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发动机结构布置详解，看完你就是汽车大师！
机械前线，全国机械微教育领导者?文丨汽车之家授权转载毫无疑问，发动机应当是汽车上最重要的部分，而它的布置形式对于汽车的性能具有重大影响。对于轿车来说，发动机的布置位置可以简单的分为前置，中置和后置三种，目前市面上绝大多数车型都是采用的前置发动机，后中置和后置发动机只在极少数的性能跑车使用。那么，这几种发动机的布置方式对于车辆性能又有什么影响呢？下面，车168就带大家简单了解一下。『横置发动机底盘布局』　　首先从使用范围最广的前置发动机说起，在前置发动机中，根据发动机放置方向的不同，还可以分为纵置和横置两种。既然方式不同，那这里面肯定就有好与不好的问题。大多数紧凑级车和中型车都是横置发动机，而大多数的性能车和大型豪华轿车都用的纵置发动机，这是为什么呢？这难道说明纵置发动机就比横置发动机好么？『纵置发动机底盘布局』●&何谓横置？何谓纵置？　　　　发动机横置就是指发动机的曲轴与汽车前桥平行，而纵置则是曲轴与汽车前桥垂直。简单地说，就是你站在车头前面向发动机，如果发动机是横在（汽缸横向排列）在你面前的，就是横置发动机，如果是竖着放置则是纵置发动机。●&对于一般家用轿车来说，使用前横置发动机是最合适的　　要搞清楚这个问题，我们得先弄清楚汽车动力传输的原理，简单来说，发动机产生动力使活塞推动曲轴，曲轴再通过变速箱将动力传递给驱动轮（如果是后轮驱动则还要通过车底的传动轴），这就是汽车动力传递的大概过程。『前置横置发动机』　　横置发动机的曲轴、变速器的输入输出轴以及车桥都是平行的，在动力传递过程中，曲轴通过齿轮组将动力传递到变速箱的输入轴，变速箱的输出轴就可以依靠锥齿轮直接将曲轴输出的动力传递给车轮，在动力传递过程中，动力传递的方向没有改变，有效地控制了动力传递过程中的能量损失，提高了动力传递的效率。所以如果是前驱车的话，使用前横置发动机就是最经济的选择。但如果横置发动机采用后轮驱动的话，就会显得费力不讨好，因为由于发动机曲轴和传动轴的方向垂直，前桥转换一次传动的方向，才能通过传动轴传输动力，而同样的，后前和传动轴也是垂直的，因此在后桥需要再将旋转方向转换过来，这无疑大大降低了传动系统的效率。『前置发动机』　　所以说，普通家用轿车大多采用了前横置发动机前轮驱动。这种驱动结构优点很明显，第一点前面已经说过了，结构简单，传动效率高。其次，由于可以将发动机和变速箱平行连接在一起的集中布置在前轴之前，因此横置发动机车头发动机舱的规划弹性最大，可以把空间大幅节省下来给乘客室。这样就极大限度缩短了发动机舱的纵向空间，换来的是宽敞的驾乘空间，尤其是前排乘客的腿部拓展的空间。这对于尺寸有限的紧凑型轿车来讲尤为重要，这点在擅长于空间拓展的日系车中表现得尤为突出，例如日产的骐达，本田的飞度等，虽然车身长度很有限，但是前后排的乘坐空间都非常宽敞。『沃尔沃一直坚持使用的横置发动机可以有效增加发动机舱的溃缩区域』　　此外，由于横置发动机占用的纵向空间较小，因此可以在发动机舱内预留更多的溃缩吸能空间，发生碰撞时能够保证发动机不容易侵入驾驶舱，使得前排乘客拥有更高的安全系数。这也是沃尔沃一直坚持使用横置发动机的原因之一，当然另一个原因则是沃尔沃拥有前驱车的传统。　　横置直列5缸和直列6缸发动机在沃尔沃旗下车型里很常见，S80和XC90甚至还在使用横置的4.4L V8发动机。　　当然，横置发动机的缺点同样明显。而轴荷分布不平衡的问题则横置发动机的最大缺陷。由于横置发动机发动机曲轴变速箱输入轴平行连接在一起的，使其可以布置在发动机前轴之前，但是这些重量最重的汽车部件全部集中在车头前方就使得前轴负荷过大，从而容易出现转向不足的情况，而头重脚轻的前后轴配重也会在高速过弯时使车尾的后轮缺乏重压、容易漂浮，不容易高速而流畅地过弯。由于出于安全的考虑，工程师们也会刻意将前驱车调校成比较明显的转向不足，从而提醒驾驶者在过弯时放慢车速。『58:42的前后配重比造就了高尔夫出色的操控性能』　　某些轴荷分配不合理的横置发动机轿车甚至达到了前70%后30%，其性能可想而知。为克服轴荷分布的问题，设计师们常常将重量较大的蓄电池移至后座椅内、或是行李厢内，以平衡前后的重量分配。在这点上，欧系车普遍比日系车做得更出色，例如大众的高尔夫和速腾的前后轴荷分布也做到了前58%后42%的水平，可以说难能可贵。