基于輕量化的全地形巴哈賽車車架設(shè)計與優(yōu)化

陶 超，馬其華，黃天柱，黎勁宏

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 2016202；2.西安建筑科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710055；3.東華大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

全地形賽車要求各參賽隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在規(guī)定時間，使用同一型號發(fā)動機，設(shè)計制造一輛單座、發(fā)動機中置、后驅(qū)，完成各種嚴厲路況要求考驗的小型越野車。由于在全地形路面上賽車受到的振動、沖擊等影響更大，而這些影響將直接反應(yīng)到車架上，所以車架的模態(tài)及剛強度要求需要經(jīng)過嚴格分析，以滿足要求。

利用有限元分析法對全地形賽車車架進行評價分析，對于保證設(shè)計可靠性和一致性具有重要作用。汪俊[1]等對某方程式賽車車架做了滿載彎曲、滿載加速、滿載轉(zhuǎn)彎和扭轉(zhuǎn)工況下的強度和剛度分析，并通過分析結(jié)果對車架鋼管尺寸進行了優(yōu)化，減輕了車架重量；周明華[2]等對某農(nóng)用車車架進行自由模態(tài)分析，得到車架的前6階彈性模態(tài)振型及頻率特性，從而驗證了該車架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性；陳旭[3]等計算了某全地形車架的自由模態(tài)，并對比實驗?zāi)B(tài)頻率，驗證了有限元模型及其分析結(jié)果的正確性。以上的研究對于常規(guī)行駛條件分析已經(jīng)比較完善了，對于適應(yīng)全地形要求的賽車車架設(shè)計需要根據(jù)實際情況提出對保證輕量化的情況下車架設(shè)計的可靠性要求。本文從全地形路況對賽車性能的影響出發(fā)，運用有限元分析法探討了全地形巴哈賽車車架進行優(yōu)化設(shè)計方法。

1 多條件要求下的巴哈賽車車架設(shè)計

全地形巴哈賽車的賽道由單駝峰、飛坡、炮彈坑、連續(xù)彎道、泥坑、雙駝峰、輪胎陣、三駝峰、亂石堆等惡劣路況組成，賽車行駛過程中受到的振動和沖擊將通過懸架直接傳到車架上，故對車架設(shè)計要求更高。賽規(guī)要求車架結(jié)構(gòu)必須由直或彎曲的鋼管組成，兩個支撐點之間的直管結(jié)構(gòu)件必須足夠支撐整個車架的受力，同時長度不得超過711mm。

駕駛艙前部是安放轉(zhuǎn)向機構(gòu)、前剎車制動缸及其管線的位置，駕駛艙后部是安放發(fā)動機、CVT、減速器、差速器、半軸、排氣裝置、后剎車制動缸及其管線等部件。要保證這些零部件及其總成有足夠的安裝位置和合適的安裝點，并且能合理高效的利用有效空間，使得巴哈賽車整體布局緊促合理。車架的設(shè)計還需要考慮安裝好上述所有零件及總成后，整車總寬即后輪兩輪胎外側(cè)的直線距離不超過1620mm。車架與整車裝配如圖1所示。

圖1 車架與整車裝配模型

2 巴哈賽車車架的有限元分析

2.1 賽車車架有限元模型的建立

將車架的幾何模型導(dǎo)入到HyperMesh有限元建模軟件中，通過對模型做幾何清理并畫出滿足有限元分析要求的網(wǎng)格。巴哈賽車車架由等厚度的薄壁管件構(gòu)成，所以選用2D殼單元的結(jié)構(gòu)作為車架網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)單元類型，單元的尺寸設(shè)置為3mm，網(wǎng)格的類型設(shè)置為四邊形和三角形混合網(wǎng)格。建立車架有限元模型如圖2所示。

