大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（整體車架、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)、座椅及附件設(shè)計(jì)）（有cad圖+三維圖+中英文翻譯）帶CAD圖

大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（整體車架、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)、座椅及附件設(shè)計(jì)）（有cad圖+三維圖+中英文翻譯）帶CAD圖,大學(xué)生,方程式賽車,設(shè)計(jì),整體,車架,標(biāo)準(zhǔn),安全,系統(tǒng),座椅,附件,cad,三維,中英文,翻譯 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題目 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（整體車架、標(biāo)準(zhǔn) 安全系統(tǒng)、座椅及附件設(shè)計(jì)） 2013年 5月 30日 方程式賽車整體車架設(shè)計(jì) 摘 要 本文依據(jù)大學(xué)生方程式汽車大賽FSAE賽事技術(shù)規(guī)則對(duì)大學(xué)生方程式賽車整體車架、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)、座椅及附件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及制作。在車架設(shè)計(jì)當(dāng)中不僅需要考慮賽車車架結(jié)構(gòu)合理性以及強(qiáng)度和剛度能否滿足要求，同時(shí)必須考慮賽車發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛員的布置以及賽車各個(gè)總成的布置，最終還必須考慮車架的加工制造的可行性。本文在完全滿足上述要求的前提下對(duì)車架、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)、座椅及附件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 在車架設(shè)計(jì)之初，將方程式汽車大賽的有關(guān)規(guī)定和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，作為后續(xù)車架設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范要求；為了達(dá)到車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的目的，本設(shè)計(jì)參考了湖南大學(xué)、天津大學(xué)以及部分國(guó)外大學(xué)的車架。進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，本設(shè)計(jì)通過(guò)分析比較幾種車架的結(jié)構(gòu)形式，決定選擇桁架式車架,之后選擇車架的材料為4130鋼。然后依據(jù)技術(shù)規(guī)范、賽車的整體布置、發(fā)動(dòng)機(jī)以及各總成的安裝確定車架的具體尺寸，并在UG軟件中建立車架的模型。再對(duì)車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和受力分析，使各總成能合理的布置在車架上，直至車架結(jié)構(gòu)滿足各個(gè)方面的要求。本設(shè)計(jì)還依據(jù)賽事規(guī)則對(duì)標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)、賽車座椅以及附件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和說(shuō)明。 關(guān)鍵詞：FSAE，車架，技術(shù)規(guī)范，安全系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī) I FORMULA SAE—A SPACE FRAME DESIGN ABSTRACT This paper introduces the designing of the FSAE frame, standard secure system, chair and some attachments. This paper is according to the FSAE racing competition technical specifications. When designing the car frame, I not only consider the structure is reasonable or not, but also consider the strength and stiffness are satisfied the requirements or not. At the same time, I must consider car engine, the layout, the racing car driver and arrangement of each assembly. And when I design, I also must consider how to create the frame and some other attachments. At the beginning of design frame, I contesting the relevant provisions and criterion for the frame design provide a standard requirement. In order to make the frame structure designing more reasonable, I referred to the Hunan university, Tianjin university and some foreign universities’ frame. In the stage of designing, after contrasting the frame structure form, I chose be space frame, then select materials for the frame is 4130. After determined the installation position of suspension, according to specification, the overall layout, the car engine and human body model frame size, I make the frame model in UG. Then, I making the whole structure frame optimization for each system can arrangement in the frame reasonable, until the frame structure satisfies all aspects of the request. After those frame structure basic designed, I start to make stress analysis, optimize and comparative analysis. Then I design and introduce the standard secure system, chair and attachments. KEY WORD: FSAE, frame, technical specifications, secure system, engine II 目 錄 前 言 1 第一章 緒 論 2 §1.1 Formula SAE 概述 2 §1.2 中國(guó)大學(xué)生方程式賽車簡(jiǎn)介 2 第二章 車架的設(shè)計(jì)和制造思路 4 §2.1 車架的設(shè)計(jì)思路 4 §2.1.1 車架的功用 4 §2.1.2 對(duì)賽車車架的要求 5 §2.1.3 車架形式的確定 5 §2.2 車架的制造思路 6 §2.2.1 車架材料的選擇 6 §2.2.2 車架的焊接方法 7 第三章 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 §3.1 賽車車架材料的技術(shù)規(guī)范要求 9 §3.2 賽車車架整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10 §3.2.1 車架前環(huán)的設(shè)計(jì) 11 §3.2.2 車架主環(huán)的設(shè)計(jì) 11 §3.2.3 車架其余結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 §3.3 賽車駕駛艙的設(shè)計(jì) 14 §3.4 賽車各系統(tǒng)及零部件在車架上安裝位置的設(shè)計(jì) 15 §3.4.1 懸架系統(tǒng)的安裝位置的設(shè)計(jì) 15 §3.4.