车架结构设计-0

大学生方程式赛车车架结构设计
1、方程式赛车车架结构综述
1.1 方程式赛车车架的功用与要求
1.1.1 车架的功用
大学生方程式赛车车架作为赛车的承载基本是赛车的主要承载构件，其功用是支撑车身各主要总成的安装机体，同时承受这些总成的重力以及其传给车架的各种力和力矩，因此，车架应有足够的弯曲强度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在汽车行驶过程中保持不变并使车身变形量较小:车架也应有足够的强度，以保证其具有足够的可靠性和寿命，车架主要零件在使用期内不应有严重变形或者开裂。

同时在保证强度、刚度的前提下车架的自身质量应尽可能小，以较少整车质量从被动安全性考虑车架应具有吸收撞击能力的特点，此外，车架设计时，还要考虑大学生方程式赛车技术规范中的要求。

1.1.2车架的要求
(1) 车架应满足中国大学生方程式汽车大赛车规则（2016）的要求。

1) 方程式赛车车架应有足够的强度，保证赛车在比赛期间的转弯、制动等各种工况下赛车的零部件不会因受力过大而失效。

2) 保证赛车车架的刚度，包括扭转刚度和抗弯刚度，车架保证赛车正常使用。

另一方面，车架具有一定的柔度，即但车架弯曲扰度（扭转刚度）不宜过大，避免变形过大影响车架上总成的正常配合和各零部件的过早损坏。

3) 车架的整体质量应尽可能的小，有效的降低赛车的整备质量，同时结构简单，便于制造。

4) 赛车还需要适合从第5 百分位的女性到第95 百分位的男性车手驾驶。

5) 车架要有一定的韧性。

(2) 方程式赛车车架的结构设计要求
1) 赛车的车架被主环和前环分成三部分。

2) 从侧视图来看，主环斜撑在主环侧倾的一边，在下端通过三角形结构回到主环底部，从而提高车架的稳定性。

前环斜撑延伸到脚部之前，保护脚部。

3) 车架的最前端是前隔板，设计为平面结构，能够吸能缓冲的结构，纵向安装在平而中部，一起保护脚部和腿部。

4) 赛车的侧面为防撞结构，减少侧面撞击时车手受到的伤害。

1.2 赛车车架的结构形式
方程式赛车的车架不同于普通汽车，由于方程式赛车的高负荷和极限工况等工作环境使得方程式赛车的车架要求较高。

方程式赛车的车架大致可分为三类
(1) 一体式车架
一体式车架是将整个的车身外壳作为车架的一部分，车架的外面要包裹外壳，其材料一般选用金属钢或者选用铝与非金属复合材料，通过焊接等方式连接成整体。

一体式车架的板件是由高压压模机压制出来的，并通过机械臂焊接处理，制作仅数分钟便可完成，并且体式车架留有褶皱区域，用于剧烈碰撞时缓冲其所受的压力。

一体式车架先天拥有良好的撞击保护能力，车头及车尾加装副车架有利用吸收冲击力，另一方面对车架行驶刚性也有所帮助，其次一体式车架预留褶皱和包裹式构造用以吸收撞击能量，但一体式车架的资金和技术消耗大，适合大批生产，不适合中小批量生产，所以不适合作为赛车车架。

(2) 单体式复合材料车架
单体式车架的意念是用金属制成坚固的车身，再将悬架等机构零件直接装在车身上，这个车身承受所有的载荷，充当车架，又称为整体式或承载式车架通过钢或者铝冲压焊接而成，它将车架与车身合二为一，使赛车轻量化，可利用空间大，重心低。

并且单体式车架将所有部件包括车身，悬架和乘员连成一体，具有较好的操控反应，质量轻并且坚硬，尺寸精确，性能好同时传递振动，噪声都比较少，这是大梁车架不可比拟的。

其结构形式与一体式相同，材料一般选用复合材料使其拥有更高的刚度和强度，其车架的总质量与其它类型相比也是最轻的缺点是这种车架不易修理，制造的价格相对较高，加工和制作较为困难。

