车架和转向系统设计【含CAD图纸、PROE三维】

车架和转向系统设计【含CAD图纸、PROE三维】,含CAD图纸、PROE三维,车架,转向,系统,设计,CAD,图纸,PROE,三维 摘要 毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 一种燃油节能车设计（车架和转 向系统的设计） 学生姓名5 目录2目 录摘要IIIAbstractIV1 绪 论11.1引言11.2.1 汽车节能的重要意义11.2.2 汽车节能途径21.3 选题的背景21.4 Honda节能竞技大赛的宗旨21.4.1 节能减排21.4.2 挑战与创造31.4.3 人人参与31.5 论文的主要内容32 节能车车架结构设计与分析42.1赛车总体布局的确定42.1.1前后都采用两轮的汽车型42.1.2常规布局形式的三轮车42.1.3前两轮后一轮的普遍节能赛车型52.2车架的设计52.2.1设计背景52.2.2比赛行驶工况分析52.2.3车架结构设计的基本要求62.2.4车架类型的选择72.2.5车架材料的选用82.2.6车架外廓尺寸的确定82.2.7车架纵、横梁截面形状的确定92.2.8关于车架附件122.2.9车架的几何模型122.3车架有限元分析132.3.1ANSYS介绍132.3.2建立有限元模型132.3.3车架材料的选择和网格划分152.3.4载荷及约束处理152.3.5结构分析计算162.3.6模态分析173 转向系统的设计与分析213.1转向系统的定义及作用213.2节能车转向机构方案确定213.3节能车转向总成的分析和计算223.4节能车转向机构零件的计算与校核243.5转向系统的方案总结254论文总结27参考文献28致 谢29 第1章 绪论1 一种燃油节能车设计（车架和转向系统的设计）摘 要随着近年来能源的短缺，全球能源的危机，全球越来越重视对能源的利用和对新能源的开发，绿色环保已深入人们的生活之中，石油储备已越来越受到各国的重视。2007年日本本田公司将HONDA节能竞技大赛带到中国，至今已经连续举办了6届。本论文以2012年第六届HONDA中国节能车竞技大赛为设计背景，对整车进行设计和优化。 围绕“挑战一升，环保一升”的大赛主题，目的在于开发大家的创新能力，将创新与实践结合起来，通过理论验证，认真研究大赛规则，在满足大赛规则的条件下，降低赛车的整备质量，提高经济性。利用Pro/E三维软件对车架和转向系统进行建模，利用ANSYS有限元软件分析车架的受力情况，达到车架最优化设计，设计最理想的转向机构。本文确定了赛车的车架和转向系统设计，对于今后节能赛车的设计制造有一定参考意义。关键词：节能车；车架；转向系统；三维建模；有限元软件分析 The Design of a Fuel-efficient Car (Design of the Frame and Steering System) Abstract With the energy shortages in recent years and the global energy crisis, the worlds increasing emphasis on the use of energy and the development of new energy sources, green has deepened peoples lives, the oil reserves have been got more and more national attention.2007 Honda brought energy-saving Cyber Games to China, it has been held for six sessions. This thesis is designed under the background of 2012 sixth Honda fuel-efficient cars Games, and designed and optimized the vehicle . Around the challenge one liter, environmental protection a rose of the contest theme, aimed at the development of the ability to innovate, the combination of innovation and practice, verified by theory, seriously study the competition rules, under the conditions that meet the contest rules, reducing the whole preparation of the racing quality, improve the fuel economy. Frame and steering systems, the use of Pro/E 3D software modeling, using ANSYS finite element software to analyze the force of the frame to frame optimized design, design ideal steering