AWD型巴哈赛车车架结构设计方法

朱子凡　田哲文

摘要：将巴哈赛车的车架结构设计系统化。基于赛事规则将车架结构按区域划分后结合重要结构细化设计;给出车架重要结构的设计方法和常见形式;提供部分车架重要结构的常用设计尺寸和尺寸范围;将基于CATIA软件建立巴哈赛车车架的实体模型在Workbench中进行仿真分析以验证结构的安全性。系统的提出了一套全轮驱动（AWD）型巴哈赛车车架结构的设计方法。该方法可以用于指导巴哈赛车车架设计以缩短设计周期，并能简化部分车架结构的加工，

关键词：巴哈赛车 车架 区域 主要横杆 支撑结构 安全系数

中图分类号：TH692.9 文献标识码：J 文章編号：1003-0069（2020）07-0126-04

引言

职业院校汽车及相关专业在校生组队参加的越野汽车设计、制造和检测的比赛，要求参赛车队在赛事规则约束下，于规定时间内，设计制造一辆单座、发动机中置的小型越野车。车架系统作为整车其余系统装配基体和保护车手的重要部分，不仅需要安全的结构、足够的强度和刚度，同时还要保障赛车各系统的正确定位。故针对逐渐进入大赛的AWD型赛车，系统地提出一套车架结构设计方法，在保留可靠的结构设计，保障车架结构安全性的同时，缩短车架系统的设计时间，简化部分车架结构的加工。

一、车架系统概述

结合中国大学生巴哈大赛的赛事规则，定义巴哈赛车车架系统上的指定点，命名主要的横杆和支撑结构，如图1所示。巴哈赛车车架具有最基本的两种结构形式：前支撑结构和后支撑结构。由于后支撑结构车架结构简洁，且根据往年赛车车架的损伤情况，其性能完全可以实现保障车手安全、赛车各系统稳定的设计目标，故选用后支撑结构车架作为主要研究对象，提出本文的设计方法。图1所示的车架结构均为后支撑式。

参考车架的基本造型和实车中车手的相对位置，并兼顾赛车其系统的协调与干涉，以赛车的ALC横杆中心为原点O，建立赛车的空间坐标系，将车架划分为前舱、发动机舱和驾驶舱三大部分，如图2所示。基于巴哈赛车车架结构的特点，在所划分的三个区域的基础上，将其结构设计深入细化为区域内主要横杆和重要支撑结构的设计。

二、前舱设计

以前支撑结构FBM在侧防撞结构SIM下方的部分所组成的平面为边界，其前后分别划为前舱和驾驶舱。前舱作为赛车的前部，既要能够承担较为剧烈的碰撞，又需为赛车提供转向器、前桥等部件的安装空间。该区域的主要结构有：ELC和FLC横杆，DLC和GLC横杆。

（一）ELC和FLC横杆

ELC和FLC横杆分别作为赛车前端底部的横杆和前舱与驾驶舱分界的底部横杆，确定了赛车前舱底部的尺寸。

横杆的长度取决于设计的前舱宽度，在宽度的基础上保留加工余量。赛车前舱的宽度首先受到悬架硬点分布位置的几何形状约束;其次，在满足该协调条件的同时需要避免制动踏板、油门踏板与前桥保护壳之前的干涉;最后，必须保障车手合理的操作空间。巴哈赛车的前舱通常被设计为y轴法平面上的矩形结构，从而将前支撑结构FBM的弯曲段设计在同一平面中，简化FBM的加工。

横杆之间的距离映射着前舱的空间大小，但是不作为设计尺寸。设计时需要分别确定ELC横杆和FLC横杆相对于赛车前轴的y坐标。ELC横杆的位置首先需要保障车手的脚部不超出赛车前端;其次要满足转向器和赛车前桥的安装空间。FLC横杆的位置首先需要避免由其参与确定的下半部分的FBM不与前悬架摆臂的固定吊耳发生干涉，其次便是满足赛车前桥的安装空间。前舱底部的布置形式如图3所示。在此方法下，根据经验给定ELC和FLC横杆的y坐标。

