563 大學生方程式賽車設計（整體車架設計、標準安全系統及座椅附件設計）

563 大學生方程式賽車設計（整體車架設計、標準安全系統及座椅附件設計）,563,大學生方程式賽車設計（整體車架設計、標準安全系統及座椅附件設計）,大學生,方程式賽車,設計,整體,總體,車架,標準,全系統,座椅,附件 CMC熱保護系統，未來可重復使用的運載火箭 摘要：驗性再入實驗模型在發(fā)展正在歐洲發(fā)展,目的在于增加技術快速反應水平（TRL）的技術適用于未來可重復使用的運載器。這其中有Pre-X程序，目前由法國國家空間研究中心，法國航天局發(fā)起，即將進入開發(fā)B階段，包括IXV，未來的發(fā)射準備程序由歐空局負責的。這類車輛所需的主要技術之一-熱防護系統（TPS），特別是陶瓷基復合材料（CMC）為基礎的迎風TPS。為了達到這一目標，在法國空間研究中心的承包下，2003年初，SPS發(fā)起活動名為“通用卵石”技術活動，以更完整的進行瓦的通用設計的測試活動，為實驗性再入實驗模型在歐洲的決定做好準備。這項活動的時間安排包括：設計，制作兩種C/SiC面板，有限元模型的設計計算，測試從面板中萃取的技術樣品，面板的機械壓力，和附件系統的完整研究。額外的測試正在絕緣密封附件設備的環(huán)境下進行，冷加工的代表部分，為了進一步的評估其在相關環(huán)境下的表現。 這份論文將介紹這項活動自2006年這些模態(tài)特性，動態(tài)，聲學以及熱和熱機械測試上的預測和預備。 1面板的作用 在2001-2002年pre-x實驗的準備過程中，法國斯奈克瑪固體火箭推進器，負責pre-x迎風側高熱再入面積，建議使用供TPS的c/sic纖維木瓦的設計。通用瓦的大量使用已經引起了特別的注意。 為降低風險，名為“通用瓦”的準備程序由CNES確立，它根據設計大量瓦元素的設計，制造和測試確定。這些撐血的主要目的是證明這項改進技術對所有c/sic瓦元素的適用性，以及在適應性再入運載器在迎風側上使用的遠見。為了支持這項證明，進行了以下一些實驗項目： （1）瓦和附件的設計，（2）設計的分析確認，（3）完整大的瓦的制造，（4）c/sic面板特性的技術實驗，（5）c/sic面板的振動和壓力測試，（6）熱量測試，（7）熱機械測試。 圖1 圖2 2 瓦的概念說明 這一概念也被稱為“掛牌”分為兩個集合的元素: （1）具有機械功能(機械外殼、緊固件及支架) （2）具有散熱功能(內部絕緣層、密封和絕緣墊圈)。 如圖1所示： 這是機械外殼所需的非常具有機械效率的材料，能夠使用在溫度非常高的環(huán)境下。但它的熱導率特性并不是最重要的。這是內部絕緣和密封，不需要高的機械性能，可以由質量小、靈活,和高性能絕緣材料組成。附件系統的面板到機身結構必須能夠抵抗相對較高的溫度, 使熱膨脹的面板, 和傳遞出平面機械載荷之間的面板和冷卻結構。 3、主瓦的要求 面板是制造相同的一般要求，相同的C/SiC材料和同一進程的可預見的pre x迎風面瓦同樣需要。因此，這種需求是從Pre-X TPS系統中派生出來，并從這個中總結出來。 （1） 尺寸的面板不小于一個為800×400平方毫米的等效氣動表面 （2） 能夠有能力證明制造一個最小角為15度的非矩形傳感模式作為是必要的，在空氣動力流之間的線條和邊緣的帶狀瓦。在圖2中給出了近似幾何 （3） 區(qū)域目標質量為15Kg平方米，面板本身重量應該小于2.3公斤。 （4） 當固定在一個代表一個剛性結構，迎風面能夠經受最嚴重的熱通量和機械載荷?？蓞⒖紵嵬咳鐖D3所示 （5） 進化的通量在通用的瓦面派生的比例參考通量。這種進化如圖4所示。在這個通量之下，這種結構應該保持在低于150度的環(huán)境下。 圖3 圖4 機械加載指定面板: （1）覆狀瓦的元素在返回大氣層是的內外壓力差為100 mbar到-100 mbar. （2）面板平面10 g的加速度和5 g正常飛機的面板是一樣的。 （3）15 g的動態(tài)載荷做靜態(tài)加速度在面板平面猶如正常飛機表面10g的加速度。聲頻譜源自阿麗亞娜5 （4）飛行負載,如采用熱力負荷和變形的冷結構 4、面板設計 為了達到上述要求和考慮到制造過程，設計平面如圖5和圖6 已經確定的加強筋需要考慮三個簡單的機械的公式。然而，本需要建立九個附著點通過采用有限元熱機械分析可以獲得。此外，已經考慮到兩個相鄰的面板之間的接口設計。 （1）步驟和間隙的減少，特別是由于相對熱機械位移 （2）允許集成從外部訪問的能力和拆卸 這導致了一個兩瓦的概念設計，可以參考圖7 最后，為了增加盡可能多的制造工藝驗證，設計已經取得了進展。這就是為什么制造的面板的皮膚由兩個單獨的紡織部分縫合在一起。為這個特定的面板的大小，這是沒有必要的，但較大的部件是需要這些的，這或許很有趣。此外，兩個紡織鏈接技術被用于組裝加強筋皮膚：編織和縫合。 圖5 圖6 圖7 5。附件系統設計 為了將面板附加到車輛結構，一種靈活附件系統已被設計。這系統能夠履行下列職能： （1） 機械性安裝面板到該結構上 （2） 使擴張面板之間的差異結構靈活的對接。 （3） 通過足夠的剛度，防止大的外模線變形。 （4） 參與熱保護的結構 （5） 在不看見的情況系，通過一個小孔安裝和拆卸而又不丟失零件。 （6） 從面板的結構傳遞載荷。 為了滿足這些需求，用對峙的解決方案提供了兩個軸的靈活性特點的問題。然后，這?對峙機械地固定到結構，同時盡量減少傳熱。這意味著需要熱墊圈部件。由于溫度。零件擴大不同時，彈性墊圈允許保持正確的擰緊。為了符合與輔助功能的需求，即使沒有能見度，所有的墊圈是一個系統，固定到其中一個零（面板或對峙和結構）在裝配前已經被設計好。將所得配置顯示在圖8. 6。面板組件制造 兩個面板在上述設計的基礎上制造。一個被切斷，在特定的地方進行測試，驗證這些特殊性，和進一步完善設計的瓦。第二個保持完整并是目前用于測試。該制造過程說明如下。 開始生產制造的碳纖維碳前體增強執(zhí)行。這執(zhí)行根據上一層的多層機織物。可組裝，編織，導致在一個自加筋板。這些面板的成型上的碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料模塑的承受至少為所需要的溫度進行硬化過程。這允許減少熱模具和零件之間的膨脹系數不匹配，可以出現金屬模具。這也使增加其低重量的使用的容易性。 然后，由液體的路由將預成型體硬化。講CVI致密化添加到碳化硅基中，在一個簡單的石墨框架持有的部分。粉碎后，內緣翻邊加工和鉆孔的孔，在SiC CVI致密化過程中被再次執(zhí)行。如果有必要，也可以將添加的氧化保護涂層（圖9） 紅外無損檢測技術應用于檢測任何潛在的缺陷。如圖10所示 除了在局部缺乏的預成型體的密實，沒有遇到缺陷。雖然略顯不足，整體密度的部分是正確的預期。 圖8 圖9 壓實效率的改進模具和較高的整體密度將實施在未來的生產。 采購的附件系統，基于設計這里提出上述。絕緣為市售現成的殼二氧化硅/氧化鋁。該在面板周圍的密封件的基礎上填充到二氧化硅/氧化鋁Nextel的封套內，并且被專門制造的瓦的幾何形狀。 最后，采購各種試驗所需的金屬支撐結構，為了能夠正確的與測試設施接口，和其余的代表真正的冷散熱片結構的熱測試，和一個比較剛性的動態(tài)測試。 7。面板的機械試驗 在面板與其他組件上，一個機械壓力測試已經進行了。此測試的目的是驗證下單獨面板的行為代表性加載。靈活的附件是不是包括但被認為是一個無限剛性的條件。 為了考慮到測試的具體的有限元預測已執(zhí)行的測試和系數為1.3的負載應用程序上被認為是必要的，以具有代表性的航班，飛行機械負載。 