雷鴻謙，鄭英龍，付豪

基于巴哈賽車轉(zhuǎn)向軸與方向盤裝配方式的設(shè)計(jì)

雷鴻謙，鄭英龍，付豪

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

巴哈賽車的輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，賽車過(guò)重會(huì)使燃油經(jīng)濟(jì)性變差，與節(jié)能減排的理念沖突，而且會(huì)增大賽車滾動(dòng)阻力，影響賽車動(dòng)力性。提出了巴哈賽車方向盤與轉(zhuǎn)向軸處的一種新型裝配方式，代替巴哈車方向盤利用零件“快拆”裝配的方式，在質(zhì)量減輕的同時(shí)擁有足夠的強(qiáng)度，可優(yōu)化賽車燃油經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)過(guò)程利用Catia軟件進(jìn)行建模，同時(shí)運(yùn)用Anasys軟件進(jìn)行有限元分析，以此校核強(qiáng)度。

巴哈賽車；轉(zhuǎn)向軸；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中國(guó)大學(xué)生巴哈大賽是中國(guó)在2015年從美國(guó)巴哈大賽引進(jìn)，由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)舉辦，由高等院校職業(yè)院校汽車或相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)后參加的越野汽車設(shè)計(jì)制造和檢測(cè)的比賽，其宗旨是提供培養(yǎng)高素質(zhì)人才的競(jìng)賽平臺(tái)，使學(xué)生在備賽過(guò)程中進(jìn)一步了解汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)等相關(guān)專業(yè)知識(shí)并合理運(yùn)用。隨著賽事的不斷發(fā)展，吸引到越來(lái)越多高等院校的關(guān)注，參賽車隊(duì)也越來(lái)越多。

由汽車?yán)碚摽芍?，在合適的范圍內(nèi)，整車質(zhì)量越輕，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性越好，也更加節(jié)能。而達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的需求需要整車各個(gè)部件共同配合，因此，巴哈賽車在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要分別考慮各系統(tǒng)中可以優(yōu)化的部位。

在巴哈賽車中，方向盤一般都采用快拆與轉(zhuǎn)向軸裝配，其質(zhì)量可達(dá)到500 g以上，不僅會(huì)影響到巴哈賽車總重，還會(huì)對(duì)駕駛者的轉(zhuǎn)向操控手感造成影響。由此提出一種新型裝配方式，減輕轉(zhuǎn)向系統(tǒng)質(zhì)量的同時(shí)保證其應(yīng)有強(qiáng)度，有利于提高賽車燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 裝配所需零部件參數(shù)選用

在設(shè)計(jì)的新型裝配方式中，需要制造加工的零部件主要有2種：轉(zhuǎn)向軸與方向盤之間的接合板、接合板與轉(zhuǎn)向軸之間的加強(qiáng)肋。二者與轉(zhuǎn)向軸以焊接的方式裝配在一起，材料選用以及參數(shù)確定如下。

1.1 轉(zhuǎn)向軸本體

轉(zhuǎn)向軸的作用是傳遞方向盤的扭矩，需要承受轉(zhuǎn)向時(shí)的扭矩，上端與方向盤相連，下端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向器相連，中間通過(guò)軸承套筒與車架固定，因而制作轉(zhuǎn)向軸的材料需要擁有較高的承受轉(zhuǎn)矩能力。轉(zhuǎn)向軸本體采用4130鋼管。

1.2 轉(zhuǎn)向軸與方向盤的接合板

轉(zhuǎn)向軸與方向盤的接合板是轉(zhuǎn)向軸與方向盤接合處的核心零件，它的內(nèi)圈通過(guò)焊接與轉(zhuǎn)向軸相連接，外圍通過(guò)螺栓直接與方向盤連接，所以，接合板形狀與螺栓開(kāi)孔位置需要根據(jù)所選方向盤來(lái)設(shè)計(jì)。在實(shí)際中，采用的方向盤底部共有6個(gè)螺栓孔，呈正六邊形布置，對(duì)角螺栓孔中心距為70 mm，螺栓孔直徑約為7 mm。

