山西中北大學(xué)　墨海波

基于ANSYS Workbench的FSAE賽車輪芯輕量化設(shè)計(jì)

山西中北大學(xué)墨海波

汽車輪芯是連接半軸和輪輞的重要零件，實(shí)現(xiàn)輪芯的輕量化對(duì)汽車動(dòng)力性的提高和油耗的降低有重要作用。本文通過(guò)對(duì)車隊(duì)已有的FSAE賽車輪芯簡(jiǎn)易模型的分析，利用ANSYS Workbench分析平臺(tái)對(duì)輪芯重新建模，并用Static Structural模塊進(jìn)行靜力分析，最后通過(guò)Design Exploation模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證傳動(dòng)安全的情況下實(shí)現(xiàn)FSAE賽車的輪芯輕量化。分析結(jié)果表明：輪芯中軸部分壁厚對(duì)輪芯質(zhì)量和應(yīng)力影響最大，輪芯質(zhì)量由2.63kg降到0.99kg。

大學(xué)生方程式賽車；輪芯；輕量化；ANSYS Workbench

引言

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽，英文名稱為Formula Student China（簡(jiǎn)稱FSC），是一項(xiàng)由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。

汽車的輕量化就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。由于輪芯位置的特殊性，實(shí)現(xiàn)它的輕量化的意義更加明顯。

本文以中北大學(xué)方程式賽車的輪芯為研究對(duì)象，利用ANSYS建立幾何模型進(jìn)行力學(xué)分析，并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1輪芯模型的建立

由于賽車輪芯不是普通汽車輪芯，所用輪輞為賽車專用輪輞，所以要進(jìn)行輪芯的重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的輪芯在能滿足力學(xué)要求的同時(shí)，還要能夠使卡鉗、剎車盤(pán)等有充分的工作空間，并且使用螺栓與輪輞進(jìn)行連接。

圖1為中北大學(xué)行知車隊(duì)最初設(shè)計(jì)的方程式賽車的輪芯，壁厚為10mm，質(zhì)量達(dá)2.63kg，十分笨重，不符合輕量化的目標(biāo)，對(duì)賽車動(dòng)力和操控有十分不利的影響，亟需進(jìn)行輕量化處理。

參考方程式賽車的輪芯，綜合考慮輪芯與半軸和輪輞的連接問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)了輪芯的三維模型，初步減小了部分結(jié)構(gòu)的壁厚，同時(shí)增加了四個(gè)螺栓孔，見(jiàn)圖2。此時(shí)質(zhì)量降為1.56kg，將在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)行受力分析和進(jìn)一步的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2　改進(jìn)模型

2受力計(jì)算

中北大學(xué)的方程式賽車采用600cc單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在達(dá)到最高轉(zhuǎn)速3560rpm時(shí)輸出最大扭矩Ttq為61.1N·m，初級(jí)減速比i0為2.345，末級(jí)減速比if為2.6，變速箱一檔的減速比i1為2.571，輪胎中心到地面距離R為260mm，輪芯與半軸連接的螺紋孔圓心到輪芯中軸距離r為26mm，輪芯與輪輞連接的螺紋孔圓心到輪芯中軸距離s為56mm。

總扭矩為：

T總=Ttq·i0·i1·if

=61.1×2.345×2.571×2.6

=957.77N·m

分配到兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，單輪扭矩T為478.88N·m。

輪芯與半軸連接的螺紋孔受力為：

F入=T/r

=478.88/0.026

=18418.46N

平均到單個(gè)螺紋孔受力為4604.62N。

輪芯與輪輞連接的螺紋孔受力為：

F出=T/s

=478.88/0.055

=8706.91N

在螺栓孔受力均勻的情況下，平均到單個(gè)螺栓孔受力F2為2176.73N。

3受力分析

通過(guò)Workbench的Static Structural模塊對(duì)模型進(jìn)行受力分析，輪芯的分析模塊見(jiàn)圖3。

圖3　Workbench分析流程

圖4　應(yīng)力情況

輪芯的受力情況見(jiàn)圖4。輪芯材料選用45號(hào)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后屈服點(diǎn)能達(dá)到360MPa，圖4的分析結(jié)果顯示最高應(yīng)力為41MPa，可見(jiàn)此模型還有很大的優(yōu)化空間。

4優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)Workbench的Optimazition模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輪芯的輕量化。

取輪芯與剎車片連接部分的厚度P8、輪芯與半軸連接部分的厚度P7及輪芯中軸部分壁厚P6三個(gè)尺寸為設(shè)計(jì)變量，取輪芯的質(zhì)量P5和輪芯最高應(yīng)力的最小值P9為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)參量見(jiàn)圖5。

圖5　設(shè)計(jì)參量

三個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的敏感度見(jiàn)圖6，由圖可知，輪芯中軸部分壁厚對(duì)輪芯質(zhì)量和應(yīng)力影響最大，設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮這一部分的優(yōu)化，其余兩個(gè)變量對(duì)輪芯質(zhì)量的影響非常小。

圖6　設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響的敏感度

優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖7，圖中表格是從1000組數(shù)據(jù)中篩選出的7組，另外人工輸入四組數(shù)據(jù)做結(jié)果對(duì)比用。

圖7　優(yōu)化結(jié)果

5結(jié)論

根據(jù)圖中給出的數(shù)據(jù)，與輪芯原始尺寸對(duì)比，綜合考慮設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的敏感度和安全情況，將輪芯與剎車片連接部分的厚度、輪芯與半軸連接部分的厚度優(yōu)化結(jié)果取3mm，輪芯中軸部分壁厚優(yōu)化結(jié)果取2mm，優(yōu)化質(zhì)量為0.72kg，較原始模型質(zhì)量降低54%。

但是，考慮到本校第一次自主設(shè)計(jì)和加工輪芯，以及材料本身質(zhì)量問(wèn)題和加工精度問(wèn)題，為保證賽車駕駛的絕對(duì)安全，在實(shí)際加工時(shí)，將輪芯與剎車片連接部分的厚度、輪芯與半軸連接部分的厚度加工為5mm，輪芯中軸部分壁厚加工為3mm，質(zhì)量約為0.99kg，較輕量化之前質(zhì)量降低37%。輪芯受力分析見(jiàn)圖8，最高應(yīng)力為79MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于45號(hào)鋼能承受的極限應(yīng)力。

圖8　新模型受力分析

［1］趙強(qiáng)，朱熊.大學(xué)生方程式賽車車架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011，7：33-39.

［2］周永光，陽(yáng)林，吳發(fā)亮.FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50（11）：37-41.

［3］喬邦，謝金法，牛毅.基于剛度與模態(tài)分析的方程式賽車架結(jié)構(gòu)輕量化.農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2011，24：4-8.

［4］王兵，劉云歡.基于ANSYS Workbench的FSAE賽車模態(tài)分析與輕量化設(shè)計(jì) ［A］.2013中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，612-617.

［5］賀紹華.賽車輕量化系統(tǒng)方法與車架優(yōu)化［D］.廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

墨海波，1990出生，山西太原人，碩士，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)。