FASE方程式赛车车架设计报告

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目 录

引言................................................................ 2

1车架外形设计....................................................... 2

1．1车架设计和制作的整体思路 ...................................... 2

1. 1. 1车架设计思路 ............................................. 2

1. 1. 2车架制造思路 ............................................. 2

1．2车架整体设计 .................................................. 2

1．2．1车架形式选择 ............................................. 2

1.2.2车架材料选择 ............................................... 3

1．2．3车架用钢管规格选择 ....................................... 4

1. 3车架各部分设计 .............................................. 5

1. 3. 1底盘外形设计 ............................................. 5

1．3．2前隔板设计 ............................................... 6

1. 3. 3前环设计 ................................................. 7

1. 3. 4前隔板支架 ............................................... 9

1. 3. 5前环支架 ................................................ 10

1. 3. 6主环与肩带安装管 ........................................ 11

1. 3. 7主环支架 ................................................ 12

1. 3. 8侧防撞结构设计 .......................................... 14

1. 3. 9发动机安装区的设计 ...................................... 15

1．3．10后悬架安装区设计 ....................................... 16

1．3．11其他斜支撑管 ........................................... 16

2 车架有限元模型的建立............................................. 17

2.１车架实体模型的建立 ........................................... 17

2．3载荷的分析与处理 ............................................. 18

2．4车架工况分析 ................................................. 18

2．4．1弯曲工况 ................................................ 18

2．4．2扭转工况 ................................................ 19

2．4．3前右轮悬空 .............................................. 19

2．4．4右后轮悬空 .............................................. 20

2．4．5制动工况 ................................................ 20

2．4．6转弯工况 ................................................ 21

2．5车架的模态分析 ............................................... 22

3 结束语............................................................ 3

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车架设计

引言

赛车的车架是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的重要部件。该报告就是叙述车架设计的整个过程的，其主要包含两大部分内容:车架外形设计、车架有限元分析。车架外形设计从车架的形式选择、材料选择、管件规格选择和各部分详细设计等方面进行了叙述。车架有限元分析主要运用ANSYS力学分析软件对车架模型进行了计算机模拟分析，主要利用有限元方法通过工程分析软件ANSYS对车架进行静态强度和模态分析，获得车架在不同工况下的变形量和强度载荷及不同阶数的固有频率和振型，检验车架的结构是否合理，并未其改进提供依据。

1车架外形设计

1．1车架设计和制作的整体思路

1. 1. 1车架设计思路

如果把一辆赛车比作一个充满活力的运动员的话，车架就是他的骨骼。如同骨骼是人的重要组成部分，车架对于赛车来说也是最重要的部分之一。一个运动员要想得到好成绩，他的骨骼就必须要轻并且强劲。对于赛车也是如此，一个轻而结实的车架能够让赛车的性能得到很大提高。赛车的车架的作用是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的，所以车架也应该能够容纳下赛车的所有部件但不能有太多空间浪费。综上所述，车架设计的整体思路是以大赛规则为依据，满足赛车车架强度与刚度的条件下车架重量达到最轻，在满足容纳下赛车所有部件的条件下车架空间达到最小。

1. 1. 2车架制造思路

车架的整体为钢管焊接而成，由于钢材在焊接后会产生较大的热变形，所以如何控制热变形也成了车架制造需要首要考虑的问题。根据这个问题，车架制造的整体思路确定为通过选用合适的工具和采取合适的焊接工艺来保证车架焊接后的热变形影响最小，车架的重要部分的尺寸满足设计要求。

1．2车架整体设计

1．2．1车架形式选择

根据规则要求，通过翻阅与查询资料，我们发现车架有很多的方案可供选择:

A一体式金属车架:

一体式车架就是车架与车身融合成一体的车架，整个车身的外壳本身就属于车架的部分。通过这样的结合，可以使得到的一体式车架具有较轻的重量。一体式金属车架大多选用钢或者铝制成，用焊接或铆接的方法把各组件连接成一个整体。一体式车架的各组件一般都是用高压冲压机冲压而成，这就需要专用的设备、模具还有较大的前期配套资金与技术投入。所以可以看出，这种车架适于大规模生产，而不适用于中小批量生产。

B.一体式复合材料车架:

