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1、毕 业 设 计（论 文） 题目 大学生方程式赛车设计（整体车架、标准 安全系统、座椅及附件设计） 2013年 5月 30日方程式赛车整体车架设计摘 要本文依据大学生方程式汽车大赛FSAE赛事技术规则对大学生方程式赛车整体车架、标准安全系统、座椅及附件进行了设计及制作。在车架设计当中不仅需要考虑赛车车架结构合理性以及强度和刚度能否满足要求，同时必须考虑赛车发动机、驾驶员的布置以及赛车各个总成的布置，最终还必须考虑车架的加工制造的可行性。本文在完全满足上述要求的前提下对车架、标准安全系统、座椅及附件进行了设计。在车架设计之初，将方程式汽车大赛的有关规定和评分标准，作为后续车架设计的技术规范要求；为
2、了达到车架结构设计合理性的目的，本设计参考了湖南大学、天津大学以及部分国外大学的车架。进入设计阶段，本设计通过分析比较几种车架的结构形式，决定选择桁架式车架,之后选择车架的材料为4130钢。然后依据技术规范、赛车的整体布置、发动机以及各总成的安装确定车架的具体尺寸，并在UG软件中建立车架的模型。再对车架进行优化设计和受力分析，使各总成能合理的布置在车架上，直至车架结构满足各个方面的要求。本设计还依据赛事规则对标准安全系统、赛车座椅以及附件进行了设计和说明。关键词：FSAE，车架，技术规范，安全系统，发动机FORMULA SAEA SPACE FRAME DESIGNABSTRACTThis p
3、aper introduces the designing of the FSAE frame, standard secure system, chair and some attachments. This paper is according to the FSAE racing competition technical specifications. When designing the car frame, I not only consider the structure is reasonable or not, but also consider the strength a
4、nd stiffness are satisfied the requirements or not. At the same time, I must consider car engine, the layout, the racing car driver and arrangement of each assembly. And when I design, I also must consider how to create the frame and some other attachments. At the beginning of design frame, I contes
5、ting the relevant provisions and criterion for the frame design provide a standard requirement. In order to make the frame structure designing more reasonable, I referred to the Hunan university, Tianjin university and some foreign universities frame. In the stage of designing, after contrasting the
6、 frame structure form, I chose be space frame, then select materials for the frame is 4130. After determined the installation position of suspension, according to specification, the overall layout, the car engine and human body model frame size, I make the frame model in UG. Then, I making the whole
