李紀(jì)雄 譚健良 薛國發(fā)

摘 要：從2018年中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則對轉(zhuǎn)向前橋基本要求出發(fā)，設(shè)計了前橋輪芯的幾何模型，建立了有限元分析模型，并進(jìn)行了極限工況下的強(qiáng)度、剛度和安全系數(shù)的仿真分析和樣件的加工制造，最后把樣件裝配集成到賽車前轉(zhuǎn)向橋上進(jìn)行了物理實驗，結(jié)果表明設(shè)計的前橋輪芯滿足工作性能的要求。

關(guān)鍵詞：賽車前橋輪芯;有限元模型;強(qiáng)度剛度;物理實驗

中圖分類號：U469.6+96 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-37-03

Abstract： Starting from the basic requirements for the steering front axle of the 2018 Chinese University Student Formula Competition Rules， a geometric model of the front axle wheel core was designed， a finite element analysis model was established， and a simulation analysis of the strength， stiffness， and safety factor under extreme conditions And prototype processing， and finally the prototype assembly was integrated into the front steering axle of the racing car and physical experiments were performed. The results show that the designed front axle wheel core meets the performance requirements.

Keywords： Racing front axle wheel core; Finite element model; strength and stiffness; physical experiment

CLCNO.： U469.6+96 ?DocumentCode：A ?ArticleID： 1671-7988（2020）16-37-03

前言

前橋輪芯是大學(xué)生方程式電動賽車行駛系統(tǒng)最基礎(chǔ)的總成部件之一，它通過懸架和承載式賽車車身相連接，且一端安裝車輪，另一端安裝制動盤，其功用是傳遞車身和車輪之間各方向的作用力和力矩[1]。因此其良好的動靜態(tài)性能是賽車手與賽車的安全保障，也是賽車操縱性和方向穩(wěn)定性得以發(fā)揮的前提條件[2]。由此在進(jìn)行輪芯結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了需滿足安裝車輪、制動盤和懸架要求的尺寸外，還需具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性以滿足方程式賽車比賽的動靜態(tài)性能測評要求[3]。

鑒于此，本文以我校賽車隊研發(fā)的前橋輪芯為研究對象，分析了賽車前輪芯動靜態(tài)性能的基本理論，通過建立輪芯幾何模型和性能分析有限元模型，研究了在極限工況下輪芯的性能，最后對仿真分析的輪芯進(jìn)行了加工制造，并裝配在賽車上進(jìn)行了試驗驗證。

1 賽車前輪芯性能的動靜態(tài)分析基本理論

前輪芯各方向尺寸大于5mm，且各部分都是承受動靜態(tài)載荷的區(qū)域，需采用體單元模擬其結(jié)構(gòu)，而對這些體單元承受載荷發(fā)生變形進(jìn)行基于有限元的計算分析需以下幾個步驟[4，5]：

（1）設(shè)計前輪芯件的幾何結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行離散化，即采用有限個體單元進(jìn)行近似表述，即分解為節(jié)點和單元。

（4）平衡方程和剛度矩陣。平衡方程可描述為：

[載荷矩陣]=[剛度矩陣][位移矩陣]

（5）依據(jù)以上平衡方程組，可計算出節(jié)點位移，通過方程式可求解節(jié)點、單元的應(yīng)變與應(yīng)力值，由此可進(jìn)行后續(xù)的動靜態(tài)特性計算。

其具體的分析流程建立如圖1所示：

2 賽車前輪輪芯分析模型的建立

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

由于賽車四個車輪采用相同的規(guī)格，在轉(zhuǎn)向制動極限工況時前輪的受力比后輪大，故在此分析前輪輪芯。根據(jù)賽車前橋車輪的安裝空間、輪轂四個螺栓連接孔的位置，內(nèi)外軸承安裝空間、制動盤安裝空間和與輪芯連接孔的位置，確定前輪芯的形狀，其幾何模型建立如圖2所示。

賽車前輪輪芯在轉(zhuǎn)彎制動過程中，與輪芯連接的四個螺栓孔受到的載荷很大，故對其輪芯的強(qiáng)度和剛度要求都較高，那么此區(qū)域網(wǎng)格劃分要求也較為嚴(yán)格。由于輪芯的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的三維體，由此在網(wǎng)格劃分時主要選用了四面體進(jìn)行劃分，其中孔等主要受力區(qū)域的網(wǎng)格單元尺寸取0.5mm，其它區(qū)域尺寸取1mm。按照以上設(shè)置進(jìn)行劃分得有限元模型共有175817個單元和296204節(jié)點，劃分的網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.2 約束條件及載荷施加

