劉高輝　陽(yáng)林　梁紹臻　陳德升　陳日東　黃晉豪

摘 要：由于傳統(tǒng)制造工藝在復(fù)雜曲面和集成化加工的局限性，導(dǎo)致方程式賽車輪轂的多功能集成化一直被制約，以至于傳統(tǒng)賽車輪轂總成普遍存在體積碩大、重量大、傳動(dòng)效率低等問題。文章基于集成化設(shè)計(jì)原則，在保留傳統(tǒng)賽車輪轂總成所需功能的前提下，改變賽車外球籠、輪轂、輪輻等的結(jié)構(gòu)以進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)從而得到多功能集成化賽車輪轂。所獲得的集成化賽車輪轂體積重量明顯減小且傳動(dòng)效率明顯提高，達(dá)到了通過集成化以實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：方程式賽車;賽車輪轂;多功能集成化;輕量化

中圖分類號(hào)：U463.343? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-52-04

前言

在中國(guó)走向汽車制造強(qiáng)國(guó)的過程中，中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（簡(jiǎn)稱FSC，F(xiàn)ormula Student China）正如火如荼并充當(dāng)著重要的角色，各高校不斷通過培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)與制造方程式賽車為祖國(guó)提供了大量的汽車行業(yè)人才。FSAE賽車的集成化和輕量化對(duì)于比賽結(jié)果起到關(guān)鍵性作用，相關(guān)研究表明，賽車的質(zhì)量每降低5kg，跑完一圈賽道便可提高成績(jī)大約12秒[1]，而輕量化是集成化的必然結(jié)果，因此賽車輪轂的集成化至關(guān)重要。本文基于集成化設(shè)計(jì)原則探索方程式賽車重要部件賽車輪轂總成的集成化設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法保留了賽車輪轂總成所需的功能，減小了輪轂總成的體積和重量，減少輪轂總成的傳力連接以提高傳動(dòng)效率，最終設(shè)計(jì)得到多功能集成賽車輪轂，為后續(xù)使用3D打印制造賽車輪轂做準(zhǔn)備。

1 賽車輪轂傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足

1.1 賽車輪轂性能指標(biāo)

賽車輪轂的剛度、強(qiáng)度和疲勞性能是輪轂的重要性能指標(biāo)，依據(jù)中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則——賽車輪輞直徑必須至少為203.2mm（8.0 英寸），并且憑借以往賽車設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)故選用10英寸輪轂，單輪額定載荷為335Kg，輪轂的最大應(yīng)力值不大于材料的許可應(yīng)力值;在剛度方面，其最大變形位移量小于0.5mm，以避免輪轂圓度失真;疲勞性能要求其最低循環(huán)次數(shù)不應(yīng)低于1000000次（輕合金標(biāo)準(zhǔn)）[2]。方程式賽車在滿足力學(xué)性能要求及結(jié)構(gòu)要求以外，還需考慮快速拆卸和安裝的要求，傳統(tǒng)方程式賽車通過賽車輪轂總成中心螺栓螺母的快速拆卸以達(dá)到快速拆裝的目的。

1.2 傳統(tǒng)賽車輪轂的結(jié)構(gòu)與功能

賽車輪轂主要由輪輻、輪輞、中心孔和螺栓孔四部分組成。因?yàn)閭鹘y(tǒng)賽車輪轂的競(jìng)賽要求使得輪轂需要考慮快速安裝和拆卸等問題，故通常采用的連接形式為可拆卸式，可拆卸式輪轂具有輪輻和輪輞可分離的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖1所示。在輪轂結(jié)構(gòu)中，輪輞也俗稱輪圈，起到安裝輪胎和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的作用;輪輻用于連接輪輞，以傳遞驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩、傳遞行駛時(shí)所受沖擊力等;中心孔為傳動(dòng)軸的安裝孔;螺栓孔是輪轂和傳動(dòng)軸的連接螺栓安裝孔。也正是因?yàn)橘愜囕嗇炈璧亩鄻踊δ埽攀沟脗鹘y(tǒng)賽車輪轂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)成零部件多，如圖2所示為傳統(tǒng)賽車輪轂總成爆炸圖。

