大学生方程式赛车设计整体车架设计标准安全系统及座椅附件设计.docx

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大学生方程式赛车设计整体车架设计标准安全系统及座椅附件设计

毕业设计（论文）

题目大学生方程式赛车设计（整体车架设

计、标准安全系统及座椅附件设计）

2013年5月30日

方程式赛车整体车架设计

摘要

FSAE赛车是一项以大学生为对象的赛事，旨在为汽车工业培养更多的优秀人才，参赛的赛车全都由各高校研究设计。

由于是为比赛而设计的赛车车架，因此设计时必须要考虑赛事技术规范。

我的毕业设计就是为FSAE赛车设计车架。

赛车的车架设计必须要考虑赛车发动机、驾驶员的布置以及赛车各个总成的布置。

又由于赛车车架是赛车的主要受力结构，赛车上的几乎所有的结构以及部件都是有车架直接或者间接支撑，所以车架的结构一定要合理，同时强度刚度必须达到一定的要求。

在车架设计之初，要将大赛的有关规定和评分标准完全掌握，对各部件该怎么布置，布置在什么方位有一个清晰的规划。

同时为了使以后的车架结构设计更为合理，我参考了天津大学、湖南大学以及部分国外的车架。

进入设计阶段后，在对比了车架的结构形式后，选择了桁架式的车架。

根据强度要求，选择车架的材料。

在确定了悬架的安装位置后，依据技术规范、赛车的整体布置、发动机以及人体模型确定车架大致的整体尺寸，然后建立几套车架的雏形；再优化车架结构使整体各个系统能合理的布置在车架上，直至使车架结构满足各个方面的要求。

在几套车架结构基本定型以后，开始对车架进行结构受力分析、优化以及对比，选择结构合理质量最轻的车架。

关键词：

FSAE，车架，技术规范，发动机，驾驶员

FORMULSAE—ASPACEFRAMEDESIGN

ABSTRACT

TheFSAEvehicleraceisonetakesuniversitystudentasthesportseventofobject,forthepurposeofcreatesmoreoutstandingtalentsfortheautomobileindustry,participatingvehicleraceallbyvariousuniversityresearchanddesigns.Asaresultofcompetitionvehicleraceframeofdesign,whendesignmustconsiderthesportseventtechnologystandard.MygraduationprojectdesignstheframefortheFSAEvehiclerace.Theframedesignofvehicleracemustconsiderthethearrangementofarrangementaswellasvehicleraceeachunitofvehicleraceengineandpilot.Becausevehicleraceframeisthemainstressstructureofvehiclerace,almostallstructuresaswellasthepartsinvehicleracehavetheframedirectorindirectsupport,thereforethestructureofframeiscertainlyreasonable,simultaneouslytheintensityrigiditymustmeetcertainrequirements.Atthebeginningoftheframedesigns,mustcompletelygraspstheconcernedrequirementsandpointscaleofbiggame,howshouldarrangetovariousparts,arrangeshasaclearplaninanyposition.Simultaneouslytomakethelatervehicleframedesignismorereasonable,IhavereferredtosomeTianjinUniversity,HunanUniversityaswellasoverseasframes.Afterbeinginthedesignstage,aftercontrastingthestructuralstyleofframe,haschosenthetruss-typeframe.Accordingtotheintensityrequest,choosesthematerialofframe.Afterlocatingtheairflowdistributionofsuspensionfork,accordingtotheoverallarrangement,engineofaswellasthemanikindeterminationframeapproximateoverallsizetechnologystandardandvehiclerace,thenestablishestheembryonicformofseveralsetsofframe;Optimizesthevehicleframetoenabletheoveralleachsystemagaintoarrangereasonablyontheframe,untilmakesthevehicleframemeettherequestineachaspect.Afterseveralsetsofvehicleframefinalizesbasically,startstocarryonthestructureanalysisofacceptingforce,tooptimizeaswellascontrasttotheframe,optionalstructurereasonablequalitylightestframe.

