HQF-600型FSAE一級方程式賽車車架優(yōu)化設計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 目 錄 摘要 Abstract 第 1 章 緒論 1 1.1 研究的目的和意義 1 1.2 研究的背景 2 1.3 賽車車架國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 2 1.4 主要設計內(nèi)容及技術(shù)路線 3 第 2 章 賽車車架的設計 5 2.1 車架的概述 5 2.1.1 車架的結(jié)構(gòu)形式 5 2.1.2 賽車車架的介紹 9 2.2 車架的設計 8 2.2.1 FSAE 車架設計參考 10 2.2.2 FSAE 賽車總體布置 11 2.2.3 車架的結(jié)構(gòu)設計 12 2.2.4 材料的選擇 14 2.3 整車質(zhì)心的確定與受力分析 15 2.4 本章小結(jié) 17 第 3 章 車架三維模型的建立 18 3.1 Pro/E 軟件的介紹 18 3.2 三維模型的建立 19 3.2.1 車架方案一的模型建立 19 3.2.2 車架方案二的模型建立 21 3.2.3 車架方案三的模型建立 23 3.3 本章小結(jié) 25 第 4 章 車架有限元分析 26 4.1 Ansys 軟件概述 26 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 4.2 Pro/E4.0 與 Ansys12.1 的接口建立 28 4.3 FSAE 車架結(jié)構(gòu)靜力分析 31 4.3.1 ANSYS 參數(shù)定義 31 4.3.2 網(wǎng)格的劃分與施加載荷約束 32 4.3.3 車架結(jié)構(gòu)靜力分析 35 4.4 對車架進行優(yōu)化設計 38 4.5 對優(yōu)化后的車架進行側(cè)翻安全分析 40 4.6 對優(yōu)化后的車架進行碰撞模擬分析 42 4.7 對優(yōu)化后的車架進行模態(tài)分析 43 4.8 本章小結(jié) 47 結(jié)論 48 參考文獻 49 致謝 50 摘 要 Formula SAE 賽事 1980 年在美國舉辦第一次比賽，現(xiàn)在已經(jīng)是為汽車工程學會 的學生成員舉辦的一項國際賽事，其目的是設計、制造一輛小型的高性能方程式賽車，并使用這輛自行設計和制造的賽車參加比賽。出于此項比賽的宗旨是讓學生針對業(yè)余高速穿障的車手開發(fā)制造一個原型車，該原行車應該具備有可小批量生產(chǎn)的能力，并且原型車的造價要低于 25,000 美元。這項競賽包含有 3個最主要的基本元素，分別是：工程設計、成本控制以及靜態(tài)評估 ,單獨的動態(tài)性能測試 ,高性能的耐久性測試 Formula SAE 賽事的主要參與者通常都是來自高校的學生組成的車隊?，F(xiàn)在在美國、歐洲和澳大利亞每年都會舉辦 Formula SAE 比賽。 Formula SAE 向年輕的工程師們提供了一個參與有意義的綜合項目的機會。為了促進民族汽車工業(yè)的發(fā)展，中國于 2010年開始舉辦此賽事。本次設計正因此而展開，本次設計主要是從車架的結(jié)構(gòu)入手，為了讓車架達到比賽所用賽車的剛度和強度進行設計和分析，本設計對整車做了總體布置，確定重心的位置。然后將自己設計出的三個不同結(jié)構(gòu)的車架運用 Proe進行建模，然后將三下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 個車架導入 ansys軟件進行靜力結(jié)構(gòu)分析與車架側(cè)翻時候的靜力分析，通過比較得到優(yōu)化結(jié)果，將優(yōu)化的車架進行模態(tài)分析。由于車架看是簡單實際上是比較復雜的， 通過ansys軟件的分析不但能滿足設計的要求，而且縮短了設計的周期。通過本次優(yōu)化設計使中國 FSAE賽車車架的設計能更加完美，同時通過比賽可以通過很多數(shù)據(jù)為民族汽車工業(yè)能提供很多重要的數(shù)據(jù)，進一步使民族汽車的更安全和實用。 關(guān)鍵詞 ：車架；結(jié)構(gòu)；靜態(tài)分析；模態(tài)分析；優(yōu)化設計 ABSTRACT Formula SAE 1980 competition held in the first race in the United States, now is the student members of the Society of Automotive Engineers held an international event, whose purpose and designed using the Zheliang and manufactured race cars. For the purposes of this competition is to allow