V畢業(yè)設(shè)計（論文）題目大學生方程式賽車設(shè)計（整體車架設(shè)計、標準安全系統(tǒng)及座椅附件設(shè)計）2013年5月30日方程式賽車整體車架設(shè)計摘要FSAE賽車是一項以大學生為對象的賽事，旨在為汽車工業(yè)培養(yǎng)更多的優(yōu)秀人才，參賽的賽車全都由各高校研究設(shè)計。由于是為比賽而設(shè)計的賽車車架，因此設(shè)計時必須要考慮賽事技術(shù)規(guī)范。我的畢業(yè)設(shè)計就是為FSAE賽車設(shè)計車架。賽車的車架設(shè)計必須要考慮賽車發(fā)動機、駕駛員的布置以及賽車各個總成的布置。又由于賽車車架是賽車的主要受力結(jié)構(gòu)，賽車上的幾乎所有的結(jié)構(gòu)以及部件都是有車架直接或者間接支撐，所以車架的結(jié)構(gòu)一定要合理，同時強度剛度必須達到一定的要求。在車架設(shè)計之初，要將大賽的有關(guān)規(guī)定和評分標準完全掌握，對各部件該怎么布置，布置在什么方位有一個清晰的規(guī)劃。同時為了使以后的車架結(jié)構(gòu)設(shè)計更為合理，我參考了天津大學、湖南大學以及部分國外的車架。進入設(shè)計階段后，在對比了車架的結(jié)構(gòu)形式后，選擇了桁架式的車架。根據(jù)強度要求，選擇車架的材料。在確定了懸架的安裝位置后，依據(jù)技術(shù)規(guī)范、賽車的整體布置、發(fā)動機以及人體模型確定車架大致的整體尺寸，然后建立幾套車架的雛形；再優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)使整體各個系統(tǒng)能合理的布置在車架上，直至使車架結(jié)構(gòu)滿足各個方面的要求。在幾套車架結(jié)構(gòu)基本定型以后，開始對車架進行結(jié)構(gòu)受力分析、優(yōu)化以及對比，選擇結(jié)構(gòu)合理質(zhì)量最輕的車架。關(guān)鍵詞：FSAE，車架，技術(shù)規(guī)范，發(fā)動機，駕駛員

FORMULSAE—ASPACEFRAMEDESIGNABSTRACTTheFSAEvehicleraceisonetakesuniversitystudentasthesportseventofobject,forthepurposeofcreatesmoreoutstandingtalentsfortheautomobileindustry,participatingvehicleraceallbyvariousuniversityresearchanddesigns.Asaresultofcompetitionvehicleraceframeofdesign,whendesignmustconsiderthesportseventtechnologystandard.MygraduationprojectdesignstheframefortheFSAEvehiclerace.Theframedesignofvehicleracemustconsiderthethearrangementofarrangementaswellasvehicleraceeachunitofvehicleraceengineandpilot.Becausevehicleraceframeisthemainstressstructureofvehiclerace,almostallstructuresaswellasthepartsinvehicleracehavetheframedirectorindirectsupport,thereforethestructureofframeiscertainlyreasonable,simultaneouslytheintensityrigiditymustmeetcertainrequirements.Atthebeginningoftheframedesigns,mustcompletelygraspstheconcernedrequirementsandpointscaleofbiggame,howshouldarrangetovariousparts,arrangeshasaclearplaninanyposition.Simultaneouslytomakethelatervehicleframedesignismorereasonable,IhavereferredtosomeTianjinUniversity,HunanUniversityaswellasoverseasframes.Afterbeinginthedesignstage,aftercontrastingthestructuralstyleofframe,haschosenthetruss-typeframe.Accordingtotheintensityrequest,choosesthematerialofframe.Afterlocatingtheairflowdistributionofsuspensionfork,accordingtotheoverallarrangement,engineofaswellasthemanikindeterminationframeapproximateoverallsizetechnologystandardandvehiclerace,thenestablishestheembryonicformofseveralsetsofframe;Optimizesthevehicleframetoenabletheoveralleachsystemagaintoarrangereasonablyontheframe,untilmakesthevehicleframemeettherequestineachaspect.Afterseveralsetsofvehicleframefinalizesbasically,startstocarryonthestructureanalysisofacceptingforce,tooptimizeaswellascontrasttotheframe,optionalstructurereasonablequalitylightestframe.KEYWORDS:FSAE,frame,technologystandard,engine,pilot目錄第一章賽車概述 1§1.1國外FormulaSAE簡介 1§1.2中國大學生方程式汽車簡介 2第二章車架結(jié)構(gòu)特點綜述 3§2.1車架的功用與要求 3§2.1.1車架的功用 3§2.1.2對賽車車架的要求 3§2.2車架的計算 4§2.3車架綜合實驗要求 4§2.3.1車架的應力測定 5§2.3.2車架的剛度測定 5§2.3.3可靠性與耐久性臺架試驗 5§2.3.4隨整車進行的可靠性道路試驗或試車場試驗以及使用試驗 5第三章車架類型方案的對比與分析 6§3.1一體式金屬車架 6§3.2單體式車架 7§3.3桁架式車架 7第四章車架的材料以及結(jié)構(gòu) 8§4.1車架材料的材料力學分析 8§4.2方程式賽車車架材料的技術(shù)規(guī)范要求 8§4.3車架材料的選擇 9§4.4賽車車架的結(jié)構(gòu) 10§4.5車架應力的消除 10第五章大學生方程式賽車車架設(shè)計 11§5.1賽車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 