KEYWORDS:

FSAE,frame,technologystandard,engine,pilot

第一章赛车概述

§1.1国外FormulaSAE简介

FormulaSAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。

自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。

SAE方程式（FormulaSAE）系列赛源于1978年。

第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。

当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。

SAE方程式（FormulaSAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。

为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。

赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。

在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。

FormulaSAE向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。

由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。

FormulaSAE为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。

FormulaSAE队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。

目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。

比赛由三个主要部分组成：

工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。

为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。

某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。

预期的销售市场是周末业余汽车比赛。

因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。

该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。

此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。

制造企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。

设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。

各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。

§1.2中国大学生方程式汽车简介

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛

在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。

同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。

目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。

从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。

大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：

1、是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；

2、是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；

大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。

管理者接受了一次难度十足的锻炼。

FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。

第二章车架结构特点综述

§2.1车架的功用与要求

§2.1.1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，其功用是支撑发动机、离合器、变速、底盘和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。

车架刚度不足会引起震动和噪声，也使汽车轮胎的接地性变差，是通过性变坏。

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。

从提高整车的横梁稳定性以及较小纵梁侧装置的悬架伸出长度来看，希望尽可能增大车架宽度，从简化制造工艺和避免纵梁宽度转折处引起应力集中而导致车架损坏来看，还要求最好车架前后等宽，但是，考虑到整车的总布置，上述要求往往难以满足，目前，大学生方程式赛车应用最广泛的是单体式车架和空间桁架式车架。

赛车车架纵梁承担了车架受力的大部分，而车架横梁将左右纵梁连接起来，构成一个框架，不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还用以支撑赛车上的主要部件。

§2.1.2对赛车车架的要求

1、车架应满足大学生方程式赛车技术规范的要求

2、车架应具有足够的强度，保证在各种工况下长期使用不致发生严重损坏。

3、具有足够的刚度，车架应保证赛车的正常使用，固定在车架上的各个总成和部件的相对位置变化较小，使它们能正常工作。

另一方面，当车辆在不平道路上行驶时，为了提高其平顺性和通过能力，要求车架具有一定的柔度，即扭转刚度不宜过高。

4、车架质量要轻，在保证强度的前提下应尽量较少车架质量以减低材料消耗，制造成本和提高使用的经济性。

5、结构应尽可能简单，便于制造。

此外，简单有效地车架能使车架的质量和尺寸尽可能的降低。

6、车架要有一定的韧性。

§2.2车架的计算

大学生方程式赛车车架具有一定的强度和扭转刚度，其车架计算的主要任务是：

1、确定赛车满载时在不平度很小的平坦路面上以需要考虑动载荷的足够高的车速行驶时，车架元件的应力。

2、确定车架上所有元件中应力最大的元件，以及其危险截面。

3、确定各个系统与车架相连接位置的应力是否满足要求。

为了不仅评价车架的柔度以及作用在车元件上的应力，而且要弄清变形和应力突变处的危险截面以及它们沿车架长度的变化情况，则应对通过特征点的一系列横向平面处的车架挠度、扭转角和应力进行计算，计算结果最好能用沿车架长度绘制出的挠度、转角和应力图表达出来。

为了简化计算，可将车架看做平面结构，而车架纵、横元件的交接处的交角认为是刚性的且认为车架元件在两结点之间的全长的惯性矩不变，并取为该元件惯性矩的平均值。

最简单的车架的计算，是在对称载荷（弯曲）作用下简化为简单元件的应力。

在反对称载荷（弯曲）作用下，车架是一个静不定系统，用材料力学教程中的一些方法求解着一静不定关系统各个元件的应力和变形时计算十分复杂，工作量很大。

然而，如果对系统作某些假设则可使计算简化。

§2.3车架综合实验要求

车架的实验内容包括：

应力测定、刚度测定、可靠性测定与耐久性台架试验台架试验、随整车进行的可靠性道路试验或者试车场试验以及使用试验等。

§2.3.1车架的应力测定

对车架的应力测定可以较快的得出其应力分布情况，找出薄弱环节和产生的原因以及改进后的效果。

除了进行静弯曲和静扭转的应力测定外，还以整车在道路模拟试验台上、试车场以及在使用条件下进行应力测定。

这对车架的设计定型很有指导作用。

§2.3.2车架的刚度测定

包括对车架的弯曲刚度和扭转刚度进行测定，测定车架的弯曲刚度时，是在前后轴处设置刚性支撑并模拟实际负荷情况下加载。

测定车架的扭转刚度时，因注意车架在试验台上的紧固情况，以避免试验装置对其刚度产生影响，也要明确试验条件，并测出装置这些有关条件前后即在不同实验条件下的刚度变化情况，

§2.3.3可靠性与耐久性台架试验

包括车架的弯曲疲劳试验和扭转疲劳试验、等副度试验台是较为简单的实验装置，有机械式、液压式和激振式，常用作进行车架的对比试验，程控疲劳试验台能更好的模拟车架在实际使用中的载荷，后者常用于整车状态下的疲劳试验。