『大马力的福克斯RS在急加速会出现“扭力转向”的现象』　　由于横置发动机变速器安装位置过于偏向一侧的原因，其驱动轴是一长一短的，当巨大的驱动力作用在不等长的传动轴上时，会使车两个前轮有转速差，从而导致急加速时车头有左右摆动现象，专业术语称之为扭力转向。这点在大排量的横置发动机前驱车更加明显，在top gear第十三季的某一集中，Jeremy测试搭载了2.5T发动机的福克斯RS时，急加速时就出现了明显的车头左右摆动的现象。●&&对于大尺寸豪华轿车或者性能轿跑车，使用纵置发动机是最好的选择　　大部分的豪华轿车或者主打运动的性能轿跑使用的都是前纵置发动机后轮驱动的驱动方式。　　对于这种驱动方式来说，需要一根传动轴将动力从发动机舱从车底传送到后桥。因此为使动力传递更直接，就必须使发动机曲轴与传动轴平行，这样就可以直接将动力传递给传动轴，再由后桥将动力传给车轮。这是后驱车采用纵置发动机的最重要的一个原因。　　此外，对于使用了机械式中央差速器的四驱车来说，纵置发动机就更为必要了。因为采用四轮驱动时，由于同样需要传动轴将发动机的动力传递到后轮上，因此将发动机的动力直接传递给传动轴，这样才能尽可能的降低动力传递过程中的能量损失。『宝马将发动机重心置于前轴以后已达到50:50的前后配重比』　　当然，纵置发动机最大的优势还在于他对于平衡前后配重比的作用。众所周知，50:50的前后完美轴荷一直是以操控著称的宝马汽车不惜一切所坚持的。而整车最具重量的发动机和变速器总成的布置无疑是左右前后轴荷配比的关键因素，宝马将前轴尽量前移，而把发动机重心尽量置于前轴之后，就是为了达到更完美前后的配重比。『奥迪坚持纵置发动机前轮驱动的原因就是为了匹配Quattro四驱系统』　　在纵置发动机平台上，还有一个比较特殊的例子，这就是使用纵置发动机前轮驱动的奥迪。虽然奥迪使用纵置发动机更多是为了照顾Quattro系统这个传统，但是其纵置发动机前轮驱动发动机的布局同样可以带来不错的前后配重比。这种布置可以将发动机纵向布置在汽车前轴之前，与发动机直接相连的变速箱就会受到发动机舱空间的限制，就要布置在前轴之后，变速箱的输入轴与发动机曲轴围绕同一轴线转动，对于承受着发动机和变速箱重量的车前轴来说，他就像是天平的支点，发动机和变速箱分布在前轴的前后两侧，使得前轴承受的发动机和变速箱重量分布更加均匀，重心配比更为合理，虽然还是会有前驱车的推头现象，但是其配重比要明显优于普通横置发动机车型，例如前驱的奥迪A4的前后配重比就达到了较完美的55：45。『拥有修长车头的本田S2000就使用的前中置发动机』　　说到这里，还要提一下一种特殊的前置发动机布局：前中置发动机是介于前置发动机和中置发动机之间的一种动力布置形式，它和前置发动机的差别，是前者乃是摆设位置在前轴之前；而所谓的“前中置”乃是在前轴之后、但仍在乘客室之前，与纯中置发动机的位在乘客室后方不同。例如奔驰SLR，马自达的RX-8和经典的本田S2000等。这种设计级可以获得完美的前后配重比，而且不像中置发动机那样必须以牺牲掉后座为代价。另外，由于要将发动机放在前轴之后，这类性车型一般都拥有修长的车头，而这样充满美感而独特的车身比例也让它们更抢眼。『纵置发动机车型为复杂的悬挂结构留出更多空间』　　总所周知，汽车悬架和操控性能是直接相关的，其重要性不言而喻，而悬架的结构显然是悬架性能的关键，因此许多高档车型不惜在前悬就采用双横臂、多连杆的复杂悬架。对于大排量的V型发动机来说，纵向布置有利于在发动机舱内节省出更多的横向空间用以安放结构复杂的悬挂系统。当然，将体积紧凑的V6甚至V8发动机横着放进发动机舱并不是不可能，像沃尔沃S80甚至有使用横置4.4L V8发动机的车型，但是这样发动机舱就没有多余的地方来安放复杂的悬架，这样的情况下，作为沃尔沃顶级车型的S80也不得不使用了简单的麦弗逊结构的前悬。●&后置和中置是两种轿车中比较少见的发动机布置形式　　对于非常讲究操控性能的性能跑车来说，通常会采取中置发动机的摆设方式，而它也一定是一部后轮驱动（或四驱）车型，因为绝对没有道理把已经非常接近后轮轴的发动机、再自己找麻烦似地将动力传到遥远的前轮去。『中置发动机』&　　所谓发动机中置就是指发动机位于驾驶员座椅之后，后轴之前，这样布置的好处除了可以将前后轴的配重达成完美的50:50之外，更因重量最重的发动机远离了车头、车尾这二个偏摆力矩最大的部位，因此在过弯时，车子的操控稳定性最高，可以用更快的速度、更流畅的姿态过弯，因此这也是速度最快的方程式赛车之标准发动机布置方式。