车架设计说明书

1题目：氧传感器演示台设计专业：车辆工程班级：0902宿舍：I3-204+201学生：杨辉宝、张鑫、李峰府程鹏、刘驹扬、赵崇建陈怡玲指导老师：刘成武2目录1.引言…………………………………………………………………………………（3）2．车架设计和制造的整体思路……………………………………………（3）2.1、车架的设计思路…………………………………………………………(3)2.2、车架的制造思路…………………………………………………………(3)3.车架整体设计………………………………………………………………………(3)3.1、车架形式的选择…………………………………………………………(4)3.2、车架材料的选择…………………………………………………………(4)3.3、车架用钢管规则选择……………………………………………………(4)3.4、车架各部分设计……………………………………………………………(5)4.车架制作………………………………………………………………………………（14）4.1、车架制作的问题与解决方案……………………………………………(14)4.2、车架焊接顺序…………………………………………………………………(15)4.3、车架受力分析及计算………………………………………………………(15)5.设计车架的发展趋势………………………………………………………………（17）5.1、材料方面…………………………………………………………………………(17)5.2、结构方面………………………………………………………………………(17)6.课程设计总结…………………………………………………………………………(22)31．引言赛车的车架是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的重要部件。该报告就是叙述车架从最初设计到最后制成整个过程的，其主要包含四大部分内容：车架外形设计、车架模拟力学分析、车架制作以及缓冲结构数据报告。车架外形设计从车架的形式选择、材料选择、管件规格选择和各部分详细设计等方面进行了叙述。车架模拟力学分析主要运用ANSYS力学分析软件对车架模型进行了计算机模拟分析，完成的主要工作有静载分析、翻车情况分析、运动模态分析和车架扭转刚度分析。车架制作部分详细阐述车架的焊接步骤，并叙述了在车架焊接中遇到的各种问题以及解决方法。由于规则中还明确要求对缓冲结构进行性能试验并给出试验数据报告，所以该报告也给出了缓冲结构试验的报告。除了这三部分工作，在本报告的最后还指出了设计中的缺陷并提出改进方案，为今后的设计提供了重要经验。2．车架设计和制造的整体思路2.1、车架设计思路如果把一辆赛车比作一个充满活力的运动员的话，车架就是他的骨骼。如同骨骼是人的重要组成部分，车架对于赛车来说也是最重要的部分之一。一个运动员要想得到好成绩，他的骨骼就必须要轻并且强劲。对于赛车也是如此，一个轻而结实的车架能够让赛车的的性能得到很大提高。赛车的车架的作用是支撑赛车其他部件，构成赛车主体的，所以车架也应该能够容纳下赛车的所有部件但不能有太多空间浪费。综上所述，车架设计的整体思路是以大赛规则为依据，满足赛车车架强度与刚度的条件下车架重量达到最轻，在满足容纳下赛车所有部件的条件下车架空间达到最小。2.2、车架制造思路车架的整体为钢管焊接而成，由于钢材在焊接后会产生较大的热变形，所以如何控制热变形也成了车架制造需要首要考虑的问题。根据这个问题，车架制造的整体思路确定为通过选用合适的工具和采取合适的焊接工艺来保证车架焊接后的热变形影响最小，车架的重要部分的尺寸满足设计要求。3．车架整体设计43.1.车架形式的选择根据规则要求，加上查阅部分资料，我们发现车架的选择方案主要有以下三种：一体式金属车架、一体式复合材料车架和桁架式金属车架。其中桁架式金属车架是由多根金属钢管通过焊接或铆接形成的具有空间三角结构的框架。其加工工艺简单，不需要特殊加工技术和加工专业设备，并且具有良好的刚度和强度，加工成本低廉。