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车架轻量化设计


摘 要 本田节能赛车车架是赛车的重要组成部分, 车架承载着赛车所有的零部件 及总成。赛车在进行比赛时,来自赛道的全部载荷将传递给车架,所以强度、刚 度在车架的设计、 制作过程中扮演着重要角色。利用 solidworks 软件平台对赛 车车架进行三维建模,结合有限元原理,在计算机上运用 ANSYS 软件组建基于 管状单元的车架分析模型, 并且对其进行简化;运用有限元分析软件对车架结

构 进行满载工况下进行下进行强度刚度分析,得到车架结构,并通过试验验证建立 的车架结构有限元模型是正确的;利用有限元分析结果,改进车架结构设计,在 确保其强度、刚度的前提条件下,减少车架材料的使用,降低车架结构的质量; 最后, 运用有限元分析软件对改进优化后的最新的车架结构分析,结果显示车架 结构改进设计是合理的、安全的,满足设计要求。 关键词:车架;轻量化;优化;仿真 ABSTRACT Honda energy-saving car frame is an important part of the car frame, car carrying all parts and assemblies. The car in the game, all of the load from the track will be passed to the frame, so the strength and stiffness of the frame design, in the production process plays an important role. Three dimensional modeling of car frame using SolidWorks software platform, combined with the principle of finite element method, using the ANSYS software in the computer analysis model on the formation of tubular frame based on the element, and it is simplified; using finite element analysis software of frame structure under the condition of full load stiffness strength analysis, get the frame structure, frame finite element the structure model and verify the correctness; using the finite element analysis results, the improved frame structure design,in order to ensure the strength and stiffness of the premise, to reduce the use of frame materials, reduce the quality of the frame structure; finally, by the analysis of the frame structure of the latest improved finite element analysis software, the results show that the frame structure design is reasonable and safe, meet the requirements of design. Key Words:Frame;lightweight;optimization;Simulation 1 绪论 1.1 背景 当前能源危机已经越来越显现, 而与之同时汽车的节能减排已经成为了社会 热点问 题之一。 现如今世界石油消耗量逐年增加,全球从 1970 年的 23 亿吨提升到了 2006 年的 35 亿 吨。 虽然从我们得知的消息—所探明的石油储量一直在递增。但以现阶段原油的 消耗速度来看,到 21 世纪中叶的时候,地球石油资源就会接近枯竭,这已成为 我们不得不面对的一个现实性问题。 海外的许多发达国家在 20 世纪中期的时候 就已开始进行了战略调整, 他们那时已经意识到凭借传统石化资源类似推动经济 增长的这种模式已经走到了尽头, 我们需要寻求一种新的能源来解决未来这种可
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预见的能源危机。我国作为能源消耗大国,又是石油资源相对匮乏,产能也相对 稀缺的国家。加之粗放型的经济模式,所有这种危机感要更强烈一些。近年来过 架年产石油在 2 亿吨左右, 远远不能自给, 仍需要每年从国外进口原油将近 2.4 亿吨,石油进口源主要是中东、东非等敏感政治地区。 伴随着我国石油消耗量的逐年增加然而带来的环境污染问题也是不言而喻 的, 随之而来的的氮污染、 硫污染、 铅污染也是逐渐地影响到了我们的日常生活。 由于我们国家还是处于社会主义国家,粗放型的市场经济所带来的繁荣是短暂 的,也是社会发展过程中必不可少的一个阶段我们国家进入 WTO 后市场经济的 发展逐年增速, 许多西方国家和欧美国家由于中国的发展他们似乎有了前所未有 的危机感。现在我国的 CO2 排放量一路从国三标准上升到国四标准,西方国家 在其工业革命时期已经转换了发展模式, 已经度过了那个先污染后治理的社会发 展形态。 强迫我国采用欧四标准,这一要求必然给国家带来经济上的前所未有的 打击,遇到前所未有的挑战。 1.2 研究意义 轻量化的主要指导思想是在确保稳定提升性能的基础上, 节能化设计各总成 零部件。 赛车轻量化是一个系统工程, 必须将轻量化的思想贯穿赛车设计的始终, 这对提高赛车动力性、以及燃油经济性都具有重要意义。 (1)轻量化是提高赛车动力性的需求 在赛事中, 赛车的动力性能是排在第一位的。赛车的动力性主要取决两大因 素: 发动机的功率和赛车行驶阻力。由于大赛规则要求驱动赛车的发动机必须为 四冲程、 排量以下的活塞式发动机,在进气系统的节气门与发动机之间必须安装 一个横截面为圆形直径不大于的限流阀, 并且所有发动机的进气气流都应流经此 限流阀。此举使得发动机的功率不可能无限制增大。为了提高赛车动力性,另一 条可行途径就是降低赛车行驶阻力。 行驶阻力由部分组成: 滚动阻力、 爬坡阻力、 加速阻力和空气阻力。除了空气阻力主要与车身大小、形状以及车速有关外,其 他项均与车重成正比。因此从汽车行驶阻力来看,施行轻量化设计,降低赛车重 量,有助于减小行驶阻力,提高赛车动力性。 (2)轻量化是燃油经济性的需求 汽车的油耗主要取决于发动机的排量和汽车的总质量。实验证明,汽车整备 质 量每减少公斤,百公里油耗可降低升;汽车重量降低油耗可降低。减少发动机排 量受到保证赛车动力性的限制, 而赛车轻量化可以提升赛车动力性的同时又达到 燃油经济性的目的。 1.3 相关研究领域 从汽车发明以来,在很长的时间里,随着汽车工业的发展,汽车变得越来越 重。为了达到同样的驾驶功率,新车型装备的发动机也必须越来越强劲,发动机 的重量也势必越来越重。 虽然通过发动机技术的改进,燃油消耗可以保持不变或 略低, 但重量和功率比还是呈螺旋式上升。比如在第二次世界大战之后生产的轿 车一般重 250kg,而如今生产的小轿车整备质量至少 1000kg 在以上。例如大众生 产的紧凑型轿车一年款高尔夫最基本配置的整备质量为 1230kg。自上世纪七十 年代以来,随着材料技术和设计制造技术的进步,汽车重量逐年减少。例如在美 国,上世纪八十年代初,中型轿车平均整备质量 1520kg.为九十年代初下降至九 十年代末下降至 1475kg。2000 年左右世界各国相继出现了百公里油耗的汽车, 这类汽车的整备质量基本处于 750~850kg 之间, 而当前同类车轻年奥迪公司开发
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的 3L 轿车质量只有同类的 50%。据悉,目前各大跨国车企都致力于通过采用高 强度材料或镁锅材料、 结构优化、 工艺革新来实现整车轻量化, 并提高整车强度。 近年来,我国在汽车轻量化技术方面也取得了不少成果,2000 年,汽车工程学会宣布,汽车轻量化技术创新战略联盟在京成立,标志着多家自 主品牌企业第一次在轻量化方面开展自主创新的联盟开始正式运行”。联盟专家 委员会主任陈一龙在接受《第一财经日报》采访时表示“联盟将以整车减重、降 耗、提高安全性为目标,以解决产业共性应用技术问题为主线,以实现先进的轻 量化材料与制造技术的应用为目的, 形成联盟内企业共享的轻量化技术开发平台 和数据库”在赛车轻量化相关的研究方面,做了车架的理论分析与试验设计,以 及路面激励对车架的影响。对赛车设计原则、材料选择、设计方法、底盘等做了 研究分析,并对赛车提出了优化建议。比如邝坤阳做了 FSAE 赛车车架结构分析 和优化工作,分析了车架在弯曲、扭转、加速、转弯工况下的应力分布和形变状 况,以及做了模态分析。乔邦做 FSAE 赛车车架在弯曲、扭转、紧急制动、急转 弯四种典型工况下的分析,并对车架结构进行了优化以及模态分析。 2 三维模型

