AWD型巴哈賽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

朱子凡　田哲文

摘要：將巴哈賽車(chē)的車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)化?；谫愂乱?guī)則將車(chē)架結(jié)構(gòu)按區(qū)域劃分后結(jié)合重要結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì);給出車(chē)架重要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和常見(jiàn)形式;提供部分車(chē)架重要結(jié)構(gòu)的常用設(shè)計(jì)尺寸和尺寸范圍;將基于CATIA軟件建立巴哈賽車(chē)車(chē)架的實(shí)體模型在Workbench中進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性。系統(tǒng)的提出了一套全輪驅(qū)動(dòng)（AWD）型巴哈賽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。該方法可以用于指導(dǎo)巴哈賽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)以縮短設(shè)計(jì)周期，并能簡(jiǎn)化部分車(chē)架結(jié)構(gòu)的加工，

關(guān)鍵詞：巴哈賽車(chē) 車(chē)架 區(qū)域 主要橫桿 支撐結(jié)構(gòu) 安全系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH692.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J 文章編號(hào)：1003-0069（2020）07-0126-04

引言

職業(yè)院校汽車(chē)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)在校生組隊(duì)參加的越野汽車(chē)設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)的比賽，要求參賽車(chē)隊(duì)在賽事規(guī)則約束下，于規(guī)定時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)制造一輛單座、發(fā)動(dòng)機(jī)中置的小型越野車(chē)。車(chē)架系統(tǒng)作為整車(chē)其余系統(tǒng)裝配基體和保護(hù)車(chē)手的重要部分，不僅需要安全的結(jié)構(gòu)、足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)還要保障賽車(chē)各系統(tǒng)的正確定位。故針對(duì)逐漸進(jìn)入大賽的AWD型賽車(chē)，系統(tǒng)地提出一套車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在保留可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保障車(chē)架結(jié)構(gòu)安全性的同時(shí)，縮短車(chē)架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，簡(jiǎn)化部分車(chē)架結(jié)構(gòu)的加工。

一、車(chē)架系統(tǒng)概述

結(jié)合中國(guó)大學(xué)生巴哈大賽的賽事規(guī)則，定義巴哈賽車(chē)車(chē)架系統(tǒng)上的指定點(diǎn)，命名主要的橫桿和支撐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。巴哈賽車(chē)車(chē)架具有最基本的兩種結(jié)構(gòu)形式：前支撐結(jié)構(gòu)和后支撐結(jié)構(gòu)。由于后支撐結(jié)構(gòu)車(chē)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，且根據(jù)往年賽車(chē)車(chē)架的損傷情況，其性能完全可以實(shí)現(xiàn)保障車(chē)手安全、賽車(chē)各系統(tǒng)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，故選用后支撐結(jié)構(gòu)車(chē)架作為主要研究對(duì)象，提出本文的設(shè)計(jì)方法。圖1所示的車(chē)架結(jié)構(gòu)均為后支撐式。

參考車(chē)架的基本造型和實(shí)車(chē)中車(chē)手的相對(duì)位置，并兼顧賽車(chē)其系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與干涉，以賽車(chē)的ALC橫桿中心為原點(diǎn)O，建立賽車(chē)的空間坐標(biāo)系，將車(chē)架劃分為前艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙和駕駛艙三大部分，如圖2所示?；诎凸愜?chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在所劃分的三個(gè)區(qū)域的基礎(chǔ)上，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深入細(xì)化為區(qū)域內(nèi)主要橫桿和重要支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

二、前艙設(shè)計(jì)

以前支撐結(jié)構(gòu)FBM在側(cè)防撞結(jié)構(gòu)SIM下方的部分所組成的平面為邊界，其前后分別劃為前艙和駕駛艙。前艙作為賽車(chē)的前部，既要能夠承擔(dān)較為劇烈的碰撞，又需為賽車(chē)提供轉(zhuǎn)向器、前橋等部件的安裝空間。該區(qū)域的主要結(jié)構(gòu)有：ELC和FLC橫桿，DLC和GLC橫桿。