students to wear barrier for amateur drivers speed development and fabrication of a prototype vehicle, the original driving should have had the capacity to small batch product ion and prototype cars cost less than 25,000 dollars. The main competition includes three basic elements, namely: engineering design, cost contro l and static evaluation, a separate dynamic performance testing, durability testing high-performance Formula SAE competiti ons are usually the main participants from universities a convoy of students. Now in the United States, Europe and Australia will hos t an annual Formula SAE competition. In order to promote the national auto industry development, China started in 2010 to organize the event. This design is therefore to start, this design is mainly starting from the structure of the frame in order to allow the frame to 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 下載文檔送全套 CAD 圖紙 扣扣 1304139763 match the cars stiffness and strength with the design and analysis, the design of the vehicle made a layout, determine the center of gravity position. And then design their own out of the use of three different frame structures Proe model, then three trailers into ansys structural analysis software for static and time frame roll static analysis, by comparing the optimized results will optimize the modal analysis of the frame. Since the frame is a simple fact to see is more complicated, not only through the analysis ansys software to meet design requirements, and shorten the design cycle. The optimal design by the Chinese FSAE car frame is designed to be more perfect, while a lot of data by race for the nation through the automotive industry can provide many important data, and further make the national car more secure and practical. Key words: Frame；Structure； Static analysis；Modal analysis； optimal Design 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 1 買文檔送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 2 第 1 章 緒 論 1.1 研究的目的和意義 (1)通過此次畢業(yè)設計能 為 FSAE賽車提供出車架的設計方案，能填補學校在這方面的空白之處，也能為學校組建 FSEA方程式賽車作出微薄的貢獻。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 3 （ 2）通過專業(yè)綜合訓練，綜合運用汽車設計課程和其他相關(guān)的理論與實際知識，掌握汽車設計的一般規(guī)律，學習正確的設計思想，培養(yǎng)分析和解決實際問題能力。 （ 3）通過汽車設計專業(yè)綜合訓練，使自己掌握運用標準，手冊和查閱相關(guān)資料的能力，培養(yǎng)專業(yè)的設計能力。 （ 4）讓自己學會從工程一線的角度出發(fā)，合理選擇各總成的結(jié)構(gòu)類型，制定設計方案，正確的分析，計算，校核，并考慮制造工藝，經(jīng)濟，使用，維修等問題，培養(yǎng)汽車 設計的能力。 （ 5）汽車作為交通工具之一，已經(jīng)成為人們生活不可缺失的生活工具，在經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，汽車工業(yè)也得到了很好的發(fā)展。所以生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)輕 、性能好、質(zhì)量高、安全可靠的汽車非常重要的意義。 （ 6）通過此次研究 FSAE方程式賽車車車的研究與設計，能為車的安全性、動力性等有著至關(guān)重要的聯(lián)系，在生活中的汽車很多的性能數(shù)據(jù)都是通過各種各樣的賽車比賽中體現(xiàn)出來的。 （ 7）為汽車事業(yè)培養(yǎng)出有用的人才。 （ 8）由于中國有 2010年才開始舉辦 FSAE方程式賽車的比賽，加之中國汽車制造業(yè)起步晚于發(fā)達國家，所以此次車架的研 究設計對中國大學方程式賽車的設計有著突破性的意義。 1.2 研究的背景 Formula SAE 賽事由美國汽車工程師協(xié)會（ the Society of AutomotiveEngineers 簡稱 SAE）主辦。 SAE 是一個擁有超過 60000 名會員的世界性的工程協(xié)會，致力與海、陸、空各類交通工具的發(fā)展進步。 Formula SAE 是一項面對美國汽車工程師學會學生會員組隊參與的國際賽事，于 1980 年在美國舉辦了第一屆賽事。比賽的目的是設計、制造一輛小型的高性能賽車。目前美國、歐洲和澳大利亞每年都會定期舉辦 該項賽事。比賽由三個主要部分組成：工程設計、成本以及靜態(tài)評比；多項單獨的性能試驗；高性能耐久性測試。 Formula SAE 發(fā)展的初衷是想創(chuàng)立一個小型的道路賽車比賽，而現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個擁有大約 20 競賽因素的大型比賽，參與者包括賽車和車 Formula SAE 向年輕的工程師們提供了一個參與有意義的綜合項目的機會。由參與的學生負責管理整個項目，包括時間節(jié)點的安排，做預算以及成本控制、設計、采購設備、材料、部件以及制造和測試。 Formula SAE 為在傳統(tǒng)教室學習中的學生提供了一個現(xiàn)實的工程經(jīng)歷。 Formula SAE 隊員在這個過程中將會經(jīng)受考驗，面對挑戰(zhàn)，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和實踐能力。出于此項比賽的宗旨，參賽學生們是被一個假象的制造公司雇傭，讓他們制造一輛原型車，用于量產(chǎn)前的各項評估。目標市場就是那些會在周末去參加高速下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 4 穿障比賽（ Autocross）的非專業(yè)車手。因此，這些賽車在加速、制動、和操控性方面要有非常好的表現(xiàn)。它們要造價低廉、便于維修并且足夠可靠。另外，這些賽車的市場競爭力會因為一些附加因素，比如美觀、舒適性和零件的兼容性而得到提升。制造公司日產(chǎn)能力要達到 4 輛，并且原型車的造價要低于 25,000 美元。對于設計團隊來說，挑戰(zhàn)在于要在一定的時間和一定的資金限制下，設計和制造出最能滿足這些目的的原型車。每一項設計將會與其他的設計一起參與比較和評估從而決出最佳整車。 1.3 賽車車架國內(nèi)外的現(xiàn)狀 （ 1）國外當今有三個地區(qū)有 Formula SAE 的學生競賽，即美國、歐洲澳洲。 70 年代中期，幾個美國大學開始主辦當?shù)氐膶W生設計競賽賽車。 SAE MiniBaja 的名稱沿襲了著名的墨西哥 Baja 1000 汽車比賽。第一屆 SAE Mini Baja 比賽于 1976 年舉辦，并且迅速成為一個地區(qū)性的年度比賽。比 賽由三個評判標準組成，即一天的靜態(tài)比賽 設計、成本、陳述 接著一天是各自的性能競賽 2項目。 Mini Baja 比賽重點強調(diào)了地盤的設計，因為每個隊伍都使用一個 8 匹馬力的引擎，這一點無法改變。在過去的 20 多年里， SAE Mini Baja 的成功超乎了每個人的預期。在 SAE Mini Baja 的成功獲得各界認同的同時， SAE 聯(lián)合美國三大汽車公司開始推廣一項技術(shù)水平更高的工程類學生競賽，這就是 Formula SAE。 