車架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、PROE三維】

車架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、PROE三維】,含CAD圖紙、PROE三維,車架,轉(zhuǎn)向,系統(tǒng),設(shè)計(jì),CAD,圖紙,PROE,三維 摘要 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 一種燃油節(jié)能車設(shè)計(jì)（車架和轉(zhuǎn) 　　　　　　　　 向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)） 學(xué)生姓名 5 目錄 2 目 錄 摘要 III Abstract IV 1 緒 論 1 1.1引言 1 1.2.1 汽車節(jié)能的重要意義 1 1.2.2 汽車節(jié)能途徑 2 1.3 選題的背景 2 1.4 Honda節(jié)能競(jìng)技大賽的宗旨 2 1.4.1 節(jié)能減排 2 1.4.2 挑戰(zhàn)與創(chuàng)造 3 1.4.3 人人參與 3 1.5 論文的主要內(nèi)容 3 2 節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 4 2.1賽車總體布局的確定 4 2.1.1前后都采用兩輪的汽車型 4 2.1.2常規(guī)布局形式的三輪車 4 2.1.3前兩輪后一輪的普遍節(jié)能賽車型 5 2.2車架的設(shè)計(jì) 5 2.2.1設(shè)計(jì)背景 5 2.2.2比賽行駛工況分析 5 2.2.3車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 6 2.2.4車架類型的選擇 7 2.2.5車架材料的選用 8 2.2.6車架外廓尺寸的確定 8 2.2.7車架縱、橫梁截面形狀的確定 9 2.2.8關(guān)于車架附件 12 2.2.9車架的幾何模型 12 2.3車架有限元分析 13 2.3.1ANSYS介紹 13 2.3.2建立有限元模型 13 2.3.3車架材料的選擇和網(wǎng)格劃分 15 2.3.4載荷及約束處理 15 2.3.5結(jié)構(gòu)分析計(jì)算 16 2.3.6模態(tài)分析 17 3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 21 3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的定義及作用 21 3.2節(jié)能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案確定 21 3.3節(jié)能車轉(zhuǎn)向總成的分析和計(jì)算 22 3.4節(jié)能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件的計(jì)算與校核 24 3.5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案總結(jié) 25 4論文總結(jié) 27 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 第1章 緒論 1 一種燃油節(jié)能車設(shè)計(jì)（車架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)） 摘 要 隨著近年來能源的短缺，全球能源的危機(jī)，全球越來越重視對(duì)能源的利用和對(duì)新能源的開發(fā)，綠色環(huán)保已深入人們的生活之中，石油儲(chǔ)備已越來越受到各國(guó)的重視。2007年日本本田公司將HONDA節(jié)能競(jìng)技大賽帶到中國(guó)，至今已經(jīng)連續(xù)舉辦了6屆。本論文以2012年第六屆HONDA中國(guó)節(jié)能車競(jìng)技大賽為設(shè)計(jì)背景，對(duì)整車進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。 圍繞“挑戰(zhàn)一升，環(huán)保一升”的大賽主題，目的在于開發(fā)大家的創(chuàng)新能力，將創(chuàng)新與實(shí)踐結(jié)合起來，通過理論驗(yàn)證，認(rèn)真研究大賽規(guī)則，在滿足大賽規(guī)則的條件下，降低賽車的整備質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)性。利用Pro/E三維軟件對(duì)車架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行建模，利用ANSYS有限元軟件分析車架的受力情況，達(dá)到車架最優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)最理想的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。本文確定了賽車的車架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于今后節(jié)能賽車的設(shè)計(jì)制造有一定參考意義。 關(guān)鍵詞：節(jié)能車；車架；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；三維建模；有限元軟件分析 The Design of a Fuel-efficient Car (Design of the Frame and Steering System) Abstract With the energy shortages in recent years and the global energy crisis, the world's increasing emphasis on the use of energy and the development of new energy sources, green has deepened people's lives, the oil reserves have been got more and more national attention.2007 Honda brought energy-saving Cyber Games to China, it has been held for six sessions. This thesis is designed under the background of 2012 sixth Honda fuel-efficient cars Games, and designed and optimized the vehicle . Around the "challenge one liter, environmental protection a rose" of the contest theme, aimed at the development of the ability to innovate, the combination of innovation and practice, verified by theory, seriously study the competition rules, under the conditions that meet the contest rules, reducing the whole preparation of the racing quality, improve the fuel economy. Frame and steering systems, the use of Pro/E 3D software modeling, using ANSYS finite element software to analyze the force of the frame to frame optimized design, design ideal steering mechanism. This article determines the frame of the car and steering system design, has a certain reference significance for the future design and manufacture of fuel-efficient car. Keywords: fuel-efficient cars; frame; steering system; 3D modeling; finite element software analysis 第1章 緒論 1 緒 論 1.1引言 能源是人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。