(3) 桁架式车架
即钢管式车架，桁架式车架是选用很多不同直径的金属管件焊接成一定的空间结构的框架。

此种结构在大学生方程式赛车中较为传统、也最常见，质量较为轻便，并且相对其他两种车架而言，价格相对便宜，可以对本同的车型进行不同的焊接，制作过程较为简单，车架的制作方式一般为焊接和铆接，生产工艺相对
简单，并且析架式车架制造成本低，由钢管组合焊接而成的桁架式车架，具有刚
度大，强度也能得到保证，对于大学生方程式赛车较为适合。

综合考虑，本方案中选用第三种桁架式车架，材料选用4130高强度钢。

添
4130结构钢具有高的强度和韧性，淬透性较高；钢的热强度性也较好，在500℃
以下具有足够的高温强度，但550℃时其强度显著下降；当合金元素在下限时焊
接相当好，但接近上限时焊接性中等，并在焊前需预热到175℃以上；钢的可切
削性良好，冷变形时塑性中等；热处理时在300～350℃的范围有第一类回火脆
性。

1.3车架材料
(1) 车架技术规范要求
根据技术规范要求，大学生方程式车架的基准钢铁材料的最低较要求，赛车
的基械结构必须为如下材料制作，圆形，低碳钢或合金钢管（含碳量最小1%），
参加比赛车架所使用材料的性能下限不能低于以下值：杨氏模量=200Gpa，屈服
强度=305Mpa，极限强度=365Mpa。

直径要求如下表。

表1 基准钢铁材料
部件或用途外径*壁厚
主环和前环、肩带安装杆25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.50mm
侧防撞结构、前隔板、防滚架斜撑、安全带安
25.4mm*1.65mm或25mm*1.75mm或25.4mm*1.60mm
装杆及其斜撑、电池动力保护结构
前隔板、主环斜撑支撑，电车：传动系统部件25.4mm*1.20mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm 备注：使用的合金钢不允许比低碳钢的薄
规则中除了主环和主环支架必须用钢材外，其它可以使用替代管件和材料，
替代钢管最小壁厚见表2。

表2 最小壁厚要求
材料和用途最小壁厚
钢管，用于主环、前环、肩带安装杆 2.0mm
钢管，用于防滚架斜撑、主环支架斜撑、前隔板
1.2mm
和侧边防撞结构、前隔板支撑钢管、安全带固定
件、高压蓄电池保护、高压驱动系统保护
备注1 ：不允许合金钢管件的壁厚比所用的低碳钢的壁厚更薄。

备注 2 ：为了保持相同的屈服强度和极限拉伸强度，必须保持相同的横截面积。

对于替代的另一种材料-铝管的最小壁厚要求为至少3.0mm 。

方程式赛车车架的材料应具有足够的屈服极限和疲劳极限，低的应力集中和敏感性，良好的冷冲压性和焊接性能。

同时车架的设计应尽可能减轻本身的重量，从而改善赛车的加速性、操纵稳定性、最高车速和燃油经济性等。

表3几种材料的特性
材料 屈服强度s δ 抗拉强度b δ 密度g/cm 3 焊接性能 4130# ≧245 ≧410Mpa 7.85 很好 30# ≧295Mpa ≧490Mpa 7.85 一般 45# ≧355Mpa ≧600Mpa 7.85 一般 30CrMo ≧785Mpa ≧930Mpa 7.85 焊后易冷裂 35CrMo ≧835Mpa ≧985Mpa 7.85 焊接性较差
Q235 235Mpa ≧205Mpa 7.85 优良 Q345
345Mpa
≧490Mpa
7.85
良好
对于弯折尺寸较大的主环以及主要支撑车架的主环支架，由于技术规范中要求必须用钢材，通过以上表3几种材较的性能可以看出Q235的塑性和焊接性能能优良，但价格低，比其他和Q345和焊接性能好，但屈服强度低，会导至强度和强度满足不了机械性能，4130的屈服强度大焊接性也较好，因此先用4130高强度钢。

