基于鋼管式結構的巴哈賽車車架設計

付豪 鄧小禾 徐穎航 雷鴻謙

摘要：設計一款有足夠的剛度和強度，同時滿足結構簡潔，性能可靠要求的巴哈賽車車架。文章以武漢理工大學巴哈賽車隊U26賽車車架為例，運用三維建模軟件CATIA進行車架建模，通過ANSYS軟件對車架進行校核。得到性能優良的一款巴哈賽車車架。該設計方法可以為其他相關賽車車架的設計提供參考。

關鍵詞：巴哈賽車 鋼管式車架 三維建模 仿真分析 輕量化

中國分類號：TH692.9

文獻標識碼：J

文章編號：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

中國汽車工程學會巴哈大賽是由中國汽車工程學會舉辦，由高等院校職業院校汽車或相關專業在校學生組隊后參加的越野汽車設計制造和檢測的比賽。以培養高素質技能人才為核心的競賽平臺，可以使參賽學生進一步掌握汽車的結構設計。車架是巴哈賽車承載賽車各部件的基礎，是巴哈賽車重要的安裝基體，在比賽過程中，它將承受來自復雜路面的激勵和車身零件的各種動、靜載荷。車輛在行駛的過程中車架在各種載荷作用下會發生彎曲、扭轉等變形[1]，車架的強度和剛度將直接影響到賽車的安全性、操縱性、耐久性和經濟性。由此給出一種巴哈賽車車架的設計思路，為相關車隊提供參考。

一、巴哈賽車車架設計——以武漢理工大學巴哈賽車隊U26賽車車架為例

（一）設計目標

在滿足規則要求的情況下，車架需要滿足巴哈賽車各部件的安裝要求，同時結構簡潔可靠，達成輕量化目標。

1.輕量化：優化結構減少不必要的桿件，并選用合適的鋼管材料以及鋼管型號，既能使性能滿足規則要求，也可使鋼管壁厚可以相應降低，從而實現減重的目標。

2.簡化防滾架結構，一桿多用，合理布局、減小部分尺寸，使結構更加緊湊，有效提高空間利用率。

3.減少整車的長度、寬度，以減少輪距和軸距。

（二）設計流程

1.熟讀賽季新版巴哈大賽競賽規則：充分了解其對參賽車架每部分構造的具體參數與結構要求;

2.以規則為依據，匹配賽車其他總成的安裝及車手的人機工程進行設計：采集車手身高、體重、肩高、臀寬等數據并匹配前輪輪距、前懸架硬點等參數，確定駕駛艙底面前、后端寬度。在為車手提供全面保護的前提下保證車手的舒適性，并與轉向、制動系統和座椅進行人機工程匹配，確定駕駛艙最終長度。匹配動力傳動系統裝配、懸架系統連接硬點及整車軸距、輪距等參數，確定防滾架最終參數。

3.通過三維建模軟件CATIA中創成式外形設計模塊建立車架模型[2]：車架在建模設計過程中嚴格按照空間xoy、xoz、yoz三個平面的分布。盡量采用點建立空間結構，然后再在零件設計或創成式外形設計三維空間中進行連線以及其他倒圓角等處理，更便于修改（catia在空間線的大批量修改中容易報錯）。

4利用ANSYS軟件進行校核：向ANSYS中導入車架實體模型，設置所選鋼管材料屬性參數，劃分網格約束懸架硬點施加載荷，進行結構校核。

圖1為巴哈賽車車架設計流程：

（三）材料選型

1根據巴哈大賽賽事規則，用于主要防滾架構件的材料必須是[3]：

防滾架主要結構件使用材料是：無縫管或者焊管。材料不低于20#碳素鋼，規格不低于25x1mm

或者

2.彎曲剛度和強度按國家標準超過或者等于20#碳素圓形鋼的鋼型材。不管使用的型鋼材料或者斷面的尺寸如何，型鋼壁厚不得少于1.60mm，碳含量不少于0.18%。

對于不同材料的圓形鋼管的抗彎扭能力，我們進行了結構等同性對比，結果如表1所示。主要公式計算如下：

截面慣性矩：

式中：D：外徑 d：內徑

抗彎強度：

式中：Sy：屈服強度C：從中性軸至外緣的距離

抗彎剛度：

式中：E：彈性模量|：有關結構橫截面的截面慣性矩

經過對比，我們最終選擇4130無縫鋼管作為賽車車架材料，其型號分別為：

主要構件：31.75 x1.6mm，次要構件①：25.4 x1.6mm，次要構件②：25.4 x1.2mm

（四）車架設計

車架的功用是支撐、連接汽車的各總成，使各總成保持相對正確的位置，同時需要有足夠的強度和剛度承載汽車內外的各種載荷。U26號巴哈賽車車架設計減少了不必要的桿件支撐和使用優質4130無縫鋼管，車架凈重22kg，充分實現輕量化。圖2為巴哈大賽競賽規則防滾架結構圖，圖3為2019年巴哈大賽競賽規則示意圖。首要依據2019巴哈大賽賽事規則，再滿足巴哈賽車各部件的安裝要求，同時結構簡潔可靠。

