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标题

基于钢管式结构的巴哈赛车车架设计

范文

付豪邓小禾徐颖航雷鸿谦

摘要：设计一款有足够的刚度和强度，同时满足结构简洁，性能可靠要求的巴哈赛车车架。文章以武汉理工大学巴哈赛车队U26赛车车架为例，运用三维建模软件CATIA进行车架建模，通过ANSYS软件对车架进行校核。得到性能优良的一款巴哈赛车车架。该设计方法可以为其他相关赛车车架的设计提供参考。

关键词：巴哈赛车钢管式车架三维建模仿真分析轻量化

中国分类号：TH692.9

文献标识码：J

文章编号：1003-0069（2020）06-0026-03

Abstract： In order to design a sufficient stiffness and strength， while meeting therequirements of simple structure， reliable performance of baja racing frameTakingthe U26 racing frame of baja racing team of Wuhan University of Technology as anexample， the three-dimensional modeling software CATIA was used to model theframe， and then the ANSYS software was used to check and optimize the designTo get the requirements of a baja racing frame.lt provides reference for the design ofother relevant racing frames

Keywords： Baja racing Steeltube frame 3d modeling The optimization designsimulated analysis

引言

中国汽车工程学会巴哈大赛是由中国汽车工程学会举办，由高等院校职业院校汽车或相关专业在校学生组队后参加的越野汽车设计制造和检测的比赛。以培养高素质技能人才为核心的竞赛平台，可以使参赛学生进一步掌握汽车的结构设计。车架是巴哈赛车承载赛车各部件的基础，是巴哈赛车重要的安装基体，在比赛过程中，它将承受来自复杂路面的激励和车身零件的各种动、静载荷。车辆在行驶的过程中车架在各种载荷作用下会发生弯曲、扭转等变形[1]，车架的强度和刚度将直接影响到赛车的安全性、操纵性、耐久性和经济性。由此给出一种巴哈赛车车架的设计思路，为相关车队提供参考。

一、巴哈赛车车架设计——以武汉理工大学巴哈赛车队U26赛车车架为例

（一）设计目标

在满足规则要求的情况下，车架需要满足巴哈赛车各部件的安装要求，同时结构简洁可靠，达成轻量化目标。

1.轻量化：优化结构减少不必要的杆件，并选用合适的钢管材料以及钢管型号，既能使性能满足规则要求，也可使钢管壁厚可以相应降低，从而实现减重的目标。

2.简化防滚架结构，一杆多用，合理布局、减小部分尺寸，使结构更加紧凑，有效提高空间利用率。

3.减少整车的长度、宽度，以减少轮距和轴距。

（二）設计流程

1.熟读赛季新版巴哈大赛竞赛规则：充分了解其对参赛车架每部分构造的具体参数与结构要求;

2.以规则为依据，匹配赛车其他总成的安装及车手的人机工程进行设计：采集车手身高、体重、肩高、臀宽等数据并匹配前轮轮距、前悬架硬点等参数，确定驾驶舱底面前、后端宽度。在为车手提供全面保护的前提下保证车手的舒适性，并与转向、制动系统和座椅进行人机工程匹配，确定驾驶舱最终长度。匹配动力传动系统装配、悬架系统连接硬点及整车轴距、轮距等参数，确定防滚架最终参数。

3.通过三维建模软件CATIA中创成式外形设计模块建立车架模型[2]：车架在建模设计过程中严格按照空间xoy、xoz、yoz三个平面的分布。尽量采用点建立空间结构，然后再在零件设计或创成式外形设计三维空间中进行连线以及其他倒圆角等处理，更便于修改（catia在空间线的大批量修改中容易报错）。

