大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（整體車架設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)及座椅附件設(shè)計(jì)）（有exb圖+三維圖）帶CAD圖

大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（整體車架設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)及座椅附件設(shè)計(jì)）（有exb圖+三維圖）帶CAD圖,大學(xué)生,方程式賽車,設(shè)計(jì),整體,車架,標(biāo)準(zhǔn),安全,系統(tǒng),座椅,附件,exb,三維,CAD CMC熱保護(hù)系統(tǒng)，未來可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭 摘要：驗(yàn)性再入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诎l(fā)展正在歐洲發(fā)展,目的在于增加技術(shù)快速反應(yīng)水平（TRL）的技術(shù)適用于未來可重復(fù)使用的運(yùn)載器。這其中有Pre-X程序，目前由法國(guó)國(guó)家空間研究中心，法國(guó)航天局發(fā)起，即將進(jìn)入開發(fā)B階段，包括IXV，未來的發(fā)射準(zhǔn)備程序由歐空局負(fù)責(zé)的。這類車輛所需的主要技術(shù)之一-熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS），特別是陶瓷基復(fù)合材料（CMC）為基礎(chǔ)的迎風(fēng)TPS。為了達(dá)到這一目標(biāo)，在法國(guó)空間研究中心的承包下，2003年初，SPS發(fā)起活動(dòng)名為“通用卵石”技術(shù)活動(dòng)，以更完整的進(jìn)行瓦的通用設(shè)計(jì)的測(cè)試活動(dòng)，為實(shí)驗(yàn)性再入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮跉W洲的決定做好準(zhǔn)備。這項(xiàng)活動(dòng)的時(shí)間安排包括：設(shè)計(jì)，制作兩種C/SiC面板，有限元模型的設(shè)計(jì)計(jì)算，測(cè)試從面板中萃取的技術(shù)樣品，面板的機(jī)械壓力，和附件系統(tǒng)的完整研究。額外的測(cè)試正在絕緣密封附件設(shè)備的環(huán)境下進(jìn)行，冷加工的代表部分，為了進(jìn)一步的評(píng)估其在相關(guān)環(huán)境下的表現(xiàn)。 這份論文將介紹這項(xiàng)活動(dòng)自2006年這些模態(tài)特性，動(dòng)態(tài)，聲學(xué)以及熱和熱機(jī)械測(cè)試上的預(yù)測(cè)和預(yù)備。 1面板的作用 在2001-2002年pre-x實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備過程中，法國(guó)斯奈克瑪固體火箭推進(jìn)器，負(fù)責(zé)pre-x迎風(fēng)側(cè)高熱再入面積，建議使用供TPS的c/sic纖維木瓦的設(shè)計(jì)。通用瓦的大量使用已經(jīng)引起了特別的注意。 為降低風(fēng)險(xiǎn)，名為“通用瓦”的準(zhǔn)備程序由CNES確立，它根據(jù)設(shè)計(jì)大量瓦元素的設(shè)計(jì)，制造和測(cè)試確定。這些撐血的主要目的是證明這項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)對(duì)所有c/sic瓦元素的適用性，以及在適應(yīng)性再入運(yùn)載器在迎風(fēng)側(cè)上使用的遠(yuǎn)見。為了支持這項(xiàng)證明，進(jìn)行了以下一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目： （1）瓦和附件的設(shè)計(jì)，（2）設(shè)計(jì)的分析確認(rèn)，（3）完整大的瓦的制造，（4）c/sic面板特性的技術(shù)實(shí)驗(yàn)，（5）c/sic面板的振動(dòng)和壓力測(cè)試，（6）熱量測(cè)試，（7）熱機(jī)械測(cè)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(gè)集合的元素: （1）具有機(jī)械功能(機(jī)械外殼、緊固件及支架) （2）具有散熱功能(內(nèi)部絕緣層、密封和絕緣墊圈)。 如圖1所示： 這是機(jī)械外殼所需的非常具有機(jī)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(dǎo)率特性并不是最重要的。這是內(nèi)部絕緣和密封，不需要高的機(jī)械性能，可以由質(zhì)量小、靈活,和高性能絕緣材料組成。附件系統(tǒng)的面板到機(jī)身結(jié)構(gòu)必須能夠抵抗相對(duì)較高的溫度, 使熱膨脹的面板, 和傳遞出平面機(jī)械載荷之間的面板和冷卻結(jié)構(gòu)。 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(jìn)程的可預(yù)見的pre x迎風(fēng)面瓦同樣需要。因此，這種需求是從Pre-X TPS系統(tǒng)中派生出來，并從這個(gè)中總結(jié)出來。 （1） 尺寸的面板不小于一個(gè)為800×400平方毫米的等效氣動(dòng)表面 （2） 能夠有能力證明制造一個(gè)最小角為15度的非矩形傳感模式作為是必要的，在空氣動(dòng)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(biāo)質(zhì)量為15Kg平方米，面板本身重量應(yīng)該小于2.3公斤。 （4） 當(dāng)固定在一個(gè)代表一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，迎風(fēng)面能夠經(jīng)受最嚴(yán)重的熱通量和機(jī)械載荷?？蓞⒖紵嵬咳鐖D3所示 （5） 進(jìn)化的通量在通用的瓦面派生的比例參考通量。這種進(jìn)化如圖4所示。在這個(gè)通量之下，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該保持在低于150度的環(huán)境下。 圖3 圖4 機(jī)械加載指定面板: （1）覆狀瓦的元素在返回大氣層是的內(nèi)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(jī)的面板是一樣的。 （3）15 g的動(dòng)態(tài)載荷做靜態(tài)加速度在面板平面猶如正常飛機(jī)表面10g的加速度。聲頻譜源自阿麗亞娜5 （4）飛行負(fù)載,如采用熱力負(fù)荷和變形的冷結(jié)構(gòu) 4、面板設(shè)計(jì) 為了達(dá)到上述要求和考慮到制造過程，設(shè)計(jì)平面如圖5和圖6 已經(jīng)確定的加強(qiáng)筋需要考慮三個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械的公式。然而，本需要建立九個(gè)附著點(diǎn)通過采用有限元熱機(jī)械分析可以獲得。此外，已經(jīng)考慮到兩個(gè)相鄰的面板之間的接口設(shè)計(jì)。 （1）步驟和間隙的減少，特別是由于相對(duì)熱機(jī)械位移 （2）允許集成從外部訪問的能力和拆卸 這導(dǎo)致了一個(gè)兩瓦的概念設(shè)計(jì)，可以參考圖7 最后，為了增加盡可能多的制造工藝驗(yàn)證，設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了進(jìn)展。這就是為什么制造的面板的皮膚由兩個(gè)單獨(dú)的紡織部分縫合在一起。為這個(gè)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(gè)紡織鏈接技術(shù)被用于組裝加強(qiáng)筋皮膚：編織和縫合。 圖5 圖6 圖7 5。附件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了將面板附加到車輛結(jié)構(gòu)，一種靈活附件系統(tǒng)已被設(shè)計(jì)。這系統(tǒng)能夠履行下列職能： （1） 機(jī)械性安裝面板到該結(jié)構(gòu)上 （2） 使擴(kuò)張面板之間的差異結(jié)構(gòu)靈活的對(duì)接。 （3） 通過足夠的剛度，防止大的外模線變形。 （4） 參與熱保護(hù)的結(jié)構(gòu) （5） 在不看見的情況系，通過一個(gè)小孔安裝和拆卸而又不丟失零件。 （6） 從面板的結(jié)構(gòu)傳遞載荷。 為了滿足這些需求，用對(duì)峙的解決方案提供了兩個(gè)軸的靈活性特點(diǎn)的問題。然后，這?對(duì)峙機(jī)械地固定到結(jié)構(gòu)，同時(shí)盡量減少傳熱。這意味著需要熱墊圈部件。由于溫度。零件擴(kuò)大不同時(shí)，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(gè)系統(tǒng)，固定到其中一個(gè)零（面板或?qū)χ藕徒Y(jié)構(gòu)）在裝配前已經(jīng)被設(shè)計(jì)好。將所得配置顯示在圖8. 6。面板組件制造 兩個(gè)面板在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上制造。一個(gè)被切斷，在特定的地方進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證這些特殊性，和進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)的瓦。第二個(gè)保持完整并是目前用于測(cè)試。該制造過程說明如下。 開始生產(chǎn)制造的碳纖維碳前體增強(qiáng)執(zhí)行。