图 2.1 车架的三维模型 3 仿真分析 3.1 车架有限元分析 赛车是在平坦的赛道上行驶,不会出现强扭转道路;赛车匀速直线行驶为弯 曲工况;赛车制动测试为紧急制动工况;赛车字绕环为急转弯工况。因此本文主 要分析赛车在弯曲、紧急制动、急转弯工况下,车架的应力、形变的情况,以及 车架扭转刚度和车架弯曲刚度,为车架优化提供依据。 3.2 车架有限元模型的建立 车架是赛车零部件的安装载体,安装附件比较繁多,有些对有限元分析结果 的影响甚微,但是会增加建模难度,导致计算量大、耗时长、效率低等问题。在
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建模时,因此对车架采取必要的简化措施,忽略一些次要因素: (1)非金属车身仅通过简单的安装点固定在车架上,且具一定柔性,不属于承载 结构,对车架的强度或刚度影响非常小,因此忽略车身的影响; (2)车架上有些构件是为了满足附件安装而设置的,如换挡结构的支架、踏板总 成和转向总成的安装吊耳、方向盘的支架结构、仪表板的安装结构、油箱和水箱 的安装结构、排气和进气的固定件、电池安装件、座舱底板、链条保护罩、一些 装饰件等, 这些结构件的变形和内力分布对车架整体强度和刚度的影响很小,因 此,在建模过程中作忽略处理; (3)略去车架结构中对有限元分析结果影响不大的微小特征。例如倒角、小孔等。 4 车架强度刚度计算 按规则对车架材料的规定是碳含量不低于 0.1%的合金钢或低碳钢。因此选择 被许多车队采用的 4130 合金钢,其屈服极限为 785MPa,密度是 7850kg/m3, 弹性模量是 2.05e11 泊松比是 0.285。 4.1 车架静态刚度计算与分析 构件变形就是构件在外载荷作用下形状和尺寸发生的变化。 结构的刚度就是 指在外 力作用下抵抗该变形的能力。 车架刚度是考核赛车车架性能的重要指标之一, 它对车架其他性能如强度和 疲劳耐久性 都有很大影响。 4.1.1 车架弯曲刚度理论与评价 车架的弯曲刚度指使车架产生单位挠度所需的载荷。 实际弯曲工况指满载货车匀 速 行驶在良好路面上的情况。 车架承受的载荷包括自身载荷和有效载荷。车架承受 的载荷包括自身载荷和有效载荷。对本文赛车车架而言,自身载荷主要是车架自 重和安装在车架上的发动机及其附件、转向器、制动踏板以及差速器及半轴等集 中载荷; 有效载荷主要是指车手的重量以分布载荷的形式作用在驾驶舱座椅安装 杆件上。 弯曲刚度影响着整车轴距和车轮定位参数,进而影响整车的操纵稳定性。为计算 方便,车架可以简化成一简支梁(如图 4.1 所示),在梁中点处施加集中载荷, 得到车架的某点处的垂直挠度和弯曲刚度,其关系式为:

EI ?

Fax L ? a2 ? x 6 Lf

?

2

2

? (4.1)

式中, EI —弯曲刚度, ? F —集中载荷, a —加载点到支点距离, m x —测量点到支点距离, m f —测量点挠度, m ; L —两支点距离,即轴距, m 通过分析结果得到测量点挠度,将其带入公式(4.3)得到车架该点处的弯曲 刚度 EI 。 L 本文将前、 后轴中点处的刚度作为车架的弯曲刚度, 即 a?x? , 则 (4.1) 2
4

式可简化为: EI ?

FL
48 f

3

(4.2)

图 4.1 简支梁弯曲刚度示意图 计算车架弯曲刚度时, 对车架有限元模型进行如下约束和加载:约束车架前 后轴对 应的车架纵杆位置的节点自由度,其中:约束左前 X、Y、Z 方向平移自由度, 右前 X、Z 方向平移自由度,约束左后 Y、Z 方向平移自由度,只约束右后 Z 方向平移自 由度。在前后轴中间位置两侧纵杆处各施加 Z 轴负向大小为 1471.5 N 的集中 力。

图 4.2 车架弯曲 Z 向变形图

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图 4.3 车架弯曲刚度的测点 Z 向位移曲线 从图 4.2 和图 4.3 可以看出, 车架沿 Z 轴方向最大位移为 1.85mm,则弯曲刚 度:
EL ? 2943?1.55 48?1.85?10
2 ?3

. N ?m

2

4.1.2 车架扭转刚度理论与评价 车架扭转刚度决定着车辆在扭曲路面行驶时悬架硬点的位置精度, 因此是影 响车辆 性能的重要指标之一。国外参赛车队均将车架的扭转刚度作为车架设计的重点。 扭转 刚度值代表着车架结构抗扭能力的大小,对车架的优化设计也具有重要指导意 义。 当四个车轮不在同一水平面时,地面对车架会产生扭转载荷,其会对车架产 生非对称支撑而发生扭转变形。 由于此工况车速较低,动态扭转的极限工况与静 态扭转工况相差无几,因此,车架的扭转特性可以近似地看作是静态的。 扭转 刚度通过单位扭转角下的扭矩来计算。 平均扭转刚度以单位扭转角下车架所承担 的扭矩来描述。车架扭转刚度的计算公式为: 式中, T K T ? ? (4.3) T ? 0.5 ? Fb (4.4) 式中,

K

T

—扭转刚度, N . m / ?? ?
2 2

T —扭矩, N ? m

? —车架扭转角,°; F —前轴轴荷, N ; b —轴距, m
其中, 车架扭转角指在扭转载荷作用下前后轴两横梁相对的回转角, 如图 4.4 所
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示。
h ? 180 (4.5) 3.14 d h —加载点的垂直位移, d —加载点到支撑处的距离 本文以前轴处车架的刚度作为整个车架的扭转刚度(即 d=b),则综合式(4.3) -式(4.5)可得扭转刚度为:

??

