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1、本科学生毕业设计基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 The Graduation Design for Bachelors DegreeOptimization Design of College Student Energy Conservation Car on Account of ANSYSCandidate：Specialty：Vehicle EngineeringClass：B07-08Supervisor：Lecturer.Heilongjiang Institute of Tec
2、hnology 摘 要大学生节能车是由大学生设计的一种竞技型赛车。在过往比赛中，有很多各式各样的节能车出现。本设计主要针对大学生节能车进行整车设计方案的选择，对车身及车架进行设计并对车架进行强度校核。借助Pro/E和CATIA三维建模软件，有限元受力分析软件ANSYS，对车身及车架部分进行建模分析。进行ANSYS有限元分析。首先，借助Pro/E和CATIA三维建模软件对所设计的车身、车架及重要的零部件进行三维建模，通过Pro/E对所建的大学生节能车零部件模型进行大学生节能车整车的虚拟装配，然后通过Pro/E软件中的分析程序对装配后的整车进行简单的重心、惯性矩，使用CATIA分析程序中的曲率分析
3、程序对节能车车身进行曲率分析，用专业的有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行静力学分析及车架模态分析，依据有限元分析结果进行了较为深入的分析研究，并提出结构优化设计方案。全套图纸，加153893706关键字：大学生节能车；结构设计；三维建模；有限元分析；结构优化 ABSTRACTStudents efficient car is designed by students of a sports-type car. In the past games, there are many kinds of energy-saving cars appear. The design of the ma
4、in vehicle is for saving for college students the choice of vehicle design, the design of the body and frame and frame strength check. With Pro/E and CATIA the three-dimensional modeling software, finite element analysis software ANSYS, part of the car-body and the car-frame modeling and analysis. A
5、NSYS finite element analysis carried out. First, the use of Pro/E and CATIA three-dimensional modeling software designed body, frame and major components for three-dimensional modeling, through the Pro/E on the energy-saving cars built by students for students efficient car parts and components mode
6、l of vehicle The virtual assembly, then Pro/E software analysis program for simple vehicle after assembly center of gravity, moment of inertia, the use of CATIA Analysis Program curvature analysis program for energy-saving vehicle body curvature analysis, finite element with a professional analysis
