鐘興華，陽(yáng)林，駱文星，陳劍，袁耀盛

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基于FDM的3D打印賽車方向盤設(shè)計(jì)*

鐘興華，陽(yáng)林，駱文星，陳劍，袁耀盛

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

3D打印技術(shù)由于其原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、個(gè)性化制造等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在大學(xué)生方程式汽車大賽中，賽車方向盤設(shè)計(jì)要根據(jù)車手的具體參數(shù)進(jìn)行個(gè)性設(shè)計(jì)，一旦發(fā)生更換車手、調(diào)整座艙尺寸或者內(nèi)置電子設(shè)備變化等情況，傳統(tǒng)的制造方法很難保證產(chǎn)品的隨時(shí)優(yōu)化及更新。因此，文章提出一種基于FDM的3D打印賽車方向盤的設(shè)計(jì)方案。該方案運(yùn)用3D打印技術(shù)能夠滿足賽車方向盤的個(gè)性化設(shè)計(jì)要求，并且能夠?qū)崿F(xiàn)賽車方向盤的快速制造，從而保證產(chǎn)品的隨時(shí)更新和優(yōu)化。

3D打印技術(shù)；FMD；賽車方向盤

前言

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（英文名稱Formula Student China以下簡(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)在校生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。[1]在FSC比賽中，賽車方向盤設(shè)計(jì)要根據(jù)車手的具體參數(shù)進(jìn)行具體的個(gè)性設(shè)計(jì)，一旦發(fā)生更換車手、調(diào)整座艙尺寸或者內(nèi)置電子設(shè)備變化等情況，原來(lái)制造好的方向盤將不再適合，必須去制造一個(gè)更加適合的方向盤，而統(tǒng)的制造方法很難保證產(chǎn)品的隨時(shí)優(yōu)化及更新。

近年來(lái)，3D打印技術(shù)成為第四次工業(yè)革命的重要技術(shù)，也作為一項(xiàng)智能制造新技術(shù)的產(chǎn)物，受到國(guó)內(nèi)外普遍的關(guān)注。3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，由于其原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、個(gè)性化制造等優(yōu)點(diǎn)，使得3D打印技術(shù)能夠很好的滿足賽車零部件的快速開(kāi)發(fā)與制造。[2]

1 FDM打印技術(shù)原理

熱熔融沉積制造法（Fused Depostiton Modelin）簡(jiǎn)稱FDM，F(xiàn)DM技術(shù)是由Stratasya公司所研發(fā)的一種3D打印技術(shù)。該技術(shù)使用絲狀材料（如ABS、PLA等）為原料，如圖1所示，通過(guò)加熱方式將原料加熱為熔融狀態(tài)，在微型電腦的控制下，出料頭沿著水平方向運(yùn)動(dòng)，將熔化的材料均勻地涂在工作臺(tái)上，等冷卻后這層涂覆就會(huì)成為零件的一層截面，之后噴頭再向上移動(dòng)一層高度，再疊加一層材料，如此往復(fù)逐層疊加，最終形成實(shí)體零件，如圖2、圖3所示。

圖1 FDM打印材料

圖2 FDM打印原理示意圖

圖3 FDM類型3D打印機(jī)

2 FSC賽車方向盤設(shè)計(jì)

2.1 賽車方向盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FSC賽車方向盤不只是具有轉(zhuǎn)向功能，同時(shí)還具有其他附加功能。這些功能分布在賽車方向盤上的按鈕分別可以完成以下功能：控制離合器、控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、控制換擋、無(wú)線電對(duì)講、進(jìn)入修理站的車速限制、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速限制、制動(dòng)力平衡的調(diào)節(jié)、空氣燃油比例混合的調(diào)節(jié)、賽車綜合信息的顯示控制（包括發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)、燃油消耗以及每一圈時(shí)間、當(dāng)前檔位指示等），還有一些預(yù)先編好的控制程序和各種閃爍著的警告燈。多種功能按鍵的添置，使得賽車方向盤的內(nèi)容豐富起來(lái)，造型也產(chǎn)生了一定的變化。因此，賽車方向盤功能鍵的形狀、尺寸、色彩、字體的設(shè)計(jì)和位置安放，都成為了方向盤設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。[3]