mechanism. This article determines the frame of the car and steering system design, has a certain reference significance for the future design and manufacture of fuel-efficient car.Keywords: fuel-efficient cars; frame; steering system; 3D modeling; finite element software analysis 第1章 绪论1 绪 论1.1引言能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的快速发展离开不了对优质能源及先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展利用是全世界人民共同关心的问题，也是我国经济发展的重要突破点。能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。在全球经济飞速发展的今天，能源安全问题已上升到了国家的高度，几乎各个国家都制定了以能源安全为核心的相关政策。在之前的二十多年里，在稳定能源供应的情况下，世界经济取得了极大增长。然而，人类在享受能源带来的科技、进步经济发展同时，也遇到一系列无法避免的能源安全问题。能源短缺、能源争夺及对能源的过度使用带来的环境污染等问题威胁着我们人类的生存与发展。1.2 中国的能源状况目前，中国是世界上最大的发展中国家。摆脱贫困，发展经济，仍是中国政府在相当长一段时间内的主要任务。自从20世纪70年代末以来，中国作为发展最快的发展中国家，在经济社会发展上取得了辉煌成就，为世界经济的发展和繁荣昌盛做出了极大贡献。目前，中国是世界上最大能源生产国和消费国之一。能源消费与供应在持续增长，为社会经济的发展提供了重要保障，为世界能源市场创造了广阔的前景。中国能源市场已经成为了世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安全，正在发挥着越来越重要的作用。 中国政府以科学发展观为指导方针，加快现代能源产业的发展，坚持保护环境和节约资源的基本国策，把建设资源节约型和环境友好型社会放在工业化以及现代化发展战略的重要位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界的经济发展做出更大贡献。1.2.1 汽车节能的重要意义25%二氧化碳的排放量来自于汽车尾气排放，因此，对汽车节能减排进行研究对整个社会的节能减排和碳排放量有着重要的意义。当今社会，汽车企业和能源企业，在节能减排上应承担更多的社会责任和企业责任。不仅仅是在生产汽车这方面，还应包括长期满足对社会清洁柴油、汽油的供应，这同样是节能减排的重要任务。今后20年到30年主要还是传统汽车，所以依靠技术进步把发动机水平提高上去意义非常重大。另外一方面就是我们要提供更多的清洁能源。我们不时会发现柴油加油排队现象。应该说我们国家从设备能力上可以满足现在的国内市场，包括汽车用油的市场。短期出现的柴油紧张有临时性因素。应该说这方面是临时性的，另外一个问题是价格问题，要发挥市场机制的激励作用。1.2.2 汽车节能途径（1）轻量化 目前，在中国车型中，结构偏大、偏重十分明显，如果今后不加以控制，这必然导致燃油消耗量的大幅增长。因此推动汽车小型化、轻量化对于实现节能减排的目标有重要的意义。随着我国汽车工业持续不断的发展，车越来越重的问题越来越突出，汽车轻量化的意义在汽车行业来说仍是一个值得学者们研究探讨的主题。刚才也讲到，轻量化的问题很复杂，涉及到设计、材料、制造方方面面。（2）高效化 运用一些新的技术降低燃油消耗量，将能量最大化利用，例如：废弃再循环、柴油机的高压共轨、增压中冷技术、微粒过滤器、采用代用燃料。1.3 选题的背景Honda中国节能竞技大赛，一项能够让所有参赛者挑战并放飞梦想的舞台。所有参赛的车辆在规定的时间、规定的路程下完成比赛，最终换算出一升油的距离。挑战一升，环保一升，Honda在中国不遗余力地创造并服务低碳社会，保护有限的地球资源。Honda节能竞技大赛，一个有着广泛参与者的节能竞技大赛，来到中国已经有六个年了，大赛带来的影响力与日俱增。大赛号召参赛者使用Honda125cc低油耗的摩托车4冲程发动机，由参赛者自己动手设计制作节能赛车。2012年11月11日，125辆代表着对绿色环保梦想不断追求的节能竞技车云集广东肇庆国际赛车场，共同参加“2012年第六届Honda中国节能竞技大赛”决赛，以实际行动向人们展示了Honda“挑战一升 环保一生”的理念，最终吉林大学的肯赛车队以每升油行驶1042.303公里的成绩夺得了大学、专科组别冠军，金陵科技学院学院未来车队此次连续第三年参加，较前两年取得一定的进步，该论文在此基础上对节能车的车架与转向方案进行设计。1.4 Honda节能竞技大赛的宗旨1.4.1 节能减排节能大赛是一项以注重能源，创造节约型社会为主体的活动，希望所有参赛者能够共享这种对地球环境保护的挑战精神。现在的中国正面临着经济的快速发展，在工业化进程不断推进的同时，能源问题、环境问题变成我们迫切需要解决的课题。自1958年以来，拥有超前环保意识的Honda就开始思索起了环保课题，并着手开发生产了更环保节能的发动机产品。