崔盈利，賈軍濤，霍志毅，韓光利

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基于ANSYS workbench的巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)靜力學(xué)分析

崔盈利，賈軍濤，霍志毅，韓光利

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054000）

巴哈賽車的賽道復(fù)雜多變，賽車轉(zhuǎn)向節(jié)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨損甚至斷裂的現(xiàn)象，直接影響參賽車隊(duì)的成績。巴哈賽車的轉(zhuǎn)向節(jié)一般為參賽車隊(duì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)，包括材料、結(jié)構(gòu)和尺寸選取，每一項(xiàng)都關(guān)乎轉(zhuǎn)向節(jié)的性能。文章主要利用ANSYS workbench對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行靜力學(xué)分析，判斷該轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)的是否合理。

巴哈賽車；轉(zhuǎn)向節(jié)；ANSYS workbench；靜力學(xué)分析

引言

巴哈賽車是中國近幾年興起的一項(xiàng)主要針對(duì)全國大學(xué)生的比賽，該賽事目前已經(jīng)吸引近百所高校參加。比賽要求參賽車隊(duì)按照比賽規(guī)則，由學(xué)生自主研發(fā)制作一輛小型越野型賽車[1]。比賽選用的賽道十分復(fù)雜，涉及到滾木、輪胎、水坑、坡道等各種路況和地形，對(duì)賽車的要求十分苛刻。綜合歷屆參賽的賽車的損壞情況來看，轉(zhuǎn)向節(jié)出現(xiàn)故障的比例較大，所以設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)向節(jié)是設(shè)計(jì)和制造賽車的關(guān)鍵內(nèi)容。

1 巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

本文中賽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中轉(zhuǎn)向節(jié)上下部分分別連接賽車的上下擺臂，兩側(cè)分別連接轉(zhuǎn)向拉桿和制動(dòng)器的制動(dòng)鉗，中間部分連接賽車輪芯。轉(zhuǎn)向節(jié)在賽車上位置十分關(guān)鍵，承受的力及載荷錯(cuò)綜復(fù)雜，故轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)的合理關(guān)系到賽車性能及壽命。此外轉(zhuǎn)向節(jié)屬于賽車的簧下質(zhì)量，所以在保證其強(qiáng)度的前提下質(zhì)量盡可能的小，以提高汽車的舒適性。

2 有限元模型的建立

本論文轉(zhuǎn)向節(jié)三維模型通過Creo3.0軟件建立，利用Ansys workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析，為得到高質(zhì)量網(wǎng)格，先對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)處理[2]，并采用合適的網(wǎng)格劃分方法，最終轉(zhuǎn)向節(jié)模型得到的節(jié)點(diǎn)數(shù)為67261個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元數(shù)為16789個(gè)，其網(wǎng)格分布如圖2所示：

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)各部分連接示意圖

圖2 劃分網(wǎng)格

3 轉(zhuǎn)向節(jié)有限元分析

3.1 工況分析

巴哈賽道屬于越野賽道，幾乎包含了各種復(fù)雜地形，通過分析不同路面對(duì)車輪的沖擊方式及轉(zhuǎn)向節(jié)所在的位置，可以將其中最危險(xiǎn)的工況分為在不平路面行駛、緊急制動(dòng)和側(cè)滑三種[3]。

不平路面工況是巴哈賽車行駛過程中最常見的工況，賽車在此種賽道行駛時(shí)，車輪在垂直方向上受到較大的沖擊載荷，并將沖擊載荷傳遞給與之連接的轉(zhuǎn)向節(jié)[4]。由于賽車間互相超車、泥水和塵土遮擋防護(hù)鏡及應(yīng)對(duì)賽道上的各種障礙等原因，緊急制動(dòng)工況也比較常見，此時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)載荷主要有來自輪胎的支持力與縱向反力，由于制動(dòng)時(shí)不提供動(dòng)力，此時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)不承受扭矩。由于巴哈賽道部分彎道半徑比較小，又有可能路面存在積水或沙土，路面十分光滑，加之賽車手處于緊張的狀態(tài)操縱汽車的能力下降，所以側(cè)滑現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率十分高。此工況下前側(cè)車輪受力較大，主要有前輪的地面支持力、側(cè)向反力，且左右兩車輪所受的力數(shù)值不同，當(dāng)發(fā)生右側(cè)側(cè)滑時(shí)，右側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)承受的力矩要遠(yuǎn)大于左側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)[5]。

3.2 有限元分析結(jié)果及分析

針對(duì)上述三種比較危險(xiǎn)的工況，分別將其對(duì)應(yīng)的約束和載荷添加到模型上進(jìn)行求解，所得出的計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

綜下可知，應(yīng)變最大的工況是側(cè)滑工況，應(yīng)變值接近為0.024mm，最大變形位置位于轉(zhuǎn)向節(jié)與車軸連接處頂端，此工況應(yīng)力值也最大，其值為196.31 MPa，位于轉(zhuǎn)向節(jié)與車軸連接處頂端偏前側(cè)。三種工況應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值如表1所示。

圖3 不平路面工況轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖和變形圖

圖4 緊急制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖與變形圖

圖5 側(cè)滑工況轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力圖和變形圖

表1 三種工況轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值

該賽車轉(zhuǎn)向節(jié)材料為航空鋁7050，其屈服極限為460 MPa，規(guī)定變形范圍為小于0.12mm。綜合表1中的數(shù)據(jù)可知，應(yīng)力應(yīng)變均滿足要求，且有足夠的強(qiáng)度應(yīng)對(duì)賽場(chǎng)上的突發(fā)情況。由此可知，該轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)的是合理的。

4 結(jié)論

為了驗(yàn)證學(xué)生自主設(shè)計(jì)和制造的轉(zhuǎn)向節(jié)能夠滿足巴哈賽車賽道的要求，本文主要對(duì)巴哈賽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行了建模，針對(duì)比賽過程中的危險(xiǎn)工況進(jìn)行了靜力學(xué)分析，通過分析結(jié)果證明了本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向節(jié)能夠滿足實(shí)際賽況的要求。

[1]曾忠敏,張英朝.Formula SAE 賽車轉(zhuǎn)向節(jié)的拓?fù)鋬?yōu)化[J].汽車工程, 2012 (12):1094-1099.

[2]張寶玉.基于有限元的FSC賽車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)分析[J].汽車零部件,2014(9):23-25.

[3]劉世良.基于ANSYS的某型號(hào)轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].安徽科技, 2014 (12):48-49.

[4] 許志.汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可靠性及靈敏度分析[D].浙江工業(yè)大學(xué),2009.

[5]郭春林,張永祥.有限元分析在轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(10).

Static analysis of Baja racing car steering knuckle based on ANSYS workbench

Cui Yingli, Jia Juntao, Huo Zhiyi, Han Guangli

（Xingtai Polytechnic College, Hebei Xingtai 054000）

The track of the Baja racing car is complex and changeable, the steering knuckle often appears the phenomenon of wear and tear, which directly affects the performance of the teams. The steering knuckle of the Baja racing car is generally designed by the students of the teams, including material, structure and size selection, each of these is related to the perfor -mance of the knuckle. This paper mainly carries out static analysis on the steering knuckle designed by students, and determines whether the design of the steering knuckle is reasonable.

Baja racing car; steering knuckle; ANSYS workbench; static analysis

U463.46

A

1671-7988(2019)07-46-02

崔盈利（1989-），男，助教，就職于邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系。

U463.46

A

1671-7988(2019)07-46-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.015