CN105620553A - 一种节能赛车车架 - Google Patents

Abstract

本发明是一种节能赛车车架。包括有第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁、第一上横梁、第二上横梁、第一纵梁、第二纵梁、第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱、第一支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆、第六支撑杆、第七支撑杆、第八支撑杆、横板，本发明车架是节能竞技赛车的承载基体，承载车手、发动机、车身、转向、制动结构等的重量以及车轮的支撑力、工作载荷的作用力，缓冲路面对车体冲击力等，是保证赛车操纵平稳性与行驶安全性的重要总成。本发明结构紧凑、质量轻、成本低，强度刚度均满足设计要求。

Description

一种节能赛车车架

技术领域

本发明车架是一种用于节能竞技赛车的承载基体，承载赛车行驶时车手、发动机、车身、转向结构等的重量以及车轮的支撑力、工作载荷的作用力等，本发明属于车辆轻量化节能技术。

背景技术

现有的节能赛车车架为了轻量化、节能多采用铝合金管制作，铝合金管横截面有方型、圆型、角型等。方管是赛车车架构件较多采用的横截面形状，具有较好的抗弯与抗扭能力，但截面模数较少。圆管能承受较大的扭转应力，但截面模数较少，外表面非平面较难焊接。角型管抗扭性能较差，当载荷作用点不在弯心或横截面主轴平面时，易发生斜弯曲，产生较大变形。槽型管具有较好的抗弯与抗扭能力，未见有应用于节能赛车中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，质量轻，成本低，强度刚度均满足功能要求的节能赛车车架。本发明车架能够很好地承载赛车车手、发动机、车身等部件的重量以及车轮的支撑力、工作载荷的作用力，保证赛车操纵平稳性与行驶安全性，通过车架轻量化，实现车辆运行节能目的。

本发明的技术方案是：包括有第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁、第一上横梁、第二上横梁、第一纵梁、第二纵梁、第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱、第四支撑杆、第五支撑杆、第六支撑杆、第七支撑杆、第八支撑杆、横板，其中第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁的两端均分别与第一纵梁及第二纵梁连接；第一上横梁的一端与第一立柱的上端连接，第一上横梁的另一端与第二立柱的上端连接；第一立柱的下端及第二立柱的下端分别与第一下横梁的两端连接；第二上横梁的一端与第三立柱的上端连接第二上横梁的另一端与第四立柱的上端连接；第三立柱的下端及第四立柱的下端分别与第四下横梁的两端连接；第四支撑杆的一端与第六支撑杆及第八支撑杆的一端连接；第五支撑杆的一端与第七支撑杆及第八支撑杆的另一端连接；第四支撑杆及第五支撑杆的另一端分别与第二纵梁及第一纵梁连接固定；第六支撑杆及第七支撑杆的另一端分别与第四立柱及第三立柱连接固定，横板的两端分别与第一纵梁及第二纵梁连接。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本节能赛车车架主要构件横梁与纵梁采用槽型铝合金管，质量轻，可实现轻量化节能目的，且强度刚度均满足赛车要求。

2、本节能赛车车架结构紧凑，在满足赛车驾驶操纵要求基础上，采用较小的赛车高度与宽度，迎风面积小，空气阻力低，可实现降低行驶阻力提升燃油经济性目的。

3、根据人机工程学原理设计座椅带圆弧半径，可以较好地实现赛车手乘坐舒适性的目的。

附图说明

图1为本发明节能赛车车架结构示意图。

图2为本发明节能赛车车架结构侧视图。

具体实施方式

本发明的节能赛车车架整体结构如图1所示，本发明的节能赛车车架，包括有第一下横梁11、第二下横梁13、第三下横梁14、第四下横梁16、第一上横梁12、第二上横梁15、第一纵梁9、第二纵梁10、第一立柱17、第二立柱18、第三立柱19、第四立柱20、第四支撑杆4、第五支撑杆5、第六支撑杆6、第七支撑杆7、第八支撑杆8、座椅带21、横板22，其中第一下横梁11、第二下横梁13、第三下横梁14、第四下横梁16的两端均分别与第一纵梁9及第二纵梁10连接，第一上横梁12的一端与第一立柱17的上端连接，第一上横梁12的另一端与第二立柱18的上端连接，第一立柱17的下端及第二立柱18的下端分别与第一下横梁11的两端连接，第二上横梁15的一端与第三立柱19的上端连接，第二上横梁15的另一端与第四立柱20的上端连接，第三立柱19的下端及第四立柱20的下端分别与第四下横梁16的两端连接，第四支撑杆4的一端与第六支撑杆6及第八支撑杆8的一端连接，第五支撑杆5的一端与第七支撑杆7及第八支撑杆8的另一端连接，第四支撑杆4及第五支撑杆5的另一端分别与第二纵梁10及第一纵梁9连接固定，第六支撑杆6及第七支撑杆7的另一端分别与第四立柱20及第三立柱19连接固定，座椅带21的两端分别装设在第三下横梁14与第八支撑杆8上，横板22的两端分别与第一纵梁9及第二纵梁10连接。