1981年，Honda在日本举行了首届节能竞技大赛，至今已有30届的历史。在节能竞技大赛中，选手们最大程度地开拓思路，利用能源，创造全新的节能低碳生活，向人们展示他们的智慧与环保理念。1.4.2 挑战与创造超越家人、朋友、年龄、辈份和地域带来的各种限制，Honda希望有更多的人们来参加比赛，在竞技中互相交流，尽情享受创意与惊奇的乐趣。面对环保的挑战，Honda不断自我超越，从50年前，Honda研发出轻便、节能的Super club引擎开始，从不间歇、挑战极限，在上世纪八十年代，成功地将1升汽油的行驶距离从105公里提升至180公里。而节能竞技大赛于2001年更是创造了3435公里/升的记录，这是用崭新的创意和新技术所积累的成果，是不断挑战的结果。节能竞技大赛正是提供给大家一个共同来实现梦想和挑战的舞台。1.4.3 人人参与简单的竞技规则，为每个人提供了一个参赛的机会。通过体验比赛过程，培养人们丰富的创意和动手能力，体验学习和创造带来的乐趣。如何保护我们赖以生存的地球，是目前急需解决的问题，需要社会每一成员贡献力量，而这恰好契合了节能竞技大赛创始人本田宗一郎先生的初衷，让每一个普通人都能参与到环保事业中。在日本，超越职业、地域、年龄各种限制，每年都有来自学校、企业以及来自社会上共约100多支代表队参赛。在提高节能环保意识的同时，更能培养动手能力与团队协作精神。1.5 论文的主要内容（1）根据已有数据对节能车车架结构和转向装置进行三维建模。（2） 基于ANSYS对节能车车架进行有限元分析，确定车架强度、刚度。主要研究节能车满载弯扭工况，满载情况下的车架变形量。（3）对节能车转向装置各转项系数的计算。 第2章 节能车车架结构设计与分析52 节能车车架结构设计与分析2.1赛车总体布局的确定在节能型三轮汽车总体布局的确定中应该充分考虑到节能型三轮汽车制作的简易性、行驶稳定性和行驶阻力的大小。根据大赛规则，参赛车辆必须有3个及以上的轮子，要求其车轮布置结构必须满足比赛要求，即参赛车辆在停止或行驶过程中都能自行站立，下面为几种车轮布置方案。2.1.1前后都采用两轮的汽车型这种布局形式就象平时看到的汽车，如图2.1所示。它的优点是其行驶过程中有较好的平稳性。但是在以节能为目的的比赛中，此种车轮布置方案的缺点也有较多。首先，行驶阻力大，其次，消耗的燃油也多，最后，其制造也困难，并且加重了节能车的整备质量。由于比赛的设计要求，我们在满足比赛规则的前提下，应该选择最合适节能的布置方案，因此在这个大赛里面我们放弃此方案。 图2.1 布局为前两轮后两轮的节能车 图2.2 布局为前一轮后两轮的节能车2.1.2常规布局形式的三轮车如图2.2所示的前一轮后两轮的布局形式是我们日常生活中见得最多的，也是最普遍的三轮车。这种车的优点是减轻了整车整备质量，而且制造方便，节省材料。但这种车的行驶稳定性不好，尤其是转向行驶稳定性，在车速较快时转向容易翻车，这将大大降低节能型三轮汽车的行驶安全性。在制作过程中，这种方案假如采用后轮驱动的话，可能需要增加差速器，增加制作困难；假如采用前轮驱动的话，对转向系统要求很高，很难制作。由于考虑到节能竞技大赛必须由一名车手驾驶来进行比赛，而且比赛规则中对行驶速度有明确要求(平均时速不得低于25km/h)，高速可以达到40km/h，由于速度还是很快的，所以放弃该方案。2.1.3前两轮后一轮的普遍节能赛车型如图2.3所示的前两轮后一轮布局形式在以往的节能竞技大赛中有着较广泛的应用。此种车轮布置方案能够保证较小的行驶阻力的同时，也能够很好地保证赛车行驶的稳定性，确保节能车在比赛过程中的安全性。另外由于此种车轮布置方案中驱动轮为后一轮，省去了驱动半轴和差速器等机构，从而降低了动力传动机构的复杂程度，减轻了节能车装配质量。该车轮布置方案符合大赛性质，因此本次所设计节能车车轮总体布置方案采用该布局形式。图2.3 布局为前两轮后一轮的节能车2.2车架的设计2.2.1设计背景此节能车完全是为了节能竞技大赛而设计的，并不需要满足人们日常使用需求，节能竞技大赛特殊的使用背景决定了该节能车车架的设计要求与普通汽车车架的设计要求有着很大区别。 （1）比赛在广东肇庆国际赛车场中进行，赛道平整，不会出现明显的颠簸情况。 （2） 该节能竞技大赛并非是比速度的比赛，整个比赛过程中节能车平均行驶速度为25km/h，大部分行驶过程中是在平稳的前进，行驶过程中不会出现高速过弯、急刹车等极限行驶工况。 （3）该节能车车只在练习和正式比赛的短时间内使用，所以不需要考虑车架的使用寿命，对车架的疲劳强度要求也不高。 （4）由于整个比赛过程中时间较短（26分钟内），对车辆的舒适性要求低，普通汽车设计中频率优化等设计要求都不是该节能车的设计指标。 （5）由于有专门驾驶该车的车手，所以只需为其量身打造，并尽可能的减缩车架材料。 2.2.2比赛行驶工况分析车辆的工作状况对发动机燃油消耗的影响很大，对比赛工况的了解，将有助于合理设计传动系统。大赛提供的是本田的Honda125cc四冲程单缸发动机，由参赛队伍自行设计制作一辆节能车。规定除发动机曲轴、汽缸盖外，其他部件均可以自由改进、车辆有相应的尺寸限制要求且不少于3个车轮。要求车辆以平均车速不低于25km/h完成大约10km的赛程，再按下式算出油耗量，以各队的油耗量计成绩。