基于鋼管式結(jié)構(gòu)的巴哈賽車車架設(shè)計(jì)

付豪 鄧小禾 徐穎航 雷鴻謙

摘要：設(shè)計(jì)一款有足夠的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，性能可靠要求的巴哈賽車車架。文章以武漢理工大學(xué)巴哈賽車隊(duì)U26賽車車架為例，運(yùn)用三維建模軟件CATIA進(jìn)行車架建模，通過ANSYS軟件對(duì)車架進(jìn)行校核。得到性能優(yōu)良的一款巴哈賽車車架。該設(shè)計(jì)方法可以為其他相關(guān)賽車車架的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：巴哈賽車 鋼管式車架 三維建模 仿真分析 輕量化

中國(guó)分類號(hào)：TH692.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J

文章編號(hào)：1003-0069（2020）06-0026-03

Abstract： In order to design a sufficient stiffness and strength， while meeting therequirements of simple structure， reliable performance of baja racing frameTakingthe U26 racing frame of baja racing team of Wuhan University of Technology as anexample， the three-dimensional modeling software CATIA was used to model theframe， and then the ANSYS software was used to check and optimize the designTo get the requirements of a baja racing frame.lt provides reference for the design ofother relevant racing frames

Keywords： Baja racing Steeltube frame 3d modeling The optimization designsimulated analysis

引言

中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽是由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)舉辦，由高等院校職業(yè)院校汽車或相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)后參加的越野汽車設(shè)計(jì)制造和檢測(cè)的比賽。以培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才為核心的競(jìng)賽平臺(tái)，可以使參賽學(xué)生進(jìn)一步掌握汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。車架是巴哈賽車承載賽車各部件的基礎(chǔ)，是巴哈賽車重要的安裝基體，在比賽過程中，它將承受來自復(fù)雜路面的激勵(lì)和車身零件的各種動(dòng)、靜載荷。車輛在行駛的過程中車架在各種載荷作用下會(huì)發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形[1]，車架的強(qiáng)度和剛度將直接影響到賽車的安全性、操縱性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性。由此給出一種巴哈賽車車架的設(shè)計(jì)思路，為相關(guān)車隊(duì)提供參考。

一、巴哈賽車車架設(shè)計(jì)——以武漢理工大學(xué)巴哈賽車隊(duì)U26賽車車架為例

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)

在滿足規(guī)則要求的情況下，車架需要滿足巴哈賽車各部件的安裝要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠，達(dá)成輕量化目標(biāo)。

1.輕量化：優(yōu)化結(jié)構(gòu)減少不必要的桿件，并選用合適的鋼管材料以及鋼管型號(hào)，既能使性能滿足規(guī)則要求，也可使鋼管壁厚可以相應(yīng)降低，從而實(shí)現(xiàn)減重的目標(biāo)。

2.簡(jiǎn)化防滾架結(jié)構(gòu)，一桿多用，合理布局、減小部分尺寸，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，有效提高空間利用率。

3.減少整車的長(zhǎng)度、寬度，以減少輪距和軸距。

（二）設(shè)計(jì)流程

1.熟讀賽季新版巴哈大賽競(jìng)賽規(guī)則：充分了解其對(duì)參賽車架每部分構(gòu)造的具體參數(shù)與結(jié)構(gòu)要求;

2.以規(guī)則為依據(jù)，匹配賽車其他總成的安裝及車手的人機(jī)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)：采集車手身高、體重、肩高、臀寬等數(shù)據(jù)并匹配前輪輪距、前懸架硬點(diǎn)等參數(shù)，確定駕駛艙底面前、后端寬度。在為車手提供全面保護(hù)的前提下保證車手的舒適性，并與轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)和座椅進(jìn)行人機(jī)工程匹配，確定駕駛艙最終長(zhǎng)度。匹配動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)裝配、懸架系統(tǒng)連接硬點(diǎn)及整車軸距、輪距等參數(shù)，確定防滾架最終參數(shù)。

3.通過三維建模軟件CATIA中創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊建立車架模型[2]：車架在建模設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格按照空間xoy、xoz、yoz三個(gè)平面的分布。盡量采用點(diǎn)建立空間結(jié)構(gòu)，然后再在零件設(shè)計(jì)或創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)三維空間中進(jìn)行連線以及其他倒圓角等處理，更便于修改（catia在空間線的大批量修改中容易報(bào)錯(cuò)）。

4利用ANSYS軟件進(jìn)行校核：向ANSYS中導(dǎo)入車架實(shí)體模型，設(shè)置所選鋼管材料屬性參數(shù)，劃分網(wǎng)格約束懸架硬點(diǎn)施加載荷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核。