（一）ELC和FLC橫桿

ELC和FLC橫桿分別作為賽車(chē)前端底部的橫桿和前艙與駕駛艙分界的底部橫桿，確定了賽車(chē)前艙底部的尺寸。

橫桿的長(zhǎng)度取決于設(shè)計(jì)的前艙寬度，在寬度的基礎(chǔ)上保留加工余量。賽車(chē)前艙的寬度首先受到懸架硬點(diǎn)分布位置的幾何形狀約束;其次，在滿(mǎn)足該協(xié)調(diào)條件的同時(shí)需要避免制動(dòng)踏板、油門(mén)踏板與前橋保護(hù)殼之前的干涉;最后，必須保障車(chē)手合理的操作空間。巴哈賽車(chē)的前艙通常被設(shè)計(jì)為y軸法平面上的矩形結(jié)構(gòu)，從而將前支撐結(jié)構(gòu)FBM的彎曲段設(shè)計(jì)在同一平面中，簡(jiǎn)化FBM的加工。

橫桿之間的距離映射著前艙的空間大小，但是不作為設(shè)計(jì)尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)需要分別確定ELC橫桿和FLC橫桿相對(duì)于賽車(chē)前軸的y坐標(biāo)。ELC橫桿的位置首先需要保障車(chē)手的腳部不超出賽車(chē)前端;其次要滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向器和賽車(chē)前橋的安裝空間。FLC橫桿的位置首先需要避免由其參與確定的下半部分的FBM不與前懸架擺臂的固定吊耳發(fā)生干涉，其次便是滿(mǎn)足賽車(chē)前橋的安裝空間。前艙底部的布置形式如圖3所示。在此方法下，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定ELC和FLC橫桿的y坐標(biāo)。

（二）DLC和GLC橫桿

DLC和GLC橫桿分別作為前艙與駕駛艙分界的頂部橫桿和賽車(chē)前端頂部的橫桿，與ELC和FLC橫桿共同確定賽車(chē)前艙的整體尺寸。DLC橫桿可按規(guī)則刪除，故將其作為虛擬桿件參與車(chē)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)際并不通過(guò)模型表達(dá)或加工實(shí)物。

GLC橫桿的長(zhǎng)度同樣取決于前艙寬度，且保留加工余量。GLC橫桿和DLC橫桿之間的距離對(duì)于車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)意義，但是它們確定的平面被要求與駕駛艙的側(cè)防撞結(jié)構(gòu)SIM所確定的SIM平面重合，故需要利用已經(jīng)確定的SIM平面。GLC橫桿和FLC橫桿共同確定賽車(chē)的前端平面，該前端平面由ELC橫桿的位置和該平面相對(duì)z軸的傾角確定。在前艙空間充足時(shí)，可以令該平面適度后傾以縮短指定點(diǎn)D、G之間的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)輕量化。設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)上述兩平面的相交確定GLC橫桿的最終位置。

DLC橫桿并不存在于實(shí)際的車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，因此不加贅述。但是定義該部分的指定點(diǎn)D將在“CLC橫桿和前支撐結(jié)構(gòu)FBM”中詳述。三、發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)

以賽車(chē)的防火墻確定的平面為邊界，其前后分別劃為賽車(chē)的駕駛艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙。巴哈賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙可以分為上下兩艙，如圖4所示。上艙為油箱提供安裝空間和保護(hù);下艙為賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和減速器提供固定和支撐;下艙后端面中的結(jié)構(gòu)件為后懸架提供連接硬點(diǎn)。該區(qū)域主要結(jié)構(gòu)有：RLC橫桿，后端橫桿。

（一）RLC橫桿

RLC橫桿作為賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的主要定位橫桿，與部分結(jié)構(gòu)共同確定發(fā)動(dòng)機(jī)艙上下兩艙的分界，如圖4所示。

RLC橫桿首先需要保障發(fā)動(dòng)機(jī)足夠的拆裝空間;其次同后懸架系統(tǒng)的減震器與車(chē)架的連接硬點(diǎn)的位置密切相關(guān)。該硬點(diǎn)位置設(shè)計(jì)為與指定點(diǎn)R接近被認(rèn)為是合理的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)既可以將后懸架系統(tǒng)通過(guò)減震器施加給車(chē)架的沖擊分散到與指定點(diǎn)R連接的支撐結(jié)構(gòu)上以保證結(jié)構(gòu)的安全性，也可以減去需要為減震器硬點(diǎn)額外添加的支撐桿件，實(shí)現(xiàn)輕量化。

