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FSAE赛车车架的结构分析与优化
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大学毕设论文-大学生f1方程式赛车整车设计车辆工程.doc 86页
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毕业设计（论文）
题目 大学生F1方程式赛车
专业 车辆工程
　二○一三 年
大学生F1方程式赛车整车设计
本文基于汽车理论课程实践所做的BAJA赛车模型，并结合FSAE赛车比赛规则和赛道的布置特点，进行拓展设计一款大学生F1方程式赛车。从赛车底盘角度出发，本文侧重于汽车车架的设计，因为车架是整车的重要组成部分，它不仅承受着来自路面的各种复杂载荷，同时也是其他总成的安装载体。通过有限元法对车架结构进行分析，对提高整车的各种性能有重要的意义。本文根据《中国FSC大赛规则（2012）》要求，首先利用UG6.0软件对赛车车架进行结构设计，建立起多个车架的三维模型，然后将设计出来的多个车架以及BAJA模型的车架导入到有限元软件中，对车架进行静力学分析，通过对比静力和应力分布图分析选出更优秀的车架。同时对Formula SAE 赛车的发动机系统、车轮系统、传动系统、悬架系统、转向系统、制动系统等进行选型和整体布置，然后根据所选的总成参数对整车动力性能进行匹配以及整车动力性能进行分析，从而设计出一款符合大赛要求同时性能优异的赛车。
关键词：UG，大学生F1方程式赛车，车架，有限元分析，动力匹配
Formule SAE Collegiate Design of The Racing Car
The article is Based on the BAJA racing car model which is made at the Practice of Automobile Theory Course , and at the same time with combinations of the FSAE car racing game rules and the circuit layout characteristics, to expand the design of a formula sae race car. Start from the chassis of the car , this article focuses on the design of automobile frame, because the frame is an important part of vehicle, it not only suffered from a variety of complex surface load, at the same time it is the carrier to install the other assembly. Through the finite element method analysis of frame structure, has important significances to improve the vehicle performance. According to《 FSC contest rules (2012) of the People's Republic of China》 requires, first of all, using
the software
of UG6.0 to carrry out on the car frame structure design, setting up multiple 3 d model of the frame, and then
multiple frame and BAJA model frame into the finite element software,
using the statics
to analysis
the frame, by comparing the static and stress distribution analysis to select the better frame. To
select the type of Formula SAE racing car engine system,
the wheel system,the transmission system,
the suspension system,
the steering system and the
brake system and layout of the whole, and then according to the parameters of the selected to match the vehicle
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51页31页42页64页47页115页56页38页49页68页大学生F1方程式赛车整车设计毕业论文_甜梦文库
大学生F1方程式赛车整车设计毕业论文
13 车辆工程专业毕业设计(论文)大学生 F1 方程式赛车整车设计 摘要本文基于汽车理论课程实践所做的 BAJA 赛车模型，并结合 FSAE 赛 车比赛规则和赛道的布置特点，进行拓展设计一款大学生 F1 方程式赛车。 从赛车底盘角度出发，本文侧重于汽车车架的设计，因为车架是整车的重 要组成部分，它不仅承受着来自路面的各种复杂载荷，同时也是其他总成 的安装载体。通过有限元法对车架结构进行分析，对提高整车的各种性能 有重要的意义。本文根据《中国 FSC 大赛规则（2012）》要求，首先利用 UG6.0 软件对赛车车架进行结构设计，建立起多个车架的三维模型，然后 将设计出来的多个车架以及 BAJA 模型的车架导入到有限元软件中，对车 架进行静力学分析，通过对比静力和应力分布图分析选出更优秀的车架。 同时对 Formula SAE 赛车的发动机系统、车轮系统、传动系统、悬架系统、 转向系统、制动系统等进行选型和整体布置，然后根据所选的总成参数对 整车动力性能进行匹配以及整车动力性能进行分析，从而设计出一款符合 大赛要求同时性能优异的赛车。 关键词：UG，大学生 F1 方程式赛车，车架，有限元分析，动力匹配13 车辆工程专业毕业设计(论文)Formule SAE Collegiate Design of The Racing Car ABSTRACTThe article is Based on the BAJA racing car model which is made at the Practice of Automobile Theory Course , and at the same time with combinations of the FSAE car racing game rules and the circuit layout characteristics, to expand the design of a formula sae race car. Start from the chassis of the car , this article focuses on the design of automobile frame, because the frame is an important part of vehicle, it not only suffered from a variety of complex surface load, at the same time it is the carrier to install the other assembly. Through the finite element method analysis of frame structure, has important significances to improve the vehicle performance. According to《 FSC contest rules (2012) of the People's Republic of China》 requires, first of all, using the software of UG6.0 to carrry out on the car frame structure design, setting up multiple 3 d model of the frame, and then imported multiple frame and BAJA model frame into the finite element software,using the statics to analysis the frame, by comparing the static and stress distribution analysis to select the better frame. To select the type of Formula SAE racing car enginesystem, the wheel system,the transmission system, the suspension system, the steering system and the brake system and layout of the whole, and then according to theparameters of the selected to match the vehicle dynamic performance and analyzed the vehicle dynamic performance , Thus design a car to match requirements of the competition and also have performances.KEY WORDS:UG, the formula 1 racing car of College students, frame ,finite elementanalysis , dynamic matching.13 车辆工程专业毕业设计(论文)目录第一章 绪论 Formule SAE 概述 1.1.1、 1.1.2、 1.2、 第二章 2.1、 背景 发展及现状1.1、任务及目标 概述 2.1.1、 2.1.2、 总体设计因满足的要求 总体设计的目的 轴数 驱动形式 布置形式 汽车主要尺寸的确定 汽车质量参数的确定 汽车动力性参数的确定 发动机限制 发动机主要性能指标的选择 进气系统 排气系统 变速箱性能参数的确定 主减速器及差速器的确定赛车总体参数与主要总成的选择2.2、汽车形式的选择 2.2.1、 2.2.2、 2.2.3、2.3、汽车主要参数的选择 2.3.1、 2.3.2、 2.3.3、2.4、发动机的选择 2.4.1、 2.4.2、 2.4.3、 2.4.4、2.5、传动系统 2.5.1、 2.5.2、2.6、 2.7、轮胎和轮辋的选择 悬架系统的选择13 车辆工程专业毕业设计(论文)2.7.1、 2.7.2、 2.7.3、 2.7.4、 2.7.5、 2.8、 2.8.1、 2.8.2、 2.8.3、 2.9、 2.9.1、 2.9.2、 2.10、 2.10.1、 2.10.2、 2.10.3、 第三章 3.1、比赛要求 悬架的作用 悬架的分类 悬架的选择 方程式赛车悬架的特殊性 制动系统要求 制动器的分类 制动器的选择 转向的要求 转向系的确定 车架的定义 车架的设计 车架的分类制动系统的选择转向系统的选择车架形式的选择赛车整车的总体设计 车架的设计 3.1.1、 3.1.2、 3.1.3、 3.1.4、 