王子轩

巴哈越野赛车车架优化分析

王子轩

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

巴哈赛车车架对于提高驾驶员安全和舒适性起着重要作用，通过选择材料，分析2018赛季赛车车架的缺点并进行改进，确定了2019赛季赛车模型。将模型导入ANSYS/Workbench仿真软件，分析弯曲工况、弯扭组合工况和制动转弯组合工况下车架的变形情况。研究结果表明，座椅下方构件和发动机舱底斜杆变形量较大，但满足设计要求，提高了赛车手的驾驶舒适性。

巴哈越野赛车；车架；工况；形变情况

中国汽车工程学会巴哈大赛是由中国汽车工程学会举办，由高等院校职业院校汽车或相关专业在校学生组队后参加的越野汽车设计制造和检测比赛[1]。巴哈赛车经常行驶在道路条件较差的路面上，且比赛时速度较快，工况较为复杂，对车架的冲击较大。

白洁等人[2]对车架自由模态和约束模态条件下的振动特性展开了分析，找出影响车架振动的固有频率以消除因车辆长期运行振动对车架的损伤。郑世界[3]通过缩短防火墙周围钢管长度对车架进行设计优化，进一步提升赛车的整体性能。

车架作为车身上其他结构的基体，承受较大压力，同时车架受路面的静载荷、动载荷等多种作用，所以分析改进优化后车架的多种工况，是一项有重要意义的任务。

1 模型建立

车架的设计需要符合《中国汽车工程学会巴哈大赛规则（2019年）》的要求，车架主要分为主要结构件和次要构件。巴哈赛车多数使用桁架式车架，该类车架一般由钢管组合焊接而成[4]。

1.1 材料选择

巴哈赛车车架的设计与制造要遵循轻量化原则[5]。在赛车的动力性及可靠性得以保证的情况下，尽量减小赛车质量，以提高燃油经济性和动力性。巴哈赛车车架质量约占整车质量的15%左右，所以在尽可能减小车架质量的同时保证赛车强度及刚度意义重大。从车架的材料选择方面，比较了三种材料的物理特性，如表1所示。

表1 所选材料及其物理性能

材料密度/（g·cm﹣3）屈服强度/MPa拉伸强度/MPa 41307.85785≥930 Q2357.85235≥205 Q3457.85345≥490

从表1可以看出，三种材料密度都为7.85 g/cm3，Q235钢屈服强度较低，Q345的力学性能好于Q235，4130钢的屈服强度大，抗拉强度高，总体的力学性能非常好，而且实际操作中焊接性能也可达到要求。综上所述，车架材料选用4130无缝钢管。根据《中国汽车工程学会巴哈大赛规则（2019年）》确定车架各管件选用截面尺寸有3种，具体使用情况如表2所示。

表2 各构件截面尺寸

名称尺寸 后部防滚环（RRH）、侧向横梁等φ31.75×1.6 侧防撞构件（SIM）、座椅下方构件（USM）等φ25.4×1.2 前上摆臂固定杆φ25.4×1.6

1.2 优化设计

根据2018赛季赛车实际行驶情况，对车架主要做两点优化改进：2018赛季赛车前舱结构复杂，2019赛季减少了侧防撞构件（SIM）和下端车架边梁（LFS）间的的支撑构件，减轻车架质量；车架空间布置对于赛车的行驶舒适性有重要影响，2018赛季赛车侧防撞构件（SIM）间距较小，驾驶舱较为狭窄，导致车手膝盖易与车架发生碰撞，2019赛季增大了侧防撞构件（SIM）的间距，使人机工程更加合理，车手驾驶更加舒适。