對(duì)于RLC橫桿以及與其連接的兩根支撐桿件，有以下兩種最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)：整體式和分離式。如圖5、6紅色桿件所示。

整體式的結(jié)構(gòu)相對(duì)于分離式可以減少焊點(diǎn)。對(duì)于巴哈賽車(chē)的車(chē)架而言，焊接的內(nèi)應(yīng)力是影響車(chē)架性能的最主要且難以控制的變量。焊點(diǎn)的增加容易為車(chē)架結(jié)構(gòu)引入更大的焊接內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致在賽事中劇烈的振動(dòng)、沖擊的環(huán)境下，車(chē)架的部分結(jié)構(gòu)件發(fā)生斷裂破壞的現(xiàn)象。受加工環(huán)境的桎梏，目前解決該問(wèn)題的方法為在加工車(chē)架鋼管時(shí)磨制貼合程度更高的坡口。減少焊接接頭的數(shù)量可以直接緩解這一問(wèn)題。分離式的結(jié)構(gòu)相對(duì)于整體式具有更多加工和維修上的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于多數(shù)參賽車(chē)隊(duì)而言，彎曲鋼管的加工依舊是不小的難題。同時(shí)，不同于分離式結(jié)構(gòu)可以直接更換的特點(diǎn)，整體式的RLC橫桿一旦破壞，會(huì)為維修帶來(lái)巨大的困難。在這兩種結(jié)構(gòu)的選取中，需要綜合考慮實(shí)際的加工條件做出判斷。

（二）后端橫桿

后端橫桿并非規(guī)則中規(guī)定的橫桿，是在多年比賽中總結(jié)出的一種.較為成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。后端橫桿包括上下兩個(gè)部分，共同組成賽車(chē)后端的倒梯形。

后端橫桿的y軸位置需要滿(mǎn)足下艙的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和減速器的布置空間需求。上下部分間的距離根據(jù)主減速器支撐吊耳的位置確定。確定該距離后，根據(jù)后懸架系統(tǒng)的擺臂與車(chē)架連接硬點(diǎn)的坐標(biāo)值確定后端橫桿的長(zhǎng)度。

四、駕駛艙設(shè)計(jì)

以前支撐結(jié)構(gòu)FBM在側(cè)防撞結(jié)構(gòu)SIM下方的部分所組成的平面和防火墻所在平面為邊界，劃分出賽車(chē)的駕駛艙部分。巴哈賽車(chē)的駕駛艙涉及大量尺寸設(shè)計(jì)，受到諸多賽事規(guī)則約束，并且與前后艙的結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。該區(qū)域主要結(jié)構(gòu)有：ALC、BLC橫桿與防滾環(huán)RRH，CLC橫桿和前支撐結(jié)構(gòu)FBM，車(chē)手支撐與保護(hù)結(jié)構(gòu)。

（一）ALC、BLC橫桿與防滾環(huán)RRH

ALC橫桿確定了賽車(chē)防火墻的“下邊界，一般作為初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。BLC橫桿應(yīng)設(shè)計(jì)為賽車(chē)防滾環(huán)RRH的一部分。

ALC橫桿的長(zhǎng)度直接影響駕駛艙的寬度，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度應(yīng)在560mm左右的舒適尺寸上添加40-60mm的加工余量。在車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)橫桿相對(duì)于賽車(chē)前后軸的y坐標(biāo)值。