本实施例中，上述第一下横梁11还连接有第二支撑杆2及第三支撑杆3，其中第二支撑杆2的一端及第三支撑杆3的一端分别固定在第一下横梁11的两端，第二支撑杆2的另一端及第三支撑杆3的另一端分别固定在第一支撑杆1的两端。

上述横板22用于承载发动机的重量，第一立柱17、第二立柱18、第三立柱19、第四立柱20用于分别安装前、后车轮，第一纵梁9、第二纵梁10用于支撑车壳，第一支撑杆1用于支撑驾驶员双脚，第四支撑杆4、第五支撑杆5、第六支撑杆6、第七支撑杆7、第八支撑杆8以及第一下横梁11、第二下横梁13、第三下横梁14用于支撑驾驶员的重量。

本实施例中，上述第一下横梁11、第二下横梁13、第三下横梁14、第四下横梁16、第四支撑杆、第五支撑杆5、横板22与第一纵梁9、第二纵梁10间采用焊接联接方式；第一上横梁12与第一立柱17、第二立柱18间采用焊接联接方式；第二上横梁15与第三立柱19、第四立柱20间采用焊接联接方式；第一立柱17、第二立柱18与第一下横梁11间采用焊接联接方式；第三立柱10、第四立柱20与第四下横梁16间采用焊接联接方式；、第三立柱19、第四立柱20与第六支撑杆6、第七支撑杆7间采用焊接联接方式；第四支撑杆4、第五支撑杆5、第六支撑杆6、第七支撑杆7、第八支撑杆8之间采用焊接联接方式；第二支撑杆2、第三支撑杆3与第一下横梁11间采用焊接联接；第二支撑杆2、第三支撑杆3与第一支撑杆1间采用焊接联接方式。

此外，上述第三下横梁14、第八支撑杆8之间还装设有座椅带21，座椅带21的两端分别与第三下横梁14、第八支撑杆8连接。

上述座椅带21共有五条，五条座椅带21的两端分别与第三下横梁14、第八支撑杆8采用铆钉联接。本实施例中，上述5条座椅带21是用薄的铝合金带，带弯成圆弧形式，根据人机工程学原理设计圆弧半径为283mm，可以较好地满足赛车手乘坐舒适性的目的。

本实施例中，上述第一支撑杆1、第二支撑杆2、第三支撑杆3、第四支撑杆4、第五支撑杆5、第六支撑杆6、第七支撑杆7、第八支撑杆8均是支撑管。

本实施例中，上述第一支撑杆1、第二支撑杆2、第三支撑杆3、第四支撑杆4、第五支撑杆5、第六支撑杆6、第七支撑杆7、第八支撑杆8均是圆管，均采用型号为40×2的空心铝合金圆管；横板22采用厚度为6mm实心铝合金板，座椅带21采用5条宽度为20mm，厚度为2mm的铝合金片。铝合金材质均为6061^#。

本实施例中，上述第一下横梁11、第二下横梁13、第三下横梁14、第四下横梁16、第一上横梁12、第二上横梁15、第一纵梁9、第二纵梁10、第一立柱17、第二立柱18、第三立柱19、第四立柱20均采用槽型铝合金型材，第一纵梁9、第二纵梁10、第一立柱17、第二立柱18、第三立柱19、第四立柱20、第一上横梁12、第二上横梁15与第一下横梁11、第四下横梁16的横截面槽型开口采用对称布置的方式，从而增强抗扭强度。具体布置情况如下：以车架水平放置为基准，第一纵梁9、第二纵梁10这2条纵梁槽型开口均向外，第一立柱17、第二立柱18、第三立柱19、第四立柱20这4根立柱槽型开口均向外，第一上横梁12、第二上横梁15的槽型开口向上，第一下横梁11、第二下横梁13、第三下横梁14、第四下横梁16槽型开口均向下。

本发明车架总长1900mm，车架总宽400mm，车架总高470mm。其中第一支撑杆1与第一下横梁11的距离为0.51m，第一支撑杆1与第二下横梁13的距离为0.67m，第一支撑杆1与第三下横梁14的距离为0.95m，第一支撑杆1至横板22的最小距离为1.19m，第一支撑杆1与第八支撑杆8的水平距离为1.38m，如图2所示。本发明车架总重为6.32kg。

