節(jié)能賽車車架的設(shè)計

包夢陽，姚喜貴，顧 晗（寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315000）

節(jié)能賽車車架的設(shè)計

包夢陽，姚喜貴，顧 晗
（寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315000）

本文以節(jié)能賽車競技大賽為設(shè)計背景，根據(jù)輕量化與人機(jī)工程的要求，建立車架的有限元模型，分析車架在賽車勻速、側(cè)移、加速以及轉(zhuǎn)向等多種工況下的強(qiáng)度大小，獲知所設(shè)計的車架符合強(qiáng)度的要求。

節(jié)能賽車；車架；設(shè)計

1　引言

節(jié)能與環(huán)保是全世界汽車產(chǎn)業(yè)面臨的共同挑戰(zhàn)。為此，日本本田汽車公司在中國舉辦了Honda節(jié)能車競技大賽。本課題組積極參與節(jié)能賽車競技大賽的活動。在賽車中，車架重量在整個賽車重量中占有較大的比重，大約占35%左右。從輕量化的角度看，車架材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以減少節(jié)能賽車的重量，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。如何在輕量化情況下保證車架可靠性是本文的重點內(nèi)容。

2　賽車車架的設(shè)計原則

車架是賽車的重要零部件，車架需要承載發(fā)動機(jī)以及附屬件和駕駛員的重量，還需要承載轉(zhuǎn)向力、側(cè)移力和慣性力等。因此它需要足夠的強(qiáng)度，并完善發(fā)動機(jī)、傳動系、驅(qū)動系和轉(zhuǎn)向系各系統(tǒng)的布局，確保在各種工況下賽車駕駛員的安全。為了實現(xiàn)以上目標(biāo)，賽車車架應(yīng)根據(jù)大賽賽車結(jié)構(gòu)規(guī)則、汽車人機(jī)工程學(xué)和賽車總布置的要求進(jìn)行設(shè)計。

2.1賽車車架設(shè)計的規(guī)則

對賽車車架尺寸要求如下：全高 ≤ 1.8m；軸距≥ 1.0m；全長≤3.5m；輪距d≥0.5m；全寬e≤1.7m；排氣管不能超出車身后面≥10cm。

2.2駕駛員坐姿的確定

根據(jù)人體工程學(xué)分析、汽車風(fēng)阻系數(shù)以及駕駛舒適的要求，設(shè)定實際駕駛員的坐姿，姿勢確立如圖1。

2.3 車架結(jié)構(gòu)布置

圖1是賽車總體結(jié)構(gòu)示意圖。駕駛艙里有駕駛員還包括轉(zhuǎn)向系的各組件以及制動和油門管（拉）線，駕駛艙空間的大小要充分考慮風(fēng)阻系數(shù)小、駕駛員坐姿，操縱方向盤順暢等因素。駕駛艙后部安裝汽油機(jī)以及二級鏈傳動式傳動系，還要考慮傳動中間軸支架和汽油機(jī)固定位置。后支架上承載著驅(qū)動輪和制動系統(tǒng)。

圖1　節(jié)能賽車總體結(jié)構(gòu)示意圖

按照上述車架布置要求，車架既要追求空間的利用率，又要滿足強(qiáng)度要求，優(yōu)化車架以實現(xiàn)重量輕、強(qiáng)度高的目的。

2.4車架材料的選擇

根據(jù)經(jīng)驗，可選用車架的材料有很多如鋁合金、不銹鋼、纖維增強(qiáng)塑料等等。考慮市場上購買的方便性和加工可行性以及材料成本，本文采用鋁合金材料，針對市場上多種鋁合金，選取以下三種方管不同鋁合金比較（表1）。

表1　車架材料管材

表2　6061鋁材料特性

根據(jù)表2所示數(shù)據(jù)，綜合考慮強(qiáng)度和材料密度，決定選取6061鋁（表2）方管作為車架材料。鋁方管根據(jù)布置位置不同，分為30×40×3，20×20×2，20×40×2三種方管進(jìn)行焊接。

2.5車架結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述的設(shè)計原則和選定的車架材料，對車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。車架主要由駕駛艙、汽油機(jī)部位、 傳動部位、前環(huán)以及后支架構(gòu)成，駕駛艙的前部設(shè)計成 “日”字形結(jié)構(gòu)，材料采用20×40×2，加強(qiáng)該處的強(qiáng)度；駕駛艙的后部是駕駛員的位置，材料采用30×40×3，體現(xiàn)該處強(qiáng)度高，確保駕駛員的安全；

汽油機(jī)部位縱梁材料30×40×3，設(shè)計成三根橫梁，材料選用20×40×2；后支架支撐驅(qū)動輪，承載較大，材料選用30×40×3；轉(zhuǎn)向橋及方向盤架采用20×20×2。經(jīng)計算，車架總質(zhì)量6.72kg。