BLC橫桿被賽事規(guī)則約束為賽車(chē)防滾環(huán)RRH的一部分，在賽車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)直接進(jìn)行防滾環(huán)的整體設(shè)計(jì)。防滾環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸體現(xiàn)了賽車(chē)車(chē)架部分的高度和寬度。巴哈賽車(chē)的防滾環(huán)具有六邊形結(jié)構(gòu)和八邊形結(jié)構(gòu)這兩種常見(jiàn)形式，但是在其寬度受到規(guī)則約束的條件下，八邊形結(jié)構(gòu)具有管件長(zhǎng)度較短的優(yōu)勢(shì)，如圖7所示。因此，八邊形的防滾環(huán)結(jié)構(gòu)被作為車(chē)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一種默認(rèn)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)八邊形結(jié)構(gòu)的尺寸時(shí)，在其相對(duì)于六邊形結(jié)構(gòu)增加的兩處彎曲中，于彎曲中心處額外定義指定點(diǎn)Q（QR、QL），如圖7所示。將防滾環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)防滾環(huán)傾角和防滾環(huán)上各指定點(diǎn)：A、S、B、Q的坐標(biāo)。

防滾環(huán)的傾角表征了防滾環(huán)平面相對(duì)于z軸的傾斜程度，一般設(shè)計(jì)其向后傾斜適當(dāng)?shù)慕嵌?，在增大駕駛艙空間、提高車(chē)手舒適性的同時(shí)充分保障發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間。5°左右的傾角較為合適。

A點(diǎn)的坐標(biāo)在ALC橫桿的設(shè)計(jì)過(guò)程中確定。S點(diǎn)的x坐標(biāo)保證防滾環(huán)的側(cè)部與車(chē)手身體之間至少152mm的距離。參考《中國(guó)成年人人體尺寸（（GB10000-88））》，如表1所示，考慮到服裝等因素，車(chē)手寬度一般在450mm左右，因此左右S點(diǎn)的距離不少于750mm。S點(diǎn)的z坐標(biāo)需要與側(cè)防撞結(jié)構(gòu)SIM綜合設(shè)計(jì)。

B點(diǎn)的位置是防滾環(huán)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。其x坐標(biāo)使得BLC橫桿的長(zhǎng)度與賽車(chē)前艙的頂部寬度相等。其z坐標(biāo)代表車(chē)架的豎直高度，根據(jù)駕駛艙部分的人機(jī)模型確定，后文結(jié)合表1給出了B點(diǎn)的z坐標(biāo)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式。最后由傾斜的防滾環(huán)平面和確定的車(chē)架頂端平面相交確定B點(diǎn)的最終位置。

在AWD型巴哈賽車(chē)的車(chē)架設(shè)計(jì)中，為了避免車(chē)手或車(chē)手座椅與傳動(dòng)軸之間的干涉，抬高座椅位置是一種基本的解決方法。設(shè)座椅的上升高度為z，指定點(diǎn)B的z軸坐標(biāo)為H，人體坐高計(jì)為900mm，車(chē)手裝備預(yù)計(jì)增加30mm的高度，保留車(chē)手佩戴頭盔后與賽車(chē)頂部外側(cè)平面的152mm的距離。給出如下經(jīng)驗(yàn)公式：

為了追求車(chē)架結(jié)構(gòu)的輕量化，H的取值應(yīng)當(dāng)貼近下限。

B點(diǎn)反映車(chē)架的高度，Q點(diǎn)則反映著車(chē)架的寬度。在賽事規(guī)則的約束下，設(shè)計(jì)Q點(diǎn)的位置在賽車(chē)座椅上方686mm處，Q點(diǎn)的x坐標(biāo)使.得左右Q點(diǎn)的距離超過(guò)736mm，保留加工余量時(shí)，設(shè)計(jì)該尺寸不小于760mm。

（二）CLC橫桿和前支撐結(jié)構(gòu)FBM

賽事規(guī)則中的前支撐結(jié)構(gòu)FBM是由指定點(diǎn)C到指定點(diǎn)F之間的包含兩端彎曲的結(jié)構(gòu)件。CLC橫桿為其起點(diǎn)C處的連接橫桿。但在實(shí)際的加工中，F(xiàn)BM與C、B點(diǎn)之間的鋼管同由一根鋼管構(gòu)成。故特在此將由B點(diǎn)到F點(diǎn)的完整鋼管稱(chēng)為前支撐結(jié)構(gòu)FBM，該結(jié)構(gòu)中包括指定點(diǎn)C和D，由指定點(diǎn)D分為上下兩半部分，如圖8所示。

