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摘要：一个优秀的车架是一辆优秀赛车的前提，为了在比赛中取得优异的成绩，就必须设计出好的车架，巴哈赛车是一种适应各种地形的简易赛车，在比赛的过程中会遇到不同的路障对车架产生冲击，严重时会导致钢管式车架的扭曲甚至折断。本文对车架的模型参数上，进行了前悬挂点、车架底部、座椅仓、防滚环、侧斜撑构件、横向横梁、防滚箍、前支撑构件、后支撑构件、扣板的参数计算，全方位地将车架各构件进行尺寸确定，综合了多零部件在车架上的位置需求。对车架进行有限元分析，使用计算机软件验证车架在不同工况下的等效应力和总变形量符合材料要求。确保车架所选材料4130钢能够在安全允许应力范围和安全允许变形量的范围内承受车架所受不同工况载荷。根据结果对车架进行优化，保证车架的结构的合理性，从而确保车架在不影响赛车性能的前提下达到更加稳定的结构。

关键词：巴哈大赛；车架设计；三维模型；工况分析

一、引言：

巴哈大赛于2015年引入中国，每年参赛车队众多，全世界各个大学和公司的车队共聚一堂，精彩的比赛过程吸引着全球喜爱赛车的人士关注。比赛用一种寓教于乐的教学方式来提高参赛队员的专业知识素养，比赛崇尚“人人皆可成才，人人尽展其才”的现代职教精神。以越野的形式行驶于道路环境恶劣的非铺装路面上。比赛对赛车的悬架和车架要求较高，车架需要承受整备质量状态下的弯曲、扭转等变形。借助计算机软件在设计前期对车架的设计模型进行检验，计算出车架在比赛各状态下的应力、变形的最大值是否能够在材料的安全许用范围内。

车架作为赛车的底层结构，车架的优劣一定程度上决定着赛车的性能。比赛通常是在道路环境苛刻的路段进行，甚至会处在无道路路段，对赛车车架的要求非常高。参赛车队为了取得骄傲的成绩，就必须在前期准备期间设计出高水平的车架，然后在后期制作期间将车架真实落地运用到实际。

巴哈赛车主要以山地、泥泞、草地、沙漠等无铺装路面上行驶，道路环境恶劣。电动巴哈赛车车架需要承载发动机、动力电池、转向器、前后桥、变速器等装置，当赛车车架承载这些装置行驶在恶劣路况下，车架往往会产生弯曲、扭转及复合形变。通过对巴哈赛车车架进行有限元分析，观察车架的形变云图，查看其是否符合基本要求，在对车架不合理处进行改进和调整，从而得到优秀的车架设计，进而提高车架性能。

二、设计介绍

赛车车架是赛车其他零部件安装的基体，它是承载赛车各部件的基础。在比赛过程中，它将承受来自复杂路面和车身零件的各种动、静载荷。车架的强度和刚度将直接影响到赛车的安全性、操纵性、耐久性和经济性。通过采用先进的计算机辅助软件，对车架构件进行有限元分析研究，对车架构件的强度、刚度、变形、总应力和应力分布进行分析计算[1]。然后根据分析结果对车架进行改进，保证车架质量与整车性能协调一致，车架各部件布局协调一致。车架采用的材料少、重量轻，可以进一步提高赛车的动力性、耐久性和经济性。

（一）设计拟解决的关键问题：

1.金属材料选取：通过多个维度的标准对常见的金属材料进行对比，并参考其他相关研究者所选取的材料。

2.模型尺寸计算：模型的尺寸需要符合实际需求，确保车辆的各个部件都能合理的放置于车架，同时车架的尺寸还需要符合比赛规则要求。

3.建立三维模型：使用CATIA软件根据前文的尺寸建立三维模型，再生成模型的工程图。

4.模型有限元分析：使用ANSYS软件对车架的五个工况进行工况模拟，确认各个工况的应力、变形符合要求。

（二）车架的建模

首先进行巴哈车架建模，驾驶舱采用两根一体弯管保证驾驶员的安全，合理设计横梁与纵梁的连接方式及结构，横纵梁交叉时采用断横梁连接，工艺简单，不会使纵梁出现大的应力，车架中部采用这种连接[2]。后面的设计相对与其他的车架对发动机和变速器的固定更加紧固，发动机部位尽量设计简易的横梁，减少纵梁变形。车架的连接方式选择的是焊接，焊接车架能使其连接牢固，不易产生松动，能保证有大的刚度。

