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基于FSAE大学生方程式赛车的副车架设计

贾锰 陈锶哲 刘志龙 何鑫涛

摘 要:前几年,车架流行桁架钢管结构,但是其存在加工困难、定位误差大、制造过程中产生废料过多等问题。目前,部分高校针对车架后舱提出一个较为不错的解决方案——副车架。本文通过CATIA软件进行结构绘制,通过Hypermesh软件进行有限元分析,通过应力云图对结构进行改良,最终设计出一种副车架结构,在满足整车刚性和强度的同时达到车身轻量化的目的。研究结果表明,副车架可以用于后轮差速器支架、后悬叉臂、后悬减震器等的安装,方便赛车后面结构的安装,提高赛车整体刚度和强度,其结构优势明显。

关键词:FSAE赛车;副车架;CATIA;Hypermesh

中图分类号:U469.696文献标识码:A文章编号:1003-5168(2021)01-0039-03

Abstract: In the past few years, the truss steel pipe structure was popular in the frame, but it has problems such as difficult processing, large positioning error, and excessive waste generated in the manufacturing process. At present, some colleges and universities have proposed a relatively good solution for the rear compartment of the frame-the sub-frame. In this paper, the structure was drawn through the CATIA software, the finite element analysis was performed through the Hypermesh software, and the structure was improved through the stress cloud diagram, finally, a sub-frame structure was designed to meet the rigidity and strength of the vehicle while achieving the purpose of lightweight body. The research results show that the sub-frame can be used for the installation of rear wheel differential brackets, rear suspension wishbones, rear suspension shock absorbers, etc., which facilitates the installation of the rear structure of the car, improves the overall rigidity and strength of the car, and has obvious structural advantages.

Keywords: fsae racing car;subframe;CATIA;Hypermesh

目前,我国FSAE方程式赛车的车架有两种形式:一是采用复合材料单体壳;二是采用桁架钢管结构。由于单体壳制造成本高昂,桁架钢管结构的车架制造成本较低、结构简单、加工制作较为容易,因此大多数参赛车队基本采用这一结构。但是,桁架钢管车架焊接定位中,焊接变形极易导致硬点位置存在一定误差,使得最终车架与悬架系统、发动机与传动系统的装配存在一定难度。副车架可以使组成车架的单元实现从点到面的转变,作为一个独立机构,它能辅助赛车其他部位精准定位,解决发动机舱定位困难的问题,并在保证整车刚度和强度的同时实现赛车轻量化的目的。在副车架设计中,笔者使用CATIA软件进行结构绘制,通过Hypermesh软件进行有限元分析,利用应力云图对结构进行改良,最终期望在满足整车刚性和强度的同时实现车身的轻量化。下面以华汽车队第九代小型赛车(Ambtion9)为例,解析Ambtion9副车架的设计流程。

1 模型的设计与材料选择

1.1 副车架的三维模型

副车架本质上是替代桁架钢管线结构的一种面结构。Ambtion9的设计以Ambtion8为模板,用副车架替代Ambtion8后桥结构,被替代的部分承担了后轮差速器支架、后悬叉臂、后悬减震器的定位与固定功能。

1.2 副车架材料的选择

副车架选材为7075铝,由表1可知,虽然7075铝的屈服强度比4130钢的屈服强度略逊一筹,但是7075铝的质量密度是4130钢的1/3,因此在质量相等的情况下,7075铝材的屈服强度要远高于4130钢。

2 四种工况的仿真和镂空处理

2.1 前期处理

在Ambtion9的工况分析中,本文使用Hypermesh软件,分析扭转、制动、加速转弯和后桥冲击四种工况。其间沿用将后桥冲击力传导至发动机上的方式,发动机后位四个固定硬点与传动支架固定点共用,使冲击力以点对点的方式传导至发动机上,而副车架不用承受巨大的剪切力。分析时将模型简化,以Rbe2刚体单元代替发动机、发动机支架和传动支架。本研究使用3D网格中的elem offset进行副车架网格绘制。

2.2 四种工况的设置和分析结果

2.2.1 扭转工况。扭转工况设置如图1所示。约束条件为左右后悬6个方向自由度固定。左前悬立柱上硬点载荷为1 000 N,方向为-[Z],右前悬立柱上硬点载荷为1 000 N,方向為[Z]。扭转工况分析结果如图2所示。

2.2.2 制動工况。制动工况设置如图3所示。约束条件为左前悬固定1,右前悬固定23,左后悬固定13,右后悬固定123自由度。从载荷来看,悬架立柱上硬点各有1 200 N制动力,方向为[X];模拟驾驶员与发动机,施加在座舱和后舱的荷载为1 400 N+500 N=1 900 N,方向为-[Z]。制动工况分析结果如图4所示。

2.2.3 加速转弯工况。加速转弯工况设置如图5所示。约束条件为左前悬固定13,右前悬固定23,左后悬固定13,右后悬固定2。从载荷来看,左右前悬立柱上硬点施加1 200 N转向力,方向为[Y];左右后悬立柱上硬点施加1 200 N加速力,方向为-[X];模拟驾驶员与发动机,施加在座舱和后舱的荷载为1 400 N+500 N=1 900 N,方向为-[Z]。加速转弯工况分析结果如图6所示。

2.2.4 后桥冲击工况。后桥冲击工况设置如图7所示。约束条件为悬架立柱硬点各固定6方向自由度。从载荷来看,后桥施加15 000 N冲击力,方向为-[X]。

3 仿真结果分析

车架的扭转刚度计算公式[1]如下:

由图2可知,车架的[Z]向最大位移为1.3 mm,带入式(1)可得,扭转刚度[KT]=3 537.7 N·m/°。根据诸多车队的设计经验,[KT]一般大于1 500,因此AM9的扭转刚度偏高。由图4可知,在制动工况下,车架的最大应力值为186.6 MPa,远小于4130钢屈服极限(386 MPa),副车架最大应力值为25.76 MPa,远小于7075铝的抗拉极限。由图6可知,在加速转弯工况下,车架的最大应力值为144 MPa,副车架的最大应力值为48.08 MPa,远小于屈服抗拉极限。由图8可知,在后桥冲击工况下,副车架的最大形变量为1.22 m,安全系数为1.5。

4 副车架定型与装车试验

在Ambition9的制造与装配过程中,以往易出现硬点坐标误差和装配后轮差速器支架、后悬叉臂、后悬减震器困难的情况得到有效改善。在发动机及其动力传动系统、轮胎等部件不改变的前提下,最终实现赛车装配。

Ambition8的车架质量为29 kg,相比之下,Ambition9的车架质量为27 kg(车架24 kg+副车架3 kg),实现了硬点精准定位,保证车架整体刚度和强度的同时提高局部刚度,实现约7%的车架轻量化。

5 结论

副车架可以用于后轮差速器支架、后悬叉臂、后悬减震器等的安装,以方便赛车车架后舱结构的安装,提高赛车整体刚度和强度。本研究对副车架进行镂空减重处理及受力分析,使得车架强度和刚度满足比赛使用要求。本文从材料选定、形状设定、工况仿真分析和镂空轻量化处理等方面出发,提供了一种副车架的设计思路,有效解决加工误差导致的后舱装配困难难题,同时实现车架的轻量化。

参考文献:

[1]乔邦.基于有限元分析的大学生方程式赛车车架结构强度优化[D].洛阳:河南科技大学,2012:22-23.

【作 者】:贾锰陈锶哲刘志龙何鑫涛
【单 位】:
【关键词】:基于FSAE大学生方程式赛车的副车架设计
【出 处】:《工程与建设》2022年06期
【收 录】:中国核心期刊遴选数据库