可以預見校準到50 mbar時，測試應用cability的面板材料，從而作出一個初步的沉降。然后，加載要緩慢，增量上升到130毫巴的壓力差在飛行中的100毫巴代表性。 它會導致的結論是觀察到的氣流通過的材料孔隙率在校準過程中，在測試過程中可能達到130毫巴。泄漏的一個重要部分是從局部缺乏壓實前討論。為未來的面板，因此可以減少這種泄漏。然而，正常的材料的總表面也參與泄漏，由于固有的磁導率的材料。此磁導率有助于減少在飛行中的重入壓力差，因此，它的值的測量可以幫助評價與當前的設計方面的設計裕度的增加。 后人為間擰緊系統與內部增量加載應用程序進行到130毫巴，100毫巴代表性在飛行中的柔性膜（圖11） 經過測試無故障的面板進行了觀察。本地損害被觀察到約90毫巴，這是與前階段進行的測試一致。然而，分析是保守的，相比試過程中的全局行為。 測得的位移低于預測的和測得的應變也較低，如圖12和13所示 圖10 圖11 圖12 圖13 例如，預期這將發(fā)生在約35毫巴的局部損傷，觀察到在90毫巴，和損壞，這是預計在大約107毫巴，并沒有出現。 此外，測試結果顯示分析高估在皮膚和角度的變形，甚至非線性行為的材料范圍。檢測后的數據進行分析，預期在飛行中的皮膚的最大撓度是不超過3.7毫米的與當前的幾何形狀，對應于約2％的波度。導致面板皮膚的安全邊際大于0.86。框架角區(qū)域，安全邊際是一個保守的做法，將是積極的。只有附件區(qū)角的小框架局部顯示了一個非常消極的安全邊際：確定后，設計活動，將需要額外的附著點，如果指定的壓力水平被確認。被執(zhí)行的行為的成品評價過程中的熱機械測試后分析。 8。動態(tài)測試 IABG測試中心在德國已經進行動態(tài)測試。這些測試都是基于通用瓦的動態(tài)加載，測試活動有以下目標： （1）提供信息并沒有在絕緣上的模態(tài)特性的面板組件， 驗證裝配到一個給定的動態(tài)頻譜，組成不同的動態(tài)頻率。加載方向，一方面在z方向上，并在x方向的另一方面 （2）驗證裝配到一個給定的聲譜。 畢 業(yè) 設 計（論 文） 題目 大學生方程式賽車設計（整體車架設 計、標準安全系統及座椅附件設計） 2013年 5月 30 日 34 方程式賽車整體車架設計 摘 要 FSAE賽車是一項以大學生為對象的賽事，旨在為汽車工業(yè)培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才，參賽的賽車全都由各高校研究設計。由于是為比賽而設計的賽車車架，因此設計時必須要考慮賽事技術規(guī)范。我的畢業(yè)設計就是為FSAE賽車設計車架。賽車的車架設計必須要考慮賽車發(fā)動機、駕駛員的布置以及賽車各個總成的布置。又由于賽車車架是賽車的主要受力結構，賽車上的幾乎所有的結構以及部件都是有車架直接或者間接支撐，所以車架的結構一定要合理，同時強度剛度必須達到一定的要求。 在車架設計之初，要將大賽的有關規(guī)定和評分標準完全掌握，對各部件該怎么布置，布置在什么方位有一個清晰的規(guī)劃。同時為了使以后的車架結構設計更為合理，我參考了天津大學、湖南大學以及部分國外的車架。進入設計階段后，在對比了車架的結構形式后，選擇了桁架式的車架。根據強度要求，選擇車架的材料。在確定了懸架的安裝位置后，依據技術規(guī)范、賽車的整體布置、發(fā)動機以及人體模型確定車架大致的整體尺寸，然后建立幾套車架的雛形；再優(yōu)化車架結構使整體各個系統能合理的布置在車架上，直至使車架結構滿足各個方面的要求。在幾套車架結構基本定型以后，開始對車架進行結構受力分析、優(yōu)化以及對比，選擇結構合理質量最輕的車架。 關鍵詞：FSAE，車架，技術規(guī)范，發(fā)動機，駕駛員 FORMUL SAE—A SPACE FRAME DESIGN ABSTRACT The FSAE vehicle race is one takes university student as the sports event of object, for the purpose of creates more outstanding talents for the automobile industry, participating vehicle race all by various university research and designs. As a result of competition vehicle race frame of design, when design must consider the sports event technology standard. My graduation project designs the frame for the FSAE vehicle race. The frame design of vehicle race must consider the the arrangement of arrangement as well as vehicle race each unit of vehicle race engine and pilot. Because vehicle race frame is the main stress structure of vehicle race, almost all structures as well as the parts in vehicle race have the frame direct or indirect support, therefore the structure of frame is certainly reasonable, simultaneously the intensity rigidity must meet certain requirements. At the beginning of the frame designs, must completely grasps the concerned requirements and point scale of big game, how should arrange to various parts, arranges has a clear plan in any position. Simultaneously to make the later vehicle frame design is more reasonable, I have referred to some Tianjin University, Hunan University as well as overseas frames. After being in the design stage, after contrasting the structural style of frame, has chosen the truss-type frame. According to the intensity request, chooses the material of frame. After locating the airflow distribution of suspension fork, according to the overall arrangement, engine of as well as the manikin determination frame