11§5.2賽車駕駛艙的設(shè)計 14§5.3賽車各個系統(tǒng)及零部件在車架上的安裝位置的設(shè)計 15§5.3.1懸架系統(tǒng)的安裝位置的設(shè)計 15§5.3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝位置的設(shè)計 17§5.3.3傳動系統(tǒng)的要求 18§5.4安全系統(tǒng)的要求 18第六章賽車車架的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化 21§6.1車架在實際環(huán)境下的受力 21§6.2車架的結(jié)構(gòu)分析方法 21§6.3有限元分析方法的基本原理 22§6.4有限單元法的分析步驟 23§6.5基于有限元分析方法的車架的分析 24§6.6基于有限元分析方法的碰撞塊分析 24第七章座椅設(shè)計 26§7.1人性化座椅設(shè)計 26§7.1.1系統(tǒng)中人和機的職能分工 27§7.1.2體坐姿體壓分布 28§7.1.3座墊上的體壓分布 28§7.2汽車座椅舒適性設(shè)計 30§7.2.1座椅強度的設(shè)計 30§7.2.2座椅結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計 30§7.3座椅蒙皮、椅墊阻燃設(shè) 31第八章結(jié)論 32參考文獻 33致謝 34第一章賽車概述§1.1國外FormulaSAE簡介FormulaSAE，是由各國SAE，即汽車工程師協(xié)會舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個月以內(nèi)的本科生或研究生舉辦的一項學生方程式賽車比賽，要求在一年的時間內(nèi)制造出一輛在加速、剎車、操控性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)并且足夠穩(wěn)定耐久，能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項目業(yè)余休閑賽車。自1981年創(chuàng)辦以來，F(xiàn)SAE已發(fā)展成為每年由7個國家舉辦的9場賽事所組成，并有數(shù)百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。SAE方程式（FormulaSAE）系列賽源于1978年。第一次比賽于1979年在美國波斯頓舉行，13支隊伍中有11支完賽。當時的規(guī)則是制作一臺5馬力的木制賽車。SAE方程式（FormulaSAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團隊構(gòu)思、設(shè)計與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為給車隊最大的設(shè)計彈性和自我表達創(chuàng)意和想象力的空間，在整車設(shè)計方面將會限制很少。賽前車隊通常用8至12個月組的時間設(shè)計、建造、測試和準備賽車。在與來自世界各地的大學代表隊的比較中，賽事給了車隊證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機會。FormulaSAE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(shè)計、采購設(shè)備、材料、部件以及制造和測試。FormulaSAE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。FormulaSAE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。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(shè)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。為了達到比賽的目的、學生可以把自己假想設(shè)計人員。某一制造公司聘請他們?yōu)槠湓O(shè)計、制造和論證一輛用來評估該公司某一量產(chǎn)項目的原型車。預期的銷售市場是X末業(yè)余汽車比賽。因此，該車必須在加速，制動和操控性能方面表現(xiàn)出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外，考慮到市場銷售的因素，該車需美觀、舒適，零部件也需要有通用性。制造企業(yè)計劃每天生產(chǎn)四輛該型車,并要求原型車實際耗資應低于2.5萬美元（該規(guī)則09年已經(jīng)取消）。設(shè)計小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計和組裝一輛滿足各種要求的車。各個設(shè)計環(huán)節(jié)將作為競賽比較和評判的內(nèi)容。§1.2中國大學生方程式汽車簡介中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽在比賽過程中，參賽隊員能充分將所學的理論知識運用于實踐中。同時，還學習到組織管理、市場營銷、物流運輸、汽車運動等多方面知識，培養(yǎng)了良好的人際溝通能力和團隊合作精神，成為符合社會需求的全面人才。目前，中國汽車工業(yè)已處于大國地位，但還不是強國。從制造業(yè)大國邁向產(chǎn)業(yè)強國已成為中國汽車人的首要目標，而人才的培養(yǎng)是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)強國目標的基礎(chǔ)保障之一。大學生方程式賽車活動將以院校為單位組織學生參與，賽事組織的目的主要有：1、是重點培養(yǎng)學生的設(shè)計、制造能力、成本控制能力和團隊溝通協(xié)作能力，使學生能夠盡快適應企業(yè)需求，為企業(yè)挑選優(yōu)秀適用人才提供平臺；2、是通過活動創(chuàng)造學術(shù)競爭氛圍，為院校間提供交流平臺，進而推動學科建設(shè)的提升；大賽在提高和檢驗汽車行業(yè)院校學生的綜合素質(zhì)，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,增進產(chǎn)、學、研三方的交流與互動合作等方面具有十分廣泛的意義。管理者接受了一次難度十足的鍛煉。FSAE賽事也給了汽車廠商發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀人才和創(chuàng)意想法的機會。