圖1為巴哈賽車車架設(shè)計(jì)流程：

（三）材料選型

1根據(jù)巴哈大賽賽事規(guī)則，用于主要防滾架構(gòu)件的材料必須是[3]：

防滾架主要結(jié)構(gòu)件使用材料是：無縫管或者焊管。材料不低于20#碳素鋼，規(guī)格不低于25x1mm

或者

2.彎曲剛度和強(qiáng)度按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)超過或者等于20#碳素圓形鋼的鋼型材。不管使用的型鋼材料或者斷面的尺寸如何，型鋼壁厚不得少于1.60mm，碳含量不少于0.18%。

對(duì)于不同材料的圓形鋼管的抗彎扭能力，我們進(jìn)行了結(jié)構(gòu)等同性對(duì)比，結(jié)果如表1所示。主要公式計(jì)算如下：

截面慣性矩：

式中：D：外徑 d：內(nèi)徑

抗彎強(qiáng)度：

式中：Sy：屈服強(qiáng)度C：從中性軸至外緣的距離

抗彎剛度：

式中：E：彈性模量|：有關(guān)結(jié)構(gòu)橫截面的截面慣性矩

經(jīng)過對(duì)比，我們最終選擇4130無縫鋼管作為賽車車架材料，其型號(hào)分別為：

主要構(gòu)件：31.75 x1.6mm，次要構(gòu)件①：25.4 x1.6mm，次要構(gòu)件②：25.4 x1.2mm

（四）車架設(shè)計(jì)

車架的功用是支撐、連接汽車的各總成，使各總成保持相對(duì)正確的位置，同時(shí)需要有足夠的強(qiáng)度和剛度承載汽車內(nèi)外的各種載荷。U26號(hào)巴哈賽車車架設(shè)計(jì)減少了不必要的桿件支撐和使用優(yōu)質(zhì)4130無縫鋼管，車架凈重22kg，充分實(shí)現(xiàn)輕量化。圖2為巴哈大賽競(jìng)賽規(guī)則防滾架結(jié)構(gòu)圖，圖3為2019年巴哈大賽競(jìng)賽規(guī)則示意圖。首要依據(jù)2019巴哈大賽賽事規(guī)則，再滿足巴哈賽車各部件的安裝要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔可靠。

采集參賽車手?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到參賽車手平均數(shù)據(jù)，如表2：

1.RRH（后部防滾環(huán)）

RRH決定著防滾架的最大高度和最大寬度尺寸。

設(shè)計(jì)RRH傾斜角度為5度，RRH傾斜增大了駕駛艙的體積，但同時(shí)減小了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的體積。車手在比賽過程中身體前傾眼睛注視車輪前方路面，故基本不會(huì)靠著座椅背部（座椅背部與RRH平行），故在動(dòng)力傳動(dòng)總成安裝和駕駛艙做取舍，發(fā)動(dòng)機(jī)艙優(yōu)先，RRH應(yīng)在不影響動(dòng)力傳動(dòng)總成的安裝的情況下選擇較大的角度。

相比于六邊形RRH（S點(diǎn)最寬）結(jié)構(gòu)，八邊形結(jié)構(gòu)不僅可以使最寬點(diǎn)為686mm處，同時(shí)可減少RHO兩根橫桿的之間的距離（六邊形左（右）側(cè)兩條線之間的角度不大于30度）。

RRH設(shè)計(jì)高度傾斜沿5度平面1165mm，1165xcos5°≈1160mm，RHO水平且通過B點(diǎn)，故RHO高度為1160mm，當(dāng)1041mm標(biāo)準(zhǔn)模板放在座椅上是，座椅位于防滾環(huán)底部平面大于76mm，取80mm（后文中76mm均取80mm），80mm+1041mm=1021mm，1160mm>1021mm;當(dāng)178cm車手佩戴頭盔坐在座椅上時(shí)，距座椅底部920mm，故頭盔高度離防滾架底部中軸線約920+80-16=984mm（主構(gòu)直徑31.75mm，后文中均取主構(gòu)半徑16mm），頭盔距防滾架頂部1160+15.875-984≈192mm，192mm-156mm=36mm，留有36mm余量以備更高的車手駕駛，同時(shí)留有一定得加工余量。

在座椅底部平面686mm最低寬度不低于736mm，取最寬處為大于736mm的保留加工余量的距離780mm;686mm+80mm=766mm，790mm-766mm=24mm，留有一定的加工余量。

S點(diǎn)為SIM的起始點(diǎn)，SIM形成駕駛艙，SIM應(yīng)在座椅上方203mm-356mm，取下限，故SIM最小高度為203mm-16mm+80mm=267mm，302mm在彎管后取中點(diǎn)高為300mm，300mm大于267mm（SIM設(shè)計(jì)高度為290mm，提高是為了更靠近座椅安裝橫桿，以獲得更好的結(jié)構(gòu)）。底部寬度為560mm。