7、software ANSYS, energy car chassis frame static analysis and modal analysis, finite element analysis is based on the results of a more in-depth analysis and study, and propose structural optimization design.Keywords：Students efficient car；Structure design; three-dimensional modeling; Structure optim
8、ization; element analysis目 录摘 要IABSTRACTII第1章绪 论11.1 研究目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 研究内容及研究方法21.3.1 研究内容21.3.2 研究方法3第2章节能车整车设计方案42.1节能车结构分析42.2 车轮配置42.2.1 前一后二42.2.2 前二后二42.2.3 前二后一52.3 车架结构52.3.1 边梁式车架62.3.2 中梁式车架62.3.3 综合式车架72.4 转向方案的确定72.4.1中央支撑式82.4.2阿卡曼式（梯形结构）82.5 发动机布置、动力驱动传动方案82.5.1发动机布置方案82.5.2驱动传动
9、方案92.6 轮胎选择102.6.1 20英寸节能车专用轮102.6.2 20英寸自行车专用胎102.6.3 26英寸管式轮胎102.6.4 12英寸轮胎112.7 车身造型122.8 材料的选取122.8.1 车架材料的选取122.8.2 车身材料的选取122.9 本章小结12第3章 节能车车架设计及校核133.1 设计参数及要求133.2 车架设计结构及其校核133.3 材料截面尺寸的确定153.4 车架外形结构设计153.5 车架总体结构布置153.6 转向机构的工作原理173.7 转向机构分析183.8 车身制作工艺分析183.9 车架制作工艺分析193.10 车身与车架连接方式193
10、.11 本章小结20第4章 节能车三维建模214.1 CATIA车身建模214.1.1 车身建模问题分析：214.2.2 车身建立过程如下：214.2 Pro/E车架建模294.2.1 车架建模问题分析294.2.2 车架建立过程如下294.3 节能车主要部件建模384.4 节能车车架装配384.5 节能车整车装配394.6 本章小结40第5章 节能车性能分析425.1 Pro/E整车装配干涉检查425.2 Pro/E节能车整车质量、重心及惯性矩分析425.3 Pro/E与ANSYS的接口建立445.4 车架静力学分析465.4.1、将Pro/E的车架模型导入ANSYS中465.4.2 单元类
11、型的设定465.4.3 车架静力学分析结果485.4.4 车架静力学分析结果分析505.5 车架极限转向分析505.5.1 极限转向分析假设条件505.5.2 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中505.5.3 单元类型的设定505.5.4 车架极限转向分析结果525.5.5 车架极限转向状态结论分析545.6车架模态分析555.6.1 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中555.6.2 单元类型的设定555.6.3 车架模态分析结果565.6.4 车架模态分析结果分析605.7 有限元结论分析605.8 车身曲率分析615.9 车身曲率结果分析635.10 结构优化措施645.11本章小
12、结65结 论66参考文献68致 谢70附录A71附录B74第1章 绪 论1.1 研究目的及意义随着汽车的发展形式和设计思想的转变，节能汽车与新能源汽车的开发逐渐并已成为是全世界的课题。而目前在环保节能车方面，仍然处于探索阶段。环保节能车大致可分为：新能源汽车，混合动力车及利用新技术改善汽车的运行条件从而实现对汽车使用者对燃油经济性的要求。而每年又有大大小小的汽车节能比赛，使得节能车渐渐地深入人心。各大汽车厂商每在大型汽车展销会上均有节能概念车发布，也表明要建设节能社会低碳社会的决心。减小车重、降低风阻、改善发动机系统等技术，以改善汽车燃油经济性。但由于生产和维修等条件的不足；生产条件和整车材料