（三）车架的选材

一般的钢管车的材料有 4130、20cr、BR1500等。本车采用了更加轻量化的 20cr 无缝钢管和 BR1500 高强度防撞钢。经过计算车架的重量为 32kg。

（四）车架的有限元分析

钢材选定后在 catia 里面对模型赋予材料，再用catia进行静力分析，对车架的刚度、强度进行验证，保证了车架的安全性、经济性。然后又利用了 Ansys 仿真分析车架在满载、制动、转向、扭转以及静态碰撞五种工况下的变形量和变形应力云图。得出车架的刚度为4528.39N/mm，车架的扭转刚度3307.86N· m/deg，符合比赛要求。

在实际的比赛过程中，车架会处于多种不同的工况状态，受到不同的载荷影响，前文已将工况进行了说明，针对完全模拟赛场真实情况选定了五种工况进行模拟。车架本身所受静载荷主要是车架自身重力461.58N、赛车手的重力637N、前驱动模块的重力78N、后驱动模块的重力117N。

建立静力学分析模块，分析模块建立后，首先将分析车架所需的材料4130钢的相关信息进行导入workbench，主要设定材料的弹性模量、密度以及泊松比等参数。

下一步为网格划分，这是影响模型分析正确与否的关键一步，workbench的网格划分主要分为四面体法、六面体法、扫略法以及自动划分法等几种方法。本文采用快捷的自动划分法的方式对模型进行网格划分处理，过大尺寸的网格会造成求解精度过低，求解结果不可信。因此需要对结构手动添加网格尺寸控制，来提高网格质量，先对网格进行初步加密，将网格尺寸设置为5mm。

过密的网格会造成单元节点数量过多，使得求解缓慢，因此需要协调单元大小与求解速度之间的关系。为防止网格过密造成资源浪费，降低求解效率。从网格图可看出，当前控制设定下所得到的网格，整体网格质量处于较高水平，满足后续分析的要求[3]。

1.满载弯曲状况

由于车辆在行驶时，所受的载荷均为动载荷，因此需要在静载荷的载荷基础上，对其进行放大，通常是乘上动载荷系数来进行转换。对于满载弯曲工况而言，动载荷取值为 2。从分析结果可知，车架在该工况下最大等效应力约183.57MPa，最大总位移约为 1.6499mm。应力与位移数据相对较小，没有超出许用值，结构在当前工况下的可靠性符合要求。

2. 急转弯分析

分析时对车架施加1.4g的侧向加速度，并对前悬 架进行固定约束，得到等效应力云图，如图所示。从图可以看出，在急转弯时，车架的整体长度较短，侧向杆件产生的弯曲变形不明显，但在驾驶舱顶部 的结构杆件则产生了较大的变形。

3.启动工况

车辆在启动过程中，会受到纵向的载荷作用，对应的载荷为 0.8g 加速度，动载荷取值为 1.5。从分析结果可知，车架在该工况下，最大等效应力约为 138.38MPa，最大总位移约为1.2419mm。应力与位移数据相对较小，没有超出许用值，结构在当前工况下的可靠性符合要求。

4.紧急制动工况

车辆在紧急制动过程中，前轮通常会同时抱死，车架会受到纵向的载荷作用，对应的载荷为0.8g 减速度，动载荷取值为 1.5。从分析结果可知，车架在该工况下，最大等效应力约为138.92MPa，最大总位移约为1.262mm。应力与位移数据相对较小，没有超出许用值，结构在当前工况下的可靠性符合要求。