其计算公式为：式中：W -油耗量(Km/L) S -行驶距离(Km) m -消耗的燃油的质量(Kg) -燃油的密度(Kg/L)所以参赛队伍在完成10km路程的情况下，消耗的燃油的质量越少，其比赛成绩越高，其设计的节能赛车节能效果最优。2.2.3车架结构设计的基本要求汽车车架是用来装配和承载汽车基体，它起到着支撑、连接汽车各总成零部件的作用，此外，汽车车架还承受着来自车内外的各种载荷。由于该节能型三轮汽车是为参加本田杯节能大赛而特别研制的，车架本身的结构和传统内燃机车架有着明显的区别：车架本身就是车身骨架，要支撑赛车上的所有部件，比如要容纳驾驶员、放置发动机和蓄电池和驾驶员乘椅等；还要固定车身；车轮要直接安装在车架上；此外，节能型三轮汽车的转向手柄和刹车也直接安装在车架上。这些特点都表明了该车架结构设计的特殊性。所以，节能车轻量化在节能大赛中就显得极为重要。在保证节能车一定的刚度、强度前提下，就必须尽可能减轻其整车装配质量。节能型三轮汽车是根据由本田公司提供的五羊本田125cc发动机而研制的，参赛的宗旨是节能，所以在设计其车架时，必须使其满足以下设计要求： （1）具有足够的刚度、强度，保证节能车在比赛期间的任何工况下，车架的零部件都不会被破坏。（2）具有足够的扭转刚度、抗弯刚度，比赛过程中，车架的最大弯曲扰度应小于10mm，防止车架上的其他装置因车架变形过大而失去正常工作能力。（3）车架尽可能轻量化，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。该节能车只在赛前练习和正式比赛的短时间内使用，不需要考虑车架的使用寿命，对车架的疲劳强度的要求不高；行驶路况良好，不会出现明显的颠簸，不会出现急刹车、急加速、高速过弯等极限工况。综合考虑以上因素，该车架设计时主要从满载弯扭工况出发，要求车架的最大弯扭挠度小于10mm，并且满足材料的强度要求。 2.2.4车架类型的选择 车架按其总体结构形式可分为框架式、脊梁式和综合式三种。 框架式车架如图2.4所示又可分为周边式和边梁式两种。边梁式车架是由两根纵梁和连接纵梁的若干根横梁组成，当其承受扭矩时，纵横粱各部分同时产生扭转和弯曲。其优点是便于安装车身和布置其它总成，灵活性大。而周边式车架中部纵梁变宽，前后两端纵梁变窄，由于周边式车架是一种类似曲柄式的结构，它容许缓冲臂有一定的弹性变形，因而该种车架在缓和路面的不平冲击方面较好。但其结构所用材料较多、结构比边梁式复杂，且成本较高。图2.4框架式车架 图2.5脊梁式车架脊梁式车架如图2.5所示，该种车架主要由一根通过车架中央的封闭断面的管形脊梁和若干根悬伸托架构成，它的抗扭刚度大。使用此结构的汽车有较好的通过性，但车架制造工艺复杂，维修不便。综合式车架是综合框架式车架和脊梁式车架两种形式而成。车架的前、后部均近似边梁式结构，而中部采用脊梁式结构。此结构地板高度较低，中部抗扭刚度较大，但在地板中部往往形成大鼓包形状，影响乘员乘座舒适性，加之车架加工工艺复杂，所以该种车架应用不广。由于该节能车承受的载荷较小，路面的行驶状况良好，因此节能车车架采用框架边梁式整体结构。由于车架内部要有一定的容积来供车手乘坐，放置发动机，而采用框架式结构可以节约间，因而采用框架式车架。在承受扭矩时，纵梁和横梁同时产生弯曲和扭转，避免了应力的集中。通过对比框架式车架两种形式的上浮式车架和下浮式车架，如下图2.6和图2.7所示，相同材料，相同截面尺寸的上浮式和下沉式车架结构的刚度和强度比较好，且结构更为简单，质量更轻。最终采用下浮式车架，这种车架构造是在焊接较为强韧的梯形车架基础上装上轻量的整体车身。这种车架不仅可以缓和行驶时路面对车架的强烈冲击，还保方便车手对赛车的轻便操控。此外，这种车架在满足刚度、强度的条件下，结构简单，加工方便，因此我们决定采用下浮式车架。 图2.6上浮式车架 图2.7 下浮式车架2.2.5车架材料的选用节能车的车架材料选用需要考虑节能车的强度刚度要求、制作方案的方便可行性以及制作成本等多项因素。主要有以下三种材料可供选择： （1）槽钢。槽钢的截面为凹槽性，强度大，抗扭能力较强，负载性好，且槽钢成本低，焊接较为方便，是制作车架可选用的最成熟的材料。用槽钢制作的车架能满足节能车刚度要求，制作出来的车架稳定、牢固，能够保证赛车的安全性，我们节能车队10年第一次参加节能大赛车架材料选用的就是槽钢。但是用槽钢制作出来的车架的质量较大，对于以节能为主题的节能大赛来说节能效果不佳。 （2）铝合金。铝合金对于车架来说是比较新兴的材料，最突出的优点就是制作出来的车架轻便。铝合金已经在某些高档车领域和赛车得到应用，其焊接、强度等要求已经能够满足现在的赛车车架制作要求。但是铝合金价格较为昂贵，焊接技术复杂，我们车队又没有专门的焊机，焊接一个铝合金车架成本较大。 （3）不锈钢。不锈钢是现在各项赛车比赛中运用很广泛的材料，不锈钢相对于槽钢来说质量更轻，强度等性能变化也不大，而且不锈钢的抗腐蚀性好，有利于比赛过程中一些裸露的赛车车架使用。用不锈钢制作出来的车架能够减轻赛车质量，符合节能要求。11年我们制作的节能车车架选用的就是不锈钢材料，在制作上有一定参考作用。而且我们所掌握的不锈钢焊接技术能够满足车架的强度刚度要求，能够保证赛车车架的稳定，符合大赛赛车制作要求。分析以上三种材料，在稳定性、强度、刚度、焊接技术难度以及制作成本等多项因素的综合考虑下，最终选用不锈钢作为此次比赛车架制作的材料。2.2.6车架外廓尺寸的确定根据往届参赛队伍的经验来看，节能赛车的尺寸越小，结构越紧凑，节能效果越好。