基于FSAE大學(xué)生方程式賽車的副車架設(shè)計

賈錳 陳鍶哲 劉志龍 何鑫濤

摘 要：前幾年，車架流行桁架鋼管結(jié)構(gòu)，但是其存在加工困難、定位誤差大、制造過程中產(chǎn)生廢料過多等問題。目前，部分高校針對車架后艙提出一個較為不錯的解決方案——副車架。本文通過CATIA軟件進行結(jié)構(gòu)繪制，通過Hypermesh軟件進行有限元分析，通過應(yīng)力云圖對結(jié)構(gòu)進行改良，最終設(shè)計出一種副車架結(jié)構(gòu)，在滿足整車剛性和強度的同時達(dá)到車身輕量化的目的。研究結(jié)果表明，副車架可以用于后輪差速器支架、后懸叉臂、后懸減震器等的安裝，方便賽車后面結(jié)構(gòu)的安裝，提高賽車整體剛度和強度，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯。

關(guān)鍵詞：FSAE賽車;副車架;CATIA;Hypermesh

中圖分類號：U469.696文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0039-03

Abstract： In the past few years， the truss steel pipe structure was popular in the frame， but it has problems such as difficult processing， large positioning error， and excessive waste generated in the manufacturing process. At present， some colleges and universities have proposed a relatively good solution for the rear compartment of the frame-the sub-frame. In this paper， the structure was drawn through the CATIA software， the finite element analysis was performed through the Hypermesh software， and the structure was improved through the stress cloud diagram， finally， a sub-frame structure was designed to meet the rigidity and strength of the vehicle while achieving the purpose of lightweight body. The research results show that the sub-frame can be used for the installation of rear wheel differential brackets， rear suspension wishbones， rear suspension shock absorbers， etc.， which facilitates the installation of the rear structure of the car， improves the overall rigidity and strength of the car， and has obvious structural advantages.

Keywords： fsae racing car;subframe;CATIA;Hypermesh

目前，我國FSAE方程式賽車的車架有兩種形式：一是采用復(fù)合材料單體殼;二是采用桁架鋼管結(jié)構(gòu)。由于單體殼制造成本高昂，桁架鋼管結(jié)構(gòu)的車架制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、加工制作較為容易，因此大多數(shù)參賽車隊基本采用這一結(jié)構(gòu)。但是，桁架鋼管車架焊接定位中，焊接變形極易導(dǎo)致硬點位置存在一定誤差，使得最終車架與懸架系統(tǒng)、發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的裝配存在一定難度。副車架可以使組成車架的單元實現(xiàn)從點到面的轉(zhuǎn)變，作為一個獨立機構(gòu)，它能輔助賽車其他部位精準(zhǔn)定位，解決發(fā)動機艙定位困難的問題，并在保證整車剛度和強度的同時實現(xiàn)賽車輕量化的目的。在副車架設(shè)計中，筆者使用CATIA軟件進行結(jié)構(gòu)繪制，通過Hypermesh軟件進行有限元分析，利用應(yīng)力云圖對結(jié)構(gòu)進行改良，最終期望在滿足整車剛性和強度的同時實現(xiàn)車身的輕量化。下面以華汽車隊第九代小型賽車（Ambtion9）為例，解析Ambtion9副車架的設(shè)計流程。

1 模型的設(shè)計與材料選擇

1.1 副車架的三維模型

副車架本質(zhì)上是替代桁架鋼管線結(jié)構(gòu)的一種面結(jié)構(gòu)。Ambtion9的設(shè)計以Ambtion8為模板，用副車架替代Ambtion8后橋結(jié)構(gòu)，被替代的部分承擔(dān)了后輪差速器支架、后懸叉臂、后懸減震器的定位與固定功能。

1.2 副車架材料的選擇

副車架選材為7075鋁，由表1可知，雖然7075鋁的屈服強度比4130鋼的屈服強度略遜一籌，但是7075鋁的質(zhì)量密度是4130鋼的1/3，因此在質(zhì)量相等的情況下，7075鋁材的屈服強度要遠(yuǎn)高于4130鋼。

2 四種工況的仿真和鏤空處理

2.1 前期處理

在Ambtion9的工況分析中，本文使用Hypermesh軟件，分析扭轉(zhuǎn)、制動、加速轉(zhuǎn)彎和后橋沖擊四種工況。其間沿用將后橋沖擊力傳導(dǎo)至發(fā)動機上的方式，發(fā)動機后位四個固定硬點與傳動支架固定點共用，使沖擊力以點對點的方式傳導(dǎo)至發(fā)動機上，而副車架不用承受巨大的剪切力。分析時將模型簡化，以Rbe2剛體單元代替發(fā)動機、發(fā)動機支架和傳動支架。本研究使用3D網(wǎng)格中的elem offset進行副車架網(wǎng)格繪制。