图 4.4 左前轮被抬起时车架扭转示意图 计算车架扭转刚度时,分别约束后轴对应左右车架纵杆位置的 X、Y、Z 轴与 X、 Z 轴方向平移自由度,前轴对应车架中心位置 Z 轴平动自由度。在前轴对应左右 车架纵杆 位置施加大小为 647 N 分别沿 Z 轴正负方向的集中力,有限元分析结果如图 4.5 所示。

图 4.5 车架 Z 向扭转变形云图 由结果可知车架 Z 向最大位移为 0.81 mm,即 h =81.0 mm,代入公式(4.5) 得到扭转刚度: K=2086 由以往国内外参赛车队所设计的车架扭转刚度的经验值 得知 K 值一般在 1000 m 以上,故本车架扭转刚度偏大。 4.2 车架强度计算与结果分析 赛车车架强度直接影响到赛车比赛时的可靠性, 产生的局部集中应力将会导 致车架局部杆焊接处失效断裂, 所以保证车架具有足够的强度是非常必要的。由 于所研究的车架为复杂的空间桁架结构, 仅凭经验进行设计容易导致车架强度不
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足或过剩, 本文对车架进行强度分析的目的是计算车架在不同载荷作用下的应力 和变形, 通过分析结果对其进行强度校核,保证车架的工作应力小于车技材料的 屈服极限应力,最大限度地发挥设计空间,提高设计可信度。 本文分别对车架在静态弯曲工况、侧向加速度工况、纵向加速度工况三种工 况展开分析。 4.2.1 静态弯曲工况 弯曲工况下车架受到的载荷主要源于车架自身的质量、 驾驶员体重和安装在 车架上的各个零部件及总成的质量产生的重力。 考虑到汽车左右车轮同时经过凸 起或凹坑时产生的载荷冲击效应, 在对车架进行弯曲工况分析时还需考虑动载荷 效应,对所施加的载荷乘以一个动荷系数。 车架质量为 30.4Kg, 驾驶员与座椅质量为 75Kg,发动机总成与油箱的质量 为 60Kg,为考虑冲击载荷,作用在车架上的载荷都要乘以一个动荷系数。动荷 系数的计算颇为复杂且与汽车行驶的速度、 路面不平度和汽车结构的性能参数相 关,因此要得到赛车在弯曲工况下的动荷系数难度较大。 车架所在的坐标系是 X 轴方向为车架的纵向,由车架前方指向后方;Y 轴 方向为车架的横向,由车架左侧指向右侧;Z 轴指向上方。 赛车悬架为双 A 臂 独立悬架,因此在车架上的约束点选择为车架与悬架的连接点。在弯曲工况下: 约束所有车架与悬架连接点 Z 轴方向的自由度; 约束前悬架连接点 X 轴方向的 自由度;约束右前悬架连接点 Y 轴方向的自由度,这是为了防止车架在分析时 发生横向的刚体位移。

图 4.6 车架在弯曲工况下的变形

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图 4.7 车架在弯曲工况下的最大应力分布 从图 4.6 可知车架的承载杆件都发生明显的位移或变形,主环(防滚架) 顶部发生了向倾的位移,最大的变形杆件为下侧边防撞杆,最大变形量为 1.452mm. 由图 4.7 可知车架最大应力分布在两侧的侧边防撞杆与前环在下部 的焊接连接处附近,最大等效应力值为 88.2MPa。 由于车架所用材料的屈服极 限为 785MPa,最大等效应力值远小于材料的屈服极限,因此车架在弯曲工况下 是安全可靠的。 4.2.2 侧向加速度工况 汽车在进入弯道行驶时, 在轮胎与地面的接触区域,地面会对轮胎产生一个 沿着汽车转弯半径指向转弯圆周中心的作用力即向心力, 在汽车和驾驶员上由于 惯性会产生一个离心力与向心力保持平衡, 这时车架就会作用有一个侧向加速度 使其发生横向扭曲。 假设赛车向左转弯, 因此在总体坐标系下施加 14.7N/Kg 的 沿 Y 轴正方向的侧向加速度。同时车架还受到重力加速度影响, 36 因此还要 在总体坐标系下施加 9.8N/Kg 的沿 Z 轴负方向的重力加速度。车架、发动机 总成及油箱的质量都会受到这两个加速度的作用, 驾驶员和座椅的质量对车架的 作用力则被分解为沿 Y 轴正方向和沿 Z 轴负方向的集中力均匀施加在 节点 上。对车架进行约束时,约束所有悬架连接点在 Y 轴和 Z 轴方向的自由度,约 束右前悬架连接点 X 轴方向的自由度,以防止车架在 X 轴方向上发生刚性位移