7、 structure frame optimization for each system can arrangement in the frame reasonable, until the frame structure satisfies all aspects of the request. After those frame structure basic designed, I start to make stress analysis, optimize and comparative analysis. Then I design and introduce the stand
8、ard secure system, chair and attachments.KEY WORD: FSAE, frame, technical specifications, secure system, engine目 录前 言1第一章 绪 论21.1 Formula SAE 概述21.2 中国大学生方程式赛车简介2第二章 车架的设计和制造思路42.1 车架的设计思路42.1.1 车架的功用42.1.2 对赛车车架的要求52.1.3 车架形式的确定52.2 车架的制造思路62.2.1 车架材料的选择62.2.2 车架的焊接方法7第三章 车架的结构设计93.1 赛车车架材料的技术规范要求9
9、3.2 赛车车架整体结构的设计103.2.1 车架前环的设计113.2.2 车架主环的设计113.2.3 车架其余结构的设计123.3 赛车驾驶舱的设计143.4 赛车各系统及零部件在车架上安装位置的设计153.4.1 悬架系统的安装位置的设计153.4.2 转向系统安装位置的设计173.4.3 传动系统的要求183.5 安全系统的要求19第四章 车架的综合实验214.1 车架的计算214.2 车架的应力测定224.3 车架应力的消除224.4 车架的刚度测定224.5 可靠性与耐久性台架试验234.6 可靠性道路试验23第五章 赛车车架的模拟力学分析和优化245.1 车架在实际环境下的受力2
10、45.2 车架力学分析的必要性245.3 车架的模拟力学分析255.3.1 车架在静载下的受力情况255.3.2 车架在翻车条件下的受力情况265.4 车架的扭转刚度计算275.5 基于有限元分析方法的碰撞块分析28第六章 标准安全系统、座椅及附件设计296.1 标准安全系统的组成296.1.1 标准安全系统的要求296.1.2 车手安全带306.2 座椅及头枕的设计316.2.1 座椅的主要部件设计326.2.2 车手头枕设计34结 论35参考文献36致 谢37前 言大学生方程式赛车设计是一项具有重要意义的毕业设计。其目的一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学
11、生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升。此次设计为方程式赛车整体车架和座椅安全附件设计，其主要依据中国大学生方程式大赛规则。众所周知，车架就是一辆赛车的框架结构，整体车架作为赛车的承载基础是赛车的主要承载构件，其功用是支撑发动机、离合器、变速、底盘和车身各主要总成的安装机体，同时承受这些总成的重力以及其传给车架的各种力和力矩。另外车架还应该具有足够的刚度和强度，用以保证车架其具有可靠的寿命和最小的变形量。在满足刚度和强度的前提下，车架还应有较小的尺寸和质量，以降低整车的质量。因此，方程式赛车的车架设计是
12、一项非常重要并且有意义的设计。本设计在参考国内湖南大学、天津大学等高校的赛车以及我校前两代赛车的基础上，对车架进行尺寸确定以后，用三维建模软件UG对车架进行初步建模，之后在小组成员的讨论研究后，最终确定了车架的方案，并对整体车架进行有限元分析和优化设计，使其更好的满足方程式汽车大赛的需要并易于加工制造。之后又对赛车的标准安全系统和座椅附件的设计进行了阐述，使其完全满足大赛有关安全系统的规则。之后绘制了两张工程图纸，以及完成了外文翻译，最终完成了本次毕业设计。第一章 绪 论1.1 Formula SAE 概述Formula SAE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of Auto
13、motive Engineers 简称SAE）主办。SAE 是一个拥有超过60000 名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980 年在美国举办了第一届赛事。比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。 Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发展成为一个拥有大约20个竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车队。