1.3 傳統(tǒng)賽車輪轂設(shè)計(jì)方法

由于傳統(tǒng)加工工藝的限制，傳統(tǒng)賽車輪轂總成中的輪輻、輪輞、球籠等需要單獨(dú)設(shè)計(jì)制造，其開發(fā)流程如圖3所示。從傳統(tǒng)賽車輪轂總成的開發(fā)可知傳統(tǒng)賽車輪轂總成存在大量的零部件和傳力連接，使得其體積碩大且傳動(dòng)效率低。因此，為使車隊(duì)在比賽中獲得更好的成績(jī)，需要對(duì)傳統(tǒng)賽車輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能集成化設(shè)計(jì)。

以2018年電動(dòng)方程式大賽為例，廣東工業(yè)大學(xué)的賽車整備質(zhì)量達(dá)到了270kg，在輕量化項(xiàng)目中獲得第七名的名次，整車質(zhì)量較第一名廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院整整重了45kg，因此可見我校在集成化和輕量化方面上與其他學(xué)校存在的差距。而在廣東工業(yè)大學(xué)的整車質(zhì)量270kg中，單個(gè)后輪輪轂總成（外球籠、輪輻和輪轂）的質(zhì)量就達(dá)到了2413g，存在較大輕量化空間。因此可探索集成化設(shè)計(jì)方法以達(dá)到輕量化目的。

1.4 傳統(tǒng)賽車輪轂的不足

在傳統(tǒng)賽車輪轂中，為滿足快速拆卸和安裝要求的中心螺栓螺母導(dǎo)致了賽車增加了零部件數(shù)量以及傳力連接，從而降低了賽車的集成化程度，不利于賽車的輕量化設(shè)計(jì)。另外，為實(shí)現(xiàn)賽車輪轂多樣化的功能以及滿足快速拆裝功能，傳統(tǒng)制造工藝還需要分別單獨(dú)設(shè)計(jì)制造輪輞、輪輻和外球籠，且三者的彼此連接需要使用連接部件通過其上的連接孔進(jìn)行連接，這必然導(dǎo)致了賽車輪轂總成的集成化程度低，輪轂總成質(zhì)量大，動(dòng)力傳遞過程傳動(dòng)效率低等劣勢(shì)。

2 賽車輪轂多功能集成化設(shè)計(jì)新方法

在傳統(tǒng)方程式賽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過差速器后由內(nèi)球籠輸入，經(jīng)過半軸由外球籠輸出，外球籠上設(shè)計(jì)有用于傳遞轉(zhuǎn)矩的四個(gè)銷軸，銷軸與輪輻連接并通過中間孔緊固將動(dòng)力傳遞到輪輻，輪輻再通過螺栓與輪輞連接，輪輻上的轉(zhuǎn)矩通過螺栓傳遞給賽車輪輞進(jìn)而傳遞到賽車輪胎。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖易于拆裝，但大量的零部件和繁瑣的連接導(dǎo)致了賽車輪轂總成質(zhì)量的增加，并且當(dāng)動(dòng)力傳遞經(jīng)過各種連接時(shí)將產(chǎn)生動(dòng)力損耗，降低了傳動(dòng)效率。因此賽車輪轂總成的集成化是突破輕量化限制的關(guān)鍵。

2.1 集成化設(shè)計(jì)原則與優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 集成化設(shè)計(jì)原則

集成化設(shè)計(jì)包括功能集成化與結(jié)構(gòu)集成化。功能集成化原則是根據(jù)用戶現(xiàn)實(shí)和發(fā)展的應(yīng)用需求，從功能的角度考察產(chǎn)品與技術(shù)并合理地調(diào)配各項(xiàng)功能，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，使集成化產(chǎn)品達(dá)到整體功能最優(yōu);結(jié)構(gòu)集成化原則是在功能集成化的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)代工藝技術(shù)將各個(gè)分離的產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工為一統(tǒng)一產(chǎn)品，已達(dá)到減小產(chǎn)品體積和重量，提高產(chǎn)品性能的目的。

2.1.2 集成化設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

產(chǎn)品集成化的最終目標(biāo)是使該產(chǎn)品在成本變化不大的前提下獲得更高的性能。具體如下：

1）在滿足用戶對(duì)產(chǎn)品功能的前提下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)集成化可有效減小產(chǎn)品的體積及重量，大幅降低物料成本;

2）集成化設(shè)計(jì)應(yīng)用于復(fù)雜傳力部件時(shí)，有效減少部件之間的傳力連接，提高產(chǎn)品的傳動(dòng)效率，節(jié)約能源;