4利用ANSYS软件进行校核：向ANSYS中导入车架实体模型，设置所选钢管材料属性参数，划分网格约束悬架硬点施加载荷，进行结构校核。

图1为巴哈赛车车架设计流程：

（三）材料选型

1根据巴哈大赛赛事规则，用于主要防滚架构件的材料必须是[3]：

防滚架主要结构件使用材料是：无缝管或者焊管。材料不低于20#碳素钢，规格不低于25x1mm

或者

2.弯曲刚度和强度按国家标准超过或者等于20#碳素圆形钢的钢型材。不管使用的型钢材料或者断面的尺寸如何，型钢壁厚不得少于1.60mm，碳含量不少于0.18%。

对于不同材料的圆形钢管的抗弯扭能力，我们进行了结构等同性对比，结果如表1所示。主要公式计算如下：

截面惯性矩：

式中：D：外径 d：内径

抗弯强度：

式中：Sy：屈服强度C：从中性轴至外缘的距离

抗弯刚度：

式中：E：弹性模量|：有关结构横截面的截面惯性矩

经过对比，我们最终选择4130无缝钢管作为赛车车架材料，其型号分别为：

主要构件：31.75 x1.6mm，次要构件①：25.4 x1.6mm，次要构件②：25.4 x1.2mm

（四）车架设计

车架的功用是支撑、连接汽车的各总成，使各总成保持相对正确的位置，同时需要有足够的强度和刚度承载汽车内外的各种载荷。U26号巴哈赛车车架设计减少了不必要的杆件支撑和使用优质4130无缝钢管，车架净重22kg，充分实现轻量化。图2为巴哈大赛竞赛规则防滚架结构图，图3为2019年巴哈大赛竞赛规则示意图。首要依据2019巴哈大赛赛事规则，再满足巴哈赛车各部件的安装要求，同时结构简洁可靠。

采集参赛车手数据并进行统计分析，得到参赛车手平均数据，如表2：

1.RRH（后部防滚环）

RRH决定着防滚架的最大高度和最大宽度尺寸。

设计RRH倾斜角度为5度，RRH倾斜增大了驾驶舱的体积，但同时减小了发动机舱的体积。车手在比赛过程中身体前倾眼睛注视车轮前方路面，故基本不会靠着座椅背部（座椅背部与RRH平行），故在动力传动总成安装和驾驶舱做取舍，发动机舱优先，RRH应在不影响动力传动总成的安装的情况下选择较大的角度。

相比于六边形RRH（S点最宽）结构，八边形结构不仅可以使最宽点为686mm处，同时可减少RHO两根横杆的之间的距离（六边形左（右）侧两条线之间的角度不大于30度）。

RRH设计高度倾斜沿5度平面1165mm，1165xcos5°≈1160mm，RHO水平且通过B点，故RHO高度为1160mm，当1041mm标准模板放在座椅上是，座椅位于防滚环底部平面大于76mm，取80mm（后文中76mm均取80mm），80mm+1041mm=1021mm，1160mm>1021mm;当178cm车手佩戴头盔坐在座椅上时，距座椅底部920mm，故头盔高度离防滚架底部中轴线约920+80-16=984mm（主构直径31.75mm，后文中均取主构半径16mm），头盔距防滚架顶部1160+15.875-984≈192mm，192mm-156mm=36mm，留有36mm余量以备更高的车手驾驶，同时留有一定得加工余量。

在座椅底部平面686mm最低宽度不低于736mm，取最宽处为大于736mm的保留加工余量的距离780mm;686mm+80mm=766mm，790mm-766mm=24mm，留有一定的加工余量。

S点为SIM的起始点，SIM形成驾驶舱，SIM应在座椅上方203mm-356mm，取下限，故SIM最小高度为203mm-16mm+80mm=267mm，302mm在弯管后取中点高为300mm，300mm大于267mm（SIM设计高度为290mm，提高是为了更靠近座椅安装横杆，以获得更好的结构）。底部宽度为560mm。