FormulaSAE 相比 SAE Mini Baja 有著許多進步和發(fā)展，引擎的限制 也已經(jīng)大大放寬，允許參賽車隊使用 610cc 以下的發(fā)動機，這極大地提升了賽車的性能表現(xiàn)。在發(fā)達國家，很多高校已經(jīng)從事 Formula SAE 超過 20 年時間，擁有大量資金和試驗基礎的情況下，他們的作品已經(jīng)基本達到了專業(yè)水平，最高時速可達到甚至超過 200km/h， 0 到 100km/h 加速時間一般都在 4.5s 以內(nèi)。從原先在SAE Mini Baja 比賽中的 8hp 發(fā)動機到現(xiàn)今 Formula SAE 中已經(jīng)超過 100hp 的大功率發(fā)動機， Formula SAE 在多方面都取得了驚人的成績，并且該項比賽一直保 持了發(fā)展的態(tài)勢。 （ 2）國內(nèi)上海交通大學機械與動力工程學院于 2006 年率先開始致力于 Formula SAE 方程式賽車的開發(fā)研制。上海交通大學 Formula SAE 車隊在 2007 年研制出的 SJTU Formula-SAE 樣車是中國大陸第一輛 Formula SAE 賽車，之后又在 2008 年完成了第二輛 SJTUFormula-SAE 參賽賽車的設計和制造，并于同年 6 月參加了位于美國加州Fontana舉行的 Formula SAE West 競賽，最終獲最佳新秀車隊獎。湖南大學汽車學院也在國外獲得過一定 的成績。這也是到目前位置中國高校在該項賽事中獲得的最好成績。 2010年中國也舉辦了第一屆 FSAE賽車比賽，各個高校雖然在國內(nèi)都取得一定的成績，但是賽車的性能相對國外的比較還差得很遠。賽車車架的設計又是賽車非常重要的設計，車架對賽車來說固定各個零部件的同時還得在發(fā)生危險的時候保護車手的安下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 5 全，這些國內(nèi)還有很多的距離要去追趕。 1.4 主要設計內(nèi)容及技術(shù)路線 主要設計內(nèi)容： （ 1） 研究應用有限元、靜態(tài)分析以及所有軟件基礎。 （ 2） 車架設計方法以及設計步驟的研究。 （ 3） 以收集的資料車架為參考設計出三種不同結(jié)構(gòu)的車架。 （ 4） 研究 proe 建模軟件，將自己設計出來的三種不同結(jié)構(gòu)的車架運用 proe 軟件進行建模然后倒入 ansys 分析軟件。 （ 5） 運用 ansys 軟件對三種不同結(jié)構(gòu)的車架進行結(jié)構(gòu)靜力分析，通過分析結(jié)果得到優(yōu)化車架。優(yōu)化設計后進行模態(tài)分析與車架側(cè)翻的安全分析 （ 6） FSAE 賽車車架屬于非承載式車身，它是整車的安裝基礎，所以對整車的總體布置也是屬于研究范圍。 技術(shù)路線： 調(diào)研并收集 FSAE 賽車車架資料 對賽車車架進行總體布置 運用 Pro/e 建立初步的模型 有限元模型的建立 對車架進行有限元分析 N 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 6 第 2 章 FSAE 賽車車架的設計 2.1 車架的概述 車架作為汽車的承載基體，為貨車、中型及以下的客車、中高級和高級轎車所采用，支承著發(fā)動機、離合器、變速器、轉(zhuǎn)向器、非承載式車身和貨箱等所用簧上質(zhì)量的有關(guān)機件，承受著傳給它的各種力和力矩。為此，車架應有足夠的彎曲剛度，以使裝在其上的有關(guān)機構(gòu)之間的相對位置在汽車行駛過程中保持不變并使車身的變形最??；車架也應有足夠的強度，以保證其有足夠的可靠性與壽命，縱梁等主要零件在使用期內(nèi)不應有嚴重的變形和開裂。車架剛度不足會引起振動和噪聲，也使汽車的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性及某些機件的可靠性下降。貨車車架的最大彎曲撓度通常應小 于10mm。但車架扭轉(zhuǎn)剛度又不宜過大，否則將使車架和懸架系統(tǒng)的載荷增大并使汽車輪對 FSAE車架進行優(yōu)化設計 車架定型 總圖設計出圖 完成設計和設計說明書 Y 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 7 胎的接地性變差，使通過性變壞。通常在使用中其軸間扭角約為 1/m 。在保證強度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應該盡可能減小，以減小車身質(zhì)量。貨車車架質(zhì)量一般約為整車整備質(zhì)量的 1/10。此外，車架設計時還應考慮車型系列化及改裝車等方面的要求。 2.2.1 車架的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)縱梁的結(jié)構(gòu)特點，車架可分為以下幾種結(jié)構(gòu)型式： 1、周邊式車架 周邊式車架用于中級以上的轎車。