车架设计项目说明指导书.doc

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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 指引教师： 刘成武 目 录1.引言 （3）2车架设计和制造整体思路 （3） 2.1、车架设计思路(3) 2.2、车架制造思路(3)3.车架整体设计(3) 3.1、车架形式选取(4) 3.2、车架材料选取(4) 3.3、车架用钢管规则选取(4) 3.4、车架各某些设计(5)4.车架制作（14） 4.1、车架制作问题与解决方案(14) 4.2、车架焊接顺序(15) 4.3、车架受力分析及计算(15)5.设计车架发展趋势（17） 5.1、

2、材料方面(17) 5.2、构造方面(17)6.课程设计总结(22)1引言赛车车架是支撑赛车其她部件，构成赛车主体重要部件。该报告就是叙述车架从最初设计到最后制成整个过程，其重要包括四大某些内容：车架外形设计、车架模仿力学分析、车架制作以及缓冲构造数据报告。车架外形设计从车架形式选取、材料选取、管件规格选取和各某些详细设计等方面进行了论述。车架模仿力学分析重要运用ANSYS力学分析软件对车架模型进行了计算机模仿分析，完毕重要工作有静载分析、翻车状况分析、运动模态分析和车架扭转刚度分析。车架制作某些详细阐述车架焊接环节，并论述了在车架焊接中遇到各种问题以及解决办法。由于规则中还明确规定对缓冲构造进

3、行性能实验并给出实验数据报告，因此该报告也给出了缓冲构造实验报告。除了这三某些工作，在本报告最后还指出了设计中缺陷并提出改进方案，为此后设计提供了重要经验。2车架设计和制造整体思路 2.1、车架设计思路如果把一辆赛车比作一种布满活力运动员话，车架就是她骨骼。犹如骨骼是人重要构成某些，车架对于赛车来说也是最重要某些之一。一种运动员要想得到好成绩，她骨骼就必要要轻并且强劲。对于赛车也是如此，一种轻而结实车架可以让赛车性能得到很大提高。赛车车架作用是支撑赛车其她部件，构成赛车主体，因此车架也应当可以容纳下赛车所有部件但不能有太多空间挥霍。综上所述，车架设计整体思路是以大赛规则为根据，满足赛车车架强度

4、与刚度条件下车架重量达到最轻，在满足容纳下赛车所有部件条件下车架空间达到最小。 2.2、车架制造思路车架整体为钢管焊接而成，由于钢材在焊接后会产生较大热变形，因此如何控制热变形也成了车架制造需要首要考虑问题。依照这个问题，车架制造整体思路拟定为通过选用适当工具和采用适当焊接工艺来保证车架焊接后热变形影响最小，车架重要某些尺寸满足设计规定。3车架整体设计 3.1.车架形式选取依照规则规定，加上查阅某些资料，咱们发现车架选取方案重要有如下三种：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具备空间三角构造框架。其加工工艺简朴，不需要特殊加工

5、技术和加工专业设备，并且具备良好刚度和强度，加工成本低廉。因而，咱们最后选定车架形式为桁架式车架。3.2.车架材料选取依照中华人民共和国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 b (MPa)：410(42)屈服强度 s (MPa)：245(25)伸长率 5 ()：25断面收缩率 ()：5，硬度 ：未热解决,156HB，试样尺寸：试样尺寸25mm。电弧焊和接触焊焊接性能好，气焊时厚度小。由于规则中对主环和前环材料进行了相应规定，而20号钢管具备焊接性能好，价格便宜等优势，因此我组最后决定整车车架材料为20号钢管。3

6、.3车架用钢管规格选取 3.3.1、依照规则第二章3.3.1条规定，赛车基本构造最小尺寸如下：为便于零件采购、管理和加工，以及减轻车架重量，我组选用钢管规格为25.0mm1.5mm和25.0mm2.5mm两组尺寸。前隔板支撑规格为前者，后者为车架其她某些规格。 3.3.2、车架发动机安装区域官方提供发动机尺寸为610mm568mm519mm（长宽高）。为保证发动机可以正常放置，以及考虑到传动系统布置，发动机安装区域尺寸设计为长655,mm，宽600mm。3.3.3、侧防撞构造设计依照规则规定，桁架式车架侧边防撞构造必要有车手两侧各至少3个车架单元构成。当车手普通驾驶姿势乘坐时，侧防撞构造必要有