接合板由1塊鋼板經(jīng)過(guò)激光切割制成，由于在使用過(guò)程中會(huì)受到垂直于中心處的力以及旋轉(zhuǎn)扭力作用，為保證強(qiáng)度滿足要求，材料選用45號(hào)鋼，45鋼屬于低碳鋼，擁有良好的焊接性能，滿足焊接需要，其厚度定為4 mm。為了使接合板能與方向盤正確配合，需要在接合板上打出6個(gè)能與方向盤底部對(duì)應(yīng)的通孔，直徑選為6 mm，并用M6的螺栓螺母來(lái)完成方向盤與接合板的裝配。為保證在與轉(zhuǎn)向軸配合時(shí)，接合板中心與轉(zhuǎn)向軸鋼管中心對(duì)應(yīng)，所以，還需利用鉆床在接合板中心處鉆出1個(gè)直徑為20 mm的通孔，使轉(zhuǎn)向軸可以通過(guò)直接插入的方式與接合板進(jìn)行對(duì)心。為了減輕質(zhì)量，在強(qiáng)度足夠的情況下可以在接合板螺栓孔之間或其他沒(méi)有接合要求的地方通過(guò)激光切割適當(dāng)削減。

1.3 加強(qiáng)肋

在轉(zhuǎn)向軸與接合板接合處應(yīng)加設(shè)加強(qiáng)肋，起到分散應(yīng)力并提高轉(zhuǎn)向軸與接合板連接處強(qiáng)度的作用，保護(hù)危險(xiǎn)截面。加強(qiáng)肋同樣采用45號(hào)鋼的鋼板，用激光切割的方式加工而成，其表面近似為三角形，長(zhǎng)直角邊與轉(zhuǎn)向軸貼合，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為32 mm，短直角邊與接合板貼合，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為20 mm，斜邊為一內(nèi)凹的弧線，為使強(qiáng)度達(dá)到要求并便于安裝，加強(qiáng)肋的厚度為2 mm。

2 組裝概況

轉(zhuǎn)向軸、接合板、加強(qiáng)肋為一個(gè)整體，采用焊接的方式裝配。首先將轉(zhuǎn)向軸插入接合板中心預(yù)先打好的通孔之中，調(diào)整轉(zhuǎn)向軸與接合板的相對(duì)角度，使轉(zhuǎn)向軸垂直于接合板，用夾緊器固定后，用點(diǎn)焊的方式將二者焊接在一起，并放置一段時(shí)間，目的是利用時(shí)效法消除殘余應(yīng)力，放置足夠的時(shí)間后再加裝加強(qiáng)肋。加強(qiáng)肋共計(jì)3個(gè)，垂直于接合板以及轉(zhuǎn)向軸表面，由于轉(zhuǎn)向軸表面為圓弧，而激光切割后的加強(qiáng)肋與其結(jié)合處為平面，所以，需要用銼刀或者角磨機(jī)先將加強(qiáng)肋長(zhǎng)直角邊磨出弧度，再進(jìn)行焊接，以便接合緊密。

待放置足夠時(shí)間后，殘余應(yīng)力消除，用螺栓螺母將接合板與方向盤裝配到一起，即完成轉(zhuǎn)向軸與方向盤的接合裝配，裝配效果如圖1所示。

1—轉(zhuǎn)向軸；2—方向盤；3—螺栓螺母；4—加強(qiáng)肋；5—接合板。

3 有限元靜力分析

在模型建立的基礎(chǔ)上，如果需要正常投入使用，還需要對(duì)其受力進(jìn)行仿真分析，來(lái)驗(yàn)證其在實(shí)際情況下強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，這里采用Anasys軟件進(jìn)行有限元分析。

在Anasys庫(kù)中添加相應(yīng)材料，參數(shù)如下：轉(zhuǎn)向軸材料選為4130鋼管，其泊松比為0.279，楊氏模量為211 GPa，密度為7 850 kg/m3，查表得，4130鋼管許用應(yīng)力[]1約為780 MPa，接合板與加強(qiáng)肋材料選為45鋼，其泊松比為0.269，楊氏模量為209 GPa，密度為7 890 kg/m3，查表得，45鋼許用應(yīng)力[]2約為120 MPa。

