单座小型赛车车架设计与仿真

2024-03-24关瑞元申荣卫石浪

时代汽车 2024年2期

关瑞元　申荣卫　石浪

摘要：单座小型赛车广泛用于各游乐场所、汽车竞赛以及赛道日活动，由于产量低、用途单一且不能合法上路，故无需遵守量产车的设计原则和相关法规，设计空间较大。这种赛车通常注重加速/制动性能以及操控稳定性，其中中国大学生方程式汽车大赛（FSC）是单座小型赛车的代表产品。车架是单座小型赛车的重要组成部分，绝大多数的赛车零部件都需要安装在车架上。本文以中国大学生方程式赛车规格的单座小型赛车车架为研究对象，设计一副具有足够刚度和强度的车架并进行优化，基于UGNX和ANSYS Workbench软件平台，分别建立车架三维模型和有限元模型，计算车架弯曲刚度和扭转刚度并完成模态验证。

关键词：赛车车架设计

1 车架结构设计

1.1 设计原则

单座小型赛车车架最基本的要求是安全性要求和功能性要求，本车架遵守的设计原则[1]如下：

1）车架具有安全性；

2）座舱符合人机工程学设计要求；

3）车架结构模态性能良好，赛车在各工况下不会发生共振现象；

4）车架重心尽可能底，结构尽可能紧凑，以确保赛车操控性良好。

1.2 性能指标

车架的扭转刚度通常在悬挂刚度的8-20倍左右[13]，赛车比赛时最大转向G值约为1G[6]，综合考虑赛车比赛时行驶、缠斗与碰撞的工况[2]，设定车架目标扭转刚度为75000 N·m/rad。

车架弯曲刚度设定需要考虑到车架的静态载荷情况和翻滚时车架顶部受力的情况[5]，赛车设计最大总重量300kg和悬挂硬点、翻滚工况下主环顶部受力状况，设定车架目标弯曲刚度为50000 N·m?。

1.3 车架材料

车架使用的材料是高强度4130铬钼钢圆管[7]，本文所设计的车架采用两种规格的4130圆钢管，除车架前环、主环和主环斜撑使用的是25.4*2.4规格以外，其余部件都为25.4*1.6规格，这样能在有效提升车架性能的同时减轻车架的重量。

1.4 车架结构设计

车架结构分为座舱、前碰撞区和发动机舱。座舱设计主要考虑人机工程学设计以及安全性设计，通常情况下，使用男性第95百分位模板设计车手的坐姿[3]。

首先确定主环和前环的尺寸。根据车手坐姿，确定主环防滚架高度为1000mm，最大宽度570mm，前环防滚架高度为500mm，最大宽度440mm，主环防滚架和前环防滚架距离为800mm。其次是座舱结构设计，座舱的作用主要是翻滚保护，侧面保护，车手操控以及防火墙布置。为了座舱结构的稳定性以及遵循轻量化原则，座舱管阵结构以三角形结构为主。接着是前碰撞区结构设计，结合座舱长度800mm以及车手坐姿，预留踏板空间后前碰撞区长度取600mm，为了在碰撞时更好地吸收碰撞力，前碰撞区结构全部采用稳定的三角结构。最后完成发动机舱结构设计，本文赛车布局为中置后驱布局，发动机舱位于座舱之后，用于承载发动机、链传动系、差速器、发动机进排气系统、散热水箱以及油箱等附件。得到车架三维结构图如图1。

2 刚度仿真分析

单座小型赛车比赛过程中，由于转弯时车速较高产生的离心力会使车身发生扭转，导致四个车轮不在同一平面内，即车架的扭转工况[8]；在比赛时，赛车的车架需要承受一定的弯曲载荷，所以会发生应力应变，这种工况就是车架的弯曲工况。为了保证在比赛时车架不会因为扭转和弯曲而发生破坏、失效，本章将使用有限元方法[12]计算车架的扭转刚度和弯曲刚度以验证其力学性能。

2.1 车架有限元模型的建立

使用Workbench软件将上述过程得到的赛车车架模型通过有限元软件完成模型的分割，然后规定材料特性，按照文中所规定的具体工况来设置相应的边界限制条件等，给后续的静力学分析提供基础。

2.1.1 网格划分

选择使用10毫米的网格展开方程式赛车车架的分割，并且要根据管件曲率的大小来调整各位置的网格密度。网格划分结果如图2所示。

2.1.2 材料属性设置

本文所设计车架采用4130钢管，在Workbench中设置材料属性，设置完成结果如图3。

2.2 车架扭转刚度分析

单座小型赛车比赛过程中，由于转弯时车速较高产生的离心力会使车身发生扭转，导致四个车轮不在同一平面内[9]，为了保证在扭转工况下车架不会因为扭转发生破坏、失效，本节将针对赛车在扭转工况下的应力、应变进行分析。

2.2.1 扭转约束

赛车在高速转弯时，自身受到离心力作用和地面所施加的向心力作用，向心力由車轮传递至悬挂系统，再由悬挂系统传递至车架，因此车架收到的外力作用点为悬挂系统连接点。因此，本课题扭转约束设定为：约束后悬架xyz方向平动自由度，在左右前悬架位置施加垂直方向的等值反向力F和-F，扭转约束如图4所示。

