大學生方程式賽車車架結構設計1、 方程式賽車車架結構綜述1.1方程式賽車車架的功用與要求1.1.1車架的功用大學生方程式賽車車架作為賽車的承載基本是賽車的主要承載構件，其功用是支撐車身各主要總成的安裝機體，同時承受這些總成的重力以及其傳給車架的各種力和力矩，因此，車架應有足夠的彎曲強度，以使裝在其上的有關機構之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身變形量較小:車架也應有足夠的強度，以保證其具有足夠的可靠性和壽命，車架主要零件在使用期內不應有嚴重變形或者開裂。同時在保證強度、剛度的前提下車架的自身質量應盡可能小，以較少整車質量從被動安全性考慮車架應具有吸收撞擊能力的特點，此外，車架設計時，還要考慮大學生方程式賽車技術規范中的要求。1.1.2車架的要求(1)車架應滿足中國大學生方程式汽車大賽車規則( 2016)的要求。方程式賽車車架應有足夠的強度，保證賽車在比賽期間的轉彎、制動等各種工況下賽車的零部件不會因受力過大而失效。保證賽車車架的剛度，包括扭轉剛度和抗彎剛度，車架保證賽車正常使用。另一方面，車架具有一定的柔度，即但車架彎曲擾度(扭轉剛度)不宜過大，避免變形過大影響車架上總成的正常配合和各零部件的過早損壞。車架的整體質量應盡可能的小，有效的降低賽車的整備質量，同時結構簡單，便于制造。賽車還需要適合從第5百分位的女性到第95百分位的男性車手駕駛。車架要有一定的韌性。(2)方程式賽車車架的結構設計要求賽車的車架被主環和前環分成三部分。從側視圖來看，主環斜撐在主環側傾的一邊，在下端通過三角形結構回到主環底部，從而提高車架的穩定性。前環斜撐延伸到腳部之前，保護腳部。車架的最前端是前隔板，設計為平面結構，能夠吸能緩沖的結構，縱向安裝在平而中部，一起保護腳部和腿部。賽車的側面為防撞結構，減少側面撞擊時車手受到的傷害。1.2賽車車架的結構形式方程式賽車的車架不同于普通汽車，由于方程式賽車的高負荷和極限工況等工作環境使得方程式賽車的車架要求較高。方程式賽車的車架大致可分為三類(1)一體式車架一體式車架是將整個的車身外殼作為車架的一部分，車架的外面要包裹外殼，其材料一般選用金屬鋼或者選用鋁與非金屬復合材料，通過焊接等方式連接成整體。一體式車架的板件是由高壓壓模機壓制出來的，并通過機械臂焊接處理，制作僅數分鐘便可完成，并且體式車架留有褶皺區域，用于劇烈碰撞時緩沖其所受的壓力。一體式車架先天擁有良好的撞擊保護能力，車頭及車尾加裝副車架有利用吸收沖擊力，另一方面對車架行駛剛性也有所幫助，其次一體式車架預留褶皺和包裹式構造用以吸收撞擊能量，但一體式車架的資金和技術消耗大，適合大批生產，不適合中小批量生產，所以不適合作為賽車車架。(2)單體式復合材料車架單體式車架的意念是用金屬制成堅固的車身，再將懸架等機構零件直接裝在車身上，這個車身承受所有的載荷，充當車架，又稱為整體式或承載式車架通過鋼或者鋁沖壓焊接而成，它將車架與車身合二為一，使賽車輕量化，可利用空間大，重心低。并且單體式車架將所有部件包括車身，懸架和乘員連成一體，具有較好的操控反應，質量輕并且堅硬，尺寸精確，性能好同時傳遞振動，噪聲都比較少，這是大梁車架不可比擬的。其結構形式與一體式相同，材料一般選用復合材料使其擁有更高的剛度和強度，其車架的總質量與其它類型相比也是最輕的缺點是這種車架不易修理，制造的價格相對較高，加工和制作較為困難。(3)桁架式車架即鋼管式車架，桁架式車架是選用很多不同直徑的金屬管件焊接成一定的空間結構的框架。此種結構在大學生方程式賽車中較為傳統、也最常見，質量較為輕便，并且相對其他兩種車架而言，價格相對便宜，可以對本同的車型進行不同的焊接，制作過程較為簡單，車架的制作方式一般為焊接和鉚接，生產工藝相對簡單，并且析架式車架制造成本低，由鋼管組合焊接而成的桁架式車架，具有剛度大，強度也能得到保證，對于大學生方程式賽車較為適合。綜合考慮，本方案中選用第三種桁架式車架，材料選用4130高強度鋼。