新能源賽車車架設計與強度仿真分析

關鍵詞：新能源;車架;設計;仿真

0 引言

“第二屆全國新能源汽車關鍵技術技能大賽”由人力資源社會保障部、中國機械工業聯合會共同主辦，以“新能源、新世界、新機遇、新人才”為主題，旨在加快培養和選拔新能源汽車關鍵技術領域高素質技能人才，搭建新能源汽車關鍵技術傳播平臺，持續推動新能源汽車產業快速發展，全面提高新能源汽車關鍵技術技能人才的培養質量和水平。根據該賽事裝調工賽項的比賽規則，各參賽隊伍需在賽前約1 個月時間設計制造出符合賽規要求的車架并安裝調試好。在正式比賽現場，專家和裁判將對賽車的多項性能進行測試，測試合格的車輛還要在賽道上接受不同路況的考驗，進行車架的強度與剛度實車測試。

1 車架設計

1.1 桁架式車架

根據大賽裝調工賽項的比賽規則，大賽指定合作企業和技術平臺提供統一的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。單體殼的設計簡單，但制作需要的模具和設備材料則非常昂貴，普通高校無條件制作單體殼。結合我校的硬件設施，以及比賽目的主要考察選手的設計理念及動手能力，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

根據大賽規則，底架選用6063 鋁合金方管，方管規格為25.0 mm×25.0 mm，壁厚3.0 mm。車架選用4130 鋼管，有3種規格，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 車架設計

人機工程是賽車設計的基礎之一。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對多變的賽道上，并迅速作出正確的判斷[1]。本賽車在設計時就參考賽車手的身高及各部分比例，結合駕駛習慣和賽項規定，以人的正常坐姿設計，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°。車手坐姿人機仿真圖如圖1 所示。

1.4 車架整體參數設計

車架由前隔板安裝區、前環、側邊防撞桿、主環和電機電池艙等主要部分組成。根據人機工程學及相關要求，此次設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 前艙和駕駛艙設計

前艙是車架前隔板到前環之間的部分，長度415.0 mm。設計初衷是考慮到賽規要求的轉向半徑不得大于3 000.0 mm，故采用了短軸距設計方案。實現短軸距設計的措施，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度[2]。將前環前移到前懸架處，前環與主環之間距離1020.0 mm。整個前環與主環之間的空間構成了駕駛艙，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，提高防水性能和減少安裝附件的重量。

1.4.2 主環

主環在車架結構設計中以防滾架的形式進行設計。一旦賽車在比賽中發生翻滾，主環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。主環在設計和制作時，均采用一整根連續的、截面形狀封閉的鋼管，防滾環下端直接連接到賽車的鋁合金底架上。

根據賽規要求：駕駛員頭盔與防滾架、車架構成的外側平面之間的距離為220.0 mm ;與防滾架最高外緣水平面的距離為190.0 mm ;距離防滾架最高構件與前部橫梁的連線之間的垂直距離（相當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成的內側平面之間的距離為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系，斜撐與防滾架的夾角52°。由此確定主環的高度為1 351.0 mm，寬度為770.0 mm。

1.4.3 三電系統艙的設計

同樣，為了實現短軸距的設計方案，將三電系統（電池、電機和電控系統）進行垂直布置，即電機采用鋁合金支座固定在底架上，在電機的上方布置電池，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化設計來彌補，并采用高剛度的彈簧和穩定桿的布置來減小賽車過彎側傾及制動俯仰。三電系統艙高度595.0 mm，寬度770.0 mm，電池箱的橫向鋼管離地高度546.0 mm。

2 車架的剛度及強度分析

圖3 為基于CAD 軟件設計的車架三維圖及實車車架。車架設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，我們進行了扭轉剛度測試和強度測試仿真分析。

2.1 扭轉剛度分析

分析扭轉剛度時，模擬車架在轉彎時受到地面反向載荷發生扭轉。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。仿真結果顯示，車架扭轉剛度分析Z 向位移為17 . 1mm， 完全滿足車架變形后回彈要求。從扭轉剛度仿真測試車架應力云圖可以看出，鋼架最大應力為474.9 MPa， 在4130 鋼管材料屈服強度（785 MPa） 范圍以內（圖4）。從鋁架扭轉剛度分析應力云圖可以看出，鋁架最大應力為134.4 MPa（圖5），在6063 鋁材材料屈服強度（190 ～ 243 MPa）范圍內。

2.2 強度分析

為考察在各工況下，車架所受最大應力均低于材料屈服強度。基于CAD 數據建立車身有限元模型，依照賽車常見的多個路況在ADAMS 里面進行多體動力學提載，并在強度仿真軟件里面進行載荷的施加。為保證設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、轉彎、前行制動、側向沖擊以及縱向沖擊等多種工況進行了整車強度仿真[4]。本文以右轉彎工況及側向沖擊工況為例進行分析，這2 種工況的加載條件見圖6，分別， 鋼架和鋁架進行強度仿真，得到如圖7 所示兩種工況下鋼架和鋁架的應力云圖。

根據各工況的零件受力情況，以材料的屈服強度作為目標值對各工況進行考察，右轉彎工況鋼架最大應力為282.9 MPa，鋁架的最大應力為91.1 MPa ;側向沖擊工況鋼架最大應力為298.2 MPa，鋁架的最大應力為81.4 MPa。結合4130 鋼材料的屈服強度為785.0 MPa，6063 鋁的屈服強度為210.0 MPa[5]，可知無論是鋼車架還是鋁底架，材料的應力值都遠遠小于屈服強度，因此在車架結構輕量化方面，還有較大的優化空間。并且從應力云圖可以看出整個車架的應力分布，這也為優化的部位指明了方向。

3 結束語

本文依據“第二屆全國新能源汽車關鍵技術技能大賽”裝調工賽項賽規要求設計出了車架，基于軟件對賽車的剛度與強度進行了仿真分析，確保賽車能在安全性與可靠性條件下實現輕量化，同時也為車架的輕量化優化提供了方向。