2.LFS（下端車架邊緣）

LFS決定駕駛艙長(zhǎng)度。

設(shè)計(jì)駕駛艙長(zhǎng)度為750mm（匹配車手以及軸距），作為賽車，只需要做關(guān)于車手的人機(jī)工程。由于油門踏板采用接地式，故駕駛艙實(shí)際長(zhǎng)度達(dá)到780mm;由于在駕駛時(shí)油門踏板處于常踏狀態(tài)，制動(dòng)踏板處于常松狀態(tài)，故設(shè)計(jì)制動(dòng)踏板安裝位置靠前于油門踏板，以保證駕駛時(shí)兩腳的狀態(tài)相同，

前艙：前艙高度即位SIM高度，SIM最低高度為267mm，SIM設(shè)計(jì)高度為290mm。制動(dòng)踏板長(zhǎng)度為180mm，轉(zhuǎn)向器直徑39mm，高度為45mm，故轉(zhuǎn)向器最高高度為45mm+19.5mm=64.5mm，故制動(dòng)踏板位于最下端時(shí)，制動(dòng)踏板與轉(zhuǎn)向器之間的最小距離為290mm-180mm-64.5mm=45mm.可以保證制動(dòng)踏板在行程最大時(shí)與轉(zhuǎn)向器不發(fā)生干涉。

寬度為320mm，配合懸架擺臂與輪距。

長(zhǎng)度350mm，配合懸架前擺臂最大寬度并留有一定的加工余量。

制動(dòng)踏板安裝位置與油門踏板安裝位置距離為11Omm。

3.SIM（側(cè)防撞構(gòu)件）

SIM高度為290mm，與RRH連接高度為300mm

在yoz平面向前550mm寬度為640mm，此處為車手膝蓋位置，在車手舒服的位置并留有一定的余量，故取640mm。

4.FBM UP與RHO（防滾環(huán)前部和頂部構(gòu)件）：為了使防滾架在向前翻滾時(shí)有著更好的過渡，將FBM UP連接至防滾架最前端。高度取1160mm。

為了滿足標(biāo)準(zhǔn)模板放置在座椅上其軸線距離不小于305mm，座椅距yoz平面178mm，178mm+305mm=483mm，留有較大加工的余量以及較小的座椅安裝位置偏差，取540mm。

5.座椅安裝

（1） USM（座椅下方構(gòu)件）：駕駛員臀部與防滾架最外側(cè)的距離至少為76mm，故軸線之間的距離為76mm-16mm-12.7mm（次構(gòu)半徑25.4mm） =47.3mm。依據(jù)座椅安放位置，USM距yox平面178mm。

（2）座椅背部支撐：將座椅放在USM上方，選擇合適的固定點(diǎn)得到高度390mm。

6安全帶和反潛帶安裝

（1）安全帶：安全帶安裝不低于駕駛員肩部以下102mm且不高于駕駛員肩部，故以身高最高的駕駛員以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)安裝位置且安裝位置不得超過身高最矮的駕駛員的肩部。同時(shí)該桿件需要安裝油箱支架，故盡量調(diào)整使其與發(fā)動(dòng)機(jī)艙圖示該桿件等高，以方便油箱安裝。

（2）反潛帶：反潛帶安裝必須在腰帶安裝節(jié)點(diǎn)256mm之前，腰帶安裝節(jié)點(diǎn)130mm，130mm+256mm=286mm，留有一定余量，取395mm。

7.LDB（側(cè)向斜撐）：LDB需要與頂部和底部的最大距離為127mm，留有一定得加工余量后，選擇下部為1OOmm，上部與圓角切點(diǎn)重合。

8.發(fā)動(dòng)機(jī)艙：發(fā)動(dòng)機(jī)艙主要匹配動(dòng)力傳動(dòng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)配合懸架數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)必須滿足可以將發(fā)動(dòng)機(jī)從其上方取出。發(fā)動(dòng)機(jī)艙長(zhǎng)度為動(dòng)力傳動(dòng)安裝不發(fā)生干涉的最小長(zhǎng)度。為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)必須從其上方拿出，此桿件須為400mm（±15mm），匹配懸架減振器安裝參數(shù)，確定其高度。為使發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部最靠后的一根桿受力傳遞至主構(gòu)，須將兩根桿連接，但是左邊需要安裝CVT，故連接至該點(diǎn)。圖4為設(shè)計(jì)的巴哈賽車車架三維模型，表3為該模型的主要參數(shù)列表。

