基于比賽工況的巴哈賽車車架設計與優化

孔超，王正偉，楊國瑋，陳淼

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基于比賽工況的巴哈賽車車架設計與優化

孔超1，王正偉2，楊國瑋1，陳淼1

（1.天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222；2.壽光職教中心，山東 壽光 262700）

基于巴哈比賽規則利用Catia軟件設計了用于巴哈大賽的賽車車架，將模型導入ANSYS Workbench進行分析，結合比賽工況進行力學分析發現，在滿載彎曲、V字溝、亂石路況及牽引工況下，強度滿足設計要求；但剛度分析中發現剛度較低；進行自由模態和約束模態分析發現，自由模態第四階頻率與發動機振動頻率接近，容易發生共振。通過增加三角形穩定結構優化后側向防撞構件和防滾環的方式提高車架扭轉剛度和固有頻率，再次分析滿足設計要求。

賽車車架；比賽工況；強度；剛度；模態

前言

中國汽車工程學會巴哈大賽（以下簡稱巴哈大賽）是由中國汽車工程學會于2015年創辦的主要面向職業院校和本科院校開展的小型越野汽車設計和制作賽事。大賽要求各參賽車隊在規定時間內使用同一型號發動機設計制造一輛單座、中置后驅的小型越野車，參加多種靜態與動態項目測試[1,2]。靜態項目包括技術檢查、賽車設計、成本與制造等，動態項目包括牽引力測試、爬坡測試、直線加速測試、耐力測試等。

車架作為賽車最重要的部分之一支承賽車所有簧上質量，在動態項目中，車架要承受各比賽工況下路面反饋的復雜載荷的同時受到外部激勵，因此要確保車架有足夠的強度和剛度的同時行駛中不產生共振。根據比賽規則和經驗設計了巴哈賽車車架，利用有限元法對強度、車架扭轉剛度及車架模態進行了分析和優化。

1 車架設計

通過合理設計和加工，車架可以在發生危險情況時防止駕駛員受傷。車架的設計首先要遵從《中國汽車工程學會巴哈大賽規則》，滿足布局合理、有足夠的強度與剛度、良好的人機工程性能及輕量化的要求，主要由防滾架、牽引懸掛點、各總成安裝支架以及懸架安裝吊耳等部分組成。近年來，巴哈賽車多數使用桁架式車架，該類車架主要用于競賽汽車和特種汽車，兼有車架和車身的作用，一般由鋼管組合焊接而成[3-5]。利用Catia軟件設計的賽車車架如圖1所示。

圖1 賽車車架

2 比賽工況下力學分析

利用ANSYS Workbench軟件對賽車車架進行有限元分析[6-8]，分析車架強度和剛度，檢驗是否能夠承受疲勞載荷的同時變形量負荷要求。

2.1 車架模型的前處理

前處理包括對車架模型的簡化、材料屬性及單元橫截面的設定、定義接觸、網格劃分，需要通過對車架模型的簡化提高計算速度。設定車架材料為鉻鉬鋼，其力學性能如表1所示。

表1 4130鉻鉬鋼管力學性能

根據車架主要結構件和次要結構件受力情況設定構件壁厚，結構件間定義為綁定接觸，采用網格全局控制、四面體網格，對集中受力的地方進行網格局部加密，部分網格劃分加密如圖2所示。

2.2 車架強度分析

車架強度分析主要針對賽車在比賽工況行駛時車架應力及變形情況，比賽工況四種：滿載彎曲、扭轉、緊急制動及牽引工況。

2.2.1滿載彎曲分析

該工況分析車架在加載全部載荷下良好路面上行駛時車架應力、應變等。滿載荷彎曲下車架所受載荷有：車架自重、駕駛員及座椅、發動機、變速器和傳動機構及其他總成所產生的重力等。對車架與懸架連接點進行位移約束后分析，車架的應力狀態圖、變形狀態圖、應變狀態圖如圖3所示。

圖3 車架滿載彎曲分析

可知：車架最大應力主要集中在座椅位置，應力為36.968MPa，遠小于車架材料的許用應力；位移變形最大值為0.18295mm，位置為座椅安裝處，位移量遠遠小于最大允許位移量，滿足設計要求。

