新能源赛车车架设计与强度仿真分析
肖红
关键词：新能源;车架;设计;仿真
0 引言
“第二届全国新能源汽车关键技术技能大赛”由人力资源社会保障部、中国机械工业联合会共同主办，以“新能源、新世界、新机遇、新人才”为主题，旨在加快培养和选拔新能源汽车关键技术领域高素质技能人才，搭建新能源汽车关键技术传播平台，持续推动新能源汽车产业快速发展，全面提高新能源汽车关键技术技能人才的培养质量和水平。根据该赛事装调工赛项的比赛规则，各参赛队伍需在赛前约1 个月时间设计制造出符合赛规要求的车架并安装调试好。在正式比赛现场，专家和裁判将对赛车的多项性能进行测试，测试合格的车辆还要在赛道上接受不同路况的考验，进行车架的强度与刚度实车测试。
1 车架设计
1.1 桁架式车架
根据大赛装调工赛项的比赛规则，大赛指定合作企业和技术平台提供统一的6063 铝材底盘材料，以及各种尺寸的钢管。常见的赛车车架有桁架式和单体壳2 种，目前使用最多的单体壳材料是由昂贵的碳纤维制成。单体壳的设计简单，但制作需要的模具和设备材料则非常昂贵，普通高校无条件制作单体壳。结合我校的硬件设施，以及比赛目的主要考察选手的设计理念及动手能力，故我校参赛选手采用上钢下铝式桁架式车架。
1.2 车架材料的选择
根据大赛规则，底架选用6063 铝合金方管，方管规格为25.0 mm×25.0 mm，壁厚3.0 mm。车架选用4130 钢管，有3种规格，分别为：直径16.0 mm，壁厚2.0 mm ;直径20.0 mm，壁厚1.2 mm，直径25.0 mm，壁厚1.6 mm。
1.3 车架设计
人机工程是赛车设计的基础之一。对赛车手来说，良好的驾驶姿势可以帮助车手减轻驾驶疲劳感，使车手将精力集中在分析车况和应对多变的赛道上，并迅速作出正确的判断[1]。本赛车在设计时就参考赛车手的身高及各部分比例，结合駕驶习惯和赛项规定，以人的正常坐姿设计，座椅可以向后倾斜不超过35°。座椅水平面与靠背的夹角应向外倾斜 65 ～ 90°。最终确定驾驶姿势为：颈部向前倾斜角为10°，座椅倾斜角为65°，屈腿角度为95°，屈膝角度为135°。车手坐姿人机仿真图如图1 所示。
1.4 车架整体参数设计
车架由前隔板安装区、前环、侧边防撞杆、主环和电机电池舱等主要部分组成。根据人机工程学及相关要求，此次设计的车架主体尺寸是：车架总长2 305.0 mm，总高1 351.0 mm，最大宽度1 030.0 mm，最小宽度525.0 mm（图2）。
1.4.1 前舱和驾驶舱设计
前舱是车架前隔板到前环之间的部分，长度415.0 mm。设计初衷是考虑到赛规要求的转向半径不得大于3 000.0 mm，故采用了短轴距设计方案。实现短轴距设计的措施，首先把前悬架连接点往后移，前悬架连接点固定在车架的第2 和第3 垂直钢管上。前悬后移不仅增加了车辆碰撞后前部缓冲空间，还提高了前翼的安装强度[2]。将前环前移到前悬架处，前环与主环之间距离1020.0 mm。整个前环与主环之间的空间构成了驾驶舱，不仅能充分保证车手的安全和空间需求，同时也方便仪表集成在一个箱体内，提高防水性能和减少安装附件的重量。
1.4.2 主环
主环在车架结构设计中以防滚架的形式进行设计。一旦赛车在比赛中发生翻滚，主环能起到较好的支撑作用，承受住从车架其他方向传递过来的力和力矩，保证赛车手身体任何地方都不会碰到路面。主环在设计和制作时，均采用一整根连续的、截面形状封闭的钢管，防滚环下端直接连接到赛车的铝合金底架上。
