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畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告要求
開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質(zhì)量畢業(yè)論文
（設(shè)計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。一、選題依據(jù)
1. 論文（設(shè)計）題目及研究領(lǐng)域；
2. 論文（設(shè)計）工作的理論意義和應用價值；
3. 目前研究的概況和發(fā)展趨勢。二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容1.重點解決的問題；
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）；
3. 本論文（設(shè)計）預期取得的成果。三、論文（設(shè)計）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）；
2. 論文（設(shè)計）進度計劃。四、文獻查閱及文獻綜述
學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎(chǔ)上通
過分析、研究、綜合，形成文獻綜述。必要時應在調(diào)研、實驗或?qū)嵙暤幕A(chǔ)上遞交相關(guān)的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎(chǔ)。
五、其他要求
1. 開題報告應在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作開始后的前四周內(nèi)完成；
2. 開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過；
3. 開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論文（設(shè)計）工作，否則不允許參加答辯；
4. 開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師；
5. 開題報告的內(nèi)容，要求打印并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張上，但封面需按統(tǒng)一格式打印）。
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一、選題依據(jù)1、研究領(lǐng)域
節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與實驗分析
2、論文（設(shè)計）工作的理論意義和應用價值
（1） 在石油資源日益枯竭、全球石油儲藏量急劇下降的背景下，我國汽車保有量卻以平均每年 12.08%的速度增加，我國對燃油的消費需求以驚人的快速度增長， 有很大一部分依賴進口。一方面，我國汽車節(jié)油技術(shù)的應用有限，燃油的使用效率普遍不高，汽車百公里耗油約比發(fā)達國家高 20%；另一方面，機動車排放污染已經(jīng)成為我國污染物的主要來源之一。因此，汽車節(jié)油和環(huán)保問題日益突出，面對有限的石油資源和國家能源戰(zhàn)略遇到的威脅與挑戰(zhàn)，汽車節(jié)能與環(huán)保技術(shù)已成為汽車技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)熱點。豐田公司將以常熟的研發(fā)中心為主推進節(jié)能車、新能源車的國產(chǎn)化。同時， 常熟研發(fā)中心將和一汽集團、廣汽集團的合資公司研發(fā)中心組成豐田公司研發(fā)的“三駕馬車”。第十四屆上海國際汽車工業(yè)展覽會開幕，豐田汽車公司社長豐田章男在發(fā)布會上宣布了這一消息。為了進一步普及環(huán)保車型，豐田公司將以常熟研發(fā)中心為主推進節(jié)能車、新能源車的國產(chǎn)化。歐盟委員會發(fā)布了政策文件，公布了“清潔與節(jié)能車發(fā)展歐洲戰(zhàn)略（歐洲戰(zhàn)略）”，其宗旨是整合歐盟各成員國在清潔與節(jié)能車領(lǐng)域的資源，集成各成員國的相關(guān)技術(shù)，制定統(tǒng)一標準，聯(lián)合研發(fā)、攻關(guān)、占領(lǐng)世界清潔與節(jié)能車制高點。我國汽車產(chǎn)業(yè)的方針應該是節(jié)能汽車與新能源汽車并舉。發(fā)展節(jié)能汽車是當前最有效的節(jié)能減排的技術(shù)途徑，是目前的產(chǎn)業(yè)競爭的主流技術(shù)；發(fā)展新能源汽車是未來解決能源、環(huán)境問題的根本方案。關(guān)于節(jié)能汽車與新能源汽車哪個更應該受到重視的討論，在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)基本達成共識，結(jié)論是新能源汽車與節(jié)能汽車應該并舉。所謂節(jié)能汽車，是指綜合應用各類節(jié)能技術(shù)降低汽車油耗，燃料消耗量優(yōu)于現(xiàn)階段目標值的汽車；所謂新能源汽車，是指使用低碳環(huán)保的非石油燃料能源和相應的新型動力系統(tǒng)的汽車。當前政府相關(guān)部門在多數(shù)文件中認定的新能源汽車專指電動汽車與具有相當?shù)募冸婒?qū)動里程的插電式混合動力汽車。由于這些新能源汽車具有從根本上擺脫汽車能源對石油依賴和實現(xiàn)行駛零排放的特點，已經(jīng)被國家確認為重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。
（2） 本論文即是以節(jié)能車設(shè)計為研究基點，以降低油耗為出發(fā)點，分析車架結(jié)
構(gòu)對車輛油耗特性的影響規(guī)律，為節(jié)能車車架的設(shè)計做一些從理論到實戰(zhàn)的基礎(chǔ)研究工作。為達到節(jié)能的目車輛在設(shè)計時必須秉承輕量化原則，而在整車質(zhì)量中，作為主要承載部件的車架占了較大比例，是輕量化的首要對象，因此在滿足夠的剛度和強度的前提下縮小體積，減輕重量，使用最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和材料使整個車架達到最優(yōu)的節(jié)能效果。
3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢
節(jié)能作為當今時代的主題之一，已經(jīng)深深地進入我們的生活。而汽車作為人們?nèi)粘Ｉ畹拇焦ぞ?，對其進行節(jié)能分析早已是汽車業(yè)界的研究熱點。正是在這樣的時代背景中，節(jié)能車已連續(xù)多年成為高校學子們的研究對象，中國節(jié)能車大賽迎合了時代節(jié)能的主題，為各個參賽隊伍提供了一個自我展示的平臺，同時，盡可能的激發(fā)出各項創(chuàng)新能力和理念。比賽要求統(tǒng)一采用本田低油耗 125cc 四沖程發(fā)動機，讓各參賽隊伍在一定要求下設(shè)計制作參賽車輛，在規(guī)定時間內(nèi)行駛一定距離而耗油量最少。就是這樣的比賽，吸引了大批的企業(yè)、學生和社會人士參賽，各式各樣的節(jié)能車在這里出現(xiàn)，從車身材質(zhì)、車身設(shè)計、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等各個方面都是亮點。在節(jié)能車車架輕量化方面，有的賽車引進了更輕的碳纖維車體，甚至使用全碳纖維承載車架，也有些在車架打造的精密度上狠下功夫，最簡單的結(jié)構(gòu)制作出最穩(wěn)定的車架。擁有 12 年參賽經(jīng)驗的上海同濟大學志遠車隊，卻將奪冠的秘籍定位成“細節(jié)的突破”。車身的計，他
們除了注重造型符合空氣力學原理和車身材質(zhì)高硬度輕重量之外，還在設(shè)計流程的標準化上下功夫，利用自身良好的科技條件，綜合各種客觀因素，使用先進的數(shù)字系統(tǒng)對節(jié)能車的構(gòu)造進行可行性分析，使數(shù)據(jù)量化，以達到做出的車身一次性成型的目標， 實現(xiàn)了整車結(jié)構(gòu)的輕量化，減少了對材料的浪費。除此之外，志遠車隊還通過改變前后軸的材料和熱處理方式、使用低滾阻輪胎等細節(jié)的改造，重新確定了傳動比和大帶輪的加工方式，使得自身的節(jié)能車技術(shù)日趨完善，更加貼近節(jié)能環(huán)保的理念。所有參賽隊伍都的對車架的輕量化高度重視，因為這是節(jié)能車降低油耗的關(guān)鍵因素之一。
二、論文（設(shè)計）研究的內(nèi)容
1. 重點解決的問題
（1） 車架輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計；