（二）DLC和GLC横杆

DLC和GLC横杆分别作为前舱与驾驶舱分界的顶部横杆和赛车前端顶部的横杆，与ELC和FLC横杆共同确定赛车前舱的整体尺寸。DLC横杆可按规则删除，故将其作为虚拟杆件参与车架结构的设计，实际并不通过模型表达或加工实物。

GLC横杆的长度同样取决于前舱宽度，且保留加工余量。GLC横杆和DLC横杆之间的距离对于车架的结构设计无意义，但是它们确定的平面被要求与驾驶舱的侧防撞结构SIM所确定的SIM平面重合，故需要利用已经确定的SIM平面。GLC横杆和FLC横杆共同确定赛车的前端平面，该前端平面由ELC横杆的位置和该平面相对z轴的倾角确定。在前舱空间充足时，可以令该平面适度后倾以缩短指定点D、G之间的结构长度，实现轻量化。设计时，通过上述两平面的相交确定GLC横杆的最终位置。

DLC横杆并不存在于实际的车架结构设计中，因此不加赘述。但是定义该部分的指定点D将在“CLC横杆和前支撑结构FBM”中详述。三、发动机舱设计

以赛车的防火墙确定的平面为边界，其前后分别划为赛车的驾驶舱和发动机舱。巴哈赛车的发动机舱可以分为上下两舱，如图4所示。上舱为油箱提供安装空间和保护;下舱为赛车的发动机、变速器和减速器提供固定和支撑;下舱后端面中的结构件为后悬架提供连接硬点。该区域主要结构有：RLC横杆，后端横杆。

（一）RLC横杆

RLC横杆作为赛车发动机舱的主要定位横杆，与部分结构共同确定发动机舱上下两舱的分界，如图4所示。

RLC横杆首先需要保障发动机足够的拆装空间;其次同后悬架系统的减震器与车架的连接硬点的位置密切相关。该硬点位置设计为与指定点R接近被认为是合理的设计，该设计既可以将后悬架系统通过减震器施加给车架的冲击分散到与指定点R连接的支撑结构上以保证结构的安全性，也可以减去需要为减震器硬点额外添加的支撑杆件，实现轻量化。

对于RLC横杆以及与其连接的两根支撑杆件，有以下两种最为常见的结构：整体式和分离式。如图5、6红色杆件所示。

整体式的结构相对于分离式可以减少焊点。对于巴哈赛车的车架而言，焊接的内应力是影响车架性能的最主要且难以控制的变量。焊点的增加容易为车架结构引入更大的焊接内应力，导致在赛事中剧烈的振动、冲击的环境下，车架的部分结构件发生断裂破坏的现象。受加工环境的桎梏，目前解决该问题的方法为在加工车架钢管时磨制贴合程度更高的坡口。减少焊接接头的数量可以直接缓解这一问题。分离式的结构相对于整体式具有更多加工和维修上的优势。对于多数参赛车队而言，弯曲钢管的加工依旧是不小的难题。同时，不同于分离式结构可以直接更换的特点，整体式的RLC横杆一旦破坏，会为维修带来巨大的困难。在这两种结构的选取中，需要综合考虑实际的加工条件做出判断。

（二）后端横杆

后端横杆并非规则中规定的横杆，是在多年比赛中总结出的一种.较为成熟的结构设计。后端横杆包括上下两个部分，共同组成赛车后端的倒梯形。

后端横杆的y轴位置需要满足下舱的发动机、变速器和减速器的布置空间需求。上下部分间的距离根据主减速器支撑吊耳的位置确定。确定该距离后，根据后悬架系统的摆臂与车架连接硬点的坐标值确定后端横杆的长度。

四、驾驶舱设计

以前支撑结构FBM在侧防撞结构SIM下方的部分所组成的平面和防火墙所在平面为边界，劃分出赛车的驾驶舱部分。巴哈赛车的驾驶舱涉及大量尺寸设计，受到诸多赛事规则约束，并且与前后舱的结构关系密切。该区域主要结构有：ALC、BLC横杆与防滚环RRH，CLC横杆和前支撑结构FBM，车手支撑与保护结构。