3）設(shè)備產(chǎn)品的集成化可減少現(xiàn)場(chǎng)安裝操作，并且有效降低了設(shè)備的故障率從而降低日常維護(hù)成本。

2.2 賽車輪轂集成化設(shè)計(jì)實(shí)例

2.2.1 外球籠與輪轂集成化設(shè)計(jì)

（1）外球籠集成化設(shè)計(jì)

外球籠是賽車傳動(dòng)半軸的一部分，外球籠兩端分別連接半軸和輪輻以傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。外球籠結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部加工有三球銷滾道，在其工作過程中，半軸端的三球銷需要在滾道內(nèi)做伸縮運(yùn)動(dòng)且傳遞動(dòng)力。當(dāng)賽車行駛在不平整路面時(shí)。三球銷的球環(huán)將沿著自身軸線在軸向方向上做伸縮運(yùn)動(dòng)，所以此處應(yīng)采用間隙配合并且間隙配合的間隙不宜過大。

在傳統(tǒng)賽車中，外球籠體積碩大，傳力連接多，依據(jù)集成化原則應(yīng)在保證性能指標(biāo)的前提上減小外球籠體積以降低重量并且減少傳力連接。

（2）輪轂集成化設(shè)計(jì)

輪轂是賽車中用于連接外球籠和輪輻的中間部件，發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力由外球籠輸出后，經(jīng)過花鍵連接傳遞動(dòng)力到輪轂上，賽車輪轂上設(shè)計(jì)有傳動(dòng)柱銷孔，動(dòng)力經(jīng)過傳動(dòng)柱銷傳遞到輪輻，進(jìn)而通過輪輻與輪輞上的連接螺栓以最終傳遞動(dòng)力到輪胎。

對(duì)于賽車輪轂，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳力連接多，體積較大，不利于賽車的輕量化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（3）外球籠與輪轂集成化

綜合外球籠和輪轂共同存在的體積大、傳力連接多的特點(diǎn)，探索外球籠與輪轂的集成化方法。兩者的集成化首先應(yīng)滿足其功能要求，其一是與傳動(dòng)半軸的三球銷連接且滿足三球銷球環(huán)將沿著自身軸線在軸向方向上做伸縮運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩;其二是滿足制動(dòng)盤的安裝要求且達(dá)到制動(dòng)性能要求;其三是與輪輻連接以傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)以上要求，初步通過取消外球籠與輪轂的花鍵連接，設(shè)計(jì)二者為一體的方式對(duì)外球籠和輪轂進(jìn)行集成化，其三維模型如圖4所示。

2.2.2 輪輻與集成化輪轂集成化設(shè)計(jì)

（1）輪輻集成化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)賽車輪輻為滿足力學(xué)性能和輕量化需求，通常采用多輪輻式且在應(yīng)力較小處設(shè)計(jì)為鏤空結(jié)構(gòu)。如圖5是廣東工業(yè)大學(xué)2018年參賽電動(dòng)方程式賽車的輪輻三維模型圖。

賽車輪輻需要連接兩個(gè)賽車部件，一個(gè)是通過傳力柱銷和中心螺栓與輪轂進(jìn)行傳力連接，以傳遞來自輪轂的轉(zhuǎn)矩;另一個(gè)則是通過連接螺栓與輪輞連接，輪輻的轉(zhuǎn)矩通過之間的傳力連接螺栓傳遞給輪輞，進(jìn)而傳遞到輪胎上。從動(dòng)力在輪輻及其連接件的傳遞過程可知，過于復(fù)雜的連接設(shè)計(jì)導(dǎo)致了動(dòng)力的傳遞損失，傳動(dòng)效率低;而由于輪輻與輪轂的連接需要連接件與對(duì)連接部位進(jìn)行加工，這便導(dǎo)致了賽車輕量化和加工成本的惡化。

（2）賽車輪轂集成化設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步消除輪輻質(zhì)量大以及傳力連接多而不利于賽車在競(jìng)賽中取得好成績(jī)的特點(diǎn)，現(xiàn)將輪輻、輪轂和外球籠進(jìn)一步進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。