在某種意義上講，人類社會(huì)的快速發(fā)展離開不了對(duì)優(yōu)質(zhì)能源及先進(jìn)能源技術(shù)的使用。在當(dāng)今世界，能源的發(fā)展利用是全世界人民共同關(guān)心的問題，也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要突破點(diǎn)。能源是整個(gè)世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的最基本的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。自工業(yè)革命以來，能源安全問題就開始出現(xiàn)。在全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，能源安全問題已上升到了國(guó)家的高度，幾乎各個(gè)國(guó)家都制定了以能源安全為核心的相關(guān)政策。在之前的二十多年里，在穩(wěn)定能源供應(yīng)的情況下，世界經(jīng)濟(jì)取得了極大增長(zhǎng)。然而，人類在享受能源帶來的科技、進(jìn)步經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時(shí)，也遇到一系列無法避免的能源安全問題。能源短缺、能源爭(zhēng)奪及對(duì)能源的過度使用帶來的環(huán)境污染等問題威脅著我們?nèi)祟惖纳媾c發(fā)展。 1.2 中國(guó)的能源狀況 目前，中國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家。擺脫貧困，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，仍是中國(guó)政府在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的主要任務(wù)。自從20世紀(jì)70年代末以來，中國(guó)作為發(fā)展最快的發(fā)展中國(guó)家，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展上取得了輝煌成就，為世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和繁榮昌盛做出了極大貢獻(xiàn)。 目前，中國(guó)是世界上最大能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)之一。能源消費(fèi)與供應(yīng)在持續(xù)增長(zhǎng)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了重要保障，為世界能源市場(chǎng)創(chuàng)造了廣闊的前景。中國(guó)能源市場(chǎng)已經(jīng)成為了世界能源市場(chǎng)不可或缺的重要組成部分，對(duì)維護(hù)全球能源安全，正在發(fā)揮著越來越重要的作用。 中國(guó)政府以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)方針，加快現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，堅(jiān)持保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的基本國(guó)策，把建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)放在工業(yè)化以及現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的重要位置，努力增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力，建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，繼續(xù)為世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。 1.2.1 汽車節(jié)能的重要意義 25%二氧化碳的排放量來自于汽車尾氣排放，因此，對(duì)汽車節(jié)能減排進(jìn)行研究對(duì)整個(gè)社會(huì)的節(jié)能減排和碳排放量有著重要的意義。當(dāng)今社會(huì)，汽車企業(yè)和能源企業(yè)，在節(jié)能減排上應(yīng)承擔(dān)更多的社會(huì)責(zé)任和企業(yè)責(zé)任。不僅僅是在生產(chǎn)汽車這方面，還應(yīng)包括長(zhǎng)期滿足對(duì)社會(huì)清潔柴油、汽油的供應(yīng)，這同樣是節(jié)能減排的重要任務(wù)。今后20年到30年主要還是傳統(tǒng)汽車，所以依靠技術(shù)進(jìn)步把發(fā)動(dòng)機(jī)水平提高上去意義非常重大。 另外一方面就是我們要提供更多的清潔能源。我們不時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)柴油加油排隊(duì)現(xiàn)象。應(yīng)該說我們國(guó)家從設(shè)備能力上可以滿足現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，包括汽車用油的市場(chǎng)。短期出現(xiàn)的柴油緊張有臨時(shí)性因素。應(yīng)該說這方面是臨時(shí)性的，另外一個(gè)問題是價(jià)格問題，要發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制的激勵(lì)作用。 1.2.2 汽車節(jié)能途徑 （1）輕量化 目前，在中國(guó)車型中，結(jié)構(gòu)偏大、偏重十分明顯，如果今后不加以控制，這必然導(dǎo)致燃油消耗量的大幅增長(zhǎng)。因此推動(dòng)汽車小型化、輕量化對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)有重要的意義。隨著我國(guó)汽車工業(yè)持續(xù)不斷的發(fā)展，車越來越重的問題越來越突出，汽車輕量化的意義在汽車行業(yè)來說仍是一個(gè)值得學(xué)者們研究探討的主題。剛才也講到，輕量化的問題很復(fù)雜，涉及到設(shè)計(jì)、材料、制造方方面面。 （2）高效化 運(yùn)用一些新的技術(shù)降低燃油消耗量，將能量最大化利用，例如：廢棄再循環(huán)、柴油機(jī)的高壓共軌、增壓中冷技術(shù)、微粒過濾器、采用代用燃料。 1.3 選題的背景 Honda中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽，一項(xiàng)能夠讓所有參賽者挑戰(zhàn)并放飛夢(mèng)想的舞臺(tái)。所有參賽的車輛在規(guī)定的時(shí)間、規(guī)定的路程下完成比賽，最終換算出一升油的距離。挑戰(zhàn)一升，環(huán)保一升，Honda在中國(guó)不遺余力地創(chuàng)造并服務(wù)低碳社會(huì)，保護(hù)有限的地球資源。Honda節(jié)能競(jìng)技大賽，一個(gè)有著廣泛參與者的節(jié)能競(jìng)技大賽，來到中國(guó)已經(jīng)有六個(gè)年了，大賽帶來的影響力與日俱增。大賽號(hào)召參賽者使用Honda125cc低油耗的摩托車4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，由參賽者自己動(dòng)手設(shè)計(jì)制作節(jié)能賽車。2012年11月11日，125輛代表著對(duì)綠色環(huán)保夢(mèng)想不斷追求的節(jié)能競(jìng)技車云集廣東肇慶國(guó)際賽車場(chǎng)，共同參加“2012年第六屆Honda中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽”決賽，以實(shí)際行動(dòng)向人們展示了Honda“挑戰(zhàn)一升 環(huán)保一生”的理念，最終吉林大學(xué)的肯賽車隊(duì)以每升油行駛1042.303公里的成績(jī)奪得了大學(xué)、?？平M別冠軍，金陵科技學(xué)院學(xué)院未來車隊(duì)此次連續(xù)第三年參加，較前兩年取得一定的進(jìn)步，該論文在此基礎(chǔ)上對(duì)節(jié)能車的車架與轉(zhuǎn)向方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1.4 Honda節(jié)能競(jìng)技大賽的宗旨 1.4.1 節(jié)能減排 節(jié)能大賽是一項(xiàng)以注重能源，創(chuàng)造節(jié)約型社會(huì)為主體的活動(dòng)，希望所有參賽 者能夠共享這種對(duì)地球環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)精神。