這執(zhí)行根據(jù)上一層的多層機(jī)織物。可組裝，編織，導(dǎo)致在一個(gè)自加筋板。這些面板的成型上的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料模塑的承受至少為所需要的溫度進(jìn)行硬化過程。這允許減少熱模具和零件之間的膨脹系數(shù)不匹配，可以出現(xiàn)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(yù)成型體硬化。講CVI致密化添加到碳化硅基中，在一個(gè)簡(jiǎn)單的石墨框架持有的部分。粉碎后，內(nèi)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(hù)涂層（圖9） 紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)任何潛在的缺陷。如圖10所示 除了在局部缺乏的預(yù)成型體的密實(shí)，沒有遇到缺陷。雖然略顯不足，整體密度的部分是正確的預(yù)期。 圖8 圖9 壓實(shí)效率的改進(jìn)模具和較高的整體密度將實(shí)施在未來的生產(chǎn)。 采購(gòu)的附件系統(tǒng)，基于設(shè)計(jì)這里提出上述。絕緣為市售現(xiàn)成的殼二氧化硅/氧化鋁。該在面板周圍的密封件的基礎(chǔ)上填充到二氧化硅/氧化鋁Nextel的封套內(nèi)，并且被專門制造的瓦的幾何形狀。 最后，采購(gòu)各種試驗(yàn)所需的金屬支撐結(jié)構(gòu)，為了能夠正確的與測(cè)試設(shè)施接口，和其余的代表真正的冷散熱片結(jié)構(gòu)的熱測(cè)試，和一個(gè)比較剛性的動(dòng)態(tài)測(cè)試。 7。面板的機(jī)械試驗(yàn) 在面板與其他組件上，一個(gè)機(jī)械壓力測(cè)試已經(jīng)進(jìn)行了。此測(cè)試的目的是驗(yàn)證下單獨(dú)面板的行為代表性加載。靈活的附件是不是包括但被認(rèn)為是一個(gè)無(wú)限剛性的條件。 為了考慮到測(cè)試的具體的有限元預(yù)測(cè)已執(zhí)行的測(cè)試和系數(shù)為1.3的負(fù)載應(yīng)用程序上被認(rèn)為是必要的，以具有代表性的航班，飛行機(jī)械負(fù)載。 可以預(yù)見校準(zhǔn)到50 mbar時(shí)，測(cè)試應(yīng)用cability的面板材料，從而作出一個(gè)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(huì)導(dǎo)致的結(jié)論是觀察到的氣流通過的材料孔隙率在校準(zhǔn)過程中，在測(cè)試過程中可能達(dá)到130毫巴。泄漏的一個(gè)重要部分是從局部缺乏壓實(shí)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(dǎo)率的材料。此磁導(dǎo)率有助于減少在飛行中的重入壓力差，因此，它的值的測(cè)量可以幫助評(píng)價(jià)與當(dāng)前的設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)裕度的增加。 后人為間擰緊系統(tǒng)與內(nèi)部增量加載應(yīng)用程序進(jìn)行到130毫巴，100毫巴代表性在飛行中的柔性膜（圖11） 經(jīng)過測(cè)試無(wú)故障的面板進(jìn)行了觀察。本地?fù)p害被觀察到約90毫巴，這是與前階段進(jìn)行的測(cè)試一致。然而，分析是保守的，相比試過程中的全局行為。 測(cè)得的位移低于預(yù)測(cè)的和測(cè)得的應(yīng)變也較低，如圖12和13所示 圖10 圖11 圖12 圖13 例如，預(yù)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(yù)計(jì)在大約107毫巴，并沒有出現(xiàn)。 此外，測(cè)試結(jié)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(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)期在飛行中的皮膚的最大撓度是不超過3.7毫米的與當(dāng)前的幾何形狀，對(duì)應(yīng)于約2％的波度。導(dǎo)致面板皮膚的安全邊際大于0.86?？蚣芙菂^(qū)域，安全邊際是一個(gè)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(gè)非常消極的安全邊際：確定后，設(shè)計(jì)活動(dòng)，將需要額外的附著點(diǎn)，如果指定的壓力水平被確認(rèn)。被執(zhí)行的行為的成品評(píng)價(jià)過程中的熱機(jī)械測(cè)試后分析。 8。動(dòng)態(tài)測(cè)試 IABG測(cè)試中心在德國(guó)已經(jīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。這些測(cè)試都是基于通用瓦的動(dòng)態(tài)加載，測(cè)試活動(dòng)有以下目標(biāo)： （1）提供信息并沒有在絕緣上的模態(tài)特性的面板組件， 驗(yàn)證裝配到一個(gè)給定的動(dòng)態(tài)頻譜，組成不同的動(dòng)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(yàn)證裝配到一個(gè)給定的聲譜。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題目 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（整體車架設(shè) 計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)安全系統(tǒng)及座椅附件設(shè)計(jì)） 2013年 5月 30 日 34 方程式賽車整體車架設(shè)計(jì) 摘 要 FSAE賽車是一項(xiàng)以大學(xué)生為對(duì)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(shè)計(jì)。由于是為比賽而設(shè)計(jì)的賽車車架，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮賽事技術(shù)規(guī)范。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)就是為FSAE賽車設(shè)計(jì)車架。賽車的車架設(shè)計(jì)必須要考慮賽車發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛員的布置以及賽車各個(gè)總成的布置。又由于賽車車架是賽車的主要受力結(jié)構(gòu)，賽車上的幾乎所有的結(jié)構(gòu)以及部件都是有車架直接或者間接支撐，所以車架的結(jié)構(gòu)一定要合理，同時(shí)強(qiáng)度剛度必須達(dá)到一定的要求。 在車架設(shè)計(jì)之初，要將大賽的有關(guān)規(guī)定和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)完全掌握，對(duì)各部件該怎么布置，布置在什么方位有一個(gè)清晰的規(guī)劃。同時(shí)為了使以后的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，我參考了天津大學(xué)、湖南大學(xué)以及部分國(guó)外的車架。進(jìn)入設(shè)計(jì)階段后，在對(duì)比了車架的結(jié)構(gòu)形式后，選擇了桁架式的車架。根據(jù)強(qiáng)度要求，選擇車架的材料。在確定了懸架的安裝位置后，依據(jù)技術(shù)規(guī)范、賽車的整體布置、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)使整體各個(gè)系統(tǒng)能合理的布置在車架上，直至使車架結(jié)構(gòu)滿足各個(gè)方面的要求。在幾套車架結(jié)構(gòu)基本定型以后，開始對(duì)車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析、優(yōu)化以及對(duì)比，選擇結(jié)構(gòu)合理質(zhì)量最輕的車架。 關(guān)鍵詞：FSAE，車架，技術(shù)規(guī)范，發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guó)外Formula SAE簡(jiǎn)介 1 §1.2 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車簡(jiǎn)介 2 第二章 車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(duì)賽車車架的要求 3 §2.2 車架的計(jì)算 4 §2.3 車架綜合實(shí)驗(yàn)要求 4 §2.3.1 車架的應(yīng)力測(cè)定 5 §2.3.2 車架的剛度測(cè)定 5 §2.3.3 可靠性與耐久性臺(tái)架試驗(yàn) 5 §2.3.4 隨整車進(jìn)行的可靠性道路試驗(yàn)或試車場(chǎng)試驗(yàn)以及使用試驗(yàn) 5 第三章 車架類型方案的對(duì)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(jié)構(gòu) 8 §4.1 車架材料的材料力學(xué)分析 8 §4.2 方程式賽車車架材料的技術(shù)規(guī)范要求 8 §4.3 車架材料的選擇 9 §4.4 賽車車架的結(jié)構(gòu) 10 §4.5 車架應(yīng)力的消除 10 第五章 大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計(jì) 11 §5.1 賽車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 §5.2 賽車駕駛艙的設(shè)計(jì) 14 §5.3 賽車各個(gè)系統(tǒng)及零部件在車架上的安裝位置的設(shè)計(jì) 15 §5.3.1 懸架系統(tǒng)的安裝位置的設(shè)計(jì) 15 §5.3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝位置的設(shè)計(jì) 17 §5.3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 18 §5.4 安全系統(tǒng)的要求 18 第六章 賽車車架的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化 21 §6.1 車架在實(shí)際環(huán)境下的受力 21 §6.2 車架的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì) 26 §7.1 人性化座椅設(shè)計(jì) 26 §7.1.1 系統(tǒng)中人和機(jī)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(shè)計(jì) 30 §7.2.1 座椅強(qiáng)度的設(shè)計(jì) 30 §7.2.2 座椅結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì) 30 §7.3 座椅蒙皮、椅墊阻燃設(shè) 31 第八章 結(jié) 論 32 參考文獻(xiàn) 33 致 謝 34 第一章 賽車概述 §1.1 國(guó)外Formula SAE簡(jiǎn)介 Formula SAE，是由各國(guó)SAE，即汽車工程師協(xié)會(huì)舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個(gè)月以內(nèi)的本科生或研究生舉辦的一項(xiàng)學(xué)生方程式賽車比賽，要求在一年的時(shí)間內(nèi)制造出一輛在加速、剎車、操控性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)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(xiàng)目業(yè)余休閑賽車。自1981年創(chuàng)辦以來，F(xiàn)SAE已發(fā)展成為每年由7個(gè)國(guó)家舉辦的9場(chǎng)賽事所組成，并有數(shù)百支來自全球頂級(jí)高校的車隊(duì)參與的青年工程師盛會(huì)。 SAE方程式（Formula SAE）系列賽源于1978年。第一次比賽于1979年在美國(guó)波斯頓舉行，13支隊(duì)伍中有11支完賽。當(dāng)時(shí)的規(guī)則是制作一臺(tái)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(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為給車隊(duì)最大的設(shè)計(jì)彈性和自我表達(dá)創(chuàng)意和想象力的空間，在整車設(shè)計(jì)方面將會(huì)限制很少。賽前車隊(duì)通常用8至12個(gè)月組的時(shí)間設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試和準(zhǔn)備賽車。在與來自世界各地的大學(xué)代表隊(duì)的比較中，賽事給了車隊(duì)證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機(jī)會(huì)。 Formula SAE 向年輕的工程師們提供了一個(gè)參與有意義的綜合項(xiàng)目的機(jī)會(huì)。由參與的學(xué)生負(fù)責(zé)管理整個(gè)項(xiàng)目，包括時(shí)間節(jié)點(diǎn)的安排，做預(yù)算以及成本控制、設(shè)計(jì)、采購(gòu)設(shè)備、材料、部件以及制造和測(cè)試。Formula SAE 為在傳統(tǒng)教室學(xué)習(xí)中的學(xué)生提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的工程經(jīng)歷。Formula SAE 隊(duì)員在這個(gè)過程中將會(huì)經(jīng)受考驗(yàn)，面對(duì)挑戰(zhàn)，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力。目前美國(guó)、歐洲和澳大利亞每年都會(huì)定期舉辦該項(xiàng)賽事。比賽由三個(gè)主要部分組成：工程設(shè)計(jì)、成本以及靜態(tài)評(píng)比；多項(xiàng)單獨(dú)的性能試驗(yàn)；高性能耐久性測(cè)試。為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計(jì)人員。某一制造公司聘請(qǐng)他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)、制造和論證一輛用來評(píng)估該公司某一量產(chǎn)項(xiàng)目的原型車。預(yù)期的銷售市場(chǎng)是周末業(yè)余汽車比賽。因此，該車必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)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(chǎng)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(jì)劃每天生產(chǎn)四輛該型車, 并要求原型車實(shí)際耗資應(yīng)低于2.5萬(wàn)美元（該規(guī)則09年已經(jīng)取消）。設(shè)計(jì)小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和組裝一輛滿足各種要求的車。各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將作為競(jìng)賽比較和評(píng)判的內(nèi)容。 §1.2 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車簡(jiǎn)介 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（簡(jiǎn)稱“中國(guó)FSC”）是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)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(duì)員能充分將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐中。同時(shí)，還學(xué)習(xí)到組織管理、市場(chǎng)營(yíng)銷、物流運(yùn)輸、汽車運(yùn)動(dòng)等多方面知識(shí)，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，成為符合社會(huì)需求的全面人才。 目前，中國(guó)汽車工業(yè)已處于大國(guó)地位，但還不是強(qiáng)國(guó)。從制造業(yè)大國(guó)邁向產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)已成為中國(guó)汽車人的首要目標(biāo)，而人才的培養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)目標(biāo)的基礎(chǔ)保障之一。 大學(xué)生方程式賽車活動(dòng)將以院校為單位組織學(xué)生參與，賽事組織的目的主要有： 1、是重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、制造能力、成本控制能力和團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力，使學(xué)生能夠盡快適應(yīng)企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺(tái)； 2、是通過活動(dòng)創(chuàng)造學(xué)術(shù)競(jìng)爭(zhēng)氛圍，為院校間提供交流平臺(tái)，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)科建設(shè)的提升； 大賽在提高和檢驗(yàn)汽車行業(yè)院校學(xué)生的綜合素質(zhì)，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,增進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研三方的交流與互動(dòng)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(xiàn)優(yōu)秀人才和創(chuàng)意 想法的機(jī)會(huì)。 第二章 車架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜述 §2.1 車架的功用與要求 §2.1.1 車架的功用 大學(xué)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(gòu)件，其功用是支撐發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速、底盤和車身各主要總成的安裝機(jī)體，同時(shí)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(yīng)有足夠的彎曲強(qiáng)度，以使裝在其上的有關(guān)機(jī)構(gòu)之間的相對(duì)位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身變形量較??