13、的技术要求不成熟，使得很多节能概念车没有量产。由日本本田公司发起的“HONDY”杯大学生节能车大赛便是旨在通过比赛提高社会的节能和环保意识，以推动全球车辆节能技术的发展为目的的比赛。由大学生所设计的节能车，在于以最低的燃油消耗量行驶最长的里程，不仅标志着当代大学生对环境保护的意识在提升，更是对节能车开发形式的一种探索。随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以“节能、环保、安全”为主题的全新汽车发展时期。这不仅顺应了对生活环境条件改善的要求，也符合建设低碳社会、低碳生活的原则。地球是我们赖以生存的家园，保护地球是我们的责任。在资源紧张、温室效应加剧、极端天气频发的条件下。开发节能车已被各国重视
14、，很多国家、科研所和大学投入专项资金用于研发节能车。1.2国内外研究现状我国是一个能源资源相对缺乏的国家，随着当前我国国民经济和汽车工业的快速发展, 以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出, 交通节能减排工作的重要性不断增加,而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分, 重要性不言而喻。国家“十一五”规划和“十七大”都对汽车的节能减排提出了要求，并将发展新能源汽车、节能汽车等政府策略逐渐上升为国家战略。考虑到我国当前汽车节能技术发展的实际情况, 除了推行节能惠民车型并已着手限制汽车的排量，并已积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的研发力度，为了响应国家的号召
15、及适应全球对新能源汽车的需求，一汽集团、上汽集团、长安汽车以及清华大学、吉林大学、华南理工大学等企业和高校一直致力于汽车节能减排技术的研究。电控燃油喷射系统的普及，进、排气控制技术、柴油机电控技术的应用以及电动汽车、混合动力汽车等的开发，比亚迪汽车、哈飞汽车、长安汽车等在陆续研发出的电动（出租）汽车、混合动力车；辽宁曙光汽车也已研发出电动公交车，为我国新能源汽车行业的发展奠定了基础。另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状,以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。并通过各种场合及汽车大赛来宣传新能源车型和节能车的重要性，用以控制日益增长的碳排放量。众所周
16、知，日本是一个自然资源极度缺乏的国家，因此在资源的利用以及新能源的研发方面都是极其重视并在一些节能技术方面处于世界领先地位，单是汽车产业，日本汽车就以其良好的经济性风靡全球。本田公司早在20世纪80年代便开始创办汽车节能大赛，已风靡各国；丰田公司又研发了世界上为数不多的量产混合动力车普锐斯。同样在汽车工业发达的欧美，汽车节能技术的研发始终被放在汽车发展问题的最前沿，如外界广泛所说的大众黄金组合“TSI+DSG”技术。每年在欧美车展上，由欧美各大汽车厂商研发的新型环保概念车都有亮相，有些车型也已经投产，其中大多数以电动汽车为主，如由美国通用汽车公司旗下雪佛兰品牌的科鲁兹系列车型已研发出科鲁兹电动
17、车。欧美等发达国家已开始提倡使用电动汽车用以缓解日趋紧张的全球能源供应，不仅是新能源汽车，欧美也在大力发展传统汽车的节油技术，比如宝马的Valvetronic技术，与之相同的是日本本田的VTEC和丰田VVTi，但这些技术仍未实现全电子控制，而且通常仅对进气门的升程和开闭时刻进行控制，所以发动机的进、排气控制技术仍有较大的开发潜力。发动机缸内直喷技术等技术的研发，也为传统汽车的节油技术的发展提供了参考。1.3研究内容及研究方法1.3.1 研究内容本设计为全国大学生节能车比赛用车，要求车身长小于3m，自重小于60kg，乘载1人，驾驶员重量小于40kg，1公升汽油能行驶里程大于300公里，行驶速度大
