车架结构设计-0

大学生方程式赛车车架结构设计1、方程式赛车车架结构综述1.1 方程式赛车车架的功用与要求1.1.1 车架的功用大学生方程式赛车车架作为赛车的承载基本是赛车的主要承载构件，其功用是支撑车身各主要总成的安装机体，同时承受这些总成的重力以及其传给车架的各种力和力矩，因此，车架应有足够的弯曲强度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身变形量较小:车架也应有足够的强度，以保证其具有足够的可靠性和寿命，车架主要零件在使用期内不应有严重变形或者开裂。

同时在保证强度、刚度的前提下车架的自身质量应尽可能小，以较少整车质量从被动安全性考虑车架应具有吸收撞击能力的特点，此外，车架设计时，还要考虑大学生方程式赛车技术规范中的要求。

1.1.2车架的要求(1) 车架应满足中国大学生方程式汽车大赛车规则（2016）的要求。

1) 方程式赛车车架应有足够的强度，保证赛车在比赛期间的转弯、制动等各种工况下赛车的零部件不会因受力过大而失效。

2) 保证赛车车架的刚度，包括扭转刚度和抗弯刚度，车架保证赛车正常使用。

另一方面，车架具有一定的柔度，即但车架弯曲扰度（扭转刚度）不宜过大，避免变形过大影响车架上总成的正常配合和各零部件的过早损坏。

3) 车架的整体质量应尽可能的小，有效的降低赛车的整备质量，同时结构简单，便于制造。

4) 赛车还需要适合从第5 百分位的女性到第95 百分位的男性车手驾驶。

5) 车架要有一定的韧性。

(2) 方程式赛车车架的结构设计要求1) 赛车的车架被主环和前环分成三部分。

2) 从侧视图来看，主环斜撑在主环侧倾的一边，在下端通过三角形结构回到主环底部，从而提高车架的稳定性。

前环斜撑延伸到脚部之前，保护脚部。

3) 车架的最前端是前隔板，设计为平面结构，能够吸能缓冲的结构，纵向安装在平而中部，一起保护脚部和腿部。

4) 赛车的侧面为防撞结构，减少侧面撞击时车手受到的伤害。

1.2 赛车车架的结构形式方程式赛车的车架不同于普通汽车，由于方程式赛车的高负荷和极限工况等工作环境使得方程式赛车的车架要求较高。

方程式赛车的车架大致可分为三类(1) 一体式车架一体式车架是将整个的车身外壳作为车架的一部分，车架的外面要包裹外壳，其材料一般选用金属钢或者选用铝与非金属复合材料，通过焊接等方式连接成整体。

一体式车架的板件是由高压压模机压制出来的，并通过机械臂焊接处理，制作仅数分钟便可完成，并且体式车架留有褶皱区域，用于剧烈碰撞时缓冲其所受的压力。

一体式车架先天拥有良好的撞击保护能力，车头及车尾加装副车架有利用吸收冲击力，另一方面对车架行驶刚性也有所帮助，其次一体式车架预留褶皱和包裹式构造用以吸收撞击能量，但一体式车架的资金和技术消耗大，适合大批生产，不适合中小批量生产，所以不适合作为赛车车架。

(2) 单体式复合材料车架单体式车架的意念是用金属制成坚固的车身，再将悬架等机构零件直接装在车身上，这个车身承受所有的载荷，充当车架，又称为整体式或承载式车架通过钢或者铝冲压焊接而成，它将车架与车身合二为一，使赛车轻量化，可利用空间大，重心低。

并且单体式车架将所有部件包括车身，悬架和乘员连成一体，具有较好的操控反应，质量轻并且坚硬，尺寸精确，性能好同时传递振动，噪声都比较少，这是大梁车架不可比拟的。

其结构形式与一体式相同，材料一般选用复合材料使其拥有更高的刚度和强度，其车架的总质量与其它类型相比也是最轻的缺点是这种车架不易修理，制造的价格相对较高，加工和制作较为困难。

(3) 桁架式车架即钢管式车架，桁架式车架是选用很多不同直径的金属管件焊接成一定的空间结构的框架。

此种结构在大学生方程式赛车中较为传统、也最常见，质量较为轻便，并且相对其他两种车架而言，价格相对便宜，可以对本同的车型进行不同的焊接，制作过程较为简单，车架的制作方式一般为焊接和铆接，生产工艺相对简单，并且析架式车架制造成本低，由钢管组合焊接而成的桁架式车架，具有刚度大，强度也能得到保证，对于大学生方程式赛车较为适合。

综合考虑，本方案中选用第三种桁架式车架，材料选用4130高强度钢。

添4130结构钢具有高的强度和韧性，淬透性较高；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。

1.3车架材料(1) 车架技术规范要求根据技术规范要求，大学生方程式车架的基准钢铁材料的最低较要求，赛车的基械结构必须为如下材料制作，圆形，低碳钢或合金钢管（含碳量最小1%），参加比赛车架所使用材料的性能下限不能低于以下值：杨氏模量=200Gpa，屈服强度=305Mpa，极限强度=365Mpa。

直径要求如下表。

表1 基准钢铁材料部件或用途外径*壁厚主环和前环、肩带安装杆25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.50mm侧防撞结构、前隔板、防滚架斜撑、安全带安25.4mm*1.65mm或25mm*1.75mm或25.4mm*1.60mm装杆及其斜撑、电池动力保护结构前隔板、主环斜撑支撑，电车：传动系统部件25.4mm*1.20mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm 备注：使用的合金钢不允许比低碳钢的薄规则中除了主环和主环支架必须用钢材外，其它可以使用替代管件和材料，替代钢管最小壁厚见表2。

