大学生赛车梦（2） 赛车的车架结构与制作

　　在上一期的内容中，我已经向大家粗略介绍了大学生方程式汽车大赛这项赛事。那么接下来我将向大家介绍这类赛车的车架结构和制作过程。与很多专业赛车的设计类似，大学生方程式的赛车主要是使用桁架式结构的钢管车架和复合材料的单体壳结构这两种。下面我们来一起了解下这两种赛车的框架结构的设计和制作过程。

体验读图模式

 

想回顾上期内容的朋友请点击以下图片，浏览相关内容：

 

● 什么是钢管车架

　　钢管车架常用于赛车领域，为了增强赛车的安全性而增设。赛车比赛容易发生碰撞和翻滚，因此会将比赛车的内饰拆除，焊装一根一根按照车厢内部的轮廓进行连接或焊接的框架。

　　而将钢管作为车体框架的量产车型不多，在国外并且是合法上路的也是屈指可数。下图是在国外合法上路的量产钢管车Ariel Atom。

● 大学生方程式赛车车架基本结构介绍

　　大学生方程式的赛车大部分都是采用钢管车架，而赛会的赛事规则对钢管车架的结构、钢管规格、材质都做出了要求。

　　每一支车队的车架结构中都需要尽可能多的使用三角结构，点对点，符合力学要求。

　　例如防滚架是赛车对车手安全保护的一个最重要的安全屏障，当赛车发生翻滚时必须保护车手的头部和腿部不与地面接触，因此规则会有硬性设计要求。

　　基于大赛规则和人机工程，对车架的数据尽可能多的采集足够的数据，为后期的三维模型的建立提供数据支持。

● 大学生方程式赛车车架设计流程

一、熟读规则，模型搭建获取设计基本参数

　　由于赛车必须车轮外露和座舱敞开（方程式赛车式样），因此赛车的安全性必须得到保证。所以采用钢管作为赛车的框架结构的赛车必须符合赛会对钢管材料的要求、管径厚度、结构形式等要求。

　　赛车还需要适合从第5 百分位的女性到第95 百分位的男性车手驾驶，因此需要搭接模型进行数据采集。在性能和舒适性方面需要做出取舍，数据需要不断调整。

　　根据不同的车手的数据进行人机工程模拟，在车手驾驶姿势和视野、舒适性方面进行取舍。

二、使用三维软件进行建模和分析

　　将前期模型搭建、人机工程获得的设计基本参数进行三维建模。

　　为了符合赛事规则要求的车架扭转刚度要求，各车队还需要对设计的车架进行有限元分析。

　　在有限元软件中进行静力分析、优化及模态，得出车架扭转刚度，在满足车架安全和使用的条件下对车架结构进行优化和轻量化。

三、定位模具和焊接

　　由于方程式车架的设计比较紧凑，许多零部件的安装位置极限，因此对焊接精度要求比较高，同时还需要注意焊接的时候的热变形。

　　一般整体式的定位夹具定位精度较高，可以将整个车架搭建起来，再进行误差调整，一般车架的误差范围控制在2mm范围内。

【国外车队车架加工过程视频】

● 什么是单体壳？

　　在1962年的莲花25型上，技师首次用铆钉加固的轻金属壳体替代了传统的管状框架座舱，这是引入F1赛坛的第一具单体壳。

　　但是第一具真正意义上的碳纤维单体壳却是迈凯轮在1984年引进的。从那开始，碳纤维单体壳便被作为保护车手的第一设备沿用至今。

　　单体壳使用的材料多种多样，但现代使用最多的单体壳材料是由昂贵的碳纤维制成，这种材料的强度是钢的数倍，但是质量只有其5分之一。

● 大学生方程式赛车单体壳车身

　　使用单体壳作为替代车架的车队在国内是屈指可数，单体壳的设计简单，但制作需要的模具和设备材料则非常昂贵。并且需要保证单体壳的制作工艺。

【国外车队碳纤维单体壳加工过程视频】

　　由于碳纤维单体壳涉及到碳纤维制件的加工，因此将留待下一期介绍碳纤维车身及碳纤维制件一并述说。

　　总结：车架作为赛车各系统部件及车手安全的承载体，需要足够的安全和保护。学生们在设计车架时也遵循一般的汽车设计流程，人机工程、数据采集、模型搭建一样不缺。下一期我们将继续关注赛车的其它部分。