孔超，王正偉，楊國(guó)瑋，陳淼

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基于比賽工況的巴哈賽車車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

孔超1，王正偉2，楊國(guó)瑋1，陳淼1

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222；2.壽光職教中心，山東 壽光 262700）

基于巴哈比賽規(guī)則利用Catia軟件設(shè)計(jì)了用于巴哈大賽的賽車車架，將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行分析，結(jié)合比賽工況進(jìn)行力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在滿載彎曲、V字溝、亂石路況及牽引工況下，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；但剛度分析中發(fā)現(xiàn)剛度較低；進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，自由模態(tài)第四階頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率接近，容易發(fā)生共振。通過(guò)增加三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)優(yōu)化后側(cè)向防撞構(gòu)件和防滾環(huán)的方式提高車架扭轉(zhuǎn)剛度和固有頻率，再次分析滿足設(shè)計(jì)要求。

賽車車架；比賽工況；強(qiáng)度；剛度；模態(tài)

前言

中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽（以下簡(jiǎn)稱巴哈大賽）是由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)于2015年創(chuàng)辦的主要面向職業(yè)院校和本科院校開展的小型越野汽車設(shè)計(jì)和制作賽事。大賽要求各參賽車隊(duì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使用同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造一輛單座、中置后驅(qū)的小型越野車，參加多種靜態(tài)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)目測(cè)試[1,2]。靜態(tài)項(xiàng)目包括技術(shù)檢查、賽車設(shè)計(jì)、成本與制造等，動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括牽引力測(cè)試、爬坡測(cè)試、直線加速測(cè)試、耐力測(cè)試等。

車架作為賽車最重要的部分之一支承賽車所有簧上質(zhì)量，在動(dòng)態(tài)項(xiàng)目中，車架要承受各比賽工況下路面反饋的復(fù)雜載荷的同時(shí)受到外部激勵(lì)，因此要確保車架有足夠的強(qiáng)度和剛度的同時(shí)行駛中不產(chǎn)生共振。根據(jù)比賽規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了巴哈賽車車架，利用有限元法對(duì)強(qiáng)度、車架扭轉(zhuǎn)剛度及車架模態(tài)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。

1 車架設(shè)計(jì)

通過(guò)合理設(shè)計(jì)和加工，車架可以在發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)防止駕駛員受傷。車架的設(shè)計(jì)首先要遵從《中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽規(guī)則》，滿足布局合理、有足夠的強(qiáng)度與剛度、良好的人機(jī)工程性能及輕量化的要求，主要由防滾架、牽引懸掛點(diǎn)、各總成安裝支架以及懸架安裝吊耳等部分組成。近年來(lái)，巴哈賽車多數(shù)使用桁架式車架，該類車架主要用于競(jìng)賽汽車和特種汽車，兼有車架和車身的作用，一般由鋼管組合焊接而成[3-5]。利用Catia軟件設(shè)計(jì)的賽車車架如圖1所示。

圖1 賽車車架

2 比賽工況下力學(xué)分析

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)賽車車架進(jìn)行有限元分析[6-8]，分析車架強(qiáng)度和剛度，檢驗(yàn)是否能夠承受疲勞載荷的同時(shí)變形量負(fù)荷要求。

2.1 車架模型的前處理

前處理包括對(duì)車架模型的簡(jiǎn)化、材料屬性及單元橫截面的設(shè)定、定義接觸、網(wǎng)格劃分，需要通過(guò)對(duì)車架模型的簡(jiǎn)化提高計(jì)算速度。設(shè)定車架材料為鉻鉬鋼，其力學(xué)性能如表1所示。

表1 4130鉻鉬鋼管力學(xué)性能

根據(jù)車架主要結(jié)構(gòu)件和次要結(jié)構(gòu)件受力情況設(shè)定構(gòu)件壁厚，結(jié)構(gòu)件間定義為綁定接觸，采用網(wǎng)格全局控制、四面體網(wǎng)格，對(duì)集中受力的地方進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，部分網(wǎng)格劃分加密如圖2所示。

2.2 車架強(qiáng)度分析

車架強(qiáng)度分析主要針對(duì)賽車在比賽工況行駛時(shí)車架應(yīng)力及變形情況，比賽工況四種：滿載彎曲、扭轉(zhuǎn)、緊急制動(dòng)及牽引工況。

2.2.1滿載彎曲分析

該工況分析車架在加載全部載荷下良好路面上行駛時(shí)車架應(yīng)力、應(yīng)變等。滿載荷彎曲下車架所受載荷有：車架自重、駕駛員及座椅、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其他總成所產(chǎn)生的重力等。對(duì)車架與懸架連接點(diǎn)進(jìn)行位移約束后分析，車架的應(yīng)力狀態(tài)圖、變形狀態(tài)圖、應(yīng)變狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 車架滿載彎曲分析