（2） 車架的理論分析依據(jù)及軟件力學仿真；
（3） 車架實物模型焊接。
2. 擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計思路）
（1） 根據(jù)要求車設(shè)計車架、建立三維模型；
（2） 建立有限元分析模型，完成有限元分析，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果改進模型；
（3） 焊接完整車架并試驗驗證；
（4） 根據(jù)實驗結(jié)果檢驗有限元模型符合度，優(yōu)化有限元模型；
（5） 優(yōu)化三維模型，重新制造裝配車架；
（6） 再次實驗驗證直至達到要求。3.本論文（設(shè)計）預期取得的成果
（1） 車架輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計模型三維圖；
（2） 車架的力學性能分析和軟件仿真的結(jié)果分析圖；
（3） 焊接出車架的實物模型。
三、論文（設(shè)計）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計參數(shù)）；以軟件三維建模的分析結(jié)果為依據(jù)加工實物。
2. 論文（設(shè)計）進度計劃
第 1 周：安排畢業(yè)設(shè)計主要任務，指導設(shè)計基本流程、文獻檢索方法，掌握題目所需基本知識和工具軟件；
第 2 周：文獻檢索和查重，指導文獻管理軟件使用方法；
第 3 周：完成文獻綜述，指導開題報告要求和寫作方法，指導文獻綜述格式、內(nèi)容。提交文獻綜述；
第 4 周：提煉出畢業(yè)設(shè)計難點與重點，明確需要掌握的知識、技能、軟件，完
成文獻綜述，提交開題報告；
第 5 周：分解、細化內(nèi)容，學習軟件對應模塊，夯實相關(guān)基礎(chǔ)知識，提交框架安排；
第 6 周：根據(jù)要求完成車架設(shè)計、建立三維模型
第 7 周：根據(jù)工況條件抽象車架受力狀況，完成模型簡化
第 8 周：建立有限元分析模型，完成有限元分析，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果改進模型，
第 9 周：加工出車架，完成車架裝配
第 10 周：車架實驗驗證
第 11 周：根據(jù)實驗結(jié)果檢驗有限元模型符合度，優(yōu)化有限元模型
第 12 周：優(yōu)化三維模型，重新制造車架，實驗
第 13 周：翻譯外文學術(shù)論文，
第 14 周：撰寫說明書，生成圖紙。準備答辯。
四、需要閱讀的參考文獻
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附：文獻綜述
文獻綜述
摘要
本次畢業(yè)設(shè)計以節(jié)能車車架為研究對象,運用Slidworks 軟件建立車架三維模型, 并對模型進行結(jié)構(gòu)強度分析,根據(jù)結(jié)果進行車架的輕量化設(shè)計,并對設(shè)計后的車架進行分析和驗證。結(jié)果表明:優(yōu)化后的輕量化設(shè)計能夠滿足設(shè)計要求，達到節(jié)能目的。引言
資源日益消耗導致世界能源更趨緊張，世界各國對汽車節(jié)油的工作也越來越重
視，很多國家都把節(jié)能當作一項基本國策在實施。隨著我國慢慢進入“汽車型社會”，汽車耗能問題在能源消耗中所占的比例也在逐年倍增，并成為我國對外石油高度依存度的主要原因，中央政府將節(jié)能減排工作列入了國家重點經(jīng)濟工作的八大任務之中， 希望以此來推動全社會的節(jié)能降耗，緩解國家能源危機。發(fā)展節(jié)能車是汽車發(fā)展的趨勢，而節(jié)能車車架輕量化則是影響節(jié)能車節(jié)能的關(guān)鍵因素之一，因此我們對節(jié)能車車架的輕量化進行了研究。
主題
國內(nèi)汽車設(shè)計的主要手段是用傳統(tǒng)的樣車和舊車型作參考的模式。在對車架進行分析設(shè)計時經(jīng)常會對車架進行大幅度的簡化。因為用經(jīng)典力學對其進行結(jié)構(gòu)分析時， 為了能夠計算，必須把模型構(gòu)造的非常簡單。這種方法不但費時費力，大多依靠經(jīng)驗， 缺乏科學性，而且也不可能針對多種方案進行評價。此外，車身車架是一個十分復雜的結(jié)構(gòu)，用經(jīng)典力學的方法不可能得到精確的解答，特別是在設(shè)計的初期不會有實測數(shù)據(jù)。所以，以前的設(shè)計基本上是依賴于經(jīng)驗和類比，缺乏建立在力學特性、剛度、強度等分析基礎(chǔ)上的科學依據(jù)。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，汽車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計逐漸由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代設(shè)計方法。如模態(tài)試驗方法、有限元方法等。其中，有限元方法已經(jīng)成為建立有限元模型、模擬車架的主要分析途徑，并慢慢走向成熟。當前，國外各大汽車公司利用有限元軟件對車架結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其工作重心已經(jīng)轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應分析、噪聲分析、碰撞分析的領(lǐng)域。而隨機激勵響應分析可以用來對車輛的強度、剛度、振動舒適性和噪聲等方面的分析。
現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都有作為整車骨架的車架，車架是整個汽車的基體。汽車絕大
多數(shù)部件和總成（如發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、懸架、轉(zhuǎn)向、駕駛室、貨箱及有關(guān)操縱機構(gòu)） 都是通過車架來固定其位置的。車架的功用是支撐連接汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。因此，車架的靜、動態(tài)特性是其結(jié)構(gòu)設(shè)計、改進和優(yōu)化的依據(jù)， 是確保整車性能優(yōu)良的關(guān)鍵因素之一。
車架作為節(jié)能車的裝配基體, 以車架為基礎(chǔ)將節(jié)能車的發(fā)動機、傳動部件、制動
系、轉(zhuǎn)向器以及相關(guān)的電子及電氣系統(tǒng)等各部分安裝在車架上, 形成了一個整體的節(jié)能車底盤。節(jié)能車在不同工況行駛時, 所受到的作用力最終會作用于車架上, 因此, 對車架強度與剛度要求高。然而, 車架是一個結(jié)構(gòu)較復雜和不規(guī)則的部件, 采用傳統(tǒng)的力學方法難以計算其強度、剛度及自振頻率, 因而利用軟件對參賽節(jié)能車的車架進行設(shè)計和仿真分析, 為車架優(yōu)化及制作提供理論依據(jù)。
主要流程：
（1） 根據(jù)要求完成車架設(shè)計、建立三維模型
（2） 根據(jù)工況條件抽象車架受力狀況，完成模型簡化
（3） 建立有限元分析模型，完成有限元分析，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果改進模型，
（4） 加工出車架，完成車架裝配
（5） 車架實驗驗證
（6） 根據(jù)實驗結(jié)果檢驗有限元模型符合度，優(yōu)化有限元模型
（7） 優(yōu)化三維模型，重新制造車架，實驗主要工作：
1） 節(jié)能車總體設(shè)計方案選擇
節(jié)能車車架的設(shè)計是為了制作完整的節(jié)能車用以參加本田節(jié)能競技大賽，因此要自主設(shè)計的同時也要滿足參賽標準，在節(jié)能車總體布置形式的確定中應該充分考慮到節(jié)能車制作的簡易性、行駛穩(wěn)定性和行駛阻力的大小。根據(jù)節(jié)能競技大賽的比賽規(guī)則,參賽車輛的車輪必須為 3 輪以上(包括 3 輪),并且要求其結(jié)構(gòu)必須滿足無論在車輛停止時還是行駛時都能自行站立的條件,在綜合分析后選擇前兩輪后一輪的設(shè)計方案。這種布置行駛在以往的節(jié)能競技大賽中應用最為廣泛，其優(yōu)點為在保證較小的行
駛阻力的前提條件下，能夠很好的保證行駛的穩(wěn)定性和行駛安全性，從而提高了節(jié)能車的安全性。
由于是比賽用車，而且是駕駛員駕駛的，在設(shè)計過程中就必須考慮多種思路和方法。傳統(tǒng)汽車的設(shè)計包括汽車車身設(shè)計，發(fā)動機設(shè)計，底盤設(shè)計。汽車電器與電子設(shè)計四個大部分。因為傳統(tǒng)汽車的設(shè)計是針對乘用車、商用車，就需要加入減速器、變速箱等裝置。出于安全因素考慮，還得考慮到主動安全和被動安全，也必須強調(diào)汽車的動力性、操作穩(wěn)定性、行駛平順性和良好的通過性，還有舒適度和較好的外形也是汽車設(shè)計研發(fā)中要綜合考慮的。而節(jié)能車是以競技為主，降低油耗是首要考慮因素， 確定節(jié)能車的整體設(shè)計方案后對車架進行輕量化處理是主要任務。