圖2 車架有限元模型

2.2 車架自由模態(tài)分析

分析巴哈車架的前12階固有頻率，由于前6階為剛體模態(tài)，故提取第7階到第12階的6階模態(tài)進行分析，并將第7階頻率記為第1階，如表1所示。第1、2階振型如圖3所示。

圖3 一、二階模態(tài)振型圖

表1 前6階自由模態(tài)的固有頻率和振型

巴哈賽車在行駛過程中主要受到兩種外部激勵：

1）來自各種復(fù)雜路面凹凸不平的激勵傳到車架會導(dǎo)致車架振動，全地形車懸架系統(tǒng)彈簧以上的部分質(zhì)量偏頻大致在2～3Hz，簧下質(zhì)量的偏頻大約在20Hz以下[4]。遠遠低于車架的固有頻率，故不會發(fā)生共振；

2）由發(fā)動機在不同工作狀態(tài)內(nèi)部產(chǎn)生的振動。賽車在怠速、正常行駛和加速等不同工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同，不同轉(zhuǎn)速下的激振頻率可由下式求得。

本賽車選用的是指定的百利通M20單缸四沖程風冷發(fā)動機，其轉(zhuǎn)速從怠速到最高轉(zhuǎn)速的范圍是2000～3600r/min，經(jīng)式(1)計算得振動頻率范圍為16.67～30Hz，因為其頻率低于車架的固有頻率，故不會發(fā)生共振。

2.3 滿載彎曲工況分析

滿載彎曲工況指的是賽車在滿負載的狀態(tài)下，前、后四個車輪均著地，在平坦道路上行駛時的工況。此時約束后懸架Y向，前懸架X、Y、Z向的平動自由度。在此工況下，取動載系數(shù)1.8，車架受到的力的大小為所有載荷乘以動載系數(shù)，方向為Y方向。

車架自重等效點即重心位置處施加的合力為：

駕駛員質(zhì)量等效點即駕駛員重心處施加的合力為：

發(fā)動機及傳動系統(tǒng)等效點即其重心處施加的合力為：

將上述的力作用到巴哈車架上。

由圖4可以看出，在滿載彎曲工況下，巴哈車架最大應(yīng)力值為55.05MPa，出現(xiàn)在發(fā)動機及傳動系統(tǒng)在車架上的安裝位置，小于4130鋼的屈服極限386Mpa；巴哈車架最大位移量為0.036mm，遠小于賽規(guī)要求的最大允許撓度，該位移出現(xiàn)在座椅在車架上的安裝位置。

圖4 滿載彎曲工況下車架應(yīng)力、位移云圖

2.4 急轉(zhuǎn)彎工況分析

當巴哈賽車在轉(zhuǎn)彎時會產(chǎn)生指向轉(zhuǎn)彎半徑圓心的向心力，在向心力的作用下，車架會承受側(cè)向荷載，同時在急轉(zhuǎn)彎時還存在一個縱向制動力[6]。在一個急轉(zhuǎn)彎實際賽車的向心力是很難計算的，而且向心力和汽車的速度及轉(zhuǎn)彎半徑的大小有關(guān)，因此我們選擇重力加速度g（9.8m/s2）為向心加速度。賽車的制動減速度等于重力加速度和制動力系數(shù)的乘積，制動力系數(shù)取0.6，動載系數(shù)取1.5。因此，車架受到向心力為：

車架受到制動力為：

車架受到的制動力和向心力的作用點在前懸架和后懸架的約束點處[7]。同時約束前懸架X、Y向的平動自由度，左后懸架Y向及右后懸架X、Y、Z向的平動自由度。

由圖5可以看出，在急轉(zhuǎn)彎工況下，巴哈車架的最大應(yīng)力為243.5MPa，小于4130鋼的屈服極限386MPa，該應(yīng)力出現(xiàn)在車架底部與后部防滾環(huán)連接點處；巴哈車架最大位移量為6.17mm，小于大賽要求的最大撓度，該位移出現(xiàn)在前懸架的安裝位置。