参考以往节能竞技车的尺寸，并根据此次大赛车手的身高，最终确定节能车的外廓尺寸：长:2600mm；宽:850mm；高:800mm；轴距:1500mm；轮距:540mm；因此车架的几何尺寸必须以满足车身的外廓尺寸为前提。车架的几何尺寸包括：车架的总长度、总宽度、总高度以及横梁截面尺寸等。车架的长度主要由节能车的外廓尺寸决定。由于该节能车的车架是承载式车身，车架本身也是驾驶舱，故该车架的总长还要考虑到轴距和驾驶员的身高。纵梁是车架中主要的承载元件，根据车身外壳的尺寸及其结构形式，节能型三轮汽车的车架长度(即整体式纵梁在X方向的长度)为1620mm，基本满足设计要求。节能车车架的宽度主要指左右两侧纵梁方管的中心线在Y方向上的距离，它受前轮距的限制。从提高整车的横向稳定性考虑，希望车架尽量宽些。但车架宽度过大必然导致车架结构材料用量增加，从而导致车架重量增大，节能车的节能效果变差，所以必须要同时考虑两者。最终确定节能车车架宽度为355mm。车架的高度受整车的高度限制，由于赛车车架本身也是车身的骨架，考虑到赛车在行驶过程中的行驶稳定性，兼顾到整车的重量限制，确定车架框架的高度为455mm。车架的总布置尺寸如图2.8：图2.8 车架尺寸2.2.7车架纵、横梁截面形状的确定普通内燃机汽车中，纵梁是车架中主要的承载元件，其长度大致接近于整车长度；其形状应力要求简单，断面沿长度不变或减少变化，以简化工艺。初步估算，节能车车架所受最大应力和最小应力差值比较小，所以车架纵梁采用等截面材料。一般纵梁的断面有槽形、工字型、管形和Z形等几种形式。槽形断面抗弯强度大，零件安装紧固方便，应用广泛，但在结构受力上抗扭性差，设计时一般须布置三向预应力，且构造复杂、自重大，施工繁琐。工字形截面和Z形断面的车架，工艺简单，但纵梁和横梁连接处的结构复杂。管形截面的优点是结构简单，易于弯曲，工艺简单。缺点是在具有相同的转动惯性矩下用材较多，构件之间的连接不方便。横梁的作用是连接两纵梁构成一整体框架，从而保证车架整体具有足够的抗扭刚度。此外还要有支承各主要总成的作用。其截面形状和纵梁一样有槽形、工字型、管形和Z形等几种。由于该节能车车架的重量较小，车架承受的弯矩和扭矩也不大，而且纵梁在长度方向上需要进行弯曲变形工艺处理，所以纵梁和横梁的结构均采用管形结构。在设计结构时，为了初步确定纵梁方管的截面尺寸(即长，宽和壁厚)，须作以下几点假设:纵梁为支承在前后轴上的简支梁；整车的簧载质量均加在简支梁上；所有内外载荷均通过截面的形心(忽略局部扭转产生的影响)。因此车架可以简化为图2.9 的简支梁模型。图2.9 简支梁模型该节能车的车架设计确定步骤如下：确定计算弯矩如图2-7所示，为发动机的均布载荷，为驾驶员的均布载荷，和两点为车轮安装位置，和为车轮给车架的反力。发动机质量，已知驾驶员质量。，计算可知： 因此车架的弯矩图如图2.10 所示图2.10车架简支梁弯矩图由图可知，梁上的最大弯矩为。考虑到汽车在行驶过程中受动载时的最大弯矩，可在最大静弯矩前乘一动载系数k。由于节能车的路面行驶状况良好，故取k=1.5，此动载系数考虑了实际行驶中遇到的最高路障时的载荷增值。故动载下的最大弯矩为。纵梁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。设b为方管长度(单位mm)，壁厚1.2mm，则方光内空心部分长度为。 则：其中为纵梁材料的疲劳极限，此处不锈钢。取b=25mm，410Mpa，满足要求。确定在该节能车车架上使用厚度为12mm厚的的25mm25mm方管。2.2.8关于车架附件车架的附件包括：转向装置与制动装置的安装支架、发动机的安装支架、地板、座椅，蓄电池等安装支架。以上所有支架均根据其它总成提供的数据设计，不再赘述。考虑到参赛宗旨是不断挖掘一公升汽油的潜能，从中体会节能的重要性，这就要求车架、车身的重量一定要轻。2.2.9车架的几何模型车架的建模软件采用的是Pro/E软件，它提供了强大的实体建模技术，提供了高效能的曲面建构能力，能够完成复杂的造型设计。根据对节能型三轮汽车车架的设计要求以及原理分析确定最终的车架几何模型如图2.11至2.14所示。图2.11 主视图图2.12 俯视图图2.13 前视图图2.14 轴侧图2.3车架有限元分析2.3.1ANSYS介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/E, CATIA， AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。 Workbench是ANSYS公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求，ANSYS公司提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。2.3.2建立有限元模型 车架主要以两根边梁组成和一些起连接作用的横梁组成。根据上面对纵梁强度计算，得出纵横梁选用12mm厚的的25mm25mm方管，有了具体的车架参数，采用Pro/E建立车架的三维图，如图2.15所示。图2.15 车架三维图通过CATIA建立了一个简化后的车架线体模型，在ANSYS12.0中赋予不同的截面，而且可以修改，对作静态分析有帮助。如图2.16是用CATIA建立的简化后车架的线体模型。