§2.3.4随整车进行的可靠性道路试验或试车场试验以及使用试验

让满载的赛车行驶于试车场专门路段上来进行车架的弯曲疲劳试验和扭转疲劳试验。

随着优化设计、可靠性道路设计与有限元分析等现代设计方法与分析技术的发展以及计算机的运用，在产品设计阶段对车架进行多方案的分析和优选，可使试验费用减到较低程度，但车架设计的最终评价仍要以试验结果为准。

第三章车架类型方案的对比与分析

赛车车架是赛车的主体结构，它为其它部件，如悬架、发动机、座椅、踏板、传动装置等提供安装的位置，并承受所有部件传来的力。

赛车车架一般采用两种形式：

一是单体式车架，另一种是桁架式车架。

§3.1一体式金属车架

一体式金属车架，整个车身的外壳本事就属于车架的一部分。

所以它不同于传统的梯形车架或者管式车架，需要在车架外包裹外壳。

事实上，按严格的定义来说，一体式车架都是由不同的组件装嵌而成的，其中最大的一块就是地台，其余的如车顶、侧板大小各异，所有的板件都是由高压压模机压制出来的，利用机械臂做电焊处理，有的甚至使用激光焊接技术。

整个制作过程短至数分钟便可宣告完成。

因此，一体式车架主要为了适应高度机械化的流水生产作业大量生产，这样做可以大大的降低生产成本。

而且一体式车架先天拥有良好的撞击保护能力，车头以及车尾加装副车架一方面有利于吸收撞击所造成的冲击力，另一方面对车架行驶的刚性也有所帮助。

其次，一体式车架能够预留用以吸收撞击能量的褶皱区外，车架本身的包裹式构造还可以将褶皱区域吸收不完的能力经过车柱分散到车体的其余部分，避免猛烈撞击力在瞬间过于集中而对乘客造成严重的创伤！

相对于其他的车架构造，一体式车架没有高而阔的门榄、防滑动支撑架和大型的传动轴管道等，空间的利用率极高。

凡事总有正反两面，一体式车架生产前的配套投资极其庞大，不适合小批量生产。

另外一个明显的缺陷就是一体式车架因为使用大量的金属，重量偏高。

外壳的作用主要是用来营造理想的空间效果，而车架的设计主要由金属钢片构成，虽然钢片已经作了开坑的加强韧度处理，但是在物理结构上的刚度，特别是非水平扭动，始终不及桁架式车架。

如果以重量和刚性比来作比较的话，使用同等金属重量所制作出来的一体式车架是所有车架中刚性表现最不差的。

§3.2单体式车架

也称作整体式或承载式式车架。

由于一般汽车采用大梁式车架，其车架质量重、体积大、重心高的问题，单体式车架的意念是用金属制成坚固的车身，再将发动机、悬架等机械零件直接安装在车身上。

这个车身承受所有的载荷，充当车架，所以准确称呼应为“无车架结构的承载式车身”（采用大梁车架的汽车车身则称为“非承载式车身”）。

承载式车架由钢或者铝经冲压、焊接而成，对设计和生产工艺的要求都很高。

成型的车架是个带有坐舱、发动机舱和底板的骨架，我们所能看到的光滑的汽车车身则是嵌在骨架上的覆盖件。

承载式车车架是目前国外赛车车架的主流，因为这种结构将车架和车身二合为一，重量轻，可利用空间大，重心低，而且冲压成型的制造方式十分适合现代化的大批量生产。

但是除了开发制造难度高外，刚度（尤其是抗扭刚度）不足也是承载式车身的一大缺陷。

这问题在日常用车上还不明显，但对于大马力、大扭力的高性能跑车，要求有很高的车架刚度，普通承载式车身就显得刚度不足。

由于承载式车架将全车所有部件，包括悬架、车身和乘员连成一体，具有很好的操控反应（正式学名是“操作响应性”），而且传递的震动、噪音都较少，这是大梁式车架不可比拟的。

§3.3桁架式车架

也可以说是钢管式车架。

由于单体式车架的设计开发和生产工艺都复杂，故其主要用于大批量生产。

但是对于中国大学生方程式赛车虽然可以采用共用平台策略，但所谓的“共用平台”能共用的只是悬架、传动系统底盘部件，单体式车架由于必须与车身形状吻合，对于不同的车身造型是不能共用车架的。