2.2.2 扭转工况分析

经计算，得出支反力求解图如图5所示。

由图可知，F=1331N，车架宽度b=410mm，实验设定h1=-h2=1mm，代入公式[10]可以求出车架扭转刚度为79860N·m/rad，符合设计要求。

2.3 车架弯曲刚度分析

在比赛时，赛车的车架需要承受一定的弯曲载荷，所以会发生应力应变，这种工况就是车架的弯曲工况。在这种工况下，赛车车架承受了车自重、车间配件重、车手的重量等。

2.3.1 弯曲约束

分析车架弯曲刚度时，把车架视为简支梁，根据材料力学中简支梁挠度计算方法，将后悬挂连接点视为支点并约束xyz方向平动自由度，前悬挂约束xz方向平动自由度，再向车架座舱地板重心施加一个垂直向下的1000N的力，并通过MPC单元与周围节点相连接，可近似计算出车架的弯曲刚度，弯曲约束如图6所示。

2.3.2 弯曲工况分析

经计算，得出弯曲位移云图如图7所示。

由分析结果可知，座舱底部应变f为0.16mm，F设定为1000N，车架参数a=800mm，x=800mm，L=1600mm，结合公式[10]可得车架弯曲刚度为533333N·m?，符合设计要求。

3 模态仿真分析

赛车在运行过程中，道路的起伏以及发动机的振动都会与其发生激振，一旦频率达到了车架固有频率，双方就会发生共振，降低车辆的机械性能，并可能会损害结构。通常情况下，将模态分析理解为基于振动理论，将模态参数作为目标的分析方式。

3.1 参数与设定

自由模态分析下，不对车架模型施加约束条件[13]；本节中的方程式赛车选用的发动机为贝纳利黄龙600四冲程四缸发动机，发动机怠速转速为1800r/min，发动机最大功率转速为11 000r/min，代入公式[4]计算得出发动机怠速时的激励频率为60.03Hz；发动机常用工作转速为5000-11 000r/min，相应的发动机激励频率为167-367Hz。由于此发动机转速升高极快，从怠速转为工作状态的时间极短，故所设计车架各阶次振动频率应该为60.03-167Hz，以避开发动机爆发频率，进而减少共振现象。

3.2 车架自由模态分析

经求解，车架模态如图8所示。

经过对求解结果与振源的分析比较得出：

车架主要的振源来源于赛道和发动机。第一种，因为赛道导致的振动，通常频率在1-20HZ之间。根据计算得知车架固有频率大大超过这个值，因此赛道不会引起车架共振[11]。

发动机运转时频率可由[4]得出。本文选择的发动机σ=4，t=4，发动机空转时的转速为1800r/min，由公式求得频率是60.03Hz。赛车在正常比赛中发动机转速在5000-11000r/min之间，由公式2-5求得频率在167-367Hz之间。经过对车架模态求解结果的分析得知，车架固有频率在第7阶为46.027Hz，第8阶频率为57.517Hz，第9阶频率为61.738Hz，发动机空转时的频率介于第8阶和第9阶，但是都与发动机振动频率相差较大，所以发动机空转引起的振动不会引起共振，发动机正常比赛时的振动频率167-367Hz也远远超过车架的第12阶模态的75.631Hz。所以，通过进行比较发现，赛车在比赛过程中不会发生共振现象，符合设计要求。

4 总结与展望

本文所设计的单座小型赛车以桁架式车架集成车身与座舱的功能，实现底盘优良的力学性能与操控稳定性，车架在保证力学性能与安全性能的同时具有轻量化设计的特点，车架采用模块化设计的理念设计。这些特点符合单座小型场地赛车对加速/制动性能以及操控稳定性的需求，有利于赛车取得更强的竞争力。

参考文献：

[1]潘智东. FSC大学生方程式赛车车架设计优化[D]. 河北工程大学， 2016.

[2]陆海. FSC赛车操纵稳定性的试验评价与优化设计[D]. 广西大学，2018.

[3]马芳武，陈实现，赵花垒，等. 强度、刚度与模态约束下的FSC赛车车架轻量化[J]. 湖南大学学报（自然科学版）， 2018， 45（4）： 18-25.

[4]徐志坚，张心光，王岩松，等. 基于ANSYS Workbench的FSC赛车车架有限元仿真[J]. 上海工程技术大学学报， 2016， 30（4）： 285-289.

[5]庄栋，刘智君，刘新田，等. FSC钢管式车架结构设计与改进[J]. 上海工程技术大学学报， 2019， 33（2）： 106-113.

[6]徐森，曹晓辉，胡朝磊. 基于有限元分析的FSC赛车车架轻量化设计[J]. 汽車实用技术， 2018， 143-146.

[7]阎力，史青录，连晋毅. FSC赛车车架的静态结构与模态分析[J]. 太原科技大学学报， 2017， 38（2）： 98-103.

[8]陈浩杰，张诗博，陈雪飞.基于ANSYSWorkbench的FSAE赛车车架有限元分析[J].汽车实用技术，2018（18）：82-86.

[9]吴佳秜，张诗博，解紫婷，等.基于拓扑优化的FSAE赛车车架结构设计[J].汽车实用技术，2018（06）：115-119.