第二章車架結(jié)構(gòu)特點綜述§2.1車架的功用與要求§2.1.1車架的功用大學生方程式賽車車架作為賽車的承載基本是賽車的主要承載構(gòu)件，其功用是支撐發(fā)動機、離合器、變速、底盤和車身各主要總成的安裝機體，同時承受這些總成的重力以及其傳給車架的各種力和力矩，因此，車架應有足夠的彎曲強度，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變形量較小；車架也應有足夠的強度，以保證其具有足夠的可靠性和壽命，車架主要零件在使用期內(nèi)不應有嚴重變形或者開裂。車架剛度不足會引起震動和噪聲，也使汽車輪胎的接地性變差，是通過性變壞。在保證強度、剛度的前提下車架的自身質(zhì)量應盡可能小，以較少整車質(zhì)量。從被動安全性考慮車架應具有吸收撞擊能力的特點，此外，車架設(shè)計時，還要考慮大學生方程式賽車技術(shù)規(guī)范中的要求。從提高整車的橫梁穩(wěn)定性以及較小縱梁側(cè)裝置的懸架伸出長度來看，希望盡可能增大車架寬度，從簡化制造工藝和避免縱梁寬度轉(zhuǎn)折處引起應力集中而導致車架損壞來看，還要求最好車架前后等寬，但是，考慮到整車的總布置，上述要求往往難以滿足，目前，大學生方程式賽車應用最廣泛的是單體式車架和空間桁架式車架。賽車車架縱梁承擔了車架受力的大部分，而車架橫梁將左右縱梁連接起來，構(gòu)成一個框架，不僅用來保證車架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，而且還用以支撐賽車上的主要部件。§2.1.2對賽車車架的要求1、車架應滿足大學生方程式賽車技術(shù)規(guī)范的要求2、車架應具有足夠的強度，保證在各種工況下長期使用不致發(fā)生嚴重損壞。3、具有足夠的剛度，車架應保證賽車的正常使用，固定在車架上的各個總成和部件的相對位置變化較小，使它們能正常工作。另一方面，當車輛在不平道路上行駛時，為了提高其平順性和通過能力，要求車架具有一定的柔度，即扭轉(zhuǎn)剛度不宜過高。4、車架質(zhì)量要輕，在保證強度的前提下應盡量較少車架質(zhì)量以減低材料消耗，制造成本和提高使用的經(jīng)濟性。5、結(jié)構(gòu)應盡可能簡單，便于制造。此外，簡單有效地車架能使車架的質(zhì)量和尺寸盡可能的降低。6、車架要有一定的韌性?！?.2車架的計算大學生方程式賽車車架具有一定的強度和扭轉(zhuǎn)剛度，其車架計算的主要任務(wù)是：1、確定賽車滿載時在不平度很小的平坦路面上以需要考慮動載荷的足夠高的車速行駛時，車架元件的應力。2、確定車架上所有元件中應力最大的元件，以及其危險截面。3、確定各個系統(tǒng)與車架相連接位置的應力是否滿足要求。為了不僅評價車架的柔度以及作用在車元件上的應力，而且要弄清變形和應力突變處的危險截面以及它們沿車架長度的變化情況，則應對通過特征點的一系列橫向平面處的車架撓度、扭轉(zhuǎn)角和應力進行計算，計算結(jié)果最好能用沿車架長度繪制出的撓度、轉(zhuǎn)角和應力圖表達出來。為了簡化計算，可將車架看做平面結(jié)構(gòu)，而車架縱、橫元件的交接處的交角認為是剛性的且認為車架元件在兩結(jié)點之間的全長的慣性矩不變，并取為該元件慣性矩的平均值。最簡單的車架的計算，是在對稱載荷（彎曲）作用下簡化為簡單元件的應力。在反對稱載荷(彎曲)作用下，車架是一個靜不定系統(tǒng)，用材料力學教程中的一些方法求解著一靜不定關(guān)系統(tǒng)各個元件的應力和變形時計算十分復雜，工作量很大。然而，如果對系統(tǒng)作某些假設(shè)則可使計算簡化。§2.3車架綜合實驗要求車架的實驗內(nèi)容包括：應力測定、剛度測定、可靠性測定與耐久性臺架試驗臺架試驗、隨整車進行的可靠性道路試驗或者試車場試驗以及使用試驗等。§2.3.1車架的應力測定對車架的應力測定可以較快的得出其應力分布情況，找出薄弱環(huán)節(jié)和產(chǎn)生的原因以及改進后的效果。除了進行靜彎曲和靜扭轉(zhuǎn)的應力測定外，還以整車在道路模擬試驗臺上、試車場以及在使用條件下進行應力測定。這對車架的設(shè)計定型很有指導作用?！?.3.2車架的剛度測定包括對車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進行測定，測定車架的彎曲剛度時，是在前后軸處設(shè)置剛性支撐并模擬實際負荷情況下加載。測定車架的扭轉(zhuǎn)剛度時，因注意車架在試驗臺上的緊固情況，以避免試驗裝置對其剛度產(chǎn)生影響，也要明確試驗條件，并測出裝置這些有關(guān)條件前后即在不同實驗條件下的剛度變化情況，§2.3.3可靠性與耐久性臺架試驗包括車架的彎曲疲勞試驗和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、等副度試驗臺是較為簡單的實驗裝置，有機械式、液壓式和激振式，常用作進行車架的對比試驗，程控疲勞試驗臺能更好的模擬車架在實際使用中的載荷，后者常用于整車狀態(tài)下的疲勞試驗?！?.3.4隨整車進行的可靠性道路試驗或試車場試驗以及使用試驗讓滿載的賽車行駛于試車場專門路段上來進行車架的彎曲疲勞試驗和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗。隨著優(yōu)化設(shè)計、可靠性道路設(shè)計與有限元分析等現(xiàn)代設(shè)計方法與分析技術(shù)的發(fā)展以及計算機的運用，在產(chǎn)品設(shè)計階段對車架進行多方案的分析和優(yōu)選，可使試驗費用減到較低程度，但車架設(shè)計的最終評價仍要以試驗結(jié)果為準。

第三章車架類型方案的對比與分析賽車車架是賽車的主體結(jié)構(gòu)，它為其它部件，如懸架、發(fā)動機、座椅、踏板、傳動裝置等提供安裝的位置，并承受所有部件傳來的力。賽車車架一般采用兩種形式：一是單體式車架，另一種是桁架式車架。§3.1一體式金屬車架一體式金屬車架，整個車身的外殼本事就屬于車架的一部分。所以它不同于傳統(tǒng)的梯形車架或者管式車架，需要在車架外包裹外殼。事實上，按嚴格的定義來說，一體式車架都是由不同的組件裝嵌而成的，其中最大的一塊就是地臺，其余的如車頂、側(cè)板大小各異，所有的板件都是由高壓壓模機壓制出來的，利用機械臂做電焊處理，有的甚至使用激光焊接技術(shù)。整個制作過程短至數(shù)分鐘便可宣告完成。因此，一體式車架主要為了適應高度機械化的流水生產(chǎn)作業(yè)大量生產(chǎn)，這樣做可以大大的降低生產(chǎn)成本。而且一體式車架先天擁有良好的撞擊保護能力，車頭以及車尾加裝副車架一方面有利于吸收撞擊所造成的沖擊力，另一方面對車架行駛的剛性也有所幫助。其次，一體式車架能夠預留用以吸收撞擊能量的褶皺區(qū)外，車架本身的包裹式構(gòu)造還可以將褶皺區(qū)域吸收不完的能力經(jīng)過車柱分散到車體的其余部分，避免猛烈撞擊力在瞬間過于集中而對乘客造成嚴重的創(chuàng)傷！相對于其他的車架構(gòu)造，一體式車架沒有高而闊的門欖、防滑動支撐架和大型的傳動軸管道等，空間的利用率極高。凡事總有正反兩面，一體式車架生產(chǎn)前的配套投資極其龐大，不適合小批量生產(chǎn)。另外一個明顯的缺陷就是一體式車架因為使用大量的金屬，重量偏高。外殼的作用主要是用來營造理想的空間效果，而車架的設(shè)計主要由金屬鋼片構(gòu)成，雖然鋼片已經(jīng)作了開坑的加強韌度處理，但是在物理結(jié)構(gòu)上的剛度，特別是非水平扭動，始終不及桁架式車架。如果以重量和剛性比來作比較的話，使用同等金屬重量所制作出來的一體式車架是所有車架中剛性表現(xiàn)最不差的?！?.2單體式車架也稱作整體式或承載式式車架。由于一般汽車采用大梁式車架，其車架質(zhì)量重、體積大、重心高的問題，單體式車架的意念是用金屬制成堅固的車身，再將發(fā)動機、懸架等機械零件直接安裝在車身上。