如圖 2.1（ a） 所示，在俯視圖上車架的中部寬、兩端窄。中部寬度取決于車 身門檻梁的內(nèi)壁寬；前端寬度取決于前輪距及前輪最大轉(zhuǎn)角；后端寬度則有后輪距確定。左右相關(guān)縱梁由橫梁連接。其最大特點是前后兩段縱梁系經(jīng)所謂的緩沖臂或抗扭盒與中部縱梁焊接相連。前緩沖臂位于車廂前圍板下部傾斜踏板前方；后緩沖臂位于后座下方。其結(jié)構(gòu)形狀容許緩沖臂有一定的彈性變形，可吸收來自不平路面的沖擊和降低車內(nèi)噪聲。此外，車架中部加寬既有利于提高汽車的橫向穩(wěn)定性，又減短了車架縱梁外側(cè)裝置件的懸伸長度。在側(cè)視圖上，與其他型式的轎車車架類似，在前方車輪處縱梁向上彎曲以讓出前后獨立懸架或非斷開式后橋的運動空間。采用這種車 架時車身地板上的傳動軸通道所形成的鼓包不大，但門檻較寬，見圖 2.2（ a）。 2、 X 形車架 如圖 2.1（ b）所示，這種車架為一些轎車所采用。車架的中部為位于汽車縱向?qū)ΨQ平面上的一根矩形斷面的空心脊梁，其前后端焊以叉形梁，形成俯視圖上的 X形狀。下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 8 （ a）周邊式車架；（ b） X 形車架；（ c）梯形車架 圖 2.1 轎車車架 前端的叉形梁用于支承動力 -傳動總成，而后端則用于安裝后橋。傳動軸經(jīng)中部管梁通向后方。中部管梁的扭轉(zhuǎn)剛度大。前后叉形邊梁由一些橫梁相連，后者還用于加強前、 后懸架的支承。管梁部分位于后座乘客的腳下位置 且在車寬的中間，因此不妨礙在其兩側(cè)的車身地板的降低，但地板中間會有較大的縱向鼓包。門檻的寬度不大，見圖 2.2（ b），雖然從被動安全性考慮，要求門檻有足夠的強度和剛度。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 9 3、梯形車架 梯形車架又稱邊梁式車架，是由兩根相互平行的縱梁和若干根橫梁組成。其彎曲剛度較大，而當承受扭矩時，各部分同時產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。其優(yōu)點是便于安裝車身、車廂和布置其他總成，易于汽車的改裝和變型，因此被廣泛的采用在載貨汽車、越野汽車、特種車輛和用貨車底盤改裝的大客車上。在中、輕型客車上也有所采用，轎車則較少采用。用于轎車的梯形車架，見圖 2.1（ c），為了降低地板高度，可局部減小縱梁及橫梁的斷面高度并相應地加大其寬度，但這使縱梁的制造工藝復雜化且其車身地板仍比采用其他車架時為高，當然地板上的傳動軸通道鼓包也就不大了，見圖 2.2（ c）。 如果也包括固定車身的支架，則上述三種轎車車架的自身質(zhì)量差別不大。無論哪一種轎車車架，在前、后橋處均要求有較大的扭轉(zhuǎn)剛度，為此，相關(guān)的縱、橫梁可采用封閉式斷面，這種封閉式斷面可由相配的一對且以垂向面為開口的沖壓成型的槽型梁相互插入并用電弧焊焊接而成。對于不承受扭矩的車架元件、用于固定動力總成的橫梁以及車架兩端位于 基本橫梁以外的縱梁，均采用沖壓成型且具有開口的槽型斷面。 載貨汽車的梯形車架如圖 2.3 所示，由兩根相互平行且開口朝內(nèi)、沖壓制成的槽型縱梁及一些沖壓制成的開口槽型橫梁組合而成。通常，縱梁的上表面沿全長不變或局部降低，而兩端的下表面則可根據(jù)應力情況，適當?shù)叵蛏鲜湛s。既縱梁中部相當長的范圍內(nèi)具有最大高度和寬度，而兩端可根據(jù)應力情況相應的縮小。車架寬度多為全長等寬。車架寬度的標準化有利于產(chǎn)品的三化，例如可使車架橫梁、前后橋及駕駛室、貨箱等進行互換。車架等寬也簡化了縱梁的沖壓工藝且在縱梁上不會產(chǎn)生附加扭矩。有時根據(jù)設 計要求需將車架前、后端的寬度做得窄些或?qū)捫?，但其尺寸與限定的汽車 輪廓寬 2.5m 相適應。車架的長度大致接近整車長度，約為軸距的 1.4-1.7 倍。 4、脊梁式車架 如圖 2.4 所示脊梁式車技由一根位于汽車左右對稱中心的大斷面管形梁和某些懸伸托架構(gòu)成，猶如一根脊梁。管梁將動力 -傳動系連成一體，傳動軸從其中間通過，故采用這種結(jié)構(gòu)時驅(qū)動橋必須是斷開式的并與獨立懸架相匹配。與其他類型的車架比較，其扭轉(zhuǎn)剛度最大。容許車輪有較大的跳動空間，使汽車有較好的平順性和通過性。但車架的制造工藝復雜，維修不便，僅用于某些平順性、通過 性要求較高的汽車上。 5、綜合式車架 系綜合上述脊梁式和邊梁式兩種型式而成，如圖 2.5 所示。這時，主減速器與脊梁相固定，該驅(qū)動橋應為斷開式的且獨立懸架相匹配。其實，圖 2.1（ b）所示的 X 形車架也應歸于這一類型，但該車架可與非斷開式驅(qū)動橋及非獨立懸架相匹配。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 10 （ a） 采用周邊式車架時； （ b） 采用 X 形車架時； （ c） 采用梯形車架時 1.