车架的设计流程 车架设计要求 名词解释 车架设计过程 3.1.4.1、 3.1.4.2、 3.1.4.3、 3.1.5、 3.1.6、 前环以及前斜撑设计 主环设计 支撑要求车架材料的选择 车架焊接方式的选择 发动机总成以及变速箱三维建模 制动总泵以及各个踏板的三维建模3.2、其他部件的三维建模 3.2.1、 3.2.2、13 车辆工程专业毕业设计(论文)3.2.3、 3.2.4、 3.2.5、 3.2.6、 3.2.7、 3.2.8、 3.2.9、 3.2.10、 3.2.11、 第四章 4.1、悬架系统建模 制动系统的三维建模 车轮三维建模 后驱动桥三维建模 转向系统的设计 油箱三维模型的建立 车身的设计 座椅的设计 赛车的总装整车设计中的关键问题 车架强度校核 4.1.1、 4.1.2、 4.1.3、 4.1.4、 4.1.5、 有限元软件介绍 有限元模型的建立 模型的简化及建立 网格划分 车架静力学分析 4.1.5.1、 4.1.5.2、 4.1.5.3、 4.1.5.4、 4.1.6、 4.1.6.1、 4.1.6.2、 4.1.7、 4.2.1、 4.2.2、 车架静态载荷分析 工况分析及边界条件处理 弯曲工况分析 制动工况的分析 车架扭转刚度分析 车架弯曲刚度分析车架刚度分析车架模型（二）的有限元模型分析 概述 动力性能计算 4.2.2.1、 4.2.2.2、 4.2.2.3、 动力性相关公式 计算过程及结果 本节结论4.2、动力系统计算匹配及评价13 车辆工程专业毕业设计(论文)第五章 参考文献 致谢结论13 车辆工程专业毕业设计(论文)绪论1.1、 Formule SAE 概述1.1.1、 背景 Formula SAE，是由各国 SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕 业 7 个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在 一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足 够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自 1981 年创办以来，FSAE 已发展成为每年由 7 个国家举办的 9 场赛事所组成，并 有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE 方程式 （Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型 具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达 创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用 8 至 12 个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大 学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的 机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公 司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原 型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制 动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。 此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用 性。 制造企业计划每天生产四辆该型车, 并要求原型车实际耗资应低于 2.5 万美元（该规则 09 年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆 满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。 1.1.2、发展及现状 FSAE 赛车比赛虚构了一家赛车生产商。学生组成的设计团队将为该生 产商设计一辆小型方程式赛车。原型车将被该生产商用来评估一个生产项113 车辆工程专业毕业设计(论文)目的市场潜力。产品的目标市场是周末业余赛车比赛。为了保证比赛能够 顺利、公平的进行，赛事组委会制订了一系列详细的规则。学生设计团队 在满足规则要求的前提下一般用 8 到 12 月的时间设计、制造和测试自己的 赛车。 FSAE 赛车比赛的目的在于培养汽车及其他机械领域的工程技术人才， 为工科学生将来的职场生涯建立良好的基础。但是由于整个比赛涉及了汽 车工业所包括的设计、生产、测试、市场、管理和财务等各个方面。所以 随着比赛的不断发展，很多非工科专业的学生也很好的参与到这项赛事中， 并得到了极大的锻炼。FSAE 赛车比赛给参赛学生提供了走出课堂将理论知 识应用到工程实践的良好机会。多年来 FSAE 赛车比赛不断地为汽车及其他 各个行业输出了大量的高水平人才。赛事对赛车各系统的材料，结构等都 做出了详细的规定。但是除了对赛车的安全性有大量详细的要求以外，比 赛规则整体上比较开放。目的就是为了在充分保证参赛人员人身安全的前 提下，尽可能的为参赛学生营造一个自由的比赛环境，来鼓励学生发挥想 象力和创造力，使更多的原创设计和多种形式的赛车出现在赛场上。根据 每年比赛所遇到的问题和其他各方面因素的变化和发展，FSAE 赛事规则委 员会每年都会对比赛规则进行修订，使比赛规则更加合理系统。比赛规则 主要分为两部分，赛车技术要求和比赛条例。 FSAE 赛车比赛是供大学生参与的工程设计竞赛，其比赛目的与商业性 质赛车比赛有着很大的不同。为了更好的达到锻炼和培养参赛学生综合能 力的目的，比赛虚拟了一个商业研发环境，所有的比赛项目都是基于这一 环境而设置。 所以 FSAE 比赛的过程同一般的赛车比赛有着很大的不同。 FSAE 赛车比赛主要分为静态项目比赛和动态项目比赛两部分。在静态项目比赛 中，参赛学生需要把各项目比赛的评委看作是虚拟赛车生产商的各部门负 责人。学生需要通过语言，图表等各种方法，将自己作品的设计理念、技 术特点、性能优势、加工成本和商业价值等要素有效地表达出来，使这家 公司的负责人能够充分了解你的设计方案的优势，并最终使他们认可你的 设计方案。213 车辆工程专业毕业设计(论文)从世界范围来看，当今有三个地区有 Formula SAE 的学生竞赛，即美 国、欧洲、澳洲。70 年代中期，几个美国大学开始主办当地的学生设计竞 赛赛车。SAE Mini Baja 的名称沿袭了著名的墨西哥 Baja 1000 汽车比赛。 第一届 SAE Mini Baja 比赛于 1976 年举办，并且迅速成为一个地区性的 年度比赛。比赛由三个评判标准组成，即一天的静态比赛――设计、成本、 陈述――接着一天是各自的性能竞赛项目。Mini Baja 比赛重点强调了地 盘的设计，因为每个队伍都使用一个 8 匹马力的引擎，这一点无法改变。 在过去的 20 多年里，SAE Mini Baja 的成功超乎了每个人的预期。 在 SAE Mini Baja 的成功获得各界认同的同时，SAE 联合美国三大汽 车公司开始推广一项技术水平更高的工程类学生竞赛，这就是 Formula SAE。Formula SAE 相比 SAE Mini Baja 有着许多进步和发展，引擎的限制 也已经大大放宽，允许参赛车队使用 610cc 以下的发动机，这极大地提升 了赛车的性能表现。 在发达国家，很多高校已经从事 Formula SAE 超过 20 年时间，拥有 大量资金和试验基础的情况下，他们的作品已经基本达到了专业水平，最 高时速可达到甚至超过 200km/h， 到 100km/h 加速时间一般都在 4.5s 以 0 内。 从原先在 SAE Mini Baja 比赛中的 8hp 发动机到现今 Formula SAE 中 已经超过 100hp 的大功率发动机，Formula SAE 在多方面都取得了惊人的 成绩，并且该项比赛一直保持了发展的态势。 2010 年第一届中国 FSC 由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院 系、 国内领先的汽车传媒集团――易车 （BITAUTO） 联合发起举办。 中国 FSC 秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车 产业的现实基础，吸收借鉴其他国家 FSC 赛事的成功经验，打造一个新型 的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年 汽车工程师交流的平台。中国 FSC 致力于为国内优秀汽车人才的培养和选 拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、 商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综313 车辆工程专业毕业设计(论文)合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业 从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。1.2、任务及目标在本次毕业设计中，选择大学生 F1 方程式赛车为主要研究对象。通过 对底盘总布置的设计计算，合理选用各总成，合理装配布置，保证底盘各 总成运动协调，操纵轻便，使底盘各总成更加高效合理可靠的工作。 主要研究内容：大学生 F1 方程式赛车整车结构设计，总体布置，各工 作部件相互位置关系的确定以及计算其性能参数；对部分零部件进行必要 的设计计算，以及车架的强度校核。 预期目标：通过对现有大学生 F1 方程式赛车的了解以及各种资料的分 析，确定整机总体结构及总体布置图，设计计算，三维建模，对车架进行 强度分析，绘制图纸，并附带说明书。413 车辆工程专业毕业设计(论文)第一章 赛车总体参数与主要总成的选择2.1、概述2.1.1、总体设计应满足的基本要求由动力装置、底盘、车身、电器以及仪表等四部分组成的汽车，是用 来载送人和货物的运输工具，而这里我们要设计的是用来参加比赛的赛车， 其赛车悬架、转向、制动总成设计参数选取和具体结构等方面与普通车辆 都存在差异，通过对在网上搜索的各类方程式赛车资料，进行整理，然后 分析总结出方程式赛车应当具备的一些普通车辆所没有的性能和结构特 点。根据这些特点进行设计，从而使赛车能在比赛中发挥出高性能和取得 良好的比赛成绩。2.1.2、总体设计的目的总体设计目的是制造一辆安全可靠、各方面性能均衡、有良好驾驶特 性、调整方便并且足够快的赛车。可靠性可以确保测试阶段的顺利进行， 同时可以保证完成在竞赛中的所有比赛项目。可调整的特性可以让赛车适 应不同的驾驶环境和不同的驾驶员。一辆平衡和驾驶特性良好的赛车会让 车手更有信心，这能有效提高所有动态项目中最快圈速，这对经验不足的 新车手特别重要。赛车要让车手在任何行驶状态下都能有清晰的路感，这 可以使驾驶变得容易和高效。2.2、汽车形式的选择不同形式的汽车，主要体现在轴数、驱动形式以及布置形式上有区别， 这里我们选择的是大学生 F1 方程式赛车。2.2.1、轴数513 车辆工程专业毕业设计(论文)汽车可以有两轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。影响选取轴数的因 素主要有汽车的总质量、道路法规对轴载质量的限制和轮胎的负荷能力以 及汽车的结构等。 这里我们选择：两轴。2.2.2、驱动形式汽车驱动形式有 4x2、4x4 等等，其中前一位数字表示汽车车轮总数， 后一位表示驱动轮数。汽车的用途、总质量和对车辆通过性能的要求等， 是影响选取驱动形式的主要因素。 这里我们选择：4x2。2.2.3、布置形式汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身的相互关系和布置特点而 言。常用的有前置前驱、后置后驱、前置后驱和中置后驱。 这里我们选择一般赛车常用的方式：中置后驱。2.3、汽车主要参数的选择2.3.1、汽车主要尺寸的确定汽车的主要尺寸参数有外廓尺寸、轴距、轮距、前悬、后悬。我们根 据网上搜索的资料以及查看各个学校的技术报表，然后根据大赛规则大概 确定主要参数： 表 2.1 汽车尺寸参数 Tab2.1 the Size parameters of the car 车型参数 总长（mm） 总宽（mm）6赛车