18、于50km/h，能够变速，要求零部件材质轻，车身外形设计要求风阻小，流线型好，即节油又美观。应在详细分析节能车结构形式及工作原理基础上，完成总体方案的设计；利用AutoCAD完成大学生节能车二维结构设计并进行校核计算，分析大学生节能车制作工艺；利用三维建模软件Pro/E和CAITA完成大学生节能车车架和车身的三维建模，并利用Pro/E进行节能车的虚拟装配；利用ANSYS软件进行有限元分析：主要包括对车架的静力分析和模态分析并依据分析结果进行结构优化设计。1.3.2 研究方法通过使用计算机辅助设计软件对车身进行曲率分析，车架进行静力学及模态分析，可以详细了解到车身设计是否符合要求，方便改进车身设
19、计的不足。通过ANSYS有限元分析软件分析对车架进行静力学分析可以找出车架设计的缺陷，便于改进车架。使车身及车架整体性能得倒提升，达到设计方案的优化。从而分析出结构设计的缺陷，方便设计人员进行改进；同时对于一些不需要的部件则采取弃用的办法从而达到设计方案的优化。拟采用的技术流程如下图1.1所示。图1.1 技术流程 第2章 节能车整车设计方案2.1节能车结构分析大学生节能车是由大学生进行设计的一款节能竞技的整车。为了使节能车能够正常运行，要求在配置上要具有整车的动力传动系统，由车轮支撑车体在地面运行并由发动机通过传动系驱动车辆并且能够变速，车辆转向机构控制节能车转向。节能车同样需要车身保护驾驶员
20、，降低节能车所受阻力。对于车身要求外形流线、美观。节能车在配置及操纵上。在材料的选取上要了考虑到车架及车身的选材的成本及其轻量化。2.2 车轮配置2.2.1 前一后二这种布置形式类似于日常生活中所见到的三轮车。在设计制作过程中容易利用自行车部件从而减低了制作难度，节省制作时间，而且驾驶构造比较简单。但行使稳定性较差，尤其是转向行驶稳定性，会降低节能车的行驶安全性。如图2.1所示。图2.1 车轮布置形式前一后二2.2.2 前二后二类似于常见的四轮轿车。优点为有较好的行驶稳定性，但在以节能为主要目的的竞技大赛中，这种布置方案的缺点更为突出。首先，由于接地面积较大，提高了车辆在行驶过程中的行驶阻力。
21、其次，构造的复杂度会明显提高，同时也影响整车的质量。如图2.2所示。图2.2 车轮布置形式为前二后二2.2.3 前二后一其优点为在保证较小的行驶阻力的前提条件下，能够很好的保证行驶的稳定性，从而提高了节能车的安全性。如图2.3所示。图2.3 车轮布置形式为前二后一 综合上述结构的优缺点，在节能为主的前提条件下，又要同时保证良好的操纵性和行驶安全性。因此确定节能竞技车的车轮布置形式为前二后一的布置形式。2.3 车架结构根据车轮的配置方案，选取适合的车架材料和结构。因为车架质量的大小在一定程度上影响油耗，而且所选材料以及结构的合理性对车辆的安全性有着很大的影响，在车架材料和结构方案的确定过程中应同
22、时考虑到小巧、轻便、结实、安全等因素。车架设计要求：1）具有足够的强度，保证在比赛期间的任务工况下，车架的主要零部件不因为受力而破坏。2）具有足够的抗弯刚度、扭转刚度，以免车架上的总成因变形过大而早期损坏或失去正常能力。3）车架重量要轻，在保证强度、刚度的前提下，车架的自身质量，应尽可能小，以减小整车整备质量。车架结构形式基本上有三种：边梁式、中梁式（脊骨式）车架、综合式车架。2.3.1 边梁式车架由两根位于两边的纵梁及若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。其特点：便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变 型车和发展多品种汽车上。如图2.4所示
23、。图2.4 边梁式车架2.3.2 中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，故称为脊骨式车架。这种结构的车架有较大的扭转刚度，使车轮有较大空间。其优点：车轮有加大的运动空间，便于采用独立悬架，可提高汽车的越野性与同吨位货车相比，其车架较轻，减少了整车质量；同时重心较低，因此行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘套作用。但这种车架的制作工艺复杂，精度要求高，给保养和修理带来诸多不便。如图2.5所示。图2.5 中梁式车架2.3.3 综合式车架又称复合式车架。他同时具有中梁式和边梁式车架的特点。车架的前后部均近似边梁式结构，而中部采用脊梁式结构。此结构使中部抗扭刚度大，地板高