本文當(dāng)中的賽車方向盤總體采用矩形加圓弧結(jié)構(gòu)，采用上下盤體分開(kāi)設(shè)計(jì)，電控人員可以將電控設(shè)備安裝在賽車方向盤內(nèi)腔。上盤體部分由于受力作用較小不需要大強(qiáng)度來(lái)維持方向盤的操縱穩(wěn)定性，所以上盤體總體厚度設(shè)計(jì)為4mm。由于人手在握持孔部分會(huì)施加較大的力來(lái)實(shí)現(xiàn)方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)賽車方向控制，所以在握持孔部分厚度設(shè)計(jì)為12mm。下盤體部分由于承擔(dān)整個(gè)賽車方向盤和轉(zhuǎn)向柱的連接作用，在中間部分設(shè)置有凸臺(tái)，凸臺(tái)厚度為8mm，其他部分厚度均為6mm，為了減小凸臺(tái)與盤其他部分連接處的應(yīng)力集中，在凸臺(tái)和盤其他部分連接處設(shè)置了倒角。根據(jù)我們測(cè)量得出賽車手手部具體尺寸，并根據(jù)賽車手的具體要求我們將賽車方向盤設(shè)計(jì)為類橢圓形。賽車方向盤整體參數(shù)如表1所示。

表1 賽車方向盤尺寸數(shù)據(jù)

2.2 FSC賽車方向盤建模

本次建模我們采用solidworks軟件，將整個(gè)方向盤分為上盤體和下盤體兩部分，方向盤是由上盤體和下盤體通過(guò)螺栓和特殊粘結(jié)劑合并在一起的。

在上盤體上，增加電子顯示屏框①，該電子顯示屏能夠顯示多個(gè)車體運(yùn)行狀況參數(shù)，主要有檔位的變換、車體能量、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度等，多個(gè)車體運(yùn)行狀態(tài)信息的顯示能夠幫助駕駛員有足夠的時(shí)間和信息作出對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整，使得車輛運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳。在上盤體靠近最外側(cè)的邊緣上還設(shè)有拇指凹陷⑥，賽車手在駕駛賽車時(shí)可將大拇指安放在其中；上盤體同時(shí)還設(shè)置了握持孔③，握持孔是賽車手駕駛時(shí)四指所持握住的位置，上訴⑥、③兩個(gè)設(shè)計(jì)均可以保證賽車手在高度緊張的環(huán)境和有限的車體空間內(nèi)，使得賽車方向盤與賽車手手部完全貼合，給予賽車手最好的手部駕駛體驗(yàn)。此外，上盤體的②部分為喇叭提示孔，以便信息第一時(shí)間傳達(dá)到賽車手，加快賽車手判斷和決策時(shí)間；上盤體④為按鈕挖孔，沒(méi)有棱角的圓形按鈕在一定程度上增加了賽車方向盤的安全系數(shù)；上盤體⑤為L(zhǎng)ED指示燈挖孔，不同顏色的指示燈代表不同的駕駛信息，準(zhǔn)確的信息是賽車手正常發(fā)揮的重要保障，如圖4所示。

下盤體部分由于承擔(dān)整個(gè)賽車方向盤和轉(zhuǎn)向柱的連接作用，在中間部分設(shè)置有凸臺(tái)并安裝快拆器，因此凸臺(tái)上開(kāi)有相應(yīng)的螺栓孔，如圖5所示。

圖4 上盤體模型正面圖

① 電子顯示屏框；②喇叭提示孔；③握持孔；④按鈕挖孔； ⑤LED指示燈挖孔；⑥拇指凹陷

圖5 下盤體模型圖

圖6 賽車方向盤裝備圖

2.3 FSC賽車方向盤仿真

由于賽車方向盤只有下盤體通過(guò)快拆器與轉(zhuǎn)向柱連接，在使用過(guò)程中上盤體的受力較小可以忽略不計(jì)，所以本次仿真主要針對(duì)下盤體的可靠性進(jìn)行分析。我們采用SolidWorks Simulation進(jìn)行有限元分析。

2.3.1設(shè)置應(yīng)用材料

不同的材料會(huì)有不同屈服的特性，本次實(shí)際賽車方向盤制造采用ABS材料制造，如圖7所示是ABS材料參數(shù)。

圖7 ABS材料制造參數(shù)圖

2.3.2施加外部載荷

由于賽車手是通過(guò)旋轉(zhuǎn)方向盤將力傳到轉(zhuǎn)向柱，然后在傳到轉(zhuǎn)向輪，所以載荷將以旋轉(zhuǎn)力矩的方式施加到方向盤上，由《車輛人機(jī)工程學(xué)》可知轉(zhuǎn)向盤的允許的最大用力為150N，而賽車方向盤直徑為275mm，所以設(shè)置的方向盤允許的的最大力矩為公式1：

M=F*L （1）

式中：M為最大力矩；F為最大用力；L為對(duì)賽車方向盤直徑。

所以旋轉(zhuǎn)力矩設(shè)置如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)力矩設(shè)置圖