傳動軸通道 ； 2.地板 ； 3.門檻 ； 4.車架 圖 2.2 采用不同車架時的車身底板 圖 2.3 載貨汽車的梯形車架 圖 2.4 具有脊梁式車架的汽車底盤 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 11 圖 2.5 綜合式車架 2.1.2 賽車車架的介紹 賽車一般分為兩類： 1、 單體式（ monocoque） 車架是由復合材料一體成形的殼體，質(zhì)輕而堅硬，尺寸也非常精確， F1采用的就是這種結(jié)構(gòu)。雖然性能優(yōu)異但是造價高昂，在國內(nèi)也非常難找到能制造高溫真空碳纖件的工廠，故暫時未被國內(nèi)車隊采用。 2、 空間衍架結(jié)構(gòu)（ spaceframe） 一種十分傳統(tǒng)也是在業(yè)余比賽中最為常見的車架。它十分受歡迎的原因是設計制造都很簡單便宜。制造它所需要的工具僅僅是鋸子、量具和焊槍。相對于單體式車身它的另一個優(yōu)勢在于發(fā)生碰撞后可以很容易的檢修。 優(yōu)點：高強度 ，輕量化，易于車身造型，安裝一步到位，精度容易保證 缺點：制造加工困難，造價高昂，結(jié)構(gòu)強度難控制，基本沒有容錯性。 限制條件：經(jīng)費有限，加工廠家少，最終效果難以保證 空間車架： FSAE的車架大都采用衍架結(jié)構(gòu)，也有車隊采用混合結(jié)構(gòu)，即坐艙部分為單體式，而前后懸和發(fā)動機艙用管件搭成。在目前 FSAE賽車中使用的是由金屬管件構(gòu)成的空間剛架結(jié)構(gòu)，用以承受全車載荷，并且是所有部件的安裝基礎。屬于最基本的車架類型。因為 FSAE廣泛使用的有管件結(jié)構(gòu)車架、單體殼車身兩種，綜合考慮制造、造價和性能因素后選用此種車架結(jié)構(gòu) 形式。 FSAE使用的空間管件結(jié)構(gòu)車架基本使用鋼管或鋁合金管經(jīng)焊接、鉚接或高強度粘接加工而成。 優(yōu)點：加工制造方便，造價低廉，具有較好的容錯性，強度較高。 缺點：不利于空間布置和車身造型，需要覆蓋車身，因而不利于輕量化 限制條件：結(jié)構(gòu)設計，加工工藝水平 2.2 車架的設計 通過各種對國內(nèi)為車架的借鑒對車架進行設計，通過車架的設計來完成本次設計下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 12 的初步內(nèi)容。 2.2.1 FSAE車架的設計參考 首先是對國內(nèi)外車架的的借鑒。（如圖 2.6 圖 2.7） 圖 2.6 參考車架 1 圖 2.7 參考車架 2 同時根據(jù)人機 工程學，選用 95百分位身高的人做參考對車架進行設計，他對車架下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 13 的前艙尺寸有著非常重要的意義。發(fā)動機的外觀尺寸參考 CF188發(fā)動機的外形安裝尺寸它對車架發(fā)動機的固定空間設計非常重要（如圖 2.8） 圖 2.8 發(fā)動機外形尺寸圖 2.2.2 FSAE賽車總體布置 賽車的總體布置是根據(jù)以上參考進行的，最后對車架進行了總體的布置（如圖2.9） 圖 2.9 賽車總體布置圖 總體布置是由發(fā)動機前置前驅(qū)與發(fā)動機后置后驅(qū)所選擇，最終選用發(fā)動機后置后下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 14 驅(qū)的原因有以下幾點： （ 1） 如果選用發(fā)動機前置前驅(qū)使其結(jié)構(gòu)復雜化，總體布置工 作較為困難，維修與保養(yǎng)時的接近性變差。 （ 2）選擇后置后驅(qū)時，驅(qū)動可以選擇 CVT驅(qū)動，使其結(jié)構(gòu)簡單化，自然整車的制造成本降低，比賽在制造成本也會得到好的比賽分數(shù)。 （ 3）后置后驅(qū)的方式改善了賽車駕駛員的視野，讓駕駛員更能觀察比賽的情況同時做出相應的調(diào)整。 （ 4）在特殊賽段有上坡比賽時候后置后驅(qū)驅(qū)動輪上的附著力增加爬坡能力提高的優(yōu)點。 2.2.3 車架的結(jié)構(gòu)設計 車架作為自制部件中最重的部分 ， 首先需要考慮的是車內(nèi)物體的安放空間。車內(nèi)體積最大的是車手、發(fā)動機和傳動系統(tǒng)，放置好后就能圍繞它們布置管件，勾勒出賽車 的輪廓。 同時在規(guī)則中有很多是專門保證車架乘坐空間和車身強度的，諸如座艙的俯視有效面積、腿部空間、一定坐姿下頭部離主環(huán)前環(huán)連線的距離，以及管件的截面最小尺寸，側(cè)防撞結(jié)構(gòu)，前隔板、前環(huán)、主環(huán)的支撐結(jié)構(gòu)等等。根據(jù)這些多如牛毛的規(guī)定調(diào)整和細化前面的框架，可以初步滿足結(jié)構(gòu)需要。 