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝位置的設(shè)計(jì) 17 §3.4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 18 §3.5 安全系統(tǒng)的要求 19 第四章 車架的綜合實(shí)驗(yàn) 21 §4.1 車架的計(jì)算 21 §4.2 車架的應(yīng)力測(cè)定 22 §4.3 車架應(yīng)力的消除 22 §4.4 車架的剛度測(cè)定 22 §4.5 可靠性與耐久性臺(tái)架試驗(yàn) 23 §4.6 可靠性道路試驗(yàn) 23 第五章 賽車車架的模擬力學(xué)分析和優(yōu)化 24 §5.1 車架在實(shí)際環(huán)境下的受力 24 §5.2 車架力學(xué)分析的必要性 24 §5.3 車架的模擬力學(xué)分析 25 §5.3.1 車架在靜載下的受力情況 25 §5.3.2 車架在翻車條件下的受力情況 26 §5.4 車架的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 27 §5.5 基于有限元分析方法的碰撞塊分析 28 第六章 標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)、座椅及附件設(shè)計(jì) 29 §6.1 標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)的組成 29 §6.1.1 標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)的要求 29 §6.1.2 車手安全帶 30 §6.2 座椅及頭枕的設(shè)計(jì) 31 §6.2.1 座椅的主要部件設(shè)計(jì) 32 §6.2.2 車手頭枕設(shè)計(jì) 34 結(jié) 論 35 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 37 1 前 言 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)是一項(xiàng)具有重要意義的畢業(yè)設(shè)計(jì)。其目的一是重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造能力、成本控制能力和團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺(tái)；二是通過(guò)活動(dòng)創(chuàng)造學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為院校間提供交流平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升。此次設(shè)計(jì)為方程式賽車整體車架和座椅安全附件設(shè)計(jì)，其主要依據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則。眾所周知，車架就是一輛賽車的框架結(jié)構(gòu)，整體車架作為賽車的承載基礎(chǔ)是賽車的主要承載構(gòu)件，其功用是支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速、底盤(pán)和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。另外車架還應(yīng)該具有足夠的剛度和強(qiáng)度，用以保證車架其具有可靠的壽命和最小的變形量。在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，車架還應(yīng)有較小的尺寸和質(zhì)量，以降低整車的質(zhì)量。因此，方程式賽車的車架設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要并且有意義的設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)在參考國(guó)內(nèi)湖南大學(xué)、天津大學(xué)等高校的賽車以及我校前兩代賽車的基礎(chǔ)上，對(duì)車架進(jìn)行尺寸確定以后，用三維建模軟件UG對(duì)車架進(jìn)行初步建模，之后在小組成員的討論研究后，最終確定了車架的方案，并對(duì)整體車架進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更好的滿足方程式汽車大賽的需要并易于加工制造。之后又對(duì)賽車的標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)和座椅附件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，使其完全滿足大賽有關(guān)安全系統(tǒng)的規(guī)則。之后繪制了兩張工程圖紙，以及完成了外文翻譯，最終完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。 ?第一章 緒 論 §1.1 Formula SAE 概述 Formula SAE 賽事由美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（the Society of Automotive Engineers 簡(jiǎn)稱SAE）主辦。SAE 是一個(gè)擁有超過(guò)60000 名會(huì)員的世界性的工程協(xié)會(huì)，致力與海、陸、空各類交通工具的發(fā)展進(jìn)步。 Formula SAE 是一項(xiàng)面對(duì)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)學(xué)生會(huì)員組隊(duì)參與的國(guó)際賽事，于1980 年在美國(guó)舉辦了第一屆賽事。比賽的目的是設(shè)計(jì)、制造一輛小型的高性能賽車。目前美國(guó)、歐洲和澳大利亞每年都會(huì)定期舉辦該項(xiàng)賽事。比賽由三個(gè)主要部分組成：工程設(shè)計(jì)、成本以及靜態(tài)評(píng)比；多項(xiàng)單獨(dú)的性能試驗(yàn)；高性能耐久性測(cè)試。 Formula SAE 發(fā)展的初衷是想創(chuàng)立一個(gè)小型的道路賽車比賽，而現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)擁有大約20個(gè)競(jìng)賽因素的大型比賽，參與者包括賽車和車隊(duì)。Formula SAE 向年輕的工程師們提供了一個(gè)參與有意義的綜合項(xiàng)目的機(jī)會(huì)。由參與的學(xué)生負(fù)責(zé)管理整個(gè)項(xiàng)目，包括時(shí)間節(jié)點(diǎn)的安排，做預(yù)算以及成本控制、設(shè)計(jì)、采購(gòu)設(shè)備、材料、部件以及制造和測(cè)試。Formula SAE 為在傳統(tǒng)教室學(xué)習(xí)中的學(xué)生提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的工程經(jīng)歷。Formula SAE 隊(duì)員在這個(gè)過(guò)程中將會(huì)經(jīng)受考驗(yàn)，面對(duì)挑戰(zhàn)，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。目前美國(guó)、歐洲和澳大利亞每年都會(huì)定期舉辦該項(xiàng)賽事。比賽由三個(gè)主要部分組成：工程設(shè)計(jì)、成本以及靜態(tài)評(píng)比；多項(xiàng)單獨(dú)的性能試驗(yàn)；高性能耐久性測(cè)試。為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計(jì)人員。某一制造公司聘請(qǐng)他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)、制造和論證一輛用來(lái)評(píng)估該公司某一量產(chǎn)項(xiàng)目的原型車。預(yù)期的銷售市場(chǎng)是周末業(yè)余汽車比賽。因此，該車必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。 §1.2 中國(guó)大學(xué)生方程式賽車簡(jiǎn)介 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽是中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)及其合作會(huì)員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美、日、德等國(guó)家相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，精心打造的一項(xiàng)全新賽事。 FSAE活動(dòng)由各高等院校汽車工程或與汽車相關(guān)專業(yè)的在校學(xué)生組隊(duì)參加。