本实施例中，上述第四支撑杆4及第五支撑杆5与水平方向的夹角为53°，第六支撑杆6及第七支撑杆7与水平方向的夹角为37°。

本发明在满足驾驶操纵需求前提下，采用较低的赛车高度与宽度，结构紧凑，以减少迎风面积、降低风阻，达到节能目的。，

本发明的节能赛车车架具体实施如下：

1、车架材质选择

车架材料性能直接影响着车辆行驶安全性，其重量对车辆油耗影响较大。车架材质选取综合考虑重量、强度、加工性能与性价比等因素。

常用节能赛车车架材料包括不锈钢、铝合金、碳纤维、钛合金等。各种材料性能参数见表1。其中不锈钢的比强度(材料的强度与其表观密度之比)最低，其密度最大；碳纤维的比强度及硬度明显高于其它三种，但是其韧性(伸长率)最低，且价格远高于其它三种；钛合金的比强度略高于铝合金，硬度也优于铝合金仅次于碳纤维，韧性最好，但是其价格约为铝合金的37.5倍。

考虑到节能赛车车架对材料的硬度与韧性的要求不高，对材料的强度与质量要求高，故以比强度与材料单位价格为主要评价指标，选取单位价格较低、比强度中等的铝合金为车架材料。

本发明综合考虑车架所需强度、可焊性以及可获得性，采用6061^#铝合金管件作为车架构建材质。6061^#铝合金是以镁元素与硅元素为主要合金元素的铝合金，其强度中等、抗腐蚀性良好、韧度高，并具有较好的可焊接性与抗氧化效果。

表1各材料的性能参数及价格信息

2、车架主要铝合金构件截面形状选型及布置方式

铝合金管件按横截面分，可以分为方管、圆管、槽型管与角型管四种。为了比较不同截面型式的铝合金管的拉伸应力，选取横截面积相近的方管铝合金、圆管铝合金，槽型铝合金与角型铝合金进行比较。几种横截面形状的铝合金管参数见表2。

方管铝合金该材料属于闭口件，有较好的抗弯与抗扭能力，但截面模数较少。圆管铝合金属于闭口件，能承受较大的扭转应力，但是截面模数较少，外表面不是平面，较难焊接。角型铝合金属于开口件，抗扭性能较差，当载载荷作用在非弯心或与横截面主轴平面不同时，将发生斜弯曲，产生较大变形。槽型铝合金属于开口件，抗扭性能较差，当加载不作用于弯心或横截面主轴平面时，将发生斜弯曲，产生较大变形，工程上常采用两条管开口对称布置，这样构件的抗扭能力将大大增强。槽型铝合金截面模数大，两边能承受较大的弯曲应力。而且槽型铝合金y轴的惯性矩与z轴的抗弯截面系数大于其它截面的铝合金，当其槽边受力时，抗弯曲能力最强。

表2不同截面的铝合金管参数

其中I_y、l_z、W_y、W_z分别为y轴的惯性矩、z轴的惯性矩、y轴的抗弯截面系数、z轴的抗弯截面系数。

本发明采取槽型铝合金作为车架主要承载构件，即横梁与纵梁的铝合金材料截面为槽型。圆型铝合金作为驾驶员脚支架、座椅背支架的构件材料，在保证车架强度刚度前提下，实现材料轻量化。

纵梁以及立柱的槽型开口采用两两管件对称布置的方式，以增强抗扭强度。具体布置情况如下：以车架水平放置为基准，2条纵梁槽型开口向外，4根立柱槽型开口均向外，下横梁的槽型开口向下，上横梁的槽型开口向上。节能赛车车架强度校核

车架主要受到车手的重力，车身的重力、发动机的重力、加速阻力与车轮对车架的支撑力。先分析出车架上受到的车手重力、车身重力、发动机重力与加速阻力，再通过车架的总体受力分析求出车轮对车架的支撑力。

利用CATIA三维作图软件画出车架的三维图，然后使用ICEM软件将车架进行网格划分，分别对匀速行驶工况(速度保持在25km/h)和最大加速工况(速度由5km/h加速至65km/h)两种条件下，对横梁与纵梁采用不同截面形状的铝合金管件车架受力情况进行有限元分析，得出结果见表3。

表3不同截面形状的铝合金管件车架受力情况

经分析节能赛车车架的许用应力为170MPa，在赛车匀速或最大加速度工况下，计算结果表明无论是方管、圆管、角型铝合金还是槽型铝合金车架，其最大应力均少于车架的许用应力，均可用于赛车车架的制作。表3中还能看出，槽型铝合金的最大应力、最大形变、重量以及体积均为四种铝合金中最小的。选用槽型铝合金，相比通常采用的方管铝合金车架质量减少27.7％，相比圆管铝合金车架减少9.1％，相比角型铝合金车架减少6.5％，能够达到有效降低赛车自重的目的。