根据赛规要求：驾驶员头盔与防滚架、车架构成的外侧平面之间的距离为220.0 mm ;与防滚架最高外缘水平面的距离为190.0 mm ;距离防滚架最高构件与前部横梁的连线之间的垂直距离（相当于车辆四轮水平朝天）120.0 mm ;驾驶员肩部、躯干、臀部、大腿、膝盖、手臂、手肘和手与防滚架构成的内侧平面之间的距离为115.0 mm ;顶部防滚架后2 个斜撑的连接点（上）距离防滚架顶部的距离200.0 mm ;顶部防滚架和水平地面呈垂直关系，斜撑与防滚架的夹角52°。由此确定主环的高度为1 351.0 mm，宽度为770.0 mm。
1.4.3 三电系统舱的设计
同样，为了实现短轴距的设计方案，将三电系统（电池、电机和电控系统）进行垂直布置，即电机采用铝合金支座固定在底架上，在电机的上方布置电池，最后在电池箱体的上方布置电控箱。垂直布置会造成一定程度上的重心偏高，我们的解决方案通过悬架的优化设计来弥补，并采用高刚度的弹簧和稳定杆的布置来减小赛车过弯侧倾及制动俯仰。三电系统舱高度595.0 mm，宽度770.0 mm，电池箱的横向钢管离地高度546.0 mm。
2 车架的刚度及强度分析
图3 为基于CAD 软件设计的车架三维图及实车车架。车架设计最大的亮点是取消了车架左右底部纵向钢管，采用钢车架与铝底架直接连接的方式。为测试这种钢铝直接连接是否满足使用要求，我们进行了扭转刚度测试和强度测试仿真分析。
2.1 扭转刚度分析
分析扭转刚度时，模拟车架在转弯时受到地面反向载荷发生扭转。约束和加载方式：约束前悬左右连接点及左后悬架连接点位移自由度[3]，对右后方悬架的底架中心处施加Z轴正方向2 000 N 的力。仿真结果显示，车架扭转刚度分析Z 向位移为17 . 1mm， 完全满足车架变形后回弹要求。从扭转刚度仿真测试车架应力云图可以看出，钢架最大应力为474.9 MPa， 在4130 钢管材料屈服强度（785 MPa） 范围以内（图4）。从铝架扭转刚度分析应力云图可以看出，铝架最大应力为134.4 MPa（图5），在6063 铝材材料屈服强度（190 ～ 243 MPa）范围内。
2.2 强度分析
为考察在各工况下，车架所受最大应力均低于材料屈服强度。基于CAD 数据建立车身有限元模型，依照赛车常见的多个路况在ADAMS 里面进行多体动力学提载，并在强度仿真软件里面进行载荷的施加。为保证设计的车架在各种工况下都能抵抗冲击，选取了车身在比赛中常见的最大上跳、最大回弹、转弯、前行制动、侧向冲击以及纵向冲击等多种工况进行了整车强度仿真[4]。本文以右转弯工况及侧向冲击工况为例进行分析，这2 种工况的加载条件见图6，分别， 钢架和铝架进行强度仿真，得到如图7 所示两种工况下钢架和铝架的应力云图。
根据各工况的零件受力情况，以材料的屈服强度作为目标值对各工况进行考察，右转弯工况钢架最大应力为282.9 MPa，铝架的最大应力为91.1 MPa ;侧向冲击工况钢架最大应力为298.2 MPa，铝架的最大应力为81.4 MPa。结合4130 钢材料的屈服强度为785.0 MPa，6063 铝的屈服强度为210.0 MPa[5]，可知无论是钢车架还是铝底架，材料的应力值都远远小于屈服强度，因此在车架结构轻量化方面，还有较大的优化空间。并且从应力云图可以看出整个车架的应力分布，这也为优化的部位指明了方向。
3 结束语
本文依据“第二届全国新能源汽车关键技术技能大赛”装调工赛项赛规要求设计出了车架，基于软件对赛车的刚度与强度进行了仿真分析，确保赛车能在安全性与可靠性条件下实现轻量化，同时也为车架的轻量化优化提供了方向。
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