可知：車架最大應(yīng)力主要集中在座椅位置，應(yīng)力為36.968MPa，遠(yuǎn)小于車架材料的許用應(yīng)力；位移變形最大值為0.18295mm，位置為座椅安裝處，位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大允許位移量，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2扭轉(zhuǎn)分析

巴哈賽車耐久賽賽道全地形道路包括亂石堆、輪胎陣、V字溝、飛坡、泥坑等，賽車在該賽道行駛時(shí)車架扭轉(zhuǎn)變形較大。本處主要分析賽車在全地形道路下車架的受力和位移變形。

V字溝路況下的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)如圖4所示。

圖4 V字溝路況下的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)

可以看出V字溝路況下車架的最大應(yīng)力主要集中在座椅位置及后部防滾環(huán)底部，最大應(yīng)力值為64.785MPa，遠(yuǎn)小于車架材料的許用應(yīng)力；車架的位移最大值為0.66354mm，最大位移位置為座椅安裝處，位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大允許位移量，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 亂石堆路況下的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)

亂石堆路況下，賽車在行駛過(guò)程中右后車輪會(huì)出現(xiàn)懸空情況，前軸載荷全部加載在右前車輪處，因此重新設(shè)定約束條件和加載情況進(jìn)行計(jì)算。該路況下的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)如圖5所示。

在亂石堆路況下車架的應(yīng)力主要集中在車架的前部，應(yīng)力集中處的應(yīng)力為68.759MPa，遠(yuǎn)小于車架材料的許用應(yīng)力；車架在亂石堆路況下的最大位移變形值為0.7389mm，位置為車架前部，位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大允許變形量，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3緊急制動(dòng)

賽車遇到危險(xiǎn)情況時(shí)不可避免進(jìn)行緊急制動(dòng)，此時(shí)車架除了承受重力外還承受巨大的慣性力，車架上載荷分布迅速變化，因此分析車架在進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)的應(yīng)力、位移變形及應(yīng)變是必要的。應(yīng)將前后懸架和車架連接點(diǎn)位移進(jìn)行約束。該路況下的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)如圖6所示。

圖6 緊急制動(dòng)下的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)

緊急制動(dòng)下車架的座椅位置應(yīng)力最為集中，為39.527 Mpa，遠(yuǎn)小于車架材料的許用應(yīng)力；車架在該分析下的最大位移值為0.19848mm，為座椅安裝位置，遠(yuǎn)小于最大允許位移量，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.4牽引工況

賽車有爬坡或牽引賽事，爬坡被設(shè)計(jì)為測(cè)量車輛對(duì)路面?zhèn)魉皖~外（攀爬）力量的能力。如果當(dāng)?shù)匦尾恢С峙榔?，則可以采用牽引賽事進(jìn)行替代，此時(shí)賽事設(shè)計(jì)為使車輛牽引一個(gè)大負(fù)荷。牽引工況下車架所受載荷為：牽引力、車架自重、駕駛員及賽車自身各總成所產(chǎn)生的重力等。設(shè)定邊界約束和載荷后進(jìn)行分析，該路況下的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)、應(yīng)變狀態(tài)主要為車架尾部，分析結(jié)果如圖7所示。

該工況下車架的后方牽引點(diǎn)應(yīng)力最為集中，應(yīng)力為96.175MPa，遠(yuǎn)小于車架材料的許用應(yīng)力；車架在該分析下的最大位移為0.72641mm，為車架后部牽引點(diǎn)，位移量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大允許位移量，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 車架剛度分析

評(píng)價(jià)車架剛度的標(biāo)準(zhǔn)主要包括：彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等，大賽規(guī)則中規(guī)定采用車架的扭轉(zhuǎn)剛度作為其剛度設(shè)計(jì)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。使用ANSYS計(jì)算車架的扭轉(zhuǎn)剛度。設(shè)定邊界約束和載荷后進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

經(jīng)計(jì)算，車架的扭轉(zhuǎn)剛度約為5069 N·m/deg，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)賽車扭轉(zhuǎn)剛度一般在5500 N?m/deg 到8000N?m/deg之間，因此車架扭轉(zhuǎn)剛度需優(yōu)化提高。

3 車架模態(tài)分析

賽車行駛中車架受到外界激勵(lì)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)激振頻率與車架固有頻率接近時(shí)車架會(huì)發(fā)生共振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使車架發(fā)生扭曲變形甚至使車架管件斷裂，極大的影響行駛安全，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)車架進(jìn)行模態(tài)分析是必要的[9,10]。針對(duì)車架進(jìn)行了自由模態(tài)和激振模態(tài)分析，分析過(guò)程包括：模型導(dǎo)入、求解和結(jié)果后處理。分別求解自由狀態(tài)下和約束狀態(tài)下模態(tài)得到車架一至六階固有頻率。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 模態(tài)分析