2） 車架的材料選擇
鋁制材料這里主要選取鋁合金，其質(zhì)量較鋼材較輕，而且在設(shè)計合理的前提條件下能讓車架保持足夠的強度。鋁制材料加工方便，材料的結(jié)合可以通過鋁焊或者鉚接等方法來實現(xiàn)。鋁制材料價格便宜，與碳纖維等一些高級材料相比雖然在強度和重量方面具有一定的差距，但在價格方面卻無疑有著明顯的優(yōu)勢，從而降低了車輛的制作成本。
3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計
節(jié)能車大賽的規(guī)則中對車架有明確的要求，參賽車輛必須為三輪以上（包括三輪），要求其結(jié)構(gòu)無論在停止時還是在行駛時都為三輪以上（包括三輪）結(jié)構(gòu)且能自行站立，車手的身體不能超出車架等等。因此在車架的設(shè)計制造上的要求只涉及到安全方面，可以放手去做，在車架的制造階段最終要的是結(jié)構(gòu)力學，用最少的材料制造出符合要求的車架，長、寬、高必須在規(guī)定的尺寸內(nèi)盡量滿足，還要對車手的安全性有保障。為了滿足車架輕量化的要求。
4） 模型分析
通過在 solidworks 中建立節(jié)能車車架的有限元模型，綜合考慮了多種行駛狀況下的沖擊載荷對車架的作用，在這些沖擊破壞下對該車架進行優(yōu)化，從而改進設(shè)計結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)可靠性和有限元法對新設(shè)計車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了可靠性優(yōu)化設(shè)計等等，并換用多種截面類型的梁進行計算比較，找出了滿足強度和剛度要求的最小截面積，即質(zhì)量最輕的梁，從而實現(xiàn)了車架結(jié)構(gòu)的輕量化而強度和剛度也有保證。最主要的是如何設(shè)計出最簡單的結(jié)構(gòu)而穩(wěn)定性最好的車架。
5） 車架制作
車架是承受載體重量的關(guān)鍵部位，車架的焊縫主要承受車運行過程中的動載作用，而車架剛性大，焊接后接頭的收縮力較大，因此必須選用合理的焊接方法及工藝參數(shù)，控制線能量。焊接過程中盡量避免補焊，減少重復加熱，保證接頭強度。
在車架制作完成后則需要對車架進行驗證，通過添加載荷測量車架變形量來驗證剛度和強度是否滿足要求，進行發(fā)動機、車輪、轉(zhuǎn)向的安裝驗證可行性。在反復改良
和驗證之后制作出達到預期輕量化目標的節(jié)能車車架?？偨Y(jié)
節(jié)能勢在必行，節(jié)能車車架的設(shè)計是為了更好的研究如何降低車輛耗油量，在本文的研究中，首先討論了節(jié)能車車架的整體設(shè)計思路以及理論油耗的影響因素，繼而對車架系統(tǒng)進行了基于輕量化目標的研究分析，主要是借助 solidworks 軟件，車架模型的建立，結(jié)構(gòu)設(shè)計，有限元強度的仿真分析和優(yōu)化設(shè)計，在保證車架的強度、剛度情況下進行優(yōu)化，優(yōu)化后的輕量化設(shè)計能夠滿足設(shè)計要求，達到節(jié)能目的。
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摘 要
發(fā)展節(jié)能車是未來汽車發(fā)展的趨勢，而節(jié)能車車架輕量化則是影響節(jié)能車節(jié)能的關(guān)鍵因素之一。本論文即是以節(jié)能車車架的設(shè)計為研究基點，以降低油耗為出發(fā)點，分析車架結(jié)構(gòu)對車輛油耗特性的影響規(guī)律，為節(jié)能車車架的設(shè)計做一些從理論到實戰(zhàn)的基礎(chǔ)研究工作。
國內(nèi)汽車設(shè)計的主要手段是用傳統(tǒng)的樣車和舊車型作參考的模式，在對車架進行分析設(shè)計時經(jīng)常會對車架進行大幅度的簡化。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，汽車車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計逐漸由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代設(shè)計方法。其中，有限元方法已經(jīng)成為建立有限元模型、模擬車架的主要分析途徑，并慢慢走向成熟。
本論文運用solidworks軟件對車架進行建模，并進行利用有限元分析來分析車架的結(jié)構(gòu)強度，然后再對車架進行優(yōu)化，優(yōu)化后再對車架進行驗證，驗證后對車架進行再優(yōu)化，使車架結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)的結(jié)果。本文不僅運用軟件對車架進行設(shè)計分析，還對車架進行實物驗證，力求設(shè)計出最合理的車架結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：節(jié)能車；車架；輕量化；三維建模；靜力分析；優(yōu)化設(shè)計
ABSTRACT
The development of energy-saving vehicles is the trend of the future development of automobiles, and the lightweight of energy-saving vehicles is one of the key factors that affect the energy saving of energy saving vehicles. This thesis is that energy saving car chassis design as the research basis, in order to reduce the fuel consumption as a starting point, analysis the influence law of the frame structure of vehicle fuel consumption characteristics, for energy conservation design of the car frame to do some basic research from theory to practical work.
The main method of domestic automobile design is to use the traditional model and the old model as the reference model, and the vehicle frame can be greatly simplified in the analysis and design of the frame. With the rapid development of computer technology, the structure design of automobile frame is gradually changed from the traditional experience design method to the modern design method. Among them, the finite element method has become the main analytical way to establish the finite element model and the simulation frame, and gradually mature.
This paper use solidworks software modeling was carried out on the frame, and using finite element analysis to analyze the frame structure strength, and then optimize the frame, optimization of frame again after verification, validation of frame after optimization, the frame structure to achieve optimal results. This paper not only uses the software to design the frame, but also carries on the physical verification of the frame, and tries to design the most reasonable frame structure.
