王波隆 張浩浩 王飛

摘 ?要：車架作為汽車的安裝基體，既要承受著自身重力的作用，還要承受來自路面的沖擊力。由于車架受力情況復(fù)雜多變，因此需要有較高的強(qiáng)度和剛度來應(yīng)對(duì)不同情況，本文以本田節(jié)能競技電動(dòng)組別賽車為例，介紹了車架輕量化設(shè)計(jì)及利用ANSYS對(duì)節(jié)能車車架進(jìn)行多種工況的分析，并跟據(jù)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：輕量化;車架強(qiáng)度;剛度 ;優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U462 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0143-05

Frame Design and Optimization of Honda Energy Saving Competitive Electric Racing Car

WANG Bo-long1，2， ZHANG Hao-hao 1，2， WANG Fei1

（ 1.School of mechanical engineering， Anyang Institute of Technology;

2.Xuanniao motorcade of Anyang Institute of Technology， Anyang 45500， China ）

Abstract： As the installation base of the car， the frame should bear not only its own gravity， but also the impact from the road. Therefore， the stress situation is complex and changeable， because the frame needs to have higher strength and stiffness to deal with different situations， this paper takes the Honda energy-saving competitive electric racing car as an example， introduces the lightweight design of the frame and uses ANSYS to analyze various working conditions of the energy-saving car frame， and according to the analysis results， carries on the reasonable optimization of the design.

Key Words： Lightweight; Frame Strength; Rigidity; Optimization

王波隆

現(xiàn)就讀于安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，研究方向?yàn)槠囕p量化。

引 ? ?言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車擁有量在不斷增加，但是傳統(tǒng)燃油汽車在帶給人們方便的同時(shí)也不可避免帶來環(huán)境污染和巨大能源消耗，因此大力發(fā)展新能源汽車，提高汽車的環(huán)保性能成為主流，提高汽車環(huán)保性能其中一個(gè)有效的途徑就是實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化[1]。在實(shí)現(xiàn)輕量化的過程中利用ANSYS對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析及優(yōu)化，是現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要方法，它不僅降低研發(fā)成本、縮短周期，而且對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程具有指導(dǎo)意義。

本田中國節(jié)能競技大賽旨在用最少的能源讓汽車行駛最遠(yuǎn)的距離，在比賽過程中動(dòng)力能源由賽事組委會(huì)統(tǒng)一提供，底盤、車身和電控系統(tǒng)由車隊(duì)自行準(zhǔn)備。因此車輛的輕量化和低風(fēng)阻外形設(shè)計(jì)一直是各車隊(duì)關(guān)注的重點(diǎn)。我們?cè)谘芯枯p量化的過程中，以2018年我校參賽車為原型，改進(jìn)設(shè)計(jì)流程，優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)。流程改進(jìn)如下：首先確定設(shè)計(jì)要求和車架材料，在CATIA中設(shè)計(jì)出第一代結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)賽道有1.5km直線賽道和半徑為10m的連續(xù)轉(zhuǎn)彎賽道，確定車輛需要分析的工況，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行工況的模擬分析，得出位移、應(yīng)力值、安全系數(shù)，與設(shè)計(jì)要求對(duì)比，優(yōu)化不足部分，設(shè)計(jì)出第二代結(jié)構(gòu)，重復(fù)分析過程直至滿足設(shè)計(jì)要求。

1 ? ?車架設(shè)計(jì)要求

1.1 ? 安全系數(shù)

σs是材料的屈服極限，σmax是不同工況下，車架承受載荷之后的最大抗彎結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。當(dāng)n≥3時(shí)說明車架強(qiáng)度符合要求，否則，車架強(qiáng)度不符合要求，會(huì)因強(qiáng)度不足而遭到破壞。

1.2 ? 位移

F為載荷，L為車架長度，I為集合慣性，E彈性系數(shù)，為保持車輛的操縱穩(wěn)定性，車架的最大位移需小于1.2mm，即車架具有一定剛度。

1.3 ? 要求經(jīng)過有限元分析和優(yōu)化之后車架減重20%。

2 ? ?車架材料

該節(jié)能賽車為單人駕駛，具有一定的競技性，要求車架應(yīng)具有較高強(qiáng)度和剛度。因此本設(shè)計(jì)選用6061鋁合金方管，該種牌號(hào)鋁合金具有容易焊接、不易變形、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[2]。車架材料參數(shù)如表1：