現(xiàn)在的中國(guó)正面臨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)的同時(shí)，能源問題、環(huán)境問題變成我們迫切需要解決的課題。自1958年以來，擁有超前環(huán)保意識(shí)的Honda就開始思索起了環(huán)保課題，并著手開發(fā)生產(chǎn)了更環(huán)保節(jié)能的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。1981年，Honda在日本舉行了首屆節(jié)能競(jìng)技大賽，至今已有30屆的歷史。在節(jié)能競(jìng)技大賽中，選手們最大程度地開拓思路，利用能源，創(chuàng)造全新的節(jié)能低碳生活，向人們展示他們的智慧與環(huán)保理念。 1.4.2 挑戰(zhàn)與創(chuàng)造 超越家人、朋友、年齡、輩份和地域帶來的各種限制，Honda希望有更多的人們來參加比賽，在競(jìng)技中互相交流，盡情享受創(chuàng)意與驚奇的樂趣。面對(duì)環(huán)保的挑戰(zhàn)，Honda不斷自我超越，從50年前，Honda研發(fā)出輕便、節(jié)能的Super club引擎開始，從不間歇、挑戰(zhàn)極限，在上世紀(jì)八十年代，成功地將1升汽油的行駛距離從105公里提升至180公里。而節(jié)能競(jìng)技大賽于2001年更是創(chuàng)造了3435公里/升的記錄，這是用嶄新的創(chuàng)意和新技術(shù)所積累的成果，是不斷挑戰(zhàn)的結(jié)果。節(jié)能競(jìng)技大賽正是提供給大家一個(gè)共同來實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想和挑戰(zhàn)的舞臺(tái)。 1.4.3 人人參與 簡(jiǎn)單的競(jìng)技規(guī)則，為每個(gè)人提供了一個(gè)參賽的機(jī)會(huì)。通過體驗(yàn)比賽過程，培養(yǎng)人們豐富的創(chuàng)意和動(dòng)手能力，體驗(yàn)學(xué)習(xí)和創(chuàng)造帶來的樂趣。如何保護(hù)我們賴以生存的地球，是目前急需解決的問題，需要社會(huì)每一成員貢獻(xiàn)力量，而這恰好契合了節(jié)能競(jìng)技大賽創(chuàng)始人本田宗一郎先生的初衷，讓每一個(gè)普通人都能參與到環(huán)保事業(yè)中。在日本，超越職業(yè)、地域、年齡各種限制，每年都有來自學(xué)校、企業(yè)以及來自社會(huì)上共約100多支代表隊(duì)參賽。在提高節(jié)能環(huán)保意識(shí)的同時(shí)，更能培養(yǎng)動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。 1.5 論文的主要內(nèi)容 （1）根據(jù)已有數(shù)據(jù)對(duì)節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行三維建模。 （2） 基于ANSYS對(duì)節(jié)能車車架進(jìn)行有限元分析，確定車架強(qiáng)度、剛度。主要研究節(jié)能車滿載彎扭工況，滿載情況下的車架變形量。 （3）對(duì)節(jié)能車轉(zhuǎn)向裝置各轉(zhuǎn)項(xiàng)系數(shù)的計(jì)算。 第2章 節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 5 2 節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 2.1賽車總體布局的確定 在節(jié)能型三輪汽車總體布局的確定中應(yīng)該充分考慮到節(jié)能型三輪汽車制作的簡(jiǎn)易性、行駛穩(wěn)定性和行駛阻力的大小。根據(jù)大賽規(guī)則，參賽車輛必須有3個(gè)及以上的輪子，要求其車輪布置結(jié)構(gòu)必須滿足比賽要求，即參賽車輛在停止或行駛過程中都能自行站立，下面為幾種車輪布置方案。 2.1.1前后都采用兩輪的汽車型 這種布局形式就象平時(shí)看到的汽車，如圖2.1所示。它的優(yōu)點(diǎn)是其行駛過程中有較好的平穩(wěn)性。但是在以節(jié)能為目的的比賽中，此種車輪布置方案的缺點(diǎn)也有較多。首先，行駛阻力大，其次，消耗的燃油也多，最后，其制造也困難，并且加重了節(jié)能車的整備質(zhì)量。由于比賽的設(shè)計(jì)要求，我們?cè)跐M足比賽規(guī)則的前提下，應(yīng)該選擇最合適節(jié)能的布置方案，因此在這個(gè)大賽里面我們放棄此方案。 圖2.1 布局為前兩輪后兩輪的節(jié)能車 圖2.2 布局為前一輪后兩輪的節(jié)能車 2.1.2常規(guī)布局形式的三輪車 如圖2.2所示的前一輪后兩輪的布局形式是我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷米疃嗟?，也是最普遍的三輪車。這種車的優(yōu)點(diǎn)是減輕了整車整備質(zhì)量，而且制造方便，節(jié)省材料。但這種車的行駛穩(wěn)定性不好，尤其是轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)定性，在車速較快時(shí)轉(zhuǎn)向容易翻車，這將大大降低節(jié)能型三輪汽車的行駛安全性。在制作過程中，這種方案假如采用后輪驅(qū)動(dòng)的話，可能需要增加差速器，增加制作困難；假如采用前輪驅(qū)動(dòng)的話，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求很高，很難制作。由于考慮到節(jié)能競(jìng)技大賽必須由一名車手駕駛來進(jìn)行比賽，而且比賽規(guī)則中對(duì)行駛速度有明確要求(平均時(shí)速不得低于25km/h)，高速可以達(dá)到40km/h，由于速度還是很快的，所以放棄該方案。 2.1.3前兩輪后一輪的普遍節(jié)能賽車型 如圖2.3所示的前兩輪后一輪布局形式在以往的節(jié)能競(jìng)技大賽中有著較廣泛的應(yīng)用。此種車輪布置方案能夠保證較小的行駛阻力的同時(shí)，也能夠很好地保證賽車行駛的穩(wěn)定性，確保節(jié)能車在比賽過程中的安全性。另外由于此種車輪布置方案中驅(qū)動(dòng)輪為后一輪，省去了驅(qū)動(dòng)半軸和差速器等機(jī)構(gòu)，從而降低了動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，減輕了節(jié)能車裝配質(zhì)量。該車輪布置方案符合大賽性質(zhì)，因此本次所設(shè)計(jì)節(jié)能車車輪總體布置方案采用該布局形式。 圖2.3 布局為前兩輪后一輪的節(jié)能車 2.2車架的設(shè)計(jì) 2.2.1設(shè)計(jì)背景 此節(jié)能車完全是為了節(jié)能競(jìng)技大賽而設(shè)計(jì)的，并不需要滿足人們?nèi)粘Ｊ褂眯枨?，?jié)能競(jìng)技大賽特殊的使用背景決定了該節(jié)能車車架的設(shè)計(jì)要求與普通汽車車架的設(shè)計(jì)要求有著很大區(qū)別。 （1）比賽在廣東肇慶國(guó)際賽車場(chǎng)中進(jìn)行，賽道平整，不會(huì)出現(xiàn)明顯的顛簸情況。 （2） 該節(jié)能競(jìng)技大賽并非是比速度的比賽，整個(gè)比賽過程中節(jié)能車平均行駛速度為25km/h，大部分行駛過程中是在平穩(wěn)的前進(jìn)，行駛過程中不會(huì)出現(xiàn)高速過彎、急剎車等極限行駛工況。 （3）該節(jié)能車車只在練習(xí)和正式比賽的短時(shí)間內(nèi)使用，所以不需要考慮車架的使用壽命，對(duì)車架的疲勞強(qiáng)度要求也不高。 （4）由于整個(gè)比賽過程中時(shí)間較短（26分鐘內(nèi)），對(duì)車輛的舒適性要求低，普通汽車設(shè)計(jì)中頻率優(yōu)化等設(shè)計(jì)要求都不是該節(jié)能車的設(shè)計(jì)指標(biāo)。 （5）由于有專門駕駛該車的車手，所以只需為其量身打造，并盡可能的減縮車架材料。 2.2.2比賽行駛工況分析 車輛的工作狀況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的影響很大，對(duì)比賽工況的了解，將有助于合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)。