Key words： Fuel Efficient Veicle; Frame; Lightweight; Statical Analysis ; Optimizasion Design
II
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目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1節(jié)能車的概述 1
1.2節(jié)能車車架研究的目的和意義 1
1.3節(jié)能車的節(jié)能技術(shù) 1
1.4車架優(yōu)化的技術(shù)手段 2
2 節(jié)能車車架的設(shè)計 3
2.1節(jié)能車車架研究的基本內(nèi)容及設(shè)計路線 3
2.2車架結(jié)構(gòu)選擇 4
2.3車架材料的選擇 5
2.4車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
3 節(jié)能車車架模型的建立 8
3.1車架方案一三維模型的建立 8
3.2節(jié)能車車架方案二三維模型的建立 9
3.3車架方案三三維模型的建立 10
4 節(jié)能車車架有限元分析 13
4.1 Solidworks有限元分析應用簡介 13
4.2節(jié)能車車架的結(jié)構(gòu)靜力分析 13
4.3車架方案三結(jié)構(gòu)優(yōu)化 22
5 節(jié)能車車架事物焊接及優(yōu)化設(shè)計 25
5.1車架實物焊接 25
5.2節(jié)能車試跑結(jié)果分析 26
5.3驗證后的優(yōu)化設(shè)計 27
6 結(jié)論 30
參考文獻 31
附錄1：外文翻譯 32
附錄2：外文原文 39
致 謝 43
III
節(jié)能車車架優(yōu)化設(shè)計與實驗分析
1 緒論
1.1節(jié)能車的概述
節(jié)能車是一種低耗底排的新型車，比普通汽車更環(huán)保更符合經(jīng)濟發(fā)展的趨勢。本論文即是即是進行節(jié)能車車架的設(shè)計研究，為節(jié)能車車架的設(shè)計做一些從理論到實戰(zhàn)的基礎(chǔ)研究工作。車架是車的重要部件，支撐著發(fā)動機、轉(zhuǎn)向器、離合器、駕駛室等所有車上有關(guān)部件的質(zhì)量，承受著基本上整個車子的各種重力和力矩。此外，節(jié)能車要達到節(jié)能的目的必須進行輕量化設(shè)計，而輕量化設(shè)計則對車架的結(jié)構(gòu)有嚴格的要求，車架必須有足夠的彎曲剛度以保證安裝在其上的有關(guān)機構(gòu)之間的相對位置在車輛行駛過程中保持不變并使車身的變形量最?。卉嚰芤矐凶銐虻膹姸?，以保證其有足夠的可靠性與使用壽命，整個車架在使用期內(nèi)不應有嚴重變形和開裂。
1.2節(jié)能車車架研究的目的和意義
1.2.1車架優(yōu)化設(shè)計的目的
而通過車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，對車架進行輕量化設(shè)計又能有效的減少車重，從而降低油耗。
1.2.2車架優(yōu)化設(shè)計的意義
我國的汽車保有量逐年增加，需要更多的燃油，所以節(jié)能減排是中國汽車產(chǎn)業(yè)需要考慮的關(guān)鍵，也值得國家重視。車架的輕量化能夠減少整車質(zhì)量，從而能使汽車達到節(jié)能減排的目的，節(jié)油了能源和資本，從而具有一定的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。
1.3節(jié)能車的節(jié)能技術(shù)
為能提高節(jié)能車的節(jié)油特性，可以優(yōu)化的對象有：傳動系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、汽缸、化油器、車架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車輪和輪胎等，本文著手于節(jié)能車車架的設(shè)計分析。
車架提供給節(jié)能車的節(jié)油特性就是車架的重量。首先是車架材料的選擇，車架材料很大程度上決定著車架的重量。然后是車架的結(jié)構(gòu)要簡單，簡單的結(jié)構(gòu)能有效減少車架的重量。但是車架是節(jié)能車的重要部件，車架支撐著發(fā)動機、轉(zhuǎn)向器、離合器、駕駛室等所有車架上需要支撐的部件的質(zhì)量，承受著基本上整個車子的各種重力和力矩，因此對節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的設(shè)計有一定的要求。接著是車架的輕量化設(shè)計，在保證車架的彎曲剛度和結(jié)構(gòu)強度都滿足要求的情況下，對車架的一些不重要部位以及車架材料結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，一些受力不大或者對整車的結(jié)構(gòu)強度影響不大的部位可以相應的去除。以此來減輕車架的重量，然后達到節(jié)能的目的。
1.4車架優(yōu)化的技術(shù)手段
本次節(jié)能車車架的設(shè)計主要用solidworks軟件進行設(shè)計，車架的優(yōu)化也是用solidworks軟件的Simulation插件進行有限元分析，分析車架的靜應力以及受力變形情況，根據(jù)分析結(jié)果對車架進行優(yōu)化。solidworks有限元分析應用于機械、汽車、家電、電子產(chǎn)品等產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)，能夠確保產(chǎn)品設(shè)計的安全合理性，同時采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案。
本論文最初設(shè)計了三套車架方案，運用solidworks軟件建模，然后再用solidworks的Simulation插件分別對三套車架方案進行靜應力分析，分析后選擇出一套比較合理的車架方案，然后進行優(yōu)化，優(yōu)化后進行實物驗證，驗證后再優(yōu)化分析，然后再驗證。通過這樣分析-優(yōu)化-分析-驗證-優(yōu)化-分析-驗證的方式，進行來回的優(yōu)化、分析和驗證，對車架結(jié)構(gòu)不斷的進行調(diào)整和驗證，以求出最合理的車架。
2 節(jié)能車車架的設(shè)計
2.1節(jié)能車車架研究的基本內(nèi)容及設(shè)計路線
2.1.1 節(jié)能車設(shè)計的大致內(nèi)容
（1）進行節(jié)能車總體布局設(shè)計；
（2）進行車架結(jié)構(gòu)設(shè)計；
（3）進行有限元分析與優(yōu)化設(shè)計；
（4）進行車架實物焊接驗證。
2.1.2 技術(shù)路線
表2-1 節(jié)能車車架設(shè)計路線
分析題目，查閱并收集資料
根據(jù)資料確定設(shè)計方案
完成節(jié)能車總體布局設(shè)計
節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)設(shè)計
用solidworks軟件分析
對車架進行實物焊接驗證
完成裝配圖、零件圖
完成設(shè)計說明書
N
2.2車架結(jié)構(gòu)選擇
車架是整個節(jié)能車的骨架，其需要支撐發(fā)動機、轉(zhuǎn)向裝置、車輪、駕駛座、車殼等。因此在進行車架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮發(fā)動機的安裝、駕駛員的駕駛空間、轉(zhuǎn)向裝置的安裝方式、車輪軸的支撐方式以及傳動裝置傳動方式的調(diào)整等。
目前車架的類型大概有這幾種：平板式、空間桁架式、梯形式、X型式、脊骨式。雖然近段有的汽車廠在進行車架結(jié)構(gòu)設(shè)計時使用多種車架類型組合的復合結(jié)構(gòu)甚至無骨架結(jié)構(gòu)。但由于本文所設(shè)計的是節(jié)能車的車架，其要求重量更輕、結(jié)構(gòu)簡單，所以本文還是選擇單一結(jié)構(gòu)形式的車架。而在車架材料的選擇上，管道或型鋼焊接的車架最符合本文的設(shè)計要求，但這需要焊接設(shè)備和焊接技術(shù)做支撐。
在多種車架類型中，最常用的是平板式、空間桁架式和脊骨式，在進行車架總體方案選擇時注意控制轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)形式，車手的駕駛姿勢以及車殼的裝卸等問題。由于車架在是整車的骨架，其要支撐起整個車輛，所以還得考慮駕駛產(chǎn)生震動時車架的變形量，這會影響到各個部位安裝后會發(fā)生位移變形，導致節(jié)能車在駕駛時出現(xiàn)各種問題，比如轉(zhuǎn)向靈敏度不符合要求，傳動裝置出現(xiàn)卡死等。
