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巴哈车的优化设计与选材
Abhinav Sharma, Jujhar Singh and Ashwani Kumar
摘要：
本文对“巴哈车”或“全地形车”（ATV）进行了全面的设计和分析。在设计这辆巴哈车时，所有设计方面均按照美国汽车工程师学会（SAE）2014年的规定进行。本文的主要目的是对防滚翻保护架、前后悬挂系统、动力传动系统进行设计和优化。对防滚翻保护架进行了有限元分析，验证了设计的正确性。最初，采用计算机辅助设计（CAD）对防滚翻保护架进行了初步的三维模型设计，设计的Baja车辆是一款由350 cc、四冲程、10 BHP发动机、手动变速器驱动的越野车辆。材料选择基于重量、成本、可用性和性能等因素。本文将汽车总体设计分为防滚翻保护架、发动机、动力总成、悬架、转向、制动和人机工程学等子系统。本文还概述了车辆各子系统的设计。设计和制造的子系统同样坚固耐用。
关键字：SAE Baja，全地形车，越野车，Baja防滚架，Baja悬架。
简介
“巴哈”或“全地形车”一般用于描述为越野用途而设计的许多小型开放式机动车和三轮车中的任何一种。巴哈或全地形车，顾名思义，是一种单座越野车，使用低压轮胎行驶，座椅由驾驶员与齿轮齿条一起跨坐，作为转向控制的转向机构。顾名思义，它的设计是为了处理比大多数其他车辆更广泛的地形变化。这种车也被称为四轮，四轮自行车，三轮车，或四轮车。在三轮全地形车中，驾驶员坐在上面像摩托车一样操纵这些车辆，但在四轮全地形车中，额外的车轮在较慢的速度下提供了更大的稳定性。虽然配备有三个或四个轮子，但六个轮子的型号可用于特殊用途。全地形车的历史不能像摩托车那样悠久，也不能像摩托车那样久远，但它无疑激起了各地车主和骑手的热情。本文对以350cc四冲程10BHP（OHV-Intek）发动机为动力的四轮巴哈车进行了全面的设计和分析，由手动变速器驱动，其主体由防滚架和钢管框架组成，可在任何天气条件下，在崎岖不平和越野行驶条件下使用。Baja车辆的典型特点是爬坡、负重牵引、攀岩、加速、机动性、陆上耐久、水上、农业等。
根据2014年Baja-SAE国际规则，发动机不能以任何方式得到增强，以确保车辆总体设计的统一比较。因此，车辆性能的很大一部分取决于传动系和车辆的操纵性。通过提高传动系效率，车辆能够更快地加速并达到更高的最高速度。车辆的总重量（包括驾驶员重量）对性能有显著影响。总的来说，由于发动机容量是固定的，轻型车应该表现得更好。设计时考虑的因素包括安全和人体工程学、成本、市场可用性、重量和平衡、耐久性、标准化、可用性和可操作性。
采用Dessault系统Catia V5 R21软件进行设计，并在ANSYS - 14上进行分析。图1为Baja车辆的等距视图，图2至图4为车辆的不同视图。
图 1巴哈汽车的等距视图
图 2车辆前视图
图 3车辆俯视图
图 4车辆侧视图
防滚架
Baja车辆的防滚架是整个设计中最重要的基础。保持架在提供车辆所需的强度、耐力、安全性和可靠性方面起着至关重要的作用。它是Baja车辆的主干，因为它与车辆的其他系统相互作用。防滚架的设计可以将驾驶员座椅、发动机、传动系统、悬架系统、制动系统、燃油系统、转向机构等都安装在防滚架上。当车辆处于动态模式，防滚架必须采用高屈服强度和抗拉强度的钢管作为三角空间框架来设计，焊接接头的数量应少，而应采用弯曲接头，并且在任何时候都应保持强度和重量比，必须为活动部件提供最大的空间，必须以提供最大的驾驶可靠性，以及保证驾驶员的安全性的方式进行设计，方法是确保防滚架保持不干涉其他子系统和防滚架构件应保持其完整性，以便在发生翻滚或任何撞击时保护驾驶员。图5至7显示了防滚架的各种视图。
图 5防滚架的等距视图
图 6防滚架俯视图
图 7防滚架的侧视图
2.1 材料选择