3.1 扭力分析

根據(jù)計(jì)算，方向盤所受最大轉(zhuǎn)向力為120 N，且方向盤直徑為0.3 m，所受力偶矩為36 N·m。

將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩?fù)Q算為6個(gè)螺栓孔上所受的力，由于螺栓孔與接合板中心距為35 mm，算得每個(gè)螺栓孔受力為171.4 N，校核取200 N，所以，整體力偶矩為42 N·m。

校核時(shí)將轉(zhuǎn)向軸末端固定，在每個(gè)螺栓孔處施加垂直于結(jié)合板半徑且與接合板平面平行的力，為200 N，分析結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)ANSYS靜力分析可知，在轉(zhuǎn)向軸承受轉(zhuǎn)向過(guò)程中非常極限的力時(shí)，最大形變發(fā)生在螺栓孔處，為1.034 9×10-3m，而轉(zhuǎn)向軸處的形變小于0.5 mm，均不會(huì)對(duì)實(shí)際使用造成影響。對(duì)于接合板，最大應(yīng)力發(fā)生在中心部位，為38.43 MPa，小于許用應(yīng)力120 MPa。轉(zhuǎn)向軸收切應(yīng)力作用，而4130鋼管為塑性材料，許用切應(yīng)力[]=（0.6～1.0）×[]1，因此[]大于468 MPa，轉(zhuǎn)向軸最大切應(yīng)力發(fā)生在加強(qiáng)肋以下的鋼管部分，大小為68.525 MPa，小于許用切應(yīng)力。

3.2 法向力分析

經(jīng)過(guò)測(cè)試，方向盤上所受法向力不會(huì)超過(guò)100 N，方向盤直徑為0.3 m，力偶矩大小為30 N·m。由于轉(zhuǎn)向軸通過(guò)轉(zhuǎn)向軸固定套筒與車架相連，套筒與接合板距離為150 mm，轉(zhuǎn)向軸受彎矩作用時(shí)，該處為支點(diǎn)，所以分析的對(duì)象僅為轉(zhuǎn)向軸固定套筒上方的部分，在Anasys分析時(shí)將底部固定，并施加30 N·m的力矩，應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示。

圖2 受扭力時(shí)的應(yīng)力圖

圖3 受法向力時(shí)的應(yīng)力圖

分析可知，在施加該力矩后，最大形變處為接合板端點(diǎn)，為1.567×10-4m，鋼管部分形變量在0.1 mm以下，不影響正常使用。對(duì)于接合板與加強(qiáng)肋，最大應(yīng)力發(fā)生在接合板邊緣與加強(qiáng)肋外邊緣處，與受力情況有關(guān)，但最大為50.119 MPa，小于材料許用應(yīng)力120 MPa。對(duì)于轉(zhuǎn)向軸，最大應(yīng)力為37.609 MPa，小于材料許用應(yīng)力780 MPa。

綜上所述，該設(shè)計(jì)方案強(qiáng)度滿足要求。

4 設(shè)計(jì)小結(jié)

該設(shè)計(jì)提供了一種新型的、應(yīng)用于巴哈賽車的轉(zhuǎn)向軸與方向盤的接合方式，并驗(yàn)證了其強(qiáng)度滿足使用需要。其主要加工部件均由不同厚度的45號(hào)鋼鋼板激光切割而成，不僅加工操作方便，而且加工周期短。采用該接合方式時(shí)不僅強(qiáng)度滿足使用要求，經(jīng)過(guò)實(shí)際稱重，質(zhì)量也大大減小，3個(gè)加強(qiáng)肋與1個(gè)接合板的質(zhì)量約為50 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于快拆500 g的質(zhì)量，因此，能夠很好地解決使用快拆接合時(shí)造成的質(zhì)量偏大、轉(zhuǎn)向笨重等問(wèn)題，并且滿足整車總體減重的需求。

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U469.696

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.063

2095－6835（2020）13－0151－02

〔編輯：張思楠〕