這個車身承受所有的載荷，充當車架，所以準確稱呼應為“無車架結(jié)構(gòu)的承載式車身”（采用大梁車架的汽車車身則稱為“非承載式車身”）。承載式車架由鋼或者鋁經(jīng)沖壓、焊接而成，對設(shè)計和生產(chǎn)工藝的要求都很高。成型的車架是個帶有坐艙、發(fā)動機艙和底板的骨架，我們所能看到的光滑的汽車車身則是嵌在骨架上的覆蓋件。承載式車車架是目前國外賽車車架的主流，因為這種結(jié)構(gòu)將車架和車身二合為一，重量輕，可利用空間大，重心低，而且沖壓成型的制造方式十分適合現(xiàn)代化的大批量生產(chǎn)。但是除了開發(fā)制造難度高外，剛度（尤其是抗扭剛度）不足也是承載式車身的一大缺陷。這問題在日常用車上還不明顯，但對于大馬力、大扭力的高性能跑車，要求有很高的車架剛度，普通承載式車身就顯得剛度不足。由于承載式車架將全車所有部件，包括懸架、車身和乘員連成一體，具有很好的操控反應（正式學名是“操作響應性”），而且傳遞的震動、噪音都較少，這是大梁式車架不可比擬的?！?.3桁架式車架也可以說是鋼管式車架。由于單體式車架的設(shè)計開發(fā)和生產(chǎn)工藝都復雜，故其主要用于大批量生產(chǎn)。但是對于中國大學生方程式賽車雖然可以采用共用平臺策略，但所謂的“共用平臺”能共用的只是懸架、傳動系統(tǒng)底盤部件，單體式車架由于必須與車身形狀吻合，對于不同的車身造型是不能共用車架的。而桁架式車架就比較合適。為了降低成本同時與小規(guī)模生產(chǎn)相匹配，本賽車車架采用桁架式車架。

第四章車架的材料以及結(jié)構(gòu)§4.1車架材料的材料力學分析車架的材料應具有足夠的屈服極限和疲勞極限，低的應力集中敏感性，良好的冷沖壓性和焊接性能。車架材料與所選定的制造工藝密切相關(guān)。拉伸尺寸較大或形狀復雜的沖壓件需要采用沖壓性能好的低碳鋼或低碳合金鋼；拉伸尺寸不大，形狀不復雜的沖壓件常采用強度較高且冷沖壓時不宜沖壓和回彈的的材料。鋼材在冷沖壓成型后，其疲勞強度降低，靜強度提高，延伸率較小的材料的降低幅度更大，賽車常用材料在沖壓成型后的疲勞強度一般為140～160MPa。同時，由于車架是一個大型的焊接件，選擇材料時要考慮材料的可焊接性?！?.2方程式賽車車架材料的技術(shù)規(guī)范要求根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，大學生方程式賽車車架的基準鋼鐵材料的最低材料要求。賽車的基本結(jié)構(gòu)必須為如下材料制作：圓形、低碳鋼或合金鋼管（含碳量最小%1）、最小直徑如下表3-1（或者采用替代材料，替代材料應滿足下文所述）：表3-1基準鋼鐵材料部件或用途外徑*壁厚主環(huán)和前環(huán)，肩帶安裝桿25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.5mm側(cè)防撞結(jié)構(gòu)、前隔板、防滾架支撐、車手約束部件安裝環(huán)25.4mm*1.65mm或25.0mm*1.75mm或25.4mm*1.60mm隔板支撐25.4mm*1.25mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm備注：使用的合金鋼不允許比低碳鋼的薄另外，規(guī)則中除了主環(huán)和主環(huán)支架必須用剛才外，其它可以使用替代的管件和材料，但是已被焊接的鈦管不能在基本結(jié)構(gòu)中使用，這包括支架和管件之間的連接件或其他部件和管件之間的連接件。替代鋼管最小壁厚如下表3-2：表3-2最小壁厚要求材料和用途最小壁厚主環(huán)、前環(huán)鋼管2.0mm防滾架支撐、前隔板、車手約束連接件1.6mm側(cè)防撞結(jié)構(gòu)和前隔板支撐鋼管1.2mm備注1：不允許合金鋼管件的壁厚比所用的低碳鋼的壁厚更薄。備注2：為了保持相同的屈服強度和極限拉伸強度，必須保持鋼材相同的橫截面積。而且，規(guī)范上還規(guī)定，對于替代的另一種材料——鋁管的最小壁厚要求為至少3.0mm。§4.3車架材料的選擇彎折尺寸較大的主環(huán)以及主要支撐車架的主環(huán)支架，由于技術(shù)規(guī)范中要求必須用鋼材，而考慮到材料的材料力學性能以及技術(shù)規(guī)范的要求，4130鋼滿足要求。另外，在選擇了材料之后，為了盡可能的降低車架的質(zhì)量，在滿足技術(shù)規(guī)范的要求下，應盡可能的用小的外徑和壁厚，但同時必須滿足車架的強度和扭轉(zhuǎn)剛度等力學性能。這一部分在下文中會有詳盡敘述，這里不再簡述?！?.4賽車車架的結(jié)構(gòu)賽車車架采用的是桁架結(jié)構(gòu)，其作用是為賽車所有其他部件的連接基礎(chǔ)，同時通過前、中、后防滾架的設(shè)計對駕駛艙提供保護。空間桁架結(jié)構(gòu)是一種十分傳統(tǒng)的也是在比賽中最為常見的車架?！?.5車架應力的消除對于車架這種大型焊接件采用自然時效、回火時效來消除焊接應力收效甚微，必須采用共振時效來消除或者降焊接應力，具體措施如下：用一臺振動頻率為50～90Hz，激振力可達500～900KN的機械激振器，將車架放在大與車架的平臺上，用彈性墊將其支撐牢固，最佳支撐位置在振動的節(jié)點上。并將激振器牢固地安裝在車架上，其位置應選在振峰附近，而不能裝在節(jié)點附近，開動激振器，調(diào)節(jié)頻率，當與工作頻率一致時，引起共振；通過改變激振器的偏心距來調(diào)節(jié)激振力，對車架來說應力應控制在50～100N/mm2范圍內(nèi)，一般需要維持共振狀態(tài)15～20min。通常對于較輕的賽車車架，可采用并聯(lián)或聯(lián)法放在平臺上進行。

第五章大學生方程式賽車車架設(shè)計車架設(shè)計的出發(fā)點是將車手、發(fā)動機和懸架連接點安排在它們各自理想的位置上。這些系統(tǒng)決定了車架最基本的結(jié)構(gòu)和形狀?？臻g框架結(jié)構(gòu)的車架制造成本低，方便維護，同時比較適合承受集中載荷。懸架和車架的連接點、搖臂盤、以及其他受力點都盡可能地布置在靠近車架節(jié)點地位置，以便減小應力矩和位置誤差。車架盡量多地采用承載軸向載荷的部件以便最大程度地增加單位質(zhì)量所表現(xiàn)出來的強度。大學生方程式賽車的車架是賽車的整體外形框架，它的設(shè)計的可以很大程度的決定賽車的外形特征，個性、美化的車架加上車身很容易給人以震撼的感覺，同時也更容易給人以好感。但是，大學生方程式賽車車架的設(shè)計同時也必須考慮一定的因素:必須滿足駕駛艙以及發(fā)動機放置的要求必須滿足賽車整體框架以及賽車軸距的要求，，必須滿足賽車各個系統(tǒng)如懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等的要求，必須滿足賽車安全系統(tǒng)等等的要求?！?.1賽車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計賽車整體結(jié)構(gòu)對賽車車架的設(shè)計有很大影響。賽車整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須考慮賽車整體結(jié)構(gòu)的布置：駕駛艙的布置，發(fā)動機的布置，水箱油箱的布置，軸距的分配，輪距的大小等。賽車車架主要是由三個防滾架以及必要的支撐包圍的結(jié)構(gòu)，如圖4-1。