『中置发动机一般为高性能跑车』　　由于中置发动机车型的后座空间已经被发动机占据了，因此这类车型的一个缺点是只能安放两个座位，此外发动机的噪音也会比前置发动机更大，但是对于那些只为驾驶者准备的高性能跑车来说，它根本不需要拥有后座，而且车主们也会很乐意听到高亢的引擎声浪。『后置发动机』　　当然，说到更为少见的后置发动机，我们还得请出独一无二的保时捷911，其后置发动机后轮驱动的搭配水平对置发动机形式更是绝无仅有。这种配置方式与前置前驱车刚好相反，由于重量集中在车尾，因此在高速过弯时会产生明显的转向过度。这种特性也使得早期的911非常难以驾驭，对驾驶员的技术要求非常高。不过随着技术的进步，铝质发动机、铝质悬架的轻量化、以及多连杆悬架的新设定，新911的操控已经变得比较理性，这使得很多驾驶技术一般的朋友也能够感受到911的魅力所在。『保时捷911』小结：一般的家庭用车由于考虑的更多是空间实用性和经济性，所以大多使用了传动效率高，结构简单且节省空间的前横置发动机前轮驱动的结构。而对于需要平衡性能和实用性的高档和豪华轿车而言，则会普遍使用纵置发动机后轮驱动的结构，归根结底，发动机的布置都是为了满足车辆的性能需求。　　至于高性能的跑车来说，为达到极致的性能表现，其动力布置方式更为特殊，除了中置发动机和保时捷911的后置发动机之外，还有像前置发动机搭配后置变速箱这样特殊的结构。
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& FSAE 赛车车架结构优化和轻量化
FSAE 赛车车架结构优化和轻量化
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&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&FSAE&赛车车架结构优化和轻量化周永光，阳林，吴发亮，邓仲卿（510006&广东省广州市广东工业大学机电工程学院）［摘要］&车架是赛车的安装载体，所占赛车整备质量百分比很大。本文首先建立广东工业大学第一届FSAE&赛车车架的三维几何模型；然后将几何模型导入到有限元软件中，建立了车架的有限元模型，对车架进行了静态受力分析和模态分析，根据仿真分析结果进行结构优化和轻量化设计，最后确定我校第二届FSAE&赛车车架，实现车架减轻重量8．4kg。因此，结构优化和轻量化对赛车设计制造有重要意义。［关键词］&大学生方程式赛车；车架结构优化；有限元；轻量化设计［中图分类号］&U469．6＋96&［文献标志码］&A&［文章编号］&12)11-0037-05The&Structure&Optimization&and&Lightweight&of&FSAE&Car&FrameZHOU&Yong－guang，&YANG&Lin，&WU&Fa－liang，&DENG&Zhong－qing（Mechatronic&Engineering&College，&Guangdong&University&of&Technology，&Guangzhou&City，&Guangdong&Province&510006，&China）［Abstract］&The&frame&is&the&installation&carrier&of&a&race&car，&accounts&for&a&great&percentage&of&curb&weight．&Firstly，&3D&modelsof&the&first&FSAE&racing&car&frame&of&Guangdong&Industrial&University&of&Technology&were&established．&Secondly，&the&geometrymodel&was&imported&into&the&finite&element&software&to&set&up&the&finite&element&model&of&the&frame，&so&on&the&base&of&the&simulationresult&for&the&static&stress&analysis&and&modal&analysis，&structure&optimization&and&lightweight&design&were&carried&out．&Finally，the&second&FSAE&racing&car&frame&was&finalized，&and&the&mass&of&the&frame&was&reduced&by&8．