二、制造過程

（一）鋼管切割：測(cè)量車架三維模型中主要構(gòu)件與次要構(gòu)件每根管管長(zhǎng)，并盡量拼湊合并為3m長(zhǎng)度，方便用切割機(jī)進(jìn)行切割;

（二）鋼管處理：把每段鋼管在砂輪機(jī)上磨好坡口，用角磨機(jī)進(jìn)行坡口打磨并將需要焊接的部位除銹;

（三）定位加持：根據(jù)車架三維模型中鋼管的位置，使用三維柔性焊接平臺(tái)及其夾具進(jìn)行定位加持，提高車架加工精度。如圖5：

（四）車架焊接：使用二氧化碳保護(hù)焊進(jìn)行防滾架焊接，焊接完成后再焊接部位仍有較大的殘余應(yīng)力，為保證不產(chǎn)生焊接變形在焊接后盡量保持在12小時(shí)后再拆除夾具;

（五）車架美化：將整個(gè)車架全部除銹，并將所有鋼管表面和焊點(diǎn)打磨細(xì)致平整，在焊接連接部位打上膩?zhàn)?，在進(jìn)行全身噴漆。

三、ANSYS仿真分析

（一）靜力學(xué)分析：在ANSYS中添加鋼管材料，選擇4130鋼其泊松比為0.279，楊氏模量為211GPa，密度為7850kg/m3。將CATIA建模軟件中創(chuàng)建的車架轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS中，再對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以及網(wǎng)格劃分[4]。對(duì)懸架硬點(diǎn)進(jìn)行約束，根據(jù)實(shí)際賽場(chǎng)工況施加載荷[5]，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到圖6，圖7所示：

靜力學(xué)分析結(jié)論：巴哈大賽賽道具有多變性與復(fù)雜性，運(yùn)用ANSYS對(duì)整個(gè)車架進(jìn)行了靜力學(xué)分析。分別對(duì)影響最為嚴(yán)重的彎扭組合工況和側(cè)向和縱向加速度工況進(jìn)行分析，分析的結(jié)果表明在極端情況下，車架仍然能保持變形量和應(yīng)力，滿足要求

（二）模態(tài)分析：通過模態(tài)分析方法可以了解車架在易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階模態(tài)，以此預(yù)測(cè)在此頻段內(nèi)在激勵(lì)作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。由于巴哈車架的前6階為剛體模態(tài)，對(duì)其前12階固有頻率進(jìn)行分析，選擇第1階到第12階，共12階個(gè)模態(tài)進(jìn)行分析[6]，分析結(jié)果如表4所示：

在行駛時(shí)的巴哈賽車主要受到如下兩種外部激勵(lì)[7]：

1）比賽時(shí)巴哈賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在各種不同的工況下運(yùn)行，所以發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)。不同轉(zhuǎn)速下的激振頻率可由下式求得：發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率=2×發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)×發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)×60，此激勵(lì)在車架固有頻率外，不產(chǎn)生影響。

2）路面產(chǎn)生的激勵(lì)通過車輪，減振器傳到車架，導(dǎo)致車架在行駛過程中不可避免地發(fā)生振動(dòng)。一般來說，巴哈賽車所采用的的懸架系統(tǒng)中減振器以上質(zhì)量的偏頻范圍為1.5～2.5Hz，減振器以下質(zhì)量的偏頻范圍為18Hz以下。所以該偏頻范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巴哈車架的固有頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振。

本巴晗賽車發(fā)動(dòng)機(jī)是賽事官方指定使用一臺(tái)四沖程、風(fēng)冷、排量為305cc，型號(hào)為Briggs&Stratton OHV Intek的百力通巴哈發(fā)動(dòng)機(jī)。從怠速到發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速的范圍是2000～3600r/min，對(duì)應(yīng)計(jì)算得其振動(dòng)頻率范圍為16.67～30Hz。因?yàn)樵擃l率范圍不在上述車架1階-12階各模態(tài)的固有頻率范圍內(nèi)，所以得出不會(huì)引起車架發(fā)生共振。

結(jié)語(yǔ)

文章以武漢理工大學(xué)巴哈賽車隊(duì)U26賽車車架為例，利用三維建模軟件CATIA對(duì)賽車車架進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行仿真分析。最終設(shè)計(jì)出滿足各零件的安裝要求，防滾架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，符合人機(jī)工程學(xué)，實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)的一款車架。此款車架相比往年管件數(shù)量減少14%，減重達(dá)g%，助力該車在2019年中國(guó)大學(xué)生巴哈大賽中榮獲全國(guó)一等獎(jiǎng)。

基金項(xiàng)目：2019年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910497058）

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