【正文】 時(shí)間 一般都在 以內(nèi)。 預(yù)期目標(biāo)：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有大學(xué)生 F1方程式賽車的了解以及各種資料的分析，確定整機(jī)總體結(jié)構(gòu)及總體布置圖，設(shè)計(jì)計(jì)算，三維建模，對(duì)車架進(jìn)行強(qiáng)度分析，繪制圖紙，并 附帶說(shuō)明書。 、汽車形式的選擇 不同形式的汽車，主要體現(xiàn)在軸數(shù)、驅(qū)動(dòng)形式以及布置形 式上有區(qū)別，這里我們選擇的是大學(xué)生 F1 方程式賽車。常用的有前置前驅(qū)、后置后驅(qū)、前置后驅(qū)和中置后驅(qū)。 Endurance 賽道的直道不超過(guò) 70m。如果重心較高，將會(huì)導(dǎo)致車過(guò)彎的時(shí)候不穩(wěn)，重量轉(zhuǎn)移過(guò)大。限流 器采用的是一個(gè)圓錐形的漏斗狀裝置，固定在限流器出口位置的蓋板上，限流器可以隨蓋板一起方便地拆除，以便在某些必要的測(cè)試當(dāng)中增加引擎功率。 主減速比： 鏈傳動(dòng)傳動(dòng)比 =； 、輪胎和輪輞的選擇 車輪與輪胎是汽車行駛系統(tǒng)中的重要部件，其功用是：支撐整車；緩和由路面?zhèn)鱽?lái)的沖擊力；通過(guò)輪胎同路面的附著作用來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力；汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生平衡離心力的側(cè)抗力，在保證汽車正常轉(zhuǎn)向行駛的同時(shí)，通過(guò)車輪產(chǎn)生的自動(dòng)回正力矩，使汽車保持直線行駛方向；承擔(dān)越障提高通過(guò)性的作用等。從外表上看，轎車懸架僅是由一些桿、筒以及彈簧組成，但千萬(wàn)不要以為它很簡(jiǎn)單，相反轎車懸架是一個(gè)較難達(dá)到完美要求的汽車總成，這是因?yàn)閼壹芗纫獫M足汽車的舒適性要求，又要滿足其操縱穩(wěn)定性的要求，而這兩方面又是互相對(duì)立的。采用此種懸架，主要優(yōu)點(diǎn)是不等長(zhǎng)式上下各有一個(gè)不等長(zhǎng)搖臂，共同吸收橫向力，因此橫向剛度大，并且通過(guò)合理的布置，可以使輪距和前輪的定位參數(shù)在可接受的限定范圍內(nèi)變化，這就克服了等長(zhǎng)式雙橫臂懸架輪胎磨損嚴(yán)重的弊端。每個(gè)液壓制動(dòng) 回路必須有其專用的儲(chǔ)液罐（可以使用獨(dú)立的儲(chǔ)液罐，也可以使用廠家生產(chǎn)的內(nèi)部被分隔開的儲(chǔ)液罐） 。目前廣泛使用的仍為摩擦式制動(dòng)器。 （ 2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須安裝有效的轉(zhuǎn)向限位塊，以防止轉(zhuǎn)向連桿結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)（四桿機(jī)構(gòu)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生反轉(zhuǎn)）。 （ 6）在任何角度 ，方向盤上端必須低于前環(huán)的上端如圖 27： 圖 27 方向盤的位置 Fig 27 The location of the steering wheel 、轉(zhuǎn)向系的確定 （ 1）轉(zhuǎn)向系是用來(lái)保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)向關(guān)系。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 轉(zhuǎn)向靈敏，體積小，可以直接帶動(dòng)橫拉桿。 （ 1）負(fù)載彎曲 從字面上就可以十分容易的理解這個(gè)壓力，部分汽車的非懸掛重量，是由車架承受的，通過(guò)輪軸傳到地面。下面我們主要介紹一下這兩種車架： 鋼管式車架介紹 （ 1）、定義 承載式車架的設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)工藝都復(fù)雜，只適宜大批量生產(chǎn)。 缺點(diǎn)：不利于空間布置和車身造型、需要覆蓋車身，因而不利于輕量化。 如下 圖所示： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 圖 212 單體殼車架 Fig 211 Single shell frame （ 2）、優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：高強(qiáng)度，輕量化，易于車身造型，安裝一步到位，精度容易保證。