CLC橫桿的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)為與前艙頂部等寬;其沿y方向的位置（即C點(diǎn)的y坐標(biāo)）受到賽事規(guī)則的單獨(dú)約束，如圖8所示，并且與前懸架系統(tǒng)和車(chē)架之間的連接方式相關(guān);其z坐標(biāo)（即C點(diǎn)的z坐標(biāo)）需要和B點(diǎn)保持一致，同BLC橫桿共同構(gòu)成車(chē)架的頂端平面。

設(shè)計(jì)前支撐結(jié)構(gòu)FBM時(shí)，將其轉(zhuǎn)換為指定點(diǎn)C、D的定位，在x方向上的定位按照左右指定點(diǎn)的距離與前艙頂部等寬進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便于加工。y、z方向上的定位根據(jù)前懸架系統(tǒng)減震器與車(chē)架連接硬點(diǎn)的位置又分為兩種不同的設(shè)計(jì)方法。

連接硬點(diǎn)設(shè)計(jì)在前支撐結(jié)構(gòu)FBM的上半部分上，如圖9所示。此時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與前懸架硬點(diǎn)的空間位置密切相關(guān)。C點(diǎn)的位置在遵循規(guī)則約束的同時(shí)需要配合懸架幾何的要求進(jìn)行y坐標(biāo)的定位，從而調(diào)節(jié)FBM上部的傾斜角度。D點(diǎn)的定位，首先確定FBM上、下部分所在直線(xiàn)的交點(diǎn)，在滿(mǎn)足前懸架硬點(diǎn)的定位和不干涉的條件下，通過(guò)修正該兩部分的角度，使得其交點(diǎn)落在SIM平面上。其次根據(jù)彎管模具的實(shí)際尺寸，確定FBM上C、D兩處彎管的半徑。最后得到彎曲中心線(xiàn)和SIM平面的交點(diǎn)即為D點(diǎn)。此方法下D點(diǎn)的定位難以保證賽事規(guī)則中對(duì)于“D點(diǎn)位于彎曲中心“的要求，一般需要利用賽事允許的誤差范圍使得設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

連接硬點(diǎn)設(shè)計(jì)在前艙的指定點(diǎn)G與前支撐結(jié)構(gòu)FBM上指定點(diǎn)D之間的結(jié)構(gòu)件上，如圖10所示。此時(shí)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與前懸架相關(guān)性低，設(shè)計(jì)時(shí)C點(diǎn)的y坐標(biāo)根據(jù)規(guī)則的約束按經(jīng)驗(yàn)選取，且越接近約束的下極限越能縮短前支撐結(jié)構(gòu)FBM的長(zhǎng)度。D點(diǎn)的定位較為簡(jiǎn)單，其y坐標(biāo)僅需要保障由D和F點(diǎn)確定的“下半部分的FBM不與前懸架擺臂的固定吊耳發(fā)生干涉;其z坐標(biāo)由SIM平面決定。

（三）車(chē)手技撐與保護(hù)結(jié)構(gòu)

將與車(chē)手的支撐和保護(hù)密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)件統(tǒng)一劃分在這一部分，包括：座椅的固定桿、安全約束系統(tǒng)的反潛帶固定桿和肩帶固定桿以及承擔(dān)主要側(cè)向防護(hù)的側(cè)防撞結(jié)構(gòu)SIM。

座椅的固定桿具有“十字”式和“二字”式兩種形式，如圖11所示。在AWD型巴哈賽車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)中，由于座椅位置的抬高，需要增加結(jié)構(gòu)以架高座椅的固定桿。此時(shí)“十字”式的結(jié)構(gòu)不僅需要耗費(fèi)更多的材料，而且其交叉式的形狀也難以為座椅提供較高精度的支撐平面。因此在AWD型巴哈賽車(chē)車(chē)架的座椅固定桿設(shè)計(jì)中，“二字”式的結(jié)構(gòu)更加合理。