而桁架式车架就比较合适。

为了降低成本同时与小规模生产相匹配，本赛车车架采用桁架式车架。

第四章车架的材料以及结构

§4.1车架材料的材料力学分析

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

车架材料与所选定的制造工艺密切相关。

拉伸尺寸较大或形状复杂的冲压件需要采用冲压性能好的低碳钢或低碳合金钢；拉伸尺寸不大，形状不复杂的冲压件常采用强度较高且冷冲压时不宜冲压和回弹的的材料。

钢材在冷冲压成型后，其疲劳强度降低，静强度提高，延伸率较小的材料的降低幅度更大，赛车常用材料在冲压成型后的疲劳强度一般为140～160MPa。

同时，由于车架是一个大型的焊接件，选择材料时要考虑材料的可焊接性。

§4.2方程式赛车车架材料的技术规范要求

根据技术规范要求，大学生方程式赛车车架的基准钢铁材料的最低材料要求。

赛车的基本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）、最小直径如下表3-1（或者采用替代材料，替代材料应满足下文所述）：

表3-1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*2.5mm

侧防撞结构、前隔板、防滚架支撑、

车手约束部件安装环

25.4mm*1.65mm或

25.0mm*1.75mm或

25.4mm*1.60mm

隔板支撑

25.4mm*1.25mm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

另外，规则中除了主环和主环支架必须用刚才外，其它可以使用替代的管件和材料，但是已被焊接的钛管不能在基本结构中使用，这包括支架和管件之间的连接件或其他部件和管件之间的连接件。

替代钢管最小壁厚如下表3-2：

表3-2最小壁厚要求

材料和用途

最小壁厚

主环、前环钢管

2.0mm

防滚架支撑、前隔板、车手约束连接件

1.6mm

侧防撞结构和前隔板支撑钢管

1.2mm

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，必须保持钢材相同的横截面积。

而且，规范上还规定，对于替代的另一种材料——铝管的最小壁厚要求为至少3.0mm。

§4.3车架材料的选择

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，而考虑到材料的材料力学性能以及技术规范的要求，4130钢满足要求。

另外，在选择了材料之后，为了尽可能的降低车架的质量，在满足技术规范的要求下，应尽可能的用小的外径和壁厚，但同时必须满足车架的强度和扭转刚度等力学性能。

这一部分在下文中会有详尽叙述，这里不再简述。

§4.4赛车车架的结构

赛车车架采用的是桁架结构，其作用是为赛车所有其他部件的连接基础，同时通过前、中、后防滚架的设计对驾驶舱提供保护。

空间桁架结构是一种十分传统的也是在比赛中最为常见的车架。

§4.5车架应力的消除

对于车架这种大型焊接件采用自然时效、回火时效来消除焊接应力收效甚微，必须采用共振时效来消除或者降焊接应力，具体措施如下：

用一台振动频率为50～90Hz，激振力可达500～900KN的机械激振器，将车架放在大与车架的平台上，用弹性垫将其支撑牢固，最佳支撑位置在振动的节点上。

并将激振器牢固地安装在车架上，其位置应选在振峰附近，而不能装在节点附近，开动激振器，调节频率，当与工作频率一致时，引起共振；通过改变激振器的偏心距来调节激振力，对车架来说应力应控制在50～100N/mm2范围内，一般需要维持共振状态15～20min。

通常对于较轻的赛车车架，可采用并联或联法放在平台上进行。

第五章大学生方程式赛车车架设计

车架设计的出发点是将车手、发动机和悬架连接点安排在它们各自理想的位置上。

这些系统决定了车架最基本的结构和形状。

空间框架结构的车架制造成本低，方便维护，同时比较适合承受集中载荷。

悬架和车架的连接点、摇臂盘、以及其他受力点都尽可能地布置在靠近车架节点地位置，以便减小应力矩和位置误差。

车架尽量多地采用承载轴向载荷的部件以便最大程度地增加单位质量所表现出来的强度。

大学生方程式赛车的车架是赛车的整体外形框架，它的设计的可以很大程度的决定赛车的外形特征，个性、美化的车架加上车身很容易给人以震撼的感觉，同时也更容易给人以好感。

但是，大学生方程式赛车车架的设计同时也必须考虑一定的因素:

必须满足驾驶舱以及发动机放置的要求必须满足赛车整体框架以及赛车轴距的要求，，必须满足赛车各个系统如悬架系统、传动系统、转向系统、制动系统等的要求，必须满足赛车安全系统等等的要求。

§5.1赛车整体结构的设计

赛车整体结构对赛车车架的设计有很大影响。

赛车整体结构的设计必须考虑赛车整体结构的布置：

驾驶舱的布置，发动机的布置，水箱油箱的布置，轴距的分配，轮距的大小等