3 ? ?車架結(jié)構(gòu)

3.1 ? 整體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)過程中遵循人機(jī)工程學(xué)[3]，由于水滴型低風(fēng)阻外殼的要求，需盡量降低外殼高度，減小迎風(fēng)面積，外殼影響車架設(shè)計(jì)，因此車架結(jié)構(gòu)需滿足車手平躺式駕駛，車架長度根據(jù)車手身高1600mm來確定。

3.2 ? 底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）行駛系統(tǒng)：由于外殼采用水滴型設(shè)計(jì)，車輪布置形式為前二后一，為減小行駛阻力車輪采用14inch光頭輻條式輪胎。

（2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：采用下沉式橫拉桿轉(zhuǎn)向，該種方式轉(zhuǎn)向優(yōu)點(diǎn)為，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單易于布置，符合人機(jī)工程學(xué)且節(jié)省駕駛空間。

（3）制動(dòng)系統(tǒng)：前后碟剎，由于該車在比賽過程中速度較低，采用普通山地自行車手動(dòng)剎車片可滿足要求。

（4）傳動(dòng)系統(tǒng)：該車為后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)位置與驅(qū)動(dòng)輪在行使過程中會(huì)發(fā)生左右偏擺，電機(jī)輸出扭矩較小，因此采用鏈條式傳動(dòng)。該傳動(dòng)方式有可靠性好、運(yùn)行阻力小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

綜合以上情況，賽車裝配圖和車架結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示：

車架長1700mm，寬290mm，高260mm，各部分梁規(guī)格如表2：

4 ? ?有限元分析

4.1 ? 分析內(nèi)容

根據(jù)賽道安排需對(duì)車輛有三種工況分析[4]：彎曲工況、轉(zhuǎn)彎工況、制動(dòng)工況，得出的分析結(jié)果為車架各梁的位移及應(yīng)力值。賽場道路為比賽級(jí)，路面情況較好，車輛在行駛過程中產(chǎn)生的路面激勵(lì)可以忽略。

4.2 ? 彎曲工況分析

（1）將設(shè)計(jì)完成的模型導(dǎo)入軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分單位為5mm，劃分結(jié)果如圖3所示：

（2）根據(jù)裝配位置和約束關(guān)系，載荷施加分為均布載荷和集中載荷[5]。車手質(zhì)量、車殼質(zhì)量和車架自重、電機(jī)電池均以布載荷形式施加，后輪質(zhì)量和前輪質(zhì)量以集中載荷形式施加，根據(jù)各安裝位置施加于合適節(jié)點(diǎn)處。

表3為車輛各零部件質(zhì)量，圖4為軟件模擬施加載荷情況：

根據(jù)模型簡化法則，將前后車輪都看作是與車架梁的剛性約束，約束Z方向上的旋轉(zhuǎn)自由度，進(jìn)行車架分析，分析結(jié)果如圖5、圖6所示：

梁1、2車手座椅處有較大位移，為3.739mm，位于梁16、21與梁1、2焊接處有最大應(yīng)力為67.6MPa。

4.3 ? 轉(zhuǎn)彎工況分析

（1）根據(jù)賽規(guī)可知賽車平均速度必須達(dá)到25km/h以上，賽道轉(zhuǎn)彎半徑為10m，行駛過程中會(huì)受到較大側(cè)向載荷。該種工況下的載荷計(jì)算公式如式3、4：

（2）在轉(zhuǎn)彎的過程中梁7、8還會(huì)受到通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)施加的橫向力，通過實(shí)驗(yàn)測得在轉(zhuǎn)彎時(shí)需要對(duì)這兩個(gè)梁分別施加至少60N的力。綜上所述，以右轉(zhuǎn)為例，正確施加載荷 ，施加完畢后，分析結(jié)果如圖7、圖8所示，車架最大位移為4.266mm，最大應(yīng)力值為75.3MPa。由分析結(jié)果可知在轉(zhuǎn)彎工況中由于側(cè)向載荷的影響車架位移出現(xiàn)較大變化，最大應(yīng)力值位置與彎曲工況相同。