（一）ALC、BLC横杆与防滚环RRH

ALC横杆确定了赛车防火墙的“下边界，一般作为初始结构设计。BLC横杆应设计为赛车防滚环RRH的一部分。

ALC横杆的长度直接影响驾驶舱的宽度，设计长度应在560mm左右的舒适尺寸上添加40-60mm的加工余量。在车架结构设计的初期，根据经验设计横杆相对于赛车前后轴的y坐标值。

BLC横杆被赛事规则约束为赛车防滚环RRH的一部分，在赛车的结构设计时直接进行防滚环的整体设计。防滚环结构的设计尺寸体现了赛车车架部分的高度和宽度。巴哈赛车的防滚环具有六边形结构和八边形结构这两种常见形式，但是在其宽度受到规则约束的条件下，八边形结构具有管件长度较短的优势，如图7所示。因此，八边形的防滚环结构被作为车架结构设计中的一种默认设计。

设计八边形结构的尺寸时，在其相对于六边形结构增加的两处弯曲中，于弯曲中心处额外定义指定点Q（QR、QL），如图7所示。将防滚环结构的设计转化为设计防滚环倾角和防滚环上各指定点：A、S、B、Q的坐标。

防滚环的倾角表征了防滚环平面相对于z轴的倾斜程度，一般设计其向后倾斜适当的角度，在增大驾驶舱空间、提高车手舒适性的同时充分保障发动机舱的空间。5°左右的倾角较为合适。

A点的坐标在ALC横杆的设计过程中确定。S点的x坐标保证防滚环的侧部与车手身体之间至少152mm的距离。参考《中国成年人人体尺寸（（GB10000-88））》，如表1所示，考虑到服装等因素，车手宽度一般在450mm左右，因此左右S点的距离不少于750mm。S点的z坐标需要与侧防撞结构SIM综合设计。

B点的位置是防滚环设计的重点之一。其x坐标使得BLC横杆的长度与赛车前舱的顶部宽度相等。其z坐标代表车架的竖直高度，根据驾驶舱部分的人机模型确定，后文结合表1给出了B点的z坐标设计的经验公式。最后由倾斜的防滚环平面和确定的车架顶端平面相交确定B点的最终位置。

在AWD型巴哈赛车的车架设计中，为了避免车手或车手座椅与传动轴之间的干涉，抬高座椅位置是一种基本的解决方法。设座椅的上升高度为z，指定点B的z轴坐标为H，人体坐高计为900mm，车手装备预计增加30mm的高度，保留车手佩戴头盔后与赛车顶部外侧平面的152mm的距离。给出如下经验公式：

为了追求车架结构的轻量化，H的取值应当贴近下限。

B点反映车架的高度，Q点则反映着车架的宽度。在赛事规则的约束下，设计Q点的位置在赛车座椅上方686mm处，Q点的x坐标使.得左右Q点的距离超过736mm，保留加工余量时，设计该尺寸不小于760mm。

（二）CLC横杆和前支撑结构FBM

赛事规则中的前支撑结构FBM是由指定点C到指定点F之间的包含两端弯曲的结构件。CLC横杆为其起点C处的连接横杆。但在实际的加工中，FBM与C、B点之间的钢管同由一根钢管构成。故特在此将由B点到F点的完整钢管称为前支撑结构FBM，该结构中包括指定点C和D，由指定点D分为上下两半部分，如图8所示。

CLC横杆的长度，设计为与前舱顶部等宽;其沿y方向的位置（即C点的y坐标）受到赛事规则的单独约束，如图8所示，并且与前悬架系统和车架之间的连接方式相关;其z坐标（即C点的z坐标）需要和B点保持一致，同BLC横杆共同构成车架的顶端平面。