FSAE要求各參賽隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，自行設(shè)計(jì)和制造方程式類型的小型單人座賽車，并攜該車參加全部或部分賽事環(huán)節(jié)。比賽過(guò)程中，參賽隊(duì)不僅要闡述設(shè)計(jì)理念，還要由評(píng)審裁判對(duì)該車進(jìn)行若干項(xiàng)性能測(cè)試項(xiàng)目。 中國(guó)大學(xué)生方程式賽車目的主要有： 1、為中國(guó)汽車業(yè)培養(yǎng)人才，改進(jìn)人才培養(yǎng)模式，增強(qiáng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，全面提升學(xué)生的綜合能力。 2、通過(guò)活動(dòng)創(chuàng)造學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為院校間提供交流平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升。 河南科技大學(xué)是一所具有悠久歷史的綜合性大學(xué)，而車輛工程是學(xué)校的老牌專業(yè)，這次學(xué)校組織車隊(duì)參賽對(duì)學(xué)校來(lái)說(shuō)是個(gè)提升知名度的有效契機(jī)，我們車輛專業(yè)將不負(fù)眾望，為學(xué)校建設(shè)一流大學(xué)做出重要貢獻(xiàn)。 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽已在上海成功舉辦過(guò)三次，而我們河南科技大學(xué)河洛風(fēng)賽車隊(duì)也分別于2010年和2011年成功參加了兩次比賽。并且兩次完賽，一共獲得了10項(xiàng)大獎(jiǎng)，取得了驕人的成績(jī)。如今，在我校前兩代賽車的基礎(chǔ)上，我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)是要設(shè)計(jì)是我校河洛風(fēng)第三代賽車，并順利參加大賽。 37 第二章 車架的設(shè)計(jì)和制造思路 §2.1 車架的設(shè)計(jì)思路 車架是支撐賽車的骨架，是賽車的重要組成部分之一。賽車要想做得輕巧靈活，其車架起著至關(guān)重要的作用。車架的作用是支撐賽車其他部件及總成，構(gòu)成賽車的主體，因此，賽車必須能夠容納下賽車的所有部件而且還不能有太多的空間浪費(fèi)。綜上所述，車架設(shè)計(jì)的整體思路是以大賽規(guī)則為依據(jù)，滿足賽車車架強(qiáng)度和剛度的條件下重量達(dá)到最輕，滿足容納下賽車各部件及總成的條件下空間達(dá)到最小。 §2.1.1 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，其功用是支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、底盤(pán)和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)位置在賽車行駛過(guò)程中保持不變并使車身變形量保持在較小范圍內(nèi)；車架也應(yīng)有足夠的剛度，以保證其具有足夠的可靠性和使用壽命，車架的主要零部件在使用期內(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重的變形或者開(kāi)裂。車架剛度不足會(huì)引起賽車整體的震動(dòng)和較大的噪聲，也使汽車輪胎的接地性變差，使賽車的通過(guò)性變壞。在保證強(qiáng)度、剛度滿足要求的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以減少整車質(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。從提高整車的橫梁穩(wěn)定性以及較小縱梁側(cè)裝置的懸架伸出長(zhǎng)度來(lái)看，希望盡可能增大車架寬度，從簡(jiǎn)化制造工藝和避免縱梁寬度轉(zhuǎn)折處引起應(yīng)力集中而導(dǎo)致車架損壞來(lái)看，還要求最好車架前后等寬，但是，考慮到整車的總布置，上述要求往往難以滿足，目前，大學(xué)生方程式賽車應(yīng)用最廣泛的是單體式車架和空間桁架式車架。賽車車架縱梁承擔(dān)了車架受力的大部分，而車架橫梁將左右縱梁連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)框架，不僅用來(lái)保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，而且還用以支撐賽車上的主要部件。 §2.1.2 對(duì)賽車車架的要求 車架應(yīng)滿足大學(xué)生方程式賽車技術(shù)規(guī)范的要求 1、車架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證在各種工況下長(zhǎng)期使用不致發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。 2、具有足夠的剛度，車架應(yīng)保證賽車的正常使用，固定在車架上的各個(gè)總成和部件的相對(duì)位置變化較小，使它們能正常工作。另一方面，當(dāng)車輛在不平道路上行駛時(shí)，為了提高其平順性和通過(guò)能力，要求車架具有一定的柔度，即扭轉(zhuǎn)剛度不宜過(guò)高。 3、車架質(zhì)量要輕，在保證強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡量較少車架質(zhì)量以減低材料消耗，制造成本和提高使用的經(jīng)濟(jì)性。 4、結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，便于制造。此外，簡(jiǎn)單有效地車架能使車架的質(zhì)量和尺寸盡可能的降低。 5、車架要有一定的韌性。 §2.1.3 車架形式的確定 根據(jù)規(guī)則要求，通過(guò)查閱資料，發(fā)現(xiàn)車架的形式有很多種方案可供選擇： 1、一體式金屬車架： 一體式車架就是車身與車架融合成一體的車架，整個(gè)車身的外殼本身就屬于車架的一部分。此種方案可以使得到的車架具有較輕的重量。此種車架大多選用鋼或鋁制成，用焊接或鉚接的方法將各組件連接成一個(gè)整體。但是各組件一般用高壓沖壓機(jī)沖壓而成，這就需要專用的設(shè)備、模具還有較大的配套設(shè)備與資金投入，所以，這種車架適合大批量生產(chǎn)，不適合單件生產(chǎn)。 2、一體復(fù)合材料車架： 此類車架的結(jié)構(gòu)形式與上面的一體式金屬車架相同，只是所選的材料是碳纖維等復(fù)合材料。復(fù)合材料與鋼或鋁相比在同等質(zhì)量下有著更高的強(qiáng)度和剛度。所以此類車架的質(zhì)量與其他車架相比是最輕的。但是生產(chǎn)這類車架需要專用的加工模具，并且如果車架的設(shè)計(jì)發(fā)生修改的話，模具還需重新再造一個(gè)，而且復(fù)合材料的車架不易于修理。這種復(fù)合材料的價(jià)格也十分昂貴，一般只有在不計(jì)成本的F1賽車上才用。 3、桁架式金屬車架： 這種車架就是用很多金屬管焊接成具有空間三角結(jié)構(gòu)的框架。車上其他零部件全都裝在這個(gè)框架上，這種車架生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，不需要特殊的加工技術(shù)與專用的設(shè)備，只用焊接或者鉚接即可完成車架。這種方式加工成本較低，并且對(duì)車架修改或者局部加強(qiáng)十分容易，只需修改金屬管的焊接位置或者加焊金屬管即可。在同等質(zhì)量情況下，桁架式車架往往可以得到比承載式車架更大的剛度。參加FSAE的賽車應(yīng)該從車架強(qiáng)度剛度，加工難易程度，是否需要專用設(shè)備與技術(shù)，材料與加工成本等各方面進(jìn)行綜合考慮，這樣才能使賽車在比賽中有良好的表現(xiàn)。 因?yàn)殍旒苁浇饘佘嚰芫哂辛己玫膭偠群蛷?qiáng)度，加工容易，不用專用的設(shè)備與技術(shù)，材料與加工成本都十分低廉，所以，本賽車選用桁架式金屬車架。 §2.2 車架的制造思路 車架為鋼管焊接而成，由于鋼材在焊接后會(huì)產(chǎn)生較大的熱變形，所以如何控制熱變形也成了車架制造需要首先考慮的問(wèn)題。根據(jù)這個(gè)問(wèn)題，車架制造的整體思路確定為先選用合適的材料，再設(shè)計(jì)合適的夾具以及采取合適的焊接工藝來(lái)保證車架焊接后的熱變形影響最小。 §2.2.1 車架材料的選擇 由于車架是金屬管焊接而成，為了滿足車架的剛度強(qiáng)度輕量化和減小焊接時(shí)的熱變形，車架材料的選擇起著至關(guān)重要的作用。 表2-1 各種鋼材性質(zhì)比較表 材料 抗拉強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度 斷后伸長(zhǎng)率 斷面收縮率 焊接性 4130# 410 245 25% 55% 很好 30# 490 295 21% 50% 一般 45# 600 355 16% 40% 一般 30CrMo 930 785 12% 50% 焊后易冷裂 35CrMo 985 835 12% 45% 焊接性較差 鋼材是桁架式車架中最常用的材料，它具有較好的力學(xué)性能，并且焊接后也能夠保持其原有的基本力學(xué)性能。