圖5 急轉(zhuǎn)彎工況下車架應(yīng)力、位移云圖

2.5 緊急制動工況分析

緊急制動時，賽車車架承受的力將和行駛方向相反。據(jù)文獻[5]，賽車以減速度進行制動，制動力在前后輪上的分配比為7：3，動載荷系數(shù)取1.6，故整車制動力為：

前輪制動力為：

后輪制動力為：

本文將制動力作用在前后懸架的連接點處。約束前懸架X、Y、Z向的平動自由度及后懸架Y、Z向的平動自由度。

由圖6可以看出，在緊急制動工況下，車架最大應(yīng)力為37.79MPa，遠小于4130鋼的屈服極限386MPa，該應(yīng)力出現(xiàn)在后懸架與車尾連接點處；車架的最大位移量只有0.151毫米，比大賽要求的最大撓度要小很多，該位移出現(xiàn)在左后懸架的安裝位置。

圖6 緊急制動工況下車架應(yīng)力、位移云圖

2.6 強度校核

巴哈車架整體強度的安全系數(shù)是車架材料4130合金鋼管的屈服極限值與車架在不同工況下計算出來的最大應(yīng)力值之比。當安全系數(shù)＞l時，說明巴哈車架的強度符合要求，在行駛過程出不會出現(xiàn)問題，安全可靠[8]；當安全系數(shù)＜l 時，說明車架的強度不滿足要求，車架很可能在行駛過程中發(fā)生損壞，這是不被允許的[9]；但是安全系數(shù)太大也不好，這說明對材料的利用率太低，一般情況下不大于2.5。巴哈車架再三種工況下的安全系數(shù)如表2所示。

表2 巴哈車架在三種工況下的安全系數(shù)

對比表2中的安全系數(shù)，可見車架安全系數(shù)過于保守，最小的安全系數(shù)也有1.59，最大達到了10.21，這說明車架整體的強度、剛度富冗余太大，需要進行優(yōu)化。

3 巴哈賽車車架的輕量化優(yōu)化

3.1 車架鋼管尺寸的DOE優(yōu)化

DOE（Design Of Experiment）技術(shù)方法提供了運行一系列試驗的計劃和分析工具。在HyperStudy中實現(xiàn)DOE的基本過程為：首先通過設(shè)定目標函數(shù)來確定試驗的評價目標；然后確定一套試驗方案，隨后運行設(shè)計好的試驗方案得到DOE設(shè)計結(jié)果，最后通過分析結(jié)果確定最終的參數(shù)匹配方案[10,11]。HyperStudy中的DOE技術(shù)可采用用戶自定義的試驗矩陣，也可采用全因子試驗法，本文采用的是全因子試驗法。

結(jié)合有限元分析結(jié)果將車架所用鋼管的尺寸分為主要部件和次要部件，圖7中紅色部分為主要部件，綠色部分為次要部件。

圖7 車架的主要部件和次要部件

通過對靜力分析結(jié)果及整車要求建立兩個響應(yīng)。第一個響應(yīng)為在保證強度、剛度的基礎(chǔ)上使質(zhì)量最??；因為在急轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力值最大為243.5Mpa，安全系數(shù)為1.59，故我們建立第二個響應(yīng)為在急轉(zhuǎn)彎工況下的最大應(yīng)力值在160Mpa和320Mpa之間，即安全系數(shù)在1.2和2.5之間。計算結(jié)果如表3所示。

根據(jù)計算結(jié)果，同時結(jié)合現(xiàn)在市面上能夠買到的4130合金鋼管的尺寸，將2.6mm壁厚的鋼管作為主要部件，1.5mm壁厚的鋼管作為次要部件。原車架的總質(zhì)量達到了66.2kg，優(yōu)化后車架總質(zhì)量52.3kg，前后相比減輕了13.9kg。