大賽提供的是本田的Honda125cc四沖程單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，由參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)制作一輛節(jié)能車。規(guī)定除發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、汽缸蓋外，其他部件均可以自由改進(jìn)、車輛有相應(yīng)的尺寸限制要求且不少于3個(gè)車輪。要求車輛以平均車速不低于25km/h完成大約10km的賽程，再按下式算出油耗量，以各隊(duì)的油耗量計(jì)成績(jī)。其計(jì)算公式為： 式中：W -----油耗量(Km/L) S -----行駛距離(Km) m -----消耗的燃油的質(zhì)量(Kg) -----燃油的密度(Kg/L) 所以參賽隊(duì)伍在完成10km路程的情況下，消耗的燃油的質(zhì)量越少，其比賽成績(jī)?cè)礁?，其設(shè)計(jì)的節(jié)能賽車節(jié)能效果最優(yōu)。 2.2.3車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 汽車車架是用來裝配和承載汽車基體，它起到著支撐、連接汽車各總成零部件的作用，此外，汽車車架還承受著來自車內(nèi)外的各種載荷。由于該節(jié)能型三輪汽車是為參加本田杯節(jié)能大賽而特別研制的，車架本身的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車架有著明顯的區(qū)別：車架本身就是車身骨架，要支撐賽車上的所有部件，比如要容納駕駛員、放置發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池和駕駛員乘椅等；還要固定車身；車輪要直接安裝在車架上；此外，節(jié)能型三輪汽車的轉(zhuǎn)向手柄和剎車也直接安裝在車架上。這些特點(diǎn)都表明了該車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性。所以，節(jié)能車輕量化在節(jié)能大賽中就顯得極為重要。在保證節(jié)能車一定的剛度、強(qiáng)度前提下，就必須盡可能減輕其整車裝配質(zhì)量。 節(jié)能型三輪汽車是根據(jù)由本田公司提供的五羊本田125cc發(fā)動(dòng)機(jī)而研制的，參賽的宗旨是節(jié)能，所以在設(shè)計(jì)其車架時(shí)，必須使其滿足以下設(shè)計(jì)要求： （1）具有足夠的剛度、強(qiáng)度，保證節(jié)能車在比賽期間的任何工況下，車架的零部件都不會(huì)被破壞。 （2）具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度、抗彎剛度，比賽過程中，車架的最大彎曲擾度應(yīng)小于10mm，防止車架上的其他裝置因車架變形過大而失去正常工作能力。 （3）車架盡可能輕量化，在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，車架的自身質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以減小整車整備質(zhì)量。 該節(jié)能車只在賽前練習(xí)和正式比賽的短時(shí)間內(nèi)使用，不需要考慮車架的使用壽命，對(duì)車架的疲勞強(qiáng)度的要求不高；行駛路況良好，不會(huì)出現(xiàn)明顯的顛簸，不會(huì)出現(xiàn)急剎車、急加速、高速過彎等極限工況。 綜合考慮以上因素，該車架設(shè)計(jì)時(shí)主要從滿載彎扭工況出發(fā)，要求車架的最大彎扭撓度小于10mm，并且滿足材料的強(qiáng)度要求。 2.2.4車架類型的選擇 車架按其總體結(jié)構(gòu)形式可分為框架式、脊梁式和綜合式三種。 框架式車架如圖2.4所示又可分為周邊式和邊梁式兩種。邊梁式車架是由兩根縱梁和連接縱梁的若干根橫梁組成，當(dāng)其承受扭矩時(shí)，縱橫粱各部分同時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲。其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝車身和布置其它總成，靈活性大。而周邊式車架中部縱梁變寬，前后兩端縱梁變窄，由于周邊式車架是一種類似曲柄式的結(jié)構(gòu)，它容許緩沖臂有一定的彈性變形，因而該種車架在緩和路面的不平?jīng)_擊方面較好。但其結(jié)構(gòu)所用材料較多、結(jié)構(gòu)比邊梁式復(fù)雜，且成本較高。 　　圖2.4框架式車架 圖2.5脊梁式車架 脊梁式車架如圖2.5所示，該種車架主要由一根通過車架中央的封閉斷面的管形脊梁和若干根懸伸托架構(gòu)成，它的抗扭剛度大。使用此結(jié)構(gòu)的汽車有較好的通過性，但車架制造工藝復(fù)雜，維修不便。 綜合式車架是綜合框架式車架和脊梁式車架兩種形式而成。車架的前、后部均近似邊梁式結(jié)構(gòu)，而中部采用脊梁式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)地板高度較低，中部抗扭剛度較大，但在地板中部往往形成大鼓包形狀，影響乘員乘座舒適性，加之車架加工工藝復(fù)雜，所以該種車架應(yīng)用不廣。 由于該節(jié)能車承受的載荷較小，路面的行駛狀況良好，因此節(jié)能車車架采用框架邊梁式整體結(jié)構(gòu)。由于車架內(nèi)部要有一定的容積來供車手乘坐，放置發(fā)動(dòng)機(jī)，而采用框架式結(jié)構(gòu)可以節(jié)約間，因而采用框架式車架。在承受扭矩時(shí)，縱梁和橫梁同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，避免了應(yīng)力的集中。 通過對(duì)比框架式車架兩種形式的上浮式車架和下浮式車架，如下圖2.6和圖2.7所示，相同材料，相同截面尺寸的上浮式和下沉式車架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度比較好，且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，質(zhì)量更輕。最終采用下浮式車架，這種車架構(gòu)造是在焊接較為強(qiáng)韌的梯形車架基礎(chǔ)上裝上輕量的整體車身。這種車架不僅可以緩和行駛時(shí)路面對(duì)車架的強(qiáng)烈沖擊，還保方便車手對(duì)賽車的輕便操控。此外，這種車架在滿足剛度、強(qiáng)度的條件下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，因此我們決定采用下浮式車架。 　　　　　 　圖2.6上浮式車架　　　　　　　　 圖2.7 下浮式車架 2.2.5車架材料的選用 節(jié)能車的車架材料選用需要考慮節(jié)能車的強(qiáng)度剛度要求、制作方案的方便可行性以及制作成本等多項(xiàng)因素。主要有以下三種材料可供選擇： （1）槽鋼。槽鋼的截面為凹槽性，強(qiáng)度大，抗扭能力較強(qiáng)，負(fù)載性好，且槽鋼成本低，焊接較為方便，是制作車架可選用的最成熟的材料。用槽鋼制作的車架能滿足節(jié)能車剛度要求，制作出來的車架穩(wěn)定、牢固，能夠保證賽車的安全性，我們節(jié)能車隊(duì)10年第一次參加節(jié)能大賽車架材料選用的就是槽鋼。但是用槽鋼制作出來的車架的質(zhì)量較大，對(duì)于以節(jié)能為主題的節(jié)能大賽來說節(jié)能效果不佳。 （2）鋁合金。鋁合金對(duì)于車架來說是比較新興的材料，最突出的優(yōu)點(diǎn)就是制作出來的車架輕便。鋁合金已經(jīng)在某些高檔車領(lǐng)域和賽車得到應(yīng)用，其焊接、強(qiáng)度等要求已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)在的賽車車架制作要求。但是鋁合金價(jià)格較為昂貴，焊接技術(shù)復(fù)雜，我們車隊(duì)又沒有專門的焊機(jī)，焊接一個(gè)鋁合金車架成本較大。 （3）不銹鋼。不銹鋼是現(xiàn)在各項(xiàng)賽車比賽中運(yùn)用很廣泛的材料，不銹鋼相對(duì)于槽鋼來說質(zhì)量更輕，強(qiáng)度等性能變化也不大，而且不銹鋼的抗腐蝕性好，有利于比賽過程中一些裸露的賽車車架使用。用不銹鋼制作出來的車架能夠減輕賽車質(zhì)量，符合節(jié)能要求。11年我們制作的節(jié)能車車架選用的就是不銹鋼材料，在制作上有一定參考作用。而且我們所掌握的不銹鋼焊接技術(shù)能夠滿足車架的強(qiáng)度剛度要求，能夠保證賽車車架的穩(wěn)定，符合大賽賽車制作要求。 