賽車輪芯材料選用7075鋁，然后按轉(zhuǎn)彎制動工況對輪芯施加約束和載荷，如圖3所示，約束轉(zhuǎn)向立柱與輪芯外壁相接觸A處的六個自由度，然后對輪芯采用遠(yuǎn)程力進(jìn)行精確加載，各作用載荷大小和方向也如圖4所示，其中B、C處載荷來源于車輪對輪芯作用力，D、E處載荷來源于制動盤對輪芯作用力，則建立的有限元分析模型如圖4所示，其中載荷邊界條件是來源于懸架動力學(xué)分析。

3 仿真的結(jié)果分析

對建立的有限元模型進(jìn)行計算分析，可得如圖5～7所示的應(yīng)力云、變形云和安全系數(shù)圖，從應(yīng)力云圖5可得此極限工況時的最大應(yīng)力值為480.93MPa，從變形云圖6可得此極限工況時的最大變形量為0.23mm，從安全系數(shù)云圖7可得安全系數(shù)為1.05;由于所選材料為7075鋁，其屈服極限為505MPa，因此所設(shè)計的賽車輪芯結(jié)構(gòu)滿足仿真動靜態(tài)性能要求。

4 前輪芯的物理實驗驗證

針對性能仿真分析滿足要求的虛擬設(shè)計輪芯模型，按照幾何設(shè)計的形狀進(jìn)行機(jī)械加工工藝設(shè)計，工藝路線的設(shè)計為：下料→磨兩面→鉗工劃線→車外形和軸承安裝位→磨軸承安裝位→銑制動盤和輪轂安裝位外形→劃線鉆安裝孔和內(nèi)孔→打磨去毛刺[6];根據(jù)此工藝加工制造的輪芯實物如圖8所示。

最后把已制造加工的輪芯裝配集成到賽車上，得整個物理試驗的賽車實物如圖9所示，參加比賽之前該賽車在校園道路上進(jìn)行試跑和基本減速停車轉(zhuǎn)彎制動測試，輪芯沒有出現(xiàn)異樣。2018年11月份正式參加了在珠海舉行的中國大學(xué)生方程式賽車的靜態(tài)項目和動態(tài)項目的測評，其中靜態(tài)項目主要有：賽車設(shè)計、成本與制造分析、營銷報告;動態(tài)項目有：直線加速測試、高速避障測試、8字繞環(huán)測試、效率測試、耐久測試。圖10為經(jīng)過測試比賽評價后的整車，在整個測評過程中，輪芯也沒有出現(xiàn)異樣。對參加了比賽的賽車在學(xué)校實驗室進(jìn)行了關(guān)鍵部件拆解，圖11為拆解的輪芯，沒有發(fā)現(xiàn)失效現(xiàn)象，由此表明設(shè)計開發(fā)的輪芯滿足基本性能要求。

5 結(jié)論

（1）在分析動靜態(tài)性能基本理論基礎(chǔ)上，提出并構(gòu)建了賽車前橋輪芯性能分析的基本流程。

（2）根據(jù)2018中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則對前橋輪芯設(shè)計的要求，建立了賽車前輪芯的CAD模型，并通過仿真模擬方法對建立的模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)彎制動極限工況的動靜態(tài)性能分析，計算結(jié)果表明前橋輪芯性能滿足虛擬設(shè)計要求。

（3）設(shè)計了賽車前輪芯的加工工藝路線，且根據(jù)工藝進(jìn)行了物理樣件的制造，并裝配集成在賽車上，經(jīng)賽車整車物理實驗驗證，結(jié)果表明設(shè)計制造的前輪芯滿足基本的物理試驗要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2] 王望予.汽車設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3] 中國大學(xué)生方程式汽車賽規(guī)則委員會.2018中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則第三版[R].北京：中國汽車工程學(xué)會.

[4] 庫克.有限元分析的概念與應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社， 2007.9.

[5] SaeedMoaveni.有限元分析—ANSYS理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[6] 王啟平.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.