添4130結構鋼具有高的強度和韌性，淬透性較高；鋼的熱強度性也較好，在500°C以下具有足夠的高溫強度，但550C時其強度顯著下降；當合金元素在下限時焊接相當好，但接近上限時焊接性中等，并在焊前需預熱到175C以上；鋼的可切削性良好，冷變形時塑性中等；熱處理時在300?350C的范圍有第一類回火脆性。1.3車架材料(1)車架技術規范要求根據技術規范要求，大學生方程式車架的基準鋼鐵材料的最低較要求，賽車的基械結構必須為如下材料制作，圓形，低碳鋼或合金鋼管(含碳量最小1%)，參加比賽車架所使用材料的性能下限不能低于以下值：楊氏模量=200Gpa，屈服強度=305Mpa，極限強度=365Mpa。直徑要求如下表。表1基準鋼鐵材料部件或用途 外徑*壁厚主環和前環、肩帶安裝桿 25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.50mm側防撞結構、前隔板、防滾架斜撐、安全帶安25.4mm*1.65mm或25mm*1.75mm或25.4mm*1.60mm裝桿及其斜撐、電池動力保護結構前隔板、主環斜撐支撐，電車：傳動系統部件25.4mm*1.20mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm備注：使用的合金鋼不允許比低碳鋼的薄規則中除了主環和主環支架必須用鋼材外，其它可以使用替代管件和材料，替代鋼管最小壁厚見表2。表2最小壁厚要求材料和用途 最小壁厚鋼管，用于主環、前環、肩帶安裝桿 2.0mm鋼管，用于防滾架斜撐、主環支架斜撐、前隔板和側邊防撞結構、前隔板支撐鋼管、安全帶固定 1.2mm件、高壓蓄電池保護、高壓驅動系統保護備注1：不允許合金鋼管件的壁厚比所用的低碳鋼的壁厚更薄。備注2：為了保持相同的屈服強度和極限拉伸強度，必須保持相同的橫截面積。對于替代的另一種材料-鋁管的最小壁厚要求為至少3.0mm。方程式賽車車架的材料應具有足夠的屈服極限和疲勞極限，低的應力集中和敏感性，良好的冷沖壓性和焊接性能。同時車架的設計應盡可能減輕本身的重量從而改善賽車的加速性、操縱穩定性、最高車速和燃油經濟性等。表3幾種材料的特性材料屈服強度5s抗拉強度5b密度g/cm3焊接性能4130#2245M410Mpa7.85很好30#M295MpaM490Mpa7.85一般45#2355MpaM600Mpa7.85一般30CrMoM785MpaM930Mpa7.85焊后易冷裂35CrMoM835MpaM985Mpa7.85焊接性較差Q235235MpaM205Mpa7.85優良Q345345MpaM490Mpa7.85良好對于彎折尺寸較大的主環以及主要支撐車架的主環支架，由于技術規范中要求必須用鋼材，通過以上表3幾種材較的性能可以看出Q235的塑性和焊接性能能優良，但價格低，比其他和Q345和焊接性能好，但屈服強度低，會導至強度和強度滿足不了機械性能，4130的屈服強度大焊接性也較好，因此先用4130高強度鋼。同時為了降低車架的質量，在滿足技術規范的要求下，應盡可能用小的外徑和壁厚，同時必須滿足車架的強度。同時初步選定車架材較尺寸如表4所示，同時選用氬弧焊。表4初步選定車架材較尺寸表部件名稱直徑壁厚主環、前環25.4mm2.4mm其余管件25.4mm1.65mm1.4車架的研究方法整車的設計和研發中，車價是基礎，其結構的特性、強度、剛度、振動頻率等。都會影響整車的性能，例如汽車的動力性、安全性、操控性、共振性等等，因此確保車架的結構穩定性尤為重要。(1)理論實驗法理論實驗法是以理論設計計算為基礎，按照試驗的數據，公式，圖表等進行設計，理論系試驗計算復雜，設計周期長，資金消耗大，受人為因素的影響較大，其設計結果與設計意圖偏離較大。(2)經驗法經驗法是也長期的設計經驗為依據，通過類比近似的數值來對車架的結構進行設計，經驗設計法是憑借設計者長期積累的經驗來設計方案。因此設計方案受設計者的影響較大，結果常使車架結構不均衡，材料運用不夠合理，動力性不足，車架總質量大。