上述以分析設(shè)計(jì)了輪轂與外球籠的集成化模型，現(xiàn)只需將輪輻同該集成化模型進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。對(duì)于兩者的集成化設(shè)計(jì)，首先應(yīng)滿足功能要求，其一是動(dòng)力需經(jīng)過輪轂傳遞到輪輻上，且滿足力學(xué)性能要求;其二是輪輻需滿足與輪輞的連接要求且滿足力學(xué)性能;其三是輪輻需在滿足力學(xué)性能的基礎(chǔ)上達(dá)到設(shè)計(jì)的力學(xué)性能要求。根據(jù)上述要求，初步通過取消中心螺栓連接、傳力柱銷連接等將其集成化設(shè)計(jì)，得到的賽車輪轂總成集成化三維模型如圖6所示。考慮到賽車輪轂對(duì)快速拆卸與安裝的需求，將輪輞與集成化賽車輪轂設(shè)計(jì)為分離式，二者通過螺栓連接。

集成化賽車輪轂的動(dòng)力依然由傳動(dòng)半軸的三球銷輸入，三球銷與集成化賽車輪轂中的外球籠端的三球銷槽孔連接，由于集成化賽車輪轂無多余傳力連接設(shè)計(jì)，因此動(dòng)力直接通過三球銷槽孔到達(dá)集成化賽車輪轂輪輻處，再經(jīng)過集成化賽車輪轂與輪輞的連接螺栓將動(dòng)力傳遞到輪輞上，進(jìn)而到達(dá)輪胎。

2.3 集成化賽車輪轂校核優(yōu)化

從集成化賽車輪轂性能要求出發(fā)，選擇輪轂材料為鈦合金，基于現(xiàn)有集成化賽車輪轂三維模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真分析確定集成化賽車輪轂的拓?fù)鋬?yōu)化支撐體為極限質(zhì)量70%基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。如圖7所示為極限質(zhì)量為70%的拓?fù)鋬?yōu)化圖。

對(duì)該拓補(bǔ)優(yōu)化模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真分析，其中優(yōu)化后的賽車輪轂在轉(zhuǎn)彎工況下，側(cè)向力對(duì)輪轂產(chǎn)生的應(yīng)力主要分布在賽車輪轂螺栓孔處，最大應(yīng)力值為38.29MPa，應(yīng)力值

低于鈦合金材料屈服應(yīng)力值970MPa。賽車輪轂總體變形均勻，最大值變形為0.007mm，低于設(shè)計(jì)要求的極限變形量0.5mm，因此優(yōu)化后賽車輪轂剛度滿足轉(zhuǎn)彎工況要求[2]。優(yōu)化后的賽車輪轂在轉(zhuǎn)彎工況下的總體變形圖如圖8所示。

2.4 多功能集成化賽車輪轂優(yōu)點(diǎn)

經(jīng)過功能集成化與結(jié)構(gòu)集成化所獲得的的多功能集成賽車輪轂的總體積明顯小于傳統(tǒng)賽車輪轂總成，在選取輪轂材料為鈦合金且制造工藝為3D打印技術(shù)的前提下，生產(chǎn)得到的多功能賽車輪轂實(shí)物重量?jī)H為1473g，相比較傳統(tǒng)賽車輪轂總成減少了約940g，輕量化效果顯著。在動(dòng)力傳遞方面，多功能集成化賽車輪轂較傳統(tǒng)賽車輪轂總成減少了兩處傳力連接，不僅達(dá)到了提高傳動(dòng)效率的目標(biāo)，而且輪轂的集成化減少現(xiàn)場(chǎng)安裝操作，有效降低了故障率從而降低日常維護(hù)成本。隨著3D打印技術(shù)日益成熟，集成化賽車輪轂的成本將會(huì)降低以使得方程式賽車的總體輕量化水平提高，同步提高賽車的性能水平與最終成績(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

多功能集成化賽車輪轂設(shè)計(jì)是賽車輕量化設(shè)計(jì)的一大突破，通過對(duì)賽車輪轂進(jìn)行多功能集成化設(shè)計(jì)，在選取輪轂材料為鈦合金的前提下預(yù)計(jì)可降低單個(gè)賽車輪轂總成重量約940g，降幅達(dá)到38.9%。若不考慮其它因素影響，方程式賽車使用多功能集成化賽車輪轂將有望提高成績(jī)至少2.3秒，且該成績(jī)依然存在提升空間。該多功能賽車輪轂設(shè)計(jì)方法也將為后續(xù)的力學(xué)分析、拓補(bǔ)優(yōu)化與實(shí)物制造奠定基礎(chǔ)，早日實(shí)現(xiàn)在廣東工業(yè)大學(xué)方程式賽車的實(shí)際應(yīng)用。

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