鋼材是最常用的金屬材料之一，具有價(jià)格便宜，易于購(gòu)買，加工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。在規(guī)則當(dāng)中，基本材料就是鋼材。基于鋼材的這些優(yōu)點(diǎn)，我決定選用鋼材作為車架的材料。由于鋼材的種類很多，我需要在其中選擇最適宜的材料。表2-1中給出了幾種鋼材的性質(zhì)。 從表2-1我們可以看出，待選的幾種鋼材屈服強(qiáng)度逐漸增加，但是材料的韌性逐漸下降，隨之焊接性也變得不好，由于車架為焊接而成，所以材料的焊接性與焊后力學(xué)性能成為重要的考慮因素。像表中的45#中碳鋼，其材料的焊接性就較為一般，焊后接口區(qū)域性能不好。如30CrMo，雖然其強(qiáng)度與剛度較高，但其焊接性能普遍不好，并且焊接復(fù)雜，需要采用氬弧焊等專業(yè)焊接方式，焊接之后材料容易出現(xiàn)冷冽的狀況。基于這些情況，為了保證焊接出來(lái)的車架能滿足要求，我們選擇了焊接性能比較好的4130#作為車架材料，雖然其強(qiáng)度與剛度在待選金屬中較低，但其焊接性較好，焊接后性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜，易于購(gòu)買，焊接工藝簡(jiǎn)單。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，參加FSAE大賽的賽車車架材料確定為4130#。 §2.2.2 車架的焊接方法 桁架式車架是通過(guò)許多鋼管焊接而成的，要制造成一個(gè)完整的車架，就必須對(duì)車架的焊接工藝提出一定的要求。 首先，要消除影響車架精度的誤差，即測(cè)量誤差和焊接變形。必須先找到合適的測(cè)量基準(zhǔn)。基準(zhǔn)的選取有助于降低或消除影響車架精度的誤差。 其次，在車架的焊接過(guò)程中，模具和夾具也是非常重要的環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)采用根據(jù)車架的結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)夾具的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)車架的定位。先選取一塊平整的厚鋼板作為基座，然后將車架最底層平面結(jié)構(gòu)搭建出來(lái)并固定在基座上，然后再根據(jù)車架的具體結(jié)構(gòu)一塊一塊將其固定并夾緊。最后將所有定位好的鋼管通過(guò)點(diǎn)焊焊接成一體的車架。由于點(diǎn)焊的焊點(diǎn)很小，幾乎不會(huì)造成焊接變形而引起的定位失位，所以只要盡可能的保證夾具的夾緊力滿足要求，即可完成車架的搭建。 最后，在完成車架的搭建之后，復(fù)查所有的關(guān)鍵尺寸，如果沒(méi)有問(wèn)題，則在每個(gè)管件接頭位置用點(diǎn)焊方法進(jìn)行加固，對(duì)管件比較多的連接點(diǎn)位置可增加專門的桿件進(jìn)行加固和支撐。在完成所有加固之后，即可開(kāi)始對(duì)車架的所有接頭進(jìn)行焊接。在焊接順序上應(yīng)注意做到左右對(duì)稱，在焊接中要有意識(shí)的減慢焊接速度，在多管接頭處焊一段應(yīng)冷卻一段時(shí)間繼續(xù)焊，以減小變形和應(yīng)力。完成所有接頭的焊接后，檢查是否有漏焊發(fā)生，檢查后用氧炔焰對(duì)焊點(diǎn)及附近的管件進(jìn)行加熱，以消除焊接應(yīng)力。在完成車架的焊接之后，就可以進(jìn)入整車的裝配，根據(jù)各個(gè)部件的安裝位置，在車架上點(diǎn)焊安裝各種接頭、連接件及底座。當(dāng)所有直接于車架連接的部件都安裝上且位置無(wú)誤之后，拆除所有部件，加固所有增加的連接附件后進(jìn)行焊接。焊接的注意事項(xiàng)在之前已敘述過(guò)。在完成所有的焊接工作之后，涂刷防銹漆和表面漆，最終完成車架的焊接。 第三章 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 車架設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是將車手、發(fā)動(dòng)機(jī)和懸架連接點(diǎn)安排在它們各自理想的位置上。這些系統(tǒng)決定了車架最基本的結(jié)構(gòu)和形狀。空間框架結(jié)構(gòu)的車架制造成本低，方便維護(hù)，同時(shí)比較適合承受集中載荷。懸架和車架的連接點(diǎn)、搖臂盤(pán)、以及其他受力點(diǎn)都盡可能地布置在靠近車架節(jié)點(diǎn)地位置，以便減小應(yīng)力矩和位置誤差。車架盡量多地采用承載軸向載荷的部件以便最大程度地增加單位質(zhì)量所表現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)度。 大學(xué)生方程式賽車的車架是賽車的整體外形框架，它的設(shè)計(jì)的可以很大程度的決定賽車的外形特征，個(gè)性、美化的車架加上車身很容易給人以震撼的感覺(jué)，同時(shí)也更容易給人以好感。但是，大學(xué)生方程式賽車車架的設(shè)計(jì)同時(shí)也必須考慮一定的因素:必須滿足駕駛艙以及發(fā)動(dòng)機(jī)放置的要求必須滿足賽車整體框架以及賽車軸距的要求，，必須滿足賽車各個(gè)系統(tǒng)如懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等的要求，必須滿足賽車安全系統(tǒng)等等的要求。 §3.1 賽車車架材料的技術(shù)規(guī)范要求 根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，大學(xué)生方程式賽車車架的基準(zhǔn)鋼鐵材料的最低材料要求。賽車的基本結(jié)構(gòu)必須為如下材料制作：圓形、低碳鋼或合金鋼管。最小直徑如下表3-1。 表3-1 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*2.5mm 側(cè)防撞結(jié)構(gòu)、前隔板、防滾架支撐、車手約束部件安裝環(huán) 25.4mm*1.65mm或 25.0mm*1.75mm或 25.4mm*1.60mm 前隔板支撐 25.4mm*1.25mm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 另外，規(guī)則中除了主環(huán)和主環(huán)支架必須用鋼材外，其它可以使用替代的管件和材料，但是已被焊接的鈦管不能在基本結(jié)構(gòu)中使用，這包括支架和管件之間的連接件或其他部件和管件之間的連接件。替代鋼管最小壁厚如下表3-2： 表3-2 最小壁厚要求 材料和用途 最小壁厚 主環(huán)、前環(huán)鋼管 2.0mm 防滾架支撐、前隔板、車手約束連接件 1.6mm 側(cè)防撞結(jié)構(gòu)和前隔板支撐鋼管 1.2mm 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，必須保持鋼材相同的橫截面積。 根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，以及表3-1、3-2中車架各部分的管件的外徑和壁厚，又綜合考慮到降低車架重量的要求，本設(shè)計(jì)采用兩種規(guī)格的管材，分別是：25.4mm×2.4mm和25.4mm×1.25mm。 §3.2 賽車車架整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 賽車整體結(jié)構(gòu)對(duì)賽車車架的設(shè)計(jì)有很大影響。賽車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須考慮賽車整體結(jié)構(gòu)的布置：駕駛艙的布置，發(fā)動(dòng)機(jī)的布置，水箱油箱的布置，軸距的分配，輪距的大小等。 賽車車架主要是由三個(gè)防滾架以及必要的支撐包圍的結(jié)構(gòu)，如圖3-1。賽車防滾架是一組鋼管組合件（有可拆卸和不可拆卸兩種），使用冷拔無(wú)縫碳素鋼管彎制而成，安裝時(shí)一根一根按照車廂內(nèi)部的輪廓進(jìn)行連接或焊接的。如果去掉車身外殼，所看見(jiàn)的就是一個(gè)由數(shù)根鋼管搭建的金屬籠子。防滾架所用的鋼管材質(zhì)和抗扭曲度是根據(jù)車身重量而定的，一般要能夠承受兩倍以上車身重量的沖擊。由于場(chǎng)地賽的路面較平，基本沒(méi)有落差，相比之下在野外進(jìn)行的拉力賽和越野賽更容易發(fā)生翻車事故，車身?yè)p壞就會(huì)大一些。因此拉力賽車和越野賽車防滾架的強(qiáng)度（強(qiáng)度和場(chǎng)地賽沒(méi)分別）更高，管件構(gòu)造更密集。賽車的防滾架，除了應(yīng)付意外情況以外，還可以起到增強(qiáng)車身強(qiáng)度和抗扭曲度的作用。因?yàn)榉罎L架的焊接固定均是選取車身底盤(pán)比較堅(jiān)固、承重的位置，比如底盤(pán)框架鋼梁，以及前后避震器座。