7、至少3根管件位于车手两侧。这三根所需管件必要由满足规则规定材料制成。 这三根管件位置如下：上部侧防撞管件必要和主环及前环相连接，当一种77kg车手以普通姿势乘坐时，该管件位置必要在离地300mm至350mm之间。上部车架管件若是满足该高度、直径和厚度条件，也可以代替使用。底部侧防撞构造必要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管件外径和管壁厚度满足规定，也可以代替使用。侧面对角防撞构造必要连接位于主环前部、前环后部上部和下部侧面防撞单元。3.4.车架各某些设计 3.4.1、底盘外形设计设立为梯形底盘可有效地减少赛车重心高度，但要保证车手坐姿因此不能减少过多。 3.4.2、前隔板设

8、计规则关于前隔板规定如下： 前隔板必要用封闭管件做成。前隔板必要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 当车手脚底接触但没有踩踏板时仍能位于隔板“平面”背面(该“平面”是指由管件最前端表面所构成一种平面 。可调节踏板必要位于最前端位置。 承载构造需要一种合格SEF以便展示此构造与焊接车架在能量耗散、屈服强度和极限弯曲扭转、拉伸强度方面具备相似体现。依照规则咱们可以懂得，前隔板应当是位于整个车架最前端，用于安装前防撞构造。该车所设计缓冲构造(蜂窝铝制)尺寸为300mm200mm150mm(长宽高)，则规定前隔板外形至少应当是一种矩形，其尺寸为200mm150mm。以这个数据

9、为基本，前隔板设计成如下图形式。在该图中，前隔板被设计成倒梯形样子。该梯形上底长度为390mm，下底长度为 310mm，高度为 220mm。设计成倒梯形因素是为了使车架前部构造不至于过复杂。3.4.3前环设计关于前环设计规定有： 前环必要由封闭金属管件构成 禁止前环使用复合材料。前环必要从车架单元一侧最低端，向上绕过车架后再连接到另一侧车架最低端若是采用适当节点和三角板构造，容许把前环设计成多段组合管件前环最高点必要在任何角度下高于方向盘最高点。 前环于方向盘前距离不得超过250毫米 9.8英寸 。这个距离是沿赛车中线，水平从前环后部到方向盘放置状态下最前端量起。 侧视图时，前环任何一种某些与

10、垂直方向所成角度不得超20度。 依照规则，咱们设计赛车前环由尺寸规格为25mm 2.5mm 管件制成，为了保证悬架安装管焊接时位置精度，咱们把前环设计成三段构造。由于斜杆用于保持悬架安装管尺寸，因此其尺寸与安装形式依照悬架规定进行设计，即斜杆尺寸为 222mm，安装时与竖直平面有着 10 夹角。依照赛车待选方向盘尺寸，咱们把圆弧管半径取为 150mm。综合考虑所有问题，咱们设定前环高度为 600mm（管件轴线离底盘高度）。该赛车前环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、前隔板支架通过讨论，咱们拟定出前隔板与前环底部之间距离为 790mm。依照这个数据，咱们最后可以

11、得到顶管与底管实际长度。再考虑到规则规定，咱们可最后设计出前隔板支撑如下图3.4.4.2前环支架依照规则论述，前环支架应当完全覆盖住车手腿部，因此该赛车设计前环支架如下图所示，其连接了前环与前隔板。咱们拟定前环支架在前环上安装位置为：前环支架与前环连接点距前环顶端45mm。又由于悬架系统中减震器需要安装空间，所此前环支架被设计成“X”样式，减震器安装所需附属构造就焊接在该交叉点上，这样就可以满足减震器安装空间规定。3.4.5、主环、肩带安装管与主环支架 3.4.5.1、主环与肩带安装管 根据规则规定，该赛车主环选用一根同前环材料与规格相似管件弯曲而成。该赛车主环共有三处弯曲，一处圆弧弯与两处折