；車架也應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，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(nèi)不應(yīng)有嚴(yán)重變形或者開裂。車架剛度不足會(huì)引起震動(dòng)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(qiáng)度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以較少整車質(zhì)量。從被動(dòng)安全性考慮車架應(yīng)具有吸收撞擊能力的特點(diǎn)，此外，車架設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮大學(xué)生方程式賽車技術(shù)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(cè)裝置的懸架伸出長(zhǎng)度來看，希望盡可能增大車架寬度，從簡(jiǎn)化制造工藝和避免縱梁寬度轉(zhuǎn)折處引起應(yīng)力集中而導(dǎo)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(xué)生方程式賽車應(yīng)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(dān)了車架受力的大部分，而車架橫梁將左右縱梁連接起來，構(gòu)成一個(gè)框架，不僅用來保證車架的扭轉(zhuǎn)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(duì)賽車車架的要求 1、車架應(yīng)滿足大學(xué)生方程式賽車技術(shù)規(guī)范的要求 2、車架應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，保證在各種工況下長(zhǎng)期使用不致發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。 3、具有足夠的剛度，車架應(yīng)保證賽車的正常使用，固定在車架上的各個(gè)總成和部件的相對(duì)位置變化較小，使它們能正常工作。另一方面，當(dāng)車輛在不平道路上行駛時(shí)，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(zhuǎn)剛度不宜過高。 4、車架質(zhì)量要輕，在保證強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡量較少車架質(zhì)量以減低材料消耗，制造成本和提高使用的經(jīng)濟(jì)性。 5、結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，便于制造。此外，簡(jiǎn)單有效地車架能使車架的質(zhì)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(jì)算 大學(xué)生方程式賽車車架具有一定的強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度，其車架計(jì)算的主要任務(wù)是： 1、確定賽車滿載時(shí)在不平度很小的平坦路面上以需要考慮動(dòng)載荷的足夠高的車速行駛時(shí)，車架元件的應(yīng)力。 2、確定車架上所有元件中應(yīng)力最大的元件，以及其危險(xiǎn)截面。 3、確定各個(gè)系統(tǒng)與車架相連接位置的應(yīng)力是否滿足要求。 為了不僅評(píng)價(jià)車架的柔度以及作用在車元件上的應(yīng)力，而且要弄清變形和應(yīng)力突變處的危險(xiǎn)截面以及它們沿車架長(zhǎng)度的變化情況，則應(yīng)對(duì)通過特征點(diǎn)的一系列橫向平面處的車架撓度、扭轉(zhuǎn)角和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果最好能用沿車架長(zhǎng)度繪制出的撓度、轉(zhuǎn)角和應(yīng)力圖表達(dá)出來。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將車架看做平面結(jié)構(gòu)，而車架縱、橫元件的交接處的交角認(rèn)為是剛性的且認(rèn)為車架元件在兩結(jié)點(diǎn)之間的全長(zhǎng)的慣性矩不變，并取為該元件慣性矩的平均值。 最簡(jiǎn)單的車架的計(jì)算，是在對(duì)稱載荷（彎曲）作用下簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單元件的應(yīng)力。 在反對(duì)稱載荷(彎曲)作用下，車架是一個(gè)靜不定系統(tǒng)，用材料力學(xué)教程中的一些方法求解著一靜不定關(guān)系統(tǒng)各個(gè)元件的應(yīng)力和變形時(shí)計(jì)算十分復(fù)雜，工作量很大。然而，如果對(duì)系統(tǒng)作某些假設(shè)則可使計(jì)算簡(jiǎn)化。 §2.3 車架綜合實(shí)驗(yàn)要求 車架的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：應(yīng)力測(cè)定、剛度測(cè)定、可靠性測(cè)定與耐久性臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)、隨整車進(jìn)行的可靠性道路試驗(yàn)或者試車場(chǎng)試驗(yàn)以及使用試驗(yàn)等。 §2.3.1 車架的應(yīng)力測(cè)定 對(duì)車架的應(yīng)力測(cè)定可以較快的得出其應(yīng)力分布情況，找出薄弱環(huán)節(jié)和產(chǎn)生的原因以及改進(jìn)后的效果。除了進(jìn)行靜彎曲和靜扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力測(cè)定外，還以整車在道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上、試車場(chǎng)以及在使用條件下進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定。這對(duì)車架的設(shè)計(jì)定型很有指導(dǎo)作用。 §2.3.2 車架的剛度測(cè)定 包括對(duì)車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定車架的彎曲剛度時(shí)，是在前后軸處設(shè)置剛性支撐并模擬實(shí)際負(fù)荷情況下加載。測(cè)定車架的扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，因注意車架在試驗(yàn)臺(tái)上的緊固情況，以避免試驗(yàn)裝置對(duì)其剛度產(chǎn)生影響，也要明確試驗(yàn)條件，并測(cè)出裝置這些有關(guān)條件前后即在不同實(shí)驗(yàn)條件下的剛度變化情況， §2.3.3 可靠性與耐久性臺(tái)架試驗(yàn) 包括車架的彎曲疲勞試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)、等副度試驗(yàn)臺(tái)是較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置，有機(jī)械式、液壓式和激振式，常用作進(jìn)行車架的對(duì)比試驗(yàn)，程控疲勞試驗(yàn)臺(tái)能更好的模擬車架在實(shí)際使用中的載荷，后者常用于整車狀態(tài)下的疲勞試驗(yàn)。 §2.3.4 隨整車進(jìn)行的可靠性道路試驗(yàn)或試車場(chǎng)試驗(yàn)以及使用試驗(yàn) 讓滿載的賽車行駛于試車場(chǎng)專門路段上來進(jìn)行車架的彎曲疲勞試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。 隨著優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性道路設(shè)計(jì)與有限元分析等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與分析技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)車架進(jìn)行多方案的分析和優(yōu)選，可使試驗(yàn)費(fèi)用減到較低程度，但車架設(shè)計(jì)的最終評(píng)價(jià)仍要以試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。 第三章 車架類型方案的對(duì)比與分析 賽車車架是賽車的主體結(jié)構(gòu)，它為其它部件，如懸架、發(fā)動(dòng)機(jī)、座椅、踏板、傳動(dòng)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(gè)車身的外殼本事就屬于車架的一部分。所以它不同于傳統(tǒng)的梯形車架或者管式車架，需要在車架外包裹外殼。 事實(shí)上，按嚴(yán)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(tái)，其余的如車頂、側(cè)板大小各異，所有的板件都是由高壓壓模機(jī)壓制出來的，利用機(jī)械臂做電焊處理，有的甚至使用激光焊接技術(shù)。整個(gè)制作過程短至數(shù)分鐘便可宣告完成。 因此，一體式車架主要為了適應(yīng)高度機(jī)械化的流水生產(chǎn)作業(yè)大量生產(chǎn)，這樣做可以大大的降低生產(chǎn)成本。而且一體式車架先天擁有良好的撞擊保護(hù)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(duì)車架行駛的剛性也有所幫助。