14、Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。Formula SAE 队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司
15、某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。1.2 中国大学生方程式赛车简介 中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。 FSAE活动由各高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。FSAE要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准，自行设计和制造方程式类型的小型单人座赛车，并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中，参赛队不仅要阐述设计理念，还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。中国
16、大学生方程式赛车目的主要有：1、为中国汽车业培养人才，改进人才培养模式，增强实践经验，全面提升学生的综合能力。2、通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升。河南科技大学是一所具有悠久历史的综合性大学，而车辆工程是学校的老牌专业，这次学校组织车队参赛对学校来说是个提升知名度的有效契机，我们车辆专业将不负众望，为学校建设一流大学做出重要贡献。中国大学生方程式汽车大赛已在上海成功举办过三次，而我们河南科技大学河洛风赛车队也分别于2010年和2011年成功参加了两次比赛。并且两次完赛，一共获得了10项大奖，取得了骄人的成绩。如今，在我校前两代赛车的基础上，我们的毕业设计是
17、要设计是我校河洛风第三代赛车，并顺利参加大赛。第二章 车架的设计和制造思路2.1 车架的设计思路车架是支撑赛车的骨架，是赛车的重要组成部分之一。赛车要想做得轻巧灵活，其车架起着至关重要的作用。车架的作用是支撑赛车其他部件及总成，构成赛车的主体，因此，赛车必须能够容纳下赛车的所有部件而且还不能有太多的空间浪费。综上所述，车架设计的整体思路是以大赛规则为依据，满足赛车车架强度和刚度的条件下重量达到最轻，满足容纳下赛车各部件及总成的条件下空间达到最小。2.1.1 车架的功用大学生方程式赛车车架作为赛车的承载基本是赛车的主要承载构件，其功用是支撑发动机、离合器、变速器、底盘和车身各主要总成的安装机体，
18、同时承受这些总成的重力以及其传给车架的各种力和力矩，因此，车架应有足够的弯曲强度，以使装在其上的有关机构之间的相对位置在赛车行驶过程中保持不变并使车身变形量保持在较小范围内；车架也应有足够的刚度，以保证其具有足够的可靠性和使用寿命，车架的主要零部件在使用期内不应有严重的变形或者开裂。车架刚度不足会引起赛车整体的震动和较大的噪声，也使汽车轮胎的接地性变差，使赛车的通过性变坏。在保证强度、刚度满足要求的前提下车架的自身质量应尽可能小，以减少整车质量。从被动安全性考虑车架应具有吸收撞击能力的特点。此外，车架设计时，还要考虑大学生方程式赛车技术规范中的要求。从提高整车的横梁稳定性以及较小纵梁侧装置的悬
19、架伸出长度来看，希望尽可能增大车架宽度，从简化制造工艺和避免纵梁宽度转折处引起应力集中而导致车架损坏来看，还要求最好车架前后等宽，但是，考虑到整车的总布置，上述要求往往难以满足，目前，大学生方程式赛车应用最广泛的是单体式车架和空间桁架式车架。赛车车架纵梁承担了车架受力的大部分，而车架横梁将左右纵梁连接起来，构成一个框架，不仅用来保证车架的扭转刚度和承受纵向载荷，而且还用以支撑赛车上的主要部件。2.1.2 对赛车车架的要求车架应满足大学生方程式赛车技术规范的要求1、车架应具有足够的强度，保证在各种工况下长期使用不致发生严重损坏。2、具有足够的刚度，车架应保证赛车的正常使用，固定在车架上的各个总成
20、和部件的相对位置变化较小，使它们能正常工作。另一方面，当车辆在不平道路上行驶时，为了提高其平顺性和通过能力，要求车架具有一定的柔度，即扭转刚度不宜过高。3、车架质量要轻，在保证强度的前提下应尽量较少车架质量以减低材料消耗，制造成本和提高使用的经济性。4、结构应尽可能简单，便于制造。此外，简单有效地车架能使车架的质量和尺寸尽可能的降低。5、车架要有一定的韧性。2.1.3 车架形式的确定根据规则要求，通过查阅资料，发现车架的形式有很多种方案可供选择：1、一体式金属车架：一体式车架就是车身与车架融合成一体的车架，整个车身的外壳本身就属于车架的一部分。此种方案可以使得到的车架具有较轻的重量。此种车架大