12、弯。其中圆弧弯半径仍旧设定为150mm，与前环系统中圆弧弯半径相似，这样可以在加工前环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同样与竖直平面有着8 倾斜，但是方向是向车架后部偏移。通过各种方案讨论，咱们最后拟定主环高度为1200mm，这样既可以使主环满足规则各种规定、使赛车布置有足够空间，又不会由于主环过高而影响赛车各项性能。肩带安装管也是赛车车架中十分重要一种构造，其对于保护赛手安全有很大作用，因此咱们选用该管为始终管，其尺寸规格与底盘所选用相似。通过讨论，咱们最后拟定肩带安装管位置：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

13、带安装管三维造型如下图所示3.4.5.2、主环支架依照规则，由于主环向车架后部倾斜，因此主环支架设计在主环后部，为两根直管。为了满足“主环支架和主环接触点必要与主环顶越近越好，并且与主环最高面距离不超过 160 毫米。”规则规定，咱们拟定该赛车主环支架与主环连接点距主环顶端距离为 120mm。又由于“主环和主环支架所构成角度至少为 30 度”和“支架必要能通过恰当三角构造把这些载荷转移回主环底部”这两个规定，咱们拟定主环支架与车架主体连接点位置在发动机安装区尾部。主环支架最后方案三维造型如下图所示。3.4.6、侧防撞构造设计依照规则，咱们选用侧防撞构造如下图所示：该构造只由三根管构成，一根是赛

14、车一侧底盘管中座椅安装区管件，一根满足离地高度规定横管和一根连接位于主环前部、前环后部上部和下部侧面防撞单元对角管。咱们最后拟定横杆位置：其中心线与底盘管 座椅安装区 轴线在竖直方向上有 230mm 距离。当横管位置拟定后，整个三管式侧防撞构造就拟定了，下图显示了该赛车侧防撞构造三维模型。3.4.7车架其她某些设计 3.4.7.1、发动机安装区设计车架发动机安装区功能为固定与支撑发动机及其附属构造。本赛车基本尺寸为：610568519(长宽高)。这个尺寸为发动机安装区设计基本尺寸，安装区至少可以容纳发动机大小。又由于在此区域还需要布置油箱、水箱及其他附属构造，因此通过各种布置方案比较，咱们最后

15、拟定该某些尺寸为：一侧底盘管上发动机安装某些管件长 655mm，与另一侧间发动机安装某些管件平行，轴线距离为 600mm。发动机安装区高度为 330mm 距底盘管轴线 。最后得到发动机安装区构造如下图所示。3.4.7.2、后悬架安装区设计后悬架安装区重要功能是为后悬架系统提供安装基本，所后来悬架安装区设计所需尺寸重要来自于后悬架设计成果。为了满足后悬架以及差速器安装规定，咱们设定发动机安装区尾部至车架尾部距离为 540mm。后悬架安装区为悬架系统安装区域，此某些受到承受载荷较大，并且没有其她管件进行支撑，所觉得了保证该某些刚度，咱们在此处加入了几根斜支撑管用来进行支撑。下图显示了后悬架安装区详

16、细设计。3.4.7.3、其她斜支撑管设计为了保证赛手胳膊在驾驶时不会伸出车架外，以保护赛手安全，该赛车车架应当在赛手肘部位置安装管件。通过在赛车车架上实际测量之后，咱们最后拟定出该管件为斜管，其安装位置在前环与主环之间。斜管和前环连接点与前悬架上悬臂安装管和前环连接点相重叠，斜管和主环连接点与底盘管轴线在竖直方向上距离为400mm。下图显示是斜管三维模型。 4车架制作4.1、车架制作问题与解决方案车架所选用材料即为普通20#钢，车架整体构造就是由不同规格20#钢钢管构成。20#钢具备良好焊接性能，焊接工艺简朴，通过用普通手工电弧焊即可完毕焊接任务。故选用车架焊接方式为手工电弧焊。钢铁在热加工后