對(duì)于賽車來(lái)說(shuō)，原裝的車廂就好像是一個(gè)盒子，在激烈操控的時(shí)候很容易發(fā)生扭曲變形，而防滾架撐起的骨架比車廂堅(jiān)固很多，因此即使車輛頻繁地顛簸跳躍，來(lái)自地面的沖擊力都會(huì)分散一部分到防滾架上，對(duì)車體就起到了很好的保護(hù)作用。賽車防滾架既可焊接固定，也可用螺栓固定，或者兩種方法混合使用。防滾架安裝時(shí)，應(yīng)盡可能靠近車體。車手所坐的區(qū)域是最重要的，因此該區(qū)域的防滾架搭建也是最重要的。主體防滾護(hù)欄、支撐杠（B柱間的主框架）、允許使用的加強(qiáng)支撐杠在與車體連接固定時(shí)，必須盡可能選擇車體堅(jiān)固受力的地方，其固定點(diǎn)必須裝有一塊加固板。在車手身體、頭盔可能同防滾架接觸的位置必須加設(shè)不易燃的柔性防護(hù)墊。另外，必須使用冷彎法制作防滾護(hù)欄的拐角處，如鋼管在彎曲時(shí)形成橢圓，則鋼管變形的比率必須在0.9以上。有了防滾架，車子遇到撞擊、翻滾等嚴(yán)重事故時(shí)，即使車身外部慘不忍睹，車內(nèi)的車手也會(huì)安然無(wú)恙。 §3.2.1 車架前環(huán)的設(shè)計(jì) 大賽規(guī)則有關(guān)前環(huán)的要求有： 1、前環(huán)必須由封閉的金屬管件構(gòu)成； 2、禁止前環(huán)使用復(fù)合材料； 3、前環(huán)必須從車架單元一側(cè)的最低端，向上繞過(guò)車架后再連接到另一側(cè)車架的最低端； 4、若是采用合適的節(jié)點(diǎn)和三角板結(jié)構(gòu)，允許把前環(huán)設(shè)計(jì)成多段組合的管件； 5、前環(huán)的最高點(diǎn)必須在任何角度下高于方向盤(pán)的最高點(diǎn)； 6、前環(huán)與方向盤(pán)前的距離不得超過(guò)250mm（9.8英寸）； 根據(jù)大賽規(guī)則，本設(shè)計(jì)的前環(huán)由尺寸規(guī)格為25.4mm×2.4mm的鋼管制成。并且前環(huán)由一根鋼管彎成。其具體尺寸為：前環(huán)總高590mm，彎折處的圓弧半徑為200mm。前環(huán)平面與水平方向程10度傾角。這樣設(shè)計(jì)的目的就是方便加工制造，并且模具和夾具也好設(shè)計(jì)。 §3.2.2 車架主環(huán)的設(shè)計(jì) 大賽規(guī)則有關(guān)主環(huán)的要求有： 1、主環(huán)必須由一根未切割的，連續(xù)的，封閉的鋼管構(gòu)成； 2、禁止使用鋁合金、鈦合金或其他復(fù)合材料； 3、主環(huán)必須從車架一側(cè)的最低處向上延伸，越過(guò)車架，再到達(dá)另一側(cè)的車架最低處； 4、從車的側(cè)視圖看，主環(huán)位于車架主體結(jié)構(gòu)的安裝點(diǎn)以上的部分必須在與豎直方向上的傾斜角在10度的范圍以內(nèi)； 5、正視圖時(shí)，主環(huán)的垂直構(gòu)件必須至少遠(yuǎn)離主環(huán)與框架主體結(jié)構(gòu)的接合點(diǎn)380mm。 根據(jù)規(guī)則要求，本設(shè)計(jì)的主環(huán)選用一根同前環(huán)材料與規(guī)格相同的管件彎折而成。其具體尺寸為：主環(huán)中心線總高1050mm，寬660mm，主環(huán)有四處彎折，半徑均為100mm，彎折處距底邊高550mm。主環(huán)平面與水平面垂直，沒(méi)有傾斜角度。在主環(huán)中部位置增加一根橫桿，用于安裝座椅和安全附件。主環(huán)這樣設(shè)計(jì)既滿足了大賽規(guī)則要求，又方便加工制造，并且模具和夾具也容易設(shè)計(jì)，在焊接車架時(shí)也提供一定的方便。 §3.2.3 車架其余結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圖3-1 賽車車架的基本結(jié)構(gòu) 發(fā)動(dòng)機(jī)如圖3-2所示，尺寸為610x587x519mm，為了是賽車整體尺寸降低，采用發(fā)動(dòng)機(jī)橫置，鏈傳動(dòng)的形式，因此，賽車車架主環(huán)到后軸的距離至少為600mm。當(dāng)采用鏈傳動(dòng)時(shí)，為了較好的傳動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭盤(pán)的中線到后軸中線的水平距離至少為360mm，由發(fā)動(dòng)機(jī)的形式，發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭盤(pán)面到發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)的端面的距離為200mm，因此，車架主環(huán)到后軸中線的距離至少為600+（360-200）=760mm。由人體工程學(xué)，65Kg，165mm的人以自然的駕駛姿勢(shì)駕駛時(shí)，腳尖距離后背最后點(diǎn)的距離大致為1170mm。另外，制動(dòng)踏板以及制動(dòng)輪缸的最前端距離腳尖大概有350mm的距離。由于后懸架的上叉臂的張開(kāi)寬度約為200mm，因此，后軸軸線距離車架最后端的距離至少100mm。因此，車架的長(zhǎng)度約為350+1170+760+100=2380mm. 寬度方向上，內(nèi)操縱艙必須能讓一個(gè)自由垂直的橫斷面如3-3的模板水平通過(guò)，故內(nèi)操縱艙車架最窄處應(yīng)至少為420mm。主環(huán)底部，至少大于發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度尺寸587mm，考慮到油箱和水箱放置于發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)，故主環(huán)應(yīng)留有約為660mm的寬度。 高度方向上，安裝懸架位置點(diǎn)，即上下叉臂高度約為210-220mm之間。 主環(huán)高度最高，由于人體自然駕駛姿勢(shì)駕駛時(shí)坐高約為850mm，而且主環(huán)最高點(diǎn)與前環(huán)最高點(diǎn)連線至少高于頭頂50.8mm，因此，主環(huán)高度約為1050mm。 圖3-2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型 圖3-3 內(nèi)駕駛艙檢測(cè)板 圖3-4 駕駛艙檢測(cè)板 §3.3 賽車駕駛艙的設(shè)計(jì) 駕駛艙的設(shè)計(jì)主要使駕駛員有一個(gè)相對(duì)安全的的環(huán)境，同時(shí)駕駛艙是駕駛員操縱車輛的地方，駕駛艙太小的話會(huì)影響駕駛員的操縱靈活性。如果長(zhǎng)時(shí)間坐于過(guò)小的駕駛艙會(huì)對(duì)駕駛員的身體有一定程度的損害；駕駛艙過(guò)大的話既浪費(fèi)了材料，又增加了車重。因此，駕駛艙的設(shè)計(jì)對(duì)賽車車架的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。 駕駛艙的要求至少能讓65Kg，165mm人體坐進(jìn)去。同時(shí)大賽規(guī)則要求，必須滿足一標(biāo)準(zhǔn)版，如圖3-3，被水平拖著，并且垂直插入直到它穿過(guò)側(cè)邊防撞結(jié)構(gòu)的頂部管件的底部。由于主環(huán)處最寬，定義了約為65mm左右。而由板的形狀，駕駛艙底部可以做成梯形以較少材料，降低車重。故前環(huán)與側(cè)防撞最高車管件的焊接處距離主環(huán)的水平距離至少為400mm。 內(nèi)艙為駕駛員操縱制動(dòng)系統(tǒng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的地方，主要為制動(dòng)踏板和油門、離合器踏板。 人體自然駕駛時(shí)腳尖距離后背最后點(diǎn)約為1170mm；有技術(shù)規(guī)范，車架前環(huán)的支架必須延伸到駕駛員前部，因此，前環(huán)支架在車架中心線的投影，至少在駕駛員腳的前部。 又由圖3-4，又考慮到駕駛艙的操作間隙，主環(huán)與前環(huán)之間的距離至少為700mm，可以大致確定前環(huán)與前環(huán)支架的距離約為500mm。 §3.4 賽車各系統(tǒng)及零部件在車架上安裝位置的設(shè)計(jì) 車架是賽車的整體框架，賽車的各個(gè)系統(tǒng)都在車架上直接或者間接固定，各個(gè)系統(tǒng)的布置位置都有一定的要求。一個(gè)合格的車架必須滿足各個(gè)系統(tǒng)直接或者間接的固定要求。 §3.4.1 懸架系統(tǒng)的安裝位置的設(shè)計(jì) 懸架系統(tǒng)是賽車的重要總成之一，它把車架與車輪彈性的連接起來(lái)。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此產(chǎn)生的承載系統(tǒng)的震動(dòng)，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證賽車的操縱穩(wěn)定性，是賽車獲得良好的行使能力。懸架系統(tǒng)與車架焊接位置，很大程度的影響了懸架系統(tǒng)的工作性能，懸架系統(tǒng)對(duì)車架也有相當(dāng)精密的我要求。 