24、度低，但地板中间往往形成大鼓包，影响乘坐舒适性，加工工艺复杂，应用不广泛。由于节能车载荷小，行驶路面状况较好，因此车架选用边梁式整体结构。由于车架内部要有一定的容积，便要求车架本身结构不能太复杂，采用边梁式结构可以节约大量的空间。在承受扭矩时，纵梁和横梁同时产生弯曲和扭转，避免应力集中。如图2.6所示。图2.6 综合式车架2.4 转向方案的确定考虑到车辆的结构形式并结合所设计车辆的特殊性及比赛场地因素。常见节能车转向结构如下。2.4.1中央支撑式这种结构形式很简单，它是以整个车轴作为转向装置，车架也可以设置的较低。但要使左右车轮完全平行进行的定位调整很难，在转小弯时，车轴会发生很大的移动。虽然
25、结构形式制作方面较为简单，但在实际驾驶操作方面明显存在弊端。如图2.7所示。图2.7 中央支撑式2.4.2阿卡曼式（梯形结构）这种结构比较复杂，但与前轮定位的调整较为轻松，即使大幅度转方向盘，车轮也不会大幅度前后移动。其中两转向臂的角度理想的情况应该保证两前轮中心易与后轮中心连接成线，为降低转向系统复杂程度，同时又能保证具有足够的转向能力。如图2.8所示。图2.8 梯形结构2.5 发动机布置、动力驱动传动方案2.5.1发动机布置方案发动机常用布置方式有三种：前置式发动机、后置式发动机、中置式发动机。在节能车上所采用的常为后置式发动机。前置式发动机对车身设计要求有所提高，将使驾驶员座位高度升高，
26、不利于降低风阻系数及造型美观。也会使前轴载荷增大，不利于转向系统的布置，也会影响车辆行驶稳定性。中置式发动机亦然。由于后轮为驱动轮，在设计传动系时会影响整车车重。后置式发动机便于转向系统布置，使底盘降低，有利于减小迎风面积，有效降低风阻，且驾驶员视野开阔。便于后轮的动力输出。2.5.2驱动传动方案1、轴驱动，这种驱动形式的优点为传动效率较高，缺点为由于采用后一轮的车轮布置方式，因此会造成发动机质心偏离车辆的中心线。如图2.9所示图2.9 轴驱动2、链传动，链传动效率没有轴传动的传动效率高，由于摩托车本身采用链传动，因此在设计和制造过程中更加容易实现。如图2.10所示图2.10 链驱动驱动方法的
27、确定由于在发动机方面没有进行较大的改造，因此采用了较为保守的链传动形式，基本借鉴与摩托车的传动形式。由于轮胎确定为前二后一的布置形式，如果采用前驱的方案将会使设计制造的复杂程度增加，所以决定采取后驱的驱动形式。一方面后一轮驱动不用涉及差速器等方面的考虑，另一方面也前两轮转向系统的结构形式也会简便许多，同时也达到了减小整车质量的目的。为了降低节能车车重，选择链传动。能够省去布置结构复杂的传动系（万向节类的）。变速机构拟采用摩托车式变速方法，即通过手柄的旋转控制界气门开度达到变速作用。节能车由发动机发出动力经由变速机构到达发动机外部的主动链轮，接着由传动链传动从动链轮，最后通过分离式离合器到达驱动
28、车轮。2.6 轮胎选择在设计过程中，轮胎的选取也是十分重要的环节。轮胎不但影响着车辆在行驶中的滚动阻力，还影响着车辆在行驶中稳定性，因此在选取过程中要注意行驶阻力和行驶稳定性的均衡。在过往的比赛中，轮胎的种类基本分为一下几类。2.6.1 20英寸节能车专用轮20英寸节能车专用轮是由德国大陆集团马牌轮胎提供的专业低滚动阻力轮胎，如图2.11所示。 图2.11 20英寸节能车专用轮2.6.2 20英寸自行车专用胎采用自行车轮胎是要注意的一点为自行车在行驶过程中车轮和车轴是不受侧向力作用的，但是在节能车的结构形式中，车轮和车轴是要受到侧向力作用的。因此所选的车轮的车轴必须要有足够的强度。如图2.12
29、所示。图2.12 20英寸自行车专用胎2.6.3 26英寸管式轮胎车轮直径选取过大会造成侧向力作用在车轴上的力臂加大，所以在选取较大致敬的车胎时应注意保证车轴的强度。如图2.13所示。图2.13 26英寸管式轮胎2.6.4 12英寸轮胎选取直径较小的轮胎可以在一定程度上减小空气阻力。如图2.14所示；图2.14 12英寸轮胎综合考虑以上几种轮胎形式，最终采用20英寸的自行车专用胎。考虑到降低滚动阻力的同时保证足够的附着系数，三个轮胎均使用高气压轮胎，目的在于减小接地面积。后轮采用较宽的车胎其主要原因为驱动方案定为后轮驱动，保证获取足够的驱动力。当车轮在地面上滚动时，地面的出现使流场发生变化，升