3.2 優(yōu)化前后車架模態(tài)結(jié)果對比

計算優(yōu)化車架的前12階固有頻率，去掉前6階剛體模態(tài)，并將第7階頻率記為第一階，對比優(yōu)化前后車架的模態(tài)，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后車架模態(tài)結(jié)果對比圖

表3 HyperStudy計算結(jié)果

優(yōu)化前后車架各階模態(tài)固有頻率數(shù)值變化不大，在4Hz以內(nèi)，且遠高于各激振源頻率，說明新優(yōu)化的巴哈車架在實際使用時不會發(fā)生共振現(xiàn)象，動態(tài)特性理想。

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3.3 優(yōu)化后車架各工況分析

改變原車架有限元模型的各部分鋼管厚度（主要部件2.6mm，次要部件1.5mm）后再做一次滿載彎曲工況、急轉(zhuǎn)彎工況和緊急制動工況，其約束和受力情況與原車架相同。分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化前后各工況最大應(yīng)力應(yīng)變對比圖

通過對比各工況計算結(jié)果，可以看出優(yōu)化后車架的應(yīng)力應(yīng)變分布更加均勻，剛強度富余量明顯減小，雖然使用了更薄的鋼管，但三個工況中出現(xiàn)的最大應(yīng)力值319.8MPa，也比4130鋼管的屈服極限更低。且安全系數(shù)更加合理，表明優(yōu)化車架的設(shè)計安全合理，同時也達到了節(jié)約材料、降低車架重量的目的。

4 結(jié)論

本文通過對全地形巴哈賽車車架的設(shè)計、分析及優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

1）通過人體工程學(xué)分析及整車裝配，使得設(shè)計的車架能滿足實際使用要求。

2）在車架剛強度均有冗余的情況下，采用DOE技術(shù)對車架進行尺寸優(yōu)化，優(yōu)化后車架重量由66.2kg下降到52.3kg，前后相比減輕了13.9kg，輕量化效果明顯。

3）通過模態(tài)分析，保證賽車在行駛中車架不會與其他激振頻率發(fā)生共振，動態(tài)性能良好。

4）通過各工況的靜力分析，計算結(jié)果表明車架應(yīng)力應(yīng)變在要求范圍內(nèi)，設(shè)計安全合理。

針對此全地形賽車車架的設(shè)計、分析及優(yōu)化流程，可以推廣并應(yīng)用到其他鋼管桁架式車架的開發(fā)中。

[1]汪俊,馬雷廷.基于Hyperworks的FSAE車架有限元分析及優(yōu)化[J].AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING,2014,52(8).

[2]周明華,李紅,駱群.全地形車車架的有限元建模和模態(tài)分析[J].機械工程與自動化,2015(6)：34-35.

[3]陳旭,婁威振,蔣亞東.全地形車車架靜動態(tài)特性分析與輕量化設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2015,29(2)：1-6.

[4]黃云濤.全地形車車架動態(tài)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].重慶理工大學(xué),2015.

[5]于淼,杜俊廷,魯植雄.基于ANSYS的FSC車架有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,52(9)：20-22.

[6]趙帥,隰大帥,王世朝.FSAE 賽車車架的強度和剛度分析[J].計算機輔助工程,2011,20(4)：53-56.

[7]趙帥,隰大帥,王世朝.FSAE賽車車架的強度和剛度分析[J].計算機輔助工程,2011,20(4)：53-56.

[8]許佩霞,蔡炳芳.基于ANSYS的全地形車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計,2008,25(12)：56-58.

[9]張心光,高賓,王巖松.基于不同工況下的FSC賽車車架有限元分析[J].制造業(yè)自動化,2015,37(19)：44-46.

[10]Christopher Scott Baker. FOES Formula SAE-A Space Frame Chassis Design[J].Master Dissertation of University of Southern Queensland,2004.

[11]LuqueP, MantarasD.A.Pneumatic suspensions in semi-trailers[J].Heavy Vehicle Systems,2003(10)：309-320.