4kg．&It&is&very&important&for&usto&carry&out&structure&optimization&and&lightweight&design&on&the&FSAE&racing&car&frame．［Key&words］&Formula&SAE；&structure&optimization&of&frame；&finite&element；&lightweight&design；0&引言中国大学生方程式汽车大赛（&以下简称FSAE）由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE&要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，&自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车，&并携该车参加全部或部分赛事环节。汽车的轻量化，&就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性和燃油经济性。在F1&赛车的整个设计过程中，&设计师都在努力使车重降到最小。因为在最小重量上每增加1kg，赛车跑一圈的时间就会多用0．03′；超5kg&时，赛车跑一个典型赛程会多用12′［1］。FSAE&赛车的车架结构需要满足两个方面的要求：（1）车架要一定的强度和刚度来装配赛车其他各总成，满足比赛要求；（2）车架的固有振动频率需要能避开整车的各种激励频率，&得到合理的动态特性，&避免发生共振。本文在对我校第一届FSAE&赛车车架进行有限元分析的基础上，改进其富余的强度和刚度，&实现了车架结构优化和轻量化的设计目标。1&车架三维模型的建立FSAE赛车车架的几何模型是依据中国大学生方程式赛车车架的结构要求来建立的车架三维模型［2］，具体的技术要求如下。1．1&主环及主环斜撑要求主环必须由一根未切割的，连续的，截面形状封闭的钢管构成，&必须从车架一侧的最低处向上延伸，越过车架，再到达另一侧的车架最低处。从侧视图看，&主环和主环斜撑禁止布置在过主环顶端垂线的同侧。主环斜撑和主环的连接点应尽量接近主环顶端，&连接点低于主环顶端的距离不得超过160mm（6．3&英寸）。主环和主环斜撑所成夹角至少为30&°。主环斜撑必须是直的，即没有任何弯曲。1．2&前环及前环斜撑要求收稿日期：&修回日期：农业装备与车辆工程AGRICULTURAL&EQUIPMENT&&&VEHICLE&ENGINEERING第50&卷第11&期Vol．&50&No．&112012&年11&月November&2012农业装备与车辆工程2012&年前环必须由两个分别位于前环两侧的向前延伸的斜撑支撑。前环斜撑必须延伸至车手脚部之前，其作用是保护车手腿部1．3&前隔板要求前隔板必须由截面形状封闭的管件构成，在赛车的每一侧，&前隔板都必须使用至少3&个车架单元来向后支撑到前环，一个位于顶部（与顶端距离不超过50．8&mm），一个在底部，以及一个用来形成三角结构的斜撑。由前隔板、斜撑和另两个前隔板支撑之一构成的三角结构必须点对点。我校第一届FSAE&赛车车架的三维模型如图l所示，&车架使用的材料是4130&薄壁圆柱钢管。前环、主环和主环斜撑用了25．4×2．4&规格之外，其他全部管都是用25．4×1．6&规格。车架总质量34．2kg，车架的长、宽、高分别为2300mm，650mm，1100mm。2&车架有限元模型（包括网格的划分）有限元模型的建立可分为直接法和间接法，直接法为直接在ANSYS&软件几何建模中根据机械结构的几何外形建立节点和元素，&然后再进行网格划分。间接法为从CAD&读入模型，再进行几何模型的编辑修改，最后网格划分。我校第一届FSAE&赛车车架采用间接法构建有限元模型。在间接法构建有限元模型的时候，有限元分析软件模型接口程序的好坏直接影响了模型转换的精度，AWE（ANSYS&Workbench&Environment）相较于经典的ACE（ANSYS&Classical&Environment），对于常见三维软件（如CATIA&／&UG&等）建立的CAD&模型接口更加完善［3］。因此先将UG三维模型以PARASOLID&的格式输出，&再将这种格式输入到ANSYS&Workbench&中得到的模型的质量是比较好的。