研究后得到防滚架的最佳材料是外径为25毫米（1英寸），壁厚为3.05毫米（0.120英寸），碳含量至少为0.18的圆形钢管（Baja SAE等，2014）。根据SAE规则、材料的成本、可用性、性能和重量选择材料。材料的选择仅限于钢。经过深入研究，发现了用于防滚架设计的两种最佳材料：钢制AISI 4130铬合金和钢制AISI1018。使用圆管（无缝）的原因是它比方管更轻，用来承受与较宽的方管相同的应力，而圆管始终表现出方管的性能，因此可以缩小规格尺寸。表1显示了AISI 1018钢管的机械性能。
表 1：AISI 1018钢管的力学性能
2.2 防滚架设计
根据规则手册中的约束，假定车辆的最高速度为60 km / h或16.66m / s。 为了计算出最佳的防滚架设计方法，需要进行以下计算。令Wnet=完成的净功，f =力，d =行驶距离，然后
(1)
(2)
但是Wnet=冲击力times;d (3)
为了进行静态分析，可以认为车辆在撞击后的0.1秒内静止（Sania和Karan等，2013）。因此，对于以16.66 m / s的速度行驶的车辆，撞击后车辆的行驶距离为1.66 m（Sania和Karan等，2013）。根据方程式（1），（2）和（3）
冲击力=1/2mv2initialtimes;1/d (4)
冲击力=1/2times;235times;(16.66)2times;1/1.66
冲击力= 19,632.852 N
因此，允许的最大冲击力= 19,633 N
Baja车辆在撞击过程中的最大力为7.9 G，G =车辆的质量times;作用在车辆上的重力（Sania和Karan等，2013）。
=235times;7.9times;9.81=18,212.265 N
加速度极限的冲击力= 18212 N
上述计算值在实际上是可以用来做比较的。
为了正确地分析冲击力，我们需要找出冲击后车辆的减速度。施加在防滚架上的力为使车辆减速的力，其计算方法如下。根据研究，人体将以高于7.9 G的力散发出去（Sania和Karan等，2013）。因此，对于最极端的碰撞，考虑了10 G的值（Sania和Karan等，2013）。因此，为了进行静态正面碰撞分析，需要计算车辆的负荷。
(5)
F = 23,053.5 N
因此，最坏情况下的冲击力为23053 N。所以用于车辆防滚架的钢在速度极限、加速度极限和最坏情况下（考虑到力值10G），其最大屈服点要比冲击力大。防滚架的初始设计由4个主要部件组成：防滚架，水平围架和两个具有尺寸的周向箍（Baja SAE等，2014）。 后防滚架（RRH）是第一个功能设计。 它与垂直方向的最大倾斜角度为20度，以减小空气阻力并最大程度地减小发动机和机架中变速器的可用空间（Baja SAE等，2014）。 将对角支撑构件添加到RRH，距离末端水平构件不超过5英寸。继续工作，根据已经预先确定的悬架安装点设计了前端。成员被吸引在容纳前悬架的两个A型臂以及一个避震器安装点上。还考虑了留出制动储油槽的空间。通过简单地将防滚架连接到前端的最高点来设计防滚架。为了驾驶员的安全，已考虑最小的头部间隙。侧倾保持架的水平部分设计成可保持较大的垂直间隙和与后座底部的向前间隙。车辆的后端在设计时考虑了发动机的尺寸和方向。已经考虑并确定了变速箱和后悬架安装点。已对框架进行了分析，以确定此设计是否足够。进行了翻滚和碰撞分析。减少了不必要的构件以减轻重量。防火墙，前端和防滚架以及后端的设计均已完成。每个防滚架构件的设计都考虑到了减轻重量的需求，并且在转弯时降低了整个底盘的挠曲性。防滚架的测试已经在正面，侧面和顶部发生侧翻的情况下完成。防滚架还需要牢固的结构，以在翻车或碰撞时帮助驾驶员保护驾驶员。为了确保框架满足这些规格要求，将在几种条件下施加估计的力（即前部冲击力，侧部冲击力和侧翻力）。缓慢的翻滚不会超过车辆的重量。框架必须设计成能够承受这些力。
2.3 有限元分析(FEA)