以下是常見的車架類型：
圖2.1 平板式
圖2.2 空間式
圖2.3 梯形
圖2.4 X型
圖2.5 脊骨式
在節(jié)能車車架的結(jié)構(gòu)上，在經(jīng)過對多種車架類型的分析比較后，本設(shè)計的車架方案選擇上浮式和空間桁架式進行設(shè)計，其大體結(jié)構(gòu)如下圖：
圖2.6 上浮式和空間桁架式車架
2.3車架材料的選擇
本次設(shè)計的節(jié)能車車架所采用的材料是6061鋁合金。
6061鋁合金的主要合金元素是鎂和硅具有中等強度、良好的抗腐蝕性、可焊接性，氧化效果較好等優(yōu)點。美鋁6061是6系合金的主要合金，是經(jīng)熱處理預拉伸工藝的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品；美鋁6061具有加工性能極佳、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、上色容易、氧化效果極佳等優(yōu)良特點。
2.4車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計
目前汽車制造企業(yè)的汽車設(shè)計的車輪大多都是3-4個，但本文所設(shè)計的節(jié)能車是為了簡化結(jié)構(gòu)，提高傳動效率，進一步減少車重，從而達到節(jié)能的目的。發(fā)動機的驅(qū)動齒輪直接通過鏈條與驅(qū)動車輪的鏈輪相連并進行傳動，所以本次所設(shè)計的車架都是前兩輪后一輪的節(jié)能車車型。
車架的類型以及車輪結(jié)構(gòu)確定后本次就需要測量車架的具體尺寸，其大致是通過對車手的體型和坐姿定下整車的初步尺寸，在根據(jù)發(fā)動機和車輪等個裝置進行各項數(shù)據(jù)的測量，車身高度盡可能降低，可以參考發(fā)動機豎直放置時的最高點，這個高度車手躺下時的視野也是可以滿足車手的駕駛要求。整車的車架重心不能太高，避免車輛在駕駛時高速轉(zhuǎn)彎會發(fā)生翻車的危險，底盤高度也要保證有足夠的離地間隙，防止車輛行駛過程中由于地面不平和自身震動而出現(xiàn)底盤觸地的現(xiàn)象。通過前后載荷的分配來確定軸距輪距，保證有車輪對地面有足夠附著力，避免車輛在高速行駛時轉(zhuǎn)向和剎車不靈的情況發(fā)生。在保證車架用料少的同時，也利于車身設(shè)計的流線型。
車架的前半部分大致是根據(jù)駕駛員的身高以及試駕姿勢確定，首先是置腳橫梁到前輪支撐梁的距離，在駕駛員坐下之后腿部伸長的距離來確定；再根據(jù)駕駛員的前腳部的活動范圍確定了置腳橫梁的橫向距離，因為要考慮安裝腳踏板，所以置腳橫梁的寬度要比實際腳部的活動范圍稍大；然后根據(jù)駕駛員駕駛時臀部的位置，確定車架前輪支撐梁到座椅橫梁的縱向距離，再根據(jù)駕駛員的體形需要確定座椅橫梁的橫向?qū)挾?；根?jù)發(fā)動機的極限高度和駕駛員駕駛時頭部的高度確定座椅立梁的極限高度；根據(jù)發(fā)動機體積的尺寸確定發(fā)動機固定橫梁與車架座椅橫梁的間距；根據(jù)發(fā)動機底部定位孔的位置來確定支撐發(fā)動機的兩個固定橫梁的相對位置；根據(jù)后輪的大小以及發(fā)動機與車輪傳動時需要的空間確定后輪支撐梁的位置；根據(jù)選用車輪的直徑的大小和節(jié)能車底盤高度來確定后輪支撐樑與車架最下端的相對高度；根據(jù)駕駛員的駕駛姿勢來確定支撐駕駛員背部的斜樑的角度；由于前輪支撐梁中間連接的橫梁需要安裝轉(zhuǎn)向，所以前輪支撐梁的高度則根據(jù)駕駛員駕駛時其手部最方便的活動范圍以及駕駛員的視野狀況來確定前輪支撐梁的高度。
根據(jù)要求，本文運用CAD軟件設(shè)計了三個不同結(jié)構(gòu)的車架進行分析對比，三種車架方案駕駛員都是選用體型較小的40kg重、身高在1550mm左右的女駕駛員，駕駛員半躺駕駛，后置發(fā)動機，單后輪驅(qū)動。車架尺寸如下：
1、方案一
握把轉(zhuǎn)動式轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)向角20度，駕駛員視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度。車架總長2335mm，總高625mm，車架最寬600mm，軸距1861mm，輪距800mm。
圖2.7 車架方案一設(shè)計圖紙
2、方案二
握把轉(zhuǎn)動式轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)向角20度，視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度。總長2805mm，總高675mm ，車架最寬600mm， 軸距1861mm，輪距800mm。
圖2.8 車架方案二設(shè)計圖紙
3、方案三
前后拉桿式轉(zhuǎn)向，最大轉(zhuǎn)向角20度，視線角度上下為90度，左右為120度，接近角為8度。總長2380mm，總高390mm，車架最寬500mm，軸距1420mm，輪距800mm。
圖2.9 車架方案三設(shè)計圖紙
3 節(jié)能車車架模型的建立
前面設(shè)計了車架的具體尺寸大小，下面再利用solidworks繪制三個車架的立體圖形，方便對車架進行分析和優(yōu)化。
3.1車架方案一三維模型的建立
1、建模流程如下：
（1）用solidworks建模，用多步凸臺拉伸命令，創(chuàng)建車架底板模型。
圖3.1 車架方案一模型創(chuàng)建過程截圖
（2） 用solidworks建模，用凸臺拉伸和掃描命令，進一步創(chuàng)建車架前輪支撐樑和前置腳橫梁的斜拉梁。
圖3.2 車架方案一模型創(chuàng)建過程截圖
（3）用solidworks建模，用凸臺拉伸和掃描命令，進一步創(chuàng)建車架座椅斜梁及后橋立梁。
圖3.3 車架方案一模型創(chuàng)建過程截圖
（4） 車架方案一建模完成。
圖3.4 車架一模型創(chuàng)建過程截圖
2、車架模型特點
由于車架座椅斜梁及后橋立梁支撐駕駛員，為了加強駕駛員后部、后橋前部這一部分縱梁的剛度，防止出現(xiàn)嚴重變形的情況，本文在上部增加了輔助縱梁，但為了發(fā)動機安裝方便，輔助縱梁和車架底部的高度大于450mm。
3.2節(jié)能車車架方案二三維模型的建立
1、建模流程如下：
（1）用solidworks建模，用凸臺拉伸和掃描命令。
圖3.5 車架方案二模型創(chuàng)建過程截圖
（2） 車架方案一建模完成。
圖3.6 車架方案二模型創(chuàng)建過程截圖
2、車架模型特點
為加強后橋的強度，增設(shè)了輔助斜梁，從而加強車架車架整體的剛度和強度。而且比方案一節(jié)省了一定的材料，和減少了一定的車架質(zhì)量。進一步實現(xiàn)了整車的輕量化，但是其結(jié)構(gòu)強度需要進一步分析是否滿足要求。
3.3車架方案三三維模型的建立
1、 建模過程如下：
（1） 用solidworks建模，用多步凸臺拉伸命令，創(chuàng)建車架底板模型。
圖3.7 車架方案三模型創(chuàng)建過程截圖
（2） 用solidworks建模，用多步凸臺拉伸、掃描和鏡像命令，進一步創(chuàng)建車架其余橫梁以及斜樑。
圖3.8 車架方案三模型創(chuàng)建過程截圖
（3） 車架方案三模型建立完成。
圖3.9 方案三車架建模過程截圖
2、車架模型特點
由于此車架沒有設(shè)計安裝轉(zhuǎn)向把手的橫梁，所以此車架的轉(zhuǎn)向采用安裝在兩側(cè)的前后拉桿式轉(zhuǎn)向，這樣設(shè)計是為了方便車手的近出入，而且結(jié)構(gòu)更簡單，此車架結(jié)構(gòu)為空間桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)計時運用了大量的三角形結(jié)構(gòu)來增加其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
4 節(jié)能車車架有限元分析
4.1 Solidworks有限元分析應用簡介
solidworks有限元分析應用于機械、汽車、電子產(chǎn)品、建筑等產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)。其作用是：確保產(chǎn)品設(shè)計的安全合理性，同時采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本，在產(chǎn)品制造或工程施工前預先發(fā)現(xiàn)潛在的問題; 模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費，是產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的核心技術(shù)。
使用solidworks進行有限元分析的一般步驟：
1、建立數(shù)學模型；
2、建立有限元模型；