图2.16 简化后车架的线体模型 把CATIA建立的车架线体模型导出为igs格式导入ANSYS12.0中，给线体模型赋予截面，生成后的车架有限元模型，如图2.17所示。图2.17 ANSYS12.0中车架有限元模型在ANSYS12.0 中建立车架模型时, 省略掉对车架整体强度影响较小的孔，采用Beam188 单元来离散整个结构。Beam188 是2 节点的梁单元，每个节点有6个自由度，其中包括3个线性位移自由度X，Y，Z 和3个沿X，Y，Z 轴方向的转动自由度。该单元适宜于分析细长或中等厚度的梁结构，可获得较好的整体应力水平分布情况，且计算速度快。梁与梁的连接处进行节点耦合。由于车轮与车架直接刚性连接，所以无需用弹簧单元来模拟悬架。2.3.3车架材料的选择和网格划分 车架材料用410不锈钢，屈服极限为410MPa, 计算结果中的最大应力小于410MPa,即可满足强度要求。 网格划分是有限元处理的主要工作，网格质量的好坏将直接影响计算结果。ANSYS12.0 Workbench的网格划分是比较智能的，有多重控制方法。此处采用实体单元，用Mesh中的Automatic Method对车架进行网格划分。为了使分析能够更加接近实际情况，把网格大小划分得尽量小点，把相关性设置最高100，网格划分元素大小为10mm,最后划分出来节点数量为2199，元素数量为1106。划分结果如图2.18所示。图2.18 车架的网格划分2.3.4载荷及约束处理 节能车采用两个前轮、一个后轮的形式。在要求简单轻便的总体设计前提下，节能车没有设计弹性悬架系统。车架所承受的力包括：车手重力：400N；发动机重力：150N；外壳及其他附件重力：100N。人体上下半身重量比大约为9:5。车手坐在车中，腿部向前伸展，上半身重量集中于臀部，所以在臀部位置施加上半身的集中力256N，在腿部中间位置施加下半身重力144N。发动机位于车辆后方，施加一个集中力。车壳通过4个安装点与车身相连，故将车壳和一些附件重力分散为4个力分布于车架周围。车架上力的分布如图2.19所示。图2.19车架力的分布情况 约束情况应按弯曲工况和弯扭工况分别处理。弯曲工况主要是模拟计算车辆在良好路面上匀速直线行驶时的应力分布和变形情况，此时车轮三平面平行，对两前轮UX、UY和UZ3个方向的自由度及后轮UZ方向的自由度进行约束即可。弯扭工况下车轮三个平面不平行，左前轮悬空，此时约束后轮UX、UY和UZ3个方向和右前轮UX和UZ方向的自由度，释放其余的自由度。弯扭工况是弯曲和扭转的组合工况，包含了弯曲工况在内，最大应力和变形都发生在此工况下。简便起见，这里仅以弯扭工况下的计算结果为设计依据，没有单独考虑纯弯曲工况。2.3.5结构分析计算 添加了约束和载荷后，我们队车架进行求解，包括应力求解和位移求解。车架在弯扭工况下的应力，位移和变形分布图，如图2.20图2.22所示。图2.20 车架弯扭工况应力云图图2.21 车架弯扭工况位移云图图2.22 车架弯扭工况变形云图从ANSYS静力分析界面可以得到，车架最大应力为101MPa，最大位移为9.4798 mm。车架的强度和刚度和车架变形量均在安全范围之内。2.3.6模态分析最后对车架进行模态分析，车架在赛车行驶过程中受到外部激励主要有两种：一是路面不平度产生的随机振动，频率一般在20Hz左右，另一种是发动机工作时，燃烧产生的压力和活塞往复运动产生的惯性力引起的简谐振动，这类激振频率范围较宽，如果这些激励的频率和车架的某一固有频率相吻合，就会出产生共振，造成车架被破坏的危险。因此，为了避免车架与发动机活塞运动出现共振现象，就必须对节能车车架的固有频率及振型特点进行分析，避开发动机活塞运动的激励频率。此处应用ANSYS12.0 Workbench Mechanical模块下的Modal功能对车架进行模态分析，找出车架的固有频率、变形特性和部位，为车架结构改进提供依据。提取其空载状态下的前几阶固有频率及相应振型，作为评价其动态性能好坏的参数。将模态提取方法定为Block Lanczos，并设定提取的模态阶数为10，起止频率分别为0和100Hz，提交计算，结果如表1和图2.232.27所示，列出了较多的刚体振型及其对应的频率。表2.1 车架前10阶固有频率及振型模态阶数自由模态固有频率 Hz振型特点10Y方向旋转20俯仰30Z方向平移41.653e-003Z方向旋转52.2223e-003X方向旋转65.268e-003Y方向旋转738.683弯曲856.192弯曲和扭转965.759S型弯曲1071.926S形侧向弯曲和扭转图2.23 第七阶固有振型图2.24 第八阶固有振型图2.25 第九阶固有振型图2.26 第十阶固有振型对该节能车而言，应使车架低阶频率避开发动机的低怠速运转时的频率，以免两者发生共振。此外，还应考虑发动机在节能车最高速度与最佳节油效果时的发动机运转频率。发动机的怠速转速为900左右，对应的频率约为6.6Hz，未与车架固有频率重合。发动机在其转速为3500rpm4000rpm这个范围内时，发动机的燃油消耗率最小，为304g/km，此时发动机的运转频率为29.133.3Hz,未与车架固有频率重合。赛车最高速度是40km/h,根据传动方面的计算，此时对应的发动机转速为4263rpm,发动机的运转频率35.5Hz，未与车架固有频率重合。20最终做出来的车架实体，如图2.27所示。图2.26 最终做出来的车架实体3 转向系统的设计与分析3.1转向系统的定义及作用汽车转向系统是用来改变或保持汽车行驶或倒退方向的一系列装置。