通過設計本次共設計出三種不同結(jié)構(gòu)的車架。 方案一（如圖 2.10） 圖 2.10 車架方案一圖 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 15 特點： （ 1）此車架長寬高 2300mmx650mmx1050mm （ 2）此車架通過邊梁式車架衍生而來，底部由直鋼管焊接而成。 （ 3）車架主環(huán)梯形的 設計方案，是主環(huán)加工簡單。 （ 4）發(fā)動機由車架 2根縱梁連接，是發(fā)動機固定在車架上更簡單。 方案二（如圖 2.11） 圖 2.11 車架方案二圖 特點： （ 1）車架長寬高 2410mmx650mmx1050mm （ 2）車架底座與發(fā)動機艙和前環(huán)成一定的角度，使整車的重心下降。 （ 3）發(fā)動機是通過幾根固定拉桿焊機在車架的主環(huán)上連接的，相對而言這種結(jié) 構(gòu)的車架發(fā)動機固定困難，且由于空間的緣故維修起來也比較麻煩。 （ 4）主環(huán)頂部采用圓形結(jié)構(gòu)設計，讓車架的有一定的流線美觀的同時也為賽車 側(cè)翻起保護作用。 （ 5）車加的側(cè)面 防撞桿通過 2跟斜拉桿分別與前環(huán)主環(huán)焊接而成。 方案三（如圖 2.12） 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 16 圖 2.12 車架方案三圖 特點： （ 1）車架長寬高 2410mmx650mmx1050mm （ 2）車架發(fā)動機艙與座位底艙平行，前環(huán)與座位底艙成一定角度，是人的重心 和發(fā)動機重心降低。 （ 3）車架發(fā)動機也是通過 2根縱梁連接，去掉發(fā)動機艙 2跟橫向拉桿，是發(fā)動機 艙空間更大。 （ 4）該車架同時也省略了前環(huán)與側(cè)防撞桿的連接，使其結(jié)構(gòu)強度降低但降低了 車架的質(zhì)量。 2.2.4 材料的選擇 FSAE比賽中所使用的整體式車身基本采用碳纖維 (carbon fiber)制造在幾何設計的同時，需要選擇合適的車架材料。目前多采用低碳鋼及合金鋼，鋁合金和復合材料也有車隊采用。大賽規(guī)則對材料的限制，例如鋁合金的壁厚須在 3mm以上等規(guī)定，是選擇材料首先要考慮的問題。對材料不僅僅要考慮它的強度和密度，同樣重要的是材料的穩(wěn)定性、加工焊接工藝要求、能否獲得、價格等因素。不同部位可以選擇不同的材料和管型，以在受力能保證的前提下降低成本。但是整個車架材料和管徑不宜過多，這會導致采購的困難，反而增加了成本。 如果選用低碳鋼就得根據(jù)中國 2010FSAE大賽要求選用鋼管（如表 2.1） 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 17 表 2.1 車架鋼管直徑 部件或用途 外徑與壁厚 主環(huán)和前環(huán) 25.0mm*1.75mm或 25.0mm*2.5mm 側(cè)防撞結(jié)構(gòu)、前隔板 防滾架支撐 25.4mm*1.65mm或 25.0mm*1.75mm 或 25.0mm*2.5mm 前隔板支撐 25.0mm*2.5mm或 25.4mm*1.5mm 最后我選擇的材料為 Q235的鋼材，其楊氏模量為 2.1x1011 Pa，泊松比 0.3，屈服極限 235MPa。為了使車架加工方便和降低成本，在符合要求的前提 下我全部選用直徑為 25.0mm*2.5mm的鋼管。 2.3 整車質(zhì)心的確定與受力分析 (1)求出整車的質(zhì)心位置 iniiimxma 1 （ 2.1） aLb （ 2.2） iniiig mymh 1 （ 2.3） im是第 i 個總成的質(zhì)量 (Kg) ix是第 i個總成的質(zhì)心至前軸中心的水平距離 iy第 i 個總成的質(zhì)心至地面的高度 a 整車質(zhì)心之前軸中的心的水平距離 b 整車質(zhì)心至后軸中心的水平距離 gh整車質(zhì)心質(zhì)地面的高度 L 軸距 車架坐標： x=650 y=300 人的坐標： x=600 y=300 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 18 發(fā)動機坐標： x=1180 y=210 kg55人m kg30m 車架 kg49m 發(fā)動機83361.832493055 210493003030055a 897833-1730a-b L 26708.267493055 210493003030055h g 所以整車質(zhì)心為 x=897 y=267 座位用 U 型螺栓連接，并且 U型螺栓與車架進行焊接。