接下来是有限元网格划分，&它是进行有限元分析非常重要的一步，&直接影响着后续的数值计算的准确性。如果网格划分质量不好，分析的结果与实际情况相差很大，&甚至有可能导致分析过程被终止。由于ANSYS&Workbench&提供了强大的网格划分工具，便于进行网格划分，故本论文采用的ANSYS&Workbench&进行有限元分析。为了减少计算量，&需要对车架的网格大小进行合理控制。对于受力复杂的下层车架钢管划分网格分得细密些，尺寸单元约为5mm，其对于受力较少的上层车架单元网格划分得粗些，&其尺寸单元约为25～45mm，对于与悬架硬点和发动机固定点相连接的车架管件网格划分要更细些。最后，&在定义材料属性及进行几何模型的简化处理后，生成网格，即得到有限元模型，如图2。3&车架的静态受力分析赛车在比赛过程中，&车架的强度和刚度对赛车的性能有很大影响，&而且对赛车的安全性起着至关重要的作用。因此，需要对赛车车架进行静态受力分析，&现把我校第一届FSAE&赛车车架模型导入有限元分析软件，&分析该车架在静态弯曲工况时的受力情况。车架弯曲工况是指赛车4&个车轮位于同一平面上而受到弯曲载荷时车架的应力和应变情况。赛车手质量、底盘总成质量、发动机总成质量和车架自身的质量所产生的载荷称之为弯曲载荷。本文将车架质量作为均布载荷分布到车架结构的相应节点上的；而把赛车手质量、底盘总成质量和发动机总成质量分别作为集中载荷按支点跨距分配在相应管状结构节点上，&安放在车架上的各部分总成质量如表1&所示。图2&第一届FSAE&赛车架导入ansys&划分网格Fig．2&Leading&three&－dimensional&model&of&The&First&FSAEFrame&into&ANSYS&to&mesh图l&第一届FSAE&赛车车架三维模型Fig．1&Three－dimensional&model&of&The&First&FSAE&Frame前隔板前环斜撑前环侧防撞壁主环主环斜撑38第500&卷第111&期在进行有限元分析时，进行如下约束处理：约束与4&个悬架A&臂连接的16&个硬点，使他们在X轴、Y&轴和Z&轴方向上不能有位移。接下来对车架有限元模型进行求解。可以得出分析结果如图3和图4&所示。结果表明：&车架结构受到的最大应力部位是主环底部的圆管，最大应力为37．8MPa，远远低于车架所选用4130&钢管材料的许用应力为785MPa。而车架整体变形量最大的地方是主环底部钢管，其变形量为0．21mm，这种最大变形量远低于车架许可承载变形量，满足设计要求。分析的结果与实际的受力情况相符合，&因为主环底部不仅是车手座椅安装固定点之一，&而且还是发动机安装固定点之一，其受力是最大的，所以其变形量也是最大的。4&车架模态分析方程式赛车在赛道路面上行驶，&发动机的振动、车轮动态不平衡和路面上的不平度对车架会产生随机的激振。假如激振的频率和车架的某一种固有频率相接近，就会发生共振现象，造成车架出现可能会被破坏的危险情况。因此，为了避免共振现象的发生，&必须对车架固有振动频率和振型进行分析，&通过调整对车架结构设计来避开以上振源的激励频率。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，&每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，&这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。车架的模态分析就是运用有限元计算的方法取得的固有频率和固有振型。赛&车的车架是否满足振动要求，&取决于车架的各阶固有频率能否避开赛车的激励频率。赛车的激励源中由赛道路面不平而引起的激励频率一般为l～20&Hz，由于车轮不平衡引起的激励频率一般低于11&Hz［4］。我们选用的发动机是本田CBR600，这款发动机在限制进气以后的最高转速可达11000r&／&min，&我们将发动机怠速调为3000r&／&min，常用的发动机转速为r&／&min。根据爆发频率计算公式f＝2zn&／&60τ。（1）式中，z———发动机的缸数；τ———发动机冲程数；n———发动机的转数。可以算得发动机怠速频率为100Hz。常用的激励频率范围是233～333&Hz。在进行车架设计时主要考虑两点：（1）&车架的低阶频率要介于地面激励频率和发动机怠速运转频率之间，以避免发生整体共振现象；（2）车架高阶振动频率也要避开发动机经常工作的频率范围。