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图 4.8 车架在侧向加速度工况下的变形

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图 4.9 车架在侧向加速度工况下的最大应力分布 从图 4.8 可以看出,因为假定赛车向左转弯,车架在没有约束的中间部分 向车架的右侧变形,车架整体呈现出一个轻微的 S 型。最大变形位于底部侧边 防撞杆,变形量为 1.625mm。由图 4.9 可知车架最大应力位于右边的底部侧边 防撞杆与前环的焊接连接处,最大等效应力值为 86.893MPa。 在侧向加速度工 况下车架的最大等效应力值远小于车架所用材料的屈服极限 785MPa,因此车架 在侧向加速度工况下是安全可靠的。 4.2.3 纵向加速度工况 纵向加速度工况分析是模拟汽车在加速或制动时作用在车架上的载荷对车 架的影响。 如汽车制动时, 路面在车胎上产生一个与汽车前进方向相反的制动力, 而同时汽车会产生一个与制动力方向相反的惯性力与之平衡, 这时与车架相连接 的各部件会对车架产生向前的作用力,车架本身也会产生向前的加速度,使车架 发生变形。假设赛车处于紧急制动的状态,四轮同时抱死,因此在总体坐标系下 施加 14.7N/Kg 的沿 X 轴负方向的纵向加速度。 由于车架同时还受到重力加速 度影响,因此还要在总体坐标系下施加 9.8N/Kg 的沿 Z 轴负方向的重力加速 度。车架、发动机总成及油箱在这两个加速度的作用下会产生沿 X 轴和 Z 轴负 方向的力的合力作用于车架。 驾驶员和座椅的质量对车架的作用力则被分解为沿 X 轴负方向和沿 Z 轴负方向的集中力均匀施加在 122 个节点上。 对车架进行约 束时, 约束所有悬架连接点在 X 轴和 Z 轴方向的自由度,约束右前悬架连接点
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Y 轴方向的自由度,以防止车架在 Y 轴方向上发生刚性位移。

图 4.10 车架在纵向加速度工况下的变形

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图 4.11 车架在纵向加速度工况下的最大应力分布 从图 4.10 可以看出, 在设定赛车为紧急制动的条件下,车架的主环和前环 部分向车架的前方偏移,发生最大位移的部分在主环顶端圆弧处,位移量为 0.9554mm。由图 4.11 可知车架最大应力位于主环底部与最下面的侧边防撞杆的 焊接连接处,最大等效应力值为 48.396MPa。 在纵向加速度工况下车架的最大等效应力值远小于车架所用材料的屈服极 限为 785MPa,因此车架在纵向加速度工况下是安全可靠的。 5 结 论 (1)对所设计的赛车车架进行五种极限工况下的强度分析变形与应力都很小, 强度上有较多的余量。对车架进行刚度分析时,车架的刚度也有一定余量,说明 初始设计使用的钢管厚度较大,钢管壁厚选择较为保守。 (2) 对车架进行扭转刚度, 把扭转刚度经过质量优化后车架质量降低了 6.1Kg。 优化结果说明所选择的设计变量、状态变量及优化方法合理有效。 (3)根据规则设计的车架一般偏于保守,今后设计车架时可以尝试直接将各部 分杆件的壁厚取规则限定的下限值,然后设定刚度、强度等约束条件,通过分析 与优化设计来寻找各杆件壁厚的上限值,确定车架的最小质量。 参考文献 [1] 乔军奎.中国大学生方程式汽车大赛[J].汽车工程学报,2012,2(2):146. [2] 于晶,寇华鑫.青年汽车工程师的逐梦空间[J].商用汽车,2013,(17):65-66. [3] Frederic Dieu. Structural Optimization of A Vehicle Using
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