座椅的固定桿以及安全約束系統(tǒng)的固定桿件的位置雖然十分重要，但是在車(chē)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒(méi)有較大的權(quán)重，只需要按照往年的經(jīng)驗(yàn)粗略的確定位置，再在車(chē)架實(shí)體的加工時(shí)按照車(chē)手的人機(jī)試驗(yàn)確定符合規(guī)則的準(zhǔn)確位置即可。

側(cè)防撞結(jié)構(gòu)SIM是防滾環(huán)上的指定點(diǎn)S到前支撐結(jié)構(gòu)上的指定點(diǎn)D之間的結(jié)構(gòu)件，一般包含一小段彎曲，其鋼管的中心線(xiàn)定義了賽車(chē)的SIM平面。SIM平面往賽車(chē)的前艙沿伸，確定GLC橫桿在z方向上的位置。側(cè)防撞結(jié)構(gòu)SIM的設(shè)計(jì)可以轉(zhuǎn)換為SIM平面的z方向定位和彎曲中心的x、y方向定位。

SIM平面在z方向上的定位被規(guī)則約束了高度范圍，如圖8所示。為了實(shí)現(xiàn)輕量化，SIM平面的高度范圍需要進(jìn)一步縮小。SIM平面和防滾環(huán)的交點(diǎn)定義了指定點(diǎn)S，在指定點(diǎn)B的z坐標(biāo)逼近下限時(shí)，在防滾環(huán)上由B點(diǎn)到S點(diǎn)的這一部分彎管的長(zhǎng)度將由S點(diǎn)的z坐標(biāo)決定。賽事規(guī)則要求，超出838mm的彎管需要添加額外的支撐結(jié)構(gòu)。為避免該情況的發(fā)生，SIM平面的高度需要趨向其高度范圍的上限。表2所示為一組避免添加支撐的設(shè)計(jì)尺寸，上述以及表格中的SIM平面的高度均為該平面到座椅內(nèi)部底面的高度。

彎曲中心的定位使得車(chē)手能夠?qū)⑾ドw側(cè)靠在彎曲處時(shí)可以提高駕駛的舒適度。根據(jù)CATIA中人機(jī)模型的測(cè)量，給定如下的參考坐標(biāo)值：（土280，490）。

在完成賽車(chē)前艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙以及駕駛艙如上所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，添加必須的連接結(jié)構(gòu)和各系統(tǒng)的支撐桿件，即可完成體現(xiàn)AWD型巴哈賽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)的點(diǎn)線(xiàn)模型，再利用CATIA軟件的肋命令和厚曲面命令得到實(shí)體的車(chē)架模型，如圖12所示，用于賽車(chē)設(shè)計(jì)中的模型總裝和車(chē)架系統(tǒng)的仿真分析。

五、仿真分析

賽車(chē)的車(chē)架系統(tǒng)密切關(guān)系著車(chē)手的生命安全，因此有必要分析所設(shè)計(jì)車(chē)架的安全性。由于車(chē)架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以使用傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法進(jìn)行分析計(jì)算，所以應(yīng)用CAE軟件解決這一問(wèn)題。

將在CATIA中建立起的車(chē)架三維實(shí)體模型經(jīng)過(guò)必要的參數(shù)修正后導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行不同工況下的力學(xué)分析，根據(jù)車(chē)架模型在不同工況下的安全系數(shù)分布判斷車(chē)架結(jié)構(gòu)的可靠性。

巴哈賽車(chē)的車(chē)架主體為桁架式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)件主要由不同規(guī)格的環(huán)形截面鋼管焊接而成，在實(shí)體表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖13所示。為確保有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在不同工況下的力學(xué)分析均需要對(duì)模型添加合適的約束、施加合理的載荷。

（一）彎扭組合工況

在彎扭組合工況中，約束所有懸架系統(tǒng)的連接硬點(diǎn)的z軸自由度;約束前懸架硬點(diǎn)的x軸自由度;約束右側(cè)前懸架硬點(diǎn)的y軸自由度。按照滿(mǎn)載時(shí)的受力狀況施加載荷，包括以下五個(gè)方面：

1.添加z軸重力加速度;

2.賽車(chē)座椅安裝在車(chē)架底部的橫桿上，桿件與座椅接觸部分支撐車(chē)手和座椅的總質(zhì)量。以總質(zhì)量70kg計(jì)，添加z軸負(fù)方向700N的力于座椅固定橫桿上;