分析以上三種材料，在穩(wěn)定性、強(qiáng)度、剛度、焊接技術(shù)難度以及制作成本等多項(xiàng)因素的綜合考慮下，最終選用不銹鋼作為此次比賽車架制作的材料。 2.2.6車架外廓尺寸的確定 根據(jù)往屆參賽隊(duì)伍的經(jīng)驗(yàn)來看，節(jié)能賽車的尺寸越小，結(jié)構(gòu)越緊湊，節(jié)能效果越好。參考以往節(jié)能競(jìng)技車的尺寸，并根據(jù)此次大賽車手的身高，最終確定節(jié)能車的外廓尺寸： 長(zhǎng):2600mm； 寬:850mm； 高:800mm； 軸距:1500mm； 輪距:540mm； 因此車架的幾何尺寸必須以滿足車身的外廓尺寸為前提。 車架的幾何尺寸包括：車架的總長(zhǎng)度、總寬度、總高度以及橫梁截面尺寸等。 車架的長(zhǎng)度主要由節(jié)能車的外廓尺寸決定。由于該節(jié)能車的車架是承載式車身，車架本身也是駕駛艙，故該車架的總長(zhǎng)還要考慮到軸距和駕駛員的身高?？v梁是車架中主要的承載元件，根據(jù)車身外殼的尺寸及其結(jié)構(gòu)形式，節(jié)能型三輪汽車的車架長(zhǎng)度(即整體式縱梁在X方向的長(zhǎng)度)為1620mm，基本滿足設(shè)計(jì)要求。 節(jié)能車車架的寬度主要指左右兩側(cè)縱梁方管的中心線在Y方向上的距離，它受前輪距的限制。從提高整車的橫向穩(wěn)定性考慮，希望車架盡量寬些。但車架寬度過大必然導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)材料用量增加，從而導(dǎo)致車架重量增大，節(jié)能車的節(jié)能效果變差，所以必須要同時(shí)考慮兩者。最終確定節(jié)能車車架寬度為355mm。 車架的高度受整車的高度限制，由于賽車車架本身也是車身的骨架，考慮到賽車在行駛過程中的行駛穩(wěn)定性，兼顧到整車的重量限制，確定車架框架的高度為455mm。 車架的總布置尺寸如圖2.8： 圖2.8 車架尺寸 2.2.7車架縱、橫梁截面形狀的確定 普通內(nèi)燃機(jī)汽車中，縱梁是車架中主要的承載元件，其長(zhǎng)度大致接近于整車長(zhǎng)度；其形狀應(yīng)力要求簡(jiǎn)單，斷面沿長(zhǎng)度不變或減少變化，以簡(jiǎn)化工藝。初步估算，節(jié)能車車架所受最大應(yīng)力和最小應(yīng)力差值比較小，所以車架縱梁采用等截面材料。一般縱梁的斷面有槽形、工字型、管形和Z形等幾種形式。 槽形斷面抗彎強(qiáng)度大，零件安裝緊固方便，應(yīng)用廣泛，但在結(jié)構(gòu)受力上抗扭性差，設(shè)計(jì)時(shí)一般須布置三向預(yù)應(yīng)力，且構(gòu)造復(fù)雜、自重大，施工繁瑣。 工字形截面和Z形斷面的車架，工藝簡(jiǎn)單，但縱梁和橫梁連接處的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 管形截面的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于彎曲，工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是在具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩下用材較多，構(gòu)件之間的連接不方便。 橫梁的作用是連接兩縱梁構(gòu)成一整體框架，從而保證車架整體具有足夠的抗扭剛度。此外還要有支承各主要總成的作用。其截面形狀和縱梁一樣有槽形、工字型、管形和Z形等幾種。 由于該節(jié)能車車架的重量較小，車架承受的彎矩和扭矩也不大，而且縱梁在長(zhǎng)度方向上需要進(jìn)行彎曲變形工藝處理，所以縱梁和橫梁的結(jié)構(gòu)均采用管形結(jié)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，為了初步確定縱梁方管的截面尺寸(即長(zhǎng)，寬和壁厚)，須作以下幾點(diǎn)假設(shè):縱梁為支承在前后軸上的簡(jiǎn)支梁；整車的簧載質(zhì)量均加在簡(jiǎn)支梁上；所有內(nèi)外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。 因此車架可以簡(jiǎn)化為圖2.9 的簡(jiǎn)支梁模型。 圖2.9 簡(jiǎn)支梁模型 該節(jié)能車的車架設(shè)計(jì)確定步驟如下： 確定計(jì)算彎矩如圖2-7所示，為發(fā)動(dòng)機(jī)的均布載荷，為駕駛員的均布載荷，和兩點(diǎn)為車輪安裝位置，和為車輪給車架的反力。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，已知駕駛員質(zhì)量。，，，計(jì)算可知： 因此車架的彎矩圖如圖2.10 所示 圖2.10車架簡(jiǎn)支梁彎矩圖 由圖可知，梁上的最大彎矩為?？紤]到汽車在行駛過程中受動(dòng)載時(shí)的最大彎矩，可在最大靜彎矩前乘一動(dòng)載系數(shù)k。由于節(jié)能車的路面行駛狀況良好，故取k=1.5，此動(dòng)載系數(shù)考慮了實(shí)際行駛中遇到的最高路障時(shí)的載荷增值。故動(dòng)載下的最大彎矩為。 縱梁截面尺寸的確定 由于縱梁在長(zhǎng)度方向上截面尺寸無變化，所以在最大彎矩處其彎曲應(yīng)力達(dá)到最大值。 設(shè)b為方管長(zhǎng)度(單位mm)，壁厚1.2mm，則方光內(nèi)空心部分長(zhǎng)度為。 則： 其中為縱梁材料的疲勞極限，此處不銹鋼。 取b=25mm，， <410Mpa，滿足要求。 確定在該節(jié)能車車架上使用厚度為12mm厚的的25mm×25mm方管。 2.2.8關(guān)于車架附件 車架的附件包括：轉(zhuǎn)向裝置與制動(dòng)裝置的安裝支架、發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝支架、地板、座椅，蓄電池等安裝支架。以上所有支架均根據(jù)其它總成提供的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，不再贅述?？紤]到參賽宗旨是不斷挖掘一公升汽油的潛能，從中體會(huì)節(jié)能的重要性，這就要求車架、車身的重量一定要輕。 2.2.9車架的幾何模型 車架的建模軟件采用的是Pro/E軟件，它提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模技術(shù)，提供了高效能的曲面建構(gòu)能力，能夠完成復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)。 根據(jù)對(duì)節(jié)能型三輪汽車車架的設(shè)計(jì)要求以及原理分析確定最終的車架幾何模型如圖2.11至2.14所示。 圖2.11 主視圖 圖2.12 俯視圖 圖2.13 前視圖 圖2.14 軸側(cè)圖 2.3車架有限元分析 2.3.1ANSYS介紹 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/E, CATIA， AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。 Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中CAE軟件的異構(gòu)問題。面對(duì)制造業(yè)信息化大潮、仿真軟件的百家爭(zhēng)鳴雙刃劍、企業(yè)智力資產(chǎn)的保留等各種工業(yè)需求，ANSYS公司提出的觀點(diǎn)是：保持核心技術(shù)多樣化的同時(shí)，建立協(xié)同仿真環(huán)境。 2.3.2建立有限元模型 車架主要以兩根邊梁組成和一些起連接作用的橫梁組成。根據(jù)上面對(duì)縱梁強(qiáng)度計(jì)算，得出縱橫梁選用12mm厚的的25mm×25mm方管，有了具體的車架參數(shù)，采用Pro/E建立車架的三維圖，如圖2.15所示。 圖2.15 車架三維圖 　　通過CATIA建立了一個(gè)簡(jiǎn)化后的車架線體模型，在ANSYS12.0中賦予不同的截面，而且可以修改，對(duì)作靜態(tài)分析有幫助。如圖2.16是用CATIA建立的簡(jiǎn)化后車架的線體模型。 圖2.16 簡(jiǎn)化后車架的線體模型 把CATIA建立的車架線體模型導(dǎo)出為igs格式導(dǎo)入ANSYS12.0中，給線體模型賦予截面，生成后的車架有限元模型，如圖2.17所示。 圖2.17 ANSYS12.0中車架有限元模型 　　在ANSYS12.0 中建立車架模型時(shí), 省略掉對(duì)車架整體強(qiáng)度影響較小的孔，采用Beam188 單元來離散整個(gè)結(jié)構(gòu)。Beam188 是2 節(jié)點(diǎn)的梁?