17、会浮现热变形现象，这将会导致热加工后零件尺寸浮现很大误差，严重影响零件功能。焊接即是热加工，故车架焊接面临一大问题就是如何控制焊接后车架热变形，保证车架重要某些尺寸精度。一方面，从设备上来保证焊接加工精度。需购入了一种焊接平台和设计制造了诸多夹具，整个焊接过程就是把管件用夹具固定在这个平台上来完毕。焊接加工时以平台作为基准面，由于其平面度较好，因此焊接位置尺寸测量精度会比较高，焊接加工精度也就随之大大提高。由于平台上各管件有着夹具固定，焊接之后管件浮现热变形也无法移动，这对于控制车架焊接后热变形起着极大地作用。另一方面，一种合理焊接顺序对于控制热变形与保证重要某些尺寸精度也起着重要作用。因此需

18、最后拟定出如下焊接顺序。最后，对车架进行及时地调节也是十分必要。为了保证重要某些尺寸，咱们需要边焊边调节，使车架满足设计尺寸规定。当整体车架完毕后，还要把车架再静置一段时间。当车架内应力释放完毕后，咱们再对车架进行最后调节，这样才干得到符合设计规定车架。4.2、车架焊接顺序4.2.1焊接底盘。保证底盘前悬架安装区尺寸严格满足设计规定，其她某些基本满足设计规定。4.2.2焊接前隔板，前隔板支撑，与前环。由于该赛车车架前隔板支撑与前悬架安装管为一体，因此要前悬架安装管有较高尺寸精度就需要前隔板，前隔板支撑，与前环这三者严格满足设计规定。4.2.3焊接前环支撑。“X”形交叉点位置要严格按照设计规定。

19、4.2.4焊接主环。主环某些基本满足设计规定即可4.2.5焊接侧防撞构造。侧防撞构造顶管尺寸需要严格保证按照设计规定。4.2.6焊接发动机安装区。尺寸基本满足设计规定即可。4.2.7焊接主环支撑。尺寸基本满足设计规定即可4.2.8焊接后悬架安装区。由于该区与车架主体独立，因此较容易保证精度。此某些尺寸要严格按设计规定。4.2.9后悬架安装系统与车架主体进行对接。对接位置要严格按照设计规定。4.2.9焊接肩带安装管与车架别的斜支撑管，这些管在车架主体完毕后在主体上直接测量后加工焊接即可。4.2.10在重点位置焊接加强板，以加强车架整体刚度。 4.3、车架受力分析及计算图中：,为前、后支架所承受有

20、效载质量，由上装平衡条件”1计算可得： = ；,为先后轴对车架支反力，由车架平衡条件计算可得：=，=；为空车簧载重质量，取=2g/3z(为汽车整备质量)车架纵梁弯矩计算 由受力分析和计算成果，可计算每侧车架纵梁各段弯矩： 式中：X为截面至车架前端距离。由此可以求得车架纵梁最大弯矩5、设计车架发展趋势由于车架设计相对车其他零部件而言，车架设计是比较简朴，设计时普通只考虑构造和强度规定。在满足车架强度规定前提下，设计者都开始追求车架质量最小化，车架质量最小化也成了将来车架发展趋势。下面就材料与构造方面来减轻车架质量。5.1.材料方面随着科技进步，那些此前只用于飞机和军用材料也慢慢走入民用市场。例如

21、比钢材密度小铝合金，钛合金。特别是高强度钢材浮现大大减轻了车架重量，在某些只能采用钢材部位，使用高强度钢板，可以减少钢板厚度，从而减重。车架用热轧钢板，均可以用高强度钢材。欧美重卡使用钢材都是高强度钢，然而国产重卡才逐渐用高强度钢。当前材料科技者除了在老式金属合金材料研究外，越来越多人开始去研究非金属材料，为了获得质量更轻，强度更高材料。 5.2.构造方面由于高强度材料浮现，车架构造方面也变越来越简朴。随着设计水平，制造工艺提高，材料性能提高，单层车架完全可以胜任原则载荷工况。08北京国际车展，东风，解放，陕汽等国产开始展示车架采用单层构造重卡牵引车。采用单层车架也将是车架发展潮流趋势。有许多