因此，我们最终选定车架形式为桁架式车架。3.2.车架材料的选择根据2012中国FSC大赛规则（后简称“规则”）第二章3.3.1条规定，车架最低原材料为合金钢和低碳钢20钢力学性能及特点如下：抗拉强度σb(MPa)：≥410(42)屈服强度σs(MPa)：≥245(25)伸长率δ5(％)：≥25断面收缩率ψ(％)：≥5，硬度：未热处理,≤156HB，试样尺寸：试样尺寸25mm。电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小。由于规则中对主环和前环的材料进行了相应的规定，而20号钢管具有焊接性能好，价格便宜等优势，所以我组最终决定整车车架材料为20号钢管。3.3．车架用钢管规格选择3.3.1、根据规则第二章3.3.1条规定，赛车基本结构最小尺寸如下：为便于零件采购、管理和加工，以及减轻车架重量，我组选取钢管规格为25.0mm×1.5mm和25.0mm×2.5mm的两组尺寸。前隔板支撑规格为前者，后者为车架其他部分规格。3.3.2、车架发动机安装区域5官方提供的发动机尺寸为610mm×568mm×519mm（长×宽×高）。为保证发动机可以正常放置，以及考虑到传动系统的布置，发动机安装区域尺寸设计为长655,mm，宽600mm。3.3.3、侧防撞结构设计根据规则要求，桁架式车架的侧边防撞结构必须有车手两侧各至少3个车架单元构成。当车手普通驾驶姿势乘坐时，侧防撞结构必须有至少3根管件位于车手两侧。这三根所需的管件必须由满足规则要求的材料制成。这三根管件的位置如下：●上部的侧防撞管件必须和主环及前环相连接，当一个77kg的车手以普通姿势乘坐时，该管件的位置必须在离地300mm至350mm之间。上部的车架管件若是满足该高度、直径和厚度的条件，也可以代替使用。●底部侧防撞结构必须和主环底部及前环底部相连接。如果车架底部钢件车架单元的管件外径和管壁厚度满足要求，也可以代替使用。●侧面对角防撞结构必须连接位于主环前部、前环后部的上部和下部的侧面防撞单元。3.4.车架各部分设计3.4.1、底盘外形设计设置为梯形底盘可有效地降低赛车重心高度，但要保证车手的坐姿所以不能降低过多。3.4.2、前隔板设计规则关于前隔板的要求如下：●前隔板必须用封闭的管件做成。●前隔板必须位于所有不可挤压部件之前，如电池、主缸和液压缸。●安装前隔板后当车手的脚底接触但没有踩踏板时仍能位于隔板“平面”的后面(该“平面”是指由管件的最前端表面所构成的一个平面。可调节的踏板必须位于最前端的位置。●承载结构需要一个合格的SEF以便展示此结构与焊接车架在能量耗散、屈服强度和极限弯曲扭转、拉伸强度方面具有相同的表现。根据规则我们可以知道，前隔板应该是位于整个车架的最前端，用于安装6前防撞结构。该车所设计的缓冲结构(蜂窝铝制)的尺寸为300mm×200mm×150mm(长×宽×高)，则要求前隔板的外形至少应该是一个矩形，其尺寸为200mm×150mm。以这个数据为基础，前隔板设计成如下图的形式。在该图中，前隔板被设计成倒梯形的样子。该梯形的上底长度为390mm，下底长度为310mm，高度为220mm。设计成倒梯形的原因是为了使车架前部结构不至于过复杂。3.4.3前环设计有关前环的设计要求有：●前环必须由封闭的金属管件构成●禁止前环使用复合材料。●前环必须从车架单元一侧的最低端，向上绕过车架后再连接到另一侧车架的最低端●若是采用合适的节点和三角板结构，允许把前环设计成多段组合的管件●前环的最高点必须在任何角度下高于方向盘的最高点。●前环于方向盘前的距离不得超过250毫米9.8英寸。这个距离是沿赛车的中线，水平的从前环的后部到方向盘放置状态下的最前端量起。●侧视图时，前环的任何一个部分与垂直方向所成的角度不得超20度。根据规则，我们设计的赛车的前环由尺寸规格为25mm2.5mm的管件制成，7为了保证悬架安装管焊接时位置的精度，我们把前环设计成三段结构。