2.2.2扭轉分析

巴哈賽車耐久賽賽道全地形道路包括亂石堆、輪胎陣、V字溝、飛坡、泥坑等，賽車在該賽道行駛時車架扭轉變形較大。本處主要分析賽車在全地形道路下車架的受力和位移變形。

V字溝路況下的應力狀態、變形狀態、應變狀態如圖4所示。

圖4 V字溝路況下的應力狀態、變形狀態、應變狀態

可以看出V字溝路況下車架的最大應力主要集中在座椅位置及后部防滾環底部，最大應力值為64.785MPa，遠小于車架材料的許用應力；車架的位移最大值為0.66354mm，最大位移位置為座椅安裝處，位移量遠遠小于最大允許位移量，滿足設計要求。

圖5 亂石堆路況下的應力狀態、變形狀態、應變狀態

亂石堆路況下，賽車在行駛過程中右后車輪會出現懸空情況，前軸載荷全部加載在右前車輪處，因此重新設定約束條件和加載情況進行計算。該路況下的應力狀態、變形狀態、應變狀態如圖5所示。

在亂石堆路況下車架的應力主要集中在車架的前部，應力集中處的應力為68.759MPa，遠小于車架材料的許用應力；車架在亂石堆路況下的最大位移變形值為0.7389mm，位置為車架前部，位移量遠遠小于最大允許變形量，滿足設計要求。

2.2.3緊急制動

賽車遇到危險情況時不可避免進行緊急制動，此時車架除了承受重力外還承受巨大的慣性力，車架上載荷分布迅速變化，因此分析車架在進行緊急制動時的應力、位移變形及應變是必要的。應將前后懸架和車架連接點位移進行約束。該路況下的應力狀態、變形狀態、應變狀態如圖6所示。

圖6 緊急制動下的應力狀態、變形狀態、應變狀態

緊急制動下車架的座椅位置應力最為集中，為39.527 Mpa，遠小于車架材料的許用應力；車架在該分析下的最大位移值為0.19848mm，為座椅安裝位置，遠小于最大允許位移量，滿足設計要求。

2.2.4牽引工況

賽車有爬坡或牽引賽事，爬坡被設計為測量車輛對路面傳送額外（攀爬）力量的能力。如果當地形不支持爬坡，則可以采用牽引賽事進行替代，此時賽事設計為使車輛牽引一個大負荷。牽引工況下車架所受載荷為：牽引力、車架自重、駕駛員及賽車自身各總成所產生的重力等。設定邊界約束和載荷后進行分析，該路況下的應力狀態、變形狀態、應變狀態主要為車架尾部，分析結果如圖7所示。

該工況下車架的后方牽引點應力最為集中，應力為96.175MPa，遠小于車架材料的許用應力；車架在該分析下的最大位移為0.72641mm，為車架后部牽引點，位移量遠遠小于最大允許位移量，滿足設計要求。

2.3 車架剛度分析

評價車架剛度的標準主要包括：彎曲剛度、扭轉剛度等，大賽規則中規定采用車架的扭轉剛度作為其剛度設計的評估標準。使用ANSYS計算車架的扭轉剛度。設定邊界約束和載荷后進行扭轉剛度計算，結果如圖8所示。

經計算，車架的扭轉剛度約為5069 N·m/deg，根據經驗賽車扭轉剛度一般在5500 N?m/deg 到8000N?m/deg之間，因此車架扭轉剛度需優化提高。

3 車架模態分析

賽車行駛中車架受到外界激勵會發生振動，當激振頻率與車架固有頻率接近時車架會發生共振，嚴重時會使車架發生扭曲變形甚至使車架管件斷裂，極大的影響行駛安全，因此設計過程中對車架進行模態分析是必要的[9,10]。針對車架進行了自由模態和激振模態分析，分析過程包括：模型導入、求解和結果后處理。分別求解自由狀態下和約束狀態下模態得到車架一至六階固有頻率。計算結果如表2所示。

表2 模態分析

比賽過程中，外界對車架的激勵主要來自于路面白噪聲和發動機振動。路面白噪聲對車架的激勵頻率取決于路面情況，巴哈賽車比賽時的道路為越野賽道，對車架的激勵頻率在5到20Hz之間；經計算，發動機工作時引起的激振頻率介于17-32Hz之間。車架自由模態下第四階振型頻率接近發動機工作時激振頻率，容易引起車架與發動機共振。車架自由狀態下的其他振型頻率均與32Hz相差較大，不會引起車架共振。車架約束模態的固有頻率從第一階到第六階均在32Hz以上，也不會引起共振。因此，需車架提高自由模態下低階頻率。