2.2 四種工況的設(shè)置和分析結(jié)果

2.2.1 扭轉(zhuǎn)工況。扭轉(zhuǎn)工況設(shè)置如圖1所示。約束條件為左右后懸6個方向自由度固定。左前懸立柱上硬點載荷為1 000 N，方向為-[Z]，右前懸立柱上硬點載荷為1 000 N，方向為[Z]。扭轉(zhuǎn)工況分析結(jié)果如圖2所示。

2.2.2 制動工況。制動工況設(shè)置如圖3所示。約束條件為左前懸固定1，右前懸固定23，左后懸固定13，右后懸固定123自由度。從載荷來看，懸架立柱上硬點各有1 200 N制動力，方向為[X];模擬駕駛員與發(fā)動機，施加在座艙和后艙的荷載為1 400 N+500 N=1 900 N，方向為-[Z]。制動工況分析結(jié)果如圖4所示。

2.2.3 加速轉(zhuǎn)彎工況。加速轉(zhuǎn)彎工況設(shè)置如圖5所示。約束條件為左前懸固定13，右前懸固定23，左后懸固定13，右后懸固定2。從載荷來看，左右前懸立柱上硬點施加1 200 N轉(zhuǎn)向力，方向為[Y];左右后懸立柱上硬點施加1 200 N加速力，方向為-[X];模擬駕駛員與發(fā)動機，施加在座艙和后艙的荷載為1 400 N+500 N=1 900 N，方向為-[Z]。加速轉(zhuǎn)彎工況分析結(jié)果如圖6所示。

2.2.4 后橋沖擊工況。后橋沖擊工況設(shè)置如圖7所示。約束條件為懸架立柱硬點各固定6方向自由度。從載荷來看，后橋施加15 000 N沖擊力，方向為-[X]。

3 仿真結(jié)果分析

車架的扭轉(zhuǎn)剛度計算公式[1]如下：

由圖2可知，車架的[Z]向最大位移為1.3 mm，帶入式（1）可得，扭轉(zhuǎn)剛度[KT]=3 537.7 N·m/°。根據(jù)諸多車隊的設(shè)計經(jīng)驗，[KT]一般大于1 500，因此AM9的扭轉(zhuǎn)剛度偏高。由圖4可知，在制動工況下，車架的最大應(yīng)力值為186.6 MPa，遠(yuǎn)小于4130鋼屈服極限（386 MPa），副車架最大應(yīng)力值為25.76 MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁的抗拉極限。由圖6可知，在加速轉(zhuǎn)彎工況下，車架的最大應(yīng)力值為144 MPa，副車架的最大應(yīng)力值為48.08 MPa，遠(yuǎn)小于屈服抗拉極限。由圖8可知，在后橋沖擊工況下，副車架的最大形變量為1.22 m，安全系數(shù)為1.5。

4 副車架定型與裝車試驗

在Ambition9的制造與裝配過程中，以往易出現(xiàn)硬點坐標(biāo)誤差和裝配后輪差速器支架、后懸叉臂、后懸減震器困難的情況得到有效改善。在發(fā)動機及其動力傳動系統(tǒng)、輪胎等部件不改變的前提下，最終實現(xiàn)賽車裝配。

Ambition8的車架質(zhì)量為29 kg，相比之下，Ambition9的車架質(zhì)量為27 kg（車架24 kg+副車架3 kg），實現(xiàn)了硬點精準(zhǔn)定位，保證車架整體剛度和強度的同時提高局部剛度，實現(xiàn)約7%的車架輕量化。

5 結(jié)論

副車架可以用于后輪差速器支架、后懸叉臂、后懸減震器等的安裝，以方便賽車車架后艙結(jié)構(gòu)的安裝，提高賽車整體剛度和強度。本研究對副車架進行鏤空減重處理及受力分析，使得車架強度和剛度滿足比賽使用要求。本文從材料選定、形狀設(shè)定、工況仿真分析和鏤空輕量化處理等方面出發(fā)，提供了一種副車架的設(shè)計思路，有效解決加工誤差導(dǎo)致的后艙裝配困難難題，同時實現(xiàn)車架的輕量化。

參考文獻：

[1]喬邦.基于有限元分析的大學(xué)生方程式賽車車架結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化[D].洛陽：河南科技大學(xué)，2012：22-23.