節能賽車車架的設計

包夢陽，姚喜貴，顧 晗（寧波工程學院，浙江 寧波 315000）

節能賽車車架的設計

包夢陽，姚喜貴，顧 晗
（寧波工程學院，浙江 寧波 315000）

本文以節能賽車競技大賽為設計背景，根據輕量化與人機工程的要求，建立車架的有限元模型，分析車架在賽車勻速、側移、加速以及轉向等多種工況下的強度大小，獲知所設計的車架符合強度的要求。

節能賽車；車架；設計

1　引言

節能與環保是全世界汽車產業面臨的共同挑戰。為此，日本本田汽車公司在中國舉辦了Honda節能車競技大賽。本課題組積極參與節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，車架材料和結構的優化可以減少節能賽車的重量，實現節能減排的目標。如何在輕量化情況下保證車架可靠性是本文的重點內容。

2　賽車車架的設計原則

車架是賽車的重要零部件，車架需要承載發動機以及附屬件和駕駛員的重量，還需要承載轉向力、側移力和慣性力等。因此它需要足夠的強度，并完善發動機、傳動系、驅動系和轉向系各系統的布局，確保在各種工況下賽車駕駛員的安全。為了實現以上目標，賽車車架應根據大賽賽車結構規則、汽車人機工程學和賽車總布置的要求進行設計。

2.1賽車車架設計的規則

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

根據人體工程學分析、汽車風阻系數以及駕駛舒適的要求，設定實際駕駛員的坐姿，姿勢確立如圖1。

2.3 車架結構布置

圖1是賽車總體結構示意圖。駕駛艙里有駕駛員還包括轉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阻系數小、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固定位置。后支架上承載著驅動輪和制動系統。

圖1　節能賽車總體結構示意圖

按照上述車架布置要求，車架既要追求空間的利用率，又要滿足強度要求，優化車架以實現重量輕、強度高的目的。

2.4車架材料的選擇

根據經驗，可選用車架的材料有很多如鋁合金、不銹鋼、纖維增強塑料等等?？紤]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

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

2.5車架結構設計

根據上述的設計原則和選定的車架材料，對車架進行結構設計。車架主要由駕駛艙、汽油機部位、 傳動部位、前環以及后支架構成，駕駛艙的前部設計成 “日”字形結構，材料采用20×40×2，加強該處的強度；駕駛艙的后部是駕駛員的位置，材料采用30×40×3，體現該處強度高，確保駕駛員的安全；

汽油機部位縱梁材料30×40×3，設計成三根橫梁，材料選用20×40×2；后支架支撐驅動輪，承載較大，材料選用30×40×3；轉向橋及方向盤架采用20×20×2。經計算，車架總質量6.72kg。

通過焊接和組裝得到的車架，其總質量為6.80KG，與計算結果相符。

3　車架受力分析

3.1車架模型的建立

通過CATIA中的數模，量取各關鍵點三維坐標，直接選取車架的節點，在ANSYS中建模，這種建模方式很好地對單元節點的選取施加載荷和約束并且不需要對模型進行處理，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，采用三角形單元進行網格劃分。自由網格劃分得到網格劃分數據共216個節點。

3.2邊界條件及載荷處理

根據上述車架結構上所承載的特性，將零件數模賦予各自密度，得到各零件質量表3-3，將載荷和約束直接定義在中心軸線上。車架上的質量分別為：駕駛員56kg，汽油機19kg，車架6.8kg，轉向系1.5kg以及傳動系2.5kg。

4　車架強度有限元分析

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動狀態下車架的響應。在該工況下，車架主要受到車架重量，駕駛員和汽油機重量，其余系統部件質量較小，對此忽略不計?？紤]到沖擊載荷，作用在車架上的載荷都要乘以動載荷系數。動載荷系數為1.6。

4.2側移工況

側移工況研究是指滿載車輛由于路面的反饋和轉向使車輪不在同一平面上，即車架一端受到額外作用力發生扭轉的車輛行駛響應。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較低，選取動載荷系數取為1.2，除勻速工況施加的載荷外新增如下約束載荷。經計算分析得：最大位移量在駕駛艙中后部，偏移量達到了6.4mm，變形量較大，車架應力最大應力210MPa略小于屈服強度，富余量不多；且最大應力處于車架的前環焊接區域處。由于此區域起到支撐前環與駕駛人員重量的作用，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行分析。設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。經計算分析：車架變形量達到4.6mm，最大應力出現在后支架與車架主體部分為143.6MPa，大致為屈服強度的一半，因此在加速工況下車架可以較好滿足需求。

4.4轉向工況

根據比賽規程，選取轉彎半徑15m為設計標準，繞此環形賽道時間為20s，通過計算得到，轉彎的向心加速度為1.5 m/s2。經計算分析：車架變形最大區域位于靠背處，最大應變量0.5mm；最大等效應力值為23.5MPa，遠遠小于材料的屈服強度276MPa，因此車輛轉向時是穩定可靠的。

綜合上述，車架的材料6061鋁屬于塑性材料，經過計算安全系數n＞1，說明車架結構強度符合要求。經過實際車架的驗證，符合比賽的要求。

5　結論

本文根據輕量化和人機工程的要求，建立了賽車車架有限元模型，分析了賽車在勻速、側移、加速以及轉向等多種工況下的車架強度，所設計的車架符合設計要求，車架可靠，安全和穩定。

［1］賀紹華.賽車輕量化系統方法與車架優化［D］.廣東：廣東工業大學，2013.

［2］趙巖.節能競技車的研發與技術研究［D］.陜西：長安大學，2009.

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

項目來源：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201511058011）以及浙江省科技創新活動計劃資助項目（編號：2016R424003）。

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