21、多选用钢或铝制成，用焊接或铆接的方法将各组件连接成一个整体。但是各组件一般用高压冲压机冲压而成，这就需要专用的设备、模具还有较大的配套设备与资金投入，所以，这种车架适合大批量生产，不适合单件生产。2、一体复合材料车架：此类车架的结构形式与上面的一体式金属车架相同，只是所选的材料是碳纤维等复合材料。复合材料与钢或铝相比在同等质量下有着更高的强度和刚度。所以此类车架的质量与其他车架相比是最轻的。但是生产这类车架需要专用的加工模具，并且如果车架的设计发生修改的话，模具还需重新再造一个，而且复合材料的车架不易于修理。这种复合材料的价格也十分昂贵，一般只有在不计成本的F1赛车上才用。3、桁架式金属车架：
22、这种车架就是用很多金属管焊接成具有空间三角结构的框架。车上其他零部件全都装在这个框架上，这种车架生产工艺简单，不需要特殊的加工技术与专用的设备，只用焊接或者铆接即可完成车架。这种方式加工成本较低，并且对车架修改或者局部加强十分容易，只需修改金属管的焊接位置或者加焊金属管即可。在同等质量情况下，桁架式车架往往可以得到比承载式车架更大的刚度。参加FSAE的赛车应该从车架强度刚度，加工难易程度，是否需要专用设备与技术，材料与加工成本等各方面进行综合考虑，这样才能使赛车在比赛中有良好的表现。 因为桁架式金属车架具有良好的刚度和强度，加工容易，不用专用的设备与技术，材料与加工成本都十分低廉，所以，本赛车
23、选用桁架式金属车架。2.2 车架的制造思路车架为钢管焊接而成，由于钢材在焊接后会产生较大的热变形，所以如何控制热变形也成了车架制造需要首先考虑的问题。根据这个问题，车架制造的整体思路确定为先选用合适的材料，再设计合适的夹具以及采取合适的焊接工艺来保证车架焊接后的热变形影响最小。2.2.1 车架材料的选择由于车架是金属管焊接而成，为了满足车架的刚度强度轻量化和减小焊接时的热变形，车架材料的选择起着至关重要的作用。表2-1 各种钢材性质比较表材料抗拉强度屈服强度断后伸长率断面收缩率焊接性4130#41024525%55%很好30#49029521%50%一般45#60035516%40%一般30C
24、rMo93078512%50%焊后易冷裂35CrMo98583512%45%焊接性较差钢材是桁架式车架中最常用的材料，它具有较好的力学性能，并且焊接后也能够保持其原有的基本力学性能。钢材是最常用的金属材料之一，具有价格便宜，易于购买，加工简便等优点。在规则当中，基本材料就是钢材。基于钢材的这些优点，我决定选用钢材作为车架的材料。由于钢材的种类很多，我需要在其中选择最适宜的材料。表2-1中给出了几种钢材的性质。从表2-1我们可以看出，待选的几种钢材屈服强度逐渐增加，但是材料的韧性逐渐下降，随之焊接性也变得不好，由于车架为焊接而成，所以材料的焊接性与焊后力学性能成为重要的考虑因素。像表中的45#中
25、碳钢，其材料的焊接性就较为一般，焊后接口区域性能不好。如30CrMo，虽然其强度与刚度较高，但其焊接性能普遍不好，并且焊接复杂，需要采用氩弧焊等专业焊接方式，焊接之后材料容易出现冷冽的状况。基于这些情况，为了保证焊接出来的车架能满足要求，我们选择了焊接性能比较好的4130#作为车架材料，虽然其强度与刚度在待选金属中较低，但其焊接性较好，焊接后性能稳定，价格便宜，易于购买，焊接工艺简单。正是基于这些优点，参加FSAE大赛的赛车车架材料确定为4130#。2.2.2 车架的焊接方法桁架式车架是通过许多钢管焊接而成的，要制造成一个完整的车架，就必须对车架的焊接工艺提出一定的要求。首先，要消除影响车架精
26、度的误差，即测量误差和焊接变形。必须先找到合适的测量基准。基准的选取有助于降低或消除影响车架精度的误差。其次，在车架的焊接过程中，模具和夹具也是非常重要的环节。本设计采用根据车架的结构专门设计夹具的方法来实现车架的定位。先选取一块平整的厚钢板作为基座，然后将车架最底层平面结构搭建出来并固定在基座上，然后再根据车架的具体结构一块一块将其固定并夹紧。最后将所有定位好的钢管通过点焊焊接成一体的车架。由于点焊的焊点很小，几乎不会造成焊接变形而引起的定位失位，所以只要尽可能的保证夹具的夹紧力满足要求，即可完成车架的搭建。最后，在完成车架的搭建之后，复查所有的关键尺寸，如果没有问题，则在每个管件接头位置用