主環(huán)上部和主環(huán)斜撐不包括在該定義中； （ 8）前隔板 —— 車架主體結(jié)構(gòu)前端的一個(gè)平面結(jié)構(gòu)。 （ 4）若是采用合適的節(jié)點(diǎn)和三角板結(jié)構(gòu)，允許把前環(huán)設(shè)計(jì)成多段組合的鍵。 前環(huán)支架： （ 1）前環(huán)必須由兩個(gè)分別位于前環(huán)兩側(cè)的 向前伸的支架支撐； 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 （ 2）必須安裝前環(huán)支架是為了保護(hù)車手的腿部，并且必須延伸到車手腳的前部。并會(huì)隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 通過(guò)以上比較既要輕量化又要達(dá)到足夠的強(qiáng)度，從而獲得性能優(yōu)異的車架我們選擇 4130 材料。 根據(jù)車的總體尺寸，參照別的學(xué)校懸架 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出懸架的三維模型如下圖所示： 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 圖 39 懸架系統(tǒng)三維模型 Fig 39 the 3 d model figure of suspension system 、制動(dòng)系統(tǒng)的三維建模 參 照 雙輪浮動(dòng)盤式制動(dòng) willwood DSP 外形參數(shù)建立三維模型。將有限元分析技術(shù)用于大學(xué)生 F1 方程式賽車車架結(jié)構(gòu)分析，對(duì)改進(jìn)其結(jié)構(gòu)性能以及整車安全是非常必要的。 （ 3）建立單元方程。 Workbench 是 ANSYS 公司提出的協(xié)同仿真環(huán) 境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中 CAE 軟件的異構(gòu)問(wèn)題。導(dǎo)入的模型具有接觸關(guān)系，進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改即可達(dá)到要求。 、有限元模型的建立 在 ANSYS Workbench 中有限元分的建模一般有兩種方法： （ 1）從一個(gè)打開的 CAD 系統(tǒng)中探測(cè)并導(dǎo)入當(dāng)前的 CAD 文件（ File—Attach to Active CAD Geometry）。對(duì)于 UG 和 軟件，在ANSYS 安裝時(shí)需要進(jìn)行無(wú)縫連接的接口設(shè)置，這樣不僅能無(wú)損轉(zhuǎn)換模型數(shù)據(jù)，同時(shí)還提供了以執(zhí)行部件為基礎(chǔ)的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，可使 工程人員在有限元分析過(guò)程中快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)二者的無(wú)縫鏈接。 同時(shí)為了 避免 ANSYS 中的單位換算，在 UG 中建模過(guò)程中要統(tǒng)一使用單位，按照標(biāo)準(zhǔn)單位制 (mm)進(jìn)行建模。因此盡可能的將有限元網(wǎng)格采用 6 面體結(jié)構(gòu)。為了減少計(jì)算量，在機(jī)床的大面上設(shè)置網(wǎng)格尺寸稀疏，在關(guān)鍵部分設(shè)置的網(wǎng)格要細(xì)密一些，網(wǎng)格的尺寸可以通過(guò) sizeing設(shè)置。根據(jù)以上原則建立的 車架 結(jié)構(gòu) CAD 模型如圖 42 所示。而且其導(dǎo)入的模型具有較好的完整性，其導(dǎo)入的單位采用統(tǒng)一的單位制。 （ 2）可以直接使用分析軟件提供的建模模塊，采用自頂向下或自底向上的方法建模?？梢圆捎枚嘤蚍ǎ?MultiZone） 劃分網(wǎng)格。 Workbench 是 ANSYS 的一個(gè)集合框架，它整合了 ANSYS 現(xiàn)有的技術(shù)，并將仿真過(guò)程結(jié)合在一起。 （ 5）施加邊界條件、初始條件和 邊界 載荷。 線性靜力結(jié)構(gòu)分析用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在給定靜立載荷作用下的響應(yīng)，一般情況下關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的位移、約束力、應(yīng)力及應(yīng)變等參數(shù)，動(dòng)力學(xué)的通用運(yùn)動(dòng)方程如下所示： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?