4.4 ? 制動(dòng)工況分析

車輛在制動(dòng)過程中梁，會(huì)承受較大的橫向載荷，因此需要分析梁5、7、19、21的橫向穩(wěn)定性，該賽車采用的是前后碟剎，由實(shí)驗(yàn)測得通過剎車裝置釋放的橫向載荷至少135N，才能將車輛停止。綜上所述，正確施加載荷，施加完載荷后對(duì)車架進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9、圖10所示，得到最大位移為3.966mm，最大應(yīng)力值為70.1MPa。

4.5 ? 分析對(duì)比

根據(jù)不同工況的對(duì)比來看，在轉(zhuǎn)彎工況中車架的位移和應(yīng)力值相較于其他兩工況會(huì)有顯著的增加，出現(xiàn)較大位移的原因由公式三可知，位移與車架長度的三次方成正比，車架采用1700mm 鋁合金管會(huì)對(duì)造成較大影響，因此下一步的優(yōu)化方向?yàn)榭s短梁1、2的長度。從這兩根梁的整體受力情況來看，前端位移和應(yīng)力值較小，又考慮到實(shí)際駕駛過程中車殼可代替前端車架，放置車手的腿部，只需留下轉(zhuǎn)向桿安裝的長度;另外車手背部電機(jī)的安裝空間可以縮小，以縮短地面縱梁的長度。

最大應(yīng)力位于在后輪安裝梁與車架地面縱梁焊接處，由于單獨(dú)為后輪安裝設(shè)計(jì)六根梁，這六根梁采用焊接豎管的方式與地面縱梁連接，在連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此優(yōu)化方向?yàn)樘鎿Q豎管，改用直管和斜管進(jìn)行焊接，一方面可以縮短地面縱梁，另一方面可以避免應(yīng)力集中。

從三種工況車架整體受力情況來看，前輪安裝梁位移和應(yīng)力值較小，可將穩(wěn)定橫梁6，改為三角支撐小管穩(wěn)定。

綜上所述，車架可以從以下四個(gè)方面優(yōu)化：①縮小電機(jī)的安裝空間;②是縮短地面縱梁前端長度，車手腿部支撐由車殼代替;③取消后輪安裝梁，改用焊接直管和斜管;④取消前輪轉(zhuǎn)向橫梁，改用小管穩(wěn)定。

5 ? ?車架優(yōu)化方案

對(duì)優(yōu)化后車架進(jìn)行三種工況分析，載荷施加方式不變，優(yōu)化后只展示出變形量最大的工況，優(yōu)化后的車架轉(zhuǎn)彎工況分析結(jié)果如圖12、圖13：

將優(yōu)化前后的車架分析數(shù)據(jù)做成圖表，從表5、圖14、圖15中看出優(yōu)化后的車架性能的提升，1代表彎曲工況，2代表制動(dòng)工況，3代表轉(zhuǎn)彎工況。

由圖表可知，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的車架最大位移顯著減小，幅度將近70%，并且隨著工況的不同，受力的增加，車架最大位移的變化幅度降低，伴隨著位移的變化最大應(yīng)力值也在相應(yīng)的減小。優(yōu)化后的車架在重量方面減少1.16kg，減重23.2%，車架強(qiáng)度和剛度有顯著的增加。

6 ? ?結(jié)語

本文以節(jié)能賽車為例，研究車輛的輕量化，在研究過程中采用有限元分析，正確施加載荷和合理的工況分析，還需考慮到實(shí)地行駛過程所遇到的問題，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)出車架優(yōu)化方案，經(jīng)過優(yōu)化車架最大位移由4.2mm減小為1.06mm，車架質(zhì)量由5kg減小為3.85kg，減重23.2%，達(dá)到了輕量化的設(shè)計(jì)要求，為節(jié)能車的實(shí)際制作提供了指導(dǎo)，對(duì)汽車以及一些機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)有一定參考意義。

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