27、点焊方法进行加固，对管件比较多的连接点位置可增加专门的杆件进行加固和支撑。在完成所有加固之后，即可开始对车架的所有接头进行焊接。在焊接顺序上应注意做到左右对称，在焊接中要有意识的减慢焊接速度，在多管接头处焊一段应冷却一段时间继续焊，以减小变形和应力。完成所有接头的焊接后，检查是否有漏焊发生，检查后用氧炔焰对焊点及附近的管件进行加热，以消除焊接应力。在完成车架的焊接之后，就可以进入整车的装配，根据各个部件的安装位置，在车架上点焊安装各种接头、连接件及底座。当所有直接于车架连接的部件都安装上且位置无误之后，拆除所有部件，加固所有增加的连接附件后进行焊接。焊接的注意事项在之前已叙述过。在完成所有的焊
28、接工作之后，涂刷防锈漆和表面漆，最终完成车架的焊接。第三章 车架的结构设计车架设计的出发点是将车手、发动机和悬架连接点安排在它们各自理想的位置上。这些系统决定了车架最基本的结构和形状。空间框架结构的车架制造成本低，方便维护，同时比较适合承受集中载荷。悬架和车架的连接点、摇臂盘、以及其他受力点都尽可能地布置在靠近车架节点地位置，以便减小应力矩和位置误差。车架尽量多地采用承载轴向载荷的部件以便最大程度地增加单位质量所表现出来的强度。大学生方程式赛车的车架是赛车的整体外形框架，它的设计的可以很大程度的决定赛车的外形特征，个性、美化的车架加上车身很容易给人以震撼的感觉，同时也更容易给人以好感。但是，大
29、学生方程式赛车车架的设计同时也必须考虑一定的因素:必须满足驾驶舱以及发动机放置的要求必须满足赛车整体框架以及赛车轴距的要求，必须满足赛车各个系统如悬架系统、传动系统、转向系统、制动系统等的要求，必须满足赛车安全系统等等的要求。3.1 赛车车架材料的技术规范要求根据技术规范要求，大学生方程式赛车车架的基准钢铁材料的最低材料要求。赛车的基本结构必须为如下材料制作：圆形、低碳钢或合金钢管。最小直径如下表3-1。表3-1 基准钢铁材料部件或用途外径*壁厚主环和前环，肩带安装杆25.4mm*2.4mm或25.0mm*2.5mm侧防撞结构、前隔板、防滚架支撑、车手约束部件安装环25.4mm*1.65mm或
30、25.0mm*1.75mm或25.4mm*1.60mm前隔板支撑25.4mm*1.25mm或25.0mm*1.5mm或26.0mm*1.2mm备注：使用的合金钢不允许比低碳钢的薄另外，规则中除了主环和主环支架必须用钢材外，其它可以使用替代的管件和材料，但是已被焊接的钛管不能在基本结构中使用，这包括支架和管件之间的连接件或其他部件和管件之间的连接件。替代钢管最小壁厚如下表3-2：表3-2 最小壁厚要求材料和用途最小壁厚主环、前环钢管2.0mm防滚架支撑、前隔板、车手约束连接件1.6mm侧防撞结构和前隔板支撑钢管1.2mm备注1：不允许合金钢管件的壁厚比所用的低碳钢的壁厚更薄。备注2：为了保持相同
31、的屈服强度和极限拉伸强度，必须保持钢材相同的横截面积。根据技术规范要求，以及表3-1、3-2中车架各部分的管件的外径和壁厚，又综合考虑到降低车架重量的要求，本设计采用两种规格的管材，分别是：25.4mm2.4mm和25.4mm1.25mm。3.2 赛车车架整体结构的设计赛车整体结构对赛车车架的设计有很大影响。赛车整体结构的设计必须考虑赛车整体结构的布置：驾驶舱的布置，发动机的布置，水箱油箱的布置，轴距的分配，轮距的大小等。赛车车架主要是由三个防滚架以及必要的支撑包围的结构，如图3-1。赛车防滚架是一组钢管组合件（有可拆卸和不可拆卸两种），使用冷拔无缝碳素钢管弯制而成，安装时一根一根按照车厢内部
32、的轮廓进行连接或焊接的。如果去掉车身外壳，所看见的就是一个由数根钢管搭建的金属笼子。防滚架所用的钢管材质和抗扭曲度是根据车身重量而定的，一般要能够承受两倍以上车身重量的冲击。由于场地赛的路面较平，基本没有落差，相比之下在野外进行的拉力赛和越野赛更容易发生翻车事故，车身损坏就会大一些。因此拉力赛车和越野赛车防滚架的强度（强度和场地赛没分别）更高，管件构造更密集。赛车的防滚架，除了应付意外情况以外，还可以起到增强车身强度和抗扭曲度的作用。因为防滚架的焊接固定均是选取车身底盘比较坚固、承重的位置，比如底盘框架钢梁，以及前后避震器座。对于赛车来说，原装的车厢就好像是一个盒子，在激烈操控的时候很容易发生
33、扭曲变形，而防滚架撑起的骨架比车厢坚固很多，因此即使车辆频繁地颠簸跳跃，来自地面的冲击力都会分散一部分到防滚架上，对车体就起到了很好的保护作用。赛车防滚架既可焊接固定，也可用螺栓固定，或者两种方法混合使用。防滚架安装时，应尽可能靠近车体。车手所坐的区域是最重要的，因此该区域的防滚架搭建也是最重要的。主体防滚护栏、支撑杠（B柱间的主框架）、允许使用的加强支撑杠在与车体连接固定时，必须尽可能选择车体坚固受力的地方，其固定点必须装有一块加固板。在车手身体、头盔可能同防滚架接触的位置必须加设不易燃的柔性防护垫。另外，必须使用冷弯法制作防滚护栏的拐角处，如钢管在弯曲时形成椭圆，则钢管变形的比率必须在0.
