AWD型巴哈賽車車架結構設計方法

朱子凡　田哲文

摘要：將巴哈賽車的車架結構設計系統化。基于賽事規則將車架結構按區域劃分后結合重要結構細化設計;給出車架重要結構的設計方法和常見形式;提供部分車架重要結構的常用設計尺寸和尺寸范圍;將基于CATIA軟件建立巴哈賽車車架的實體模型在Workbench中進行仿真分析以驗證結構的安全性。系統的提出了一套全輪驅動（AWD）型巴哈賽車車架結構的設計方法。該方法可以用于指導巴哈賽車車架設計以縮短設計周期，并能簡化部分車架結構的加工，

關鍵詞：巴哈賽車 車架 區域 主要橫桿 支撐結構 安全系數

中圖分類號：TH692.9 文獻標識碼：J 文章編號：1003-0069（2020）07-0126-04

引言

職業院校汽車及相關專業在校生組隊參加的越野汽車設計、制造和檢測的比賽，要求參賽車隊在賽事規則約束下，于規定時間內，設計制造一輛單座、發動機中置的小型越野車。車架系統作為整車其余系統裝配基體和保護車手的重要部分，不僅需要安全的結構、足夠的強度和剛度，同時還要保障賽車各系統的正確定位。故針對逐漸進入大賽的AWD型賽車，系統地提出一套車架結構設計方法，在保留可靠的結構設計，保障車架結構安全性的同時，縮短車架系統的設計時間，簡化部分車架結構的加工。

一、車架系統概述

結合中國大學生巴哈大賽的賽事規則，定義巴哈賽車車架系統上的指定點，命名主要的橫桿和支撐結構，如圖1所示。巴哈賽車車架具有最基本的兩種結構形式：前支撐結構和后支撐結構。由于后支撐結構車架結構簡潔，且根據往年賽車車架的損傷情況，其性能完全可以實現保障車手安全、賽車各系統穩定的設計目標，故選用后支撐結構車架作為主要研究對象，提出本文的設計方法。圖1所示的車架結構均為后支撐式。

參考車架的基本造型和實車中車手的相對位置，并兼顧賽車其系統的協調與干涉，以賽車的ALC橫桿中心為原點O，建立賽車的空間坐標系，將車架劃分為前艙、發動機艙和駕駛艙三大部分，如圖2所示。基于巴哈賽車車架結構的特點，在所劃分的三個區域的基礎上，將其結構設計深入細化為區域內主要橫桿和重要支撐結構的設計。

二、前艙設計

以前支撐結構FBM在側防撞結構SIM下方的部分所組成的平面為邊界，其前后分別劃為前艙和駕駛艙。前艙作為賽車的前部，既要能夠承擔較為劇烈的碰撞，又需為賽車提供轉向器、前橋等部件的安裝空間。該區域的主要結構有：ELC和FLC橫桿，DLC和GLC橫桿。

（一）ELC和FLC橫桿

ELC和FLC橫桿分別作為賽車前端底部的橫桿和前艙與駕駛艙分界的底部橫桿，確定了賽車前艙底部的尺寸。

橫桿的長度取決于設計的前艙寬度，在寬度的基礎上保留加工余量。賽車前艙的寬度首先受到懸架硬點分布位置的幾何形狀約束;其次，在滿足該協調條件的同時需要避免制動踏板、油門踏板與前橋保護殼之前的干涉;最后，必須保障車手合理的操作空間。巴哈賽車的前艙通常被設計為y軸法平面上的矩形結構，從而將前支撐結構FBM的彎曲段設計在同一平面中，簡化FBM的加工。

橫桿之間的距離映射著前艙的空間大小，但是不作為設計尺寸。設計時需要分別確定ELC橫桿和FLC橫桿相對于賽車前軸的y坐標。ELC橫桿的位置首先需要保障車手的腳部不超出賽車前端;其次要滿足轉向器和賽車前橋的安裝空間。FLC橫桿的位置首先需要避免由其參與確定的下半部分的FBM不與前懸架擺臂的固定吊耳發生干涉，其次便是滿足賽車前橋的安裝空間。前艙底部的布置形式如圖3所示。在此方法下，根據經驗給定ELC和FLC橫桿的y坐標。

