节能赛车车架的设计

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摘 要：本文以节能赛车竞技大赛为设计背景，根据轻量化与人机工程的要求，建立车架的有限元模型，分析车架在赛车匀速、侧移、加速以及转向等多种工况下的强度大小，获知所设计的车架符合强度的要求。

关键词：节能赛车；车架；设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.14.055

1 引言

节能与环保是全世界汽车产业面临的共同挑战。为此，日本本田汽车公司在中国举办了Honda节能车竞技大赛。本课题组积极参与节能赛车竞技大赛的活动。在赛车中，车架重量在整个赛车重量中占有较大的比重，大约占35%左右。从轻量化的角度看，车架材料和结构的优化可以减少节能赛车的重量，实现节能减排的目标。如何在轻量化情况下保证车架可靠性是本文的重点内容。

2 赛车车架的设计原则

车架是赛车的重要零部件，车架需要承载发动机以及附属件和驾驶员的重量，还需要承载转向力、侧移力和惯性力等。因此它需要足够的强度，并完善发动机、传动系、驱动系和转向系各系统的布局，确保在各种工况下赛车驾驶员的安全。为了实现以上目标，赛车车架应根据大赛赛车结构规则、汽车人机工程学和赛车总布置的要求进行设计。

2.1 赛车车架设计的规则

对赛车车架尺寸要求如下：全高 ≤ 1.8m；轴距≥ 1.0m；全长 ≤3.5m；轮距d≥0.5m；全宽e≤1.7m；排气管不能超出车身后面≥10cm。

2.2 驾驶员坐姿的确定

根据人体工程学分析、汽车风阻系数以及驾驶舒适的要求，设定实际驾驶员的坐姿，姿势确立如图1。

2.3 车架结构布置

图1是赛车总体结构示意图。驾驶舱里有驾驶员还包括转向系的各组件以及制动和油门管（拉）线，驾驶舱空间的大小要充分考虑风阻系数小、驾驶员坐姿，操纵方向盘顺畅等因素。驾驶舱后部安装汽油机以及二级链传动式传动系，还要考虑传动中间轴支架和汽油机固定位置。后支架上承载着驱动轮和制动系统。

按照上述车架布置要求，车架既要追求空间的利用率，又要满足强度要求，优化车架以实现重量轻、强度高的目的。

2.4 车架材料的选择

根据经验，可选用车架的材料有很多如铝合金、不锈钢、纤维增强塑料等等。考虑市场上购买的方便性和加工可行性以及材料成本，本文采用铝合金材料，针对市场上多种铝合金，选取以下三种方管不同铝合金比较（表1）。

根据表2所示数据，综合考虑强度和材料密度，决定选取6061铝（表2）方管作为车架材料。铝方管根据布置位置不同，分为30×40×3，20×20×2，20×40×2三种方管进行焊接。

2.5 车架结构设计

根据上述的设计原则和选定的车架材料，对车架进行结构设计。 车架主要由驾驶舱、汽油机部位、 传动部位、前环以及后支架构成，驾驶舱的前部设计成 “日”字形结构，材料采用20×40×2，加强该处的强度；驾驶舱的后部是驾驶员的位置，材料采用30×40×3，体现该处强度高，确保驾驶员的安全；

汽油机部位纵梁材料30×40×3，设计成三根横梁，材料选用20×40×2；后支架支撑驱动轮，承载较大，材料选用30×40×3；转向桥及方向盘架采用20×20×2。经计算，车架总质量6.72kg。

通过焊接和组装得到的车架，其总质量为6.80KG，与计算结果相符。

3 车架受力分析

3.1 车架模型的建立

通过CATIA中的数模，量取各关键点三维坐标，直接选取车架的节点，在ANSYS中建模，这种建模方式很好地对单元节点的选取施加载荷和约束并且不需要对模型进行处理，方便分析计算。选取Beam188作为单元类型。 选择在Section中直接定义截面属性，在定义截面面积的选项中分别建立三个尺寸，分别为40×30×3，40×20×2，20×20×2的截面，最后得到有限元模型。车架属于薄壁型杆，采用三角形单元进行网格划分。自由网格划分得到网格划分数据共216个节点。

3.2 边界条件及载荷处理

根据上述车架结构上所承载的特性，将零件数模赋予各自密度，得到各零件质量表3-3，将载荷和约束直接定义在中心轴线上。车架上的质量分别为：驾驶员56kg，汽油机19kg，车架6.8kg，转向系1.5kg以及传动系2.5kg。

4 车架强度有限元分析

4.1 匀速工况

匀速工况研究是指满载车辆在静止和匀速运动状态下车架的响应。在该工况下，车架主要受到车架重量，驾驶员和汽油机重量，其余系统部件质量较小，对此忽略不计。考虑到冲击载荷，作用在车架上的载荷都要乘以动载荷系数。动载荷系数为1.6。

4.2 侧移工况

侧移工况研究是指满载车辆由于路面的反馈和转向使车轮不在同一平面上，即车架一端受到额外作用力发生扭转的车辆行驶响应。在该工况下同时还受到车辆载荷的作用力（匀速工况），考虑到该工况行驶车数较低，选取动载荷系数取为1.2，除匀速工况施加的载荷外新增如下约束载荷。经计算分析得：最大位移量在驾驶舱中后部，偏移量达到了6.4mm，变形量较大，车架应力最大应力210MPa略小于屈服强度，富余量不多；且最大应力处于车架的前环焊接区域处。由于此区域起到支撑前环与驾驶人员重量的作用，所受冲击较大。

4.3 加速工况

正常比赛时，为了得到更多的节油量，行驶策略往往是加速―自由滑行―再加速―自由滑行。在一般情况下很少用到制动，但加速却是用的较为频繁，所以这对加速工况进行分析。设定赛车加速最大速度为40km/h，加速距离50m，计算得到加速度为3m/s?。经计算分析：车架变形量达到4.6mm，最大应力出现在后支架与车架主体部分为143.6MPa，大致为屈服强度的一半，因此在加速工况下车架可以较好满足需求。

4.4 转向工况

根据比赛规程，选取转弯半径15m为设计标准，绕此环形赛道时间为20s，通过计算得到，转弯的向心加速度为1.5 m/s?。经计算分析：车架变形最大区域位于靠背处，最大应变量0.5mm；最大等效应力值为23.5MPa，远远小于材料的屈服强度276MPa，因此车辆转向时是稳定可靠的。

综合上述，车架的材料6061铝属于塑性材料，经过计算安全系数n>1，说明车架结构强度符合要求。经过实际车架的验证，符合比赛的要求。

5 结论

本文根据轻量化和人机工程的要求，建立了赛车车架有限元模型，分析了赛车在匀速、侧移、加速以及转向等多种工况下的车架强度，所设计的车架符合设计要求，车架可靠，安全和稳定。

参考文献：

[1]贺绍华.赛车轻量化系统方法与车架优化[D].广东：广东工业大学，2013.

[2]赵岩.节能竞技车的研发与技术研究[D].陕西：长安大学，2009.

[3]本田技研工业（中国）.2015届Honda中国节能竞技大赛规则（燃油组） [M].上海：本田技研工业（中国），2013：3-1

项目来源：国家级大学生创新创业训练计划项目（编号：201511058011）以及浙江省科技创新活动计划资助项目（编号：2016R424003）。