22、不同风格框架;空间框架，单体，和阶梯是赛车框架例子。对于 FSAE最流行风格是管状空间框架。空间框架是一连串管子是连接起来形 成一种构造，连接在一起必要构成某些。然而，大多数概念和理论可以应用 到其她机箱设计。 图4刚度 在悬挂设计上保持与本地所有四个轮胎扁平整个车辆性能远景目的。普通来说，悬挂系统设计假设下，该框架是一种刚体。例如，在曲面和脚趾也许会浮现不良变化框架如果缺少刚性。一种遭受了扭转加载帧图像叠加在下图undeflected框架。 图5UM罗拉发现，在大多数状况下，机箱，是非常激烈竞争不会产生足够。然而，某些应注意，以保证帧附着点不屈服时，受到设计载荷。例如，发动机架应作出足够硬度

23、，以减少失败也许性。 抗扭刚度 - 扭转刚度是框架抗扭转负荷4。 UM罗拉采用有限元分析了1996年终盘抗扭刚度。作者：简朴杆和框架梁单元模型解表白，大概是2900 抗扭刚度 每偏转限度牛顿米。群众1996帧约27公斤，其中澳门大学，罗拉以为重量超过了为期两天系列赛需要。然而，某些额外构造，增长了框架，以增长其安全性。此外，动力传动系统坐骑显着加强，使汽车可以作为一种驾驶员培训工具服务于几种学期。 由于1996年框架演变，刚度重量比不同设计进行了比较。底盘可极为严酷料，加入大量框架。然而，这也许会减少其她材料，由于增长大众汽车性能。显然，扭转刚度并非是分析一种底盘刚度只测量。 抗弯刚度也可以用

24、来分析框架设计效率。然而，抗弯刚度不如抗扭刚度重要，由于由于弯曲变形不会影响轮载4。由于设计时间在FSAE严重限制，UM罗拉研究小组运用一种扭转分析，以拟定不同框架设计相对刚度。 三角网 - 三角可以用来增长一帧抗扭刚度，由于三角形是最简朴形式，始终是一种构造，而不是一种机制。显然，这是一种框架构造比将扭转僵硬机制7。因而，应当努力进行三角底盘尽量。 作为一种可视化，是由脚关节连接杆可以协助收集帧帧设计师在设计中定位机制8。设计人员还可以通过检查评估，看看每个引脚接合节点包括至少三杆，以补充她们负荷途径框架。 UM罗拉选取使用薄壁钢管材1996年框架设计。这需要大量三角框架薄壁管以来，在体现得

25、非常好张力和压缩，但糟糕弯曲。其中生产部件，例如发动机和悬挂大量力量，被装在三角点框架。 图6前UM罗拉帧具备高负荷部件缺少足够三角测量。这些组件被装到具备承重其中在一种单节油管焊接中点标签帧。正如预期那样，这就像一种简支梁管弯曲，导致不必要附加组件运动。虽然这些设计对于本次比赛时间工作，她们总是失败压裂管或打破了标签。为1996年车，装载组件高度注重都是三角点。 区转动惯量 - 对惯性面积时刻已经对构造刚度影响较大。因而，越远物质从轴扭转更严肃框架将在弯曲和扭转。这个概念是通过加入方舱构造基本框架。 图7图7显示了三角一方被用来增长1996架抗扭刚度豆荚。这种材料还增长了侧面碰撞保护。新增侧

26、箱构造远离尽量底盘，增长了前部和后部之间悬架惯性面积时刻中心线。大某些成功FSAE车侧有安全构造豆荚和抗扭刚度增长。 除了使用侧箱，以增长刚度底盘，1996年入境时滚铁环，下管增长帧刚性。 1997年FSAE规则规定，从轧辊顶管箍到帧基本必要是0.049“墙时，从编造4130钢1。由于这些管比0.035“壁管更严肃，僵硬框架可以大大提高妥善放置滚箍管。朗读荷载途径 在设计过程中，重要是要考虑如何荷载传递到框架。 A负载途径描述了通过该部队到帧消散途径。例如，图8显示了如何垂直负荷重量产生车轮将穿越直立，推杆，摇臂，线圈，并进入了休克框架构造。固然，要恰当调查关于部队，为每个组件弗里博迪图，必要