2.3.3生成網(wǎng)格

由于電腦配置等原因，本次設(shè)計(jì)的網(wǎng)格并沒(méi)有設(shè)置太小，否則電腦運(yùn)行會(huì)崩潰。我們利用SolidWorks Simulation的網(wǎng)格生成器自動(dòng)生成下盤體網(wǎng)格，如圖9所示。

圖9 下盤體生成網(wǎng)格

2.3.4運(yùn)算網(wǎng)格模型

結(jié)果如圖10、圖11、圖12。由圖可看出，ABS材料的屈服力為50MP，分析得到的應(yīng)力最大值小于ABS材料的屈服值。通過(guò)對(duì)下盤體的有限元分析，說(shuō)明賽車方向盤的下盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合要求。

圖10 下盤體-靜應(yīng)力分析 -應(yīng)力圖

圖11 下盤體-靜應(yīng)力分析 -應(yīng)變圖

圖12 下盤體-靜應(yīng)力分析 -位移圖

3 3D打印賽車方向盤實(shí)物

3.1 模型文件切片

本文采用FlashPrint切片軟件，將賽車方向盤模型進(jìn)行切片處理，以保證3D打印機(jī)能夠順利打印賽車方向盤實(shí)物。FlashPrint切片軟件其參數(shù)可以詳細(xì)設(shè)置，可根據(jù)需求自由添加支撐，支持雙色打印和多模型打印，Gcode代碼轉(zhuǎn)換速度極快，以預(yù)覽打印過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，并且支持市面上絕大部分FDM原理的3D打印機(jī)。如圖13所示為下盤體的切片圖。

圖13 下盤體切片圖

3.2 FDM打印賽車方向盤實(shí)物

首先開(kāi)啟3D打印機(jī)，對(duì)3D打印機(jī)底座預(yù)熱，然后選擇下盤體進(jìn)行打印。在打印過(guò)程中要隔一段時(shí)間來(lái)觀察打印情況，以免打印失敗。3D打印過(guò)程如圖14所示?；贔DM的3D打印賽車方向盤成品如圖15所示，由于剛脫離打印系統(tǒng)的打印件比較粗糙，所以需要用到銼刀、尖嘴鉗等工具經(jīng)過(guò)二次處理才可以使得表面更加光滑、適用性更強(qiáng)。

圖14 下盤體3D打印過(guò)程

圖15 基于FDM的3D打印賽車方向盤成品

4 結(jié)論

本文基于大學(xué)生方程式汽車大賽，對(duì)賽車方向盤采用了人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)賽車手個(gè)人習(xí)慣和身體尺寸量身定制，并采用 SolidWorks進(jìn)行建模仿真和有限元分析。通過(guò)了有限元分析賽車方向盤結(jié)構(gòu)之后，運(yùn)用FDM類型的3D打印機(jī)進(jìn)行賽車方向盤實(shí)物的制造。經(jīng)過(guò)分析與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)3D打印制造出的方向盤比用傳統(tǒng)方法制造的方向盤，制造周期縮短將近四分之三、成本降低40%。本論文雖然研究的只是賽車方向盤的設(shè)計(jì)和制造，但是其背后的3D打印快速制造與個(gè)性化設(shè)計(jì)的思路，能夠?yàn)槠渌囮?duì)的賽車零部件研發(fā)提供借鑒。

[1] 侯杰.FSAE賽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析[D].合肥工業(yè)大學(xué),2017.

[2] 鄒力行.新型家庭制造業(yè)是支持新型城鎮(zhèn)化的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)[A].中國(guó)科學(xué)院中國(guó)現(xiàn)代化研究中心,2013:12.

[3] 張爽.汽車方向盤的演變分析[D].東北大學(xué),2008.

Design of 3D printing racing wheel based on FDM*

Zhong Xinghua, Yang Lin, Luo Wenxing, Chen Jian, Yuan Yaosheng

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006 )

3D printing technology is more and more widely used due to its advantages such as simple principle, easy implementation, and personalized manufacturing. In the Formula Student Car Competition, the design of the steering wheel of the race car should be designed according to the specific parameters of the driver. Once the driver is changed, the size of the cabin is changed or the built-in electronic equipment changes, the traditional manufacturing method is difficult to ensure that the product is optimized and updated at any time. Therefore, this paper proposes a design scheme for a 3D printed racing steering wheel based on FDM. The solution uses 3D printing technology to meet the individual design requirements of the steering wheel of the car, and enables the rapid manufacture of the steering wheel of the car, thus ensuring that the product is updated and optimized at any time.

3D printing technology;FDM; Racing steering wheel

U469.6+96

B

1671-7988(2019)07-165-04

鐘興華，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向：方程式賽車關(guān)鍵技術(shù)，電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)。

廣東工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：yj201811845039。

U469.6+96

B

1671-7988(2019)07-165-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.055