FSC赛车钢管车架焊接夹具系统设计

　　摘 要：在FSC赛车设计上， 各高校多采用桁架式钢管车架。而钢管车架的焊接一直是困扰各个车队的难题。本项目立足于这一方向， 打算采用型材、钢柱等工具自行设计并建造一套可达到焊接要求的夹具， 用于管件的定位和固定。其设计方案与成果具有很高通用性及推广价值。
　　
　　关键词：铝型材； 焊接夹具； 约束；
　　

 

　　Abstract: In the design of FSC racing car, most high school teams use the truss type steel tube frame. The welding of the steel tube frame has been a difficult problem for each team. Based on this direction, the project intends to use the profiles, steel column and other tools to design and build a set of welding requirements of the fixture for the positioning and fixing of pipe fittings. The design scheme and results of the project have high universality and value of popularization.
　　
　　Keyword: Aluminum profile; welding fixture; constrai;
　　
　　 引言
　　
　　中国大学生方程式赛车大赛 （FSC） 是由中国汽车工程学会 （SAE-China） 举办的全国性大学生比赛， 比赛要求在一年时间内造出一辆符合大赛规则的方程式赛车进行比赛。
　　
　　在FSC赛车设计上， 各高校多采用桁架式钢管车架。而钢管车架的焊接一直是困扰各个车队的难题。本文主要讨论的是如何基于型材搭建焊接平台解决钢管的定位、夹持难题。
　　
　　1、 设计目的
　　
　　使用易搭建的材料搭建夹持平台， 固定住已进行过坡口处理的钢管， 直至焊接作业完成。为叙述方便， 现规定， 以车手做进车内的朝向， 前后方向为x轴， 前方为正方向；左右为y轴， 左方为正方向；上下为z轴， 上方为正方向。以主环中心最低点为R点。
　　
　　技术要求包括以下几点：
　　
　　（1） 整体车架要左右对称；
　　（2） 技术要求在任意位置和任意角度都能够约束钢管的位置和角度；
　　（3） 关键管件 （包括前隔板， 前环， 主环， 前悬定位杆和后悬定位杆） 与软件模型的差距不得多于1mm, 其余管件不得多于2mm;
　　（4） 能承受住自重、车架重量、焊接应力及其他可能承受的力， 且形变量不得超过上一条的规定；
　　（5） 尽量降低成本；
　　（6） 要求该焊接夹具灵活可调， 可满足不同车架的焊接需求。
　　
　　2、 方案设计
　　
　　2.1、 部件选用
　　
　　分析设计目的可知， 在焊接之前， 所设计的焊接夹具应能维持车架整体或至少主体钢管的相对位置。因为车架中大小管件错综复杂， 又要求必须轻巧， 易加工。经济上考虑， 还需满足易拆解可回收的选材要求。综合以上考虑， 最终选择了广为使用的铝型材作为搭建材料。
　　
　　为了配合铝型材的使用， 还需要骑马卡、直角角码、转向角码、T型螺母和螺栓等配套零件。
　　
　　按照部件间的约束规则， 铝型材加直角角码的组合可以实现管件的定位， 而转向角码可以实现一个平面内的转向。但是由于骑马卡单一的垂直固定方式， 始终无法实现第3个方向上的角度约束。为了弥补这一缺陷， 我们仿照离墙码的转向原理， 自己设计一种夹具， 称之为自制夹件， 如图1所示， 使用方法为一上一下配合使用。该夹件由锰钢锻造而成， 表面做了喷漆防锈处理。锰钢是一种高强度的抗磨钢， 主要用于需要承受冲击、挤压、物料磨损等恶劣工况条件的地方。锻造工艺消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷， 优化微观组织结构， 同时由于保存了完整的金属流线， 锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。用于制造机械中负载高、工作条件严峻的重要零件。
　　

　　图1 自制夹件实物图

　　

　　

　　
　　2.2、 整体布置
　　
　　着手整体布置， 有一点必须要保证的是， 车架要关于xz平面对称。所以对于对称的一对管件， 处理方式为将其夹在同一根平行于y轴的型材上， 并保持型材水平。用于焊接的车架在y轴方向长714mm, 还要预留工具空间和焊接空间， 因此选用800mm长铝型材作为我们这个焊接平台的“梁”.
　　
　　在使用部件进行可靠性试验时， 用直角角码固定的铝型材紧固力大， 型材、零件之间垂直条件完美， 符合基本要求。但是由于铝型材不是理想刚体， 在受到较大力矩的作用下， 仍会产生1°以内的弯曲。换算过来， 在一端固定的情况下， 800mm型材的另一端移位将达到13.9mm, 不符合精度要求。为此， 我们在每个梁的两端都装配了750mm长铝型材作为“柱”, 做到两个端点的同时固定， 便能达到要求。
　　
　　外部大管件由横梁直接固定， 小管件则是通过在横梁外接短的型材来进行固定。有些管件位于车架底部， 则在下方铺设长铝型材， 再用骑马卡固定。
　　
　　完成初步模型， 如图2所示。
　　