3.前橋固定再前艙的兩根支撐桿上。以質(zhì)量10kg計(jì)，添加z軸負(fù)方向100N的力于其支撐橫桿上;

4.發(fā)動(dòng)機(jī)固定在后部支撐板上，以質(zhì)量50kg計(jì)，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)工況，乘以動(dòng)載荷系數(shù)3.4，并平分在車(chē)架后艙兩根縱向桿上，每根桿添加z軸負(fù)方向850N;

5.減速器固定在車(chē)架后艙縱向桿件之間的橫桿上，以質(zhì)量15kg計(jì)，添加z軸負(fù)方向150N的力于其支撐橫桿上。

由圖14的安全系數(shù)分布，彎扭組合工況下車(chē)架的安全系數(shù)最小值為7.584，可認(rèn)為車(chē)架滿(mǎn)足該工況下的許用條件。

（二）極限轉(zhuǎn)向工況

當(dāng)賽車(chē)處于極限轉(zhuǎn)向的狀態(tài)時(shí)，由于離心力的作用會(huì)引入側(cè)向載荷，賽車(chē)高速過(guò)彎時(shí)，其向心加速度較大（可接近重力加速度）。

為避免模型在x軸方向的移動(dòng)，約束全部懸架硬點(diǎn)的y軸與z軸自由度和右側(cè)前懸架連接點(diǎn)的x軸自由度。

其載荷的施加方式與上述彎扭組合工況的施加方式類(lèi)似，但是在五個(gè)方面中均添加大小為1.5g的側(cè)向加速度。

由圖15的安全系數(shù)分布，極限轉(zhuǎn)彎I況下車(chē)架的安全系數(shù)最小值為5.4489，可認(rèn)為車(chē)架滿(mǎn)足該工況下的許用條件。

（三）緊急制動(dòng)工況

當(dāng)賽車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)，前后車(chē)輪全部抱死，此時(shí)會(huì)在賽車(chē)的z軸方向形成較大的縱向加速度，分析中以1.5g計(jì)算。

為模型添加約束限制其在y軸方向上的位移。載荷的施加方式與極限轉(zhuǎn)向工況下力的施加方式相似，將添加的側(cè)向加速度改為縱向的加速度。

由圖16中的安全系數(shù)，緊急制動(dòng)I況下車(chē)架的安全系數(shù)最小值為6.1995，可認(rèn)為車(chē)架滿(mǎn)足該工況下的許用條件。

綜合不同工況下對(duì)于巴哈賽車(chē)車(chē)架模型的CAE分析結(jié)果，認(rèn)為所設(shè)計(jì)的該AWD型巴哈車(chē)架結(jié)構(gòu)安全可靠，可以滿(mǎn)足比賽需求。

結(jié)論

本文在歷年巴哈賽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合2020賽季巴哈大賽中全輪驅(qū)動(dòng)型（AWD）賽車(chē)的車(chē)架設(shè)計(jì)過(guò)程，系統(tǒng)化地提出了一套針對(duì)于AWD型巴哈賽車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。將賽車(chē)的車(chē)架按區(qū)域劃分，并利用主要橫桿和重要支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化，分別給出設(shè)計(jì)依據(jù)和部分較為成熟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后應(yīng)用Workbench的靜力學(xué)分析模塊證明了應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)的巴哈賽車(chē)車(chē)架在三種工況下的安全性。

本文提出的設(shè)計(jì)方法與AWD型巴哈賽車(chē)車(chē)架的設(shè)計(jì)過(guò)程十分契合，能夠在保障車(chē)架性能的同時(shí)進(jìn)一步縮短賽車(chē)的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)簡(jiǎn)化部分車(chē)架結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程、降低加工難度。該方法還有利于參賽隊(duì)伍更快掌握巴哈賽車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，從而投入更多的精力到車(chē)架設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)問(wèn)題的攻克上，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，亦將對(duì)中國(guó)大學(xué)生巴哈賽事的發(fā)展起到一定程度的推動(dòng)作用。

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