通过有限元对车架模型进行模态分析，&计算出了车架在弯曲、扭转、垂直弯曲、侧向弯曲以及其组合情况下的振动频率，&具体分析结果如图5赛车各组部分质量／&kg发动机总成92．5传动总成28．8车身14车架34．2悬架系统及轮胎99．6踏板总成10．6转向系统7发动机水箱3．2油箱7电池3车手及座椅70图3&车架应变分析结果Fig．3&Strain&analysis&results&of&the&frame图4&车架应力分析结果Fig．4&Stress&analysis&results&of&the&frame表1&赛车车架上各安装部分质量Tab．1&Mass&of&each&installation&part&of&racing&car&frame周永光等：&FSAE&赛车车架结构优化和轻量化39农业装备与车辆工程2012&年车架结构空间桁架结构材料4130&钢管，&规格：25．4×2．4、25．4×1．6、20×1．2、20×2&以及12×1接头形式及材料采用氩弧焊焊接目标扭转刚度6500N·m／&°扭转刚度计算值和计算方法／实测刚度计算扭转刚度值：9687N·m／&°；方法：使用ansys对其进行分析计算，通过对车架底部前桥左侧纵梁上的竖直把风影点和车架底部后桥右侧纵梁上的竖直把风影点进行的约束，在左桥底部左侧纵梁上的竖直投影点施加一个垂直向下的载荷，让车架产生纯扭转变形。通过公式G＝π×L×L×F&／&（180°h），计算扭转刚度。其中G为扭转刚度，L&为力臂，F&为施加载荷，h&为加力点的挠度车架净重／&kg&26缓冲区材料蜂窝铝缓冲区长度／mm&200缓冲区吸能能力7571Joules表3&优化以后车架参数表2&车架前六阶固有频率及振型Tab．3&The&optimized&frame&parametersTab．2&Sixth－order&natural&frequency&and&vibration&mode&of&theframe所示。表2&是车架前6&阶自由模态的频率和振型。分析结果表明：&车架的最低振动频率为1&阶振动频率30．164，&这样就避开了由于赛道不平和车轮不平衡而引起的振动频率。车架的最高频率为6&阶振动频率91．760，&也避开了我们赛车发动机在怠速和常用车速下所引起的振动频率。所以车架不会发生共振，满足设计要求。5&车架结构优化车架结构优化设计是以有ANSYS&限元分析结果为基础。对于车架强度和刚度较为富裕的地方，通过减薄壁厚尺寸、减小管径尺寸和减少杆件数目达到减轻车架质量的目的，&满足车架轻量化设计的目标。优化以后的车架与第一届FSAE&赛车车架相比杆件数目减少7&根，&部分管径由原来的25．4mm&减小到20&mm&和12mm，壁厚由原来的2．4mm&和1．6mm&减小到1．2mm&和1．0mm，使得新车架的质量为25．8kg，减轻了8．4kg，有效地减轻了车架的质量。图6&为车架优化后的模型，表3&为优化以后车架参数。优化以后的车架模型为我们第二届赛车的模型，将该模型导入ANSYS&进行分析，重复以上步骤，&得到第二届车架应力分析结果如图7&所示和第二届车架应变分析结果如图8&所示。图5&车架模态分析结果Fig．5&Modal&analysis&results&of&the&frame阶数频率／&Hz&振型1&30．164&侧向弯曲＋扭转2&61．689&弯曲3&71．484&弯曲＋扭转4&84．359&扭转5&90．05&S&型侧向弯曲＋扭转6&91．76&垂直弯曲图6&车架优化后的三维模型Fig．6&The&three－dimensional&model&of&the&optimized&frame图7&第二届车架应力分析结果Fig．7&Stress&analysis&results&of&the&second&frame图8&第二届车架应变分析结果Fig．8&Strain&analysis&results&of&the&second&frame40第500&卷第111&期表4&第二届车架前六阶固有频率及振型Tab．4&Sixth&－order&natural&frequency&and&vibration&mode&ofthe&second&frame结果表明：车架所受的最大应力为298．18MPa，低于车架所选用4130&钢管材料的许用应力为785．24&MPa。而车架整体变形量最大的地方是车架最后部钢管，其变形量为0．31mm，这种最大变形量远小于车架实际承载变形量的许可范围。