新能源賽車車架設(shè)計與強(qiáng)度仿真分析

肖紅

關(guān)鍵詞：新能源;車架;設(shè)計;仿真

0 引言

“第二屆全國新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)技能大賽”由人力資源社會保障部、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會共同主辦，以“新能源、新世界、新機(jī)遇、新人才”為主題，旨在加快培養(yǎng)和選拔新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域高素質(zhì)技能人才，搭建新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)傳播平臺，持續(xù)推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，全面提高新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)技能人才的培養(yǎng)質(zhì)量和水平。根據(jù)該賽事裝調(diào)工賽項的比賽規(guī)則，各參賽隊伍需在賽前約1 個月時間設(shè)計制造出符合賽規(guī)要求的車架并安裝調(diào)試好。在正式比賽現(xiàn)場，專家和裁判將對賽車的多項性能進(jìn)行測試，測試合格的車輛還要在賽道上接受不同路況的考驗，進(jìn)行車架的強(qiáng)度與剛度實車測試。

1 車架設(shè)計

1.1 桁架式車架

根據(jù)大賽裝調(diào)工賽項的比賽規(guī)則，大賽指定合作企業(yè)和技術(shù)平臺提供統(tǒng)一的6063 鋁材底盤材料，以及各種尺寸的鋼管。常見的賽車車架有桁架式和單體殼2 種，目前使用最多的單體殼材料是由昂貴的碳纖維制成。單體殼的設(shè)計簡單，但制作需要的模具和設(shè)備材料則非常昂貴，普通高校無條件制作單體殼。結(jié)合我校的硬件設(shè)施，以及比賽目的主要考察選手的設(shè)計理念及動手能力，故我校參賽選手采用上鋼下鋁式桁架式車架。

1.2 車架材料的選擇

根據(jù)大賽規(guī)則，底架選用6063 鋁合金方管，方管規(guī)格為25.0 mm×25.0 mm，壁厚3.0 mm。車架選用4130 鋼管，有3種規(guī)格，分別為：直徑16.0 mm，壁厚2.0 mm ;直徑20.0 mm，壁厚1.2 mm，直徑25.0 mm，壁厚1.6 mm。

1.3 車架設(shè)計

人機(jī)工程是賽車設(shè)計的基礎(chǔ)之一。對賽車手來說，良好的駕駛姿勢可以幫助車手減輕駕駛疲勞感，使車手將精力集中在分析車況和應(yīng)對多變的賽道上，并迅速作出正確的判斷[1]。本賽車在設(shè)計時就參考賽車手的身高及各部分比例，結(jié)合駕駛習(xí)慣和賽項規(guī)定，以人的正常坐姿設(shè)計，座椅可以向后傾斜不超過35°。座椅水平面與靠背的夾角應(yīng)向外傾斜 65 ～ 90°。最終確定駕駛姿勢為：頸部向前傾斜角為10°，座椅傾斜角為65°，屈腿角度為95°，屈膝角度為135°。車手坐姿人機(jī)仿真圖如圖1 所示。

1.4 車架整體參數(shù)設(shè)計

車架由前隔板安裝區(qū)、前環(huán)、側(cè)邊防撞桿、主環(huán)和電機(jī)電池艙等主要部分組成。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)及相關(guān)要求，此次設(shè)計的車架主體尺寸是：車架總長2 305.0 mm，總高1 351.0 mm，最大寬度1 030.0 mm，最小寬度525.0 mm（圖2）。

1.4.1 前艙和駕駛艙設(shè)計

前艙是車架前隔板到前環(huán)之間的部分，長度415.0 mm。設(shè)計初衷是考慮到賽規(guī)要求的轉(zhuǎn)向半徑不得大于3 000.0 mm，故采用了短軸距設(shè)計方案。實現(xiàn)短軸距設(shè)計的措施，首先把前懸架連接點往后移，前懸架連接點固定在車架的第2 和第3 垂直鋼管上。前懸后移不僅增加了車輛碰撞后前部緩沖空間，還提高了前翼的安裝強(qiáng)度[2]。將前環(huán)前移到前懸架處，前環(huán)與主環(huán)之間距離1020.0 mm。整個前環(huán)與主環(huán)之間的空間構(gòu)成了駕駛艙，不僅能充分保證車手的安全和空間需求，同時也方便儀表集成在一個箱體內(nèi)，提高防水性能和減少安裝附件的重量。

1.4.2 主環(huán)

主環(huán)在車架結(jié)構(gòu)設(shè)計中以防滾架的形式進(jìn)行設(shè)計。一旦賽車在比賽中發(fā)生翻滾，主環(huán)能起到較好的支撐作用，承受住從車架其他方向傳遞過來的力和力矩，保證賽車手身體任何地方都不會碰到路面。主環(huán)在設(shè)計和制作時，均采用一整根連續(xù)的、截面形狀封閉的鋼管，防滾環(huán)下端直接連接到賽車的鋁合金底架上。