其次，一體式車架能夠預(yù)留用以吸收撞擊能量的褶皺區(qū)外，車架本身的包裹式構(gòu)造還可以將褶皺區(qū)域吸收不完的能力經(jīng)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(duì)乘客造成嚴(yán)重的創(chuàng)傷！相對(duì)于其他的車架構(gòu)造，一體式車架沒有高而闊的門欖、防滑動(dòng)支撐架和大型的傳動(dòng)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(chǎn)前的配套投資極其龐大，不適合小批量生產(chǎn)。另外一個(gè)明顯的缺陷就是一體式車架因?yàn)槭褂么罅康慕饘?，重量偏高。外殼的作用主要是用來營(yíng)造理想的空間效果，而車架的設(shè)計(jì)主要由金屬鋼片構(gòu)成，雖然鋼片已經(jīng)作了開坑的加強(qiáng)韌度處理，但是在物理結(jié)構(gòu)上的剛度，特別是非水平扭動(dòng)，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(xiàn)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(zhì)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(jiān)固的車身，再將發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架等機(jī)械零件直接安裝在車身上。這個(gè)車身承受所有的載荷，充當(dāng)車架，所以準(zhǔn)確稱呼應(yīng)為“無(wú)車架結(jié)構(gòu)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(jīng)沖壓、焊接而成，對(duì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的要求都很高。成型的車架是個(gè)帶有坐艙、發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)外賽車車架的主流，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)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(xiàn)代化的大批量生產(chǎn)。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(duì)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(yīng)（正式學(xué)名是“操作響應(yīng)性”），而且傳遞的震動(dòng)、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(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)工藝都復(fù)雜，故其主要用于大批量生產(chǎn)。但是對(duì)于中國(guó)大學(xué)生方程式賽車雖然可以采用共用平臺(tái)策略，但所謂的“共用平臺(tái)”能共用的只是懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)底盤部件，單體式車架由于必須與車身形狀吻合，對(duì)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(shí)與小規(guī)模生產(chǎn)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(jié)構(gòu) §4.1 車架材料的材料力學(xué)分析 車架的材料應(yīng)具有足夠的屈服極限和疲勞極限，低的應(yīng)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(guān)。拉伸尺寸較大或形狀復(fù)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(fù)雜的沖壓件常采用強(qiáng)度較高且冷沖壓時(shí)不宜沖壓和回彈的的材料。鋼材在冷沖壓成型后，其疲勞強(qiáng)度降低，靜強(qiáng)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(qiáng)度一般為140～160MPa。 同時(shí)，由于車架是一個(gè)大型的焊接件，選擇材料時(shí)要考慮材料的可焊接性。 §4.2 方程式賽車車架材料的技術(shù)規(guī)范要求 根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，大學(xué)生方程式賽車車架的基準(zhǔn)鋼鐵材料的最低材料要求。賽車的基本結(jié)構(gòu)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(yīng)滿足下文所述）： 表3-1 基準(zhǔn)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(cè)防撞結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(cè)防撞結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)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(duì)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(shù)規(guī)范中要求必須用鋼材，而考慮到材料的材料力學(xué)性能以及技術(shù)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(zhì)量，在滿足技術(shù)規(guī)范的要求下，應(yīng)盡可能的用小的外徑和壁厚，但同時(shí)必須滿足車架的強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度等力學(xué)性能。這一部分在下文中會(huì)有詳盡敘述，這里不再簡(jiǎn)述。 §4.4 賽車車架的結(jié)構(gòu) 賽車車架采用的是桁架結(jié)構(gòu)，其作用是為賽車所有其他部件的連接基礎(chǔ)，同時(shí)通過前、中、后防滾架的設(shè)計(jì)對(duì)駕駛艙提供保護(hù)?？臻g桁架結(jié)構(gòu)是一種十分傳統(tǒng)的也是在比賽中最為常見的車架。 §4.5 車架應(yīng)力的消除 對(duì)于車架這種大型焊接件采用自然時(shí)效、回火時(shí)效來消除焊接應(yīng)力收效甚微，必須采用共振時(shí)效來消除或者降焊接應(yīng)力，具體措施如下：用一臺(tái)振動(dòng)頻率為50～90 Hz，激振力可達(dá)500～900 KN的機(jī)械激振器，將車架放在大與車架的平臺(tái)上，用彈性墊將其支撐牢固，最佳支撐位置在振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)上。并將激振器牢固地安裝在車架上，其位置應(yīng)選在振峰附近，而不能裝在節(jié)點(diǎn)附近，開動(dòng)激振器，調(diào)節(jié)頻率，當(dāng)與工作頻率一致時(shí)，引起共振；通過改變激振器的偏心距來調(diào)節(jié)激振力，對(duì)車架來說應(yīng)力應(yīng)控制在50～100 N/mm2范圍內(nèi)，一般需要維持共振狀態(tài)15～20min。通常對(duì)于較輕的賽車車架，可采用并聯(lián)或聯(lián)法放在平臺(tái)上進(jìn)行。 第五章 大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計(jì) 車架設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是將車手、發(fā)動(dòng)機(jī)和懸架連接點(diǎn)安排在它們各自理想的位置上。這些系統(tǒng)決定了車架最基本的結(jié)構(gòu)和形狀?？臻g框架結(jié)構(gòu)的車架制造成本低，方便維護(hù)，同時(shí)比較適合承受集中載荷。懸架和車架的連接點(diǎn)、搖臂盤、以及其他受力點(diǎn)都盡可能地布置在靠近車架節(jié)點(diǎn)地位置，以便減小應(yīng)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(zhì)量所表現(xiàn)出來的強(qiáng)度。 大學(xué)生方程式賽車的車架是賽車的整體外形框架，它的設(shè)計(jì)的可以很大程度的決定賽車的外形特征，個(gè)性、美化的車架加上車身很容易給人以震撼的感覺，同時(shí)也更容易給人以好感。但是，大學(xué)生方程式賽車車架的設(shè)計(jì)同時(shí)也必須考慮一定的因素:必須滿足駕駛艙以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)系統(tǒng)如懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等的要求，必須滿足賽車安全系統(tǒng)等等的要求。 §5.1 賽車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 賽車整體結(jié)構(gòu)對(duì)賽車車架的設(shè)計(jì)有很大影響。賽車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須考慮賽車整體結(jié)構(gòu)的布置：駕駛艙的布置，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)防滾架以及必要的支撐包圍的結(jié)構(gòu)，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(wú)縫碳素鋼管彎制而成，安裝時(shí)一根一根按照車廂內(nèi)部的輪廓進(jìn)行連接或焊接的。