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，其中包括3個(gè)線性位移自由度X，Y，Z 和3個(gè)沿X，Y，Z 軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。該單元適宜于分析細(xì)長(zhǎng)或中等厚度的梁結(jié)構(gòu)，可獲得較好的整體應(yīng)力水平分布情況，且計(jì)算速度快。梁與梁的連接處進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合。由于車輪與車架直接剛性連接，所以無需用彈簧單元來模擬懸架。 2.3.3車架材料的選擇和網(wǎng)格劃分 車架材料用410不銹鋼，屈服極限為410MPa, 計(jì)算結(jié)果中的最大應(yīng)力小于410MPa,即可滿足強(qiáng)度要求。 網(wǎng)格劃分是有限元處理的主要工作，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將直接影響計(jì)算結(jié)果。ANSYS12.0 Workbench的網(wǎng)格劃分是比較智能的，有多重控制方法。此處采用實(shí)體單元，用Mesh中的Automatic Method對(duì)車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了使分析能夠更加接近實(shí)際情況，把網(wǎng)格大小劃分得盡量小點(diǎn)，把相關(guān)性設(shè)置最高100，網(wǎng)格劃分元素大小為10mm,最后劃分出來節(jié)點(diǎn)數(shù)量為2199，元素?cái)?shù)量為1106。劃分結(jié)果如圖2.18所示。 圖2.18 車架的網(wǎng)格劃分 2.3.4載荷及約束處理 節(jié)能車采用兩個(gè)前輪、一個(gè)后輪的形式。在要求簡(jiǎn)單輕便的總體設(shè)計(jì)前提下，節(jié)能車沒有設(shè)計(jì)彈性懸架系統(tǒng)。車架所承受的力包括：車手重力：400N；發(fā)動(dòng)機(jī)重力：150N；外殼及其他附件重力：100N。人體上下半身重量比大約為9:5。車手坐在車中，腿部向前伸展，上半身重量集中于臀部，所以在臀部位置施加上半身的集中力256N，在腿部中間位置施加下半身重力144N。發(fā)動(dòng)機(jī)位于車輛后方，施加一個(gè)集中力。車殼通過4個(gè)安裝點(diǎn)與車身相連，故將車殼和一些附件重力分散為4個(gè)力分布于車架周圍。車架上力的分布如圖2.19所示。 圖2.19車架力的分布情況 約束情況應(yīng)按彎曲工況和彎扭工況分別處理。彎曲工況主要是模擬計(jì)算車輛在良好路面上勻速直線行駛時(shí)的應(yīng)力分布和變形情況，此時(shí)車輪三平面平行，對(duì)兩前輪UX、UY和UZ3個(gè)方向的自由度及后輪UZ方向的自由度進(jìn)行約束即可。彎扭工況下車輪三個(gè)平面不平行，左前輪懸空，此時(shí)約束后輪UX、UY和UZ3個(gè)方向和右前輪UX和UZ方向的自由度，釋放其余的自由度。彎扭工況是彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合工況，包含了彎曲工況在內(nèi)，最大應(yīng)力和變形都發(fā)生在此工況下。簡(jiǎn)便起見，這里僅以彎扭工況下的計(jì)算結(jié)果為設(shè)計(jì)依據(jù)，沒有單獨(dú)考慮純彎曲工況。 2.3.5結(jié)構(gòu)分析計(jì)算 添加了約束和載荷后，我們隊(duì)車架進(jìn)行求解，包括應(yīng)力求解和位移求解。車架在彎扭工況下的應(yīng)力，位移和變形分布圖，如圖2.20~圖2.22所示。 圖2.20 車架彎扭工況應(yīng)力云圖 圖2.21 車架彎扭工況位移云圖 圖2.22 車架彎扭工況變形云圖 從ANSYS靜力分析界面可以得到，車架最大應(yīng)力為101MPa，最大位移為9.4798 mm。車架的強(qiáng)度和剛度和車架變形量均在安全范圍之內(nèi)。 2.3.6模態(tài)分析 最后對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，車架在賽車行駛過程中受到外部激勵(lì)主要有兩種：一是路面不平度產(chǎn)生的隨機(jī)振動(dòng)，頻率一般在20Hz左右，另一種是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒產(chǎn)生的壓力和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力引起的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這類激振頻率范圍較寬，如果這些激勵(lì)的頻率和車架的某一固有頻率相吻合，就會(huì)出產(chǎn)生共振，造成車架被破壞的危險(xiǎn)。因此，為了避免車架與發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，就必須對(duì)節(jié)能車車架的固有頻率及振型特點(diǎn)進(jìn)行分析，避開發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)的激勵(lì)頻率。 此處應(yīng)用ANSYS12.0 Workbench Mechanical模塊下的Modal功能對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，找出車架的固有頻率、變形特性和部位，為車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。提取其空載狀態(tài)下的前幾階固有頻率及相應(yīng)振型，作為評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)性能好壞的參數(shù)。將模態(tài)提取方法定為Block Lanczos，并設(shè)定提取的模態(tài)階數(shù)為10，起止頻率分別為0和100Hz，提交計(jì)算，結(jié)果如表1和圖2.23～2.27所示，列出了較多的剛體振型及其對(duì)應(yīng)的頻率。 表2.1 車架前10階固有頻率及振型 模態(tài)階數(shù) 自由模態(tài)固有頻率 [Hz] 振型特點(diǎn) 1 0 Y方向旋轉(zhuǎn) 2 0 俯仰 3 0 Z方向平移 4 1.653e-003 Z方向旋轉(zhuǎn) 5 2.2223e-003 X方向旋轉(zhuǎn) 6 5.268e-003 Y方向旋轉(zhuǎn) 7 38.683 彎曲 8 56.192 彎曲和扭轉(zhuǎn) 9 65.759 S型彎曲 10 71.926 S形側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn) 圖2.23 第七階固有振型 圖2.24 第八階固有振型 圖2.25 第九階固有振型 圖2.26 第十階固有振型 對(duì)該節(jié)能車而言，應(yīng)使車架低階頻率避開發(fā)動(dòng)機(jī)的低怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的頻率，以免兩者發(fā)生共振。此外，還應(yīng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)能車最高速度與最佳節(jié)油效果時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速為900左右，對(duì)應(yīng)的頻率約為6.6Hz，未與車架固有頻率重合。發(fā)動(dòng)機(jī)在其轉(zhuǎn)速為3500rpm~4000rpm這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最小，為304g/km，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為29.1~33.3Hz,未與車架固有頻率重合。賽車最高速度是40km/h,根據(jù)傳動(dòng)方面的計(jì)算，此時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4263rpm,發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率35.5Hz，未與車架固有頻率重合。 20 最終做出來的車架實(shí)體，如圖2.27所示。 圖2.26 最終做出來的車架實(shí)體 3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的定義及作用 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能就是能夠按照駕駛員的操縱來控制汽車的行駛方向。 