根據(jù)賽規(guī)要求：駕駛員頭盔與防滾架、車架構(gòu)成的外側(cè)平面之間的距離為220.0 mm ;與防滾架最高外緣水平面的距離為190.0 mm ;距離防滾架最高構(gòu)件與前部橫梁的連線之間的垂直距離（相當(dāng)于車輛四輪水平朝天）120.0 mm ;駕駛員肩部、軀干、臀部、大腿、膝蓋、手臂、手肘和手與防滾架構(gòu)成的內(nèi)側(cè)平面之間的距離為115.0 mm ;頂部防滾架后2 個斜撐的連接點（上）距離防滾架頂部的距離200.0 mm ;頂部防滾架和水平地面呈垂直關(guān)系，斜撐與防滾架的夾角52°。由此確定主環(huán)的高度為1 351.0 mm，寬度為770.0 mm。

1.4.3 三電系統(tǒng)艙的設(shè)計

同樣，為了實現(xiàn)短軸距的設(shè)計方案，將三電系統(tǒng)（電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)）進(jìn)行垂直布置，即電機(jī)采用鋁合金支座固定在底架上，在電機(jī)的上方布置電池，最后在電池箱體的上方布置電控箱。垂直布置會造成一定程度上的重心偏高，我們的解決方案通過懸架的優(yōu)化設(shè)計來彌補(bǔ)，并采用高剛度的彈簧和穩(wěn)定桿的布置來減小賽車過彎側(cè)傾及制動俯仰。三電系統(tǒng)艙高度595.0 mm，寬度770.0 mm，電池箱的橫向鋼管離地高度546.0 mm。

2 車架的剛度及強(qiáng)度分析

圖3 為基于CAD 軟件設(shè)計的車架三維圖及實車車架。車架設(shè)計最大的亮點是取消了車架左右底部縱向鋼管，采用鋼車架與鋁底架直接連接的方式。為測試這種鋼鋁直接連接是否滿足使用要求，我們進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)剛度測試和強(qiáng)度測試仿真分析。

2.1 扭轉(zhuǎn)剛度分析

分析扭轉(zhuǎn)剛度時，模擬車架在轉(zhuǎn)彎時受到地面反向載荷發(fā)生扭轉(zhuǎn)。約束和加載方式：約束前懸左右連接點及左后懸架連接點位移自由度[3]，對右后方懸架的底架中心處施加Z軸正方向2 000 N 的力。仿真結(jié)果顯示，車架扭轉(zhuǎn)剛度分析Z 向位移為17 . 1mm， 完全滿足車架變形后回彈要求。從扭轉(zhuǎn)剛度仿真測試車架應(yīng)力云圖可以看出，鋼架最大應(yīng)力為474.9 MPa， 在4130 鋼管材料屈服強(qiáng)度（785 MPa） 范圍以內(nèi)（圖4）。從鋁架扭轉(zhuǎn)剛度分析應(yīng)力云圖可以看出，鋁架最大應(yīng)力為134.4 MPa（圖5），在6063 鋁材材料屈服強(qiáng)度（190 ～ 243 MPa）范圍內(nèi)。

2.2 強(qiáng)度分析

為考察在各工況下，車架所受最大應(yīng)力均低于材料屈服強(qiáng)度。基于CAD 數(shù)據(jù)建立車身有限元模型，依照賽車常見的多個路況在ADAMS 里面進(jìn)行多體動力學(xué)提載，并在強(qiáng)度仿真軟件里面進(jìn)行載荷的施加。為保證設(shè)計的車架在各種工況下都能抵抗沖擊，選取了車身在比賽中常見的最大上跳、最大回彈、轉(zhuǎn)彎、前行制動、側(cè)向沖擊以及縱向沖擊等多種工況進(jìn)行了整車強(qiáng)度仿真[4]。本文以右轉(zhuǎn)彎工況及側(cè)向沖擊工況為例進(jìn)行分析，這2 種工況的加載條件見圖6，分別， 鋼架和鋁架進(jìn)行強(qiáng)度仿真，得到如圖7 所示兩種工況下鋼架和鋁架的應(yīng)力云圖。

根據(jù)各工況的零件受力情況，以材料的屈服強(qiáng)度作為目標(biāo)值對各工況進(jìn)行考察，右轉(zhuǎn)彎工況鋼架最大應(yīng)力為282.9 MPa，鋁架的最大應(yīng)力為91.1 MPa ;側(cè)向沖擊工況鋼架最大應(yīng)力為298.2 MPa，鋁架的最大應(yīng)力為81.4 MPa。結(jié)合4130 鋼材料的屈服強(qiáng)度為785.0 MPa，6063 鋁的屈服強(qiáng)度為210.0 MPa[5]，可知無論是鋼車架還是鋁底架，材料的應(yīng)力值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，因此在車架結(jié)構(gòu)輕量化方面，還有較大的優(yōu)化空間。并且從應(yīng)力云圖可以看出整個車架的應(yīng)力分布，這也為優(yōu)化的部位指明了方向。

3 結(jié)束語

本文依據(jù)“第二屆全國新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)技能大賽”裝調(diào)工賽項賽規(guī)要求設(shè)計出了車架，基于軟件對賽車的剛度與強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，確保賽車能在安全性與可靠性條件下實現(xiàn)輕量化，同時也為車架的輕量化優(yōu)化提供了方向。