由于斜杆用于保持悬架安装管的尺寸，所以其尺寸与安装形式根据悬架要求进行设计，即斜杆尺寸为222mm，安装时与竖直平面有着10的夹角。根据赛车待选的方向盘的尺寸，我们把圆弧管的半径取为150mm。综合考虑所有问题，我们设定前环的高度为600mm（管件轴线离底盘高度）。该赛车的前环的三维造型如下图所示。3.4.4前隔板支架与前环支架3.4.4.1、前隔板支架经过讨论，我们确定出前隔板与前环底部之间的距离为790mm。根据这个数据，我们最后可以得到顶管与底管的实际长度。再考虑到规则的要求，我们可最终设计出前隔板支撑如下图83.4.4.2前环支架根据规则叙述，前环支架应该完全覆盖住车手的腿部，所以该赛车设计的前环支架如下图所示，其连接了前环与前隔板。我们确定前环支架在前环上的安装位置为：前环支架与前环的连接点距前环顶端45mm。又由于悬架系统中减震器需要安装空间，所以前环支架被设计成“X”的样式，减震器安装所需的附属结构就焊接在该交叉点上，这样就可以满足减震器的安装空间要求。93.4.5、主环、肩带安装管与主环支架3.4.5.1、主环与肩带安装管依据规则的要求，该赛车的主环选用一根同前环材料与规格相同的管件弯曲而成。该赛车主环共有三处弯曲，一处圆弧弯与两处折弯。其中圆弧弯的半径依旧设定为150mm，与前环系统中的圆弧弯半径相同，这样可以在加工前环的圆弧弯后继续加工该圆弧，不用更换模具，可以大大减少加工成本。本赛车车架主环如前环一样与竖直平面有着8的倾斜，不过方向是向车架后部偏移。经过多个方案讨论，我们最终确定主环的高度为1200mm，这样既可以使主环满足规则的各种要求、使赛车布置有足够空间，又不会因为主环过高而影响赛车的各项性能。肩带安装管也是赛车车架中十分重要的一个结构，其对于保护赛手安全有很大的作用，所以我们选取该管为一直管，其尺寸规格与底盘所选取的相同。经过讨论，我们最终确定肩带安装管的位置：肩带安装管中心线与底盘管中心线在竖直方向上距离为600mm。主环与肩带安装管三维造型如下图所示103.4.5.2、主环支架根据规则，由于主环向车架后部倾斜，所以主环支架设计在主环的后部，为两根直管。为了满足“主环支架和主环接触点必须与主环顶越近越好，并且与主环最高面距离不超过160毫米。”的规则要求，我们确定该赛车的主环支架与主环连接点距主环顶端的距离为120mm。又因为“主环和主环支架所构成的角度至少为30度”和“支架必须能通过适当的三角结构把这些载荷转移回主环底部”这两个要求，我们确定主环支架与车架主体的连接点的位置在发动机安装区的尾部。主环支架最终方案的三维造型如下图所示。113.4.6、侧防撞结构设计根据规则，我们选用的侧防撞结构如下图所示：该结构只由三根管组成，一根是赛车一侧底盘管中座椅安装区的管件，一根满足离地高度要求的横管和一根连接位于主环前部、前环后部的上部和下部的侧面防撞单元对角管。我们最终确定横杆的位置：其中心线与底盘管座椅安装区12轴线在竖直方向上有230mm的距离。当横管的位置确定后，整个三管式侧防撞结构就确定了，下图显示了该赛车侧防撞结构的三维模型。3.4.7车架其他部分设计3.4.7.1、发动机安装区设计车架的发动机安装区的功能为固定与支撑发动机及其附属结构。本赛车的基本尺寸为：610×568×519(长×宽×高)。这个尺寸为发动机安装区的设计的基础尺寸，安装区至少能够容纳发动机的大小。又由于在此区域还需要布置油箱、水箱及其它附属结构，所以经过多种布置方案的比较，我们最终确定该部分的尺寸为：一侧底盘管上的发动机安装部分管件长655mm，与另一侧的间的发动机安装部分管件平行，轴线距离为600mm。发动机安装区高度为330mm距底盘管轴线。最终得到的发动机安装区的结构如下图所示。133.4.7.2、后悬架安装区设计后悬架安装区的主要功能是为后悬架系统提供安装基础，所以后悬架安装区设计所需的尺寸主要来自于后悬架的设计结果。为了满足后悬架以及差速器的安装要求，我们设定发动机安装区尾部至车架尾部的距离为540mm。后悬架安装区为悬架系统的安装区域，此部分受到的承受载荷较大，并且没有