approximate overall size technology standard and vehicle race, then establishes the embryonic form of several sets of frame; Optimizes the vehicle frame to enable the overall each system again to arrange reasonably on the frame, until makes the vehicle frame meet the request in each aspect. After several sets of vehicle frame finalizes basically, starts to carry on the structure analysis of accepting force, to optimize as well as contrast to the frame, optional structure reasonable quality lightest frame. KEY WORDS: FSAE, frame, technology standard, engine, pilot 目 錄 第一章 賽車概述 1 §1.1 國外Formula SAE簡介 1 §1.2 中國大學生方程式汽車簡介 2 第二章 車架結構特點綜述 3 §2.1 車架的功用與要求 3 §2.1.1 車架的功用 3 §2.1.2 對賽車車架的要求 3 §2.2 車架的計算 4 §2.3 車架綜合實驗要求 4 §2.3.1 車架的應力測定 5 §2.3.2 車架的剛度測定 5 §2.3.3 可靠性與耐久性臺架試驗 5 §2.3.4 隨整車進行的可靠性道路試驗或試車場試驗以及使用試驗 5 第三章 車架類型方案的對比與分析 6 §3.1 一體式金屬車架 6 §3.2 單體式車架 7 §3.3 桁架式車架 7 第四章 車架的材料以及結構 8 §4.1 車架材料的材料力學分析 8 §4.2 方程式賽車車架材料的技術規(guī)范要求 8 §4.3 車架材料的選擇 9 §4.4 賽車車架的結構 10 §4.5 車架應力的消除 10 第五章 大學生方程式賽車車架設計 11 §5.1 賽車整體結構的設計 11 §5.2 賽車駕駛艙的設計 14 §5.3 賽車各個系統及零部件在車架上的安裝位置的設計 15 §5.3.1 懸架系統的安裝位置的設計 15 §5.3.2 轉向系統安裝位置的設計 17 §5.3.3 傳動系統的要求 18 §5.4 安全系統的要求 18 第六章 賽車車架的結構分析和優(yōu)化 21 §6.1 車架在實際環(huán)境下的受力 21 §6.2 車架的結構分析方法 21 §6.3 有限元分析方法的基本原理 22 §6.4 有限單元法的分析步驟 23 §6.5 基于有限元分析方法的車架的分析 24 §6.6 基于有限元分析方法的碰撞塊分析 24 第七章 座椅設計 26 §7.1 人性化座椅設計 26 §7.1.1 系統中人和機的職能分工 27 §7.1.2 體坐姿體壓分布 28 §7.1.3 座墊上的體壓分布 28 §7.2 汽車座椅舒適性設計 30 §7.2.1 座椅強度的設計 30 §7.2.2 座椅結構型式的設計 30 §7.3 座椅蒙皮、椅墊阻燃設 31 第八章 結 論 32 參考文獻 33 致 謝 34 第一章 賽車概述 §1.1 國外Formula SAE簡介 Formula SAE，是由各國SAE，即汽車工程師協會舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個月以內的本科生或研究生舉辦的一項學生方程式賽車比賽，要求在一年的時間內制造出一輛在加速、剎車、操控性方面有優(yōu)異的表現并且足夠穩(wěn)定耐久，能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項目業(yè)余休閑賽車。自1981年創(chuàng)辦以來，FSAE已發(fā)展成為每年由7個國家舉辦的9場賽事所組成，并有數百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。 SAE方程式（Formula SAE）系列賽源于1978年。第一次比賽于1979年在美國波斯頓舉行，13支隊伍中有11支完賽。當時的規(guī)則是制作一臺5馬力的木制賽車。SAE方程式（Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團隊構思、設計與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為給車隊最大的設計彈性和自我表達創(chuàng)意和想象力的空間，在整車設計方面將會限制很少。賽前車隊通常用8至12個月組的時間設計、建造、測試和準備賽車。在與來自世界各地的大學代表隊的比較中，賽事給了車隊證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術能力的機會。 Formula SAE 向年輕的工程師們提供了一個參與有意義的綜合項目的機會。由參與的學生負責管理整個項目，包括時間節(jié)點的安排，做預算以及成本控制、設計、采購設備、材料、部件以及制造和測試。Formula SAE 為在傳統教室學習中的學生提供了一個現實的工程經歷。Formula SAE 隊員在這個過程中將會經受考驗，面對挑戰(zhàn)，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和實踐能力。目前美國、歐洲和澳大利亞每年都會定期舉辦該項賽事。比賽由三個主要部分組成：工程設計、成本以及靜態(tài)評比；多項單獨的性能試驗；高性能耐久性測試。為了達到比賽的目的、學生可以把自己假想設計人員。某一制造公司聘請他們?yōu)槠湓O計、制造和論證一輛用來評估該公司某一量產項目的原型車。預期的銷售市場是周末業(yè)余汽車比賽。因此，該車必須在加速，制動和操控性能方面表現出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外，考慮到市場銷售的因素，該車需美觀、舒適，零部件也需要有通用性。制造企業(yè)計劃每天生產四輛該型車, 并要求原型車實際耗資應低于2.5萬美元（該規(guī)則09年已經取消）。設計小組受到的挑戰(zhàn)是設計和組裝一輛滿足各種要求的車。各個設計環(huán)節(jié)將作為競賽比較和評判的內容。 §1.2 中國大學生方程式汽車簡介 中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽 在比賽過程中，參賽隊員能充分將所學的理論知識運用于實踐中。同時，還學習到組織管理、市場營銷、物流運輸、汽車運動等多方面知識，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團隊合作精神，成為符合社會需求的全面人才。 目前，中國汽車工業(yè)已處于大國地位，但還不是強國。從制造業(yè)大國邁向產業(yè)強國已成為中國汽車人的首要目標，而人才的培養(yǎng)是實現產業(yè)強國目標的基礎保障之一。 