13 车辆工程专业毕业设计(论文)总高(满载)（mm） 轴距（mm） 前轮距（mm） 后轮距（mm） 前悬（mm） 后悬（mm） 最小离地间隙（mm）50
602.3.2 、汽车质量参数的确定汽车质量参数包括整车质量 m0，载客量、满载质量、质量系数η 轴荷分配等。 表 2.2 汽车质量参数 Tab2.2 The quality parameters of the automotive 车型参数 整车整备质量 m0(kg) 载客量 满载质量 ma（kg） 质量系数ηm0 m0,和赛车 300 1 360 0.2 170 192前轴负荷（满载）（kg） 后轴负荷（满载）（kg）2.3.3、汽车动力性参数的确定汽车动力性参数包括最高车速 vmax、加速时间 t、上坡能力、比功率和 比转矩等。 设计目标：713 车辆工程专业毕业设计(论文)表 2.3 汽车动力性参数 Tab2.3 The power performance parameters of the automobile 车型参数 最高车速 Vmax(km/h) 加速时间 t（s）(0~100km/h) 赛车 150 6.32.4、发动机的选择2.4.1、发动机限制（1） 驱动赛车的发动机必须为四冲程、 、 排量 610cc 以下的活塞式发动机； （2）、为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气 系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机的进气气流都应流经此限流 阀。2.4.2、发动机主要性能指标的选择赛车发动机的选择要根据比赛规则的要求和赛道特点而决定。 FSAE 比 赛中分值最高和赛程最长的是 Endurance 比赛。Endurance 赛道的直道不超 过 70m。所以 FSAE 赛车发动机最关键的性能是稳定优秀的扭矩输出，而 发动机功率输出性能的重要性则被弱化。 FSAE 比赛中发动机的选择主要分为两个方向。 大排量高性能 4 缸机是 多数车队的选择，较为典型的是 Honda CBR600 F4i。而选择小重量单缸机 的高水平车队也有不少。Yamaha WR450F 就是一款非常适合 FSAE 的单缸 机。参考绝大多数学校发动机的选择，我们选择本田摩托车的 Honda CBR600 F4i 电喷发动机，引擎形式四冲程水冷 DOHC，并列四汽缸。 性能指标：813 车辆工程专业毕业设计(论文)表 2.4 发动机性能指标 Tab2.4 Engine performance metrics 发动机性能指标 发动机排量 未限流最高功率（kw） 最高转速（r/min） 缸径 x 冲程（mm） 压缩比 最高马力 最大扭力 限流后最大功率 发动机参数 599cc 80 .5 12.0:1 110ps/12500rpm 6.3kg.m/10500rpm 44.1kw/9000r/min该发动机还有个优点油底壳较低，这样车的重心也会较低。如果重心 较高，将会导致车过弯的时候不稳，重量转移过大。对于新车队来说，改 装油底壳会比较麻烦，没有经验，也不知道如何去改的时候，用 F4i 是很好 的选择 F4i 还有一个优点就是价格比 600RR 便宜，国内二手发动机的价格应 该在一万人民币以下原装电脑，改成规则规定的 20mm 进气以后，马力应 该在 60~65hp。913 车辆工程专业毕业设计(论文)图 2-1 本田 Honda CBR600 F4i 电喷发动机 Fig 2-1 the electronic fuel injection engine of Honda CBR600 F4i2.4.3、进气系统把空气过滤器的安装位置从进气稳压箱中独立了出来，并增加了专门 的空气滤清器盖板，在维护时只需单独打开盖板即可方便更换空气滤清器。 如图 2-2 所示。 这样的改进不但极大的降低了使用成本， 避免使用 Kawasaki 售价高昂的原装空气滤清器，而且在采购上也有着极大的便利。 由于受到 Formula SAE 规则的限制，所有的引擎都必须加装一个最小 截面直径不超过 20mm 的限流器来限制引擎功率。所以在空气滤清器旁边 的进气口上还加装了一个限流器。如图 2-3 所示。限流器采用的是一个圆 锥形的漏斗状装置，固定在限流器出口位置的盖板上，限流器可以随盖板 一起方便地拆除，以便在某些必要的测试当中增加引擎功率。1013 车辆工程专业毕业设计(论文)图 2-2 空气滤清器匣（圈内） Fig 2-2 Air filter cartridge(in Circle)图 2-3 限流器（圈内） Fig 2-3 current limiter(in Circle)1113 车辆工程专业毕业设计(论文)2.4.4、排气系统汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，一般由排气歧管，排气 管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。汽车 排气系统是主要是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染 减小，噪音减小。汽车排气系统主要用于轻型车、微型车和客车，摩托车 等机动车辆。 我们这里采用摩托车的排气系统如图 2-4：图 2-4 Kawasaki ZRX400 排气系统（线框内） Fig 2-4 the exhaust system of Kawasaki ZRX400(in wireframe)2.5、传动系统2.5.1、变速箱性能参数的确定采用发动机自带的变速箱：6 速常啮合循环挡位。 换挡顺序为：1 挡－空挡－2 挡－3 挡－4 挡－5 挡－6 挡。 其参数如下： 表 2.5 变速箱性能参数 Tab2.5 Performance parameters of the gearbox 发动机内部减速器传动比 1.822 一档速比 2.833 2.062 二档速比 三档速比 1.6471213 车辆工程专业毕业设计(论文)四档传动比 五档传动比 六档传动比1.421 1.272 1.1732.5.2、主减速器及差速器的确定发动机通过链传动将动力传递到驱动桥，其中链条可以采用摩托车上 的 520H 链条，而差速器可采用是五菱 LQG5010 型货车差速器，该差速器为 无锁止的锥齿轮式差速器。 ，在差速器外壳均需要加装合适的链轮。 主减速比：链传动传动比=3.5；2.6、轮胎和轮辋的选择车轮与轮胎是汽车行驶系统中的重要部件，其功用是：支撑整车；缓 和由路面传来的冲击力；通过轮胎同路面的附着作用来产生驱动力和制动 力；汽车转弯时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同 时，通过车轮产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向；承担越障 提高通过性的作用等。 通过对 2012 年各个学校参加比赛的赛车了解总结之后发现，万丰和 Hoosier 是 FSAE 车队使用最多的轮胎品牌和轮辋品牌，性能最好的是 Hoosier 品牌，但由于成本因素等等考虑，我们选择万丰轮辋和马牌轮胎品 牌。其参数如下： 万丰 13 英寸铝合金轮辋；马牌 223/533R14。2.7、悬架系统的选择2.7.1、比赛要求（1）赛车所有车轮必须安装有功能完善的、带有减震器的悬架。在有车手 乘坐的情况下， 轮胎的跳动行程至少为 50.8mm 英寸） 其中向上 25.4mm （2 ， （1 英寸），向下 25.4mm（1 英寸）。如果赛车没能表现出适合比赛的操1313 车辆工程专业毕业设计(论文)控能力，或是没有经过认真的设计，裁判有权取消赛车的参赛资格。 （2）在技术检查中，悬架的所有的安装点必须可以被呈示给技术检查官， 无论是可以直接看到或是通过移除覆盖件来实现。2.7.2、悬架的作用悬架是汽车中的一个重要总成，它把车架与车轮弹性地联系起来，关 系到汽车的多种使用性能。从外表上看，轿车悬架仅是由一些杆、筒以及 弹簧组成，但千万不要以为它很简单，相反轿车悬架是一个较难达到完美 要求的汽车总成，这是因为悬架既要满足汽车的舒适性要求，又要满足其 操纵稳定性的要求，而这两方面又是互相对立的。比如，为了取得良好的 舒适性，需要大大缓冲汽车的震动，这样弹簧就要设计得软些，但弹簧软 了却容易使汽车发生刹车“点头”、加速“抬头”以及左右侧倾严重的不 良倾向，不利于汽车的转向，容易导致汽车操纵不稳定等。2.7.3、悬架的分类汽车悬架的形式分为非独立悬架和独立悬架两种： （1）非独立悬架的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，影 响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和 舒适性较差，但由于构造较简单，承载力大，目前仍有部分轿车的后悬架 采用这种型式。 （2） 独立悬架的车轴分成两段， 每只车轮用螺旋弹簧独立地安装在车架(或 车身)下面，当一边车轮发生跳动时，另一边车轮不受波及，汽车的平稳性 和舒适性好。但这种悬架构造较复杂，承载力小。现代轿车前后悬架大都 采用了独立悬架，并已成为一种发展趋势。2.7.4、悬架的选择本赛车采用当今方程式赛车普遍使用的悬架结构，故采用独立悬架。1413 车辆工程专业毕业设计(论文)独立悬架有多种形式，基于方程式赛车特点，选用双横臂不等长独立 悬架。采用此种悬架，主要优点是不等长式上下各有一个不等长摇臂，共 同吸收横向力，因此横向刚度大，并且通过合理的布置，可以使轮距和前 轮的定位参数在可接受的限定范围内变化，这就克服了等长式双横臂悬架 轮胎磨损严重的弊端。路面的适应力好，轮胎接地面大、贴地性好。 如图 2-5 所示：图 2-5 双横臂不等长独立悬架 Fig 2-5 Range double wishbone independent suspension2.7.5、方程式悬架系统的特殊性该系统采用将弹性元件内置于车身外壳中的形式，这样可以降低高速 行驶中的风阻，避免了避震弹簧上的横向力影响，减小了由于横向力而造 成的车身振动，并且减小了悬架运动部分的质量和转动惯量。将弹簧与阻 尼元件隐藏在车身中，利用推拉杆和摇臂盘的组合，达到外置式悬架同样 的效果。真实比赛中，由于天气、温度、赛道形式等因素，需要通过不同 的悬架参数设定来确保赛车的表现，通过独特的机构，可以方便地改变悬 架参数，达到比赛需要。1513 车辆工程专业毕业设计(论文)2.8、制动系统的选择2.8.1、制动系统要求：（1）赛车必须安装有制动系统。制动系统必须作用于所有四个车轮上，并 且通过单一的控制机构控制。 （2）制动系统必须有两套独立的液压制动回路，当某一条回路系统泄漏或 失效时，另一条回路还可以至少保证有两个车轮可以维持有效的制动力。 每个液压制动回路必须有其专用的储液罐（可以使用独立的储液罐，也可 以使用厂家生产的内部被分隔开的储液罐） 。 （3）安装有限滑式差速器的车桥，其两个车轮可以使用单个制动器制动。 （4）制动系统必须在后述的测试中，能够抱死所有四个车轮。 （5）禁止使用线控制动。 （6）禁止使用没有保护的塑料制动管路。 （7）制动系统必须被碎片护罩保护，以防传动系失效或小碰撞引起的碎片 破坏制动系统。2.8.2、制动器的分类（1）制动器主要有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式。电磁式制动器虽 有作用滞后性好、易于连接而且接头可靠等优点，但因成本高，只在一部 分总质量较大的商用车上用作车轮制动器或缓速器；液力式制动器一般只 用作缓速器。目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。 （2）摩擦式制动器按摩擦副结构形式不同，可以分为鼓式、盘式和带式三 种。带式制动器只用作中央差速器；鼓式和盘式制动器的结构形式也分有 多种。 （3）盘式与鼓式相比有如下优点：热稳定性好；水稳定性好；制动力矩与 汽车运动方向无关；易于构成双回路制动系，使汽车有较高的可靠性和安 全性；尺寸小、质量小、散热良好；更换衬块简单容易。易于实现间隙自1613 车辆工程专业毕业设计(论文)动调整等。2.8.3、制动器的选择通过以上比较，以及参考其他院校制动器的选择，这里我们选择双轮 浮动盘式制动 willwood DSP。如下图 2-6 所示：图 2-6 双轮浮动盘式制动，willwood DSP Fig 2-6 Double floating disc brake,willwood DSP2.9、转向的选择2.9.1、转向的要求（1）方向盘必须与前轮机械连接。禁止使用线控转向。 （2）转向系统必须安装有效的转向限位块，以防止转向连杆结构反转（四 杆机构在一个节点处发生反转） 。限位块可安装在转向立柱或齿条上，并且 必须防止轮胎在转向行驶时接触悬架、车身或车架部件。1713 车辆工程专业毕业设计(论文)（3）转向系统的自由行程不得超过 7°（在方向盘上测量） 。 （4）方向盘必须安装在快拆器上，必须保证车手在正常驾驶坐姿并配戴手 套时可以操作快拆器。 （5）方向盘轮廓必须为连续闭合的近圆形或近椭圆形。例如：方向盘的外 轮廓可以有一些部分 趋向直线，但不可以有内凹的部分。禁止使用 H 形、8 型或分开式方向盘。 （6）在任何角度，方向盘上端必须低于前环的上端如图 2-7：图 2-7 方向盘的位置 Fig 2-7 The location of the steering wheel2.9.2、转向系的确定（1） 转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构， 在汽车转向行驶时， 保证各转向轮之间有协调的转向关系。机械转向系依靠驾驶员的手力转动 转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。 （2）转向系的组成：转向器和转向传动机构。 其中转向器我们选择机械式中的齿轮齿条式，因为它是一种最常见的转向 器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转 时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮 转向。所以，这是一种最简单的转向器。它的优点是结构简单，成本低廉，1813 车辆工程专业毕业设计(论文)转向灵敏，体积小，可以直接带动横拉杆。在汽车上得到广泛应用。如下 图所示：图 2-8 齿轮齿条转向器基本原理示意图 Fig 2-8 the basic principle diagram of Pinion and rack steering gear 转向传动机构采用转向梯形如下图所示：图 2-9 转向梯形示意图 Fig 2-9 the diagram of steering trapezium1913 车辆工程专业毕业设计(论文)2.10、车架形式的选择2.10.1、车架的定义也称大梁。汽车的基体，一般由两根纵梁和几根横梁组成，经由悬挂 装置p前桥p后桥支承在车轮上。具有足够的强度和刚度以承受汽车的载 荷和从车轮传来的冲击。2.10.2、车架的设计要评价车架设计和结构的好坏，首先应该清楚了解的是车辆在行驶时 车架所要承受的各种不同的力。如果车架在某方面的韧性（stiffness）不 佳，就算有再好的悬挂系统，也无法达到良好的操控表现。而车架在实际 环境下要面对 4 种压力。 （1）负载弯曲 从字面上就可以十分容易的理解这个压力，部分汽车的非悬挂重量， 是由车架承受的，通过轮轴传到地面。而这个压力，主要会集中在轴距的 中心点。因此车架底部的纵梁和横梁(member） ，一般都要求较强的刚度。 （2）非水平扭动 当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动，车架的梁柱便要承受这个 纵向扭曲压力(longltudinaltorsion） ，情况就好像要你将一块塑料片扭曲 成螺旋形一样。 （3）横向弯曲 所谓横向弯曲，就是汽车在入弯时重量的惯性（即离心力）会使车身 产生向弯外甩的倾向，而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力，两股相对 的压力将车架横向扭曲。 （4）水平菱形扭动 实车架的好坏并非物理指标就可以涵盖，所以即使有超强的新车架出 现，最传统的车架形式依然存在，正因为此，以下的内容才有了发布的意 义。2013 车辆工程专业毕业设计(论文)2.10.3、车架的分类车架的类型有：梯形车架、一体式金属车架、超轻量一体式车架、一 体式碳纤维车架、大梁式车架、承载式车架、钢管式车架、铝合金车架、 碳纤维车架、副车架等等。由于成本原因国内 FSAE 赛车大多使用的是钢 管式车架，但国外大多使用一体式碳纤维车架。下面我们主要介绍一下这 两种车架： 1、 钢管式车架介绍 （1） 、定义 承载式车架的设计开发和生产工艺都复杂，只适宜大批量生产。但是 对于少量生产的轿车又如何呢？虽然可以采用共用平台策略， 但所谓的 “共 用平台”能共用的只是悬架、传动系统等底盘部件，承载式的车架由于必 须与车身形状吻合，对于不同的车身造型是不能共用车架的。于是钢管式 （又称“框条式” ）车架便应运而生。顾名思义，钢管式车架就是用很多钢 管焊接成一个框架，再将零部件装在这个框架上。它的生产工艺简单，很 适合小规模的工作坊作业， 50-70 年代英国有很多小规模的车厂生产各式各 样的汽车，都是用自行开发制造的钢管车架，是钢管车架的全盛时期。时 至今日仍采用钢管车架的都是一些产量较少的跑车厂，如 LAMBORGHINI 和 TVR，原因是可以省去冲压设备的巨大投资。由于对钢管车车架进行局 部加强十分容易（只须加焊钢管） ，在质量相等的情况下，往往可以得到比 承载式车架更强的刚度，这也是很多跑车厂仍乐于用它的原因。如下图所 示：2113 车辆工程专业毕业设计(论文)图 2-10 桁架结构车架 Fig 2-10 （2） 、优缺点 优点：加工制造方便，造价低廉，具有较好的容错性，强度较高。 缺点：不利于空间布置和车身造型、需要覆盖车身，因而不利于轻量化。 2、 一体式碳纤维车架 （1） 、定义 它通过一个物体的表面来承载，而不是使用内部框架来承载。Mono 来 源于希腊， 指单一的意思。 Coque 是来源于法语， 壳的意思。 所以 monocoque 就算是承载式车身的一种。但现代大多数乘用车的白车身，并不是完整意 义上的单体壳，而是箱体、管件和舱壁的组合，并不强调表面的刚度和强 度，主要通过凹凸形成的箱体和管件来承载。FSAE 界的单体壳也绝大多数 是碳纤维增强树脂（Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP)）――简称碳纤 维的单体壳，金属单体壳仅有英国的 Oxford Brookes University 近几年的赛 车，它使用的是铝合金来制造单体壳。另外在超跑和赛车领域，也几乎都 是碳纤维单体壳。 如下图所示： Truss structure frame2213 车辆工程专业毕业设计(论文)图 2-12 单体壳车架 Fig 2-11 （2） 、优缺点 优点：高强度，轻量化，易于车身造型，安装一步到位，精度容易保证。 缺点：制造加工困难，造价高昂，结构强度难控制，基本没有容错性，寿 命短，修复困难，不可回收。 3、 结论 通过以上比较国内 FSAE 赛车多数使用的是钢管式车架，但随着技术 不断地成熟，以及资金的充裕必将会有越来越多的车队使用一体式碳纤维 车架。由于我们学校正处于研究初期，所以我们选用的钢管式车架，然后 通过 ANSYS 软件进行强度分析。 Single shell frame2313 车辆工程专业毕业设计(论文)第三章3.1、车架的设计3.1.1、车架的设计流程：赛车整车的总体设计(1)根据总布置要求确定外廓尺寸； (2)根据布置要求确定人机； (3)根据悬架硬点、转向、制动、发动机悬置等要求确定车架结构； (4)车架结构性分析，优化； (5)定稿。3.1.2、车架设计要求：（1）赛车的结构必须包括两个带有斜撑的防滚架、有支撑系统和缓冲结构 的前隔板、以及侧边防撞结构； （2）赛车的基本结构必须为以下材料制作：低碳钢或合金钢（含碳量至少 为 0.1%）圆管； （3）除主环和主环斜撑必须使用钢材以外，其他管件均可使用替代尺寸规 格和材料。即铝制或钛制的管件以及复合材料在主环和主环斜撑上禁止使 用。3.1.3、名词解释（1）主环――位于车手旁边或是身后的一个防滚架； （2）前环――位于车手双腿之上，接近方向盘的防滚架； （3）防滚架支承结构支承――从主前环支承的末端引出到主前环上； （4）车架单元――最短的未切割的、连续的管件； （5）车架 ―― “车架”是被设计用来支撑所有赛车的功能系统的结构总 成，该部件可以是单个焊接结构，也可是复杂的焊接结构，或是复合材料2413 车辆工程专业毕业设计(论文)与焊接结构的组合； （6）基本结构―― 基本结构包括以下车架部件： 1）主环 2）前环 3）防滚架斜撑 4）侧边防撞结构 5）前隔板 6)前隔板支 撑系统 7）所有的能将安全带的负荷传递到 1--6 的车架单元； （7）车架主体结构――已定义的车架基本结构所包围的车架部分为车架主 体结构。主环上部和主环斜撑不包括在该定义中； （8）前隔板――车架主体结构前端的一个平面结构。其功能是保护车手双 脚； （9）前端缓冲结构――位于前隔板前方的可变形的吸能装置； （10）侧防撞区域――从座舱底板上表面到离地 350mm（13.8 英寸） ，从 前环到主环间的车辆侧面区域。3.1.4、车架设计过程方程式汽车大赛目前在国外已有 20 余年的历史，国外车队相关赛车的 车架设计经验相对成熟，而且首届中国大学生方程式汽车大赛的规则与国 外基本相同，所以项目组在参考国内外车架设计经验的基础上结合本队赛 车的总布置和人机工程需要，按照规则的要求，我们选择选择的圆管规格 为 30mmx25mm 最终完成了车架的设计，下面是车架的详细设计过程。3.1.4.1、前环以及前斜撑设计前环是位于车手双手之上，接近方向盘的防滚架，一般来说前环不仅 是方向盘的支撑载体，同时在紧急状况下，如撞击、侧翻、翻滚，如果车 手未能及时逃出赛车，前环对保护车手的双手起着重要作用。因此， 《中 国大学生方程式汽车大赛规则》(201 0 版)对于车架的前环做了详细而具体 的要求，确保赛车的前环能起到所需的功能且有足够的强度、刚度，以保 证在极端状况下前环不发生变形、破坏。要求如下： （1）前环必须由封闭的金属管件构成。 （2）禁止前环使用复合材料。2513 车辆工程专业毕业设计(论文)（3）前环必须从车架单元一侧的最低端，向上绕过车架后在连接到另一侧 车架的最低端。 （4） 若是采用合适的节点和三角板结构， 允许把前环设计成多段组合的键。 （5）前环的最高点必须在任何角度下高于方向盘的最高点。 （6）前环位于方向盘的距离不得超过 250mm(9．8 英寸)。这个距离是沿赛 车的中线，水平的从前环的后部到方向盘放置状态下的最前端量起。 参照下图：图 3-1 前环示意图 Fig 3-1 the schematic diagram of Front Roll Hoop (7)侧视图时，前环的任何一个部分与垂直方向所成的角度不得超过 20 度。 