采集參賽車手數據并進行統計分析，得到參賽車手平均數據，如表2：

1.RRH（后部防滾環）

RRH決定著防滾架的最大高度和最大寬度尺寸。

設計RRH傾斜角度為5度，RRH傾斜增大了駕駛艙的體積，但同時減小了發動機艙的體積。車手在比賽過程中身體前傾眼睛注視車輪前方路面，故基本不會靠著座椅背部（座椅背部與RRH平行），故在動力傳動總成安裝和駕駛艙做取舍，發動機艙優先，RRH應在不影響動力傳動總成的安裝的情況下選擇較大的角度。

相比于六邊形RRH（S點最寬）結構，八邊形結構不僅可以使最寬點為686mm處，同時可減少RHO兩根橫桿的之間的距離（六邊形左（右）側兩條線之間的角度不大于30度）。

RRH設計高度傾斜沿5度平面1165mm，1165xcos5°≈1160mm，RHO水平且通過B點，故RHO高度為1160mm，當1041mm標準模板放在座椅上是，座椅位于防滾環底部平面大于76mm，取80mm（后文中76mm均取80mm），80mm+1041mm=1021mm，1160mm>1021mm;當178cm車手佩戴頭盔坐在座椅上時，距座椅底部920mm，故頭盔高度離防滾架底部中軸線約920+80-16=984mm（主構直徑31.75mm，后文中均取主構半徑16mm），頭盔距防滾架頂部1160+15.875-984≈192mm，192mm-156mm=36mm，留有36mm余量以備更高的車手駕駛，同時留有一定得加工余量。

在座椅底部平面686mm最低寬度不低于736mm，取最寬處為大于736mm的保留加工余量的距離780mm;686mm+80mm=766mm，790mm-766mm=24mm，留有一定的加工余量。

S點為SIM的起始點，SIM形成駕駛艙，SIM應在座椅上方203mm-356mm，取下限，故SIM最小高度為203mm-16mm+80mm=267mm，302mm在彎管后取中點高為300mm，300mm大于267mm（SIM設計高度為290mm，提高是為了更靠近座椅安裝橫桿，以獲得更好的結構）。底部寬度為560mm。

2.LFS（下端車架邊緣）

LFS決定駕駛艙長度。

設計駕駛艙長度為750mm（匹配車手以及軸距），作為賽車，只需要做關于車手的人機工程。由于油門踏板采用接地式，故駕駛艙實際長度達到780mm;由于在駕駛時油門踏板處于常踏狀態，制動踏板處于常松狀態，故設計制動踏板安裝位置靠前于油門踏板，以保證駕駛時兩腳的狀態相同，

前艙：前艙高度即位SIM高度，SIM最低高度為267mm，SIM設計高度為290mm。制動踏板長度為180mm，轉向器直徑39mm，高度為45mm，故轉向器最高高度為45mm+19.5mm=64.5mm，故制動踏板位于最下端時，制動踏板與轉向器之間的最小距離為290mm-180mm-64.5mm=45mm.可以保證制動踏板在行程最大時與轉向器不發生干涉。

寬度為320mm，配合懸架擺臂與輪距。

長度350mm，配合懸架前擺臂最大寬度并留有一定的加工余量。

制動踏板安裝位置與油門踏板安裝位置距離為11Omm。

3.SIM（側防撞構件）

SIM高度為290mm，與RRH連接高度為300mm

在yoz平面向前550mm寬度為640mm，此處為車手膝蓋位置，在車手舒服的位置并留有一定的余量，故取640mm。

4.FBM UP與RHO（防滾環前部和頂部構件）：為了使防滾架在向前翻滾時有著更好的過渡，將FBM UP連接至防滾架最前端。高度取1160mm。

為了滿足標準模板放置在座椅上其軸線距離不小于305mm，座椅距yoz平面178mm，178mm+305mm=483mm，留有較大加工的余量以及較小的座椅安裝位置偏差，取540mm。

5.座椅安裝

（1） USM（座椅下方構件）：駕駛員臀部與防滾架最外側的距離至少為76mm，故軸線之間的距離為76mm-16mm-12.7mm（次構半徑25.4mm） =47.3mm。依據座椅安放位置，USM距yox平面178mm。

（2）座椅背部支撐：將座椅放在USM上方，選擇合適的固定點得到高度390mm。

6安全帶和反潛帶安裝

（1）安全帶：安全帶安裝不低于駕駛員肩部以下102mm且不高于駕駛員肩部，故以身高最高的駕駛員以標準設計安裝位置且安裝位置不得超過身高最矮的駕駛員的肩部。同時該桿件需要安裝油箱支架，故盡量調整使其與發動機艙圖示該桿件等高，以方便油箱安裝。