大學生方程式賽車活動將以院校為單位組織學生參與，賽事組織的目的主要有： 1、是重點培養(yǎng)學生的設計、制造能力、成本控制能力和團隊溝通協作能力，使學生能夠盡快適應企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺； 2、是通過活動創(chuàng)造學術競爭氛圍，為院校間提供交流平臺，進而推動學科建設的提升； 大賽在提高和檢驗汽車行業(yè)院校學生的綜合素質，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,增進產、學、研三方的交流與互動合作等方面具有十分廣泛的意義。 管理者接受了一次難度十足的鍛煉。FSAE賽事也給了汽車廠商發(fā)現優(yōu)秀人才和創(chuàng)意 想法的機會。 第二章 車架結構特點綜述 §2.1 車架的功用與要求 §2.1.1 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，其功用是支撐發(fā)動機、離合器、變速、底盤和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?。卉嚰芤矐凶銐虻膹姸?，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。車架剛度不足會引起震動和噪聲，也使汽車輪胎的接地性變差，是通過性變壞。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(guī)范中的要求。從提高整車的橫梁穩(wěn)定性以及較小縱梁側裝置的懸架伸出長度來看，希望盡可能增大車架寬度，從簡化制造工藝和避免縱梁寬度轉折處引起應力集中而導致車架損壞來看，還要求最好車架前后等寬，但是，考慮到整車的總布置，上述要求往往難以滿足，目前，大學生方程式賽車應用最廣泛的是單體式車架和空間桁架式車架。賽車車架縱梁承擔了車架受力的大部分，而車架橫梁將左右縱梁連接起來，構成一個框架，不僅用來保證車架的扭轉剛度和承受縱向載荷，而且還用以支撐賽車上的主要部件。 §2.1.2 對賽車車架的要求 1、車架應滿足大學生方程式賽車技術規(guī)范的要求 2、車架應具有足夠的強度，保證在各種工況下長期使用不致發(fā)生嚴重損壞。 3、具有足夠的剛度，車架應保證賽車的正常使用，固定在車架上的各個總成和部件的相對位置變化較小，使它們能正常工作。另一方面，當車輛在不平道路上行駛時，為了提高其平順性和通過能力，要求車架具有一定的柔度，即扭轉剛度不宜過高。 4、車架質量要輕，在保證強度的前提下應盡量較少車架質量以減低材料消耗，制造成本和提高使用的經濟性。 5、結構應盡可能簡單，便于制造。此外，簡單有效地車架能使車架的質量和尺寸盡可能的降低。 6、車架要有一定的韌性。 §2.2 車架的計算 大學生方程式賽車車架具有一定的強度和扭轉剛度，其車架計算的主要任務是： 1、確定賽車滿載時在不平度很小的平坦路面上以需要考慮動載荷的足夠高的車速行駛時，車架元件的應力。 2、確定車架上所有元件中應力最大的元件，以及其危險截面。 3、確定各個系統與車架相連接位置的應力是否滿足要求。 為了不僅評價車架的柔度以及作用在車元件上的應力，而且要弄清變形和應力突變處的危險截面以及它們沿車架長度的變化情況，則應對通過特征點的一系列橫向平面處的車架撓度、扭轉角和應力進行計算，計算結果最好能用沿車架長度繪制出的撓度、轉角和應力圖表達出來。 為了簡化計算，可將車架看做平面結構，而車架縱、橫元件的交接處的交角認為是剛性的且認為車架元件在兩結點之間的全長的慣性矩不變，并取為該元件慣性矩的平均值。 最簡單的車架的計算，是在對稱載荷（彎曲）作用下簡化為簡單元件的應力。 在反對稱載荷(彎曲)作用下，車架是一個靜不定系統，用材料力學教程中的一些方法求解著一靜不定關系統各個元件的應力和變形時計算十分復雜，工作量很大。然而，如果對系統作某些假設則可使計算簡化。 §2.3 車架綜合實驗要求 車架的實驗內容包括：應力測定、剛度測定、可靠性測定與耐久性臺架試驗臺架試驗、隨整車進行的可靠性道路試驗或者試車場試驗以及使用試驗等。 §2.3.1 車架的應力測定 對車架的應力測定可以較快的得出其應力分布情況，找出薄弱環(huán)節(jié)和產生的原因以及改進后的效果。除了進行靜彎曲和靜扭轉的應力測定外，還以整車在道路模擬試驗臺上、試車場以及在使用條件下進行應力測定。這對車架的設計定型很有指導作用。 §2.3.2 車架的剛度測定 包括對車架的彎曲剛度和扭轉剛度進行測定，測定車架的彎曲剛度時，是在前后軸處設置剛性支撐并模擬實際負荷情況下加載。測定車架的扭轉剛度時，因注意車架在試驗臺上的緊固情況，以避免試驗裝置對其剛度產生影響，也要明確試驗條件，并測出裝置這些有關條件前后即在不同實驗條件下的剛度變化情況， §2.3.3 可靠性與耐久性臺架試驗 包括車架的彎曲疲勞試驗和扭轉疲勞試驗、等副度試驗臺是較為簡單的實驗裝置，有機械式、液壓式和激振式，常用作進行車架的對比試驗，程控疲勞試驗臺能更好的模擬車架在實際使用中的載荷，后者常用于整車狀態(tài)下的疲勞試驗。 §2.3.4 隨整車進行的可靠性道路試驗或試車場試驗以及使用試驗 讓滿載的賽車行駛于試車場專門路段上來進行車架的彎曲疲勞試驗和扭轉疲勞試驗。 隨著優(yōu)化設計、可靠性道路設計與有限元分析等現代設計方法與分析技術的發(fā)展以及計算機的運用，在產品設計階段對車架進行多方案的分析和優(yōu)選，可使試驗費用減到較低程度，但車架設計的最終評價仍要以試驗結果為準。 第三章 車架類型方案的對比與分析 賽車車架是賽車的主體結構，它為其它部件，如懸架、發(fā)動機、座椅、踏板、傳動裝置等提供安裝的位置，并承受所有部件傳來的力。賽車車架一般采用兩種形式：一是單體式車架，另一種是桁架式車架。 §3.1 一體式金屬車架 一體式金屬車架，整個車身的外殼本事就屬于車架的一部分。所以它不同于傳統的梯形車架或者管式車架，需要在車架外包裹外殼。 事實上，按嚴格的定義來說，一體式車架都是由不同的組件裝嵌而成的，其中最大的一塊就是地臺，其余的如車頂、側板大小各異，所有的板件都是由高壓壓模機壓制出來的，利用機械臂做電焊處理，有的甚至使用激光焊接技術。整個制作過程短至數分鐘便可宣告完成。 因此，一體式車架主要為了適應高度機械化的流水生產作業(yè)大量生產，這樣做可以大大的降低生產成本。而且一體式車架先天擁有良好的撞擊保護能力，車頭以及車尾加裝副車架一方面有利于吸收撞擊所造成的沖擊力，另一方面對車架行駛的剛性也有所幫助。其次，一體式車架能夠預留用以吸收撞擊能量的褶皺區(qū)外，車架本身的包裹式構造還可以將褶皺區(qū)域吸收不完的能力經過車柱分散到車體的其余部分，避免猛烈撞擊力在瞬間過于集中而對乘客造成嚴重的創(chuàng)傷！相對于其他的車架構造，一體式車架沒有高而闊的門欖、防滑動支撐架和大型的傳動軸管道等，空間的利用率極高。 凡事總有正反兩面，一體式車架生產前的配套投資極其龐大，不適合小批量生產。另外一個明顯的缺陷就是一體式車架因為使用大量的金屬，重量偏高。外殼的作用主要是用來營造理想的空間效果，而車架的設計主要由金屬鋼片構成，雖然鋼片已經作了開坑的加強韌度處理，但是在物理結構上的剛度，特別是非水平扭動，始終不及桁架式車架。如果以重量和剛性比來作比較的話，使用同等金屬重量所制作出來的一體式車架是所有車架中剛性表現最不差的。 §3.2 單體式車架 也稱作整體式或承載式式車架。由于一般汽車采用大梁式車架，其車架質量重、體積大、重心高的問題，單體式車架的意念是用金屬制成堅固的車身，再將發(fā)動機、懸架等機械零件直接安裝在車身上。