27、绘制。然而，这个概念可以使用可视化设计框架应当如何构建。 在安全利益，公式SAE规则委员会已写得很详细规则来保护正面，侧面驱动程序和翻车事故状况。 在设计1996项，澳罗拉分校研究小组发现，如果FSAE规则，遵循和框架是为刚度优化 无用功碰撞，这是明显，该车将是最有也许崩溃状况下足够了。由于一头部碰撞也许性，更多构造被放置在该框架是必要鼻子比1996年规则。依照以往经验基本上，研究小组以为，到了坚实对象，如抑制或装卸码头，运营车辆，概率很高。因而，相称大想法是考虑到司机脚正面碰撞时安全。 图8 一FSAE汽车每一种系统必要有包装框架内。这些组件位置限制了管可用途径，普通是有害底盘刚度8。例如，

28、司机占有了可用于大幅增长构造刚度框架某些。 暂停 - 要框架悬空包装普通不会干涉问题，由于大某些都是外部组件框架。但是，它是特别重要附加组件暂停僵硬底盘某些对的负载分派将通过这些组件通过8。 设计框架，以便控制臂连接到一种僵硬底盘某些，有时会非常困难。 UM罗拉发现变化控制臂之间支点距离可以协助优化装载途径 为控制武器。这个距离是可以变化，由于它不会影响到悬挂几何，由于控制臂旋转轴是不会受到影响。然而，减少了控制臂跨度将减少手臂能力作出反映，这是通过加速或制动产生力量。 UM罗拉发现，悬挂设计应与框架同步进行。这使得设计人员对来自推杆和摇臂等负荷集半途径，该框架可以有效地响应负载。传动系统 -

29、 对的连接到车架动力传动系统构成某些是非常重要扩展帧生活。之间发动机，差别相对刚度，框架是不是核心，由于当把停牌。这是由于这一事实，即大多数FSAE底盘布局已经传动部件之间短距离。重要设计一点是要保证该帧不破降档过程中不对的或离合器暴力释放。其中框架UM -罗拉车经历过错败多数是由于骨折发动机架或差别坐骑。 当周边电机设计和链条驱动设计差别框架，必要有足够间隙，使某些先后链轮都可以使用。 这间隙容许最后传动比广泛选取。几种UM罗拉与已建成项目无法变化最后传动比。这种无法证明是一种缺陷，当试图推动该FSAE竞争和更开放空间autocrosses密闭空间内赛车。 便于维护也是一种重要设计考虑时，周

30、边动力传动系统设计框架。 UM罗拉发现，该引擎提供直接去除间隙减少与发动机变化所涉及机械压力量。人们还发现，以提供简朴访问有助于上所有发动机盖，如离合器，发电机，和阀盖。 6、课程设计总结本报告完毕了对车架设计与制造整个过程论述，重要由车架外形设计和车架制作这两某些构成。该报告一方面是车架外形设计内容，其中简介了车架设计整个流程：车架形式选取、车架材料选取、管件规格选取以及各某些详细设计。在设计流程中，咱们都是通过根据规则与实际设计需要得出最后设计成果，以保证车架性能最优。接下来本应是车架模仿力学分析，但是由于时间仓促等因素不得不放弃，转而改为简朴对车架受力分析。另一方面，咱们对车架制造某些进行了详细阐述，例如车架焊接环节、焊接过程中遇到各种问题及解决办法。最后，通过查阅各种资料，咱们还讨论了一下设计车架某些发展趋势。这次设计说轻松其实一点也不轻松，毕竟要在短时间内完毕车架某些设计还是有一定难度。但是，咱们整个小组没有知难而退，反而在组长带领下一步一步攻克难关。在这次设计中，咱们学到了诸多东西，不但对此前所学CAD、CATIA软件进行了复习，还对ANSYS等软件进行了一定探讨（虽然当前是失败，但是后来一定会成功）。更重要是咱们得到了诸多关于设计方面宝贵经验，这是课堂教学所无法达到。最后附上本次设计总成二维图和三维图：