通過焊接和組裝得到的車架，其總質(zhì)量為6.80KG，與計算結(jié)果相符。

3　車架受力分析

3.1車架模型的建立

通過CATIA中的數(shù)模，量取各關(guān)鍵點三維坐標(biāo)，直接選取車架的節(jié)點，在ANSYS中建模，這種建模方式很好地對單元節(jié)點的選取施加載荷和約束并且不需要對模型進(jìn)行處理，方便分析計算。選取Beam188作為單元類型。 選擇在Section中直接定義截面屬性，在定義截面面積的選項中分別建立三個尺寸，分別為40×30×3，40×20×2，20×20×2的截面，最后得到有限元模型。車架屬于薄壁型桿，采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)共216個節(jié)點。

3.2邊界條件及載荷處理

根據(jù)上述車架結(jié)構(gòu)上所承載的特性，將零件數(shù)模賦予各自密度，得到各零件質(zhì)量表3-3，將載荷和約束直接定義在中心軸線上。車架上的質(zhì)量分別為：駕駛員56kg，汽油機(jī)19kg，車架6.8kg，轉(zhuǎn)向系1.5kg以及傳動系2.5kg。

4　車架強(qiáng)度有限元分析

4.1勻速工況

勻速工況研究是指滿載車輛在靜止和勻速運(yùn)動狀態(tài)下車架的響應(yīng)。在該工況下，車架主要受到車架重量，駕駛員和汽油機(jī)重量，其余系統(tǒng)部件質(zhì)量較小，對此忽略不計?？紤]到?jīng)_擊載荷，作用在車架上的載荷都要乘以動載荷系數(shù)。動載荷系數(shù)為1.6。

4.2側(cè)移工況

側(cè)移工況研究是指滿載車輛由于路面的反饋和轉(zhuǎn)向使車輪不在同一平面上，即車架一端受到額外作用力發(fā)生扭轉(zhuǎn)的車輛行駛響應(yīng)。在該工況下同時還受到車輛載荷的作用力（勻速工況），考慮到該工況行駛車數(shù)較低，選取動載荷系數(shù)取為1.2，除勻速工況施加的載荷外新增如下約束載荷。經(jīng)計算分析得：最大位移量在駕駛艙中后部，偏移量達(dá)到了6.4mm，變形量較大，車架應(yīng)力最大應(yīng)力210MPa略小于屈服強(qiáng)度，富余量不多；且最大應(yīng)力處于車架的前環(huán)焊接區(qū)域處。由于此區(qū)域起到支撐前環(huán)與駕駛?cè)藛T重量的作用，所受沖擊較大。

4.3加速工況

正常比賽時，為了得到更多的節(jié)油量，行駛策略往往是加速—自由滑行—再加速—自由滑行。在一般情況下很少用到制動，但加速卻是用的較為頻繁，所以這對加速工況進(jìn)行分析。設(shè)定賽車加速最大速度為40km/h，加速距離50m，計算得到加速度為3m/s2。經(jīng)計算分析：車架變形量達(dá)到4.6mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在后支架與車架主體部分為143.6MPa，大致為屈服強(qiáng)度的一半，因此在加速工況下車架可以較好滿足需求。

4.4轉(zhuǎn)向工況

根據(jù)比賽規(guī)程，選取轉(zhuǎn)彎半徑15m為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，繞此環(huán)形賽道時間為20s，通過計算得到，轉(zhuǎn)彎的向心加速度為1.5 m/s2。經(jīng)計算分析：車架變形最大區(qū)域位于靠背處，最大應(yīng)變量0.5mm；最大等效應(yīng)力值為23.5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度276MPa，因此車輛轉(zhuǎn)向時是穩(wěn)定可靠的。

綜合上述，車架的材料6061鋁屬于塑性材料，經(jīng)過計算安全系數(shù)n＞1，說明車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。經(jīng)過實際車架的驗證，符合比賽的要求。

5　結(jié)論

本文根據(jù)輕量化和人機(jī)工程的要求，建立了賽車車架有限元模型，分析了賽車在勻速、側(cè)移、加速以及轉(zhuǎn)向等多種工況下的車架強(qiáng)度，所設(shè)計的車架符合設(shè)計要求，車架可靠，安全和穩(wěn)定。

［1］賀紹華.賽車輕量化系統(tǒng)方法與車架優(yōu)化［D］.廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］趙巖.節(jié)能競技車的研發(fā)與技術(shù)研究［D］.陜西：長安大學(xué)，2009.

［3］本田技研工業(yè)（中國）.2015屆Honda中國節(jié)能競技大賽規(guī)則（燃油組） ［M］.上海：本田技研工業(yè)（中國），2013：3-1

項目來源：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：201511058011）以及浙江省科技創(chuàng)新活動計劃資助項目（編號：2016R424003）。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.055