2.LFS（下端车架边缘）

LFS决定驾驶舱长度。

设计驾驶舱长度为750mm（匹配车手以及轴距），作为赛车，只需要做关于车手的人机工程。由于油门踏板采用接地式，故驾驶舱实际长度达到780mm;由于在驾驶时油门踏板处于常踏状态，制动踏板处于常松状态，故设计制动踏板安装位置靠前于油门踏板，以保证驾驶时两脚的状态相同，

前舱：前舱高度即位SIM高度，SIM最低高度为267mm，SIM设计高度为290mm。制动踏板长度为180mm，转向器直径39mm，高度为45mm，故转向器最高高度为45mm+19.5mm=64.5mm，故制动踏板位于最下端时，制动踏板与转向器之间的最小距离为290mm-180mm-64.5mm=45mm.可以保证制动踏板在行程最大时与转向器不发生干涉。

宽度为320mm，配合悬架摆臂与轮距。

长度350mm，配合悬架前摆臂最大宽度并留有一定的加工余量。

制动踏板安装位置与油门踏板安装位置距离为11Omm。

3.SIM（侧防撞构件）

SIM高度为290mm，与RRH连接高度为300mm

在yoz平面向前550mm宽度为640mm，此处为车手膝盖位置，在车手舒服的位置并留有一定的余量，故取640mm。

4.FBM UP与RHO（防滚环前部和顶部构件）：为了使防滚架在向前翻滚时有着更好的过渡，将FBM UP连接至防滚架最前端。高度取1160mm。

为了满足标准模板放置在座椅上其轴线距离不小于305mm，座椅距yoz平面178mm，178mm+305mm=483mm，留有较大加工的余量以及较小的座椅安装位置偏差，取540mm。

5.座椅安装

（1） USM（座椅下方构件）：驾驶员臀部与防滚架最外侧的距离至少为76mm，故轴线之间的距离为76mm-16mm-12.7mm（次构半径25.4mm） =47.3mm。依据座椅安放位置，USM距yox平面178mm。

（2）座椅背部支撑：将座椅放在USM上方，选择合适的固定点得到高度390mm。

6安全带和反潜带安装

（1）安全带：安全带安装不低于驾驶员肩部以下102mm且不高于驾驶员肩部，故以身高最高的驾驶员以标准设计安装位置且安装位置不得超过身高最矮的驾驶员的肩部。同时该杆件需要安装油箱支架，故尽量调整使其与发动机舱图示该杆件等高，以方便油箱安装。

（2）反潜带：反潜带安装必须在腰带安装节点256mm之前，腰带安装节点130mm，130mm+256mm=286mm，留有一定余量，取395mm。

7.LDB（侧向斜撑）：LDB需要与顶部和底部的最大距离为127mm，留有一定得加工余量后，选择下部为1OOmm，上部与圆角切点重合。

8.发动机舱：发动机舱主要匹配动力传动的数据，同时配合悬架数据。发动机舱设计必须满足可以将发动机從其上方取出。发动机舱长度为动力传动安装不发生干涉的最小长度。为了满足发动机必须从其上方拿出，此杆件须为400mm（±15mm），匹配悬架减振器安装参数，确定其高度。为使发动机舱底部最靠后的一根杆受力传递至主构，须将两根杆连接，但是左边需要安装CVT，故连接至该点。图4为设计的巴哈赛车车架三维模型，表3为该模型的主要参数列表。

二、制造过程

（一）钢管切割：测量车架三维模型中主要构件与次要构件每根管管长，并尽量拼凑合并为3m长度，方便用切割机进行切割;

（二）钢管处理：把每段钢管在砂轮机上磨好坡口，用角磨机进行坡口打磨并将需要焊接的部位除锈;

（三）定位加持：根据车架三维模型中钢管的位置，使用三维柔性焊接平台及其夹具进行定位加持，提高车架加工精度。如图5：

（四）车架焊接：使用二氧化碳保护焊进行防滚架焊接，焊接完成后再焊接部位仍有较大的残余应力，为保证不产生焊接变形在焊接后尽量保持在12小时后再拆除夹具;