4 車架優化

車架應從提高車架剛度和提高車架固有頻率兩方面入手。

4.1 提高車架扭轉剛度

提高車架扭轉剛度一般可采用提高材料的力學性能、減小車架寬度及采用更多的三角形穩定結構的方式。4130鉻鉬鋼管的力學性能較優，更換材料勢必帶來成本提升；減小車架的寬度則犧牲了駕駛艙本就擁擠的空間，過窄的車架會影響駕駛員操作；采用三角形結構可以加強車架的結構，車架總體質量增加，但對比賽結果影響較小，因此采用更多的三角形穩定結構提高剛度。在防滾架側向防撞構件位置增加三角形穩定結構，如圖9所示。

圖9 防滾架側向防撞構件位置增加三角形穩定結構

將優化后設計重新進行扭轉剛度計算，結算結果如圖10所示。

圖10 優化后車架扭轉變形

利用軟件探針功能求出左右前懸架與車架連接點處的約束反力后進行計算，得到扭轉剛度為7063.2 N?m/deg，滿足要求且處于較高水平。

4.2 提高車架固有頻率

通過改進防滾架側向防撞構件，改進前部防滾環構件改變車輛固有頻率。如圖11所示。

圖11 優化后側向防撞構件和防滾環

進行自由和約束模態分析后，結果如表3所示。

表3 優化后模態分析

優化改進后車架自由狀態下固有頻率的低階頻率為46.079Hz，高于賽車工作頻率32Hz以上，車架固有頻率提高約35.3%。

優化后巴哈賽車車架的剛度及固有頻率較之前都有了明顯提高，將綜合兩種改進作為車架的最終設計方案，如圖12所示。

圖12 最終設計方案

5 結論

作為巴哈大賽賽車重要的部件，車架承載著所有的簧上質量，對于賽車性能有著重要的作用。

5.1利用Catia軟件設計了符合比賽規則的巴哈賽車車架；

5.2利用ANSYS Workbench軟件進行了比賽工況下車架力學性能分析，結果顯示，扭轉剛度不符合要求；進行自由模態和約束模態分析，發現第四階自由模態和發動機激振頻率接近；

5.3通過增加三角形穩定結構優化后側向防撞構件和改進防滾環的方式提高車架扭轉剛度和固有頻率，再次分析滿足設計要求。

[1] 柯怡達.2015中國汽車工程學會巴哈大賽完美落幕[J].汽車與配件,2015(40):77-81+76.

[2] 百力通為中國汽車工程學會首屆巴哈大賽贊助發動機[J].汽車與配件,2015(36):19.

[3] 倪曉菊. 大學生方程式賽車車架研究[D].南京理工大學,2016.

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[9] 王新彥.基于ANSYS的越野賽車車架模態分析[J].拖拉機與農用運輸車,2009,36(04):28-29+32.

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Design and Optimization of Baja Racing Car Framebased on Race Conditions

Kong Chao1, Wang Zhengwei2, Yang Guowei1, Chen Miao1

（1.Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222; 2.Shouguang Vocational Education Center, Shandong Shouguang 262700）

Based on the rules of the Baja SAEChina, the car frame used in Baja competition was designed by using Catia. The model was introduced into the ANSYS Workbench, and the mechanical analysis was carried out to find out the strength under the full load bending, the V groove, the stoulding road condition and the traction condition. The free modal analysis and constrained modal analysis show that the fourth order frequency of the free mode is close to the engine vibration frequency and is easy to generate resonance. The torsion stiffness and natural frequency of the frame are improved by increasing the lateral anti collision member and anti roll ring after optimizing the triangle stability structure, and the design requirements are met again.

racing car frame; race conditions; strength; stiffness; modality

B

1671-7988(2018)16-146-04

U463.8

B

1671-7988(2018)16-146-04

CLC NO.: U463.8

孔超（1983.7-），男，現就職于天津職業技術師范大學，講師，碩士研究生，主要研究方向：車輛工程，汽車職業教育。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.052