前懸架的安裝如圖3-5: 圖3-5 前懸架的安裝示意圖 前懸架上下叉臂的高度為214mm，前上叉臂的張開(kāi)寬度為128.95mm，前下叉臂的張開(kāi)寬度為202.94mm。在車架投影面上，前上叉臂的中線在車輪前軸線前0.87mm處，前下叉臂的中線在車輪前軸線后0.87mm處。車架上放置兩個(gè)前下懸架的焊點(diǎn)寬度為430mm，而在地面的投影面上，前下叉臂的中線要比前下叉臂的中線長(zhǎng)104.38mm。前懸架的上下叉臂如圖3-6和3-7所示。 因此為滿足前懸架的要求，車架上叉臂安裝點(diǎn)必須要有高為199.5mm，下部寬為430mm，上部寬度為430+2×104.3=638.6mm。 車架前懸架支座的安裝應(yīng)在兩根水平的車架管件上，且上部的管件長(zhǎng)度不能少于前上叉臂的張開(kāi)寬度，下部的安裝管件長(zhǎng)度不能少于前下叉臂的張開(kāi)寬度。 圖3-6 前上叉臂 圖3-7 前下叉臂 后懸架的安裝如圖3-8： 后懸架上下叉臂的高度為220mm，后上叉臂的張開(kāi)寬度為172.16mm，后下叉臂的張開(kāi)寬度與后上叉臂的張開(kāi)寬度相等，如圖3-9。在車架投影面上，后上叉臂的中線在車輪前軸線前0.87mm處，后下叉臂的中線在車輪前軸線后0.87mm處。車架上放置兩個(gè)后下懸架的焊點(diǎn)寬度為460mm。 圖3-8 后懸架的安裝示意圖 圖3-9 后懸架叉臂 因此為滿足前懸架的要求，車架上上下叉臂支座必須要有高199.5mm。鑒于后上叉臂和后下叉臂的張開(kāi)寬度相等，為了節(jié)約材料，同時(shí)減少車的總長(zhǎng)，可以將叉臂支座固定于車架上的在豎直平面內(nèi)的管件上，且此兩管件的距離應(yīng)滿足叉臂張開(kāi)寬度的要求。 §3.4.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝位置的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)保持或者改變賽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在賽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車架上不同的固定位置不僅對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)向力有影響，而且對(duì)轉(zhuǎn)向的靈敏性有影響。方向盤(pán)以及轉(zhuǎn)向柱如圖3-10所示。 大學(xué)生方程式賽車技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，車架前環(huán)與轉(zhuǎn)向盤(pán)之間的最近距離不能少于250mm，而且，車架前環(huán)在任何方向上都不能低于方向盤(pán)。由于齒輪齒條包與方向盤(pán)的高度距離為541mm，考慮到齒輪齒條包不能是其他系統(tǒng)的最低點(diǎn)以及其在車架上的安裝位置的高度的影響，前環(huán)應(yīng)高于541mm。又由于轉(zhuǎn)向立柱應(yīng)固定于車架上，考慮到方位上的因素，可以從前環(huán)支架上伸出兩根管件與轉(zhuǎn)向柱的固定支座相焊接配合。 圖3-10 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)示意圖 §3.4.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 傳動(dòng)系統(tǒng)是位于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車輪之間的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，其基本功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力依次經(jīng)過(guò)離合器、變速器、由萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸組成的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置一鍵安裝在驅(qū)動(dòng)橋中的主減速器、差速器和半軸，最后傳給驅(qū)動(dòng)車輪。傳動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)減速增矩、實(shí)現(xiàn)汽車變速和到倒駛、在必要時(shí)中斷動(dòng)力傳遞，同時(shí)還應(yīng)使驅(qū)動(dòng)車輪具有差速作用。 為了主加速器，車架尾部的下部必須設(shè)計(jì)兩根橫桿或者焊接一個(gè)底板，且為了和主加速器包的軸承支撐相配套，兩橫鋼管的距離應(yīng)為111.5mm。如圖3-11。 圖3-11 主減速器模型圖 §3.5 安全系統(tǒng)的要求 安全系統(tǒng)是駕駛員生命安全的一大重要保障。賽車的安全系統(tǒng)存在于賽車的各個(gè)方面，但主要分為前防撞結(jié)構(gòu)和側(cè)防撞結(jié)構(gòu)。 賽車的車頭位置主要為駕駛員的雙腳和腿部，為了駕駛員的安全考慮，必須使駕駛員的雙腳包裹在賽車框架的主體結(jié)構(gòu)之中，而且，當(dāng)駕駛員的腳接觸制動(dòng)踏板時(shí)，不論從側(cè)面還是前面來(lái)看，駕駛員的任意部分都不準(zhǔn)伸出或者高于車架之外。同時(shí)，在賽車的前隔板之前，必須要有能量吸收裝置以防止撞車時(shí)損害駕駛員的腳和腿部，為了使能量吸收裝置有足夠的緩沖作用，必須要求能量吸收裝置: 1、沿車架中心軸線方向至少200mm， 2、至少高100mm、寬200mm，而且至少在前隔板前200mm， 3、為了不使能量吸收裝置在撞車之后穿破前隔板傷到駕駛員，前隔板必須要有足夠的厚度和強(qiáng)度，4、技術(shù)規(guī)范中要求，能量吸收裝置和前隔板必須是直接并且安全的連接在一起，而不是一個(gè)非結(jié)構(gòu)性部件，5、同時(shí)，為了放屁安心和偏軸線的撞擊，能量吸收裝置的安裝必須為橫向和垂直載荷提供一個(gè)足夠的卸載路徑。 車架的側(cè)防撞結(jié)構(gòu)主要保護(hù)駕駛員的身體不在撞車時(shí)受到傷害。因此，1、當(dāng)駕駛員以普通駕駛姿勢(shì)乘坐時(shí)，側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須有至少三根管件位于駕駛員的兩側(cè)，如圖3-12， 2、這三根管位置為：上部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)以及前環(huán)相連接，當(dāng)一個(gè)77Kg的駕駛員以普通姿勢(shì)乘坐時(shí)，該管件的位置必須在離地300mm到350mm之間；底部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)和前環(huán)相連接；側(cè)面對(duì)角側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須連接位于主環(huán)前部、前環(huán)后部的上部和下部的側(cè)防撞單元。同時(shí)，翻車時(shí)駕駛員的任何部位都不能接觸地面，因此，前環(huán)頂端和主環(huán)頂端的連線必須高于駕駛員頭盔頂端至少50.8mm。 圖3-12 側(cè)防撞管件的位置 圖3-13 方程式賽車車架初步設(shè)計(jì)模型 綜上，方程式賽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)模型如圖3-13所示。對(duì)于賽車車架的計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)度和剛度的校核以及賽車車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)在下面會(huì)有詳盡敘述，這里就不再贅述。 第四章 車架的綜合實(shí)驗(yàn) 在車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成，確認(rèn)車架各個(gè)部件尺寸無(wú)誤之后，就可以對(duì)車架進(jìn)行加工和制造了。但是加工制造的車架是否能滿足賽車各項(xiàng)目的要求，還需對(duì)車架進(jìn)行一系列的綜合實(shí)驗(yàn)，例如車架的應(yīng)力測(cè)定、強(qiáng)度及剛度測(cè)定、耐久性實(shí)驗(yàn)、可靠性道路實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)不僅對(duì)車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)有所幫助，而且對(duì)車架的加工制造也有影響。 §4.1 車架的計(jì)算 大學(xué)生方程式賽車車架具有一定的強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度，其車架計(jì)算的主要任務(wù)是： 1、確定賽車滿載時(shí)在不平度很小的平坦路面上以需要考慮動(dòng)載荷的足夠高的車速行駛時(shí)，車架元件的應(yīng)力。 