如果去掉車身外殼，所看見的就是一個(gè)由數(shù)根鋼管搭建的金屬籠子。防滾架所用的鋼管材質(zhì)和抗扭曲度是根據(jù)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(chǎng)地賽的路面較平，基本沒有落差，相比之下在野外進(jìn)行的拉力賽和越野賽更容易發(fā)生翻車事故，車身?yè)p壞就會(huì)大一些。因此拉力賽車和越野賽車防滾架的強(qiáng)度（強(qiáng)度和場(chǎng)地賽沒分別）更高，管件構(gòu)造更密集。賽車的防滾架，除了應(yīng)付意外情況以外，還可以起到增強(qiáng)車身強(qiáng)度和抗扭曲度的作用。因?yàn)榉罎L架的焊接固定均是選取車身底盤比較堅(jiān)固、承重的位置，比如底盤框架鋼梁，以及前后避震器座。對(duì)于賽車來說，原裝的車廂就好像是一個(gè)盒子，在激烈操控的時(shí)候很容易發(fā)生扭曲變形，而防滾架撐起的骨架比車廂堅(jiān)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(huì)分散一部分到防滾架上，對(duì)車體就起到了很好的保護(hù)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(shí)，應(yīng)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(hù)欄、支撐杠（B柱間的主框架）、允許使用的加強(qiáng)支撐杠在與車體連接固定時(shí)，必須盡可能選擇車體堅(jiān)固受力的地方，其固定點(diǎn)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(shè)不易燃的柔性防護(hù)墊。另外，必須使用冷彎法制作防滾護(hù)欄的拐角處，如鋼管在彎曲時(shí)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(yán)重事故時(shí)，即使車身外部慘不忍睹，車內(nèi)的車手也會(huì)安然無(wú)恙。 圖 4-1 賽車車架的基本結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)度方向上,發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)縱置，鏈傳動(dòng)的形式，因此，賽車車架主環(huán)到后軸的距離至少為610mm。當(dāng)采用鏈傳動(dòng)時(shí)，為了較好的傳動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭盤的中線到后軸中線的水平距離至少為255mm，由發(fā)動(dòng)機(jī)的形式，發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭盤面到發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)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(xué)，65Kg，165mm的人以自然的駕駛姿勢(shì)駕駛時(shí)，腳尖距離后背最后點(diǎn)的距離大致為1100mm。另外，制動(dòng)踏板以及制動(dòng)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(zhǎng)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(nèi)架上200mm,可以使加工安裝時(shí)的預(yù)備尺寸更加合理，車架的長(zhǎng)度約為2630mm。 寬度方向上，內(nèi)操縱艙必須能讓一個(gè)自由垂直的橫斷面如4.3的模板水平通過，故內(nèi)操縱艙車架最窄處應(yīng)至少為350mm。主環(huán)底部，至少大于發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度尺寸587mm，考慮到油箱和水箱放置于發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)，故主環(huán)應(yīng)留有約為650mm的寬度，暫定為660mm。 高度方向上，安裝懸架位置點(diǎn)，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(shì)駕駛時(shí)坐高約為850mm，而且主環(huán)最高點(diǎn)與前環(huán)最高點(diǎn)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(dòng)機(jī)模型 圖4-3 內(nèi)駕駛艙檢測(cè)板 §5.2 賽車駕駛艙的設(shè)計(jì) 駕駛艙的設(shè)計(jì)主要使駕駛員有一個(gè)相對(duì)安全的的環(huán)境，同時(shí)駕駛艙是駕駛員操縱車輛的地方，駕駛艙太小的話會(huì)影響駕駛員的操縱靈活性。如果長(zhǎng)時(shí)間坐于過小的駕駛艙會(huì)對(duì)駕駛員的身體有一定程度的損害；駕駛艙過大的話既浪費(fèi)了材料，又增加了車重。因此，駕駛艙的設(shè)計(jì)對(duì)賽車車架的設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。 駕駛艙的要求至少能讓65Kg，165mm人體坐進(jìn)去。同時(shí)大賽規(guī)則要求，必須滿足一標(biāo)準(zhǔn)版，如圖4.4，被水平拖著，并且垂直插入直到它穿過側(cè)防撞結(jié)構(gòu)的頂部管件的底部。 圖4-4 駕駛艙檢測(cè)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(cè)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(nèi)艙為駕駛員操縱制動(dòng)系統(tǒng)以及傳動(dòng)系統(tǒng)的地方，主要為制動(dòng)踏板和油門、離合器踏板。人體自然駕駛時(shí)腳尖距離后背最后點(diǎn)約為1100mm；有技術(shù)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(gè)系統(tǒng)及零部件在車架上的安裝位置的設(shè)計(jì) 車架是賽車的整體框架，賽車的各個(gè)系統(tǒng)都在車架上直接或者間接固定，各個(gè)系統(tǒng)的布置位置都有一定的要求。一個(gè)合格的車架必須滿足各個(gè)系統(tǒng)直接或者間接的固定要求。 §5.3.1 懸架系統(tǒng)的安裝位置的設(shè)計(jì) 懸架系統(tǒng)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(wù)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(chǎn)生的承載系統(tǒng)的震動(dòng)，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(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)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(tǒng)與車架焊接位置，很大程度的影響了懸架系統(tǒng)的工作性能，懸架系統(tǒng)對(duì)車架也有相當(dāng)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(gè)前下懸架的焊點(diǎn)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(zhǎng)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(diǎn)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(yīng)在兩根水平的車架管件上，且上部的管件長(zhǎng)度不能少于前上叉臂的張開寬度，下部的安裝管件長(zhǎng)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(gè)后下懸架的焊點(diǎn)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(zhǎng)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(shí)減少車的總長(zhǎng)，可以將叉臂支座固定于車架上的在豎直平面內(nèi)的管件上，且此兩管件的距離應(yīng)滿足叉臂張開寬度的要求。 §5.3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝位置的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變賽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在賽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車架上不同的固定位置不僅對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)向力有影響，而且對(duì)轉(zhuǎn)向的靈敏性有影響。方向盤以及轉(zhuǎn)向柱如圖4-7所示。 大學(xué)生方程式賽車技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，車架前環(huán)與轉(zhuǎn)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(tǒng)的最低點(diǎn)以及其在車架上的安裝位置的高度的影響，前環(huán)應(yīng)高于541mm。又由于轉(zhuǎn)向立柱應(yīng)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(zhuǎn)向柱的固定支座相焊接配合。 