根据上述要求设计出的前环如维模型图如下面所示：2613 车辆工程专业毕业设计(论文)图 3-2 前环三维模型图 Fig 3-2 the 3 d model figure of Front Roll Hoop3.1.4.2、主环设计（1）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； （2）禁止使用铝合金、钛合金或其他复合材料制作主环； （3）主环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； （4）从车的侧视图看，主环位于车架主体结构的安装点以上的部分必须在 与竖直方向上的倾斜角在 10°的范围以内； （5）正视图时，主环的垂直管件与车架主体结构两侧连接处的内侧距离至 少为 380mm(15inch)。如下图所示：2713 车辆工程专业毕业设计(论文)图 3-3 主环设计示意图 Fig 3-3 the schematic diagram of Main Roll Hoop 根据上述要求设计出的主环三维图如下图所示：图 3-4 主环三维图 Fig 3-4 the 3 d model figure of Main Roll Hoop3.1.4.3、支撑要求主环支架： （1）主环支架必须由封闭的钢管构件构成； （2）主环支架禁止使用铝合金、钛合金等复合材料； （3）主环支架必须是直的，即没有任何弯曲。 前环支架： （1）前环必须由两个分别位于前环两侧的向前伸的支架支撑；2813 车辆工程专业毕业设计(论文)（2）必须安装前环支架是为了保护车手的腿部，并且必须延伸到车手脚的 前部。 其他支撑要求： （1）在支架没有和钢制车架焊接的地方，支架必须安全可靠地用 8mm 级别 或更高级别的螺栓和车架连接起来。焊接在防滚架支架上的安装板必须至 少为 2.0mm 厚的固定钢板； （2）在主环支架和承载结构结合的地方，必须在承载结构的背面安装一块 和固定板相同的备用支持板，这样可以避免因受力而核心破碎； 根据以上要求设计出的车架三维模型如下图所示：图 3-5 车架三维模型图（1） Fig 3-5 the 3 d model figure of frame (1) 为了选择更性能更好的车架在此重复以上步骤，设计出另一款车架如下图 所示：图 3-6 车架三维模型图（2）2913 车辆工程专业毕业设计(论文)Fig 3-6 the 3 d model figure of frame (2)3.1.5、车架材料的选择大学生方程式赛车车架设计与选材必须遵循轻量化的设计原则，重量 较轻的车可以获得较好的燃油经济性、加速性、提高最大速度、改善操纵 稳定性。所谓轻量化，就是在满足其它性能的前提下，尽量减轻自身的重 量，它是指同一台车在同样的尺寸或同一种车型在同样功率的前提下重量 的减轻。方程式赛车车架重量占整车重量的很大部分(约 20％)，所以车架 轻量化对于整车轻量化有重要意义。一下是几种比较常用的材料： (1)Q235 普通碳素结构钢又称在 A3 板。普通碳素结构钢－普板是一种钢材 的材质。Q 代表的是这种材质的屈服极限，后面的 235，就是指这种材质的 屈服值，在 235MPa 左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。 由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合， 用途最广泛。 （2）Q345 是一种钢材的材质。它是低合金钢，广泛应用于桥梁、车辆、船 舶、建筑、压力容器等。Q 代表的是这种材质的屈服，后面的 345，就是指 这种材质的屈服值，在 345 左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服 值减小。综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中 低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动荷的结 构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用 于-40℃以上寒冷地区的各种结构。 （3）30CrMo 又称 4130 此钢具有高的强度和韧性，淬透性较高，在油中临 界淬透直径 15～70mm；钢的热强度性也较好，在 500℃以下具有足够的高 温强度，但 550℃时其强度显著下降；当合金元素在下限时焊接相当好，但 接近上限时焊接性中等， 并在焊前需预热到 175℃以上； 钢的可切削性良好， 冷变形时塑性中等；热处理时在 300～350℃的范围有第一类回火脆性；有 形成白点的倾向。3013 车辆工程专业毕业设计(论文)通过以上比较既要轻量化又要达到足够的强度，从而获得性能优异的车架 我们选择 4130 材料。3.1.6、车架焊接方式的选择一般用电弧焊和氩弧焊两种方式，但是氩弧焊是最好的！氩弧焊焊接 出来的条纹漂亮，而且不易变形，比电弧焊更容易控制。4130 的焊接特性 本来就差，焊接以后有冷裂。试想想，管材才 2mm 厚左右，这么薄，用电 弧焊不小心就很容易烧穿了（当然，氩弧焊调的电流不适当时，也会烧穿， 不过，调好之后就不怕了），而且有焊渣，焊完之后又有焊碴，又要用角 磨机打磨，麻烦死啦~焊碴夹杂在焊缝那里，这已经焊接质量不好了。但相 比之下，氩弧焊没什么焊渣。建议，如果你怕强度够的话，就用打底焊， 即是氩弧焊焊完一次之后，再补多一层氩弧焊。我也不明白，买一个氩弧 焊机才 2000 元左右，氩气罐才 100 左右，因为不花多一点钱去追求更好质 量呢？综上所述我们选择氩弧焊。3.2 其他部件的三维建模3.2.1 发动机总成以及变速箱三维建模参照本田 Honda CBR600 F4i 发动机外形参数建立三维模型如下图：图 3-7 发动机总成以及变速箱三维模型3113 车辆工程专业毕业设计(论文)Fig 3-7 the 3 d model figure of the Engine assembly and gearbox3.2.2 制动总泵以及各个踏板建模参照长安之星制动总泵外形以及参数建立三维模型如下图：图 3-8 制动总泵以及各个踏板三维模型 Fig 3-8 the 3 d model figure of the Brake master cylinder and pedals3.2.3 悬架系统建模悬架设计的要求： （1） 赛车前后轮装配有可以自由工作的悬架、并有减震器； （2） 悬架在坐有车手的情况下可以分别抬起和压下 25.4mm。 根据车的总体尺寸，参照别的学校悬架设计经验设计出悬架的三维模型如 下图所示：3213 车辆工程专业毕业设计(论文)图 3-9 悬架系统三维模型 Fig 3-9 the 3 d model figure of suspension system3.2.4、制动系统的三维建模参照双轮浮动盘式制动 willwood DSP 外形参数建立三维模型。 如下图所示：3313 车辆工程专业毕业设计(论文)图 3-10 willwood dsp 三维模型 Fig 3-10 the 3 d model figure of willwood dsp3.2.5、车轮三维建模因为我们选择的是万丰 13 英寸铝合金轮辋和马牌 205/510R13 轮胎，根据 其参数建立三维模型如下图：3413 车辆工程专业毕业设计(论文)图 3-11 车轮三维模型 Fig 3-11 the 3 d model figure of vehicle wheels3.2.6、后驱动桥三维模型根据整车总体尺寸建立后驱动桥三维模型如下图所示：图 3-12 后驱动桥三维模型3513 车辆工程专业毕业设计(论文)Fig 3-12 the 3 d model figure ofrear drive axle3.2.7、转向系统的设计转向设计要求： （1） 、转向系统必须至少在两只车轮上起作用； （2） 、转向轮必须与前轮机械连接； （3） 、方向盘轮廓必须为连续闭合近圆形。 根据整车尺寸以及上述要求选择齿轮齿条式转向器建立转向系统三维模型 如下图：图 3-13 转向系统三维模型 Fig 3-13 the 3 d model figure of Steering system3.2.8、油箱三维模型的建立3613 车辆工程专业毕业设计(论文)由于比赛要求对赛车油箱没有任何要求，那就根据赛车总体尺寸以及 整车布置要求建立油箱三维模型如下图所示：图 3-14 油箱三维模型 Fig 3-14 the 3 d model figure of fuel tank3.2.9、车身的设计车身设计的要求：从车的前端到主防滚架或者防火墙的这段空间里， 除了驾驶舱必须的可口，车体上不允许有其他的开口。 根据整车尺寸以及悬架布置等设计出车身的三维模型如下图：3713 车辆工程专业毕业设计(论文)图 3-15 车身三维模型 Fig 3-15 the 3 d model figure of car body3.2.10、座椅的设计座椅设计的要求：车手座椅的最低点必须不低于车架底部管件的最低 平面，或有一条或几条可以满足侧防撞管要求的纵向管，在座位的最低点 下穿过。如下图所示：图 3-16 座椅的三维模型 Fig 3-16 the 3 d model figure of seat3.2.11、赛车的总装通过 UG 软件将建立好的车架模型、车身模型、悬架模型、车轮模型、 制动模型、发动机模型以及驱动桥模型进行总装，总装后的赛车三维模型 如下图所示：3813 车辆工程专业毕业设计(论文)图 3-17 赛车不带车身三维模型总装 Fig 3-17 the 3 d model figure of The vehicle assembly not include body图 3-18 赛车带车身总装模型 Fig 3-18 the 3 d model figure of The vehicle assembly3913 车辆工程专业毕业设计(论文)第四章 整车设计中关键问题4.1、车架强度校核4.1.1、有限元软件介绍有限元法是一种有效的数值分析方法。它是把一个连续的介质或构件 看成是由有限个单元组成的集合体，在各单元内假设具有一定理想化的位 移和应力分布模式，各单元通过节点相连接，并以此实现应力的传递，各 单元间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件来建立一套线性方程组， 求解这些方程组，便可得到各节点和各单元的位移及应力。因此各种复杂 的机械产品几乎都可以使用有限元法对其结构设计和机械性能进行分析和 评判。汽车车架是发动机、变速器等总成的承载体，承载了车辆行驶中的 各种载荷，其结构设计的强度和刚度对整车性能有着举足轻重的影响。将 有限元分析技术用于大学生 F1 方程式赛车车架结构分析，对改进其结构性 能以及整车安全是非常必要的。ANSYS 软件是有限元分析最常用的一种软 件，作者采用 ANSYS 软件对某越野车车架进行了静力载荷分析，分析结 果可以为赛车车架的结构优化提供可靠依据。 线性静力结构分析用来分析结构在给定静立载荷作用下的响应，一般 情况下关注的是结构的位移、约束力、应力及应变等参数，动力学的通用 运动方程如下所示：?? ? ? M ??u? ? ?C??u? ? ? K ??u? ? ?F (t )?（4.1）其中[M]―质量矩阵，[C] ―阻尼矩阵，[K] ―刚度矩阵，{u}―位移矢量， {F}―力矢量。 线性静立结构分析中， 所有与时间相关的选项都被忽略， 从上式可以得到以下方程式：? ? ? K ?? u ? ? F（4.2）在有限元分析中应当假设以下条件：[K]矩阵必须是连续的，相应的材 料需要满足线弹性和小变形理论，{F}矩阵为静力载荷，同时不考虑时间按4013 车辆工程专业毕业设计(论文)变化的载荷、不考虑惯性载荷的影响。 