比賽過(guò)程中，外界對(duì)車架的激勵(lì)主要來(lái)自于路面白噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)。路面白噪聲對(duì)車架的激勵(lì)頻率取決于路面情況，巴哈賽車比賽時(shí)的道路為越野賽道，對(duì)車架的激勵(lì)頻率在5到20Hz之間；經(jīng)計(jì)算，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)引起的激振頻率介于17-32Hz之間。車架自由模態(tài)下第四階振型頻率接近發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)激振頻率，容易引起車架與發(fā)動(dòng)機(jī)共振。車架自由狀態(tài)下的其他振型頻率均與32Hz相差較大，不會(huì)引起車架共振。車架約束模態(tài)的固有頻率從第一階到第六階均在32Hz以上，也不會(huì)引起共振。因此，需車架提高自由模態(tài)下低階頻率。

4 車架優(yōu)化

車架應(yīng)從提高車架剛度和提高車架固有頻率兩方面入手。

4.1 提高車架扭轉(zhuǎn)剛度

提高車架扭轉(zhuǎn)剛度一般可采用提高材料的力學(xué)性能、減小車架寬度及采用更多的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的方式。4130鉻鉬鋼管的力學(xué)性能較優(yōu)，更換材料勢(shì)必帶來(lái)成本提升；減小車架的寬度則犧牲了駕駛艙本就擁擠的空間，過(guò)窄的車架會(huì)影響駕駛員操作；采用三角形結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)車架的結(jié)構(gòu)，車架總體質(zhì)量增加，但對(duì)比賽結(jié)果影響較小，因此采用更多的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)提高剛度。在防滾架側(cè)向防撞構(gòu)件位置增加三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 防滾架側(cè)向防撞構(gòu)件位置增加三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

將優(yōu)化后設(shè)計(jì)重新進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算，結(jié)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后車架扭轉(zhuǎn)變形

利用軟件探針功能求出左右前懸架與車架連接點(diǎn)處的約束反力后進(jìn)行計(jì)算，得到扭轉(zhuǎn)剛度為7063.2 N?m/deg，滿足要求且處于較高水平。

4.2 提高車架固有頻率

通過(guò)改進(jìn)防滾架側(cè)向防撞構(gòu)件，改進(jìn)前部防滾環(huán)構(gòu)件改變車輛固有頻率。如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后側(cè)向防撞構(gòu)件和防滾環(huán)

進(jìn)行自由和約束模態(tài)分析后，結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化后模態(tài)分析

優(yōu)化改進(jìn)后車架自由狀態(tài)下固有頻率的低階頻率為46.079Hz，高于賽車工作頻率32Hz以上，車架固有頻率提高約35.3%。

優(yōu)化后巴哈賽車車架的剛度及固有頻率較之前都有了明顯提高，將綜合兩種改進(jìn)作為車架的最終設(shè)計(jì)方案，如圖12所示。

圖12 最終設(shè)計(jì)方案

5 結(jié)論

作為巴哈大賽賽車重要的部件，車架承載著所有的簧上質(zhì)量，對(duì)于賽車性能有著重要的作用。

5.1利用Catia軟件設(shè)計(jì)了符合比賽規(guī)則的巴哈賽車車架；

5.2利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行了比賽工況下車架力學(xué)性能分析，結(jié)果顯示，扭轉(zhuǎn)剛度不符合要求；進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)第四階自由模態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率接近；

5.3通過(guò)增加三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)優(yōu)化后側(cè)向防撞構(gòu)件和改進(jìn)防滾環(huán)的方式提高車架扭轉(zhuǎn)剛度和固有頻率，再次分析滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 柯怡達(dá).2015中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽完美落幕[J].汽車與配件,2015(40):77-81+76.

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Design and Optimization of Baja Racing Car Framebased on Race Conditions

Kong Chao1, Wang Zhengwei2, Yang Guowei1, Chen Miao1

（1.Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222; 2.Shouguang Vocational Education Center, Shandong Shouguang 262700）

Based on the rules of the Baja SAEChina, the car frame used in Baja competition was designed by using Catia. The model was introduced into the ANSYS Workbench, and the mechanical analysis was carried out to find out the strength under the full load bending, the V groove, the stoulding road condition and the traction condition. The free modal analysis and constrained modal analysis show that the fourth order frequency of the free mode is close to the engine vibration frequency and is easy to generate resonance. The torsion stiffness and natural frequency of the frame are improved by increasing the lateral anti collision member and anti roll ring after optimizing the triangle stability structure, and the design requirements are met again.

racing car frame; race conditions; strength; stiffness; modality

B

1671-7988(2018)16-146-04

U463.8

B

1671-7988(2018)16-146-04

CLC NO.: U463.8

孔超（1983.7-），男，現(xiàn)就職于天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，講師，碩士研究生，主要研究方向：車輛工程，汽車職業(yè)教育。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.052