三、结构分析

车架载荷的确定与静强度分析出发，使用 Abacus软件 QT450材料的铸铁转向节进行五种典型工况的强度分析以及各个安装点位置的刚度分析，分析不同工况下车架的受力情况。

1.紧急制动工况：紧急制动工况车辆以所能达到的最高减速度减速行驶的工况，此时减速度主要由轮胎与地面的摩擦力提供，转向节主要受到由制动力引起的纵向载荷与重心转移引起的垂向载荷。

2.急加速工况：急加速是指车辆起步或行驶过程中以车辆最大加速度加速行驶的工况，此时转向节主要承受纵向载荷。

3.启动工况：车辆在启动过程中，会受到纵向的载荷作用，车架在该工况下，最大等效应力最大总位移，应力与位移数据相对较小。

巴哈赛车车架的设计与制造要遵循轻量化原则。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，巴哈赛车车架的设计与制造要遵循轻量化原则。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[4]。

载荷：（1）加上车架材料密度，在求解器沿z方向的9.8N/kg重力加速度，作为车架质量重力;（2）赛车车架底部的构件上安装有赛车座椅，构件与座椅的接触部分支撑驾驶员和座椅。该构件的总质量为70kg;（3）发动机及变速器等固定在后部支撑杆上，质量以50kg计，乘以动载荷系数3.4，平分到2根杆，每根添加z轴负方向850 N;（4）其他各部件均采用均布载荷的方式进行载荷施加。

约束：需要对车架的硬点进行Z轴方向的约束，并且对前端的悬架上面的硬点进行X方向的约束，最后将右边侧方向的悬架上面的硬点的Y方向进行自由度的约束。通过以上的约束可以使得此车架在ANSYS WORKBENCH中进行约束时不会发生横向的位移导致车辆整体变形[5]。

四、小结：

本文从一个参赛者设计车架的角度出发，从设计前期准备到后期的设计分析、从理论计算到模拟工况，都是让设计的车架能够真实有用。

首先确定所要设计的车架的目的和用途，致力于设计一款安全、可靠的车架，用于巴哈比赛所设计的一款四轮驱动的·越野赛车。

其次就是计算模型尺寸，要计算车架的各个管件的长度、弯曲角度、管子的厚度、管口的直径等参数，确保车架能够放置安装上所需的各部件或零件，使部件或零件能够不发生相互干涉的情况，保证零件或部件能够正常工作；

接着选用材料，要准确的选出性能好、价格实惠的“明星”材料，使选用的材料造车架的材料成本控制在合理范围内，同时加工性能也要优秀，确保车架在比赛前期做被迫调整时能够易于加工，比如切割、焊接、弯折等加工方法。

最后也是最重要的分析，分析所设计的车架的应力和应变，看车架在模拟比赛的不同工况下车架的综合表现是否能达到较好的要求，文中所选用的五种工况几乎能够全面涵盖了车架在整个比赛中所面临的的情景，现实中就是把这物种工况做复合叠加。

参考文献

[1]程金润，韦斌，徐飞.巴哈越野车车架结构优化设计及仿真分析[J].上海电机学院学报，2021，24（03）：149-154.

[2]叶燕帅，傅爱军，陈钊炎等.基于HyperWorks的巴哈赛车车架仿真与优化研究[J].广西科技大学学报，2023，34（03）：14-19.DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.003.

[3]严雨辰，程金润，赵娜等.一种新型巴哈赛车车架的设计及优化[J].汽车实用技术，2022，47（15）：28-32.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.015.006.

[4]史家昊.大学生巴哈越野赛车车架设计与仿真研究[J].时代汽车，2020（24）：111-112.

[5]艾天乐，黎奉常，陈诺.巴哈赛车钢管式车架优化设计分析[J].内燃机与配件，2020（16）：63-66.DOI：10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2020.16.028.

本文系2024年武汉商学院大学生创新创业训练项目：《 一种基于巴哈赛车的车架设计与分析》项目编号：（202411654106）