30、力变成正值，并且由于尾涡相对较大，阻力也更大。从车轮完全暴露在气流中的一级方程式赛车上测出的气动阻力来看，其中车轮阻力越占高达45%的比重。由此可见，为了使车身制作简单，将两前轮暴露在外，但是做增大了空气阻力，故采用扰流板将车轮中辐条覆盖或在设计车身时将车轮与后轮一样完全包裹起来。修饰完成的轮胎如图2.15所示图2.15 修饰完成后的轮胎2.7 车身造型车身设计，应以流线型设计，降低风阻系数，以追求更低的空气阻力。为了最大限度地降低车身内循环阻力，把车身底部除了后车轮部分之外完全包裹起来，形成了一个整体式车身。这样做还有一个好处就是，在驾驶竞技车辆行驶时，驾驶室内不会进入太多的灰尘，为驾驶员营
31、造了一个较为干净的驾驶环境。由于车轮布置在车身外，也影响了节能车的空气阻力系数。为了追求更低的空气阻力系数，整个车身采用流线型设计，在尾部采用稍微上翘式结构。2.8 材料的选取2.8.1 车架材料的选取考虑到材料的选取要考虑到制作成本和安全性，所以可考虑得车架材料是钢材和铝材。如表2.1所示；表2.1 材料优点对比材料优点对比碳钢的优点铝材的优点（1）价格低廉（1）密度比钢小（2）材料加工方便（2）材料加工也较为方便综上所述，在成本一定的前提下。为降低制作成本，应选用碳钢。2.8.2 车身材料的选取车身的材料可用帆布、木板、玻璃钢等。其主要原因为成型相对简单容易实现，强度足够的条件下重量上也有
32、一定的优势。玻璃钢的密度只有碳钢的1/41/5，但拉伸强度却接近，强度可以与高级合金钢相媲美。2.9 本章小结本章节叙述了对于节能车整车部分的选择方式。从综合设计角度上考虑，将轮胎设置为前一后二形式；选择车架时采用边梁式结构可以节约大量空间，并且可以降低车重，在车架选择方式上为边梁式车架最好选择；转向方式上为提高车辆转向时的稳定性要选择阿卡曼式；传动的方式选择为链传动，链传动的噪音也很小；车轮的选择为20英寸自行车专用胎即可满足设计要求。第3章 节能车车架设计及校核3.1 设计参数及要求车身长小于3m，可以得出车架由于要求车身长度小于3m，节能车车架即是车身骨架，车架长度也应小于3m。该节能车
33、车身结构紧凑。要求车架能够承受总质量小于100kg。并乘载1人，驾驶员重量小于50kg，在预留给发动机及其它部件的重量估算为50kg。如在设计中材料强度满足要求，则可以适当的添加元部件。3.2 车架设计结构及其校核对于车架的计算校核一般有三种计算方法可以遵循:（1）运用复杂的有限元法对车架进行计算；（2）依据材料力学、工程力学中的经验公式；（3）根据经验设计对车架进行设计。由于节能车为参加节能大赛而特别研制，车架本身就是车身骨架，要支撑赛车上的几乎所有部件：比如要容纳驾驶员，放置发动机和蓄电池及驾驶员座椅；要固定车身；车轮直接安放在车架上。这和轿车及货车车架有些不同。而表明了该节能车车架结构设
34、计的特殊性。由于车架采用边梁式，所以车架设计较为简单。但需做一下假设，便可将车架视为简支梁。1）梁为支撑在前后轴上大的简支梁；2）整车的载质量均加在简支梁上；3）所有载荷均通过截面的型心。因此节能车车架可以简化为如图3-1所指示为简支梁简化模型图3.1 简支梁简化模型在计算车架时视其为简支梁。计算其弯曲强度即是材料的弯曲强度。C、F点为车轮安装位置，在这两点均有FC和FF车轮给车架的反力。令发动机质量为25Kg，驾驶员质量50Kg。由于车架可视为简支梁，因此可以视乘员和发动机的集中载荷转变为在梁上均布载荷，以方便计算校核。如图3.2所示。图3.2 车架载荷的分布乘员分布载荷q1=353.63N
35、/M，发动机分布载荷q2=816.67N/M由图3.2可知AB=0.2m,BC=0.59m,CD=0.8m,DE=0.3m,EF=0.3m由材料力学可知：以F为支点有FCCD+DE+EF=12q1lBD2+12q2lDE2（3.1）以C为支点有FFCD+DE+EF=12q1lBC2+12q1lCD2+12q2lDE2（3.2）由（3.1）、（3.2）可解得：FC=207.27N,FF=151.04N。计算可得车架弯矩图，如图3.3。图3.3 车架弯矩由图3-3可知，梁上最大弯矩Mmax=211.46NM，考虑到节能车在行驶过程中受动载荷时的最大弯矩可在最大静弯矩前乘以动载荷系数k，由于节能车在