汽车转向系统的功能就是能够按照驾驶员的操纵来控制汽车的行驶方向。汽车的转向系统一般都由转向操纵机构、转向器及转向传动三部分组成。转向时驾驶员转动方向盘，方向盘对转向轴产生一个力矩，改力矩通过传动轴输给转向器，经由转向器放大和改变力的作用方向后传到直拉杆，最后传递到左右车轮的转向节拉动车轮旋转，改变汽车的行驶方向。节能赛车的转向轮是两前轮，所以节能赛车的转向技术可以向市用汽车借鉴，但是由于节能赛车的简单结构和比赛要求等的限制，节能赛车的转向系统不能原搬照抄市用汽车店的转向技术，需要做一些简化和改进，如下：（1）保留转向系统最基本的转向操纵机构、转向器和转向传动机构3个组成部分。（2）为了保证两前轮的在转向时保持一定的角度关系，采用“阿克曼式转向机构”。（3）为了突出节能赛车的节能特性，尽量在原有基础上简化机构，采用轻质材料。3.2节能车转向机构方案确定节能车转向的设计是根据车轮布置方案来确定的，车轮配置的情况将直接影响转向方案的确定。此次节能车车轮配置及转向方法为前两轮后一轮驱动前轮转向如图3.1。这样转向方案，使的转向机构构造简单、容易制作、稳定性好、行驶阻力小。此转向方案的关键点在于操纵的轻便性、车轮定位的准确性及机构的轻量化。 图3.1 前一轮后两轮前轮转向 图3.2 阿克曼式转向结构在节能车转向机构的设计上，一般采用阿克曼式结构，如图3.2所示。节能22车转向时，为了减少车轮的阻力，前两轮必须沿着一定的圆弧轨迹行驶，转向轮的延长线落在无操纵性后轮轴的延长线上，外侧车轮的转角要比内侧轮转角小。前两轮操控转向时，车轮的转向轴和横向拉杆的支点连线形成梯形结构。将后轮车轴的中心与前转向轮轴相连，在绘图线上找到横拉杆两端的支点，然后通过设计转向臂长度，就可以最终确定梯形的形状。 3.3节能车转向总成的分析和计算节能车转向装置如图3.3所示，共包括三大总成：转向操纵机构、转向器和转向传动机构。节能车转向操纵机构包括转向车把、转向轴、支承转向轴的转向轴承组成；转向器即为转向摇臂；转向传动机构包括转向横拉杆、转向节臂。此外，还包括连接转向车轮和转向传动机构的转向节总成。 图3.3转向装置三维图（1）转向操纵机构，见图 3.4 第3章 转向系统的设计与分析 XXIV 第3章 转向系统的设计与分析图3.4 转向操纵机构三维图转向车把直接采用自行车车把，在长度上可缩短调节。车把的强度经焊接后能满足要求。在节能车中，转向轴承受转向操纵杆的扭矩，传递给转向直拉杆，转向操纵杆与车把焊接，并通过关节轴承固定在车架上，但可以绕关节轴承旋转，下端用螺栓拧住防松。转向轴轴承为杆端关节轴承，通过螺帽与车架连接，轴承内壁与转向轴采用过盈配合，并采用润滑脂润滑，以使转向轻便，同时还起到支承转向轴和车把的作用。 （2）转向器，见图 3.5 转向器是用来放大或改变驾驶员的转向操纵力和操纵方向的装置，在该节能车上可简化为转向摇臂。转向摇臂采用铝片加工，为满足扭转强度，适当增加其厚度。上端有半圆与转向轴焊接相连，下端开有两个圆孔，均采用螺栓与转向直拉杆相连。 图3.5 转向器 图3.6转向节 （3）转向传动机构 转向传动机构的作用是将转向摇臂输出的力和运动传到转向节，使两转向轮偏转，并且使外轮的转角小于内轮。转向传动机构在结构上最重要的组成部分是联系左右车轮的梯形机构。转向横拉杆、转向节臂和车架部分构成转向梯形，直拉杆连接转向摇臂和转向节臂。（4）转向节总成，见图 3.63.4节能车转向机构零件的计算与校核为了保证节能车行驶过程中安全，组成转向装置的各零件自身应有足够的强度。在转向装置设计过程中，应使用合理零件机构，使得所设计的转向装置零件在质量较轻的情况下也能满足转向时所需强度和刚度。利用半经验公式来计算节能车在沥青路面上的原地转向阻力矩()。即 式中，f为轮胎于路面的滑动摩擦因数，一般取0.7；为转向轴负荷，等于施加在车把上双手的力和车把上安装的油门、刹车、测速表等装置的重量。经实际测量，在车手体重为40kg时，转向轴负荷近似为100N（10kg）；P为轮胎气压，节能车采用的轮胎工作的气压范围是280kPa450kPa，取P为400kPa，即0.4MPa，代入公式计算得：作用在车把上的手力的计算采用现有的转向盘上手力的计算公式为：式中，L1为转向摇臂的长=65mm； L2 为转向节臂的长=70mm； 原来的公式中为转向盘的直径，这里取为转向车把的长度=330mm； 为转向角传动比，近似地用转向节臂长L2与摇臂臂长L1之比来表示，现代汽车结构中， L2 与L1的比值大约在0.851.10之间，可近似认为其比值为1； 为转向器角传动比，在节能车上未使用转向器，故取=1.0。代入公式： 在转向装置各个零件的设计过程中，各个零件首先必须满足转向时强度的要求，绝对不能在赛车的行驶过程中出现断裂、压溃现象；其次，各零件在满足转向强度要求的前提下，还应具有较大的刚度，避免转向过程中各零部件产生较大的弯曲变形，从而影响车轮定位参数。在计算校核转向装置的过程中，大部分的零件均能保证安全，个别零件要求强度较低刚度较大的情况，则可选用弹性模量较大的材料来加工转向装置零件。按照上述的方法，完成转向装置各零件的设计。根据赛道的最小弯道的半径，见图3.7，设定转向轮的最大转角为30，利用最小转弯半径的计算方法进行计算。图3.7 赛车场最小转弯半径 图3.8 图解节能车的转向过程如图3.8，最大转角=30，DE的长度约为1620mm，则在三角形EOD中， 即最小转弯半径为3.3m，能满足最小转弯半径的要求。