表2 最小壁厚要求材料和用途最小壁厚钢管，用于主环、前环、肩带安装杆 2.0mm钢管，用于防滚架斜撑、主环支架斜撑、前隔板1.2mm和侧边防撞结构、前隔板支撑钢管、安全带固定件、高压蓄电池保护、高压驱动系统保护备注1 ：不允许合金钢管件的壁厚比所用的低碳钢的壁厚更薄。

备注 2 ：为了保持相同的屈服强度和极限拉伸强度，必须保持相同的横截面积。

对于替代的另一种材料-铝管的最小壁厚要求为至少3.0mm 。

方程式赛车车架的材料应具有足够的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中和敏感性，良好的冷冲压性和焊接性能。

同时车架的设计应尽可能减轻本身的重量，从而改善赛车的加速性、操纵稳定性、最高车速和燃油经济性等。

表3几种材料的特性材料 屈服强度s δ 抗拉强度b δ 密度g/cm 3 焊接性能 4130# ≧245 ≧410Mpa 7.85 很好 30# ≧295Mpa ≧490Mpa 7.85 一般 45# ≧355Mpa ≧600Mpa 7.85 一般 30CrMo ≧785Mpa ≧930Mpa 7.85 焊后易冷裂 35CrMo ≧835Mpa ≧985Mpa 7.85 焊接性较差Q235 235Mpa ≧205Mpa 7.85 优良 Q345345Mpa≧490Mpa7.85良好对于弯折尺寸较大的主环以及主要支撑车架的主环支架，由于技术规范中要求必须用钢材，通过以上表3几种材较的性能可以看出Q235的塑性和焊接性能能优良，但价格低，比其他和Q345和焊接性能好，但屈服强度低，会导至强度和强度满足不了机械性能，4130的屈服强度大焊接性也较好，因此先用4130高强度钢。

同时为了降低车架的质量，在满足技术规范的要求下，应尽可能用小的外径和壁厚，同时必须满足车架的强度。

同时初步选定车架材较尺寸如表4所示，同时选用氩弧焊。

表4 初步选定车架材较尺寸表部件名称 直径 壁厚 主环、前环 25.4mm 2.4mm 其余管件25.4mm1.65mm1.4车架的研究方法整车的设计和研发中，车价是基础，其结构的特性、强度、刚度、振动频率等。

都会影响整车的性能，例如汽车的动力性、安全性、操控性、共振性等等，因此确保车架的结构稳定性尤为重要。

(1) 理论实验法理论实验法是以理论设计计算为基础，按照试验的数据，公式，图表等进行设计，理论系试验计算复杂，设计周期长，资金消耗大，受人为因素的影响较大，其设计结果与设计意图偏离较大。

(2) 经验法经验法是也长期的设计经验为依据，通过类比近似的数值来对车架的结构进行设计，经验设计法是凭借设计者长期积累的经验来设计方案。

因此设计方案受设计者的影响较大，结果常使车架结构不均衡，材料运用不够合理，动力性不足，车架总质量大。

(3) 有限元法在对车架的研发设计时，通过有限元软件对车架的强度刚度进行分析，通过有限元分析优化，车架是车架结构，布局合理，性能更优，车架材料使用少，质量轻，提高整车的性能。

2、方程式赛车车架设计2.1 车架整体结构及总体结构要求2.1.1车架整体结构组成赛车车架整体设计必须考虑赛车整体结构的布置：驾驶舱的布置、转向系、制动系、悬架的布置，轴距，轮距的大小等。

如图1所示为车架基本结构组成。

如图1所示，车架总体由前隔板、前隔板技撑系统、前防滚架（也称前环）、侧面防撞结构、主防滚架（也称主环），防滚架斜撑几部分组成。

前隔板作为钢管车架最前端，还需安装规定尺寸的碰撞缓冲块，缓冲块，同时车架结构中都需要尽可能多的使用三角结构，点对点，符合力学要求。

图1 车架基本结构图2 为车架总体结构要求图 2 为车架总体结构要求，赛车的结构必须包括两个带有支撑的防滚架，有支撑结构和缓冲结构的前隔板、以及侧边防撞结构。

根据中国大学生方程式汽车大赛规则(2018)，有如下要求：图3 防滚架位置要求1(1)轴距要求(2.3)：至少1525mm；(2) 轮距(2.3)：赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。

(3) 前环与主环要求：（3.10）防滚架是赛车对车手安全保护的一个最重要的安全屏障，当赛车发生侧翻或翻滚时必须保护车手的头部和腿部不与地面接触，因此对主环和前环要求如下: 在正常乘坐并系好安全带的情况下，所有车手的头盔和男性第95百分位模板的头部必须符合下列要求：a)必须与前环顶端与主环顶端的连线至少有50.8mm的距离。

b)如果主环斜撑后置，主环顶端和主环斜撑底端的连线与头盔必须至少有50.8 mm的距离，如图3a 。

c)如果主环斜撑前置，头盔向后方不得超过主环后平面，如图3b 。

男性第95百分位模板如图4所示，男性第95百分位二维模板的尺寸如下：用直径为200mm的圆代表髋部和臀部。

用直径为200mm的圆代表肩膀及部颈位置区域。

用直径为300mm的圆代表佩戴头盔的头部。

用一条280mm的直线连接位于上方的直径为200mm和300mm的头部圆的圆心。

图4 男性第95百分位模板位置(4) 主环及主环斜撑(3.13)a)主环的尺寸大小在设计时应该考虑到对车手的保护，主环宽度最小不得小于380mm。

b)主环必须由两个在主环两侧并且向前或向后延伸的斜撑支撑。

c)从侧视图上看，主环和主环斜撑禁上布置在过主环顶端垂线的同侧。

也就是说，若主环前倾，斜撑必须在主环之前；若主环后倾，斜撑必须在主环之后。