本发明的特点在于：

1、本节能赛车车架主要构件横梁与纵梁采用槽型铝合金材质，质量轻、强度高、成本低。在满足赛车强度要求的基础上，能够实现车架轻量化。

2、在满足驾驶操纵性前提下，采取较小的赛车高度及宽度，减小迎风面积，降低风阻，车架结构紧凑质量轻，实现节油目的。

3、根据人机工程学原理设计赛车手轻便座椅靠背半径，可以较好地满足赛车手乘坐舒适性的目的。

Claims (10)

1.一种节能赛车车架，其特征在于包括有第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁、第一上横梁、第二上横梁、第一纵梁、第二纵梁、第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱、第四支撑杆、第五支撑杆、第六支撑杆、第七支撑杆、第八支撑杆、横板，其中第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁的两端均分别与第一纵梁及第二纵梁连接；第一上横梁的一端与第一立柱的上端连接，第一上横梁的另一端与第二立柱的上端连接；第一立柱的下端及第二立柱的下端分别与第一下横梁的两端连接；第二上横梁的一端与第三立柱的上端连接第二上横梁的另一端与第四立柱的上端连接；第三立柱的下端及第四立柱的下端分别与第四下横梁的两端连接；第四支撑杆的一端与第六支撑杆及第八支撑杆的一端连接；第五支撑杆的一端与第七支撑杆及第八支撑杆的另一端连接；第四支撑杆及第五支撑杆的另一端分别与第二纵梁及第一纵梁连接固定；第六支撑杆及第七支撑杆的另一端分别与第四立柱及第三立柱连接固定，横板的两端分别与第一纵梁及第二纵梁连接。

2.根据权利要求1所述的节能赛车车架，其特征在于上述第一下横梁还连接有第二支撑杆及第三支撑杆，其中第二支撑杆的一端及第三支撑杆的一端分别固定在第一下横梁的两端，第二支撑杆的另一端及第三支撑杆的另一端分别固定在第一支撑杆的两端。

3.根据权利要求2所述的节能赛车车架，其特征在于上述第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁、第四支撑杆、第五支撑杆、横板与第一纵梁、第二纵梁间采用焊接联接方式；第一上横梁与第一立柱、第二立柱间采用焊接联接方式；第二上横梁与第三立柱、第四立柱间采用焊接联接方式；第一立柱、第二立柱与第一下横梁间采用焊接联接方式；第三立柱、第四立柱与第四下横梁间采用焊接联接方式；、第三立柱、第四立柱与第六支撑杆、第七支撑杆间采用焊接联接方式；第四支撑杆、第五支撑杆、第六支撑杆、第七支撑杆、第八支撑杆之间采用焊接联接方式；第二支撑杆、第三支撑杆与第一下横梁11间采用焊接联接；第二支撑杆、第三支撑杆与第一支撑杆间采用焊接联接方式。

4.根据权利要求1所述的节能赛车车架，其特征在于上述第三下横梁、第八支撑杆之间还装设有座椅带，座椅带的两端分别与第三下横梁、第八支撑杆连接。

5.根据权利要求4所述的节能赛车车架，其特征在于上述座椅带共有五条，五条座椅带的两端分别与第三下横梁、第八支撑杆采用铆钉联接。

6.根据权利要求5所述的节能赛车车架，其特征在于上述5条座椅带是用薄的铝合金带，座椅带弯成圆弧形式，圆弧半径为283mm。

7.根据权利要求3所述的节能赛车车架，其特征在于上述第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆、第六支撑杆、第七支撑杆、第八支撑杆均是支撑管。

8.据权利要求7所述的节能赛车车架，其特征在于上述第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆、第四支撑杆、第五支撑杆、第六支撑杆、第七支撑杆、第八支撑杆均是圆管。

9.根据权利要求1至8任一项所述的节能赛车车架，其特征在于上述第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁、第一上横梁、第二上横梁、第一纵梁、第二纵梁、第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱均采用槽型铝合金型材，第一纵梁、第二纵梁、第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱、第一上横梁、第二上横梁与第一下横梁、第四下横梁的横截面槽型开口采用对称布置的方式，具体布置情况如下：以车架水平放置为基准，第一纵梁、第二纵梁这2条纵梁槽型开口均向外，第一立柱、第二立柱、第三立柱、第四立柱这4根立柱槽型开口均向外，第一上横梁、第二上横梁的槽型开口向上，第一下横梁、第二下横梁、第三下横梁、第四下横梁槽型开口均向下。

10.根据权利要求9所述的节能赛车车架，其特征在于上述第四支撑杆及第五支撑杆与水平方向的夹角为53^o，第六支撑杆及第七支撑杆与水平方向的夹角为37^o。