這個車身承受所有的載荷，充當車架，所以準確稱呼應為“無車架結構的承載式車身”（采用大梁車架的汽車車身則稱為“非承載式車身”）。承載式車架由鋼或者鋁經沖壓、焊接而成，對設計和生產工藝的要求都很高。成型的車架是個帶有坐艙、發(fā)動機艙和底板的骨架，我們所能看到的光滑的汽車車身則是嵌在骨架上的覆蓋件。 承載式車車架是目前國外賽車車架的主流，因為這種結構將車架和車身二合為一，重量輕，可利用空間大，重心低，而且沖壓成型的制造方式十分適合現代化的大批量生產。但是除了開發(fā)制造難度高外，剛度（尤其是抗扭剛度）不足也是承載式車身的一大缺陷。這問題在日常用車上還不明顯，但對于大馬力、大扭力的高性能跑車，要求有很高的車架剛度，普通承載式車身就顯得剛度不足。 由于承載式車架將全車所有部件，包括懸架、車身和乘員連成一體，具有很好的操控反應（正式學名是“操作響應性”），而且傳遞的震動、噪音都較少，這是大梁式車架不可比擬的。 §3.3 桁架式車架 也可以說是鋼管式車架。由于單體式車架的設計開發(fā)和生產工藝都復雜，故其主要用于大批量生產。但是對于中國大學生方程式賽車雖然可以采用共用平臺策略，但所謂的“共用平臺”能共用的只是懸架、傳動系統底盤部件，單體式車架由于必須與車身形狀吻合，對于不同的車身造型是不能共用車架的。而桁架式車架就比較合適。 為了降低成本同時與小規(guī)模生產相匹配，本賽車車架采用桁架式車架。 第四章 車架的材料以及結構 §4.1 車架材料的材料力學分析 車架的材料應具有足夠的屈服極限和疲勞極限，低的應力集中敏感性，良好的冷沖壓性和焊接性能。車架材料與所選定的制造工藝密切相關。拉伸尺寸較大或形狀復雜的沖壓件需要采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼；拉伸尺寸不大，形狀不復雜的沖壓件常采用強度較高且冷沖壓時不宜沖壓和回彈的的材料。鋼材在冷沖壓成型后，其疲勞強度降低，靜強度提高，延伸率較小的材料的降低幅度更大，賽車常用材料在沖壓成型后的疲勞強度一般為140～160MPa。 同時，由于車架是一個大型的焊接件，選擇材料時要考慮材料的可焊接性。 §4.2 方程式賽車車架材料的技術規(guī)范要求 根據技術規(guī)范要求，大學生方程式賽車車架的基準鋼鐵材料的最低材料要求。賽車的基本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）、最小直徑如下表3-1（或者采用替代材料，替代材料應滿足下文所述）： 表3-1 基準鋼鐵材料 部件或用途 外徑*壁厚 主環(huán)和前環(huán)，肩帶安裝桿 25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.5mm 側防撞結構、前隔板、防滾架支撐、 車手約束部件安裝環(huán) 25.4mm*1.65mm或 25.0mm*1.75mm或 25.4mm*1.60mm 隔板支撐 25.4mm*1.25mm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 另外，規(guī)則中除了主環(huán)和主環(huán)支架必須用剛才外，其它可以使用替代的管件和材料，但是已被焊接的鈦管不能在基本結構中使用，這包括支架和管件之間的連接件或其他部件和管件之間的連接件。替代鋼管最小壁厚如下表3-2： 表3-2 最小壁厚要求 材料和用途 最小壁厚 主環(huán)、前環(huán)鋼管 2.0mm 防滾架支撐、前隔板、車手約束連接件 1.6mm 側防撞結構和前隔板支撐鋼管 1.2mm 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，必須保持鋼材相同的橫截面積。 而且，規(guī)范上還規(guī)定，對于替代的另一種材料——鋁管的最小壁厚要求為至少3.0mm。 §4.3 車架材料的選擇 彎折尺寸較大的主環(huán)以及主要支撐車架的主環(huán)支架，由于技術規(guī)范中要求必須用鋼材，而考慮到材料的材料力學性能以及技術規(guī)范的要求，4130鋼滿足要求。 另外，在選擇了材料之后，為了盡可能的降低車架的質量，在滿足技術規(guī)范的要求下，應盡可能的用小的外徑和壁厚，但同時必須滿足車架的強度和扭轉剛度等力學性能。這一部分在下文中會有詳盡敘述，這里不再簡述。 §4.4 賽車車架的結構 賽車車架采用的是桁架結構，其作用是為賽車所有其他部件的連接基礎，同時通過前、中、后防滾架的設計對駕駛艙提供保護。空間桁架結構是一種十分傳統的也是在比賽中最為常見的車架。 §4.5 車架應力的消除 對于車架這種大型焊接件采用自然時效、回火時效來消除焊接應力收效甚微，必須采用共振時效來消除或者降焊接應力，具體措施如下：用一臺振動頻率為50～90 Hz，激振力可達500～900 KN的機械激振器，將車架放在大與車架的平臺上，用彈性墊將其支撐牢固，最佳支撐位置在振動的節(jié)點上。并將激振器牢固地安裝在車架上，其位置應選在振峰附近，而不能裝在節(jié)點附近，開動激振器，調節(jié)頻率，當與工作頻率一致時，引起共振；通過改變激振器的偏心距來調節(jié)激振力，對車架來說應力應控制在50～100 N/mm2范圍內，一般需要維持共振狀態(tài)15～20min。通常對于較輕的賽車車架，可采用并聯或聯法放在平臺上進行。 第五章 大學生方程式賽車車架設計 車架設計的出發(fā)點是將車手、發(fā)動機和懸架連接點安排在它們各自理想的位置上。這些系統決定了車架最基本的結構和形狀?？臻g框架結構的車架制造成本低，方便維護，同時比較適合承受集中載荷。懸架和車架的連接點、搖臂盤、以及其他受力點都盡可能地布置在靠近車架節(jié)點地位置，以便減小應力矩和位置誤差。車架盡量多地采用承載軸向載荷的部件以便最大程度地增加單位質量所表現出來的強度。 大學生方程式賽車的車架是賽車的整體外形框架，它的設計的可以很大程度的決定賽車的外形特征，個性、美化的車架加上車身很容易給人以震撼的感覺，同時也更容易給人以好感。但是，大學生方程式賽車車架的設計同時也必須考慮一定的因素:必須滿足駕駛艙以及發(fā)動機放置的要求必須滿足賽車整體框架以及賽車軸距的要求，，必須滿足賽車各個系統如懸架系統、傳動系統、轉向系統、制動系統等的要求，必須滿足賽車安全系統等等的要求。 §5.1 賽車整體結構的設計 賽車整體結構對賽車車架的設計有很大影響。賽車整體結構的設計必須考慮賽車整體結構的布置：駕駛艙的布置，發(fā)動機的布置，水箱油箱的布置，軸距的分配，輪距的大小等。 賽車車架主要是由三個防滾架以及必要的支撐包圍的結構，如圖4-1。賽車防滾架是一組鋼管組合件（有可拆卸和不可拆卸兩種），使用冷拔無縫碳素鋼管彎制而成，安裝時一根一根按照車廂內部的輪廓進行連接或焊接的。如果去掉車身外殼，所看見的就是一個由數根鋼管搭建的金屬籠子。防滾架所用的鋼管材質和抗扭曲度是根據車身重量而定的，一般要能夠承受兩倍以上車身重量的沖擊。由于場地賽的路面較平，基本沒有落差，相比之下在野外進行的拉力賽和越野賽更容易發(fā)生翻車事故，車身損壞就會大一些。因此拉力賽車和越野賽車防滾架的強度（強度和場地賽沒分別）更高，管件構造更密集。賽車的防滾架，除了應付意外情況以外，還可以起到增強車身強度和抗扭曲度的作用。因為防滾架的焊接固定均是選取車身底盤比較堅固、承重的位置，比如底盤框架鋼梁，以及前后避震器座。