其焊接且最終受力于車架邊梁 (2)受力分析 由于在 ansys 用面載荷就得將牛頓轉(zhuǎn)化為帕斯卡，所以分別對加載載荷進行計算： 壓強公式sFp座椅對車架橫梁的壓強： PasFp 402931025546 550 6 座椅靠背對車架主環(huán)橫梁壓強： PasFp 48911014.32550055t a n5.0556 發(fā)動機對車架縱梁的壓強： PasFp 1 4 00 01025700 245 6 車架側(cè)翻時主環(huán)所受的力計算： 21 mvmvFt F 指賽車側(cè)翻時主環(huán)所承受的力 t 當發(fā)生側(cè)翻時候有最高車速變?yōu)?0車速的時間，根據(jù)經(jīng)驗值選用 0.5s m 賽車的整備質(zhì)量約為 200kg v1 賽車的最高速度約為 150km/h v2 賽車車速變?yōu)?O 時表示。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 19 所以 Nt mvmvF 1 6 2 0 05.0 2004121 2.4 本章小結(jié) 本章對車架進行了介紹，提供車架的設計參考。對 FSAE賽車進行了總體布置，并且對賽車車架進行了三種不同結(jié)構(gòu)的設計，還對車架的材料如何選擇規(guī)定進行了介紹，同時對車架的材料進行了選擇，最后對整車的質(zhì)心進行了確定和受理分析。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 20 第 3 章 車架模型的建立 3.1 Pro/e軟件的介紹 1985 年， PTC 公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。 1988年， V1.0的 Pro/ENGINEER 誕生了。經(jīng)過 10 余年的發(fā)展， Pro/ENGINEER 已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ENGINEER2000i2。 PTC 的系列軟件包括了在工業(yè)設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。 Pro/ENGINEER 還提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。下面就 Pro/ENGINEER 的特點及主要模塊進行簡單的介紹。 主要特性 全相關(guān)性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。這就 意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型： Pro/ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及 其它學科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了 Pro/ENGINEER獨特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 21 裝配管理： Pro/ENGINEER 的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如 “ 嚙合 ” 、“ 插入 ” 、 “ 對齊 ” 等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用 3.2 三維模型的建立 通過運用 Proe 軟件建模的強大功能，掃描，拉伸的功能將三個車架的模型分別建立出來。 3.2.1 車架方案一的模型建立 . 首先新建零件圖，不適用缺省模板，然后選擇牛頓毫米秒的單位（如圖 3.1 圖3.2） 圖 3.1 新建零件圖 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 22 圖 3.2 選擇牛毫米秒為單位圖 建立各種平面完成車架的線型（如圖 3.3） 圖 3.3 車架一線形的建立圖 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 23 然后運用拉伸掃描的功能完成車架方案一的模型建立（如圖 3.4） 圖 3.4 車架一的模型圖 3.2.2 車架方案二的模型建立 首先新建零 件圖，不適用缺省模板，然后選擇牛頓毫米秒的單位（如圖 3.5 圖3.6） 圖 3.5 新建零件圖 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 24 圖 3.6 選擇牛毫米秒為單位圖 建立各種平面完成車架的線型（如圖 3.7） 圖 3.7 車架二線形的建立圖 下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣 414951605 25 然后運用拉伸掃描的功能完成車架方案二的模型建立（如圖 3.8） 圖 3.8 車架二的模型圖 3.2.3 車架方案三的模型建立 首先新建零件圖，不適用缺省模板，然后選擇牛頓毫米秒的單位（如圖 3.9 圖3.10） 圖 3.9