设计前支撑结构FBM时，将其转换为指定点C、D的定位，在x方向上的定位按照左右指定点的距离与前舱顶部等宽进行设计，以便于加工。y、z方向上的定位根据前悬架系统减震器与车架连接硬点的位置又分为两种不同的设计方法。

连接硬点设计在前支撑结构FBM的上半部分上，如图9所示。此时结构设计与前悬架硬点的空间位置密切相关。C点的位置在遵循规则约束的同时需要配合悬架几何的要求进行y坐标的定位，从而调节FBM上部的倾斜角度。D点的定位，首先确定FBM上、下部分所在直线的交点，在满足前悬架硬点的定位和不干涉的条件下，通过修正该两部分的角度，使得其交点落在SIM平面上。其次根据弯管模具的实际尺寸，确定FBM上C、D两处弯管的半径。最后得到弯曲中心线和SIM平面的交点即为D点。此方法下D点的定位难以保证赛事规则中对于“D点位于弯曲中心“的要求，一般需要利用赛事允许的误差范围使得设计满足要求。

连接硬点设计在前舱的指定点G与前支撑结构FBM上指定点D之间的结构件上，如图10所示。此时该结构设计与前悬架相关性低，设计时C点的y坐标根据规则的约束按经验选取，且越接近约束的下极限越能缩短前支撑结构FBM的长度。D点的定位较为简单，其y坐标仅需要保障由D和F点确定的“下半部分的FBM不与前悬架摆臂的固定吊耳发生干涉;其z坐标由SIM平面决定。

（三）车手技撑与保护结构

将与车手的支撑和保护密切相关的结构件统一划分在这一部分，包括：座椅的固定杆、安全约束系统的反潜带固定杆和肩带固定杆以及承担主要侧向防护的侧防撞结构SIM。

座椅的固定杆具有“十字”式和“二字”式两种形式，如图11所示。在AWD型巴哈赛车车架的设计中，由于座椅位置的抬高，需要增加结构以架高座椅的固定杆。此时“十字”式的结构不仅需要耗费更多的材料，而且其交叉式的形状也难以为座椅提供较高精度的支撑平面。因此在AWD型巴哈赛车车架的座椅固定杆设计中，“二字”式的结构更加合理。

座椅的固定杆以及安全约束系统的固定杆件的位置虽然十分重要，但是在车架的结构设计中没有较大的权重，只需要按照往年的经验粗略的确定位置，再在车架实体的加工时按照车手的人机试验确定符合规则的准确位置即可。

侧防撞结构SIM是防滚环上的指定点S到前支撑结构上的指定点D之间的结构件，一般包含一小段弯曲，其钢管的中心线定义了赛车的SIM平面。SIM平面往赛车的前舱沿伸，确定GLC横杆在z方向上的位置。侧防撞结构SIM的设计可以转换为SIM平面的z方向定位和弯曲中心的x、y方向定位。

SIM平面在z方向上的定位被规则约束了高度范围，如图8所示。为了实现轻量化，SIM平面的高度范围需要进一步缩小。SIM平面和防滚环的交点定义了指定点S，在指定点B的z坐标逼近下限时，在防滚环上由B点到S点的这一部分弯管的长度将由S点的z坐标决定。赛事规则要求，超出838mm的弯管需要添加额外的支撑结构。为避免该情况的发生，SIM平面的高度需要趋向其高度范围的上限。表2所示为一组避免添加支撑的设计尺寸，上述以及表格中的SIM平面的高度均为该平面到座椅内部底面的高度。

弯曲中心的定位使得车手能够将膝盖侧靠在弯曲处时可以提高驾驶的舒适度。根据CATIA中人机模型的测量，给定如下的参考坐标值：（土280，490）。

在完成赛车前舱、发动机舱以及驾驶舱如上所述的结构设计后，添加必须的连接结构和各系统的支撑杆件，即可完成体现AWD型巴哈赛车车架设计的点线模型，再利用CATIA软件的肋命令和厚曲面命令得到实体的车架模型，如图12所示，用于赛车设计中的模型总装和车架系统的仿真分析。

