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。