34、9以上。有了防滚架，车子遇到撞击、翻滚等严重事故时，即使车身外部惨不忍睹，车内的车手也会安然无恙。3.2.1 车架前环的设计大赛规则有关前环的要求有：1、前环必须由封闭的金属管件构成；2、禁止前环使用复合材料；3、前环必须从车架单元一侧的最低端，向上绕过车架后再连接到另一侧车架的最低端；4、若是采用合适的节点和三角板结构，允许把前环设计成多段组合的管件；5、前环的最高点必须在任何角度下高于方向盘的最高点；6、前环与方向盘前的距离不得超过250mm（9.8英寸）；根据大赛规则，本设计的前环由尺寸规格为25.4mm2.4mm的钢管制成。并且前环由一根钢管弯成。其具体尺寸为：前环总高590mm，弯折
35、处的圆弧半径为200mm。前环平面与水平方向程10度倾角。这样设计的目的就是方便加工制造，并且模具和夹具也好设计。3.2.2 车架主环的设计大赛规则有关主环的要求有：1、主环必须由一根未切割的，连续的，封闭的钢管构成；2、禁止使用铝合金、钛合金或其他复合材料；3、主环必须从车架一侧的最低处向上延伸，越过车架，再到达另一侧的车架最低处；4、从车的侧视图看，主环位于车架主体结构的安装点以上的部分必须在与竖直方向上的倾斜角在10度的范围以内；5、正视图时，主环的垂直构件必须至少远离主环与框架主体结构的接合点380mm。根据规则要求，本设计的主环选用一根同前环材料与规格相同的管件弯折而成。其具体尺寸为
36、：主环中心线总高1050mm，宽660mm，主环有四处弯折，半径均为100mm，弯折处距底边高550mm。主环平面与水平面垂直，没有倾斜角度。在主环中部位置增加一根横杆，用于安装座椅和安全附件。主环这样设计既满足了大赛规则要求，又方便加工制造，并且模具和夹具也容易设计，在焊接车架时也提供一定的方便。3.2.3 车架其余结构的设计图3-1 赛车车架的基本结构发动机如图3-2所示，尺寸为610x587x519mm，为了是赛车整体尺寸降低，采用发动机横置，链传动的形式，因此，赛车车架主环到后轴的距离至少为600mm。当采用链传动时，为了较好的传动，发动机法兰盘的中线到后轴中线的水平距离至少为360m
37、m，由发动机的形式，发动机法兰盘面到发动机横置时的端面的距离为200mm，因此，车架主环到后轴中线的距离至少为600+（360-200）=760mm。由人体工程学，65Kg，165mm的人以自然的驾驶姿势驾驶时，脚尖距离后背最后点的距离大致为1170mm。另外，制动踏板以及制动轮缸的最前端距离脚尖大概有350mm的距离。由于后悬架的上叉臂的张开宽度约为200mm，因此，后轴轴线距离车架最后端的距离至少100mm。因此，车架的长度约为350+1170+760+100=2380mm.宽度方向上，内操纵舱必须能让一个自由垂直的横断面如3-3的模板水平通过，故内操纵舱车架最窄处应至少为420mm。主环
38、底部，至少大于发动机的长度尺寸587mm，考虑到油箱和水箱放置于发动机两侧，故主环应留有约为660mm的宽度。高度方向上，安装悬架位置点，即上下叉臂高度约为210-220mm之间。主环高度最高，由于人体自然驾驶姿势驾驶时坐高约为850mm，而且主环最高点与前环最高点连线至少高于头顶50.8mm，因此，主环高度约为1050mm。 图3-2 发动机模型 图3-3 内驾驶舱检测板 图3-4 驾驶舱检测板3.3 赛车驾驶舱的设计驾驶舱的设计主要使驾驶员有一个相对安全的的环境，同时驾驶舱是驾驶员操纵车辆的地方，驾驶舱太小的话会影响驾驶员的操纵灵活性。如果长时间坐于过小的驾驶舱会对驾驶员的身体有一定程度的