對于賽車來說，原裝的車廂就好像是一個盒子，在激烈操控的時候很容易發(fā)生扭曲變形，而防滾架撐起的骨架比車廂堅固很多，因此即使車輛頻繁地顛簸跳躍，來自地面的沖擊力都會分散一部分到防滾架上，對車體就起到了很好的保護作用。賽車防滾架既可焊接固定，也可用螺栓固定，或者兩種方法混合使用。防滾架安裝時，應盡可能靠近車體。車手所坐的區(qū)域是最重要的，因此該區(qū)域的防滾架搭建也是最重要的。主體防滾護欄、支撐杠（B柱間的主框架）、允許使用的加強支撐杠在與車體連接固定時，必須盡可能選擇車體堅固受力的地方，其固定點必須裝有一塊加固板。在車手身體、頭盔可能同防滾架接觸的位置必須加設不易燃的柔性防護墊。另外，必須使用冷彎法制作防滾護欄的拐角處，如鋼管在彎曲時形成橢圓，則鋼管變形的比率必須在0.9以上。有了防滾架，車子遇到撞擊、翻滾等嚴重事故時，即使車身外部慘不忍睹，車內的車手也會安然無恙。 圖 4-1 賽車車架的基本結構 長度方向上,發(fā)動機如圖4.2所示，尺寸為610x587x519mm，為了是賽車整體尺寸降低，采用發(fā)動機縱置，鏈傳動的形式，因此，賽車車架主環(huán)到后軸的距離至少為610mm。當采用鏈傳動時，為了較好的傳動，發(fā)動機法蘭盤的中線到后軸中線的水平距離至少為255mm，由發(fā)動機的形式，發(fā)動機法蘭盤面到發(fā)動機縱置時的后端面的距離為306mm，因此，車架主環(huán)到后軸中線的距離至少為610+（306-255）=661mm。由人體工程學，65Kg，165mm的人以自然的駕駛姿勢駕駛時，腳尖距離后背最后點的距離大致為1100mm。另外，制動踏板以及制動輪缸的最前端距離腳尖大概有500mm的距離。由于后懸架的上叉臂的張開寬度約為200mm，因此，后軸軸線距離車架最后端的距離至少為100mm。 因此，車架的長度約為661+1100+500+100=2456mm.考慮到加工因素及其他零部件的安裝，在此范圍內架上200mm,可以使加工安裝時的預備尺寸更加合理，車架的長度約為2630mm。 寬度方向上，內操縱艙必須能讓一個自由垂直的橫斷面如4.3的模板水平通過，故內操縱艙車架最窄處應至少為350mm。主環(huán)底部，至少大于發(fā)動機的長度尺寸587mm，考慮到油箱和水箱放置于發(fā)動機兩側，故主環(huán)應留有約為650mm的寬度，暫定為660mm。 高度方向上，安裝懸架位置點，即上下叉臂高度約為200mm， 主環(huán)高度最高，由于人體自然駕駛姿勢駕駛時坐高約為850mm，而且主環(huán)最高點與前環(huán)最高點連線至少高于頭頂50mm，因此，主環(huán)高度約為1050mm。 圖4-2 發(fā)動機模型 圖4-3 內駕駛艙檢測板 §5.2 賽車駕駛艙的設計 駕駛艙的設計主要使駕駛員有一個相對安全的的環(huán)境，同時駕駛艙是駕駛員操縱車輛的地方，駕駛艙太小的話會影響駕駛員的操縱靈活性。如果長時間坐于過小的駕駛艙會對駕駛員的身體有一定程度的損害；駕駛艙過大的話既浪費了材料，又增加了車重。因此，駕駛艙的設計對賽車車架的設計相當重要。 駕駛艙的要求至少能讓65Kg，165mm人體坐進去。同時大賽規(guī)則要求，必須滿足一標準版，如圖4.4，被水平拖著，并且垂直插入直到它穿過側防撞結構的頂部管件的底部。 圖4-4 駕駛艙檢測板 由于主環(huán)處最寬，定義了約為660mm左右。而由板的形狀，駕駛艙底部可以做成梯形以較少材料，降低車重。故前環(huán)與側防撞最高車管件的焊接處距離主環(huán)的水平距離至少為400mm。 內艙為駕駛員操縱制動系統以及傳動系統的地方，主要為制動踏板和油門、離合器踏板。人體自然駕駛時腳尖距離后背最后點約為1100mm；有技術規(guī)范，車架前環(huán)的支架必須延伸到駕駛員前部，因此，前環(huán)支架在車架中心線的投影，至少在駕駛員腳的前部。又由圖4.4，主環(huán)與前環(huán)之間的距離至少為600mm，暫定為可以大致確定前環(huán)與前環(huán)支架的距離約為500mm。 §5.3 賽車各個系統及零部件在車架上的安裝位置的設計 車架是賽車的整體框架，賽車的各個系統都在車架上直接或者間接固定，各個系統的布置位置都有一定的要求。一個合格的車架必須滿足各個系統直接或者間接的固定要求。 §5.3.1 懸架系統的安裝位置的設計 懸架系統是賽車的重要總成之一，它把車架與車輪彈性的連接起來。其主要任務是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此產生的承載系統的震動，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證賽車的操縱穩(wěn)定性，是賽車獲得良好的行使能力。懸架系統與車架焊接位置，很大程度的影響了懸架系統的工作性能，懸架系統對車架也有相當精密的要求。 前懸架的安裝如圖4-5(a): 圖4-5（a） 前懸架的安裝示意圖 前懸架上下叉臂的高度為199.51mm，前上叉臂的張開寬度為128.95mm，前下叉臂的張開寬度為202.94mm。在車架投影面上，前上叉臂的中線在車輪前軸線前0.87mm處，前下叉臂的中線在車輪前軸線后0.87mm處。車架上放置兩個前下懸架的焊點寬度為430mm，而在地面的投影面上，前下叉臂的中線要比前下叉臂的中線長104.38mm。前懸架的上下叉臂如圖4-5(b)和4-59(c)所示。 因此為滿足前懸架的要求，車架上叉臂安裝點必須要有高為199.5mm，下部寬為430，上部寬度為430+2X104.3=638.6mm。 車架前懸架支座的安裝應在兩根水平的車架管件上，且上部的管件長度不能少于前上叉臂的張開寬度，下部的安裝管件長度不能少于前下叉臂的張開寬度。 圖4-5（b）前上叉臂 圖4-5（c） 前下叉臂 后懸架的安裝如圖4-6(a）： 后懸架上下叉臂的高度為199.51，后上叉臂的張開寬度為172.16mm，后下叉臂的張開寬度與后上叉臂的張開寬度相等，如圖4.6(b)。在車架投影面上，后上叉臂的中線在車輪前軸線前0.87mm處，后下叉臂的中線在車輪前軸線后0.87mm處。車架上放置兩個后下懸架的焊點寬度為460mm，而在地面的投影面上，前下叉臂的中線要比前下叉臂的中線長104.38mm。 圖4-6 （a）后懸架的安裝示意圖 圖4-6(b) 后懸架叉臂 因此為滿足前懸架的要求，車架上上下叉臂支座必須要有高為199.5mm。鑒于后上叉臂和后下叉臂的張開寬度相等，為了節(jié)約材料，同時減少車的總長，可以將叉臂支座固定于車架上的在豎直平面內的管件上，且此兩管件的距離應滿足叉臂張開寬度的要求。 §5.3.2 轉向系統安裝位置的設計 轉向系統是用來保持或者改變賽車行駛方向的機構，在賽車轉向行駛時，保證各轉向輪之間有協調的轉角關系。轉向系統在車架上不同的固定位置不僅對轉向時駕駛員轉向力有影響，而且對轉向的靈敏性有影響。方向盤以及轉向柱如圖4-7所示。 大學生方程式賽車技術規(guī)范中規(guī)定，車架前環(huán)與轉向盤之間的最近距離不能少于250mm，而且，車架前環(huán)在任何方向上都不能低于方向盤。由于齒輪齒條包與方向盤的高度距離為541mm，考慮到齒輪齒條包不能是其他系統的最低點以及其在車架上的安裝位置的高度的影響，前環(huán)應高于541mm。又由于轉向立柱應固定于車架上，考慮到方位上的因素，可以從前環(huán)支架上伸出兩根管件與轉向柱的固定支座相焊接配合。 