（二）DLC和GLC橫桿

DLC和GLC橫桿分別作為前艙與駕駛艙分界的頂部橫桿和賽車前端頂部的橫桿，與ELC和FLC橫桿共同確定賽車前艙的整體尺寸。DLC橫桿可按規則刪除，故將其作為虛擬桿件參與車架結構的設計，實際并不通過模型表達或加工實物。

GLC橫桿的長度同樣取決于前艙寬度，且保留加工余量。GLC橫桿和DLC橫桿之間的距離對于車架的結構設計無意義，但是它們確定的平面被要求與駕駛艙的側防撞結構SIM所確定的SIM平面重合，故需要利用已經確定的SIM平面。GLC橫桿和FLC橫桿共同確定賽車的前端平面，該前端平面由ELC橫桿的位置和該平面相對z軸的傾角確定。在前艙空間充足時，可以令該平面適度后傾以縮短指定點D、G之間的結構長度，實現輕量化。設計時，通過上述兩平面的相交確定GLC橫桿的最終位置。

DLC橫桿并不存在于實際的車架結構設計中，因此不加贅述。但是定義該部分的指定點D將在“CLC橫桿和前支撐結構FBM”中詳述。三、發動機艙設計

以賽車的防火墻確定的平面為邊界，其前后分別劃為賽車的駕駛艙和發動機艙。巴哈賽車的發動機艙可以分為上下兩艙，如圖4所示。上艙為油箱提供安裝空間和保護;下艙為賽車的發動機、變速器和減速器提供固定和支撐;下艙后端面中的結構件為后懸架提供連接硬點。該區域主要結構有：RLC橫桿，后端橫桿。

（一）RLC橫桿

RLC橫桿作為賽車發動機艙的主要定位橫桿，與部分結構共同確定發動機艙上下兩艙的分界，如圖4所示。

RLC橫桿首先需要保障發動機足夠的拆裝空間;其次同后懸架系統的減震器與車架的連接硬點的位置密切相關。該硬點位置設計為與指定點R接近被認為是合理的設計，該設計既可以將后懸架系統通過減震器施加給車架的沖擊分散到與指定點R連接的支撐結構上以保證結構的安全性，也可以減去需要為減震器硬點額外添加的支撐桿件，實現輕量化。

對于RLC橫桿以及與其連接的兩根支撐桿件，有以下兩種最為常見的結構：整體式和分離式。如圖5、6紅色桿件所示。

整體式的結構相對于分離式可以減少焊點。對于巴哈賽車的車架而言，焊接的內應力是影響車架性能的最主要且難以控制的變量。焊點的增加容易為車架結構引入更大的焊接內應力，導致在賽事中劇烈的振動、沖擊的環境下，車架的部分結構件發生斷裂破壞的現象。受加工環境的桎梏，目前解決該問題的方法為在加工車架鋼管時磨制貼合程度更高的坡口。減少焊接接頭的數量可以直接緩解這一問題。分離式的結構相對于整體式具有更多加工和維修上的優勢。對于多數參賽車隊而言，彎曲鋼管的加工依舊是不小的難題。同時，不同于分離式結構可以直接更換的特點，整體式的RLC橫桿一旦破壞，會為維修帶來巨大的困難。在這兩種結構的選取中，需要綜合考慮實際的加工條件做出判斷。

（二）后端橫桿

后端橫桿并非規則中規定的橫桿，是在多年比賽中總結出的一種.較為成熟的結構設計。后端橫桿包括上下兩個部分，共同組成賽車后端的倒梯形。

后端橫桿的y軸位置需要滿足下艙的發動機、變速器和減速器的布置空間需求。上下部分間的距離根據主減速器支撐吊耳的位置確定。確定該距離后，根據后懸架系統的擺臂與車架連接硬點的坐標值確定后端橫桿的長度。