（五）车架美化：将整个车架全部除锈，并将所有钢管表面和焊点打磨细致平整，在焊接连接部位打上腻子，在进行全身喷漆。

三、ANSYS仿真分析

（一）静力学分析：在ANSYS中添加钢管材料，选择4130钢其泊松比为0.279，杨氏模量为211GPa，密度为7850kg/m3。将CATIA建模软件中创建的车架转换为实体模型导入到ANSYS中，再对参数进行设置以及网格划分[4]。对悬架硬点进行约束，根据实际赛场工况施加载荷[5]，经过数据处理得到图6，图7所示：

静力学分析结论：巴哈大赛赛道具有多变性与复杂性，运用ANSYS对整个车架进行了静力学分析。分别对影响最为严重的弯扭组合工况和侧向和纵向加速度工况进行分析，分析的结果表明在极端情况下，车架仍然能保持变形量和应力，满足要求

（二）模态分析：通过模态分析方法可以了解车架在易受影响的频率范围内的各阶模态，以此预测在此频段内在激励作用下产生的实际振动响应。由于巴哈车架的前6阶为刚体模态，对其前12阶固有频率进行分析，选择第1阶到第12阶，共12阶个模态进行分析[6]，分析结果如表4所示：

在行驶时的巴哈赛车主要受到如下两种外部激励[7]：

1）比赛时巴哈赛车的发动机会在各种不同的工况下运行，所以发动机内部会产生不同频率的振动。不同转速下的激振频率可由下式求得：发动机激振频率=2×发动机缸数×发动机转速/发动机冲程数×60，此激励在车架固有频率外，不产生影响。

2）路面产生的激励通过车轮，减振器传到车架，导致车架在行驶过程中不可避免地发生振动。一般来说，巴哈赛车所采用的的悬架系统中减振器以上质量的偏频范围为1.5～2.5Hz，减振器以下质量的偏频范围为18Hz以下。所以该偏频范围远远低于巴哈车架的固有频率，因此不会发生共振。

本巴晗赛车发动机是赛事官方指定使用一台四冲程、风冷、排量为305cc，型号为Briggs&Stratton OHV Intek的百力通巴哈发动机。从怠速到发动机能达到的最高转速的范围是2000～3600r/min，对应计算得其振动频率范围为16.67～30Hz。因为该频率范围不在上述车架1阶-12阶各模态的固有频率范围内，所以得出不会引起车架发生共振。

结语

文章以武汉理工大学巴哈赛车队U26赛车车架为例，利用三维建模软件CATIA对赛车车架进行设计，并将模型导入到ANSYS软件中进行仿真分析。最终设计出满足各零件的安装要求，防滚架结构简单，安全可靠，符合人机工程学，实现轻量化的目标的一款车架。此款车架相比往年管件数量减少14%，减重达g%，助力該车在2019年中国大学生巴哈大赛中荣获全国一等奖。

基金项目：2019年度国家级大学生创新创业训练计划项目（201910497058）

参考文献

[1]明平J甄汽车构造[M]武汉：武汉理工大学出版社2016： 42

[2]曹砚奎CATIA从草图到运动仿真[M]北京：化学工业出版社2008

[3]中国汽车工程学会中国汽车工程学会巴哈大赛赛事规则[Z]2018-12-05

[4]北京兆迪科技有限公司ANSYS Workbench15.0结构分析快速入门、进阶与精通[M]北京：电子工业出版社20016：5-8

[5]倪彰，何字巴哈赛车车架仿真分析与优化设计[J]科技刨新与应用，2017（3）：2-3

[6]陶超，马其华，黄天柱，黎劲宏基于轻量化的全地形巴哈赛车车架设计优化田制造业自动化，2017（4）：23-36

[7]付豪，雷鸿谦基于巴哈赛车车架的三维建模及仿真分析[J]节能，2020（10）：3-4

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