　　图2 初步， 模型

　　

　　

　　
　　2.3、 设计优化
　　
　　一般情况下， 一根管件会与很多管件焊接在一起， 只需要固定部分管件， 就能将焊点精准定位出来， 且管件在焊接前都做过坡口处理， 剩余的管件不用夹持也可以固定。这样便能省出很多空间， 便于安装和焊接作业。进行调整后得到了较为满意的夹具模型， 如图3所示。
　　

　　图3 最终方案轴视图

　　

　　

　　
　　3、 可行性分析
　　
　　3.1、 分析前， 查资料得到
　　
　　钢管材Q23 5热膨胀系数α=1.2×10-5, 钢管材Q235弹性模量E钢=205GPa, 钢管材Q235密度7.8×10-6g/mm3.
　　
　　车架总重m≈30kg
　　
　　重量支撑点个数约40平均单根钢管重量m钢=660g
　　
　　4040-W铝型材弹性模量E铝=72GPa
　　
　　4040-W单位长度质量k=2.6g/mm, 焊接室温约25℃
　　
　　当地重力加速度g=9.8N/kg
　　
　　3.2、 计算
　　
　　为了简化运算且是技术结果有意义， 以下的计算都是取的可能状态下受力或形变量最大值。
　　
　　量角器测量误差为0.5°， 如果附加于100mm的管件上， Δx= （0.5/180） ×π×100=0.87mm, 较大于卷尺的测量误差0.1mm, 因此在实际操作中， 应尽量使用卷尺进行测量， 用距离测算取代角度测算。
　　

　　F钢较小， 角码及夹持处不会有有影响的形变。
　　
　　焊点处导热距离约为50mm, 可近似处理为均匀受热。由于焊接应力变化过程比较复杂， 这里我们只考虑在钢管紧靠处、焊接情况
　　
　　较为理想的受力， 即可能出现的最大应力。钢管长度L≈L0× （1+α （t-t0） ） =50× （1+1.2×10-5× （400-273-25） ） =50.06mm
　　

　　该力较大， 据资料可得夹件可承受该力， 但可能会引起型材的形变。
　　
　　3.3、 铝型材形变
　　
　　3.3.1、 静载荷形变
　　
　　型材的弯曲形变多发生在梁上， 属于两端固定形式。载荷主要为型材自重和
　　
　　管件重量。
　　

　　δ《0.1mm, 可忽略不计。
　　
　　3.3.2 焊接形变
　　
　　平均铝型材长度为600mm.
　　

　　该长度大于测量误差， 不可忽略。与测量误差相加得0.28mm, 在可控范围内， 所以此处也符合设计要求。

　　
　　4、 优缺点分析
　　
　　4.1、 缺点
　　
　　（1） 对于前环、主环这些弯管， 没有较为精准的定位方式。
　　（2） 设计时由于没有实际加工经验， 有些设计较生硬， 实际装配不符合人机设计。
　　
　　4.2、 优点
　　
　　（1） 成本较低， 可使用次数多。
　　（2） 易安装， 易拆解， 不用时易收纳。
　　（3） 精度高， 刚度大， 变形量小， 承载力较大。
　　（4） 基本掌握核心技术， 加工自主化， 技术的可控性大。
　　（5） 适应性高， 稍加改动便可用于焊接另一副车架， 且可以适用于大多数小件固定、夹持。
　　（6） 可回收利用， 多余的型材和废料不会被浪费， 剩余的铝型材可以用于制造其他功能性小车。
　　
　　5、 创新性简介
　　
　　5.1、 型材
　　
　　本次设计选用的主要载体为铝合金工业型材， 并充分发挥了其易安装、拆卸， 轻巧便于携带、搬移极为方便的特点。成功地将一个包括多个方向位置管件的车架系统完成了整体的定位、固定， 使本身就具有多用途的铝型材又多了一个功能。
　　
　　5.2、 自制夹件
　　
　　在设计阶段， 我们自行设计了一套夹件， 并选用适宜的材料和工艺， 使其约束方式、精度和强度完美满足了设计要求。该夹具为锰钢锻造而成， 耐重力、耐高温， 采用底部钻孔的方式与型材的凹槽连接固定， 可与型材形成一定角度， 从而满足了角度约束要求。夹件中轴处有由两个45°斜面形成的槽， 可满足不同管径管件的固定要求， 适用性极广。
　　
　　5.3、 通用性
　　
　　成品具有极高的通用性和推广价值， 可适用于类似规格工件的焊接。该焊接夹具设计思路为底部设置型材导轨定位。故对于体量不是很大的物件， 本焊接夹具的适应性极强， 可满足焊接要求。实际焊接时也不需有太大改动， 节省了原材料。
　　
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