同时为了降低车架的质量，在满足技术规范的要求下，应尽可能用小的外径和壁厚，同时必须满足车架的强度。

同时初步选定车架材较尺寸如表4所示，同时选用氩弧焊。

表4 初步选定车架材较尺寸表
部件名称 直径 壁厚 主环、前环 25.4mm 2.4mm 其余管件
25.4mm
1.65mm
1.4车架的研究方法
整车的设计和研发中，车价是基础，其结构的特性、强度、刚度、振动频率等。

都会影响整车的性能，例如汽车的动力性、安全性、操控性、共振性等等，因此确保车架的结构稳定性尤为重要。

(1) 理论实验法理论实验法是以理论设计计算为基础，按照试验的数据，公式，图表等进行设计，理论系试验计算复杂，设计周期长，资金消耗大，受人为因素的影响较大，其设计结果与设计意图偏离较大。

(2) 经验法经验法是也长期的设计经验为依据，通过类比近似的数值来对车架的结构进行设计，经验设计法是凭借设计者长期积累的经验来设计方案。

因此设计方案受设计者的影响较大，结果常使车架结构不均衡，材料运用不够合理，动力性不足，车架总质量大。

(3) 有限元法
在对车架的研发设计时，通过有限元软件对车架的强度刚度进行分析，通过有限元分析优化，车架是车架结构，布局合理，性能更优，车架材料使用少，质量轻，提高整车的性能。

2、方程式赛车车架设计
2.1 车架整体结构及总体结构要求
2.1.1车架整体结构组成
赛车车架整体设计必须考虑赛车整体结构的布置：驾驶舱的布置、转向系、制动系、悬架的布置，轴距，轮距的大小等。

如图1所示为车架基本结构组成。

如图1所示，车架总体由前隔板、前隔板技撑系统、前防滚架（也称前环）、侧面防撞结构、主防滚架（也称主环），防滚架斜撑几部分组成。

前隔板作为钢管车架最前端，还需安装规定尺寸的碰撞缓冲块，缓冲块，同时车架结构中都需要尽可能多的使用三角结构，点对点，符合力学要求。

图1 车架基本结构
图2 为车架总体结构要求
图 2 为车架总体结构要求，赛车的结构必须包括两个带有支撑的防滚架，有支撑结构和缓冲结构的前隔板、以及侧边防撞结构。

根据中国大学生方程式汽车大赛规则(2018)，有如下要求：
图3 防滚架位置要求1
(1)轴距要求(2.3)：至少1525mm；
(2) 轮距(2.3)：赛车较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。

(3) 前环与主环要求：（3.10）
防滚架是赛车对车手安全保护的一个最重要的安全屏障，当赛车发生侧翻或翻滚时必须保护车手的头部和腿部不与地面接触，因此对主环和前环要求如下: 在正常乘坐并系好安全带的情况下，所有车手的头盔和男性第95百分位模板的头部必须符合下列要求：
a)必须与前环顶端与主环顶端的连线至少有50.8mm的距离。

b)如果主环斜撑后置，主环顶端和主环斜撑底端的连线与头盔必须至少有
50.8 mm的距离，如图3a 。

c)如果主环斜撑前置，头盔向后方不得超过主环后平面，如图3b 。

男性第95百分位模板如图4所示，男性第95百分位二维模板的尺寸如下：用直径为200mm的圆代表髋部和臀部。

用直径为200mm的圆代表肩膀及部颈位置区域。

用直径为300mm的圆代表佩戴头盔的头部。

用一条280mm的直线连接位于上方的直径为200mm和300mm的头部圆的圆心。

图4 男性第95百分位模板位置
(4) 主环及主环斜撑(3.13)
a)主环的尺寸大小在设计时应该考虑到对车手的保护，主环宽度最小不得小于380mm。

b)主环必须由两个在主环两侧并且向前或向后延伸的斜撑支撑。

c)从侧视图上看，主环和主环斜撑禁上布置在过主环顶端垂线的同侧。

也就是说，若主环前倾，斜撑必须在主环之前；若主环后倾，斜撑必须在主环之后。

d) 主环斜撑和主环的连接点应尽量接近主环顶端，连接点低于主环顶端距离不得超过160mm以内，主环与垂线夹角10°以内，主环斜撑与主环角度应该在30°以上。

图5 防滚架位置要求2
(5) 前环及前环支撑
a) 车手在操作方向盘的时候，方向盘不能超出前环最顶端，并且方向盘距前环间距水平间距250mm以内；
b) 前环结构构与路面垂直方向的夹角小于20°。