3、求解有限元模型；
4、結(jié)果分析。
4.2節(jié)能車車架的結(jié)構(gòu)靜力分析
分析車架的結(jié)構(gòu)應力就是要保證所設(shè)計的車架其結(jié)構(gòu)強度在材料的屈服強度范圍之內(nèi)，防止車架有超出其結(jié)構(gòu)能承受的最大應力而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的情況。本文采用的車架材料是6061鋁合金，材料屈服強度為55.15MPa，所以我們要控制車架的結(jié)構(gòu)應力在其范圍之內(nèi)。并且車架出現(xiàn)的變形要小于2mm。
4.2.1 Solidworks車架網(wǎng)格的劃分
方案一、二、三對應的車架模型都是采用基于曲率的網(wǎng)格劃分。
圖4.1 網(wǎng)格因子參數(shù)
1、 方案一網(wǎng)格劃分前后截圖。
圖4.2 網(wǎng)格劃分截圖
2、 方案二網(wǎng)格劃分前后截圖。
圖4.3 網(wǎng)格劃分截圖
3、 方案三網(wǎng)格劃分前后截圖。
圖4.4 網(wǎng)格劃分截圖
4.2.2 Solidworks施加夾具和載荷
1、施加約束
本次分析主要是為了研究車架的靜應力，忽略其他力的影響，本文分別對所設(shè)計三個車架的主受力面施加約束，車架主要受力有整車和車手的重力，而其支撐部位則為三個車輪的位置，所以需要要在車輪的支撐樑上施加約束。
圖4.5 solidworks關(guān)于約束的描述
根據(jù)車架受到車輪的力，本次分析本文采用的夾具為在平面上，然后限制其兩個方向的自由度，只留一個方向運動的自由度，這樣能夠更直觀的分析出車架受到的靜應力。
圖4.6 solidworks添加約束
圖4.7 車架方案一施加約束圖
圖4.8 車架方案二施加約束圖
圖4.9 車架方案三施加約束圖
2、 施加載荷
添加約束完成后，接著對車架施加載荷。除了車架自身重力外，還有車手、發(fā)動機等施加在車架上的重力，本次分析主要是車架自身、車手和發(fā)動機對車架施加的重力，所以載荷施加的部位分別為支撐車手和發(fā)動機的位置。
圖4.10 方案一施加載荷截圖
圖4.11 方案二施加載荷截圖
圖4.12 方案三施加載荷截圖
4.2.3 Solidworks車架的靜應力分析結(jié)果
圖4.13 方案一的車架位移圖
圖4.14 方案一的車架應力圖
圖4.15 方案二的車架位移圖
圖4.16 方案二的車架應力圖
圖4.17 方案三的車架位移圖
圖4.18 方案三的車架應力圖
4.2.4車架靜力分析的對比
通過solidworks軟件對三個車架進行有限元結(jié)構(gòu)靜力分析，發(fā)現(xiàn)車架變形不顯著，應力均不大，位移也都在預算范圍之內(nèi)，三種車架方案的分析結(jié)果對比如下：
表4.1 三種方案的靜應力分析結(jié)果
方案一
方案二
方案三
最大位移值 /mm
0.38
1.57
1.01
最大應力值 /MPa
10.43
18.21
24.67
由表4.1可知，方案三所對應的車架的應力最大值為24.67MPa，小于所選材料6061鋁合金的屈服極限55MPa，而且其位移為1.01mm，方案二的最大位移量則是最大的，其應力也不是最小的。三種方案通過比較可以看出，方案一所受的最大應力和最大位移都比方案二和方案三的要小。再結(jié)合在第二章所討論的內(nèi)容可以得出一個暫時的結(jié)論：方案一是三個方案中較好的一個方案。
圖4.19 三種車架方案的質(zhì)量屬性
在完成對三種車架的靜應力分析后，發(fā)現(xiàn)車架所受的最大應力都遠小于車架材料的屈服強度，因此都滿足本次的要求，然后本文再對三種車架方案的重量進行對比，方案一重量7.614kg是三個車架中最重的一個，而方案二和方案三分別為2.405kg和2.845kg，其重量差距不大接。因此，本文再對三種車架方案的結(jié)構(gòu)合理性、焊接難度以及車手上下車的方便的問題進行了對比，最終決定對方案三進行優(yōu)化和實物焊接驗證。
表4.2 三種方案的重量對比
方案一
方案二
方案三
重量 kg
7.614
2.405
2.845
4.3車架方案三結(jié)構(gòu)優(yōu)化
選定方案三作為本文設(shè)計的車架方案后，再對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對其在前面的分析中，發(fā)現(xiàn)其發(fā)動機部位的輔助直梁受力并不大，因此取消該直梁對車架整體的結(jié)構(gòu)影響并不大。
圖4.20 車架優(yōu)化取消的輔助直梁
同樣，前輪橫梁的輔助支撐斜梁所受應力也不大，其對車架的結(jié)構(gòu)應力影響較小，因此也可以取消。
圖4.21 車架優(yōu)化取消的輔助支撐斜梁
取消該直梁后再對車架進行應力分析，確認取消輔助直梁后車架整體結(jié)構(gòu)強度在允許范圍之內(nèi)，應力分析結(jié)果圖如下：
圖4.22 車架取消輔助直梁后的應力分析結(jié)果圖
圖4.23 車架取消輔助直梁后的應力分析結(jié)果圖
圖4.24 車架取消輔助直梁后的應力分析結(jié)果圖
根據(jù)應力分析結(jié)果圖顯示，車架最大受力位置位于前輪橫梁與中間直梁的接觸位置，其大小為39.17MPa，小于材料的屈服強度55.15MPa，所以取消發(fā)動機部位的輔助直梁后車架整體強度在允許范圍之內(nèi)，而其最大位移為1.483mm，重量為1.8kg。受力，位移和重量在優(yōu)化后的變化如下表：
表4.3 車架優(yōu)化后的對比
優(yōu)化前
優(yōu)化后
最大位移值 /mm
1.01
1.594
最大應力值 /MPa
24.67
36.66
重量 /kg
2.845
2.567
5 節(jié)能車車架事物焊接及優(yōu)化設(shè)計
5.1車架實物焊接
本次節(jié)能車車架的設(shè)計不能止步于書面的研究，應該進行實物模型的建立，這樣才能更直觀的對車架進行設(shè)計分析，優(yōu)化那些用solidworks設(shè)計時沒有發(fā)現(xiàn)的問題。在進行分析對比后，本文選擇對方案三進行實物焊接，并進行裝載驗證。
圖5.1 車架焊接
車架焊接完成后進行車輪、轉(zhuǎn)向、發(fā)動機等部件的安裝，在安裝部件的過程中，由于最初設(shè)計時為了讓駕駛員出入方便，前輪位置并沒有設(shè)計上橫梁，因此轉(zhuǎn)向不能采用常規(guī)的輪盤式轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向手把常見有兩種方式，輪盤式和前后拉桿式。由于本次設(shè)計的車架結(jié)構(gòu)的原因，本次設(shè)計采用前后拉桿式的轉(zhuǎn)向，其體積小，控制靈敏。
圖5.2 車架部件安裝
在安裝完各個主要部件后試駕：
圖5.3 節(jié)能車試駕
然后進行實地試跑，并收集實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)操場一圈400米算，駕駛節(jié)能車跑25圈，等于行駛10公里，而行駛10公里的油耗為75ml，換算為133.33km/L。
圖5.4 節(jié)能車試跑
5.2節(jié)能車試跑結(jié)果分析
在實物模型的建立和試駕過程中，發(fā)現(xiàn)以下的問題，并進行改動：
（1） 車架前端變形幅度較大。由于采用的不是本次設(shè)計預設(shè)的6061鋁合金材料，而是用鍍鋅管焊接，材料的性能差異導致車架前端支撐腳部的位置出現(xiàn)較大變形。
（2） 底盤過低。這會導致節(jié)能車在行駛過程中發(fā)生較大震動時可能會出現(xiàn)底盤觸地的情況，這需要修改車架后輪支撐部分的高度，前輪只需要對轉(zhuǎn)向節(jié)連接前輪輪軸的高度進行改動。
（3） 駕駛員坐姿太低。本次所設(shè)計的車架是半躺式，這就會影響駕駛員駕駛時的視野情況，并且舒適度不高，因此需要對背靠的斜梁的角度進行調(diào)整，提高車手的視野角度。
5.3驗證后的優(yōu)化設(shè)計
針對上述的問題對車架進行優(yōu)化，提高車架性能。首先是對車架進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，由于車架前端出現(xiàn)較嚴重的變形，所以要改變前端直梁的結(jié)構(gòu)，由原先的正方形管改為長方形管：
圖5.5 車架前端樑直梁修改前和修改后截面圖
然后是提高背靠斜梁的傾斜角度以提高駕駛員的駕駛視角，將原先的傾斜角度41°改為46°：
圖5.6 車架背靠斜梁角度調(diào)整
然后是對車架進行輕量化處理，由于前面本文對車架進行靜應力分析時車架受到的應力遠小于其屈服應力，所以可以減小車架材料的壁厚，以減小車架的整體重量，壁厚由原先的2.5mm改為1.5mm。修改壁厚后再對車架進行分析，得到結(jié)果其最大應力值為39.17Pa，依然在屈服強度之內(nèi)，而其變形位移最大位于前端橫梁值處，位移大小為1.48mm，都在預算范圍之內(nèi)。
圖5.7 優(yōu)化后的車架應力分析圖
圖5.8 優(yōu)化后的車架位移分析圖