(3)有限元法在對車架的研發設計時，通過有限元軟件對車架的強度剛度進行分析，通過有限元分析優化，車架是車架結構，布局合理，性能更優，車架材料使用少，質量輕，提高整車的性能。2、方程式賽車車架設計2.1車架整體結構及總體結構要求2?1?1車架整體結構組成賽車車架整體設計必須考慮賽車整體結構的布置：駕駛艙的布置、轉向系、制動系、懸架的布置，軸距，輪距的大小等。如圖1所示為車架基本結構組成。如圖1所示，車架總體由前隔板、前隔板技撐系統、前防滾架（也稱前環）、側面防撞結構、主防滾架（也稱主環），防滾架斜撐幾部分組成。前隔板作為鋼管車架最前端，還需安裝規定尺寸的碰撞緩沖塊，緩沖塊，同時車架結構中都需要盡可能多的使用三角結構，點對點，符合力學要求。圖1車架基本結構2.1.2方程式車架總體結構要求ECmmlSJ,hJJUniiniy7上湍的鞠防掩桿屮間的側防撞村槪邯的側呦捕柑圖2為車架總體結構要求圖2為車架總體結構要求，賽車的結構必須包括兩個帶有支撐的防滾架，有支撐結構和緩沖結構的前隔板、以及側邊防撞結構。根據中國大學生方程式汽車大賽規則(2018),有如下要求：軸距要求(2.3):至少1525mm；輪距(2.3)：賽車較小的輪距(前輪或后輪)必須不小于較大輪距的75%。前環與主環要求：(3.10)防滾架是賽車對車手安全保護的一個最重要的安全屏障，當賽車發生側翻或翻滾時必須保護車手的頭部和腿部不與地面接觸，因此對主環和前環要求如下：在正常乘坐并系好安全帶的情況下，所有車手的頭盔和男性第95百分位模板的頭部必須符合下列要求：必須與前環頂端與主環頂端的連線至少有50.8mm的距離。如果主環斜撐后置，主環頂端和主環斜撐底端的連線與頭盔必須至少有50.8mm的距離，如圖3a。如果主環斜撐前置，頭盔向后方不得超過主環后平面，如圖3b。男性第95百分位模板如圖4所示，男性第95百分位二維模板的尺寸如下：用直徑為200mm的圓代表髖部和臀部。用直徑為200mm的圓代表肩膀及部頸位置區域。用直徑為300mm的圓代表佩戴頭盔的頭部。用一條280mm的直線連接位于上方的直徑為200mm和300mm的頭部圓的圓心。

圖4男性第95百分位模板位置(4)主環及主環斜撐(3.13)主環的尺寸大小在設計時應該考慮到對車手的保護，主環寬度最小不得小于380mm。主環必須由兩個在主環兩側并且向前或向后延伸的斜撐支撐。從側視圖上看，主環和主環斜撐禁上布置在過主環頂端垂線的同側。也就是說，若主環前傾，斜撐必須在主環之前；若主環后傾，斜撐必須在主環之后。主環斜撐和主環的連接點應盡量接近主環頂端，連接點低于主環頂端距離不得超過160mm以內，主環與垂線夾角10°以內，主環斜撐與主環角度應該在30°以上。圖5防滾架位置要求2(5)前環及前環支撐車手在操作方向盤的時候，方向盤不能超出前環最頂端，并且方向盤距前環間距水平間距250mm以內;b） 前環結構構與路面垂直方向的夾角小于20°。如果前環在垂直方向向右傾斜超過10°，在前環后方必須用另外斜撐支撐。c） 前環必須由丙個位于前環兩側向前延伸的斜撐支撐，前環斜撐必須延伸至車手腳部之前，保護車手腿部。d） 前環斜撐和前環的連接點應盡量接近前環頂端，連接點低于前環頂端的距離不得超過50.8mm,如圖所示5。（6）側邊防撞側邊防撞區域——從座艙底板上表面到座艙內部車架最低點往上240mm到320mm,從前環到主環間的的車輸側面區域。兩側防撞區域必須至少各由三根管件構成，如圖6所示，上部的側邊防撞桿距離地面距離為300-500mm之間。圖6車架側面防撞結構要求（7）前隔板及前隔板支撐賽車的每一側前，隔板都必須使用至少三個車架單元向后支撐到前環，一個位于頂部，與頂端（前隔板）距離不超過50.8mm，一個位于底部，以及一個用來形成三角結構。a）上支撐構件必須連接在距離前隔板頂端50mm范圍內。連接到前環上距離上側邊防撞構件以上100mm或以下50mm的區域內。如果上支撐構件連接在高于上側邊防撞構件100mm的區域，那么需要合體的三角結構，把載荷轉移到主環，可以通過上側邊防撞桿或者另外增加符合T3.4尺寸的桿件，用來傳遞前隔板支撐上支撐構件與前環連接點處的載荷。

