員的逃生空間和腿部空間，規(guī)則還限定了駕駛艙最小開(kāi)口和駕駛艙內(nèi)部橫截面的空間要求，如圖 7所示，駕駛艙長(zhǎng)*寬*高最小尺寸為：600mm*550mm*350mm，最小前艙長(zhǎng)度不得小于580mm。JL氓wrTTJL氓wrTT50rm*駕駛艙開(kāi)口駕駛艙內(nèi)部橫截面圖7駕駛艙開(kāi)口駕駛艙內(nèi)部橫截面圖7駕駛艙空間要求2.2方程式車架整體參數(shù)外形尺寸(mm)外形尺寸(mm)軸距(mm)前輪距(mm)后輪距(mm)車架質(zhì)量(kg)2000*800*105015251150115525-402.3方程式賽車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示，根據(jù)大賽規(guī)則，初定車架整體結(jié)構(gòu)如圖8,9所示，初定兩種方案，兩方案的區(qū)別于駕駛艙高度不一樣，方案一駕駛艙高，前艙低，方案二駕駛艙低，前艙高，方案二比方案一高200mm，綜合考慮參考各校FSC賽車車架,初選方案二，設(shè)計(jì)車架尺寸如圖10所示：車架總長(zhǎng)約2000mm，前隔板高度約300mm，寬度約300mm；前環(huán)前度約600，寬度約550；上部側(cè)面防撞桿高度

320mm；主環(huán)高度約1050mm,寬度最大處800mm；后艙長(zhǎng)度約500mm,基后部高度約300mm,寬度約620mm。出于輕量化考慮，車架的重量應(yīng)該控制在35kg以內(nèi)，根據(jù)車架的設(shè)計(jì)方案大致估算出車架的質(zhì)量為30kg。1525圖8車架結(jié)構(gòu)草圖方案一圖9車架結(jié)構(gòu)草圖方案二

70⑴前隔板 圖10車架結(jié)構(gòu)圖前隔板在車架的最前端，前跟隔板的作用一個(gè)在于保護(hù)車手腳部免受外界沖擊而受到傷害，前隔板另一個(gè)作用在于可以在前安裝防撞塊做撞擊時(shí)的緩沖作用，前隔板一般設(shè)計(jì)尺寸要小一些，一方面可以減小行駛時(shí)的空氣阻力，另一方面也可以提咼車輛通過(guò)性。查閱相關(guān)論文資料，前隔板設(shè)計(jì)長(zhǎng)寬咼為3OOmm~400mm*250mm?300mm**200mm?350mm范圍內(nèi)，根據(jù)前隔板蜂窩鋁緩沖塊尺寸300mm*250mm*200mm，初步確定前隔板的尺寸為300mm矩形，材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*1.65mm。(2)前艙長(zhǎng)度主要根據(jù)車手腿長(zhǎng)來(lái)確定設(shè)計(jì)，同時(shí)為了滿足不同身高和腿長(zhǎng)的車手的駕駛要求，踏板往往設(shè)計(jì)成前后可調(diào)節(jié)的。前艙過(guò)程中應(yīng)該采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的三角結(jié)構(gòu)，保證整個(gè)機(jī)艙的強(qiáng)度，根據(jù)大賽規(guī)則規(guī)定，前艙的長(zhǎng)度不得小于580mm，故本次設(shè)計(jì)取前艙長(zhǎng)度為650mm,寬度為550mm,材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*1.65mm。(3)前環(huán)賽車還需要適合從第5百分位的女性到第95百分位的男性車手駕駛，因此需要搭接模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖6為男性第95百分位模板位置，在搭載模型獲取基本參數(shù)時(shí)，還需好考慮車手的駕駛姿勢(shì)、駕駛視線、坐姿等人機(jī)工程。在性能和舒適性方面需要做出取舍，數(shù)據(jù)需要不斷調(diào)整。查閱歷屆參賽車架，前環(huán)的寬度范圍：400-600mm，如圖8所示，初步確定前環(huán)的最大寬度為550mm，底部寬度450mm，保證車手的良好視線，前環(huán)高度600mm，半徑R100，材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*2.4mm。側(cè)面防撞桿和駕駛室根據(jù)人體標(biāo)準(zhǔn)尺寸以及大賽規(guī)則取駕駛室長(zhǎng)度為850mm，側(cè)面防撞桿由三根鋼管組成，根據(jù)大賽技術(shù)規(guī)范，上部的側(cè)面防撞桿需在240-320mm的區(qū)域內(nèi)，初定上部側(cè)面防撞桿距離底部的側(cè)面防撞桿座艙內(nèi)最低點(diǎn)高度300mm，材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*1.65mm。主環(huán)查閱歷屆參車架資料，主環(huán)的寬度為550-1000mm之間，高度在1000-1200之間，考慮人體坐姿，初步設(shè)計(jì)主環(huán)草圖如圖9所示，初步確定主環(huán)高度1050mm