36、比赛中行驶路况较好，故取k=1.5，此动载荷系数考虑了实际行驶过程中遇到的路障的载荷增值。因此动载荷下的最大弯矩Mmax=394.5NM。3.3 材料截面尺寸的确定由于纵梁在长度方向上截面尺寸无变化，所以在最大弯矩处其弯曲应力达到最大值max。在选材校核时，需校核其抗拉强度是否在许用范围内。设方管横截面积s，45钢b= 600MPab=Pbs=315Mpa，s=1.905mm2。则材料所选择的方钢其截面积大于1.905mm2的材料均符合强度要求。3.4 车架外形结构设计车架在做校核时是经过合理简化的，在设计上要对车架进行相应的细化。车架即为车身骨架，要支撑赛车上的几乎所有部件：比如要容纳驾驶员
37、，放置发动机和蓄电池及驾驶员座椅；要固定车身；车轮通过转向机构布置在车架上。车架造型的简练可以使得整车结构紧凑，结构紧凑的形式会使整车质量降低，但也会产生造成质量集中使得整车应力集中。发动机的安装位置在车架的后部、同时还需安装车轮及传动机构。所以车架后部还需承载车轮，及安装动力传动部件、控制部件的质量。还要预留出一定的宽度空间，以方便安装。所以要考虑到安装的条件。车架上还要布有控制的线。稍复杂的还要安装有行车电脑等高级装备，所以材料型材的选择要考虑到布线的要求及条件。因此，车架外形轮廓如图3.4所示。图3.4 车架外形轮廓3.5 车架总体结构布置在确定使用边梁式车架后，首先将轴距进行了确定，并
38、估算出发动机及驾驶员的布置位置以便求出它们对车架的均布载荷。在确定车架支撑符合条件后，对于车架内部所拥有的横梁及其它辅助安装设施便都基于车架。安装时要考虑对车内驾驶员的舒适度。为方便驾驶员乘坐，车架横向的设计也要考虑到驾驶员乘坐的舒适性，轮距的宽度为驾驶员提供了容身活动的空间。车架前端部分要求安装有车地板，为分散驾驶员质量避免造成集中受力，故在驾驶员乘坐区分别布置3个横梁。驾驶员在驾乘车辆的时候，要在驾驶员后面安装有驾驶员靠背，虽靠背材料好选择，但在节能车架上添加了驾驶员靠背安装斜梁。在设计时应考虑到方便支撑方式的设计，在车架上焊上一根横梁，这根横梁同时也会对车架的稳定性起到作用，同样在立面上
39、加装一个梁，可以增强车架的强度及抗扭曲能力。发动机及必要的重要机械部件均安装于车架后段，在设计时考虑机械部件有故障率的存在，因此对于节能车车架后段的设计采用模块化的设计方式。模块化的设计是针对节能车车架本身相对而言的。在该模块框架上可以起到安装或对发动机起到辅助支撑作用，提供安装必要节能车机械部件提供一个平台。例如安放蓄电池、部分的传动机构。车架后部安装机械部件的方式可使车辆重心向后移动，尽量保证装配后节能车车辆的重心在轴距中心处为最佳，便可提高车辆的稳定性。为了方便车架后部辅助安装模块的拆卸，对于车架后部的设计也要考虑到对辅助模块的安装拆卸的影响，因此在车架后部设计时，应对车架辅助模块部分的
40、安装进行设计考虑，在车架纵梁的后段上布置方钢横梁及角钢上横梁。位于车架主干纵梁末端的方钢，方便焊接后面的纵梁部分。角钢横梁，焊接在车架最后部分的横梁上，它不仅能提高整车后部分的抗弯曲能力，同时方便辅助安装模块的安装使用。综上所述，节能车车架整体设计方案为在车架采用边梁式结构，在车架边梁上布置有8根横梁，立梁的布置遵循使用处布置原则。车架设计总体方案即车架主视图如图3.5所示、车架内部设计图即车架俯视图如图3.6所示。图3.5 车架主视图图3.6 车架俯视图3.6 转向机构的工作原理 转向机构采用的是阿卡曼式，又称梯形结构。它的工作原理是前两个车轮的连接线与后一车轮连接线在连接起来后可以看在车辆
41、的转向梯形内，由转向梯形机构用来保证转弯行驶时汽车的车轮均能绕同一瞬时转向中心在不同半径的圆周上作无滑动的纯滚动。两轴车在转向时，若不考虑轮胎的侧向偏离，则为了满足车轮在转向时作纯滚动，转向梯形应保证内、外转向车轮的理想转角关系。如图3.7所示。图3.7 转向机构示意图转向机构上用于固定转向拉杆的螺栓呈三角形布置。位于中间位置的螺栓固定在车架上，剩余上方两个螺栓分别用于固定转向拉杆。如图3.8所示。图3.8 转向螺栓布置形式3.7 转向机构分析节能车转向机构，操作转向手柄进行转向时，由于转向手柄与转向短杆的连接处位于转向手柄中心偏上处，如图3.9所示。图3.9 转向短杆与转向手柄连接方式转向手