2、確定車架上所有元件中應(yīng)力最大的元件，以及其危險(xiǎn)截面。 3、確定各個(gè)系統(tǒng)與車架相連接位置的應(yīng)力是否滿足要求。 為了不僅評(píng)價(jià)車架的柔度以及作用在車元件上的應(yīng)力，而且要弄清變形和應(yīng)力突變處的危險(xiǎn)截面以及它們沿車架長(zhǎng)度的變化情況，則應(yīng)對(duì)通過(guò)特征點(diǎn)的一系列橫向平面處的車架撓度、扭轉(zhuǎn)角和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果最好能用沿車架長(zhǎng)度繪制出的撓度、轉(zhuǎn)角和應(yīng)力圖表達(dá)出來(lái)。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將車架看作為平面結(jié)構(gòu)，而車架縱、橫元件的交接處的交角認(rèn)為是剛性的且認(rèn)為車架元件在兩結(jié)點(diǎn)之間的全長(zhǎng)的慣性矩不變，并取為該元件慣性矩的平均值。 最簡(jiǎn)單的車架的計(jì)算，是在對(duì)稱載荷（彎曲）作用下簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單元件的應(yīng)力。 在反對(duì)稱載荷(彎曲)作用下，車架是一個(gè)靜不定系統(tǒng)，用材料力學(xué)教程中的一些方法求解一靜不定關(guān)系的各個(gè)元件的應(yīng)力和變形時(shí)計(jì)算十分復(fù)雜，工作量很大。然而，如果對(duì)系統(tǒng)作某些假設(shè)則可使計(jì)算簡(jiǎn)化。由于本設(shè)計(jì)對(duì)車架進(jìn)行了有限元分析，所以車架的具體計(jì)算在此不作詳細(xì)敘述。 §4.2 車架的應(yīng)力測(cè)定 對(duì)車架的應(yīng)力測(cè)定可以較快的得出其應(yīng)力分布情況，找出薄弱環(huán)節(jié)和產(chǎn)生的原因以及改進(jìn)后的效果。除了進(jìn)行靜彎曲和靜扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力測(cè)定外，還以整車在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上、試車場(chǎng)以及在使用條件下進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定。這對(duì)車架的設(shè)計(jì)定型很有指導(dǎo)作用。 §4.3 車架應(yīng)力的消除 對(duì)于車架這種大型焊接件采用自然時(shí)效、回火時(shí)效來(lái)消除焊接應(yīng)力收效甚微，必須采用共振時(shí)效來(lái)消除或者降焊接應(yīng)力，具體措施如下：用一臺(tái)振動(dòng)頻率為50～90 Hz，激振力可達(dá)500～900 KN的機(jī)械激振器，將車架放在大與車架的平臺(tái)上，用彈性墊將其支撐牢固，最佳支撐位置在振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)上。并將激振器牢固地安裝在車架上，其位置應(yīng)選在振峰附近，而不能裝在節(jié)點(diǎn)附近，開(kāi)動(dòng)激振器，調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)與工作頻率一致時(shí)，引起共振；通過(guò)改變激振器的偏心距來(lái)調(diào)節(jié)激振力，對(duì)車架來(lái)說(shuō)應(yīng)力應(yīng)控制在50～100 N/mm2范圍內(nèi)，一般需要維持共振狀態(tài)15～20min。通常對(duì)于較輕的賽車車架，可采用并聯(lián)或聯(lián)法放在平臺(tái)上進(jìn)行。 §4.4 車架的剛度測(cè)定 包括對(duì)車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定車架的彎曲剛度時(shí)，是在前后軸處設(shè)置剛性支撐并模擬實(shí)際負(fù)荷情況下加載。測(cè)定車架的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，因注意車架在試驗(yàn)臺(tái)上的緊固情況，以避免試驗(yàn)裝置對(duì)其剛度產(chǎn)生影響，也要明確試驗(yàn)條件，并測(cè)出裝置這些有關(guān)條件前后即在不同實(shí)驗(yàn)條件下的剛度變化情況， 車架的扭轉(zhuǎn)剛度，由于整車總布置和機(jī)構(gòu)上的需要，車架縱向元件與橫向元件的形狀以及連接形式不盡相同，因此，難以利用解析法來(lái)較準(zhǔn)確的計(jì)算車架的扭轉(zhuǎn)剛度。盡管國(guó)外對(duì)車架扭轉(zhuǎn)剛度的問(wèn)題，在理論分析上做過(guò)不少的嘗試，但所提出的計(jì)算公式都有一定的局限性，一般只能用作定性比較的計(jì)算，最后還是要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)予以定量的確定。所謂“車架的扭轉(zhuǎn)剛度”，通常系統(tǒng)的指前后軸之間那一段車架而言，由于縱向元件不是常截面，而且，橫向元件也不是等距布置的相同截面，所以實(shí)際上扭轉(zhuǎn)剛度沿車架長(zhǎng)度不能保持為常數(shù)。 §4.5 可靠性與耐久性臺(tái)架試驗(yàn) 包括車架的彎曲疲勞試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，等副度試驗(yàn)臺(tái)是較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置，有機(jī)械式、液壓式和激振式，常用作進(jìn)行車架的對(duì)比試驗(yàn)，程控疲勞試驗(yàn)臺(tái)能更好的模擬車架在實(shí)際使用中的載荷，后者常用于整車狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)。 §4.6 可靠性道路試驗(yàn) 讓滿載的賽車行駛于試車場(chǎng)專門路段上來(lái)進(jìn)行車架的彎曲疲勞試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。 隨著優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性道路設(shè)計(jì)與有限元分析等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與分析技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)車架進(jìn)行多方案的分析和優(yōu)選，可使試驗(yàn)費(fèi)用減到較低程度，但車架設(shè)計(jì)的最終評(píng)價(jià)仍要以試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。 第五章 賽車車架的模擬力學(xué)分析和優(yōu)化 §5.1 車架在實(shí)際環(huán)境下的受力 車架在實(shí)際環(huán)境下要面對(duì)的4種力：1、負(fù)載彎曲，從字面上就可以十分容易的理解這個(gè)壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過(guò)輪軸傳到地面。而這個(gè)壓力，主要會(huì)集中在軸距的中心點(diǎn)。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強(qiáng)的剛度。2、非水平扭動(dòng)，當(dāng)前后對(duì)角車輪遇到道路上的不平而滾動(dòng)，車架的梁柱便要承受這個(gè)縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。3、橫向彎曲，所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時(shí)重量的慣性（即離心力）會(huì)使車身產(chǎn)生向彎外甩出的傾向，而輪胎的抓著力會(huì)和路面形成反作用力，兩股相對(duì)的壓力將車架橫向扭曲。4、水平菱形扭動(dòng)，因?yàn)檐囕v在行駛時(shí)，每個(gè)車輪因?yàn)槁访婧托旭偳闆r的不同，每個(gè)車輪會(huì)承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這種情況就好像將一個(gè)長(zhǎng)方形拉扯成一個(gè)菱形一樣。 §5.2 車架力學(xué)分析的必要性 車架的主要作用是與汽車其他總成裝配起來(lái)組成汽車整體。如懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、座椅、踏板等等。并且車架還承受各個(gè)總成部件傳來(lái)的力，使汽車的各總成良好的工作。所以，車架是汽車的一個(gè)主體部分。