圖4-7 轉向操縱機構示意圖 §5.3.3 傳動系統的要求 傳動系統是位于發(fā)動機和驅動車輪之間的動力傳動裝置，其基本功用是將發(fā)動機發(fā)出的動力依次經過離合器、變速器、由萬向節(jié)和傳動軸組成的萬向傳動裝置一鍵安裝在驅動橋中的主減速器、差速器和半軸，最后傳給驅動車輪。傳動系統主要實現減速增矩、實現汽車變速和到倒駛、在必要時中斷動力傳遞，同時還應使驅動車輪具有差速作用。 為了主加速器，車架尾部的下部必須設計兩根橫桿或者焊接一個底板，且為了和主加速器包的軸承支撐相配套，兩橫鋼管的距離應為111.5mm。如圖4-8 圖4-8 主減速器模型圖 §5.4 安全系統的要求 安全系統是駕駛員生命安全的一大重要保障。賽車的安全系統存在于賽車的各個方面，但主要分為前防撞結構和側防撞結構。 賽車的車頭位置主要為駕駛員的雙腳和腿部，為了駕駛員的安全考慮，必須使駕駛員的雙腳包裹在賽車框架的主體結構之中，而且，當駕駛員的腳接觸制動踏板時，不論從側面還是前面來看，駕駛員的任意部分都不準伸出或者高于車架之外。同時，在賽車的前隔板之前，必須要有能量吸收裝置以防止撞車時損害駕駛員的腳和腿部，為了使能量吸收裝置有足夠的緩沖作用，必須要求能量吸收裝置:1.安裝在前隔板之前，2.在前隔板之前200 mm(7.8 英寸) 范圍內，至少100 mm（3.9 英寸) 高，200 mm(7.8 英寸)寬。3.碰撞時不能穿透前隔板，前隔板必須要有足夠的厚度和強度，4.技術規(guī)范中要求，緩沖結構和前隔板直接并且安全地連接在一起，而不是作為非承載式車身的一部分。，5.同時，緩沖結構的安裝必須為橫向和垂直載荷提供一個足夠的卸載路徑，以防偏心和偏軸線的撞擊。。6.技術規(guī)范中要求，緩沖結構和單體殼的連接，必須通過結構等同性報告得到審核批準。7. 如果緩沖結構內部填充泡沫，或是成蜂窩結構，則必須將厚度為1.5 mm 的鋼板(0.060 英寸)，或厚度為4.0 mm(0.157 英寸) 的鋁板作為“防侵平板” 整合在緩沖結構內。該金屬板必須和前隔板的輪廓尺寸相同，并且和前隔板焊接或用螺栓連接在一起。。8. 若“防侵平板”沒有和車架固結，如沒有焊接在一起，則必須用至少四個8mm8.8 級螺栓把緩沖結構和前隔板連接在一起。 車架的側防撞結構主要保護駕駛員的身體不在撞車時受到傷害。因此，當駕駛員以普通駕駛姿勢乘坐時，側防撞結構必須有至少三根管件位于駕駛員的兩側，如圖4-9這三根管位置為：上部的側防撞管件必須和主環(huán)以及前環(huán)相連接，當一個77Kg的駕駛員以普通姿勢乘坐時，該管件的位置必須在離地300mm到350mm之間；底部的側防撞管件必須和主環(huán)和前環(huán)相連接；側面對角側防撞結構必須連接位于主環(huán)前部、前環(huán)后部的上部和下部的側防撞單元。同時，翻車時駕駛員的任何部位都不能接觸地面，因此，前環(huán)頂端和主環(huán)頂端的連線必須高于駕駛員頭盔頂端至少50.8mm。 圖4-9 側防撞管件的位置 圖4-10 方程式賽車車架初步設計模型 綜上，方程式賽車的初步設計初步設計模型如圖4-10所示。對于賽車的強度和剛度的校核以及賽車的優(yōu)化設計在下面會有詳盡敘述，這里就不再贅述。 第六章 賽車車架的結構分析和優(yōu)化 §6.1 車架在實際環(huán)境下的受力 車架在實際環(huán)境下要面對的4種壓力：（1）負載彎曲，從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。而這個壓力，主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強的剛度。（2）非水平扭動，當前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的梁柱便要承受這個縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。（3）橫向彎曲，所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。（4）水平菱形扭動，因為車輛在行駛時，每個車輪因為路面和行駛情況的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產生推拉以至變形，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣。 §6.2 車架的結構分析方法 由于Formula SAE 的比賽規(guī)則對車架的安全性有著非常嚴格的標除了對所有防滾架、撞擊保護區(qū)域以及所有組成框架的桿件的連接與支撐形式有著嚴格的規(guī)定以外，對所選用的材料的種類和規(guī)格也有著很嚴格的限制?；谶@個原因，只要是符合Formula SAE 規(guī)則的車架在強度上是不可能出現任何問題的。國外的Formula SAE 比賽參賽車隊都需要提交大量相關的技術報告，但關于車架強度校核的報告是不需要提交的。車架的強度是通過規(guī)則的相關規(guī)定來保證的。我們賽車車架設計時所選定的的材料為 25.2×3mm 的4130鋼鋼管，超過規(guī)則規(guī)定的材料上限標準 25.4mm×2.4mm 低碳鋼管。且樣車的車架設計完全符Formula SAE的規(guī)則，所以車架的強度是完全可以保證的。 對于車架的結構的分析，由于傳統力學計算比較復雜，同時由于傳統力學需要建立力學模型，而理學模型與實際的對象會有一定程度上的差別，因此，傳統力學對對象的分析會有一定程度的失真。因此我們能可以使用有限元分析方法對車架的結構進行分析。 §6.3 有限元分析方法的基本原理 有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現代計算方法。它是五十年代首先在連續(xù)體力學領域――飛機結構靜、動態(tài)特性分析中應用起來的一種有效的數值計算方法。有限元法分析計算的思路和作法可歸結如下： 1、物體離散化 將某個工程結構離散為由各單元組成的計算模型。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連接起來；單元節(jié)點的設置、性質、數目等應視問題的性質，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定。一般情況，單元劃分越細，則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量越大。 2、單元特性分析 （1）選擇位移模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法；取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法；選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法。位移法易于實現計算自動化，所以，在有限單元法中應用最廣。當采用位移法時，物體或結構離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應變和應力等由節(jié)點位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數的近似函數予以描述。通常，我們就將位移表示為坐標變量的簡單函數。這種函數稱為位移模式或位移函數，如，中是待定系數， 是與坐標有關的某種函數。 （2）分析單元的力學性質 根據單元的材料性質、形狀、尺寸、節(jié)點數目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，這是單元分析中的關鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，從而導出單元剛度矩陣。 （3）計算等效節(jié)點力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對于實際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點上去，也就是用等效節(jié)點力來代替所有作用在單元上的力。 3、單元組集 利用結構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結構重新聯接起來，形成整體有限元方程。式中,K 是整體結構的剛度矩陣；q 是節(jié)點位移列陣；f 是載荷列陣。 4、求未知節(jié)點位移解有限元方程式得出節(jié)點位移。 可以看出，有限元法的基本思想是“一分一和”，分是為了進行單元分析，和則是為了對整體結構進行綜合分析。 §6.4 有限單元法的分析步驟 有限單元法的分析步驟一般如下： 1、單元剖分和插值函數的確定 根據構件的幾何性質、載荷情況及所要求的變形點，建立由各單元所組成的計算模型。再按單元性質和精度要求，寫出表示單元內任意點的位移函數。 2、單元特性分析 根據位移插值函數，由彈性力學中給出的應變和位移關系，可計算出應變。 3、單元組集 把各單元按節(jié)點組集成與原結構相似的整體結構，得到整體結構的節(jié)點力與節(jié)點位移得到關系，即整體結構平衡方。 4、解有限元方程 可采用不同的計算方法解有限元方程，得出各節(jié)點的位移。在解題之前，必須對結構平衡方程組進行邊界條件處理。然后再解出節(jié)點位移。 5、計算應力 在計算出各單元節(jié)點位移后，即可求出相應的節(jié)點應力。 §6.5 基于有限元分析方法的車架的分析 由于車架鋼管材料選擇的是強度比較大的4130鋼，材料的屈服極限為785Mpa，根據去年學校參賽賽車的強度分析報告，4130鋼遠遠大于車架上的最大應力，因此，車架的強度滿足要求。 §6.6 基于有限元分析方法的碰撞塊分析 根據Formula SAE 規(guī)則的要求，參賽賽車在車架最前部安裝有蜂窩鋁制成的碰撞吸能塊。模型如圖5-7所示。 圖5-7 車架防撞塊及其安裝 使用UG高級仿真對碰撞吸能塊進行分析，圖5-8為吸能塊模型。緩沖快上下為鋼板，中間為蜂窩鋁。外形尺寸為200mm×100mm×100mm。蜂窩鋁的材料為鋁合金，取E = 70Gpa ，G = 27Gpa，= 2700kg /，蜂窩結構的六角形邊長l = 3.5mm，壁厚t = 0.06mm 。蜂窩結構和鋼板都使用固體建模。 圖5-8 設定質量M=300kg，7m/ s ，碰撞方向為Z 軸。吸能塊的變形如圖5-9所示。 圖5-8 質點加速度圖 5-9 吸能塊重心加速度 對車輛碰撞來說，最大的加速度應該發(fā)生在碰撞初期，如圖5-10，碰撞產生的最大加速度為3215mm/ s2 = 3.215m/ s2 = 0.33g。 吸能塊重心的最大加速度為1680×102mm/ = 168m/ = 17g < 20g 。符合Formula SAE 規(guī)則的規(guī)定，改吸能塊的設計是安全的。 第七章 座椅設計 隨著科技的發(fā)展、時代的進步、技術的更新、節(jié)奏的加快等一系列的社會與物質的因素，使人們更加注重產品的人性化設計問題。人體工程學設計的產品也就越來越受到大眾的歡迎。汽車座椅作為汽車內飾最重要的組成部分之一，越來越受到關注。人性化的汽車座椅設計并不是僅有數據符合要求的座椅，它還包括人體機能、人機工程、健康設計、造型設計及黃金比例等原則。在這些原則的指導下的人體工程學座椅是功能與美學的完美結合。 §7.1 人性化座椅設計 人性化產品，就是包含人機工程的產品。實際上任何系統都是人機系統，人機系統包括人、機、環(huán)境三個方面，人機工程學的顯著特點是在認真研究人、機、環(huán)境三個要素本身特性的基礎上，不單純著眼于個別要素的優(yōu)良與否，而是將使用“物”的人和所設計的“物”以及人與“物”所共處的環(huán)境作為一個系統來研究。在人機工程學中將這個系統稱為“人——機——環(huán)境”系統。在座椅設計中應科學地利用三個要素間的有機聯系來尋求系統的最佳參數。汽車座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設施，舒適而操縱方便的汽車座椅，可以減少乘員疲憊程度，降低故障的發(fā)生率。汽車座椅的主要功能在于承受司機和乘客的重量，衰減或緩和由車身地板傳來的振動和沖擊。給司機一個舒適的安全的乘坐環(huán)境，和良好便捷的操作條件。所以，座椅設計的好壞，將對汽車的平順性、乘坐舒適性、安全性以及操作方便性等產生很大的影響。這里主要介紹從人機工程學的角度、從人體坐姿生理特性出發(fā)，使座椅具有良好的靜態(tài)特性，即座椅設計和布置的尺寸和形狀能使人體具有合適的坐姿，良好的體壓分布，良好的觸覺，并能方便調整有關尺寸和位置，以保證乘坐穩(wěn)定、舒適、操作方便、視野良好，減輕疲勞和保障安全。按照人機工程學的原理，座椅首先必須能夠承受人們活動帶來的各種力量和沖擊。否則就不能充分體現座椅的實用功能。因此應在此基礎上進行設計，應充分了解： §7.1.1 系統中人和機的職能分工 如何配合；環(huán)境與人相適應；機對環(huán)境的影響等問題，經過不斷修正和完善最終確保系統優(yōu)化組合方案的實現。這是人機工程學為工業(yè)設計開拓了新的思路，并提供了獨特的設計方法和有關理論依據。只有座椅的結構和尺寸設計使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然狀態(tài)，才會減少腰椎的負荷以及腰背部肌肉的負荷，防止駕駛疲勞發(fā)生。。圖3.2 為各種人體處于不同姿勢下所產生的腰曲弧線。人體正常腰曲弧線是松弛狀態(tài)下側臥的曲線，如圖中曲線B 所示。汽車座椅設計及其在駕駛室中的布置16軀干挺直坐姿和前彎時的腰弧曲線會使腰椎嚴重變形，如圖7-1曲線F 和G 所示。欲使坐姿能形成幾乎正常的腰曲弧線，軀干與大腿之間必須有大于90°的角度，且在腰部有所支撐，如圖中曲線C 所示?？梢?，保證腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適坐姿的關鍵。因此在進行汽車座椅設計時，應注意有足夠的腰部支撐。正常腰弧曲線是微微前突，為使人體坐姿下的腰弧曲線變形最小，座椅應在腰椎部提供所謂兩點支撐。由于第5—6 胸椎高度相當肩胛骨的高度，肩胛骨面積大，可承受較大壓力，所以第一支撐應于第5—6 胸椎之間，稱其為肩靠。第二支撐設置在第4—5 腰椎之間，稱之為腰靠，和肩靠一起組成座椅的靠背。無腰靠或腰靠不明顯將會使腰椎呈后突形狀，而腰靠過分凸出將使腰椎呈前突形狀。腰椎后突和過分前突都是非正常狀態(tài)，合理的腰靠應該使腰弧曲線處于正常的生理曲線。 圖7-1 §7.1.2 體坐姿體壓分布 體壓分布與人的坐姿及座椅靠背和坐墊的剛度分布和形狀密切相關。根據人機工程學的研究成果，合理的體壓分布應該是：體重應以較大的承受面積、較小的壓力合理的分布在座墊和靠背上，但避免平均分布。體壓分布過程應平滑過度，不要突然變化，而應根據各部位在產生不舒適