五、仿真分析

赛车的车架系统密切关系着车手的生命安全，因此有必要分析所设计车架的安全性。由于车架系统的结构复杂，难以使用传统的力学分析方法进行分析计算，所以应用CAE软件解决这一问题。

将在CATIA中建立起的车架三维实体模型经过必要的参数修正后导入到Workbench中进行不同工况下的力学分析，根据车架模型在不同工况下的安全系数分布判断车架结构的可靠性。

巴哈赛车的车架主体为桁架式结构，结构件主要由不同规格的环形截面钢管焊接而成，在实体表面进行网格划分，如图13所示。为确保有限元分析结果的准确性，在不同工况下的力学分析均需要对模型添加合适的约束、施加合理的载荷。

（一）弯扭组合工况

在弯扭组合工况中，约束所有悬架系统的连接硬点的z轴自由度;约束前悬架硬点的x轴自由度;约束右侧前悬架硬点的y轴自由度。按照满载时的受力状况施加载荷，包括以下五个方面：

1.添加z轴重力加速度;

2.赛车座椅安装在车架底部的横杆上，杆件与座椅接触部分支撑车手和座椅的总质量。以总质量70kg计，添加z轴负方向700N的力于座椅固定横杆上;

3.前桥固定再前艙的两根支撑杆上。以质量10kg计，添加z轴负方向100N的力于其支撑横杆上;

4.发动机固定在后部支撑板上，以质量50kg计，考虑发动机与传动系统的振动工况，乘以动载荷系数3.4，并平分在车架后舱两根纵向杆上，每根杆添加z轴负方向850N;

5.减速器固定在车架后舱纵向杆件之间的横杆上，以质量15kg计，添加z轴负方向150N的力于其支撑横杆上。

由图14的安全系数分布，弯扭组合工况下车架的安全系数最小值为7.584，可认为车架满足该工况下的许用条件。

（二）极限转向工况

当赛车处于极限转向的状态时，由于离心力的作用会引入侧向载荷，赛车高速过弯时，其向心加速度较大（可接近重力加速度）。

为避免模型在x轴方向的移动，约束全部悬架硬点的y轴与z轴自由度和右侧前悬架连接点的x轴自由度。

其载荷的施加方式与上述弯扭组合工况的施加方式类似，但是在五个方面中均添加大小为1.5g的侧向加速度。

由图15的安全系数分布，极限转弯I况下车架的安全系数最小值为5.4489，可认为车架满足该工况下的许用条件。

（三）紧急制动工况

当赛车紧急制动时，前后车轮全部抱死，此时会在赛车的z轴方向形成较大的纵向加速度，分析中以1.5g计算。

为模型添加约束限制其在y轴方向上的位移。载荷的施加方式与极限转向工况下力的施加方式相似，将添加的侧向加速度改为纵向的加速度。

由图16中的安全系数，紧急制动I况下车架的安全系数最小值为6.1995，可认为车架满足该工况下的许用条件。

综合不同工况下对于巴哈赛车车架模型的CAE分析结果，认为所设计的该AWD型巴哈车架结构安全可靠，可以满足比赛需求。

结论

本文在历年巴哈赛车车架设计的基础上，结合2020赛季巴哈大赛中全轮驱动型（AWD）赛车的车架设计过程，系统化地提出了一套针对于AWD型巴哈赛车的结构设计方法。将赛车的车架按区域划分，并利用主要横杆和重要支撑结构进一步细化，分别给出设计依据和部分较为成熟的结构设计。最后应用Workbench的静力学分析模块证明了应用该方法设计的巴哈赛车车架在三种工况下的安全性。

本文提出的设计方法与AWD型巴哈赛车车架的设计过程十分契合，能够在保障车架性能的同时进一步缩短赛车的设计周期，同时简化部分车架结构的加工过程、降低加工难度。该方法还有利于参赛队伍更快掌握巴哈赛车车架设计的要点，从而投入更多的精力到车架设计的重难点问题的攻克上，因此从长远的角度来看，亦将对中国大学生巴哈赛事的发展起到一定程度的推动作用。

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