如果前环在垂直方向向右倾斜超过10°，在前环后方必须用另外斜撑支撑。

c) 前环必须由丙个位于前环两侧向前延伸的斜撑支撑，前环斜撑必须延伸至车手脚部之前，保护车手腿部。

d) 前环斜撑和前环的连接点应尽量接近前环顶端，连接点低于前环顶端的距离不得超过50.8m m，如图所示5。

(6) 侧边防撞
侧边防撞区域——从座舱底板上表面到座舱内部车架最低点往上240mm到320mm，从前环到主环间的的车输侧面区域。

两侧防撞区域必须至少各由三根管件构成，如图6所示，上部的侧边防撞杆距离地面距离为300-500mm之间。

图6 车架侧面防撞结构要求
(7) 前隔板及前隔板支撑
赛车的每一侧前，隔板都必须使用至少三个车架单元向后支撑到前环，一个位于顶部，与顶端（前隔板）距离不超过50.8mm，一个位于底部，以及一个用来形成三角结构。

a) 上支撑构件必须连接在距离前隔板顶端50mm范围内。

连接到前环上距离上侧边防撞构件以上100mm或以下50mm的区域内。

如果上支撑构件连接在高于上侧边防撞构件100mm的区域，那么需要合体的三角结构，把载荷转移到主环，可以通过上侧边防撞杆或者另外增加符合T3.4尺寸的杆件，用来传递前隔板支撑上支撑构件与前环连接点处的载荷。

b) 支撑构件必须连接前隔板的底板和前环的底部，
c) 斜撑必须上下支撑构件中形成正确的三角结构。

(8) 驾驶舱空间要求
为了保证驾驶员的逃生空间和腿部空间，规则还限定了驾驶舱最小开口和驾驶舱内部横截面的空间要求，如图7所示，驾驶舱长*宽*高最小尺寸为：600mm*550mm*350mm，最小前舱长度不得小于580mm。

图7 驾驶舱空间要求
2.2 方程式车架整体参数
外形尺寸(mm) 2000*800*1050
轴距(mm) 1525
前轮距(mm) 1150
后轮距(mm) 1155
车架质量(kg) 25-40
2.3 方程式赛车车架结构设计
如图所示，根据大赛规则，初定车架整体结构如图8，9所示，初定两种方案，两方案的区别于驾驶舱高度不一样，方案一驾驶舱高，前舱低，方案二驾驶舱低，前舱高，方案二比方案一高200mm，综合考虑参考各校FSC赛车车架，初选方案二，设计车架尺寸如图10所示：车架总长约2000mm，前隔板高度约300mm，宽度约300mm；前环前度约600，宽度约550；上部侧面防撞杆高度
320mm ；主环高度约1050mm，宽度最大处800mm；后舱长度约500mm，基后部高度约300mm，宽度约620mm。

出于轻量化考虑，车架的重量应该控制在35kg 以内，根据车架的设计方案大致估算出车架的质量为30kg。

图8 车架结构草图方案一
图9 车架结构草图方案二
图10车架结构图
(1) 前隔板
前隔板在车架的最前端，前跟隔板的作用一个在于保护车手脚部免受外界冲击而受到伤害，前隔板另一个作用在于可以在前安装防撞块做撞击时的缓冲作用，前隔板一般设计尺寸要小一些，一方面可以减小行驶时的空气阻力，另一方面也可以提高车辆通过性。

查阅相关论文资料，前隔板设计长宽高为300mm～400mm*250mm～300mm**200mm～350mm范围内，根据前隔板蜂窝铝缓冲块尺寸300mm*250mm*200mm ，初步确定前隔板的尺寸为300mm矩形，材料尺寸选用：外径*壁厚25.4mm*1.65mm。