圖5.9 車架修改壁厚后的質(zhì)量屬性
與修改壁厚前的車架重量相比，修改壁厚后的車架重量得到減輕，所受最大應力和最大位移的變化如下表：
表5.1 車架輕量化后的分析數(shù)據(jù)對比
優(yōu)化前
優(yōu)化后
最大位移值 /mm
1.594
1.483
最大應力值 /MPa
36.66
39.17
重量 kg
2.567
1.802
隨后本文在進行各種調(diào)整之后，再重新對車架進行焊接并安裝上車輪、發(fā)動機和轉(zhuǎn)向等各個裝置，再進行試跑，同樣是行駛10公里，油耗為63ml，換算為158.73km/L，優(yōu)化后的車架結(jié)構(gòu)強度滿足要求，并且油耗得到降低，達到本次設(shè)計的目的。
表5.2 車架優(yōu)化前后油耗對比
優(yōu)化前
優(yōu)化后
油耗ml
75
63
6 結(jié)論
本次畢業(yè)設(shè)計是對節(jié)能車車架進行優(yōu)化設(shè)計與實驗分析，其大體流程是：首先本文是根據(jù)查閱的資料用CAD設(shè)計出三套車架方案，然后用SolidWorks進行建模并分析，選出較符合本文設(shè)計要求的車架方案進行優(yōu)化，然后進行車架焊接驗證，再根據(jù)驗證的結(jié)果對車架進行優(yōu)化，優(yōu)化完成在進行車架焊接而后實地試跑并進行數(shù)據(jù)對比，以便看出車架優(yōu)化后是否達到預期節(jié)油的效果。在對車架進行數(shù)次的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化后，根據(jù)幾次數(shù)據(jù)的對比，車架重量從最初的2.845kg優(yōu)化到1.802kg，車輛的油耗得到下降，達到本次設(shè)計的目的。在第五章部分，在對車架進行輕量化時，車架的設(shè)計結(jié)構(gòu)和車架材料對輕量化有很大的影響，車架設(shè)計的結(jié)構(gòu)能直接影響到輕量化時的方向，而材料則影響到車架的結(jié)構(gòu)強度和重量。并且進行車架實物焊接時我們遇到許多在設(shè)計時沒有發(fā)現(xiàn)的問題，比如駕駛員的視角狀況，駕駛員上下車是否方便等問題。駕駛可見視角會影響到駕駛員駕駛時對路面情況的判斷，而上下車是否方便則考慮的是在駕駛車輛的過程中如果車輛發(fā)生事故駕駛員能否快速逃生。所以在對車架進行設(shè)計時實物驗證是很有必要的。最后本文設(shè)計出了一個結(jié)構(gòu)比較合理，重量較輕的節(jié)能車車架。
雖然設(shè)計的還算合理，但是由于本文制作車架的材料采用的是鍍鋅管，并不是預設(shè)的6061鋁合金，兩者的結(jié)構(gòu)強度不同，所以焊接出來的車架在真正駕駛時其產(chǎn)生的內(nèi)應力與變形都會與設(shè)計分析時的結(jié)果會有一些出入。但是進行焊接實驗可以驗證其結(jié)構(gòu)上的問題。
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43
附錄1：外文翻譯
隨機路面激勵下被動半主動懸架四分車模型的設(shè)計優(yōu)化
G. VERROS
S. NATSIAVAS
亞里斯多德大學機械工程系，希臘(natsiava@auth.gr)
C. PAPADIMITRIOU
德國塞薩利大學機械與工業(yè)工程學系，38 334卷，希臘。
(2005年3月28日獲接納2005年1月4日)
文摘:提出了一種基于隨機路面激勵的非線性四分車模型懸架阻尼和剛度參數(shù)的優(yōu)化方法。調(diào)查開始時，汽車模型涉及被動阻尼，具有恒定或雙速率特性。在此基礎(chǔ)上，我們還研究了懸架阻尼系數(shù)選取的汽車模型，從而使系統(tǒng)近似模擬了具有天鉤阻尼的主動懸架系統(tǒng)的性能。對于半主動或無源雙速率阻尼器的模型，等效懸架阻尼系數(shù)的值是關(guān)于車輪子系統(tǒng)的簧載質(zhì)量相對速度的函數(shù)。因此，產(chǎn)生的運動方程是強非線性的。對于這些模型，首先采用適當?shù)姆椒▉慝@得由具有隨機剖面的道路產(chǎn)生的運動的第二個力矩特征。該信息在車輛性能指標的定義下得到了進一步的應用，該指標對最重要的懸架參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了具有代表性的數(shù)值結(jié)果。特別關(guān)注道路質(zhì)量的影響以及與車輪跳動有關(guān)的檢查效果。最后，對被動線性懸架阻尼器和半主動減振器汽車所得到的結(jié)果進行了臨界比較。
關(guān)鍵詞:四分車模型，雙速率阻尼器，天鉤阻尼，輪跳，隨機優(yōu)化。
1. 介紹
在汽車工業(yè)的許多領(lǐng)域，通常采用單自由度或雙自由度四分之一汽車模型。這些ar-eas包括對地面車輛動態(tài)響應、識別、優(yōu)化和控制的預測(如Karnopp等，19741 Harrison和Hammond, 19861 Sharp和Has-san, 19861 Hrovat, 19931 Dixon, 19961 Metallidis etal .， 2003)。這主要是由于四分之一車型的簡單和他們提供的質(zhì)量上正確的信息，特別是在騎車和搬運研究方面。此外，從這些簡單的mod-els中提取的信息，為更詳盡、準確和全面的研究提供了一個堅實的基礎(chǔ)，更多的涉及到動力汽車模型(Verros et al.， 2000a)。
本研究的主要目的是開發(fā)和應用一種系統(tǒng)的方法-ogy，使地面車輛的懸架阻尼和剛度參數(shù)在隨機道路激勵下的最佳組合。以往對該課題的研究大多涉及具有線性特征的汽車模型或受確定性道路激勵作用的力學模型。此外，很少注意揭示和研究與車輪跳躍現(xiàn)象有關(guān)的重要影響，主要是由于其數(shù)學建模的固有困難(Palkovics和Venhovens, 19921 Verros和Natsiavas, 2001)。
目前的工作結(jié)合最近的發(fā)展，涉及到對非線性四分之一車型的響應和優(yōu)化，受到道路激勵。在粒子-lar中，研究的模型包括具有強烈非線性阻尼和剛度特性的懸浮液，并允許車輪跳躍。此外，道路的不規(guī)則性被假定為random的性質(zhì)，它們被頻率光譜描述，這被認為是典型的汽車工程(Dodds和Robson, 19731 Gillespie, 1992)。然后將此激勵應用于具有線性或雙線性減震器和線性或三線性懸架彈簧的雙自由度四分之一汽車模型。具體來說，除了線性模型外，還研究了帶有被動或半主動懸架阻尼器的汽車系統(tǒng)。在最后一種情況下，根據(jù)懸架阻尼系數(shù)的選擇，應用控制策略，使車輛接近理想狀態(tài)的天鉤。在阻尼或剛度系數(shù)可變的情況下，分析變得復雜，因為產(chǎn)生的運動方程涉及強非線性。類似的非線性也被引入到線性模型中，當車輪跳躍被包括在公式中(例如Verros和Natsiavas, 2001)。
在選擇了道路激發(fā)譜后，利用蒙特卡羅模擬法對所研究的非線性車輛模型進行了概率分析。隨機道路輪廓的樣本函數(shù)是利用光譜抑制方法生成的，然后通過對運動方程的積分(Shinozuka, 1972)計算出車輛對每個樣本道路輪廓的響應。最后，利用所得到的樣本車輛響應時間歷史來估計響應的特征。這些特性反過來又形成了一個基礎(chǔ)，這對于開發(fā)一個計算上合適和高效的優(yōu)化過程是必要的。
本論文的材料組織如下。在下一節(jié)中，我們介紹了被動和半主動的四分之一汽車模型。在第3節(jié)中，我們提出了一種計算非直線車輛模型的二階矩特性的方法，該模型受已知光譜的隨機道路輪廓的影響。該信息用于第4節(jié)，定義車輛性能指標，包括車輛行駛舒適性、車輛處理和懸掛的工作空間。然后，建立了基于該性能指標的懸架阻尼和剛度參數(shù)的最優(yōu)值選擇方法。在第5節(jié)中，給出了一些典型的數(shù)值結(jié)果，并通過應用該方法得到了一些數(shù)值結(jié)果。重點是對線性、雙線性和天車模型的結(jié)果進行關(guān)鍵的比較。最后，總結(jié)了工作的重點。
圖1所示.車輛模型:(a)線性模型，(b)分段線性模型，(c)天鉤模型。
2. 力學模型
本研究中研究的車輛系統(tǒng)的力學模型如圖1所示。它們被稱為四分之一車型，由于它們的簡單性和質(zhì)量上的正確信息，它們被廣泛應用于汽車工程中，至少在最初的設(shè)計階段(Hrovat, 1993年)。在所有情況下，坐標x1和x2分別表示車輪子系統(tǒng)和車身的絕對垂直位移。
首先，對于圖1(a)的線性模型，運動方程可以很容易地放入經(jīng)典矩陣形式。
其中x1t2 - 5 1x1 x22t表示響應向量，而數(shù)量
表示質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣，以及系統(tǒng)的剛度矩陣。此外，矢量f 1t2包括由于道路粗糙度而產(chǎn)生的強迫項。特別地，車輛被假定為以一個恒定的水平速度40在道路上的一個側(cè)面圖s1z2。在這里，這個配置文件由一個隨機過程表示，它具有統(tǒng)計分布，這與典型的道路概況(Dodds和Robson, 1973)的測量是一致的。因此，強迫向量是以形式表示的。