方程式賽車的車架是一個(gè)空間桁架結(jié)構(gòu)，需要較強(qiáng)的力學(xué)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及校核。由此看出，對(duì)FSAE賽車車架進(jìn)行力學(xué)分析對(duì)于車架的設(shè)計(jì)是十分重要且必要的。 車架的受力主要來(lái)自車手和發(fā)動(dòng)機(jī)的重力以及懸架等各總成傳過(guò)來(lái)的地面反作用力。經(jīng)過(guò)之前設(shè)計(jì)出來(lái)的車架模型，可將車架可導(dǎo)入三維分析軟件，加載重力并夾持住懸架受力點(diǎn)進(jìn)行受力分析，找出危險(xiǎn)截面。即為對(duì)賽車車架的靜載分析，是車架力學(xué)分析中的一個(gè)重點(diǎn)。最后根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整管件布局、改變管件或增加管件等以降低最大應(yīng)力，提高整車安全性。 車架的靜載分析十分重要，整車的模態(tài)計(jì)算是不能忽視的。根據(jù)模態(tài)計(jì)算的結(jié)構(gòu)，可以以其為基礎(chǔ)強(qiáng)化車體，盡量讓車體各階頻率避開(kāi)地面的輸入頻率和發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作頻率。 由于車架需要承受一定的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，所以必須保證車架有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度，因此還需對(duì)車架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的分析與校核。 §5.3 車架的模擬力學(xué)分析 在本文的分析中，車架先在UG中建模，然后對(duì)其進(jìn)行模擬力學(xué)分析。根據(jù)車架的受力特點(diǎn)，分別對(duì)車架的各個(gè)部分進(jìn)行加載，建立有限元模型，并進(jìn)行分析。根據(jù)所計(jì)算出的應(yīng)力分布圖對(duì)車架進(jìn)行調(diào)整和強(qiáng)度校核。在以下內(nèi)容中，主要涉及到車架在靜力作用下的變形和應(yīng)力狀態(tài)的計(jì)算、在賽車翻車時(shí)車架各個(gè)部分的變形和應(yīng)力狀態(tài)的計(jì)算、整車的模態(tài)計(jì)算和扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算。 §5.3.1 車架在靜載下的受力情況 根據(jù)賽車各個(gè)部分的安裝情況，車架在靜力狀態(tài)下受到如下的各個(gè)力：賽車前部的配重力、車身重力、賽車手的重力、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的重力、車架自重、賽車后部的配重力等等。這些是主要受力部分。在分析受力的時(shí)候，先導(dǎo)入幾何模型。然后對(duì)模型進(jìn)行單元設(shè)置，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)劃分。 劃分之后就可以對(duì)車架進(jìn)行加載和約束。根據(jù)車架主要承受的力，首先對(duì)車架前部構(gòu)件加載力。在分析中，將前部構(gòu)件的力均布在車架底端的桿上。由于車身通過(guò)車架上的固定點(diǎn)固定在車架上，所以車身的力是通過(guò)在車架上選取固定的點(diǎn)施加集中力的。車手的重力是通過(guò)座椅的安裝位置來(lái)確定的。車架的自重力通過(guò)施加重力即可。后部件與前部件一樣，也是均布力施加。約束是施加在懸架上的，所以施加約束應(yīng)該將與懸架相連的部位固定。加載和約束施加完之后，就可以進(jìn)行求解和計(jì)算。計(jì)算結(jié)果分析如下： 車架總的變形主要發(fā)生在主環(huán)和左右側(cè)邊防撞桿上邊，以及前環(huán)和前環(huán)支撐桿上，經(jīng)過(guò)分析可以得出，車架的最大位移為0.65915mm，不足一毫米。說(shuō)明車架的總體結(jié)構(gòu)還是比較穩(wěn)定的。最大變形發(fā)生在主環(huán)底部的橫梁上，符合受力分析的結(jié)果。因?yàn)橹鳝h(huán)底部橫梁不僅承受車手的重量，也承受發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的一部分重量。從整個(gè)車架的總體變形圖來(lái)看，由于車架的兩端與懸架相連接的部分設(shè)定為固定端，所以車架的中部受到的變形比較大，這也符合力學(xué)的受力原則。 通過(guò)受力分析還可以得到車架在受力作用下沿X、Y、Z方向上的位移圖，但位移量都不大，故不再詳述。 車架在靜載情況下受力分析時(shí)，除了要分析車架的總變形，還要對(duì)車架的等效應(yīng)力云圖進(jìn)行分析。 通過(guò)對(duì)車架的等效應(yīng)力云圖的分析，可以得出，應(yīng)力集中的部分都發(fā)生在各個(gè)桿的連接處以及懸架與車架的連接部位。這與力學(xué)的分析是一致的。最大應(yīng)力發(fā)生在主環(huán)與底部橫梁相交接的地方，最大應(yīng)力為60.663MPa。我們選用的鋼材為4130#鋼，許用應(yīng)力強(qiáng)度為410MPa，屈服強(qiáng)度為245MPa，采用安全系數(shù)為3，那么最大應(yīng)力為182MPa。低于屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力強(qiáng)度，說(shuō)明車架的強(qiáng)度達(dá)到要求。第二幅圖可以更清楚的看到最大應(yīng)力發(fā)生的位置。從第三幅圖中可以在懸架與車架相接的部分是應(yīng)力集中的部分，這與我們的力學(xué)常識(shí)是符合的。 通過(guò)對(duì)車架的剪應(yīng)力分析可以得出剪應(yīng)力最大發(fā)生在前環(huán)和主環(huán)之間的橫梁交界處，最小剪應(yīng)力發(fā)生在車架后懸架相接的部分。最大剪應(yīng)力為17.188MPa。小于4130#鋼的許用剪應(yīng)力，滿足要求。 §5.3.2 車架在翻車條件下的受力情況 為了檢驗(yàn)賽車在出現(xiàn)翻車事故情況下的安全性，必須對(duì)賽車在翻車情況下的受力和變形狀況進(jìn)行分析。 賽車在翻車的情況下，我們要保證車架的主環(huán)和前環(huán)不發(fā)生變化，在前述分析中所加載的力全部反向加載，懸架也就不存在位移約束，在對(duì)車架進(jìn)行加載受力分析之后，可得如下結(jié)果。 從分析中可以得出，在固定前環(huán)和主環(huán)的情況下，車架最大變形發(fā)生在車架后部，最大變形量為0.5928mm，不足一毫米，其變形不大，可以說(shuō)明是此車架是安全的。 從分析中還可以看出，車架在X、Y、Z方向上的變形量都十分微小，故在此不再敘述。 §5.4 車架的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 車架的扭轉(zhuǎn)剛度是車架的一個(gè)十分重要的力學(xué)性能評(píng)估指標(biāo)，是衡量車架性能的一個(gè)重要參數(shù)。車架的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。 本設(shè)計(jì)為在三維制圖軟件UG中建立車架模型，然后對(duì)車架進(jìn)行力學(xué)分析，并計(jì)算出車架的扭轉(zhuǎn)剛度。 在對(duì)車架進(jìn)行剛度分析時(shí)，在后橋左側(cè)縱梁上的豎直投影點(diǎn)施加一個(gè)垂直向下的載荷，讓車架產(chǎn)生純扭轉(zhuǎn)變形。計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度的公式如下： (5-1) 其中，為扭轉(zhuǎn)剛度，為力臂，為施加載荷，為加力點(diǎn)的撓度。 對(duì)模型施加載荷并進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下： 從計(jì)算結(jié)果中可以得出，為290mm，為1000N，撓度為1.066mm，代入計(jì)算公式可得車架的扭轉(zhuǎn)剛度為1376.94Nm/°，滿足車架的扭轉(zhuǎn)剛度要求。 圖5-1 車架防撞塊及其安裝 §5.5 基于有限元分析方法的碰撞塊分析 根據(jù)Formula SAE 規(guī)則的要求，參賽賽車在車架最前部安裝有蜂窩鋁制成的碰撞吸能塊。模型如圖5-1所示。 使用UG高級(jí)仿真對(duì)碰撞吸能塊進(jìn)行分析，圖5-2為吸能塊模型。緩沖快上下為鋼板，中間為蜂窩鋁。外形尺寸為200mm×100mm×200mm。蜂窩鋁的材料為鋁合金，取E = 70Gpa ，G = 27Gpa，= 2700kg /，蜂窩結(jié)構(gòu)的六角形邊長(zhǎng)l = 3.5mm，壁厚t = 0.06mm 。蜂窩結(jié)構(gòu)和鋼板都使用固體建模。 圖5-2 緩沖塊應(yīng)力元模型 圖5-3 緩沖塊碰撞吸能形變 設(shè)定質(zhì)量M=300kg，7m/s。吸能塊的變形如圖5-3所示