賽車防滾架是一組鋼管組合件（有可拆卸和不可拆卸兩種），使用冷拔無縫碳素鋼管彎制而成，安裝時一根一根按照車廂內(nèi)部的輪廓進行連接或焊接的。如果去掉車身外殼，所看見的就是一個由數(shù)根鋼管搭建的金屬籠子。防滾架所用的鋼管材質(zhì)和抗扭曲度是根據(jù)車身重量而定的，一般要能夠承受兩倍以上車身重量的沖擊。由于場地賽的路面較平，基本沒有落差，相比之下在野外進行的拉力賽和越野賽更容易發(fā)生翻車事故，車身損壞就會大一些。因此拉力賽車和越野賽車防滾架的強度（強度和場地賽沒分別）更高，管件構(gòu)造更密集。賽車的防滾架，除了應付意外情況以外，還可以起到增強車身強度和抗扭曲度的作用。因為防滾架的焊接固定均是選取車身底盤比較堅固、承重的位置，比如底盤框架鋼梁，以及前后避震器座。對于賽車來說，原裝的車廂就好像是一個盒子，在激烈操控的時候很容易發(fā)生扭曲變形，而防滾架撐起的骨架比車廂堅固很多，因此即使車輛頻繁地顛簸跳躍，來自地面的沖擊力都會分散一部分到防滾架上，對車體就起到了很好的保護作用。賽車防滾架既可焊接固定，也可用螺栓固定，或者兩種方法混合使用。防滾架安裝時，應盡可能靠近車體。車手所坐的區(qū)域是最重要的，因此該區(qū)域的防滾架搭建也是最重要的。主體防滾護欄、支撐杠（B柱間的主框架）、允許使用的加強支撐杠在與車體連接固定時，必須盡可能選擇車體堅固受力的地方，其固定點必須裝有一塊加固板。在車手身體、頭盔可能同防滾架接觸的位置必須加設(shè)不易燃的柔性防護墊。另外，必須使用冷彎法制作防滾護欄的拐角處，如鋼管在彎曲時形成橢圓，則鋼管變形的比率必須在0.9以上。有了防滾架，車子遇到撞擊、翻滾等嚴重事故時，即使車身外部慘不忍睹，車內(nèi)的車手也會安然無恙。圖4-1賽車車架的基本結(jié)構(gòu)長度方向上,發(fā)動機如圖4.2所示，尺寸為610x587x519mm，為了是賽車整體尺寸降低，采用發(fā)動機縱置，鏈傳動的形式，因此，賽車車架主環(huán)到后軸的距離至少為610mm。當采用鏈傳動時，為了較好的傳動，發(fā)動機法蘭盤的中線到后軸中線的水平距離至少為255mm，由發(fā)動機的形式，發(fā)動機法蘭盤面到發(fā)動機縱置時的后端面的距離為306mm，因此，車架主環(huán)到后軸中線的距離至少為610+（306-255）=661mm。由人體工程學，65Kg，165mm的人以自然的駕駛姿勢駕駛時，腳尖距離后背最后點的距離大致為1100mm。另外，制動踏板以及制動輪缸的最前端距離腳尖大概有500mm的距離。由于后懸架的上叉臂的X開寬度約為200mm，因此，后軸軸線距離車架最后端的距離至少為100mm。因此，車架的長度約為661+1100+500+100=2456mm.考慮到加工因素及其他零部件的安裝，在此范圍內(nèi)架上200mm,可以使加工安裝時的預備尺寸更加合理，車架的長度約為2630mm。寬度方向上，內(nèi)操縱艙必須能讓一個自由垂直的橫斷面如4.3的模板水平通過，故內(nèi)操縱艙車架最窄處應至少為350mm。主環(huán)底部，至少大于發(fā)動機的長度尺寸587mm，考慮到油箱和水箱放置于發(fā)動機兩側(cè)，故主環(huán)應留有約為650mm的寬度，暫定為660mm。高度方向上，安裝懸架位置點，即上下叉臂高度約為200mm，主環(huán)高度最高，由于人體自然駕駛姿勢駕駛時坐高約為850mm，而且主環(huán)最高點與前環(huán)最高點連線至少高于頭頂50mm，因此，主環(huán)高度約為1050mm。圖4-2發(fā)動機模型圖4-3內(nèi)駕駛艙檢測板§5.2賽車駕駛艙的設(shè)計駕駛艙的設(shè)計主要使駕駛員有一個相對安全的的環(huán)境，同時駕駛艙是駕駛員操縱車輛的地方，駕駛艙太小的話會影響駕駛員的操縱靈活性。如果長時間坐于過小的駕駛艙會對駕駛員的身體有一定程度的損害；駕駛艙過大的話既浪費了材料，又增加了車重。因此，駕駛艙的設(shè)計對賽車車架的設(shè)計相當重要。駕駛艙的要求至少能讓65Kg，165mm人體坐進去。同時大賽規(guī)則要求，必須滿足一標準版，如圖4.4，被水平拖著，并且垂直插入直到它穿過側(cè)防撞結(jié)構(gòu)的頂部管件的底部。圖4-4駕駛艙檢測板由于主環(huán)處最寬，定義了約為660mm左右。而由板的形狀，駕駛艙底部可以做成梯形以較少材料，降低車重。故前環(huán)與側(cè)防撞最高車管件的焊接處距離主環(huán)的水平距離至少為400mm。內(nèi)艙為駕駛員操縱制動系統(tǒng)以及傳動系統(tǒng)的地方，主要為制動踏板和油門、離合器踏板。人體自然駕駛時腳尖距離后背最后點約為1100mm；有技術(shù)規(guī)范，車架前環(huán)的支架必須延伸到駕駛員前部，因此，前環(huán)支架在車架中心線的投影，至少在駕駛員腳的前部。又由圖4.4，主環(huán)與前環(huán)之間的距離至少為600mm，暫定為可以大致確定前環(huán)與前環(huán)支架的距離約為500mm?！?.3賽車各個系統(tǒng)及零部件在車架上的安裝位置的設(shè)計車架是賽車的整體框架，賽車的各個系統(tǒng)都在車架上直接或者間接固定，各個系統(tǒng)的布置位置都有一定的要求。一個合格的車架必須滿足各個系統(tǒng)直接或者間接的固定要求。§5.3.1懸架系統(tǒng)的安裝位置的設(shè)計懸架系統(tǒng)是賽車的重要總成之一，它把車架與車輪彈性的連接起來。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此產(chǎn)生的承載系統(tǒng)的震動，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證賽車的操縱穩(wěn)定性，是賽車獲得良好的行使能力。懸架系統(tǒng)與車架焊接位置，很大程度的影響了懸架系統(tǒng)的工作性能，懸架系統(tǒng)對車架也有相當精密的要求。前懸架的安裝如圖4-5(a):圖4-5（a）前懸架的安裝示意圖前懸架上下叉臂的高度為199.51mm，前上叉臂的X開寬度為128.95mm，前下叉臂的X開寬度為202.94mm。在車架投影面上，前上叉臂的中線在車輪前軸線前0.87mm處，前下叉臂的中線在車輪前軸線后0.87mm處。車架上放置兩個前下懸架的焊點寬度為430mm，而在地面的投影面上，前下叉臂的中線要比前下叉臂的中線長104.38mm。前懸架的上下叉臂如圖4-5(b)和4-59(c)所示。因此為滿足前懸架的要求，車架上叉臂安裝點必須要有高為199.5mm，下部寬為430，上部寬度為430+2X104.3=638.6mm。車架前懸架支座的安裝應在兩根水平的車架管件上，且上部的管件長度不能少于前上叉臂的X開寬度，下部的安裝管件長度不能少于前下叉臂的X開寬度。圖4-5（b）前上叉臂圖4-5（c）前下叉臂后懸架的安裝如圖4-6(a）：后懸架上下叉臂的高度為199.51，后上叉臂的X開寬度為172.16mm，后下叉臂的X開寬度與后上叉臂的X開寬度相等，如圖4.6(b)。在車架投影面上，后上叉臂的中線在車輪前軸線前0.87mm處，后下叉臂的中線在車輪前軸線后0.87mm處。車架上放置兩個后下懸架的焊點寬度為460mm，而在地面的投影面上，前下叉臂的中線要比前下叉臂的中線長104.38mm。圖4-6（a）后懸架的安裝示意圖圖4-6(b)后懸架叉臂因此為滿足前懸架的要求，車架上上下叉臂支座必須要有高為199.5mm。