在完成转向系各零件的计算校核之后，转向系参数见表3.2.1。表3.1 转向系参数名称参数转向系角传动比最大转角最小转弯半径数值 1.030 3.3 m3.5转向系统的方案总结 （1）节能车转向装置总成的分析与计算。目前能够选用的转向总成方案比较多，结合赛车车架的设计以及整车布局合理确定转向装置的总成对于下一步工作具有指导意义。 （2）节能车转向装置各零件的参数计算与强度及刚度分析。其中最为重要的是车轮定位参数的合理确定，这对于节能竞技车的滑行效果及车手操纵的轻便与舒适性影响较大。 （3）转向装置三维模型的建立与转向机构各零件之间的连接关系的选定较重要，合理的连接关系的选择有利于达到设计目标。转向装置的轻量化对于减少整车质量，降低油耗有帮助 。26 第4章 论文总结27 4论文总结本田不惜余力的在全世界倡导绿色环保，节能竞技大赛为广大爱好者提供了展现梦想的平台，一升油，一个梦，让梦想飞翔。本论文通过理论与实践相结合，最终确定了节能车的车架和转向方案，主要完成了以下工作： （1）对已有节能车车架纵粱进行弯矩和疲劳极限进行理论上的计算。运用Pro/E三维软件对车架进行建模，并用CATA建立线体车架，导入ANSYS中Workbench工作界面，对车架在弯扭工况下的应力，位移和变形进行分析。之后，对车架进行模态分析，找出车架的固有频率、变形特性和部位，为今后的车架结构改进提供依据。 （2）选用合适的转向总成方案，进行三维建模，对其各转向系数计算。其中最为重要的是车轮定位参数的合理确定，这对于节能竞技车的滑行效果及车手操纵的轻便与舒适性影响较大。结合赛车车架的设计以及整车布局合理确定转向装置的总成对于下一步工作具有指导意义。 进一步工作： （1）车架轻量化是现在汽车节能技术中的重点，很多其他领域也都将轻量化作为发展战略，轻量化带来的节能效果也十分理想，故在整个设计中轻量化始终是一个着重考虑的因素。在车架强度、刚度满足要求的前提下，对其进一步优化设计方案，去除车架的多余尺寸，使车架能够在现有基础上更加小巧轻便；选用新型车架也是一种不错的节能方案吗，例如使用铝合金来制作车架。 （2）转向装置可选用更加轻质的材料，例如转向连杆，转向块等都可以使用铝质材料。在尺寸上，可根据新型车架的尺寸进一步优化。由于本人专业水平和实践能力有限，文中难免有不妥之处，还请各位指导老师和专家原谅，并且欢迎大家批评指正，以便在今后的学习和工作中加以改进。参考文献1 杨沿平.中国汽车节能思考M.北京：机械工业出版社，2010.2 (日)松本康平.汽车环保技术M.曹秉刚译.西安：西安交通大学出版社，2005.3 崔胜民.新能源汽车技术M.北京：北京大学出版社，2009.4 欧阳明高.我国节能与新能源汽车发展战略与对策J.科学新闻，2007,11.5 冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用J.汽车工程，2006(28).6 王望予.汽车设计M.北京：机械工业出版社，2004.7 刘惟信.汽车设计M.北京：清华大学出版社，2001.8 陈家瑞.汽车构造M.北京：机械工业出版社，2002.9 余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社，2000.10 唐宇明.汽车转向制动系设计M.南京：东南大学出版社，1994.11 王霄峰.汽车底盘设计M.北京：清华大学出版社，2010.12 (美)迈利克.汽车轻量化-材料、设计与制造M.于京诺译.北京：机械工业出版社，2012.13 (日)鸠田幸夫.汽车设计制造指南M.王利荣译.北京：机械工业出版社，2012.14 王永伦.汽车制造工艺基础M.北京：机械工业出版社，2012.15 宋新萍.汽车制造工艺学M.北京：清华大学出版社，2011.16 蔡明清，李强.汽车行驶系统与转向系统维修M.北京：人民交通出版社，2012.17 陆春.节能车转向装置设计D.南京：南京理工大学，2009.18 赵岩.节能竞技车的研发与技术研究D.西安：长安大学，2009.19 刘玉梅.汽车节能技术与原理M.北京：机械工业出版社，2003.20 李平，谌海霞.现代汽车环保与节能技术的发展J.公路与汽运，2006,4(2).致 谢本文是我在凌秀军老师的悉心指导下完成的。凌老师对本文的撰写提出了许多宝贵的意见，凌老师严谨的治学态度、宽广的胸怀以及渊博的学识给我留下了深刻的印象，同时也让我受益匪浅!凌老师不仅指导我完成了毕业论文，而且还教会了我许多做人做事的道理，这必将给我今后的学习和工作带来很大的帮助。在此，我向凌老师表示最诚挚的敬意和衷心的感谢!祝愿他及家人身体健康，万事如意!在论文完成期间，还得到了机电工程学院汽车系许多同学和师兄弟们的大力支持、理解和帮助，还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是他们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题并及时的改正，也向他们表示衷心的感谢!还要感谢的是我的父母，感谢他们多年来在经济、精神和生活上给予我无私的支持、理解和鼓励以及给了我良好的家庭教育。最后向所有帮助过我的老师、同学、朋友以及在百忙之中抽出宝贵时间对我论文进行评审的专家们表示最诚挚的谢意!