大學(xué)生賽車夢(mèng)（2） 賽車的車架結(jié)構(gòu)與制作

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)學(xué)堂頻道】在上一期的內(nèi)容中，我已經(jīng)向大家粗略介紹了大學(xué)生方程式汽車大賽這項(xiàng)賽事。那么接下來(lái)我將向大家介紹這類賽車的車架結(jié)構(gòu)和制作過(guò)程。與很多專業(yè)賽車的設(shè)計(jì)類似，大學(xué)生方程式的賽車主要是使用桁架式結(jié)構(gòu)的鋼管車架和復(fù)合材料的單體殼結(jié)構(gòu)這兩種。下面我們來(lái)一起了解下這兩種賽車的框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程。

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● 什么是鋼管車架

　　鋼管車架常用于賽車領(lǐng)域，為了增強(qiáng)賽車的安全性而增設(shè)。賽車比賽容易發(fā)生碰撞和翻滾，因此會(huì)將比賽車的內(nèi)飾拆除，焊裝一根一根按照車廂內(nèi)部的輪廓進(jìn)行連接或焊接的框架。

　　而將鋼管作為車體框架的量產(chǎn)車型不多，在國(guó)外并且是合法上路的也是屈指可數(shù)。下圖是在國(guó)外合法上路的量產(chǎn)鋼管車Ariel Atom。

● 大學(xué)生方程式賽車車架基本結(jié)構(gòu)介紹

　　大學(xué)生方程式的賽車大部分都是采用鋼管車架，而賽會(huì)的賽事規(guī)則對(duì)鋼管車架的結(jié)構(gòu)、鋼管規(guī)格、材質(zhì)都做出了要求。

　　每一支車隊(duì)的車架結(jié)構(gòu)中都需要盡可能多的使用三角結(jié)構(gòu)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，符合力學(xué)要求。

　　例如防滾架是賽車對(duì)車手安全保護(hù)的一個(gè)最重要的安全屏障，當(dāng)賽車發(fā)生翻滾時(shí)必須保護(hù)車手的頭部和腿部不與地面接觸，因此規(guī)則會(huì)有硬性設(shè)計(jì)要求。

　　基于大賽規(guī)則和人機(jī)工程，對(duì)車架的數(shù)據(jù)盡可能多的采集足夠的數(shù)據(jù)，為后期的三維模型的建立提供數(shù)據(jù)支持。

● 大學(xué)生方程式賽車車架設(shè)計(jì)流程

一、熟讀規(guī)則，模型搭建獲取設(shè)計(jì)基本參數(shù)

　　由于賽車必須車輪外露和座艙敞開(kāi)（方程式賽車式樣），因此賽車的安全性必須得到保證。所以采用鋼管作為賽車的框架結(jié)構(gòu)的賽車必須符合賽會(huì)對(duì)鋼管材料的要求、管徑厚度、結(jié)構(gòu)形式等要求。

　　賽車還需要適合從第5 百分位的女性到第95 百分位的男性車手駕駛，因此需要搭接模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在性能和舒適性方面需要做出取舍，數(shù)據(jù)需要不斷調(diào)整。

　　根據(jù)不同的車手的數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)工程模擬，在車手駕駛姿勢(shì)和視野、舒適性方面進(jìn)行取舍。

二、使用三維軟件進(jìn)行建模和分析

　　將前期模型搭建、人機(jī)工程獲得的設(shè)計(jì)基本參數(shù)進(jìn)行三維建模。

　　為了符合賽事規(guī)則要求的車架扭轉(zhuǎn)剛度要求，各車隊(duì)還需要對(duì)設(shè)計(jì)的車架進(jìn)行有限元分析。

　　在有限元軟件中進(jìn)行靜力分析、優(yōu)化及模態(tài)，得出車架扭轉(zhuǎn)剛度，在滿足車架安全和使用的條件下對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和輕量化。

三、定位模具和焊接

　　由于方程式車架的設(shè)計(jì)比較緊湊，許多零部件的安裝位置極限，因此對(duì)焊接精度要求比較高，同時(shí)還需要注意焊接的時(shí)候的熱變形。

　　一般整體式的定位夾具定位精度較高，可以將整個(gè)車架搭建起來(lái)，再進(jìn)行誤差調(diào)整，一般車架的誤差范圍控制在2mm范圍內(nèi)。

【國(guó)外車隊(duì)車架加工過(guò)程視頻】

● 什么是單體殼？

　　在1962年的蓮花25型上，技師首次用鉚釘加固的輕金屬殼體替代了傳統(tǒng)的管狀框架座艙，這是引入F1賽壇的第一具單體殼。

　　但是第一具真正意義上的碳纖維單體殼卻是邁凱輪在1984年引進(jìn)的。從那開(kāi)始，碳纖維單體殼便被作為保護(hù)車手的第一設(shè)備沿用至今。

　　單體殼使用的材料多種多樣，但現(xiàn)代使用最多的單體殼材料是由昂貴的碳纖維制成，這種材料的強(qiáng)度是鋼的數(shù)倍，但是質(zhì)量只有其5分之一。

● 大學(xué)生方程式賽車單體殼車身

　　使用單體殼作為替代車架的車隊(duì)在國(guó)內(nèi)是屈指可數(shù)，單體殼的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但制作需要的模具和設(shè)備材料則非常昂貴。并且需要保證單體殼的制作工藝。

【國(guó)外車隊(duì)碳纖維單體殼加工過(guò)程視頻】

　　由于碳纖維單體殼涉及到碳纖維制件的加工，因此將留待下一期介紹碳纖維車身及碳纖維制件一并述說(shuō)。

　　總結(jié)：車架作為賽車各系統(tǒng)部件及車手安全的承載體，需要足夠的安全和保護(hù)。學(xué)生們?cè)谠O(shè)計(jì)車架時(shí)也遵循一般的汽車設(shè)計(jì)流程，人機(jī)工程、數(shù)據(jù)采集、模型搭建一樣不缺。下一期我們將繼續(xù)關(guān)注賽車的其它部分。（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 周建強(qiáng)）