四、駕駛艙設計

以前支撐結構FBM在側防撞結構SIM下方的部分所組成的平面和防火墻所在平面為邊界，劃分出賽車的駕駛艙部分。巴哈賽車的駕駛艙涉及大量尺寸設計，受到諸多賽事規則約束，并且與前后艙的結構關系密切。該區域主要結構有：ALC、BLC橫桿與防滾環RRH，CLC橫桿和前支撐結構FBM，車手支撐與保護結構。

（一）ALC、BLC橫桿與防滾環RRH

ALC橫桿確定了賽車防火墻的“下邊界，一般作為初始結構設計。BLC橫桿應設計為賽車防滾環RRH的一部分。

ALC橫桿的長度直接影響駕駛艙的寬度，設計長度應在560mm左右的舒適尺寸上添加40-60mm的加工余量。在車架結構設計的初期，根據經驗設計橫桿相對于賽車前后軸的y坐標值。

BLC橫桿被賽事規則約束為賽車防滾環RRH的一部分，在賽車的結構設計時直接進行防滾環的整體設計。防滾環結構的設計尺寸體現了賽車車架部分的高度和寬度。巴哈賽車的防滾環具有六邊形結構和八邊形結構這兩種常見形式，但是在其寬度受到規則約束的條件下，八邊形結構具有管件長度較短的優勢，如圖7所示。因此，八邊形的防滾環結構被作為車架結構設計中的一種默認設計。

設計八邊形結構的尺寸時，在其相對于六邊形結構增加的兩處彎曲中，于彎曲中心處額外定義指定點Q（QR、QL），如圖7所示。將防滾環結構的設計轉化為設計防滾環傾角和防滾環上各指定點：A、S、B、Q的坐標。

防滾環的傾角表征了防滾環平面相對于z軸的傾斜程度，一般設計其向后傾斜適當的角度，在增大駕駛艙空間、提高車手舒適性的同時充分保障發動機艙的空間。5°左右的傾角較為合適。

A點的坐標在ALC橫桿的設計過程中確定。S點的x坐標保證防滾環的側部與車手身體之間至少152mm的距離。參考《中國成年人人體尺寸（（GB10000-88））》，如表1所示，考慮到服裝等因素，車手寬度一般在450mm左右，因此左右S點的距離不少于750mm。S點的z坐標需要與側防撞結構SIM綜合設計。

B點的位置是防滾環設計的重點之一。其x坐標使得BLC橫桿的長度與賽車前艙的頂部寬度相等。其z坐標代表車架的豎直高度，根據駕駛艙部分的人機模型確定，后文結合表1給出了B點的z坐標設計的經驗公式。最后由傾斜的防滾環平面和確定的車架頂端平面相交確定B點的最終位置。

在AWD型巴哈賽車的車架設計中，為了避免車手或車手座椅與傳動軸之間的干涉，抬高座椅位置是一種基本的解決方法。設座椅的上升高度為z，指定點B的z軸坐標為H，人體坐高計為900mm，車手裝備預計增加30mm的高度，保留車手佩戴頭盔后與賽車頂部外側平面的152mm的距離。給出如下經驗公式：

為了追求車架結構的輕量化，H的取值應當貼近下限。

B點反映車架的高度，Q點則反映著車架的寬度。在賽事規則的約束下，設計Q點的位置在賽車座椅上方686mm處，Q點的x坐標使.得左右Q點的距離超過736mm，保留加工余量時，設計該尺寸不小于760mm。

（二）CLC橫桿和前支撐結構FBM

賽事規則中的前支撐結構FBM是由指定點C到指定點F之間的包含兩端彎曲的結構件。CLC橫桿為其起點C處的連接橫桿。但在實際的加工中，FBM與C、B點之間的鋼管同由一根鋼管構成。故特在此將由B點到F點的完整鋼管稱為前支撐結構FBM，該結構中包括指定點C和D，由指定點D分為上下兩半部分，如圖8所示。

CLC橫桿的長度，設計為與前艙頂部等寬;其沿y方向的位置（即C點的y坐標）受到賽事規則的單獨約束，如圖8所示，并且與前懸架系統和車架之間的連接方式相關;其z坐標（即C點的z坐標）需要和B點保持一致，同BLC橫桿共同構成車架的頂端平面。