(2) 前舱
长度主要根据车手腿长来确定设计，同时为了满足不同身高和腿长的车手的驾驶要求，踏板往往设计成前后可调节的。

前舱过程中应该采用点对点的三角结构，保证整个机舱的强度，根据大赛规则规定，前舱的长度不得小于580mm，
故本次设计取前舱长度为650mm，宽度为550mm，材料尺寸选用：外径*壁厚25.4mm*1.65mm 。

(3) 前环
赛车还需要适合从第5 百分位的女性到第95 百分位的男性车手驾驶，因此需要搭接模型进行数据采集。

图6为男性第95百分位模板位置，在搭载模型获取基本参数时，还需好考虑车手的驾驶姿势、驾驶视线、坐姿等人机工程。

在性能和舒适性方面需要做出取舍，数据需要不断调整。

查阅历届参赛车架，前环的宽度范围：400-600mm，如图8所示，初步确定前环的最大宽度为550mm，底部宽度450mm，保证车手的良好视线，前环高度600mm，半径R100，材料尺寸选用：外径*壁厚25.4mm*2.4mm。

图8 前环草图
(4) 侧面防撞杆和驾驶室
根据人体标准尺寸以及大赛规则取驾驶室长度为850mm，侧面防撞杆由三根钢管组成，根据大赛技术规范，上部的侧面防撞杆需在240-320mm的区域内，初定上部侧面防撞杆距离底部的侧面防撞杆座舱内最低点高度300mm，材料尺寸选用：外径*壁厚25.4mm*1.65mm。

(5) 主环
查阅历届参车架资料，主环的宽度为550-1000mm之间，高度在1000-1200之间，考虑人体坐姿，初步设计主环草图如图9所示，初步确定主环高度1050 mm ，最大宽度800mm，折弯半径R150mm，采用截面封闭的未切割的，连续的钢管构成，材料尺寸选用：外径*壁厚25.4mm*2.4mm，确保人身安全。

图9 主环草图
(6) 后舱
后舱位于主环后方，本设计采用轮毂电机，后舱用来承载电池和电机，为使电机能够平稳运行，应使后舱机构对电池及电机进行固定。

同时在车架整体设计时还先考虑整车平衡性问题。

初步选择后舱的长为500mm，宽为620mm.根据大赛技术规范，主环斜撑距离主环距离160mm以下，本次车架初步设计如图7所示，主环斜撑距离主环距离150mm ，材料尺寸选用：外径*壁厚25.4mm*1.65mm。

2.4 方程式赛车车架三维建模
用Pro/E进行三维建模，车架三维模型如图10、11、12所示，建模过程在各草绘面上创建几何点，根据坐标点的位置，运用曲线命令完成。

图10 车架三维图1
图11 车架三维图2
为了符合赛事规则要求的车架扭转刚度要求，各车队还需要对设计的车
图12 车架三维图3
3、定位模具和焊接
由于方程式车架的设计比较紧凑，许多零部件的安装位置极限，因此对焊接精度要求比较高，同时还需要注意焊接的时候的热变形。

为了提高焊接定位的精度，将车架的设计图纸打印出来，如图13所示，按照1：1的位置进行定位焊接。

为了使管件之间更好地接触，保证焊接度，往往需要将钢管时行坡口处理，较为廉价的方法是打印图纸包裹管件，按照图纸轮廓进行切割打磨处理。

图13 车架定位焊接
图14 车架焊接打磨处量
为了使误差尽可能小，所采用的定位夹具有两种，一是木夹具，成本较低，另一种是刚板夹具，定位精度较高，但成本较高，不能重复使用。

一般整体式的定位夹具定位精度较高，可以将整个车架搭建起来，再进行误差调整，一般车架的误差范围控制在2mm范围内。

采用氩弧焊时行焊接，焊
接强度比较高。

图15 车架木制夹具定位
图16 车架钢板夹具定位。