1.3 建立模型

根据2019赛季的结构方案、车架总布置草图、设计的零件尺寸，建立车架的三维模型。2018赛季和2019赛季的车架如图1所示。

图1 赛车车架

2 仿真分析

利用 ANSYS/Workbench软件对赛车车架进行有限元分析，检验车架在承受载荷的同时是否满足变形量要求。

2.1 弯曲工况分析

弯曲工况模拟赛车在水平良好路面静止或匀速行驶时，车架承受弯曲载荷所产生的位移。对车架施加载荷的步骤如下：添加轴负方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加由于座椅和赛车手产生（沿轴负方向）的大小为700 N的力；发动机部分，每根杆受的力（沿轴负方向）大小为850 N。对车架施加如下约束：约束全部悬架连接点的轴方向自由度，约束前悬架硬点轴的自由度，约束右侧前悬硬点的轴方向自由度。

弯曲工况下变形如图2所示。由图2可以看出，车架的最大位移为0.598 72 mm，在可接受范围内，位置在座椅下方构件（USM）。

图2 弯曲工况下变形云图

2.2 弯扭组合工况分析

赛车在比赛过程中，高速转弯时由于离心力以及赛道环境等因素往往会驶出赛道，导致四轮不在同一平面，发生某个车轮悬空的情况，而使车架发生弯扭变形，此工况较为恶劣。对车架施加载荷步骤如下：添加轴负方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加由于座椅和赛车手产生的（沿轴负方向）大小为700 N的力；发动机部分，每根杆受的力（沿轴负方向）大小为850 N。不约束右后悬和车架连接的硬点并对车架其他部分施加如下载荷：约束前悬架和车架连接点的轴自由度，约束右前悬连接点的轴自由度，约束其他悬架（除右后悬架）与车架连接点的轴自由度。

弯扭组合工况下变形如图3所示。如图3所示，位移最大处位于发动机舱底斜杆，发动机舱右侧由于悬空导致向变形较大，形变次之的部位为座椅下方构件（USM），符合实际变形情况。

2.3 制动转弯组合工况分析

比赛过程中，赛车频繁进行转弯与制动。过弯时，赛车除了受车手和发动机等自身承受的零部件垂直载荷作用外，还受到纵向载荷和侧向载荷作用。对车架施加如下载荷：施加轴负方向重力加速度（9.8 m/s2）；座椅部分，施加（沿轴负方向）700 N的力，由于纵向载荷和侧向载荷作用产生的沿轴正方向与轴正方向的力1 050 N；发动机部分，施加（沿轴负方向）850 N的力，由于纵向载荷和侧向载荷作用产生的沿轴正方向与轴正方向1 275 N的力。对全部悬架与车架连接硬点坐标轴的平移自由度进行约束。

图3 弯扭组合工况下变形云图

制动转弯组合工况下变形如图4所示。如图4所示，除后防滚环上部和驾驶舱底部杆件外，均产生不同程度变形。最大变形量为0.731 64 mm，发生在驾驶舱底部，最大变形量未超过5 mm，且没有管件发生失效，可以满足要求。

图4 制动转弯组合工况下变形云图

3 结论

利用ANSYS/Workbench仿真软件分析车架模型，然后施加载荷和约束，基础分析弯曲工况、弯扭组合工况、制动转弯组合工况下车架的形变情况，并对改进后的车架得到以下结论：①车架结构变形部位与实际变形情况趋势一致，制动转弯组合工况下的形变值最大；②座椅下方构件（USM）和发动机舱底斜杆在多种工况下变形较大，但是仍在合理范围内。

［1］中国汽车工程学会.中国汽车工程学会巴哈大赛规则［Z］.2019.

［2］白洁，梁超，王传谊.巴哈赛车车架振动特性分析［J］.花炮科技与市场，2019（3）：217-218，227.

［3］郑世界.基于solidworks下的巴哈赛车轻量化车架设计［J］.新型工业化，2019（9）：89-92.

［4］张宝玉.基于有限元的 FSC赛车车架结构分析及优化［D］.锦州：辽宁工业大学，2014.

［5］马鸣图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化［J］.中国工程科学，2009，11（9）：20-27.

U469

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.042

2095－6835（2020）09－0104－02

王子轩（1999—），男，本科在读。

〔编辑：严丽琴〕