39、损害；驾驶舱过大的话既浪费了材料，又增加了车重。因此，驾驶舱的设计对赛车车架的设计相当重要。驾驶舱的要求至少能让65Kg，165mm人体坐进去。同时大赛规则要求，必须满足一标准版，如图3-3，被水平拖着，并且垂直插入直到它穿过侧边防撞结构的顶部管件的底部。由于主环处最宽，定义了约为65mm左右。而由板的形状，驾驶舱底部可以做成梯形以较少材料，降低车重。故前环与侧防撞最高车管件的焊接处距离主环的水平距离至少为400mm。 内舱为驾驶员操纵制动系统以及传动系统的地方，主要为制动踏板和油门、离合器踏板。人体自然驾驶时脚尖距离后背最后点约为1170mm；有技术规范，车架前环的支架必须延伸到驾驶员前部，
40、因此，前环支架在车架中心线的投影，至少在驾驶员脚的前部。又由图3-4，又考虑到驾驶舱的操作间隙，主环与前环之间的距离至少为700mm，可以大致确定前环与前环支架的距离约为500mm。3.4 赛车各系统及零部件在车架上安装位置的设计车架是赛车的整体框架，赛车的各个系统都在车架上直接或者间接固定，各个系统的布置位置都有一定的要求。一个合格的车架必须满足各个系统直接或者间接的固定要求。3.4.1 悬架系统的安装位置的设计悬架系统是赛车的重要总成之一，它把车架与车轮弹性的连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩；缓和路面传给车架的冲击载荷，衰减由此产生的承载系统的震动，保证汽车的行
41、驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性，保证赛车的操纵稳定性，是赛车获得良好的行使能力。悬架系统与车架焊接位置，很大程度的影响了悬架系统的工作性能，悬架系统对车架也有相当精密的我要求。前悬架的安装如图3-5: 图3-5 前悬架的安装示意图前悬架上下叉臂的高度为214mm，前上叉臂的张开宽度为128.95mm，前下叉臂的张开宽度为202.94mm。在车架投影面上，前上叉臂的中线在车轮前轴线前0.87mm处，前下叉臂的中线在车轮前轴线后0.87mm处。车架上放置两个前下悬架的焊点宽度为430mm，而在地面的投影面上，前下叉臂的中线要比前下叉臂的中线长104.38mm。前悬架的上下
42、叉臂如图3-6和3-7所示。因此为满足前悬架的要求，车架上叉臂安装点必须要有高为199.5mm，下部宽为430mm，上部宽度为430+2104.3=638.6mm。 车架前悬架支座的安装应在两根水平的车架管件上，且上部的管件长度不能少于前上叉臂的张开宽度，下部的安装管件长度不能少于前下叉臂的张开宽度。 图3-6 前上叉臂 图3-7 前下叉臂后悬架的安装如图3-8：后悬架上下叉臂的高度为220mm，后上叉臂的张开宽度为172.16mm，后下叉臂的张开宽度与后上叉臂的张开宽度相等，如图3-9。在车架投影面上，后上叉臂的中线在车轮前轴线前0.87mm处，后下叉臂的中线在车轮前轴线后0.87mm处。车
43、架上放置两个后下悬架的焊点宽度为460mm。 图3-8 后悬架的安装示意图 图3-9 后悬架叉臂因此为满足前悬架的要求，车架上上下叉臂支座必须要有高199.5mm。鉴于后上叉臂和后下叉臂的张开宽度相等，为了节约材料，同时减少车的总长，可以将叉臂支座固定于车架上的在竖直平面内的管件上，且此两管件的距离应满足叉臂张开宽度的要求。3.4.2 转向系统安装位置的设计转向系统是用来保持或者改变赛车行驶方向的机构，在赛车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。转向系统在车架上不同的固定位置不仅对转向时驾驶员转向力有影响，而且对转向的灵敏性有影响。方向盘以及转向柱如图3-10所示。大学生方程式赛车技术