鑒于后上叉臂和后下叉臂的X開寬度相等，為了節(jié)約材料，同時減少車的總長，可以將叉臂支座固定于車架上的在豎直平面內(nèi)的管件上，且此兩管件的距離應滿足叉臂X開寬度的要求?！?.3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝位置的設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來保持或者改變賽車行駛方向的機構(gòu)，在賽車轉(zhuǎn)向行駛時，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車架上不同的固定位置不僅對轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)向力有影響，而且對轉(zhuǎn)向的靈敏性有影響。方向盤以及轉(zhuǎn)向柱如圖4-7所示。大學生方程式賽車技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，車架前環(huán)與轉(zhuǎn)向盤之間的最近距離不能少于250mm，而且，車架前環(huán)在任何方向上都不能低于方向盤。由于齒輪齒條包與方向盤的高度距離為541mm，考慮到齒輪齒條包不能是其他系統(tǒng)的最低點以及其在車架上的安裝位置的高度的影響，前環(huán)應高于541mm。又由于轉(zhuǎn)向立柱應固定于車架上，考慮到方位上的因素，可以從前環(huán)支架上伸出兩根管件與轉(zhuǎn)向柱的固定支座相焊接配合。圖4-7轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)示意圖§5.3.3傳動系統(tǒng)的要求傳動系統(tǒng)是位于發(fā)動機和驅(qū)動車輪之間的動力傳動裝置，其基本功用是將發(fā)動機發(fā)出的動力依次經(jīng)過離合器、變速器、由萬向節(jié)和傳動軸組成的萬向傳動裝置一鍵安裝在驅(qū)動橋中的主減速器、差速器和半軸，最后傳給驅(qū)動車輪。傳動系統(tǒng)主要實現(xiàn)減速增矩、實現(xiàn)汽車變速和到倒駛、在必要時中斷動力傳遞，同時還應使驅(qū)動車輪具有差速作用。為了主加速器，車架尾部的下部必須設(shè)計兩根橫桿或者焊接一個底板，且為了和主加速器包的軸承支撐相配套，兩橫鋼管的距離應為111.5mm。如圖4-8圖4-8主減速器模型圖§5.4安全系統(tǒng)的要求安全系統(tǒng)是駕駛員生命安全的一大重要保障。賽車的安全系統(tǒng)存在于賽車的各個方面，但主要分為前防撞結(jié)構(gòu)和側(cè)防撞結(jié)構(gòu)。賽車的車頭位置主要為駕駛員的雙腳和腿部，為了駕駛員的安全考慮，必須使駕駛員的雙腳包裹在賽車框架的主體結(jié)構(gòu)之中，而且，當駕駛員的腳接觸制動踏板時，不論從側(cè)面還是前面來看，駕駛員的任意部分都不準伸出或者高于車架之外。同時，在賽車的前隔板之前，必須要有能量吸收裝置以防止撞車時損害駕駛員的腳和腿部，為了使能量吸收裝置有足夠的緩沖作用，必須要求能量吸收裝置:1.安裝在前隔板之前，2.在前隔板之前200mm(7.8英寸)范圍內(nèi)，至少100mm（3.9英寸)高，200mm(7.8英寸)寬。3.碰撞時不能穿透前隔板，前隔板必須要有足夠的厚度和強度，4.技術(shù)規(guī)范中要求，緩沖結(jié)構(gòu)和前隔板直接并且安全地連接在一起，而不是作為非承載式車身的一部分。，5.同時，緩沖結(jié)構(gòu)的安裝必須為橫向和垂直載荷提供一個足夠的卸載路徑，以防偏心和偏軸線的撞擊。。6.技術(shù)規(guī)范中要求，緩沖結(jié)構(gòu)和單體殼的連接，必須通過結(jié)構(gòu)等同性報告得到審核批準。7.如果緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充泡沫，或是成蜂窩結(jié)構(gòu)，則必須將厚度為1.5mm的鋼板(0.060英寸)，或厚度為4.0mm(0.157英寸)的鋁板作為“防侵平板”整合在緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)。該金屬板必須和前隔板的輪廓尺寸相同，并且和前隔板焊接或用螺栓連接在一起。。8.若“防侵平板”沒有和車架固結(jié)，如沒有焊接在一起，則必須用至少四個8mm8.8級螺栓把緩沖結(jié)構(gòu)和前隔板連接在一起。車架的側(cè)防撞結(jié)構(gòu)主要保護駕駛員的身體不在撞車時受到傷害。因此，當駕駛員以普通駕駛姿勢乘坐時，側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須有至少三根管件位于駕駛員的兩側(cè)，如圖4-9這三根管位置為：上部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)以及前環(huán)相連接，當一個77Kg的駕駛員以普通姿勢乘坐時，該管件的位置必須在離地300mm到350mm之間；底部的側(cè)防撞管件必須和主環(huán)和前環(huán)相連接；側(cè)面對角側(cè)防撞結(jié)構(gòu)必須連接位于主環(huán)前部、前環(huán)后部的上部和下部的側(cè)防撞單元。同時，翻車時駕駛員的任何部位都不能接觸地面，因此，前環(huán)頂端和主環(huán)頂端的連線必須高于駕駛員頭盔頂端至少50.8mm。圖4-9側(cè)防撞管件的位置圖4-10方程式賽車車架初步設(shè)計模型綜上，方程式賽車的初步設(shè)計初步設(shè)計模型如圖4-10所示。對于賽車的強度和剛度的校核以及賽車的優(yōu)化設(shè)計在下面會有詳盡敘述，這里就不再贅述。

第六章賽車車架的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化§6.1車架在實際環(huán)境下的受力車架在實際環(huán)境下要面對的4種壓力：（1）負載彎曲，從字面上就可以十分容易的理解這個壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過輪軸傳到地面。而這個壓力，主要會集中在軸距的中心點。因此車架底部的縱梁和橫梁，一般都要求較強的剛度。（2）非水平扭動，當前后對角車輪遇到道路上的不平而滾動，車架的梁柱便要承受這個縱向扭曲壓力，情況就好像要你將一塊塑料片扭曲成螺旋形一樣。（3）橫向彎曲，所謂橫向彎曲，就是汽車在入彎時重量的慣性（即離心力）會使車身產(chǎn)生向彎外甩的傾向，而輪胎的抓著力會和路面形成反作用力，兩股相對的壓力將車架橫向扭曲。（4）水平菱形扭動，因為車輛在行駛時，每個車輪因為路面和行駛情況的不同，每個車輪會承受不同的阻力和牽引力，這可以使車架在水平方向上產(chǎn)生推拉以至變形，這種情況就好像將一個長方形拉扯成一個菱形一樣?！?.2車架的結(jié)構(gòu)分析方法由于FormulaSAE的比賽規(guī)則對車架的安全性有著非常嚴格的標除了對所有防滾架、撞擊保護區(qū)域以及所有組成框架的桿件的連接與支撐形式有著嚴格的規(guī)定以外，對所選用的材料的種類和規(guī)格也有著很嚴格的限制?；谶@個原因，只要是符合FormulaSAE規(guī)則的車架在強度上是不可能出現(xiàn)任何問題的。