圖4-7 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)示意圖 §5.3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 傳動(dòng)系統(tǒng)是位于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車輪之間的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，其基本功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力依次經(jīng)過離合器、變速器、由萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸組成的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置一鍵安裝在驅(qū)動(dòng)橋中的主減速器、差速器和半軸，最后傳給驅(qū)動(dòng)車輪。傳動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)減速增矩、實(shí)現(xiàn)汽車變速和到倒駛、在必要時(shí)中斷動(dòng)力傳遞，同時(shí)還應(yīng)使驅(qū)動(dòng)車輪具有差速作用。 為了主加速器，車架尾部的下部必須設(shè)計(jì)兩根橫桿或者焊接一個(gè)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(yīng)為111.5mm。如圖4-8 圖4-8 主減速器模型圖 §5.4 安全系統(tǒng)的要求 安全系統(tǒng)是駕駛員生命安全的一大重要保障。賽車的安全系統(tǒng)存在于賽車的各個(gè)方面，但主要分為前防撞結(jié)構(gòu)和側(cè)防撞結(jié)構(gòu)。 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(jié)構(gòu)之中，而且，當(dāng)駕駛員的腳接觸制動(dòng)踏板時(shí)，不論從側(cè)面還是前面來看，駕駛員的任意部分都不準(zhǔn)伸出或者高于車架之外。同時(shí)，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(shí)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(nèi)，至少100 mm（3.9 英寸) 高，200 mm(7.8 英寸)寬。3.碰撞時(shí)不能穿透前隔板，前隔板必須要有足夠的厚度和強(qiáng)度，4.技術(shù)規(guī)范中要求，緩沖結(jié)構(gòu)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(shí)，緩沖結(jié)構(gòu)的安裝必須為橫向和垂直載荷提供一個(gè)足夠的卸載路徑，以防偏心和偏軸線的撞擊。。6.技術(shù)規(guī)范中要求，緩沖結(jié)構(gòu)和單體殼的連接，必須通過結(jié)構(gòu)等同性報(bào)告得到審核批準(zhǔn)。7. 如果緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充泡沫，或是成蜂窩結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)內(nèi)。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(jié)，如沒有焊接在一起，則必須用至少四個(gè)8mm8.8 級(jí)螺栓把緩沖結(jié)構(gòu)和前隔板連接在一起。 車架的側(cè)防撞結(jié)構(gòu)主要保護(hù)駕駛員的身體不在撞車時(shí)受到傷害。因此，當(dāng)駕駛員以普通駕駛姿勢(shì)乘坐時(shí)，側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須有至少三根管件位于駕駛員的兩側(cè)，如圖4-9這三根管位置為：上部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)以及前環(huán)相連接，當(dāng)一個(gè)77Kg的駕駛員以普通姿勢(shì)乘坐時(shí)，該管件的位置必須在離地300mm到350mm之間；底部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)和前環(huán)相連接；側(cè)面對(duì)角側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須連接位于主環(huán)前部、前環(huán)后部的上部和下部的側(cè)防撞單元。同時(shí)，翻車時(shí)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(cè)防撞管件的位置 圖4-10 方程式賽車車架初步設(shè)計(jì)模型 綜上，方程式賽車的初步設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)模型如圖4-10所示。對(duì)于賽車的強(qiáng)度和剛度的校核以及賽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)在下面會(huì)有詳盡敘述，這里就不再贅述。 第六章 賽車車架的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化 §6.1 車架在實(shí)際環(huán)境下的受力 車架在實(shí)際環(huán)境下要面對(duì)的4種壓力：（1）負(fù)載彎曲，從字面上就可以十分容易的理解這個(gè)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(gè)壓力，主要會(huì)集中在軸距的中心點(diǎn)。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強(qiáng)的剛度。（2）非水平扭動(dòng)，當(dāng)前后對(duì)角車輪遇到道路上的不平而滾動(dòng)，車架的梁柱便要承受這個(gè)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(shí)重量的慣性（即離心力）會(huì)使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會(huì)和路面形成反作用力，兩股相對(duì)的壓力將車架橫向扭曲。（4）水平菱形扭動(dòng)，因?yàn)檐囕v在行駛時(shí)，每個(gè)車輪因?yàn)槁访婧托旭偳闆r的不同，每個(gè)車輪會(huì)承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這種情況就好像將一個(gè)長(zhǎng)方形拉扯成一個(gè)菱形一樣。 §6.2 車架的結(jié)構(gòu)分析方法 由于Formula SAE 的比賽規(guī)則對(duì)車架的安全性有著非常嚴(yán)格的標(biāo)除了對(duì)所有防滾架、撞擊保護(hù)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(yán)格的規(guī)定以外，對(duì)所選用的材料的種類和規(guī)格也有著很嚴(yán)格的限制?；谶@個(gè)原因，只要是符合Formula SAE 規(guī)則的車架在強(qiáng)度上是不可能出現(xiàn)任何問題的。國(guó)外的Formula SAE 比賽參賽車隊(duì)都需要提交大量相關(guān)的技術(shù)報(bào)告，但關(guān)于車架強(qiáng)度校核的報(bào)告是不需要提交的。車架的強(qiáng)度是通過規(guī)則的相關(guān)規(guī)定來保證的。我們賽車車架設(shè)計(jì)時(shí)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(biāo)準(zhǔn) 25.4mm×2.4mm 低碳鋼管。且樣車的車架設(shè)計(jì)完全符Formula SAE的規(guī)則，所以車架的強(qiáng)度是完全可以保證的。 對(duì)于車架的結(jié)構(gòu)的分析，由于傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算比較復(fù)雜，同時(shí)由于傳統(tǒng)力學(xué)需要建立力學(xué)模型，而理學(xué)模型與實(shí)際的對(duì)象會(huì)有一定程度上的差別，因此，傳統(tǒng)力學(xué)對(duì)對(duì)象的分析會(huì)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(duì)車架的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是五十年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域――飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用起來的一種有效的數(shù)值計(jì)算方法。有限元法分析計(jì)算的思路和作法可歸結(jié)如下： 1、物體離散化 將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各單元組成的計(jì)算模型。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算精度而定。一般情況，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)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(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以，在有限單元法中應(yīng)用最廣。