有限元分析是将实体离散化求解的原理来实现的。基本思想是把连续 的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而 将连续体看做仅在节点处连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节 点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似值函数以表示单元中场 函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一 个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题，求解得到 节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上乃至整个集合体上的长函 数。有限元分析的基本步骤如下： （1）建立求解域并将其离散化为有限单元。 （2）假设代表单元物理行为的形函数。 （3）建立单元方程。 （4）构造单元整体刚度矩阵。 （5）施加边界条件、初始条件和边界载荷。 （6）求解线性或非线性的方程组，得到节点的求解结果，得到不同节点信 息。 在有限元软件当中将以上的分析过程已经进行了模块化处理，直接进 行以上分析过程即可，有限元的建立的基本流程如下图 4-1 所示：4113 车辆工程专业毕业设计(论文)开始 直接建模 或CAD软 件导入几何建模 定义各个部件材料 划分网格 给定约束条件 给定载荷前置处理求解 显示计算 结果 满意 结束计算 后置处理图 4-1 有限元分析流程 Fig4-1 Flow chart of finite element analysis 有限元分析方法是相对于结构力学分在近代迅速发展起来的一种采用 计算机的方法。为了适应有限元分析，当今开发出了很多的有限元分析软 件。有限元软件首先是在 50 年代应用于飞机结构静、动态特性分析中，随 后该项技术被广泛的应用于电磁场、热传导、流体力学等连续性问题上， 并且其功能不断强大和完善。目前比较通用的有限元分析软件有 ANSYS、 ABAQUS、MSC、ADINA 等，这些软件都有友好的操作界面。 Workbench 是 ANSYS 公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发 过程中 CAE 软件的异构问题。 面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家 争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求，ANSYS 公司提出的观 点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境[65]。 Workbench 是 ANSYS 的一个集合框架， 它整合了 ANSYS 现有的技术， 并将仿真过程结合在一起。ANSYS Workbench 的将 ANSYS 的传统功能通 过模块化的结构来实现。想要建立一个分析，只需要先明确建立的分析是 结构分析、热分析流体分析或者动力学分析，然后将所要分析的模块从4213 车辆工程专业毕业设计(论文)Toolbox 拖动到工作区 Project schematic 建立一个模块，将要分析的过程按 照所要求的过程进行添加即可， 省去在 ANSYS 界面中繁琐的树形结构， 采 用交互式的图形界面 GUI，便于操作[65]。在本软件当中建模也很容易，草图绘制简单仿照现有 soildwork 建模方 式。ANSYS Workbench 的模型导入功能可以将目前大多数的三维软件导入 模型，可以较好的和其他三维软件实现无缝连接。而且其导入的模型具有 较好的完整性，其导入的单位采用统一的单位制。导入的模型具有接触关 系，进行简单的修改即可达到要求。 本软件的网格划分默认状态就有很好的可操作性。可以采用多域法 （MultiZone）划分网格。该功能自动搜索具有可以扫略的结构，并按照扫 略方式将几何划分成 6 面体单元。后处理具有通用性，整体可以云图显示 结果。局部可以单点显示结果。而且本软件可以自动生成报告，自动按照 设置生成相关的报告，包括生成，模型体积、密度、材料特性、接触关系、 求解设置、应力或应变等求解结果的最大值和最小值等一系列数据的显示。 此外，软件可以自动生成 ANSYS 的传统 db 文件，可以在 ANSYS 中打开， 并且各种设置均已经设置好，求解结果可以直接调用。4.1.2、有限元模型的建立在 ANSYS Workbench 中有限元分的建模一般有两种方法： （1） 从一个打开的 CAD 系统中探测并导入当前的 CAD 文件 （File―Attach to Active CAD Geometry） 。导入外部几何体（File―import external geometry file） ，几何体可以是 prt 或者 sat 文件。 （2）可以直接使用分析软件提供的建模模块，采用自顶向下或自底向上的 方法建模。 对于复杂问题， 利用 ANSYS 软件建模操作相对繁琐， 一般采用第一种 方法利用 CAD 软件（如 UG）来建模。CAD 模型是几何模型，要对它进行 动、静力学模拟仿真计算，必须将其先转换为 CAE 模型。 将三维软件建立的 CAD 模型转换为 ANSYS 分析模型。一般有两种方4313 车辆工程专业毕业设计(论文)法：一种是将 CAD 建立的三维图形保存成 iges 的通用格式，或者 ANSYS 可以识别的格式。另一种是将 Workbench 中的 designmodeler 嵌入到 CAD 系统中，实现两个软件的无缝连接。对于 UG 6.0 和 ANSYS12.0 软件，在 ANSYS 安装时需要进行无缝连接的接口设置，这样不仅能无损转换模型数 据，同时还提供了以执行部件为基础的参数化设计功能，可使工程人员在 有限元分析过程中快速准确的实现数据的导入，实现二者的无缝链接。 ANSYS Workbench 的模型导入功能可以将目前大多数的三维软件以本 身自己的格式导入模型，不需要中间的 iges 格式转换就可以较好的和其他 三维软件实现无缝连接。而且其导入的模型具有较好的完整性，其导入的 单位采用统一的单位制。4.1.3、模型的简化及建立由于本文研究的 FSAE 赛车结构比较复杂，故本文采用 UG 建立模型， 并通过 UG 和 ANSYS 的链接构建三维实体模型。 在建立有限元分析模型之 前，为了便于计算，根据模型简化的原则，在 CAD 造型时力求精确、真实 地反映结构的动、静态特性；忽略真实模型当中的小特征，包括倒圆角、 倒直角、棱角等；对 UG 模型中的小锥度、小曲率部分处理减少该结构； 忽略对整车动、静态特性影响小的零、部件结构。在本次分析中对刚度影 响不大的结构，如倒角、倒圆等进行了简化。因为这些细节对于我们分析 的问题来说没有分布在应力集中的部位而且还可能给网格划分带来困难， 使小特征和小结构件在进行有限元划分时，产生单元数过多，加大计算时 间，影响网格质量和结构的分析精度。然后将车架模型导入到 Workbench 有限元分析软件中进行分析。 同时为了避免 ANSYS 中的单位换算， UG 中建模过程中要统一使用 在 单位，按照标准单位制(mm)进行建模。在导入到 Workbench 中，导入时候 需要选择单位制，选择采用（mm kg N s）单位制。根据以上原则建立的车 架结构 CAD 模型如图 4-2 所示。4413 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-2 ANSYS Workbench 中有限元模型（1） Fig4-2 Finite element model（1） in ANSYS Workbench 将其导入到 ANSYS Workbench 中， 采用 UG 的 mm 单位制。 Geometry 在 中设置各个零件的材料参数，该车架的材料为 30CrMo(4130)，因此，给车 架的材料设置成 30CrMo。材料的主要参数为表 4-1 所示。在材料属性中依 次输入密度、弹性模量和泊松比。 表 4-1 材料参数 Tab4-1 material parameters 材料 弹性模量（pa） 泊松比 30CrMo 2.11E+11 0.279密度（kg/m3） 7.85E+034.1.4、网格划分在有限元分析中，网格划分的稠密程度直接影响到求解结果的准确性 和求解速度。因此尽可能的将有限元网格采用 6 面体结构。在本次划分网 格采用程序默认的实体单元，10 节点的 4 面体单元（solid187）和 20 节点 的六面体单元（solid186） 。为了减少计算量，在机床的大面上设置网格尺 寸稀疏，在关键部分设置的网格要细密一些，网格的尺寸可以通过 sizeing 设置。 在 Workbench 中网格的划分采用的是“分解并克服 （Divide&Conquer） ” 的策略，并且在几何体上不同部分能运用不同的网格划分方法。对于三维 几何体 Workbench 种有以下几种方法以及应用范围：4513 车辆工程专业毕业设计(论文)（1）自动划分网格法（Automatic） 。划分复杂形状，划分机床的平台，立 柱，连杆等不规则形状，划分的结果多采用四面体划分。 （2）四面体划分网格法（Tetrahedrons） 。划分采用四面体可以应用于各种 尺寸不为零的复杂形状。 （3）扫掠法（Swept Meshing） 。应用于规则形状，例如圆柱或者长方体机 构，可以划分机床简化后的丝杠，简化后的轴承，电主轴，刀具等规则形 状。 （4）多域法（Multizone）应用于规则形状，主要是具有几何体自动分解的 功能，尽可能的采用六面体划分网格。主要应用于形状简单一些，是规则 形状的组合体，可以采用此方法。 （5）六面体（Hex Dominant） ，将六面体覆盖在几何体的表面，内部采用 4 面体结构，主要应用于外部接触部分。如丝杠两头部分。 本车架采用以上方法结合的方式划分网格，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 10mm， 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为 5mm。划分后的结果如图 4-5 所示， 划分后的单元数 100756 个，节点数 198742 个。4613 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-5 有限元网格图 Fig.4-5 Finite element mesh4.1.5、车架静力学分析车架的静力学分析，主要是研究车架梁单元受到各种方向的外力时的 变形及应力情况。当机床运动速度比较低时候，惯性力可以忽略，机床所 受到的外载荷有机床刀具上的切削力，驱动关节的力矩，另外还有重力作 用和摩擦力，按照载荷的不同可以分为静载荷和动载荷。由此方面的分析 可以得到机床的刚度，机床的强度，以及机床的变形。 ANSYS Workbench 中的 Mechanical 需要施加的载荷有以下几种： （1）惯性载荷，需要材料的密度，包括重力场。 （2）结构载荷，是指作用在几何体上的力、压力或者力矩。在 Workbench 中力的作用点可以施加在点上，或者线、面上，施加的结果整体为力的值。 （3）结构支撑，是指约束限制构件在某一范围内的移动。4.1.5.1、车架静态载荷分析4713 车辆工程专业毕业设计(论文)车架所受静载荷主要来自于车架自重和负重( 包括驾驶员、发动机总 成、传动系总成和座椅等) ． 在进行载荷处理时，车架自重可通过重力场 施加在车架上，车架负重可简化为施加在支撑处的集中载荷或均布载荷。 车架静态载荷见表 4-2： 表 4-2 材料参数 Tab4-2 material parameters 质量（kg） 30 90 11 70 7载荷类型 车架自重 发动机总成 传动系总成 车手加座椅 油箱处理方式 重力场 均布载荷 均布载荷 均布载荷 均布载荷车架座舱面积为 0．