（2）反潛帶：反潛帶安裝必須在腰帶安裝節點256mm之前，腰帶安裝節點130mm，130mm+256mm=286mm，留有一定余量，取395mm。

7.LDB（側向斜撐）：LDB需要與頂部和底部的最大距離為127mm，留有一定得加工余量后，選擇下部為1OOmm，上部與圓角切點重合。

8.發動機艙：發動機艙主要匹配動力傳動的數據，同時配合懸架數據。發動機艙設計必須滿足可以將發動機從其上方取出。發動機艙長度為動力傳動安裝不發生干涉的最小長度。為了滿足發動機必須從其上方拿出，此桿件須為400mm（±15mm），匹配懸架減振器安裝參數，確定其高度。為使發動機艙底部最靠后的一根桿受力傳遞至主構，須將兩根桿連接，但是左邊需要安裝CVT，故連接至該點。圖4為設計的巴哈賽車車架三維模型，表3為該模型的主要參數列表。

二、制造過程

（一）鋼管切割：測量車架三維模型中主要構件與次要構件每根管管長，并盡量拼湊合并為3m長度，方便用切割機進行切割;

（二）鋼管處理：把每段鋼管在砂輪機上磨好坡口，用角磨機進行坡口打磨并將需要焊接的部位除銹;

（三）定位加持：根據車架三維模型中鋼管的位置，使用三維柔性焊接平臺及其夾具進行定位加持，提高車架加工精度。如圖5：

（四）車架焊接：使用二氧化碳保護焊進行防滾架焊接，焊接完成后再焊接部位仍有較大的殘余應力，為保證不產生焊接變形在焊接后盡量保持在12小時后再拆除夾具;

（五）車架美化：將整個車架全部除銹，并將所有鋼管表面和焊點打磨細致平整，在焊接連接部位打上膩子，在進行全身噴漆。

三、ANSYS仿真分析

（一）靜力學分析：在ANSYS中添加鋼管材料，選擇4130鋼其泊松比為0.279，楊氏模量為211GPa，密度為7850kg/m3。將CATIA建模軟件中創建的車架轉換為實體模型導入到ANSYS中，再對參數進行設置以及網格劃分[4]。對懸架硬點進行約束，根據實際賽場工況施加載荷[5]，經過數據處理得到圖6，圖7所示：

靜力學分析結論：巴哈大賽賽道具有多變性與復雜性，運用ANSYS對整個車架進行了靜力學分析。分別對影響最為嚴重的彎扭組合工況和側向和縱向加速度工況進行分析，分析的結果表明在極端情況下，車架仍然能保持變形量和應力，滿足要求

（二）模態分析：通過模態分析方法可以了解車架在易受影響的頻率范圍內的各階模態，以此預測在此頻段內在激勵作用下產生的實際振動響應。由于巴哈車架的前6階為剛體模態，對其前12階固有頻率進行分析，選擇第1階到第12階，共12階個模態進行分析[6]，分析結果如表4所示：

在行駛時的巴哈賽車主要受到如下兩種外部激勵[7]：

1）比賽時巴哈賽車的發動機會在各種不同的工況下運行，所以發動機內部會產生不同頻率的振動。不同轉速下的激振頻率可由下式求得：發動機激振頻率=2×發動機缸數×發動機轉速/發動機沖程數×60，此激勵在車架固有頻率外，不產生影響。

2）路面產生的激勵通過車輪，減振器傳到車架，導致車架在行駛過程中不可避免地發生振動。一般來說，巴哈賽車所采用的的懸架系統中減振器以上質量的偏頻范圍為1.5～2.5Hz，減振器以下質量的偏頻范圍為18Hz以下。所以該偏頻范圍遠遠低于巴哈車架的固有頻率，因此不會發生共振。

本巴晗賽車發動機是賽事官方指定使用一臺四沖程、風冷、排量為305cc，型號為Briggs&Stratton OHV Intek的百力通巴哈發動機。從怠速到發動機能達到的最高轉速的范圍是2000～3600r/min，對應計算得其振動頻率范圍為16.67～30Hz。因為該頻率范圍不在上述車架1階-12階各模態的固有頻率范圍內，所以得出不會引起車架發生共振。

結語

文章以武漢理工大學巴哈賽車隊U26賽車車架為例，利用三維建模軟件CATIA對賽車車架進行設計，并將模型導入到ANSYS軟件中進行仿真分析。最終設計出滿足各零件的安裝要求，防滾架結構簡單，安全可靠，符合人機工程學，實現輕量化的目標的一款車架。此款車架相比往年管件數量減少14%，減重達g%，助力該車在2019年中國大學生巴哈大賽中榮獲全國一等獎。

基金項目：2019年度國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201910497058）

參考文獻

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[3]中國汽車工程學會中國汽車工程學會巴哈大賽賽事規則[Z]2018-12-05

[4]北京兆迪科技有限公司ANSYS Workbench15.0結構分析快速入門、進階與精通[M]北京：電子工業出版社20016：5-8

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[6]陶超，馬其華，黃天柱，黎勁宏基于輕量化的全地形巴哈賽車車架設計優化田制造業自動化，2017（4）：23-36

[7]付豪，雷鴻謙基于巴哈賽車車架的三維建模及仿真分析[J]節能，2020（10）：3-4