其中xg 1t2, s140t2。
圖2.(a)懸浮阻尼器的受力特性。(b)恢復彈簧的力。(c)天鉤模型的等效懸架阻尼系數(shù)。
圖1(b)和圖1(a)中所示的模型的主要區(qū)別是，前者遵循一種常用的被動控制策略，即懸架阻尼系數(shù)c2在兩個不同的值之間轉(zhuǎn)換的值。更具體地說，對于這個模型，車身和車輪之間形成的阻尼力具有這種形式。
其中x4 5 x42 6 x41。這意味著懸架阻尼系數(shù)取決于簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之間相對速度的符號，如圖2(a)所示。換句話說，它在壓縮時的值與擴展值不同(例如，沃爾瑪公司，19901 Surace et al.， 1992)。此外，懸架彈簧也可能具有分段線性特性。一般情況下，典型的汽車懸架的恢復力具有非線性特性，可以通過折疊表達得到足夠的精度。
其中x5 x2 6 x1，而xc和xe表示被暫停的間隙(參見圖2(b))。最后，圖1(c)所示的力學模型被稱為理想的“天鉤”模型，并在傳統(tǒng)懸架模型(Verros et al.， 2000b)上具有一定的優(yōu)勢。此外，該模型還包括了一個帶阻尼系數(shù)的阻尼器阻尼器，它比輪胎的等效阻尼系數(shù)c1要大得多。在最簡單的形式中，該模型具有線性特征。然而，由于不可能實現(xiàn)這類懸架，必須采用適當?shù)目刂撇呗?，修改其特性。根?jù)前人對這一課題的研究，采用以下控制力對天鉤模型的行為進行了研究。
在系統(tǒng)的兩個質(zhì)量之間。這意味著，為了對車輛進行主動控制，需要對懸架阻尼系數(shù)值進行連續(xù)監(jiān)測，比如c92，基于對x41、x42和x4g的量的測量。
在實際操作中，最經(jīng)濟、最容易實現(xiàn)的策略是基于半主動控制邏輯，采用雙開關(guān)阻尼器。更具體地說，從c21和c22選取適當?shù)淖枘嵯禂?shù)值的公式中選擇等效的懸掛阻尼系數(shù)(見圖2(c))。
在被動雙線性或半主動控制策略的應用后產(chǎn)生的動力系統(tǒng)是強非線性的，因為懸架阻尼系數(shù)的值在某些點上發(fā)生變化。此外，即使對于具有線性特性的系統(tǒng)，當允許車輪單獨分離和起飛時，也會產(chǎn)生強烈的非線性效應。這一現(xiàn)象被稱為“車輪跳躍”(wheel hop in the literature)，它對車輛的整體動態(tài)響應產(chǎn)生了巨大的變化(Verros和Natsiavas, 2001)。為了將這種可能性納入到力學模型中，首先引入了運動學變量。
然后，如果X1 5 0，輪子與地面沒有接觸，當接觸力在車輪與地面之間產(chǎn)生接觸力的時間間隔內(nèi)，失去接觸，等于零(Leine et al.， 2000)。最后，運動方程的相應修正是，在輪作階段，k1、c1和強制函數(shù)f 1t2等于零。
3. 隨機路面情況下的響應特性。
一般來說，典型的道路是存在著大量的孤立的不規(guī)則現(xiàn)象，例如坑坑洼洼或凸起，它們被疊加在較小的但連續(xù)分布的剖面上。為了本研究的目的，我們只考慮后一種類型的道路。也就是說，本節(jié)討論的是在前一節(jié)給出的車輛模型的二階矩響應特性的估計。這些隨機域是實值的，零均值，平穩(wěn)，高斯分布。因此，對于他們的完整的統(tǒng)計描述，足以指定他們的二階矩。在這里，這一要求是通過假設(shè)道路不規(guī)則有一個已知的單面功率譜密度來實現(xiàn)的，例如Sg 192，其中9 5 2是一個空間頻率，對應的是一個具有波長的諧波規(guī)律性。根據(jù)之前對該主題的許多調(diào)查(例如，Dodds和Robson, 1973)，典型道路的幾何輪廓非常精確地符合以下簡單的分析形式。
用對數(shù)對數(shù)刻度表示的直線。用這種方法，兩種不同道路斷面的粗糙度的振幅比與各自的Ag值的平方根比成正比。此外，在公式(5)中選擇指數(shù)的值為n 5 2時，通常是相當準確和分析方便的，這也就意味著道路坡度具有類似于白噪聲信號的特征。
定性地說，在方程(5)中，指數(shù)n的一個很大的值強調(diào)了較長的波長的粗糙度，而它抑制了較短的波長的粗糙度。由于這一原因，人們普遍認為，與典型道路的幾何輪廓相對應的光譜，可以通過如下的更復雜的函數(shù)來近似。
其中，9051,2是一個參考空間頻率。此外，價值Sg1902提供了一種衡量道路粗糙度的措施。在這里，指數(shù)被選擇了，因此n1 5n2和結(jié)果譜在一個對數(shù)對數(shù)尺度上顯示了一個斜率不連續(xù)的9 590。最后，由于Sg 192的值趨近于9 0，所以路譜被高通濾波器濾波。
對于具有線性特性的車輛模型的特殊情況，對道路輪廓譜密度和車輛速度的知識通過眾所周知的公式(Lutes和Sarkani, 1997)對固定車輛響應的譜密度進行評估
在前面的方程中，5 940是時間頻率，Sx x 1 2和Sgg 1 2表示。
響應和強迫的譜密度矩陣分別為，H - 1 2，包括系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)，而上標T，分別表示轉(zhuǎn)位和共軛(如:Roberts和Spanos, 1990)。通過對這些響應的功率譜密度函數(shù)的積分，可以很容易地得到各種響應量的正極矩特征。然而，在前一節(jié)中提出的所有車輛模型，除了沒有車輪跳躍的線性模型外，都具有包含強非線性的運動方程。在這種情況下，頻域分析不再有效，而對二階矩響應特性的分析公式是不可用的。對于這種情況，使用蒙特卡羅模擬法評估響應的概率特征，并結(jié)合早期為分段線性系統(tǒng)開發(fā)的合適的集成方法(例如Natsiavas, 19931 Verros等，2000b)。
特別地，對于非線性車輛模型，道路輪廓的樣本是使用光譜表示方法生成的(Shinozuka, 19721 Shinozuka和Deodatis, 1991)。更具體地說，如果假設(shè)車輛在給定的道路上以恒定的水平速度行駛40英里，那么由于道路的不規(guī)范而產(chǎn)生的強迫行為可以通過下面的系列來模擬。
在前一個方程中，從所選的道路光譜中對激勵諧波的振幅進行了評價，其中，952l和L是考慮的路段長度。此外，還確定了基本的時間頻率0的值。
而階段n被視為隨機變量，在區(qū)間內(nèi)的均勻分布[03 2 2。然后，通過對運動方程的積分，計算出車輛對各樣本道路輪廓的響應。最后，利用樣本響應估計了響應的二階矩特征。幾百個樣本通常足以獲得對反應第二時刻的適當估計。
上述選擇基激發(fā)歷史的方法需要了解道路輪廓的功率譜密度和車輛速度的水平分量。圖3(a)顯示了兩組道路的光譜，這是在第五部分中進行的數(shù)值計算的例子。更具體地說，較低的曲線代表了高質(zhì)量的道路(n1 5 2, n2 5 175和Sg 1902 5 16 1066 m2 cycle61 m61)，而上曲線代表的是質(zhì)量差的道路(Sg 1902 5256 1066 m2 cycle61 m61)，根據(jù)ISO 2631標準。圖3(b)展示了兩種典型道路概況的具體形式，一種屬于高質(zhì)量群體，另一種屬于壞質(zhì)量集團。
在本研究的第一部分，提出了一種系統(tǒng)的方法，給出了在隨機變化的幾何剖面上移動的四分之一汽車模型的懸掛阻尼和剛度參數(shù)的最優(yōu)值。摘要研究了被動線性和雙速率懸架阻尼器模型，以及半主動天鉤阻尼模型。應用的控制策略，結(jié)合對車輪跳躍的考慮，導致了運動方程中出現(xiàn)了強非線性。這反過來又在應用程序的集成和優(yōu)化過程中造成了困難，這是通過使用適當?shù)姆椒▉砜朔?。在工作的第二部分，給出了數(shù)值計算結(jié)果，主要是對典型的四分之一汽車模型的懸架參數(shù)的優(yōu)化選擇，以及在適當定義的性能指標中權(quán)重因子的不同組合。注意力還集中在調(diào)查與道路概況質(zhì)量有關(guān)的影響方面。在這種情況下，特別強調(diào)了在懸浮彈簧中對車輪跳或非線性的影響，發(fā)現(xiàn)它被激活并對低質(zhì)量的道路造成嚴重的后果。通過檢查所研究的模型的動力學，也獲得了對優(yōu)化結(jié)果中觀察到的最重要趨勢的一些有用的見解。最后，在對所檢測的所有病例的信息進行批判性評價的基礎(chǔ)上，得出結(jié)論：半主動控制的車輛比被動雙速率阻尼器更好地設(shè)計了汽車模型，從而比具有線性懸架阻尼器的模型表現(xiàn)出更好的性能。
附錄2：外文原文
致 謝
在完成本次論文的過程中，遇到不少的問題，通過老師和同學的幫助都一一解決了。非常感謝老師的耐心指導并提出了不少很有幫助的意見，還有同學的各種幫助，順利的完成了本次論文。
通過本次論文學到了不少的知識，本次論文雖然完成了，但仍有許多問題，仍有許多我需要學習的地方，希望老師能夠多多指正。