64m2，故均布载荷为 Pa。发动机舱面积为 0．0.075 m2，故均布载荷为 17640Pa。传动系舱面积 0.0168m2，故均布载 荷 6416.67pa。油箱接触面积 0.0108m2,故均布载荷 6351.85pa。4.1.5.2、工况分析及边界条件处理国家标准 GB /T 1 中规定: 样车必须以一定车速在各种道 路上行驶一段里程。典型工况是高速道路、强扭转道路和一般道路及弯曲 道路上的弯曲、扭转、紧急制动和急转弯等 4 种工况。FSAE 赛车主要在路 面良好的赛车场行驶，赛道一般由弯道和直道组成。赛车在良好赛道路面 上匀速直线行驶时，为弯曲工况; 而弯道上一般会出现紧急制动和急转弯 等工况。约束条件设置得正确与否也是计算成败的关键。 本文赛车前、后 悬架均采用双横臂式独立悬架，每个独立悬架通过 4 个焊接点与车架相 连． 在分析过程中，采用约束车架和悬架连接点的位移自由度模拟整车的 实际约束状况。为简化计算，取悬架上、下摆臂的中点作为约束点，这样 只需对 8 个点施加边界条件约束。在此，只对连接点约束位移自由度，释 放全部转动自由度。悬架形式和简化连接点见图 4-6，连接点自由度约束见 表 4-3。4813 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-6 悬架形式和简化连接点 Fig4-6 Suspension type andsimplifed joints 约束位置 位移约束方向 左前悬架 x 右前悬架 yz 左后悬架 xz 右后悬架 xyz 表 4-3 连接点自由度约束 Tab．4-3 Constraint of freedomdegree on joints4.1.5.3、弯曲工况分析弯曲工况为满载车辆在水平良好路面上匀速直线行驶的状态。当计算 弯曲工况时，车架承受的静载荷需乘上一个动载因数，一般为 2． 0 ～ 2． 5，本文取 2．5。弯曲工况下的车架分析结果见图 4-7 和 4-8：4913 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-7 车架应力分析结果 Fig．4-7 Stress analysis results of the frame图 4-8 车架应变分析结果 Fig．4-8 Strain analysis results of the frame5013 车辆工程专业毕业设计(论文)结果表明： 车架结构受到的最大应力部位是各个梁单元接触的地方， 最大应力为 17.84MPa，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 环顶部钢管，其变形量为 1.0195mm，这种最大变形量远低于车架许可承载变形量其他变形较大的发 生在主环底部为 0.7mm，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，所以其变形量也是比较大的。4.1.5.4、制动工况的分析赛车在紧急制动时，车架除受各部件重力外，还受纵向惯性力作用， 同时轴荷发生转移，车架内部应力也发生变化． 本文模拟赛车以 1．4g 的 减速度制动，动载因数取 1．5，车架及其负重共 222kg，因此整车制动力 为 F=ma=222×1.4×9.8= 3045.84N （4.3） 地面制动力通过轮胎、悬架系统最终作用在车架上，视为平均作用在悬架 和车架的 8 个连接点处，即模拟整车的制动工况。制动工况下的分析结果 如下图：5113 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-9 车架应力分析结果 Fig．4-9 Stress analysis results of the frame图 4-10 车架应变分析结果 Fig．4-10 Strain analysis results of the frame5213 车辆工程专业毕业设计(论文)结果表明： 车架结构受到的最大应力部位是各个梁单元接触的地方， 最大应力为 13.345MPa，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顶部钢管， 其变形量为 0.7mm， 这种最大变形量远低于车架许可承载变形量其他变形较大的发生在主环底 部为 0.5mm，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，所以其变形量也是比较大的。4.1.5.5、转弯工况的分析离心力会导致赛车在急转弯时产生侧向载荷，所以车架应能承受侧向 载荷。赛车经常有高速过弯的情况，此时车速较高、向心加速度较大( 可 达到 0．8g 以上) ，转弯工况即模拟赛车以 0．9g 加速度左转弯，动载因 数取 1．5，此时车架所受的侧向力： F=man=222×0.9×9．8=1958N （4-4） 侧向力同样由悬架系统传递给车架，故视为平均作用在悬架和车架的 8 个 连接点处。，即模拟整车的转弯工况。转弯工况下的分析结果如下图：5313 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-11 车架应力分析结果 Fig．4-11 Stress analysis results of the frame图 4-12 车架应变分析结果 Fig．4-12 Strain analysis results of the frame 结果表明： 车架结构受到的最大应力部位是各个梁单元接触的地方， 最大应力为 13MPa，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顶部钢管，其变形量为 0.53mm，这种最大变形量远低于车架许可承载变形量其他变形较大的发生 在主环底部为 0.32mm，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，所以其变形量也是比较大的。 综上所述分析可知，无论何种工况，发动机舱底部和主环均为应力较大点。 为避免车架发生断裂，可采用具有高屈服强度的钢材料焊接发动机舱，增 加主环支撑等； 同时尽量保证车架接头过渡处圆滑，能有效降低应力集中 现象。5413 车辆工程专业毕业设计(论文)4.1.6、车架刚度分析 4.1.6.1、车架扭转刚度分析车架的扭转刚度决定车辆在扭曲路面行驶时悬架硬点的位置精度，是 影响赛车性能的重要指标之一，国外大多数参赛车队均将车架的扭转刚度 作为车架设计重点。 在分析车架的扭转刚度时，施加的约束条件为:在车架与后悬架连接点处施 加 x，y 和 z 等 3 个方向的位移约束; 在车架与前悬架左右连接点处施加 2 个方向相反的 1000N 的压力，通过仿真分析计算该硬点的作用力变形 l。 如下图所示：图 4-13 车架扭转变形示意 Fig．4-13 Torsion deformation of frame 有图可知最大变形 l 为 31.196mm。 假设悬架硬点间的距离为 L，则作用于车架的扭矩： M = FL55(4-5)13 车辆工程专业毕业设计(论文)1 mm 的强制位移对应的车架转角： 180 2 ?? arctan ? ? L 则车架扭转刚度：E? M FL? ? l? l180arctan(2 / L)由上述分析可知，l= 31.196mm，L = 327 mm，则车架扭转刚度为 638.288 N?m/( °) ． 提高车架刚度最直接的方法为加固更多的管件，但这增加 车架质量， 因此单位质量的扭转刚度显得尤为重要． 该车架的质量为 30kg， 则单位质量扭转刚度为 21.276 N? ( ° ? m/( ) kg)。 由于比赛偶然因素较多，车架扭转刚度对最终的比赛成绩影响并不著． 尽 管如此，尽可能提高单位质量下的扭转刚度仍是设计车架的目标，可采取 的措施有: ( 1) 尽可能多地使车架管件构成三角形结构．由于三角形固有的稳定性可 很好地在焊接节点间传递力，并减少车架变形； ( 2) 增大车架整体的宽度，车架截面积随之增大，可提高车架结构的抗扭 转刚度。4.1.6.2、 车架弯曲刚度分析车架的弯曲刚度指车架在承受垂直载荷时挠曲变形的程度。弯曲刚度 会影响整车轴距以及车轮定位参数，进而影响整车的操纵稳定性。将车架 视为简支梁，支点为与前、后悬架的连接点。 根据材料力学中简支梁挠度 的计算方法，可近似计算车架的弯曲刚度． 计算公式为：rf ? ?Fab(l 2 ? a 2 ? b2 ) 6 fl式中:rf 为车架的弯曲刚度; F 为垂直力; a 为力作用点到前悬架约束的距离; b 为力作用点到后悬架约束的距离; l 为前、后悬架约束的距离; f 为车架底5613 车辆工程专业毕业设计(论文)板最大挠曲变形． 约束后悬架连接点的 xyz 自由度，约束前悬架连接点的 yz 自由度，并于主环顶点施加 5000N 的垂直力车架变形图如下图：图 4-14 车架扭转变形示意 Fig．4-14 Torsion deformation of frame 弯曲刚度计算参数见表 4-4: 表 4-4 弯曲刚度计算参数 Tab． 4-4 Calculation parameters for bending rigidity F/N 5000 a/m 0.94 b/m 0.52 l/m 1.46 f/mm 1.21将表 4-4 中各参数代入计算公式，可得车架的弯曲刚度： rf=
N?m2 车架的弯曲刚度对整车性能的影响比扭转刚度要小，因此关于 FSAE 车架 弯曲刚度的数据资料较少,这里我们只能计算然后比较确定哪一个更合适。4.1.7、车架模型（二）的有限元校核5713 车辆工程专业毕业设计(论文)重复以上 4.1.2-4.1.6 的步骤，通过 ANSYE WORKBENCH 得出的应力云图 和应变云图如下：图 4-15 车架静态应变分析结果 Fig．4-15 Strain analysis results of the frame 25813 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-16 车架 2 静态应力分析结果 Fig．4-16 Stress analysis results of the frame 2图 4-17 车架 2 加动载荷应变分析结果 Fig．4-17 Strain analysis results of the frame 25913 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-18 车架 2 加动载荷应力分析结果 Fig．4-18 Stress analysis results of the frame 2图 4-19 车架 2 制动应变分析结果 Fig．4-19 Strain analysis results of the frame 26013 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-20 车架 2 制动应力分析结果 Fig．4-20 Stress analysis results of the frame 2图 4-21 车架 2 转弯应变分析结果 Fig．4-21 Strain analysis results of the frame 26113 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-22 车架 2 转弯应力分析结果 Fig．4-22 Stress analysis results of the frame 2图 4-23 车架 2 扭转刚度应变分析结果 Fig．4-21 Strain analysis results of the frame 26213 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-24 车架 2 扭转刚度应力分析结果 Fig．