FSC賽車鋼管式車架焊接夾具設(shè)計

李正 宋景暉

摘 要：在 FSC 賽車設(shè)計上，各高校多采用桁架式鋼管車架。而鋼管車架的焊接一直是困擾各個車隊的難題。本項目立足于這一方向，打算采用型材、鋼柱等工具自行設(shè)計并建造一套可達到焊接要求的夾具，用于管件的定位和固定。其設(shè)計方案與成果具有很高通用性及推廣價值。

關(guān)鍵詞：鋁型材；焊接夾具；約束

中圖分類號：TH16 文獻標志碼：A

Abstract：In the design of FSC racing car， most high school teams use the truss type steel tube frame. The welding of the steel tube frame has been a difficult problem for each team. Based on this direction， the project intends to use the profiles， steel column and other tools to design and build a set of welding requirements of the fixture for the positioning and fixing of pipe fittings. The design scheme and results of the project have high universality and value of popularization.

Keywords： Aluminum profile；welding fixture；constrai

0 引言

中國大學生方程式賽車大賽 （FSC）是由中國汽車工程學會（SAE-China）舉辦的全國性大學生比賽，比賽要求在一年時間內(nèi)造出一輛符合大賽規(guī)則的方程式賽車進行比賽。

在FSC賽車設(shè)計上，各高校多采用桁架式鋼管車架。而鋼管車架的焊接一直是困擾各個車隊的難題。本文主要討論的是如何基于型材搭建焊接平臺解決鋼管的定位、夾持難題。

1 設(shè)計目的

使用易搭建的材料搭建夾持平臺，固定住已進行過坡口處理的鋼管，直至焊接作業(yè)完成。為敘述方便，現(xiàn)規(guī)定，以車手做進車內(nèi)的朝向，前后方向為x軸，前方為正方向；左右為y軸，左方為正方向；上下為 z 軸，上方為正方向。以主 環(huán)中心最低點為 R點。

技術(shù)要求包括以下幾點：

（1）整體車架要左右對稱；

（2）技術(shù)要求在任意位置和任意角度都能夠約束鋼管的位置和角度；

（3）關(guān)鍵管件（包括前隔板，前環(huán)，主環(huán)，前懸定位桿和后懸定位桿）與軟件模型的差距不得多于1mm，其余管件不得多于2mm；

（4）能承受住自重、車架重量、焊接應力及其他可能承受的力，且形變量不得超過上一條的規(guī)定；

（5）盡量降低成本；

（6）要求該焊接夾具靈活可調(diào)，可滿足不同車架的焊接需求。

2 方案設(shè)計

2.1 部件選用

分析設(shè)計目的可知，在焊接之前，所設(shè)計的焊接夾具應能維持車架整體或至少主體鋼管的相對位置。因為車架中大小管件錯綜復雜，又要求必須輕巧，易加工。經(jīng)濟上考慮，還需滿足易拆解可回收的選材要求。綜合以上考慮，最終選擇了廣為使用的鋁型材作為搭建材料。

為了配合鋁型材的使用，還需要騎馬卡、直角角碼、轉(zhuǎn)向角碼、T 型螺母和螺栓等配套零件。

按照部件間的約束規(guī)則，鋁型材加直角角碼的組合可以實現(xiàn)管件的定位，而轉(zhuǎn)向角碼可以實現(xiàn)一個平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向。但是由于騎馬卡單一的垂直固定方式，始終無法實現(xiàn)第3個方向上的角度約束。為了彌補這一缺陷，我們仿照離墻碼的轉(zhuǎn)向原理，自己設(shè)計一種夾具，稱之為自制夾件，如圖1所示，使用方法為一上一下配合使用。該夾件由錳鋼鍛造而成，表面做了噴漆防銹處理。錳鋼是一種高強度的抗磨鋼，主要用于需要承受沖擊、擠壓、物料磨損等惡劣工況條件的地方。鍛造工藝消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。用于制造機械中負載高、工作條件嚴峻的重要零件。

2.2 整體布置

著手整體布置，有一點必須要保證的是，車架要關(guān)于xz平面對稱。所以對于對稱的一對管件，處理方式為將其夾在同一根平行于y軸的型材上，并保持型材水平。用于焊接的車架在y軸方向長714mm，還要預留工具空間和焊接空間，因此選用800mm長鋁型材作為我們這個焊接平臺的“梁”。

在使用部件進行可靠性試驗時，用直角角碼固定的鋁型材緊固力大，型材、零件之間垂直條件完美，符合基本要求。但是由于鋁型材不是理想剛體，在受到較大力矩的作用下，仍會產(chǎn)生1°以內(nèi)的彎曲。換算過來，在一端固定的情況下，800mm型材的另一端移位將達到13.9mm，不符合精度要求。為此，我們在每個梁的兩端都裝配了750mm長鋁型材作為“柱”，做到兩個端點的同時固定，便能達到要求。