設計前支撐結構FBM時，將其轉換為指定點C、D的定位，在x方向上的定位按照左右指定點的距離與前艙頂部等寬進行設計，以便于加工。y、z方向上的定位根據前懸架系統減震器與車架連接硬點的位置又分為兩種不同的設計方法。

連接硬點設計在前支撐結構FBM的上半部分上，如圖9所示。此時結構設計與前懸架硬點的空間位置密切相關。C點的位置在遵循規則約束的同時需要配合懸架幾何的要求進行y坐標的定位，從而調節FBM上部的傾斜角度。D點的定位，首先確定FBM上、下部分所在直線的交點，在滿足前懸架硬點的定位和不干涉的條件下，通過修正該兩部分的角度，使得其交點落在SIM平面上。其次根據彎管模具的實際尺寸，確定FBM上C、D兩處彎管的半徑。最后得到彎曲中心線和SIM平面的交點即為D點。此方法下D點的定位難以保證賽事規則中對于“D點位于彎曲中心“的要求，一般需要利用賽事允許的誤差范圍使得設計滿足要求。

連接硬點設計在前艙的指定點G與前支撐結構FBM上指定點D之間的結構件上，如圖10所示。此時該結構設計與前懸架相關性低，設計時C點的y坐標根據規則的約束按經驗選取，且越接近約束的下極限越能縮短前支撐結構FBM的長度。D點的定位較為簡單，其y坐標僅需要保障由D和F點確定的“下半部分的FBM不與前懸架擺臂的固定吊耳發生干涉;其z坐標由SIM平面決定。

（三）車手技撐與保護結構

將與車手的支撐和保護密切相關的結構件統一劃分在這一部分，包括：座椅的固定桿、安全約束系統的反潛帶固定桿和肩帶固定桿以及承擔主要側向防護的側防撞結構SIM。

座椅的固定桿具有“十字”式和“二字”式兩種形式，如圖11所示。在AWD型巴哈賽車車架的設計中，由于座椅位置的抬高，需要增加結構以架高座椅的固定桿。此時“十字”式的結構不僅需要耗費更多的材料，而且其交叉式的形狀也難以為座椅提供較高精度的支撐平面。因此在AWD型巴哈賽車車架的座椅固定桿設計中，“二字”式的結構更加合理。

座椅的固定桿以及安全約束系統的固定桿件的位置雖然十分重要，但是在車架的結構設計中沒有較大的權重，只需要按照往年的經驗粗略的確定位置，再在車架實體的加工時按照車手的人機試驗確定符合規則的準確位置即可。

側防撞結構SIM是防滾環上的指定點S到前支撐結構上的指定點D之間的結構件，一般包含一小段彎曲，其鋼管的中心線定義了賽車的SIM平面。SIM平面往賽車的前艙沿伸，確定GLC橫桿在z方向上的位置。側防撞結構SIM的設計可以轉換為SIM平面的z方向定位和彎曲中心的x、y方向定位。

SIM平面在z方向上的定位被規則約束了高度范圍，如圖8所示。為了實現輕量化，SIM平面的高度范圍需要進一步縮小。SIM平面和防滾環的交點定義了指定點S，在指定點B的z坐標逼近下限時，在防滾環上由B點到S點的這一部分彎管的長度將由S點的z坐標決定。賽事規則要求，超出838mm的彎管需要添加額外的支撐結構。為避免該情況的發生，SIM平面的高度需要趨向其高度范圍的上限。表2所示為一組避免添加支撐的設計尺寸，上述以及表格中的SIM平面的高度均為該平面到座椅內部底面的高度。

彎曲中心的定位使得車手能夠將膝蓋側靠在彎曲處時可以提高駕駛的舒適度。根據CATIA中人機模型的測量，給定如下的參考坐標值：（土280，490）。

在完成賽車前艙、發動機艙以及駕駛艙如上所述的結構設計后，添加必須的連接結構和各系統的支撐桿件，即可完成體現AWD型巴哈賽車車架設計的點線模型，再利用CATIA軟件的肋命令和厚曲面命令得到實體的車架模型，如圖12所示，用于賽車設計中的模型總裝和車架系統的仿真分析。