國外的FormulaSAE比賽參賽車隊都需要提交大量相關(guān)的技術(shù)報告，但關(guān)于車架強度校核的報告是不需要提交的。車架的強度是通過規(guī)則的相關(guān)規(guī)定來保證的。我們賽車車架設(shè)計時所選定的的材料為25.2×3mm的4130鋼鋼管，超過規(guī)則規(guī)定的材料上限標準25.4mm×2.4mm低碳鋼管。且樣車的車架設(shè)計完全符FormulaSAE的規(guī)則，所以車架的強度是完全可以保證的。對于車架的結(jié)構(gòu)的分析，由于傳統(tǒng)力學計算比較復雜，同時由于傳統(tǒng)力學需要建立力學模型，而理學模型與實際的對象會有一定程度上的差別，因此，傳統(tǒng)力學對對象的分析會有一定程度的失真。因此我們能可以使用有限元分析方法對車架的結(jié)構(gòu)進行分析。§6.3有限元分析方法的基本原理有限單元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。它是五十年代首先在連續(xù)體力學領(lǐng)域――飛機結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析中應用起來的一種有效的數(shù)值計算方法。有限元法分析計算的思路和作法可歸結(jié)如下：1、物體離散化將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各單元組成的計算模型。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連接起來；單元節(jié)點的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定。一般情況，單元劃分越細，則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量越大。2、單元特性分析（1）選擇位移模式在有限單元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法；取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法；選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法。位移法易于實現(xiàn)計算自動化，所以，在有限單元法中應用最廣。當采用位移法時，物體或結(jié)構(gòu)離散化之后，就可以把單元中的一些物理量如位移、應變和應力等由節(jié)點位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，我們就將位移表示為坐標變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)，如，中是待定系數(shù)，是與坐標有關(guān)的某種函數(shù)。（2）分析單元的力學性質(zhì)根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式，從而導出單元剛度矩陣。（3）計算等效節(jié)點力物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對于實際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點上去，也就是用等效節(jié)點力來代替所有作用在單元上的力。3、單元組集利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)接起來，形成整體有限元方程。式中,K是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q是節(jié)點位移列陣；f是載荷列陣。4、求未知節(jié)點位移解有限元方程式得出節(jié)點位移?？梢钥闯觯邢拊ǖ幕舅枷胧恰耙环忠缓汀?，分是為了進行單元分析，和則是為了對整體結(jié)構(gòu)進行綜合分析。§6.4有限單元法的分析步驟有限單元法的分析步驟一般如下：1、單元剖分和插值函數(shù)的確定根據(jù)構(gòu)件的幾何性質(zhì)、載荷情況及所要求的變形點，建立由各單元所組成的計算模型。再按單元性質(zhì)和精度要求，寫出表示單元內(nèi)任意點的位移函數(shù)。2、單元特性分析根據(jù)位移插值函數(shù)，由彈性力學中給出的應變和位移關(guān)系，可計算出應變。3、單元組集把各單元按節(jié)點組集成與原結(jié)構(gòu)相似的整體結(jié)構(gòu)，得到整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點力與節(jié)點位移得到關(guān)系，即整體結(jié)構(gòu)平衡方。4、解有限元方程可采用不同的計算方法解有限元方程，得出各節(jié)點的位移。在解題之前，必須對結(jié)構(gòu)平衡方程組進行邊界條件處理。然后再解出節(jié)點位移。5、計算應力在計算出各單元節(jié)點位移后，即可求出相應的節(jié)點應力?！?.5基于有限元分析方法的車架的分析由于車架鋼管材料選擇的是強度比較大的4130鋼，材料的屈服極限為785Mpa，根據(jù)去年學校參賽賽車的強度分析報告，4130鋼遠遠大于車架上的最大應力，因此，車架的強度滿足要求?！?.6基于有限元分析方法的碰撞塊分析根據(jù)FormulaSAE規(guī)則的要求，參賽賽車在車架最前部安裝有蜂窩鋁制成的碰撞吸能塊。模型如圖5-7所示。圖5-7車架防撞塊及其安裝使用UG高級仿真對碰撞吸能塊進行分析，圖5-8為吸能塊模型。緩沖快上下為鋼板，中間為蜂窩鋁。外形尺寸為200mm×100mm×100mm。蜂窩鋁的材料為鋁合金，取E=70Gpa，G=27Gpa，=2700kg/，蜂窩結(jié)構(gòu)的六角形邊長l=3.5mm，壁厚t=0.06mm。蜂窩結(jié)構(gòu)和鋼板都使用固體建模。圖5-8設(shè)定質(zhì)量M=300kg，7m/s，碰撞方向為Z軸。吸能塊的變形如圖5-9所示。圖5-8質(zhì)點加速度圖5-9吸能塊重心加速度對車輛碰撞來說，最大的加速度應該發(fā)生在碰撞初期，如圖5-10，碰撞產(chǎn)生的最大加速度為3215mm/s2=3.215m/s2=0.33g。吸能塊重心的最大加速度為1680×102mm/=168m/=17g<20g。符合FormulaSAE規(guī)則的規(guī)定，改吸能塊的設(shè)計是安全的。