支撐構件必須連接前隔板的底板和前環的底部，斜撐必須上下支撐構件中形成正確的三角結構。(8)駕駛艙空間要求為了保證駕駛員的逃生空間和腿部空間，規則還限定了駕駛艙最小開口和駕駛艙內部橫截面的空間要求，如圖 7所示，駕駛艙長*寬*高最小尺寸為：600mm*550mm*350mm，最小前艙長度不得小于580mm。JL氓wrTTJL氓wrTT50rm*駕駛艙開口駕駛艙內部橫截面圖7駕駛艙開口駕駛艙內部橫截面圖7駕駛艙空間要求2.2方程式車架整體參數外形尺寸(mm)外形尺寸(mm)軸距(mm)前輪距(mm)后輪距(mm)車架質量(kg)2000*800*105015251150115525-402.3方程式賽車車架結構設計如圖所示，根據大賽規則，初定車架整體結構如圖8,9所示，初定兩種方案，兩方案的區別于駕駛艙高度不一樣，方案一駕駛艙高，前艙低，方案二駕駛艙低，前艙高，方案二比方案一高200mm，綜合考慮參考各校FSC賽車車架,初選方案二，設計車架尺寸如圖10所示：車架總長約2000mm，前隔板高度約300mm，寬度約300mm；前環前度約600，寬度約550；上部側面防撞桿高度

320mm；主環高度約1050mm,寬度最大處800mm；后艙長度約500mm,基后部高度約300mm,寬度約620mm。出于輕量化考慮，車架的重量應該控制在35kg以內，根據車架的設計方案大致估算出車架的質量為30kg。1525圖8車架結構草圖方案一圖9車架結構草圖方案二

70⑴前隔板 圖10車架結構圖前隔板在車架的最前端，前跟隔板的作用一個在于保護車手腳部免受外界沖擊而受到傷害，前隔板另一個作用在于可以在前安裝防撞塊做撞擊時的緩沖作用，前隔板一般設計尺寸要小一些，一方面可以減小行駛時的空氣阻力，另一方面也可以提咼車輛通過性。查閱相關論文資料，前隔板設計長寬咼為3OOmm~400mm*250mm?300mm**200mm?350mm范圍內，根據前隔板蜂窩鋁緩沖塊尺寸300mm*250mm*200mm，初步確定前隔板的尺寸為300mm矩形，材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*1.65mm。(2)前艙長度主要根據車手腿長來確定設計，同時為了滿足不同身高和腿長的車手的駕駛要求，踏板往往設計成前后可調節的。前艙過程中應該采用點對點的三角結構，保證整個機艙的強度，根據大賽規則規定，前艙的長度不得小于580mm，故本次設計取前艙長度為650mm,寬度為550mm,材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*1.65mm。(3)前環賽車還需要適合從第5百分位的女性到第95百分位的男性車手駕駛，因此需要搭接模型進行數據采集。圖6為男性第95百分位模板位置，在搭載模型獲取基本參數時，還需好考慮車手的駕駛姿勢、駕駛視線、坐姿等人機工程。在性能和舒適性方面需要做出取舍，數據需要不斷調整。查閱歷屆參賽車架，前環的寬度范圍：400-600mm，如圖8所示，初步確定前環的最大寬度為550mm，底部寬度450mm，保證車手的良好視線，前環高度600mm，半徑R100，材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*2.4mm。側面防撞桿和駕駛室根據人體標準尺寸以及大賽規則取駕駛室長度為850mm，側面防撞桿由三根鋼管組成，根據大賽技術規范，上部的側面防撞桿需在240-320mm的區域內，初定上部側面防撞桿距離底部的側面防撞桿座艙內最低點高度300mm，材料尺寸選用：外徑*壁厚25.4mm*1.65mm。主環查閱歷屆參車架資料，主環的寬度為550-1000mm之間，高度在1000-1200之間，考慮人體坐姿，初步設計主環草圖如圖9所示，初步確定主環高度1050mm