此类车架结构形式与上面的一体式金属车架相同，只是所选用的材料是如3

碳纤维的复合材料。复合材料与钢或者铝相比在同等质量下有着更高的强度与刚度，所以此类车架的重量在各类车架中是最轻的。但是生产这种车架需要专用的加工模具，并且如果车架的设计发生修改的话模具还需要重新再制造一个。一体式复合材料车架不易于修理、制作车架的复合材料的价格一般较贵、加工过程困难这些都是该种车架的缺点。

C.桁架式金属车架

所谓桁架式金属车架就是用很多金属管焊接成具有空间三角结构的框架，车上的其它零部件全都装在这个框架上。这种车架生产工艺简单，不需要特殊的加工技术与专用的设备，只用焊接或者铆接即可完成车架。这种方式的加工成本较低，并且对车架进行修改或局部加强十分容易，只须修改金属管的焊接位置或加焊金属管即可。在质量相等的情况下，桁架式车架往往可以得到比承载式车架(日前轿车车架的主流，所谓承载式车架就是用金属制成坚固的车身，再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。这个车身承受所有的载荷，充当车架，所以准确称呼应为无车架结构的承载式车身更强的刚度。该种车架的材料也可用如碳纤维的高强度复合材料来代替，但是由于高强度复合材料成本较高，所以桁架式车架多是金属制的。参加FSAE大赛的赛车应该从车架强度刚度、加工难易程度，是否需要专用设备与技术，材料与加工成本等各方面来进行综合考虑，这样才能使赛车有在比赛中有良好的表现。因为桁架式金属车架其有较好的强度与刚度，加工容易，不用专业的设备与技术、材料与加工成本都较为低廉，所以这次参加FSAE大赛的赛车我们选用的是桁架式金属车架。

1.2.2车架材料选择

这次参加FSAE大赛的赛车选用了桁架式金属车架，车架的选材范围确定是金属。根据规则，车架材料的选择应该满足结构等同性表以及规则中对于管件的各种要求，以下有几类金属是我们考虑选用的

A.铝

铝，强度较弱但是却很轻。其刚度只有普通钢材的三分之一，同样的其密度也只是普通钢材的三分之一。但铝材的焊接要求比较高，一要用TIG或MIG焊接方法。铝材本身经过如焊接的热加工后加工区域的力学性能会下降并产生较大的热变形。铝材较普通钢材来说价格也较贵。根据规则要求，如果选择铝材作为车架材料，还需要提供结构等同性表格。规则里还指出，主环与主环支架不能选用铝材必须为钢材。因为异种金属的焊接较为困难，所以我们选择整个车架选用一种材料。又由于前面叙述铝材的很多特点不适于作为这次赛车车架的材料，所以我们不选择铝材。

B.钢

钢材是桁架式金属车架中最常使用的材料，它具有较好的力学性能，并且焊接后也能够保持其原有的力学性能。钢材为最常用的金属材料之一，具有价格便宜，易于购买，加工简便的优点。在规则当中，基准材料就是钢材，选用除钢材之外的其他材料制作车架的车队都要额外提交一份结构等同性表格。基于钢材的这些优点，我们决定选用钢材作为车架的材料。由于钢材的种类相当多，我们需要在其中选择出最适宜的材料。表1-1中给出了待选的几种钢材的性质。

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表1-1各种材料性质比较表

从表1-1我们可以看出，待选的几种钢材按给定顺序从上到下抗拉强度与屈服强度逐渐增加，但是材料的韧性逐渐下降，随之焊接性也变得不好。由于车架为焊接而成，所以材料的焊接性与焊后力学性能成为重要的考虑因素。像30#和45#的中碳钢，其材料的焊接性能就较为一般，焊后接口区域性能不好。30CrMo的铬钼钢，虽然其焊接性能不怎么好，并且焊接工艺复杂，需要采用氩弧焊等专业焊接方式，但从表1可看出其强度与刚度较高，如果其焊接条件能达到的话，将能大大提高整车的性能。所以我们选择30CrMo作为车架的材料。而30CrMo即为国外材料4130在国内的牌号。所以我们选用的是国外的材料4130。

1．2．3车架用钢管规格选择

根据规则叙述，赛车的基本结构必须为如下材料制作:圆形、低碳钢或合金钢管(含碳最小0.1%)、最小直径如表1-2。