五、仿真分析

賽車的車架系統密切關系著車手的生命安全，因此有必要分析所設計車架的安全性。由于車架系統的結構復雜，難以使用傳統的力學分析方法進行分析計算，所以應用CAE軟件解決這一問題。

將在CATIA中建立起的車架三維實體模型經過必要的參數修正后導入到Workbench中進行不同工況下的力學分析，根據車架模型在不同工況下的安全系數分布判斷車架結構的可靠性。

巴哈賽車的車架主體為桁架式結構，結構件主要由不同規格的環形截面鋼管焊接而成，在實體表面進行網格劃分，如圖13所示。為確保有限元分析結果的準確性，在不同工況下的力學分析均需要對模型添加合適的約束、施加合理的載荷。

（一）彎扭組合工況

在彎扭組合工況中，約束所有懸架系統的連接硬點的z軸自由度;約束前懸架硬點的x軸自由度;約束右側前懸架硬點的y軸自由度。按照滿載時的受力狀況施加載荷，包括以下五個方面：

1.添加z軸重力加速度;

2.賽車座椅安裝在車架底部的橫桿上，桿件與座椅接觸部分支撐車手和座椅的總質量。以總質量70kg計，添加z軸負方向700N的力于座椅固定橫桿上;

3.前橋固定再前艙的兩根支撐桿上。以質量10kg計，添加z軸負方向100N的力于其支撐橫桿上;

4.發動機固定在后部支撐板上，以質量50kg計，考慮發動機與傳動系統的振動工況，乘以動載荷系數3.4，并平分在車架后艙兩根縱向桿上，每根桿添加z軸負方向850N;

5.減速器固定在車架后艙縱向桿件之間的橫桿上，以質量15kg計，添加z軸負方向150N的力于其支撐橫桿上。

由圖14的安全系數分布，彎扭組合工況下車架的安全系數最小值為7.584，可認為車架滿足該工況下的許用條件。

（二）極限轉向工況

當賽車處于極限轉向的狀態時，由于離心力的作用會引入側向載荷，賽車高速過彎時，其向心加速度較大（可接近重力加速度）。

為避免模型在x軸方向的移動，約束全部懸架硬點的y軸與z軸自由度和右側前懸架連接點的x軸自由度。

其載荷的施加方式與上述彎扭組合工況的施加方式類似，但是在五個方面中均添加大小為1.5g的側向加速度。

由圖15的安全系數分布，極限轉彎I況下車架的安全系數最小值為5.4489，可認為車架滿足該工況下的許用條件。

（三）緊急制動工況

當賽車緊急制動時，前后車輪全部抱死，此時會在賽車的z軸方向形成較大的縱向加速度，分析中以1.5g計算。

為模型添加約束限制其在y軸方向上的位移。載荷的施加方式與極限轉向工況下力的施加方式相似，將添加的側向加速度改為縱向的加速度。

由圖16中的安全系數，緊急制動I況下車架的安全系數最小值為6.1995，可認為車架滿足該工況下的許用條件。

綜合不同工況下對于巴哈賽車車架模型的CAE分析結果，認為所設計的該AWD型巴哈車架結構安全可靠，可以滿足比賽需求。

結論

本文在歷年巴哈賽車車架設計的基礎上，結合2020賽季巴哈大賽中全輪驅動型（AWD）賽車的車架設計過程，系統化地提出了一套針對于AWD型巴哈賽車的結構設計方法。將賽車的車架按區域劃分，并利用主要橫桿和重要支撐結構進一步細化，分別給出設計依據和部分較為成熟的結構設計。最后應用Workbench的靜力學分析模塊證明了應用該方法設計的巴哈賽車車架在三種工況下的安全性。

本文提出的設計方法與AWD型巴哈賽車車架的設計過程十分契合，能夠在保障車架性能的同時進一步縮短賽車的設計周期，同時簡化部分車架結構的加工過程、降低加工難度。該方法還有利于參賽隊伍更快掌握巴哈賽車車架設計的要點，從而投入更多的精力到車架設計的重難點問題的攻克上，因此從長遠的角度來看，亦將對中國大學生巴哈賽事的發展起到一定程度的推動作用。

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