4-22 Stress analysis results of the frame 2图 4-25 车架 2 弯曲刚度应力分析结果 Fig．4-25 Stress analysis results of the frame 26313 车辆工程专业毕业设计(论文)通过两组车架数据比较发现第二组车架性能明显优于第一组车架，所以我 们选择第二组车架作为整车车架。4.2、动力系统计算匹配及评价4.2.1、概述汽车的动力性能，就是受发动机动力支配的行驶性能。它是汽车各大 性能中最基本，最重要的一种性能。汽车动力性能的好坏，是汽车工作效 能的标志。汽车的动力性指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵 向外力决定的，所能达到的平均行驶速度。汽车的动力性能由以下三个指 标评断： （1） 满载状态下的爬坡能力； （2） 最高车速； （3） 加速能力。 我们选择本田摩托车的 Honda CBR600 F4i 电喷发动机，引擎形式四冲 程水冷 DOHC，并列四汽缸。通过对发动机的功率、驱动力、行驶加速度、 最大车速、 0-75m 加速时间及加速位移等参数的计算， 可以了解 FSAE 赛车 整车的动力性能，为以后的设计改进提供理论基础。 性能指标： 发动机性能指标 发动机排量 未限流最高功率（kw） 最高转速（r/min） 缸径 x 冲程（mm） 压缩比 最高马力64发动机参数 599cc 80 .5 12.0:1 110ps/12500rpm13 车辆工程专业毕业设计(论文)最大扭力 限流后最大功率6.3kg.m/10500rpm 44.1kw/9000r/min表 4-4 发动机主要性能指标 Tab4.4 Engine performance metrics 通过上网搜索以及参考其他兄弟院校得出 CBR600F4I 发动机外特性试验数 据 N 3000 （ r/mi n） Pe 11.3 （kw） 00 00 .717.523.730.336.441.144.1表 4-5 发动机外特性试验数据 Tab4.5 the date of engine full-load characteristic 以上发动机转速与对应的功率是根据原有外特性曲线，在考虑了比赛要求 需要加装 20mm 的限流阀的情况下估计得到的，与实际可能存在较大的出 入，因为计算之时发动机未购得且未进行改装，所以无法得到确切的数据， 但该数据仍然有较高的参考价值。传动系统的匹配需要参考该数据。 通过各个重要总成选型以及整车三维建模可以大致得出以下数据整车整备 质量、满载质量、迎风面积、轮胎型号等参数； 再通过参考《汽车动力系统计算匹配及评价》可以得出空气阻力、滚动阻 力等参数。 车型参数 整车整备质量(kg) 满载质量(kg) 迎风面积(m2) 轮胎型号 轮胎滚动半径(Rk) m 空气阻力系数 滚动阻力系数 内部减速器传动比 链传动传动比65赛车 300 360 1 223/533R14 0. 0.014 1.822 3.513 车辆工程专业毕业设计(论文)一档速比 二档速比 三档速比 四档传动比 五档传动比 六档传动比 表 4-6 车型主要参数表2.833 2.062 1.647 1.421 1.272 1.173Tab4.6 Main parameter table of the model4.2.2、汽车动力性能计算 4.2.2.1、动力性计算相关公式（1）驱动力计算公式 Ft=Ttq×iq×io×η t/r 式中： Ttq――发动机转矩（Nm） g ――变速器传动比； ；i io ――主减速器传动比；η t ――传动效率；r ――滚动半径(m)； （2）汽车行驶速度公式（在驱动轮不打滑的情况下） ua=0.377r×n/ ig/ io 式中：ua ――汽车行驶速度（km/h） ；n （3）滚动阻力系数公式 f=0.014×（1+ ua2/19440） 式中： f ――滚动阻力系数； Fw=Cd×A×ua2/21.15 式中：Fw ――空气阻力；A ――迎风面积； 数； （5）动力因数 D=（Ft－Fw）/G 式中：D ――动力因数；66――发动机转速（r/min） ；（4） 空气阻力公式 Cd ――空气阻力系13 车辆工程专业毕业设计(论文)（6）滚动阻力公式 Ff＝Gf 式中：G ――整备质量或满载质量； （7）加速度计算未考虑汽车旋转质量换算系数4.2.2.2、计算过程及结果（利用 matlab 软件对附件程序进行运 算得出结论）(1)拟合得到的外特性曲线图图 4-26 外特性曲线图 Fig 4-26 the graph of engine full-load characteristic 上发动机转速与对应的功率是根据原有外特性曲线，从图中可以看出随主 发动机的转速增加，发动机发出的功率和转矩都在增加，最大转矩 Ttqmax=49.8N.m 时的发动机转速为 ntq=7000r/min；再增加发动机转速时 Ttq 有 所 下 降 ， 但 功 率 继 续 增 加 一 直 到 Pemax=44.1kw ， 此 时 发 动 机 转 速 为 np=9000r/min；继续增加发动机转速功率下降。 在考虑比赛要求下需要加装 20mm 的限流阀的情况下估计得到的，与实际可6713 车辆工程专业毕业设计(论文)能存在较大的出入，因为计算之时发动机未购得且未进行改装，所以无法 得到确切的数据，但该该数据仍然有较高的参考价值。 (2)驱动力图如下所示：图 4-27 驱动力图 Fig 4-27 the force diagram 由图可知不同档位，不同车速下的汽车驱动力大小。 （3）下图为驱动力-行驶阻力平衡图，从图中可以得到 FSAE 赛车的最高车 速 Vmax 为 162.1326km/h。而比赛之中速度一般不会超过 100km/h，所以最 高车速对于该赛车的设计而言不是特别有参考价值。6813 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-28 Fig 4-28汽车驱动力-行驶阻力平衡图the balance of driving force -running resistance（4） 考虑坡道阻力的驱动力―行驶阻力曲线， 计算得到最大爬坡度 imax = 16.7°,但由于比赛赛道并无多少坡度，所以实际上没必要考虑这 个参数。6913 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-29 汽车驱动力-行驶阻力平衡图 Fig 4-29 the balance of driving force -running resistance （5） 功率平衡图：从该图中也可以最高车速7013 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-30 汽车功率平衡图 Fig 4-30 （6）加速度曲线： 从该图中可以明显得看到，在一档时赛车的最高加速度达到将近 6m/s2，比 较符合本赛车需要的高加速度要求 the balance of Motor power图 4-31 行驶加速度曲线 Fig 4-31 Driving acceleration curve由图可以看出，高档时的加速度要小些，Ⅰ档的加速度最大。 （7）动力因数图： 该图中可以看到赛车的动力性比较大，具有较高的加速性。通过计算可以 得到最大爬坡度 imax，此赛车虽在实际中无需考虑爬坡性能，但计算得到 的结果可作为赛车动力性的一个参考数据。7113 车辆工程专业毕业设计(论文)4-32 动力特性图 Fig 4-32 Dynamic characteristics （8）原地起步加速时间计算： 经过计算，赛车的 0-100km/h 的时间为 16.52S，而行驶的距离为 291.8m。 与一般的汽车相比无较大的优势。但可以从图中明显看到，赛车在起步阶 段加速度优势明显。百米加速仅为 5s。7213 车辆工程专业毕业设计(论文)图 4-32 原地起步加速曲线 Fig 4-32 standing starting acceleration curve4.2.2.3、本章结论通过以上分析该车的动力性完全满足赛事要求，虽然有很多数据都是基于 理想数据但是根据这些数据计算出的结果仍然有很重要的参考价值。7313 车辆工程专业毕业设计(论文)第五章5.2、 主要研究内容及结论结论通过近半年的 FSAE 毕业设计中的工作， 这包括在网上同其他学校 FSAE 车队的交流学习，以及对赛车动力学和赛车设计的资料的整理总结，来研 究设计优秀赛车的基本设计思路，分析赛车为取得优异比赛成绩所需要的 主要性能。并在阐明赛车的基本设计思路和所需主要性能的基础上，分析 赛车的各种性能特点以及为获得这些性能特点所采用的各种有别于普通车 辆的结构和零部件。然后通过对底盘总布置的设计计算，合理选用各总成， 合理装配布置，保证底盘各总成运动协调，操纵轻便，使底盘各总成更加 高效合理可靠的工作，同时对设计出的赛车进行了动力性计算来评价这款 车的性能如何。同时设计出多款车架并进行强度和刚度分析，从而选出性 能优异的车架应用于 FSAE 赛车中。 本论文主要实现以下结果： (1) 通过对比赛成绩及相关资料的分析总结，根据当前国内各个学校在 FSAE 项目中的研究成果， 为我校建立自己的赛车团队提供了很多有用资料； (2)通过各种现有软件的应用，分析计算出更加合理的 FSAE 整车参数，为 今后使用 ADAMS／Car 等整车性能仿真软件对 FSAE 赛车性能的研究以及设 计出我校第一辆 FSAE 赛车奠定了基础。 (3)通过对 FSAE 赛车车架的强度和刚度分析，基本确定了适合 FSAE 赛车的 车架结构。初步研究了车架对整车的安全性，以及其他性能的影响。5.2、存在的不足及今后的工作方向因为做这个毕业设计之时， 我校并没有开始建立自己的 FSAE 赛车团队， 所以很多整车参数以及主要总成的参数，只能通过各种资料来总结，所以 很多参数可能存在一定的误差，对整车的设计肯定存在一定的影响。设计 工作肯定离不开实验，所以以后做汽车设计之时一定要结合各种实验参数，7413 车辆工程专业毕业设计(论文)从而来设计出一款完美的车。同时比较毕业设计只有不到半年时间，这对 于做出一辆整车来，时间远远是不够的。所以这次毕业设计存在太多问题， 但也让我获得很多宝贵的经验，这对我以后工作肯定是有很大帮助的。7513 车辆工程专业毕业设计(论文)参考文献【1】2012 Formula SAE Rules[S], SAE Inc, 2011.10 【2】王望予，汽车设计第四版[M]，北京：机械工业出版社，2012 【3】陈家瑞，汽车构造第五版[M]，北京，人民交通出版社，2009 【4】于志生，汽车理论第五版[M]，北京，机械工业出版社，2012 【5】居小凡，Formula SAE 赛车的设计制造及测试[D]，上海交通大学，2009 【6】浦广益，ANSYS Workbench 12 基础教程[M]，中国水利水电出版社 【7】彭莫 刁增祥，汽车动力系统计算匹配及评价[M]，北京理工大学出版社 【8】柴天，FSAE 赛车整车性能分析与研究[D]，湖南大学，2009 【9】齐鹏，崔宏耀，王强, 基于ＵＧ与ＡＮＳＹＳ的节油赛车车架结构分析[N], 黑 龙江工程学院学报,2012 【10】于国飞，黄红武，吴俊辉，基于有限元的 FSAE 赛车车架的强度及刚度计算与 分析[N]， 厦门理工学院学报 ， 2009【11】 Charles Hugh Ping, Shift-time Limited Acceleration: Final Drive Ratios in Formula SAE[F], SAE Technical Paper Series 4, 2004.1 【12】 L.Y Chan, M. 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