44、规范中规定，车架前环与转向盘之间的最近距离不能少于250mm，而且，车架前环在任何方向上都不能低于方向盘。由于齿轮齿条包与方向盘的高度距离为541mm，考虑到齿轮齿条包不能是其他系统的最低点以及其在车架上的安装位置的高度的影响，前环应高于541mm。又由于转向立柱应固定于车架上，考虑到方位上的因素，可以从前环支架上伸出两根管件与转向柱的固定支座相焊接配合。图3-10 转向操纵机构示意图3.4.3 传动系统的要求传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将发动机发出的动力依次经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置一键安装在驱动桥中的主减速器、差速器和半轴，最后
45、传给驱动车轮。传动系统主要实现减速增矩、实现汽车变速和到倒驶、在必要时中断动力传递，同时还应使驱动车轮具有差速作用。为了主加速器，车架尾部的下部必须设计两根横杆或者焊接一个底板，且为了和主加速器包的轴承支撑相配套，两横钢管的距离应为111.5mm。如图3-11。图3-11 主减速器模型图3.5 安全系统的要求安全系统是驾驶员生命安全的一大重要保障。赛车的安全系统存在于赛车的各个方面，但主要分为前防撞结构和侧防撞结构。赛车的车头位置主要为驾驶员的双脚和腿部，为了驾驶员的安全考虑，必须使驾驶员的双脚包裹在赛车框架的主体结构之中，而且，当驾驶员的脚接触制动踏板时，不论从侧面还是前面来看，驾驶员的任意
46、部分都不准伸出或者高于车架之外。同时，在赛车的前隔板之前，必须要有能量吸收装置以防止撞车时损害驾驶员的脚和腿部，为了使能量吸收装置有足够的缓冲作用，必须要求能量吸收装置: 1、沿车架中心轴线方向至少200mm， 2、至少高100mm、宽200mm，而且至少在前隔板前200mm， 3、为了不使能量吸收装置在撞车之后穿破前隔板伤到驾驶员，前隔板必须要有足够的厚度和强度，4、技术规范中要求，能量吸收装置和前隔板必须是直接并且安全的连接在一起，而不是一个非结构性部件，5、同时，为了放屁安心和偏轴线的撞击，能量吸收装置的安装必须为横向和垂直载荷提供一个足够的卸载路径。车架的侧防撞结构主要保护驾驶员的身体
47、不在撞车时受到伤害。因此，1、当驾驶员以普通驾驶姿势乘坐时，侧防撞结构必须有至少三根管件位于驾驶员的两侧，如图3-12， 2、这三根管位置为：上部的侧防撞管件必须和主环以及前环相连接，当一个77Kg的驾驶员以普通姿势乘坐时，该管件的位置必须在离地300mm到350mm之间；底部的侧防撞管件必须和主环和前环相连接；侧面对角侧防撞结构必须连接位于主环前部、前环后部的上部和下部的侧防撞单元。同时，翻车时驾驶员的任何部位都不能接触地面，因此，前环顶端和主环顶端的连线必须高于驾驶员头盔顶端至少50.8mm。图3-12 侧防撞管件的位置图3-13 方程式赛车车架初步设计模型综上，方程式赛车的结构设计初步设计模型如图3-13所示。对于赛车车架的计算、实验、强度和刚度的校核以及赛车车架的优化设计在下面会有详尽叙述，这里就不再赘述。第四章 车架的综合