由于防滚架是通过绘制关键点、线和样条曲线而设计的。因此，防滚架的每个部分都被认为在每个接缝处都受到适当的约束。对于进行正面冲击测试的边界条件，必须从后侧固定防滚架，并且前部部件将承受施加的载荷。以类似的方式，对于侧面冲击测试，防滚架元件的一侧是固定的，而另一侧将承受载荷。为了确定我们车辆的安全性，借助分析软件检查了施加不同冲击载荷产生的变形（即，力-正面为90.718 kgf，侧梁为45.359 kgf，侧翻为90.718 kgf） 。很少有重要的加载情况需要分析。这些包括正面碰撞，侧面碰撞和翻滚碰撞。从图8到图10的分析显示了不同冲击载荷产生的变形。在正面碰撞中，比赛中车辆可能撞向另一个车辆头部（Sania和Karan等，2013）。
图 8 受正面冲击载荷而变形
图 9 侧面冲击载荷引起的变形
图 10 由于翻转而变形
侧翻冲击分析是通过考虑当车辆从倾斜角度为45°的车辆倾覆时在防滚架上产生的应力来进行的。在这种冲击下，车辆的上部和后部部件将承受该力。
- 发动机
使用的是Briggs＆Stratton品牌（10 BHP和19.659 Nm，305 CC，单缸，四冲程，风冷和OHV intek）发动机，并且无法进行任何修改（Baja SAE等，2014）。 发动机具有一个调速器，该调速器可限制高转速下的功率以保护发动机。调速器被限制在3800 rpm或更低的最大速度上（Baja SAE et al，2014）。需要对车辆进行设计，以使该发动机通过变速箱提供的扭矩最大化。发动机平整地安装在车架的下部后部，因为它有助于降低整体重心，进而改善了车辆的操纵性，减少了翻车的机会，并减少了车架所需的软钢板数量。安装发动机的板是长度为350.52毫米，宽度为34.798毫米的低碳钢板。将钢板焊接到中间框架杆上，然后用4个螺栓将发动机安装在其上。用于节气门的节气门踏板为正行程型弹簧复位。油门拉线是多支架钢丝，油门踏板通过油门拉线连接到发动机。图11和图12显示了此发动机的功率曲线和扭矩曲线。
图 11 发动机功率曲线图
图 12 发动机扭矩曲线图
- 动力总成系统
动力总成是齿轮和相关零件的总成，将来自发动机的动力通过该总成传递到驱动轴、轮胎以及地面。 它本质上是一种将动力从发动机的输出轴传递到车轮的装置。在动力总成系统的设计过程中考虑了许多目标。主要目标是在不超过3800 rpm的发动机调速器转速的前提下，使10 BHP发动机向后轮传递的扭矩最大化，以达到车速（Baja SAE等，2014）。当限制10 BHP马力，小型和单缸发动机的功率增量时，该目标就变得尤其重要。这种限制导致设计重点放在变速器的选择上。所考虑的主要目标是减少动力总成系统的重量，耐用性，驾驶性能和可靠性。根据规则手册中的限制，严格禁止发动机改装，但可以选择变速箱。“越野爱好者”会认为手动变速箱比其他任何变速箱更“有趣”。因此，考虑了顺序手动变速箱（带倒档齿轮机构的4速变速箱，内置差速器），因为它从站立开始就具有更好的加速性能。这将给越野爱好者带来更多的驾驶乐趣。该系统将允许驾驶员从可用档位中选择合适的档位，从而可以更好地控制车辆。这种变速箱非常易于使用，因为它具有三轮车之类的换挡模式，即来回换挡运动，而不是汽车的标准“ H”模式。
-
- 动力总成设计
为了使车辆保持运动，发动机必须产生足够的动力来克服相对的道路阻力，这表现为牵引阻力或牵引力。 在选择合适的变速箱的过程中，并根据动力需求的限制，进行了计算，以计算各种传动比（即发动机的不同转速）下的牵引力。 将该牵引力与克服为运动中的车辆提供的各种阻力所需的努力进行了比较。阻碍车辆运动的道路阻力包括三个部分（Chetan等，2013）。
滚动阻力（Froll）的计算公式为
(6)
然后W =车辆重量= 235千克，c =滚动系数= 0.465，g =重力加速度= 9.81 m / s2
，Froll
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