當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，我們就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)，如，中是待定系數(shù)， 是與坐標(biāo)有關(guān)的某種函數(shù)。 （2）分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃嚒? （3）計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個(gè)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(diǎn)上去，也就是用等效節(jié)點(diǎn)力來代替所有作用在單元上的力。 3、單元組集 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)接起來，形成整體有限元方程。式中,K 是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q 是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f 是載荷列陣。 4、求未知節(jié)點(diǎn)位移解有限元方程式得出節(jié)點(diǎn)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(jìn)行單元分析，和則是為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shù)的確定 根據(jù)構(gòu)件的幾何性質(zhì)、載荷情況及所要求的變形點(diǎn)，建立由各單元所組成的計(jì)算模型。再按單元性質(zhì)和精度要求，寫出表示單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移函數(shù)。 2、單元特性分析 根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學(xué)中給出的應(yīng)變和位移關(guān)系，可計(jì)算出應(yīng)變。 3、單元組集 把各單元按節(jié)點(diǎn)組集成與原結(jié)構(gòu)相似的整體結(jié)構(gòu)，得到整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移得到關(guān)系，即整體結(jié)構(gòu)平衡方。 4、解有限元方程 可采用不同的計(jì)算方法解有限元方程，得出各節(jié)點(diǎn)的位移。在解題之前，必須對(duì)結(jié)構(gòu)平衡方程組進(jìn)行邊界條件處理。然后再解出節(jié)點(diǎn)位移。 5、計(jì)算應(yīng)力 在計(jì)算出各單元節(jié)點(diǎn)位移后，即可求出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(qiáng)度比較大的4130鋼，材料的屈服極限為785Mpa，根據(jù)去年學(xué)校參賽賽車的強(qiáng)度分析報(bào)告，4130鋼遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車架上的最大應(yīng)力，因此，車架的強(qiáng)度滿足要求。 §6.6 基于有限元分析方法的碰撞塊分析 根據(jù)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(jí)仿真對(duì)碰撞吸能塊進(jìn)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(jié)構(gòu)的六角形邊長(zhǎng)l = 3.5mm，壁厚t = 0.06mm 。蜂窩結(jié)構(gòu)和鋼板都使用固體建模。 圖5-8 設(shè)定質(zhì)量M=300kg，7m/ s ，碰撞方向?yàn)閆 軸。吸能塊的變形如圖5-9所示。 圖5-8 質(zhì)點(diǎn)加速度圖 5-9 吸能塊重心加速度 對(duì)車輛碰撞來說，最大的加速度應(yīng)該發(fā)生在碰撞初期，如圖5-10，碰撞產(chǎn)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(shè)計(jì)是安全的。 第七章 座椅設(shè)計(jì) 隨著科技的發(fā)展、時(shí)代的進(jìn)步、技術(shù)的更新、節(jié)奏的加快等一系列的社會(huì)與物質(zhì)的因素，使人們更加注重產(chǎn)品的人性化設(shè)計(jì)問題。人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品也就越來越受到大眾的歡迎。汽車座椅作為汽車內(nèi)飾最重要的組成部分之一，越來越受到關(guān)注。人性化的汽車座椅設(shè)計(jì)并不是僅有數(shù)據(jù)符合要求的座椅，它還包括人體機(jī)能、人機(jī)工程、健康設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)及黃金比例等原則。在這些原則的指導(dǎo)下的人體工程學(xué)座椅是功能與美學(xué)的完美結(jié)合。 §7.1 人性化座椅設(shè)計(jì) 人性化產(chǎn)品，就是包含人機(jī)工程的產(chǎn)品。實(shí)際上任何系統(tǒng)都是人機(jī)系統(tǒng)，人機(jī)系統(tǒng)包括人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)方面，人機(jī)工程學(xué)的顯著特點(diǎn)是在認(rèn)真研究人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)要素本身特性的基礎(chǔ)上，不單純著眼于個(gè)別要素的優(yōu)良與否，而是將使用“物”的人和所設(shè)計(jì)的“物”以及人與“物”所共處的環(huán)境作為一個(gè)系統(tǒng)來研究。在人機(jī)工程學(xué)中將這個(gè)系統(tǒng)稱為“人——機(jī)——環(huán)境”系統(tǒng)。在座椅設(shè)計(jì)中應(yīng)科學(xué)地利用三個(gè)要素間的有機(jī)聯(lián)系來尋求系統(tǒng)的最佳參數(shù)。汽車座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設(shè)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(jī)和乘客的重量，衰減或緩和由車身地板傳來的振動(dòng)和沖擊。給司機(jī)一個(gè)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(shè)計(jì)的好壞，將對(duì)汽車的平順性、乘坐舒適性、安全性以及操作方便性等產(chǎn)生很大的影響。這里主要介紹從人機(jī)工程學(xué)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(shè)計(jì)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(diào)整有關(guān)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(jī)工程學(xué)的原理，座椅首先必須能夠承受人們活動(dòng)帶來的各種力量和沖擊。否則就不能充分體現(xiàn)座椅的實(shí)用功能。因此應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)充分了解： §7.1.1 系統(tǒng)中人和機(jī)的職能分工 如何配合；環(huán)境與人相適應(yīng)；機(jī)對(duì)環(huán)境的影響等問題，經(jīng)過不斷修正和完善最終確保系統(tǒng)優(yōu)化組合方案的實(shí)現(xiàn)。這是人機(jī)工程學(xué)為工業(yè)設(shè)計(jì)開拓了新的思路，并提供了獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法和有關(guān)理論依據(jù)。只有座椅的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然狀態(tài)，才會(huì)減少腰椎的負(fù)荷以及腰背部肌肉的負(fù)荷，防止駕駛疲勞發(fā)生。。圖3.2 為各種人體處于不同姿勢(shì)下所產(chǎn)生的腰曲弧線。人體正常腰曲弧線是松弛狀態(tài)下側(cè)臥的曲線，如圖中曲線B 所示。汽車座椅設(shè)計(jì)及其在駕駛室中的布置16軀干挺直坐姿和前彎時(shí)的腰弧曲線會(huì)使腰椎嚴(yán)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(guān)鍵。因此在進(jìn)行汽車座椅設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(yīng)在腰椎部提供所謂兩點(diǎn)支撐。由于第5—6 胸椎高度相當(dāng)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(yīng)于第5—6 胸椎之間，稱其為肩靠。第二支撐設(shè)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(wú)腰靠或腰靠不明顯將會(huì)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(yīng)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(guān)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)的研究成果，合理的體壓分布應(yīng)該是：體重應(yīng)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(yīng)平滑過度，不要突然變化，而應(yīng)根據(jù)各部位在產(chǎn)生不舒適