由于车架最后部分用于固定发动机和传动总成，故受力和变形量最大，与实际受力情况相符合。同时我们也对第二届车架进行了模态分析，模态分析结果如图9&所示，&表4&是车架前6&阶的振动频率。结果析结果表明：车架的固有频率处于69．656～105．000Hz&之间，可以很好地避开由于赛道不平和车轮不平衡而引起的0～30Hz&的低频振动频率。我校第二届赛车的发动机怠速转速为3500r&／&min，所产生的发动机激振频率为116．667Hz，&这与车架的固有频率相差较远，不会发生共振，满足设计要求。6&结论通过对我校第一届FSAE&赛车车架进行的静态弯曲工况和自由模态分析，&获得了车架的弯曲强度和刚度，&以及前6&阶固有频率和与之对应的振型，&分析了赛车固有频率与各种激振频率之间的关系。结果表明，车架的1&阶固有频率大于路面的激励频率，并且避开了发动机的爆发激励频率，避免共振。同时从振型分析中找出了车架弯曲刚度的富裕部位，&对第一届FASE&赛车车架进行优化改进得到第二届FASE&赛车车架，&最后对改进后的车架进行有限元分析。分析结果显示，在保证强度和刚度的同时，没有共振现象产生，整个车架的质量减轻为25．8kg，相比去年减少8．4kg，即在去年的基础上车架减重24．6％。该研究成果表明，利用有限元方法对车架进行结构优化和轻量化设计对赛车设计制造有重要意义。参考文献［1］&赵文娟．&赛车车架结构设计及其轻量化研究［D］．秦皇岛：燕山大学，2009．ZHAO&Wen－juan．&Structure&design&of&The&racing&frame&and&itslightweight&research&［D］．Qinhuangdao：Yan&Shan&University，2009．［2］&中国大学生方程式汽车大赛组委会．2011&中国大学生方程式汽车大赛参赛手册［R］．北京：中国汽车工程协会，2012．The&Organizing&Committee&of&Formula&Student&China．&ChineseRules&of&Formula&Student&China&［R］．Beijing：The&Society&ofAutomotive&Engineers，china，2012．［3］&邝坤阳．&FSAE&赛车车架的结构分析与优化［D］．合肥：合肥工业大学，2011．KUANG&Kun&－yang．&Structural&analysis&and&optimization&ofFSAE&racing&frame&［D］：Hefei：Hefei&University&of&Technology，2011．［4］&王家豪．&FSAE&管阵式车体骨架结构设计与分析［R］．广州：华南理工大学，2010．WANG&Jia－hao．&FSAE&Tubular&Body&Frame&Structure&Designand&Analysis&［R］．Guangzhou：South&China&University&of&Technology，2010作者简介周永光（1987－&），男，硕士。研究方向：电动汽车关键技术。导师：阳林（1966－&），男，博士。科研方向：&电动汽车关键技术、车身模具CAD&／&CAE&／&CAM／VR。主持和参加复杂薄板件液压成形新工艺及新装备、汽车大型复杂精密注塑模具数字化制造、数字重载机械驱动技术装置的产业化、数控压力机开发及其关键技术的研究等科研项目；发表论文40&多篇；获国家授权发明专利2&项，实用专利4&项。图9&第二届车架模态分析结果Fig．9&Modal&analysis&results&of&the&second&frame阶数频率／Hz&振型1&69．656&侧向弯曲＋扭转2&100．57&弯曲3&101．63&弯曲＋扭转4&102．4&扭转5&104．13&S&型侧向弯曲＋扭转6&105．08&垂直弯曲
二师兄们做的耶→ →
&于& 17:49&发表在&二师兄们做的耶→ →他们关于我们车队的论文
&于& 19:43&发表在&他们关于我们车队的论文这是
有没有更好的论文呢
看不到图片。。。。。
&于& 17:25&发表在&看不到图片。。。。。可以哦
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各种仿真 优化
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