外部大管件由橫梁直接固定， 小管件則是通過在橫梁外接短的型材來進行固定。有些管件位于車架底部，則在下方鋪設(shè)長鋁型材，再用騎馬卡固定。

完成初步模型，如圖2所示。

2.3 設(shè)計優(yōu)化

一般情況下，一根管件會與很多管件焊接在一起，只需要固定部分管件，就能將焊點精準定位出來，且管件在焊接前都做過坡口處理，剩余的管件不用夾持也可以固定。這樣便能省出很多空間，便于安裝和焊接作業(yè)。進行調(diào)整后得到了較為滿意的夾具模型，如圖3所示。

3 可行性分析

3.1分析前，查資料得到

鋼管材Q235熱膨脹系數(shù)α=1.2×10-5，鋼管材Q235彈性模量E 鋼=205GPa，鋼管材Q235密度7.8×10-6g/mm3 。

車架總重 m≈30kg

重量支撐點個數(shù)約40 平均單根鋼管重量 m鋼=660g

4040-W 鋁型材彈性模量 E鋁=72GPa

4040-W 單位長度質(zhì)量 k=2.6g/mm，焊接室溫約25℃

當?shù)刂亓铀俣?g=9.8N/kg

3.2 計算

為了簡化運算且是技術(shù)結(jié)果有意義，以下的計算都是取的可能狀態(tài)下受力或形變量最大值。

量角器測量誤差為0.5°，如果附加于100mm的管件上，Δx=（0.5/180）×π×100=0.87mm，較大于卷尺的測量誤差0.1mm，因此在實際操作中，應盡量使用卷尺進行測量，用距離測算取代角度測算。

單個支撐點受近似力 F 鋼=m鋼 g+800k×g

=660×9.8×10-3+800×2.6×9.8×10-3

=26.9N

F鋼較小，角碼及夾持處不會有有影響的形變。

焊點處導熱距離約為50mm，可近似處理為均勻受熱。由于焊接應力變化過程比較復雜，這里我們只考慮在鋼管緊靠處、焊接情況

較為理想的受力，即可能出現(xiàn)的最大應力。鋼管長度L≈L0×（1+α（t-t0））

=50×（1+1.2×10-5×（400-273-25））

=50.06mm

焊接應力F焊=EA（L-L0）/L0

=205×109×90×10-6×（50.06-50）/50

=2.21×104N

該力較大，據(jù)資料可得夾件可承受該力，但可能會引起型材的形變。

3.3 鋁型材形變

3.3.1 靜載荷形變

型材的彎曲形變多發(fā)生在梁上，屬于兩端固定形式。載荷主要為型材自重和

管件重量。

彎曲最大形變量δ=（mg+kLg）×L3/（192EI×104）

=（660×9.8×10-3+2.6×800×9.8×10-3）×8003/（192×72×103×15.12×104）

=6.6×10-3mm

δ<<0.1mm，可忽略不計。

3.3.2 焊接形變

平均鋁型材長度為 600mm。

ΔL=（F鋼+F焊）L/（AE）

=（26.9+2.21×104）×600/（0.001×72×109）

=0.18mm

該長度大于測量誤差，不可忽略。與測量誤差相加得0.28mm，在可控范圍內(nèi)，所以此處也符合設(shè)計要求。

4 優(yōu)缺點分析

4.1 缺點

（1）對于前環(huán)、主環(huán)這些彎管，沒有較為精準的定位方式。

（2）設(shè)計時由于沒有實際加工經(jīng)驗，有些設(shè)計較生硬，實際裝配不符合人機設(shè)計。

4.2 優(yōu)點

（1）成本較低，可使用次數(shù)多。

（2）易安裝，易拆解，不用時易收納。

（3）精度高，剛度大，變形量小，承載力較大。

（4）基本掌握核心技術(shù)，加工自主化，技術(shù)的可控性大。

（5）適應性高，稍加改動便可用于焊接另一副車架，且可以適用于大多數(shù)小件固定、夾持。

（6）可回收利用，多余的型材和廢料不會被浪費，剩余的鋁型材可以用于制造其他功能性小車。

5 創(chuàng)新性簡介

5.1 型材

本次設(shè)計選用的主要載體為鋁合金工業(yè)型材，并充分發(fā)揮了其易安裝、拆卸，輕巧便于攜帶、搬移極為方便的特點。成功地將一個包括多個方向位置管件的車架系統(tǒng)完成了整體的定位、固定，使本身就具有多用途的鋁型材又多了一個功能。

5.2 自制夾件

在設(shè)計階段，我們自行設(shè)計了一套夾件，并選用適宜的材料和工藝，使其約束方式、精度和強度完美滿足了設(shè)計要求。該夾具為錳鋼鍛造而成，耐重力、耐高溫，采用底部鉆孔的方式與型材的凹槽連接固定，可與型材形成一定角度，從而滿足了角度約束要求。夾件中軸處有由兩個45°斜面形成的槽，可滿足不同管徑管件的固定要求，適用性極廣。

5.3 通用性

成品具有極高的通用性和推廣價值，可適用于類似規(guī)格工件的焊接。該焊接夾具設(shè)計思路為底部設(shè)置型材導軌定位。故對于體量不是很大的物件，本焊接夾具的適應性極強，可滿足焊接要求。實際焊接時也不需有太大改動，節(jié)省了原材料。

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