第七章座椅設(shè)計隨著科技的發(fā)展、時代的進步、技術(shù)的更新、節(jié)奏的加快等一系列的社會與物質(zhì)的因素，使人們更加注重產(chǎn)品的人性化設(shè)計問題。人體工程學設(shè)計的產(chǎn)品也就越來越受到大眾的歡迎。汽車座椅作為汽車內(nèi)飾最重要的組成部分之一，越來越受到關(guān)注。人性化的汽車座椅設(shè)計并不是僅有數(shù)據(jù)符合要求的座椅，它還包括人體機能、人機工程、健康設(shè)計、造型設(shè)計及黃金比例等原則。在這些原則的指導下的人體工程學座椅是功能與美學的完美結(jié)合。§7.1人性化座椅設(shè)計人性化產(chǎn)品，就是包含人機工程的產(chǎn)品。實際上任何系統(tǒng)都是人機系統(tǒng)，人機系統(tǒng)包括人、機、環(huán)境三個方面，人機工程學的顯著特點是在認真研究人、機、環(huán)境三個要素本身特性的基礎(chǔ)上，不單純著眼于個別要素的優(yōu)良與否，而是將使用“物”的人和所設(shè)計的“物”以及人與“物”所共處的環(huán)境作為一個系統(tǒng)來研究。在人機工程學中將這個系統(tǒng)稱為“人——機——環(huán)境”系統(tǒng)。在座椅設(shè)計中應科學地利用三個要素間的有機聯(lián)系來尋求系統(tǒng)的最佳參數(shù)。汽車座椅是影響駕駛與乘坐舒適程度的重要設(shè)施，舒適而操縱方便的汽車座椅，可以減少乘員疲憊程度，降低故障的發(fā)生率。汽車座椅的主要功能在于承受司機和乘客的重量，衰減或緩和由車身地板傳來的振動和沖擊。給司機一個舒適的安全的乘坐環(huán)境，和良好便捷的操作條件。所以，座椅設(shè)計的好壞，將對汽車的平順性、乘坐舒適性、安全性以及操作方便性等產(chǎn)生很大的影響。這里主要介紹從人機工程學的角度、從人體坐姿生理特性出發(fā)，使座椅具有良好的靜態(tài)特性，即座椅設(shè)計和布置的尺寸和形狀能使人體具有合適的坐姿，良好的體壓分布，良好的觸覺，并能方便調(diào)整有關(guān)尺寸和位置，以保證乘坐穩(wěn)定、舒適、操作方便、視野良好，減輕疲勞和保障安全。按照人機工程學的原理，座椅首先必須能夠承受人們活動帶來的各種力量和沖擊。否則就不能充分體現(xiàn)座椅的實用功能。因此應在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計，應充分了解：§7.1.1系統(tǒng)中人和機的職能分工如何配合；環(huán)境與人相適應；機對環(huán)境的影響等問題，經(jīng)過不斷修正和完善最終確保系統(tǒng)優(yōu)化組合方案的實現(xiàn)。這是人機工程學為工業(yè)設(shè)計開拓了新的思路，并提供了獨特的設(shè)計方法和有關(guān)理論依據(jù)。只有座椅的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然狀態(tài)，才會減少腰椎的負荷以及腰背部肌肉的負荷，防止駕駛疲勞發(fā)生。。圖3.2為各種人體處于不同姿勢下所產(chǎn)生的腰曲弧線。人體正常腰曲弧線是松弛狀態(tài)下側(cè)臥的曲線，如圖中曲線B所示。汽車座椅設(shè)計及其在駕駛室中的布置16軀干挺直坐姿和前彎時的腰弧曲線會使腰椎嚴重變形，如圖7-1曲線F和G所示。欲使坐姿能形成幾乎正常的腰曲弧線，軀干與大腿之間必須有大于90°的角度，且在腰部有所支撐，如圖中曲線C所示?？梢姡ＷC腰弧曲線的正常形狀是獲得舒適坐姿的關(guān)鍵。因此在進行汽車座椅設(shè)計時，應注意有足夠的腰部支撐。正常腰弧曲線是微微前突，為使人體坐姿下的腰弧曲線變形最小，座椅應在腰椎部提供所謂兩點支撐。由于第5—6胸椎高度相當肩胛骨的高度，肩胛骨面積大，可承受較大壓力，所以第一支撐應于第5—6胸椎之間，稱其為肩靠。第二支撐設(shè)置在第4—5腰椎之間，稱之為腰靠，和肩靠一起組成座椅的靠背。無腰靠或腰靠不明顯將會使腰椎呈后突形狀，而腰靠過分凸出將使腰椎呈前突形狀。腰椎后突和過分前突都是非正常狀態(tài)，合理的腰靠應該使腰弧曲線處于正常的生理曲線。圖7-1§7.1.2體坐姿體壓分布體壓分布與人的坐姿及座椅靠背和坐墊的剛度分布和形狀密切相關(guān)。根據(jù)人機工程學的研究成果，合理的體壓分布應該是：體重應以較大的承受面積、較小的壓力合理的分布在座墊和靠背上，但避免平均分布。體壓分布過程應平滑過度，不要突然變化，而應根據(jù)各部位在產(chǎn)生不舒適感覺以前能承受壓力的大小予以合理的分布。座墊上的體壓分布應使坐骨部分承受的壓力最高，有坐骨X圍擴展到臀部外圍，壓力逐漸降低，直到與座墊前沿接觸的大腿下平面趨于最低值。靠背上的體壓分布應以肩胛骨和腰椎骨兩部分的壓力最高，這就是靠背設(shè)計中的“兩點支承”坐姿體壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩部分。就座者的骨盆可以比喻為倒立的錐體，與椅面接觸的主要是臀部兩塊薄肌肉層下的坐骨。人體大約75%的重量需由骨盆下兩塊面積為25cm2左右的坐骨支點(薄肌肉層支承)承受。由坐骨向外，壓力逐漸減少。為了減少臀部下部的壓力，座面一般應設(shè)計成軟墊，其柔軟程度以使坐骨支承人體60%左右的重量為宜。采用軟性坐墊，增大臀部與座面的接觸面積，就改善了這種壓力集中的現(xiàn)象，使整個臀部均承擔體重的壓力，減緩坐骨下支點處的疲勞，從而可以延長就座時間。如圖7-2所示。圖7-2§7.1.3座墊上的體壓分布人體坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能耐受壓力的部位，適合于承重，而大腿下靠近表面處不宜承受重壓。人坐在座椅上最舒適的姿勢，是臂部離開靠背向前略移，上體胸肩部位與大腿下平面之間夾角為·。。使腰背肌肉放松，雙腿能舒適地擱置于地面，使腹部通向大腿的血管不受壓迫，血液正常循環(huán)，符合人體座下休息時的生理要求。除了要考慮座椅的舒適度外，還要考慮其保證人的視野開闊，手部與方向盤的關(guān)系和角度、腿部與腳踏板的距離、腳和離合器、剎車的距離等等，要做到這些部位的合理性是離不開對人機工程的研究的。采用人機工程學的方法進行分析，并用優(yōu)化設(shè)計理論對座椅進行設(shè)計，得出更符合人體生態(tài)曲線的座椅，以提高乘坐和駕駛的舒適性，并適應人體的健康需要．這是設(shè)計發(fā)展的主流和趨勢：更健康、更人性化。如圖7-3所示。圖7-3XH、ZH：分別為H點的x方向和z方向坐標值；XAHP、ZAHP分別為踵點的x方向和z方向坐標值；α0踝點與踵點的連線和鞋底平面的夾角；α1：軀干與垂直面之間的夾角；α3:大腿與小腿之間的夾角；95o＜α3＜135oα4:小腿與腳平面之間的夾角；78o＜α4＜105oα5:腳平面與地板之間的夾角；40o＜α5＜70oα9:大腿與水平面之間的夾角；12o＜α9＜25oL2:胯關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的長度；L3:膝關(guān)節(jié)至踝關(guān)節(jié)的長度；L4:踝關(guān)節(jié)至踵點的長度；根據(jù)上面理論將所創(chuàng)建人體模型調(diào)節(jié)到適合的坐姿?！?.2汽車座椅舒適性設(shè)計座椅的主要功能是支撐駕駛員及乘坐人員的身體，減緩路面不平傳給人體的沖擊并減弱由此而引起的振動。給駕乘提供舒適、安全的乘坐條件和便于駕駛操作的良好的工作條件。座椅材料是座椅的主要減振元件，那么在座椅振動舒適性設(shè)計時首先要考慮的就是從座椅材料的選擇上下功夫來保證座椅振動舒適性。座椅空間位置設(shè)計就是為了達到操縱舒適性的目標，而進行駕駛座椅空間位置設(shè)計以確保駕駛員有良好的視野，同時對汽車轉(zhuǎn)向盤、腳踏板等操縱部件有恰當?shù)牟倏v要求間隔，以達到操縱舒適性的終極目的。座椅安全性設(shè)計是座椅設(shè)計的重要內(nèi)容，目前采取的主要安全措施：(1)座椅強度的設(shè)計；(2)座椅結(jié)構(gòu)型式設(shè)計；(3)座椅