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般都由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)三部分組成。轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，方向盤對(duì)轉(zhuǎn)向軸產(chǎn)生一個(gè)力矩，改力矩通過傳動(dòng)軸輸給轉(zhuǎn)向器，經(jīng)由轉(zhuǎn)向器放大和改變力的作用方向后傳到直拉桿，最后傳遞到左右車輪的轉(zhuǎn)向節(jié)拉動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，改變汽車的行駛方向。 節(jié)能賽車的轉(zhuǎn)向輪是兩前輪，所以節(jié)能賽車的轉(zhuǎn)向技術(shù)可以向市用汽車借鑒，但是由于節(jié)能賽車的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和比賽要求等的限制，節(jié)能賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能原搬照抄市用汽車店的轉(zhuǎn)向技術(shù)，需要做一些簡(jiǎn)化和改進(jìn)，如下： （1）保留轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最基本的轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)組成部分。 （2）為了保證兩前輪的在轉(zhuǎn)向時(shí)保持一定的角度關(guān)系，采用“阿克曼式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)”。 （3）為了突出節(jié)能賽車的節(jié)能特性，盡量在原有基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，采用輕質(zhì)材料。 3.2節(jié)能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案確定 節(jié)能車轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)是根據(jù)車輪布置方案來確定的，車輪配置的情況將直接影響轉(zhuǎn)向方案的確定。此次節(jié)能車車輪配置及轉(zhuǎn)向方法為前兩輪后一輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向如圖3.1。這樣轉(zhuǎn)向方案，使的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、容易制作、穩(wěn)定性好、行駛阻力小。此轉(zhuǎn)向方案的關(guān)鍵點(diǎn)在于操縱的輕便性、車輪定位的準(zhǔn)確性及機(jī)構(gòu)的輕量化。 圖3.1 前一輪后兩輪前輪轉(zhuǎn)向 圖3.2 阿克曼式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) 在節(jié)能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，一般采用阿克曼式結(jié)構(gòu)，如圖3.2所示。節(jié)能 22 車轉(zhuǎn)向時(shí)，為了減少車輪的阻力，前兩輪必須沿著一定的圓弧軌跡行駛，轉(zhuǎn)向輪的延長(zhǎng)線落在無操縱性后輪軸的延長(zhǎng)線上，外側(cè)車輪的轉(zhuǎn)角要比內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)角小。 前兩輪操控轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪的轉(zhuǎn)向軸和橫向拉桿的支點(diǎn)連線形成梯形結(jié)構(gòu)。將后輪車軸的中心與前轉(zhuǎn)向輪軸相連，在繪圖線上找到橫拉桿兩端的支點(diǎn)，然后通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向臂長(zhǎng)度，就可以最終確定梯形的形狀。 3.3節(jié)能車轉(zhuǎn)向總成的分析和計(jì)算 節(jié)能車轉(zhuǎn)向裝置如圖3.3所示，共包括三大總成：轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。節(jié)能車轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向車把、轉(zhuǎn)向軸、支承轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向軸承組成；轉(zhuǎn)向器即為轉(zhuǎn)向搖臂；轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂。此外，還包括連接轉(zhuǎn)向車輪和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向節(jié)總成。 圖3.3轉(zhuǎn)向裝置三維圖 （1）轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)，見圖 3.4 第3章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 XXIV 第3章 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 圖3.4 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)三維圖 轉(zhuǎn)向車把直接采用自行車車把，在長(zhǎng)度上可縮短調(diào)節(jié)。車把的強(qiáng)度經(jīng)焊接后能滿足要求。在節(jié)能車中，轉(zhuǎn)向軸承受轉(zhuǎn)向操縱桿的扭矩，傳遞給轉(zhuǎn)向直拉桿，轉(zhuǎn)向操縱桿與車把焊接，并通過關(guān)節(jié)軸承固定在車架上，但可以繞關(guān)節(jié)軸承旋轉(zhuǎn)，下端用螺栓擰住防松。轉(zhuǎn)向軸軸承為桿端關(guān)節(jié)軸承，通過螺帽與車架連接，軸承內(nèi)壁與轉(zhuǎn)向軸采用過盈配合，并采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，以使轉(zhuǎn)向輕便，同時(shí)還起到支承轉(zhuǎn)向軸和車把的作用。 （2）轉(zhuǎn)向器，見圖 3.5 轉(zhuǎn)向器是用來放大或改變駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力和操縱方向的裝置，在該節(jié)能車上可簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)向搖臂。轉(zhuǎn)向搖臂采用鋁片加工，為滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，適當(dāng)增加其厚度。上端有半圓與轉(zhuǎn)向軸焊接相連，下端開有兩個(gè)圓孔，均采用螺栓與轉(zhuǎn)向直拉桿相連。 圖3.5 轉(zhuǎn)向器 圖3.6轉(zhuǎn)向節(jié) （3）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將轉(zhuǎn)向搖臂輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，并且使外輪的轉(zhuǎn)角小于內(nèi)輪。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上最重要的組成部分是聯(lián)系左右車輪的梯形機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂和車架部分構(gòu)成轉(zhuǎn)向梯形，直拉桿連接轉(zhuǎn)向搖臂和轉(zhuǎn)向節(jié)臂。 （4）轉(zhuǎn)向節(jié)總成，見圖 3.6 3.4節(jié)能車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)零件的計(jì)算與校核 為了保證節(jié)能車行駛過程中安全，組成轉(zhuǎn)向裝置的各零件自身應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。在轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)使用合理零件機(jī)構(gòu)，使得所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向裝置零件在質(zhì)量較輕的情況下也能滿足轉(zhuǎn)向時(shí)所需強(qiáng)度和剛度。利用半經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算節(jié)能車在瀝青路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩()。即 式中，f為輪胎于路面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷，等于施加在車把上雙手的力和車把上安裝的油門、剎車、測(cè)速表等裝置的重量。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，在車手體重為40kg時(shí)，轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷近似為100N（10kg）；P為輪胎氣壓，節(jié)能車采用的輪胎工作的氣壓范圍是280kPa~450kPa，取P為400kPa，即0.4MPa，代入公式計(jì)算得： 作用在車把上的手力的計(jì)算采用現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向盤上手力的計(jì)算公式為： 式中，L1為轉(zhuǎn)向搖臂的長(zhǎng)=65mm； L2 為轉(zhuǎn)向節(jié)臂的長(zhǎng)=70mm； 原來的公式中為轉(zhuǎn)向盤的直徑，這里取為轉(zhuǎn)向車把的長(zhǎng)度=330mm； 為轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)比，近似地用轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)L2與搖臂臂長(zhǎng)L1之比來表示， 現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中， L2 與L1的比值大約在0.85～1.10之間，可近似認(rèn)為其比值為1； 為轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比，在節(jié)能車上未使用轉(zhuǎn)向器，故取=1.0。代入公式： 在轉(zhuǎn)向裝置各個(gè)零件的設(shè)計(jì)過程中，各個(gè)零件首先必須滿足轉(zhuǎn)向時(shí)強(qiáng)度的要求，絕對(duì)不能在賽車的行駛過程中出現(xiàn)斷裂、壓潰現(xiàn)象；其次，各零件在滿足轉(zhuǎn)向強(qiáng)度要求的前提下，還應(yīng)具有較大的剛度，避免轉(zhuǎn)向過程中各零部件產(chǎn)生較大的彎曲變形，從而影響車輪定位參數(shù)。在計(jì)算校核轉(zhuǎn)向裝置的過程中，大部分的零件均能保證安全，個(gè)別零件要求強(qiáng)度較低剛度較大的情況，則可選用彈性模量較大的材料來加工轉(zhuǎn)向裝置零件。按照上述的方法，完成轉(zhuǎn)向裝置各零件的設(shè)計(jì)。 根據(jù)賽道的最小彎道的半徑，見圖3.7，設(shè)定轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角為30°，利用最小轉(zhuǎn)彎半徑的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。 圖3.7 賽車場(chǎng)最小轉(zhuǎn)彎半徑 圖3.8 圖解節(jié)能車的轉(zhuǎn)向過程 如圖3.8，最大轉(zhuǎn)角=30°，DE的長(zhǎng)度約為1620mm，則在三角形EOD中， 即最小轉(zhuǎn)彎半徑為3.3m，能滿足最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求。在完成轉(zhuǎn)向系各零件的計(jì)算校核之后，轉(zhuǎn)向系參數(shù)見表3.2.1。 表3.1 轉(zhuǎn)向系參數(shù) 名稱參數(shù) 轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比 最大轉(zhuǎn)角 最小轉(zhuǎn)彎半徑 數(shù)值 1.0 30° 3.3 m 3.5轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方案總結(jié) （1）節(jié)能車轉(zhuǎn)向裝置總成的分析與計(jì)算。目前能夠選用的轉(zhuǎn)向總成方案比較多，結(jié)合賽車車架的設(shè)計(jì)以及整車布局合理確定轉(zhuǎn)向裝置的總成對(duì)于下一步工作具有指導(dǎo)意義。 （2）節(jié)能車轉(zhuǎn)向裝置各零件的參數(shù)計(jì)算與強(qiáng)度及剛度分析。其中最為重要的是車輪定位參數(shù)的合理確定，這對(duì)于節(jié)能競(jìng)技車的滑行效果及車手操縱的輕便與舒適性影響較大。 （3）轉(zhuǎn)向裝置三維模型的建立與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各零件之間的連接關(guān)系的選定較重要，合理的連接關(guān)系的選擇有利于達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。轉(zhuǎn)向裝置的輕量化對(duì)于減少整車質(zhì)量，降低油耗有幫助 。 26 第4章 論文總結(jié) 27 4論文總結(jié) 本田不惜余力的在全世界倡導(dǎo)綠色環(huán)保，節(jié)能競(jìng)技大賽為廣大愛好者提供了展現(xiàn)夢(mèng)想的平臺(tái)，一升油，一個(gè)夢(mèng)，讓夢(mèng)想飛翔。本論文通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，最終確定了節(jié)能車的車架和轉(zhuǎn)向方案，主要完成了以下工作： （1）對(duì)已有節(jié)能車車架縱粱進(jìn)行彎矩和疲勞極限進(jìn)行理論上的計(jì)算。運(yùn)用Pro/E三維軟件對(duì)車架進(jìn)行建模，并用CATA建立線體車架，導(dǎo)入ANSYS中Workbench工作界面，對(duì)車架在彎扭工況下的應(yīng)力，位移和變形進(jìn)行分析。之后，對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析，找出車架的固有頻率、變形特性和部位，為今后的車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。 （2）選用合適的轉(zhuǎn)向總成方案，進(jìn)行三維建模，對(duì)其各轉(zhuǎn)向系數(shù)計(jì)算。其中最為重要的是車輪定位參數(shù)的合理確定，這對(duì)于節(jié)能競(jìng)技車的滑行效果及車手操縱的輕便與舒適性影響較大。結(jié)合賽車車架的設(shè)計(jì)以及整車布局合理確定轉(zhuǎn)向裝置的總成對(duì)于下一步工作具有指導(dǎo)意義。 進(jìn)一步工作： （1）車架輕量化是現(xiàn)在汽車節(jié)能技術(shù)中的重點(diǎn)，很多其他領(lǐng)域也都將輕量化作為發(fā)展戰(zhàn)略，輕量化帶來的節(jié)能效果也十分理想，故在整個(gè)設(shè)計(jì)中輕量化始終是一個(gè)著重考慮的因素。在車架強(qiáng)度、剛度滿足要求的前提下，對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，去除車架的多余尺寸，使車架能夠在現(xiàn)有基礎(chǔ)上更加小巧輕便；選用新型車架也是一種不錯(cuò)的節(jié)能方案嗎，例如使用鋁合金來制作車架。 （2）轉(zhuǎn)向裝置可選用更加輕質(zhì)的材料，例如轉(zhuǎn)向連桿，轉(zhuǎn)向塊等都可以使用鋁質(zhì)材料。在尺寸上，可根據(jù)新型車架的尺寸進(jìn)一步優(yōu)化。 由于本人專業(yè)水平和實(shí)踐能力有限，文中難免有不妥之處，還請(qǐng)各位指導(dǎo)老師和專家原諒，并且歡迎大家批評(píng)指正，以便在今后的學(xué)習(xí)和工作中加以改進(jìn)。 參考文獻(xiàn) [1] 楊沿平.中國(guó)汽車節(jié)能思考[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010. 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