车架轻量化设计

摘要

本田节能赛车车架是赛车的重要组成部分，车架承载着赛车所有的零部件及总成。赛车在进行比赛时，来自赛道的全部载荷将传递给车架，所以强度、刚度在车架的设计、制作过程中扮演着重要角色。利用 solidworks 软件平台对赛车车架进行三维建模，结合有限元原理，在计算机上运用 ANSYS软件组建基于管状单元的车架分析模型，并且对其进行简化；运用有限元分析软件对车架结构进行满载工况下进行下进行强度刚度分析，得到车架结构，并通过试验验证建立的车架结构有限元模型是正确的；利用有限元分析结果，改进车架结构设计，在确保其强度、刚度的前提条件下，减少车架材料的使用，降低车架结构的质量；最后，运用有限元分析软件对改进优化后的最新的车架结构分析，结果显示车架结构改进设计是合理的、安全的，满足设计要求。

关键词：车架；轻量化；优化；仿真

ABSTRACT

Honda energy-saving car frame is an important part of the car frame, car carrying all parts and assemblies. The car in the game, all of the load from the track will be passed to the frame, so the strength and stiffness of the frame design, in the production process plays an important role. Three dimensional modeling of car frame using SolidWorks software platform, combined with the principle of finite element method, using the ANSYS software in the computer analysis model on the formation of tubular frame based on the element, and it is simplified; using finite element analysis software of frame structure under the condition of full load stiffness strength analysis, get the frame structure, frame finite element the structure model and verify the correctness; using the finite element analysis results, the improved frame structure design,in order to ensure the strength and stiffness of the premise, to reduce the use of frame materials, reduce the quality of the frame structure; finally, by the analysis of the frame structure of the latest improved finite element analysis software, the results show that the frame structure design is reasonable and safe, meet the requirements of design.

Key Words：Frame；lightweight；optimization；Simulation

1 绪论

1.1 背景

当前能源危机已经越来越显现，而与之同时汽车的节能减排已经成为了社会热点问

题之一。

现如今世界石油消耗量逐年增加，全球从1970年的23亿吨提升到了2006年的35亿

吨。虽然从我们得知的消息—所探明的石油储量一直在递增。但以现阶段原油的消耗速度来看，到 21 世纪中叶的时候，地球石油资源就会接近枯竭，这已成为我们不得不面对的一个现实性问题。海外的许多发达国家在 20 世纪中期的时候就已开始进行了战略调整，他们那时已经意识到凭借传统石化资源类似推动经济增长的这种模式已经走到了尽头，我们需要寻求一种新的能源来解决未来这种可

预见的能源危机。我国作为能源消耗大国，又是石油资源相对匮乏，产能也相对稀缺的国家。加之粗放型的经济模式，所有这种危机感要更强烈一些。近年来过架年产石油在 2 亿吨左右，远远不能自给，仍需要每年从国外进口原油将近 2.4 亿吨，石油进口源主要是中东、东非等敏感政治地区。

伴随着我国石油消耗量的逐年增加然而带来的环境污染问题也是不言而喻的，随之而来的的氮污染、硫污染、铅污染也是逐渐地影响到了我们的日常生活。由于我们国家还是处于社会主义国家，粗放型的市场经济所带来的繁荣是短暂的，也是社会发展过程中必不可少的一个阶段我们国家进入 WTO 后市场经济的发展逐年增速，许多西方国家和欧美国家由于中国的发展他们似乎有了前所未有的危机感。现在我国的 CO2排放量一路从国三标准上升到国四标准，西方国家在其工业革命时期已经转换了发展模式，已经度过了那个先污染后治理的社会发展形态。强迫我国采用欧四标准，这一要求必然给国家带来经济上的前所未有的打击,遇到前所未有的挑战。

1.2 研究意义

轻量化的主要指导思想是在确保稳定提升性能的基础上，节能化设计各总成零部件。赛车轻量化是一个系统工程，必须将轻量化的思想贯穿赛车设计的始终，这对提高赛车动力性、以及燃油经济性都具有重要意义。

(1)轻量化是提高赛车动力性的需求

在赛事中，赛车的动力性能是排在第一位的。赛车的动力性主要取决两大因素：发动机的功率和赛车行驶阻力。由于大赛规则要求驱动赛车的发动机必须为四冲程、排量以下的活塞式发动机，在进气系统的节气门与发动机之间必须安装一个横截面为圆形直径不大于的限流阀，并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀。此举使得发动机的功率不可能无限制增大。为了提高赛车动力性，另一条可行途径就是降低赛车行驶阻力。行驶阻力由部分组成：滚动阻力、爬坡阻力、加速阻力和空气阻力。除了空气阻力主要与车身大小、形状以及车速有关外，其他项均与车重成正比。因此从汽车行驶阻力来看，施行轻量化设计，降低赛车重量，有助于减小行驶阻力，提高赛车动力性。

(2)轻量化是燃油经济性的需求

汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量。实验证明，汽车整备质

量每减少公斤，百公里油耗可降低升；汽车重量降低油耗可降低。减少发动机排量受到保证赛车动力性的限制，而赛车轻量化可以提升赛车动力性的同时又达到燃油经济性的目的。

1.3 相关研究领域

从汽车发明以来，在很长的时间里，随着汽车工业的发展，汽车变得越来越重。为了达到同样的驾驶功率，新车型装备的发动机也必须越来越强劲，发动机的重量也势必越来越重。虽然通过发动机技术的改进，燃油消耗可以保持不变或略低，但重量和功率比还是呈螺旋式上升。比如在第二次世界大战之后生产的轿车一般重250kg,而如今生产的小轿车整备质量至少1000kg在以上。例如大众生产的紧凑型轿车一年款高尔夫最基本配置的整备质量为1230kg。自上世纪七十年代以来，随着材料技术和设计制造技术的进步，汽车重量逐年减少。例如在美国，上世纪八十年代初，中型轿车平均整备质量1520kg.为九十年代初下降至九十年代末下降至1475kg。2000年左右世界各国相继出现了百公里油耗的汽车，这类汽车的整备质量基本处于750~850kg之间，而当前同类车轻年奥迪公司开发