()M u C u K u F t? ? ? （ ） 其中 [M]— 質(zhì)量矩陣 ， [C] — 阻尼矩陣 ， [K] — 剛度矩陣 ， {u}— 位移矢量 ，{F}— 力矢量。 根據(jù)整車尺寸以及上述要求選擇齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型如下 圖： 圖 313 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型 Fig 313 the 3 d model figure of Steering system 、油箱三維模型的建立 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 37 由于比賽要求對(duì)賽車油箱沒有任何要求，那就根據(jù)賽車總體尺寸以及整車布置要求建立油箱三維模型如下圖所示： 圖 314 油箱三維模型 Fig 314 the 3 d model figure of fuel tank 、車身的設(shè)計(jì) 車身設(shè)計(jì)的要求：從車的前端到主防滾架或者防火墻的這段空間里，除了駕駛艙必須的可口，車體上不允許有其他的開口。 4130 的焊接特性本來(lái)就差，焊接以后有冷裂。 （ 2） Q345 是一種鋼材的材質(zhì)。焊接在防滾架支架上的安裝板必須至少為 厚的固定鋼板； （ 2）在主環(huán)支架和承載結(jié)構(gòu)結(jié)合的地方，必須在承載結(jié)構(gòu)的背面安裝一塊和固定板相同的備用支持板，這樣可以避免因受力而核心破碎； 根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)出的車架三維模型如下圖所示： 圖 35 車架三維模型圖（ 1） Fig 35 the 3 d model figure of frame (1) 為了選擇更性能更好的車架在此重復(fù)以上步驟，設(shè)計(jì)出另一款車架如下圖所示： 圖 36 車架三維模型圖（ 2） 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 Fig 36 the 3 d model figure of frame (2) 、車架材料的選擇 大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計(jì)與選材必須遵循輕量化的設(shè)計(jì)原則，重量較輕的車可以獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、提高最大速度、改善操縱穩(wěn)定性。 （ 6）前環(huán)位于方向盤的距離不得超過(guò) 250mm(9． 8 英寸 )。 、車架設(shè)計(jì)過(guò)程 方程式汽車大賽目前在國(guó)外已有 20 余年的歷史，國(guó)外車隊(duì)相關(guān)賽車的車架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)成熟，而且首屆中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的規(guī)則與國(guó)外基本相同，所以項(xiàng)目組在參考國(guó)內(nèi)外車架設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合本隊(duì)賽車的總布置和人機(jī)工程需要，按照規(guī)則的要求，我們選擇選擇的圓管規(guī) 格為 30mmx25mm最終完成了車架的設(shè)計(jì)，下面是車架的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。 結(jié) 論 通過(guò)以上比較國(guó)內(nèi) FSAE 賽車多數(shù)使用的是鋼管式車架，但隨著技術(shù)不斷地成熟，以及資金的充裕必將會(huì)有越來(lái)越多的車隊(duì)使用一體式碳纖維車架。 Mono 來(lái)源于希臘，指單一的意思。于是鋼管式（又稱“框條式”）車架便應(yīng)運(yùn)而生。因此車架底部的縱梁和橫梁 (member），一般都要求較強(qiáng)的剛度。如下圖所示： 圖 28 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器基本原理示意圖 Fig 28 the basic principle diagram of Pinion and rack steering gear 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用轉(zhuǎn)向梯形如下圖所示： 圖 29 轉(zhuǎn)向梯形示意圖 Fig 29 the diagram of steering trapezium 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 、車架形式的選擇 、車架的定義 也稱大梁。 （ 2）轉(zhuǎn)向系的組成：轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 （ 3）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自由行程不得超過(guò) 7176。帶式制動(dòng)器只用作中央差速器；鼓式和盤式制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式也分有多種。 （ 4）制動(dòng)系統(tǒng)必須在后述的測(cè)試中，能夠抱死所有四個(gè)車輪。 如圖 25 所示： 圖 25 雙橫臂不等長(zhǎng)獨(dú)立懸架 Fig 25 Range double wishbone independent suspension 、方程式懸架系統(tǒng)的特殊性 該系統(tǒng)采用將彈性元件內(nèi)置于車身外殼中的形式，這樣可以降低高速行駛中的風(fēng)阻，避免了避震彈簧上的橫向力影響，減小了由于橫向力而造成的車身振動(dòng)，并且減小了懸架運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 、懸架的分類 汽車懸架的形式分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架兩種： （ 1）非獨(dú)立懸架的車輪裝在一根整體車軸的兩端，當(dāng)一邊車輪跳動(dòng)時(shí)，影響另一側(cè)車輪也作相應(yīng)的跳動(dòng)，使整個(gè)車身振動(dòng)或傾斜，汽車的平穩(wěn)性和舒適性較差，但由于構(gòu)造較簡(jiǎn)單，承載力大，目前仍有部分轎車的后懸架采用這種型式。其參數(shù)如下： 萬(wàn)豐 13 英寸鋁合金輪輞；馬牌 223/533R14。汽車排氣系統(tǒng)是主 要是排放發(fā)動(dòng)機(jī)工作所排出的廢氣，同時(shí)使排出的廢氣污染減小，噪音減小。 大學(xué)生 F1 方程式賽車整車設(shè)計(jì) 13 車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 圖 21 本田 Honda CBR600 F4i 電噴發(fā)動(dòng)機(jī) Fig 21 the electronic fuel injection engine of Honda CBR600 F4i 、進(jìn)氣系統(tǒng) 把空氣過(guò)濾器的安裝位置從進(jìn)氣穩(wěn)壓箱中獨(dú)立了出來(lái)，并增加了專門的空氣濾清器蓋板，在維護(hù)時(shí)只需單獨(dú)打開蓋板即可方便更換空氣濾清器。 FSAE 比賽中發(fā)動(dòng) 機(jī)的選擇主要分為兩個(gè)方向。 、汽車主要參數(shù)的選擇 、汽車主要尺寸的確定 汽車的主要尺寸參數(shù)有外廓尺寸、軸距、輪距、前懸、后懸。影響選取軸數(shù)的因素主要有汽車的總質(zhì)量、道路法規(guī)對(duì)軸載質(zhì)量的限制和輪胎的負(fù)荷能力以及汽車的結(jié)構(gòu)等。根據(jù)這些特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使賽車能在比賽中發(fā)揮出高性能和取得良好的比賽成績(jī)。 2020 年第一屆中國(guó) FSC 由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)、中國(guó)二十所大學(xué)汽車院系、國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的汽車傳媒集團(tuán) —— 易車（ BITAUTO）聯(lián)合發(fā)起舉辦。第一屆 SAE Mini Baja 比賽于 1976 年舉辦，并且迅速成為一個(gè)地區(qū)性的年度比賽。為了更好的達(dá)到鍛煉和培養(yǎng)參賽學(xué)生綜合能力的目的，比賽虛擬了一個(gè)商業(yè)研發(fā)環(huán)境，所有的比賽項(xiàng)目都是基于這一環(huán)境而設(shè)置。 FSAE 賽車比賽給參賽學(xué)生提供了走出課堂將理論知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐的良好機(jī)會(huì)。 學(xué)生組成的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將為該生產(chǎn)商設(shè)計(jì)一輛小型方程式賽車。預(yù)期的銷售市場(chǎng)是周末業(yè)余汽車比賽。s Republic of China》 requires, first of all, using the software of to carrr