42、柄转向处位于转向手柄纵向截面的中心。因此转向手柄在转向时带动转向短杆运动，进而带动转向长拉杆运动，从而带动车轮进行旋转。利用CAD旋转功能，可知转向机构的转向最大角度为14，如图3.10所示。图3.10 转向最大角度3.8 车身制作工艺分析车身材料的选取在以往包括国外的节能竞技大赛上可谓是五花八门，参赛选手选取各种各样的材料来制作自己的车身，在尽可能地降低空气阻力的同时也展现了各参赛队的想象力和工艺制作水平。玻璃钢的生产制作方法基本上分两大类，即湿法接触型和干法加压成型。如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。手糊成型又包括手糊法、袋压法、喷射法、湿糊低
43、压法和无模手糊法。先制作出车身外形模版再利用手糊制作工艺方法，则多采用手糊成型法。手糊工艺属于开放式模塑的一种。其制程是在模具涂上脱模剂，接着喷上改善部件外观的胶衣。当胶衣发粘后，用手工把玻璃纤维贴到模内，再通过浇注、刷或喷射把内含有固化剂的树脂加入进去。树脂通过滚压或压挤排除空气进入纤维内，确保完全的浸润和浸透。由制作流程可以看出，为了使车身外表面尽量光滑平整在制作过程中进行了二次倒模。先利用石膏或油泥等材料按设计图纸1：1的比例制作阳模，然后利用玻璃钢制作阴模最后再次利用玻璃钢翻制成品，并进行表面处理和喷漆，最终制成车身成品。流程如图3.11所示。图3.11 车身制作流程图3.9 车架制作
44、工艺分析由于车架结构简单，大部分联接形式为焊接形式。在节能车运行过程中所承受的弯矩和扭矩也不大。车架采用钢管，其制作成为车体方式很多。钢管选用焊接方钢，尺寸分别为20mm、30mm、40mm。角钢尺寸选择为30mm。车架各钢管之间连接方式均采用焊接方式。3.10 车身与车架连接方式这建造节能车时，由于采用车身与车架分开建立，所以车身需要与车架相联接使其成为一个整体。车身与车架的连接方式可以分为内部连接和外部连接。3.10.1 内部连接即车身安装在车架上后，通过车身内部建立制作出与车架相联接的部分。安装后，驾驶员由车身开口处进入节能车内部进行对节能车的操控。内部通过螺纹螺栓方式与车架进行联接，该
45、连接方式能够使车身与车架很好的相联，但由于车身有供驾驶员出入节能车的开口。在连接处会有缝隙，将影响车身的流体性能。3.10.2 外部连接制作时将车身作为一个整体进行制作，在对节能车进行组装时，驾驶员预先进入节能车内部，然后由车身外队友协助驾驶员将车身与车架进行相联。此种方式为利用粘扣、卡扣和凸台等与车架相应部位连接而达到车身与车架相连接的目的。但是由于此种连接方式位于车架外部，且对车身车架的制作工艺要求较高。在制作工艺不好的情况下，可能会出现车身与车架的固定偏差，会影响到车身与车架的稳定性。3.11 本章小结本章叙述了节能车车架的相关问题，并对节能车二维结构进行设计及校核。在计算结果中得出结论
46、当钢材的截面积大于1.905mm2时，车架所用材料可以满足对强度的基本需求。鉴于车架的设计要考虑车架上相关部件的安装，在对车架设计的过程中也要考虑到车架上相关部件与车架的安装、连接方式。在车架上，设计安装部件所需要的最少却最有效的辅助支撑梁，这也是降低车重的一个方法。第4章 节能车三维建模CATIA是由法国Dassault公司开发并由IBM公司负责销CAD/CAM/CAE/PDM集成化应用系统，并在世界CAD/CAM/CAE软件中处于领先地位。CATIA起源于航空工业，现已被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船等行业。Pro Engineer简称Pro/E，它是由美国PTC公司开发的一款计算机三维辅助设计软件，被广泛应用在机械设计与制造、模具、家电、工业造型等行业并为用户提供了一整套从设计到制造的完整的解决方案，在业界享有很高的声誉4.1 CATIA车身建模4.1.1 车身建模问题分析：建模思路：利用CATIA软件中创程式造型设计及汽车A级曲面造型技术综合设计。（1）在空间中建立创造标准面所需要的基准点（2）再各基准点由基准线做好联接（3）将基准线建立后，将出现由各基准线环绕组成的基准面（4）在建立基准面时，为突出曲面的流线。对