袁京宇

基于FSAE賽車(chē)前輪立柱的輕量化設(shè)計(jì)與優(yōu)化

袁京宇

（中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心南京分中心，江蘇 南京 210005）

作為FASE賽車(chē)的關(guān)鍵系統(tǒng)，性能優(yōu)異的懸架系統(tǒng)不僅能夠給駕駛者帶來(lái)好的乘坐舒適感，還能夠提高整車(chē)的操縱穩(wěn)定性，提升賽車(chē)在比賽中的競(jìng)爭(zhēng)力。在懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中簧下質(zhì)量是影響懸架系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，作為簧下質(zhì)量的重要零部件，對(duì)轉(zhuǎn)向立柱的輕量化設(shè)計(jì)一直是努力突破改進(jìn)的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的立柱能給賽車(chē)帶來(lái)良好的操縱性。文章對(duì)立柱的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，分析了立柱的結(jié)構(gòu)需求以及在各個(gè)工況下的受力情況，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件分析其應(yīng)力應(yīng)變情況，以此來(lái)進(jìn)行輕量化的改進(jìn)。

立柱；Catia；Ansys；FSEC賽車(chē)；拓?fù)鋬?yōu)化

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 立柱工作狀態(tài)分析

立柱連接了賽車(chē)上主要的受力部件和運(yùn)動(dòng)部件，故而立柱受力較大且情況復(fù)雜，在使用過(guò)程中也較容易出現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)立柱也是賽車(chē)的簧下部分，而減輕簧下質(zhì)量對(duì)于提升賽車(chē)的操縱性能和穩(wěn)定性有所幫助[1]。

1.2 總體設(shè)計(jì)

前立柱與上下叉臂、制動(dòng)卡鉗、轉(zhuǎn)向橫拉桿等零部件相連接，需要滿足各個(gè)部件安裝空間需求，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)這些部件的安裝位置確定立柱的總體形狀[2]。車(chē)輪外傾角對(duì)于賽車(chē)的行駛有著至關(guān)重要的作用，使得車(chē)輪與地面的動(dòng)態(tài)承載中心得到合理的分配，從而提高輪胎轉(zhuǎn)向時(shí)的附著力并降低輪胎轉(zhuǎn)向時(shí)的磨損[3]。

圖1 懸架部分總裝

圖2 輪邊部分總裝

外傾角可以提高賽車(chē)的過(guò)彎性能，但卻減少了直線行駛時(shí)輪胎與地面的接觸面積，對(duì)于汽車(chē)的直線行駛反而不利。在FSEC賽事中，動(dòng)態(tài)賽分為直線行駛、八字繞環(huán)、高速避障和耐久賽，每項(xiàng)比賽的賽道各不相同，而為了適應(yīng)各個(gè)賽道，需要針對(duì)其進(jìn)行外傾角的調(diào)節(jié)。因此，外傾角調(diào)節(jié)的裝置也是必不可少的。

圖3 外傾角示意圖

出于輕量化的考慮，選擇通過(guò)在立柱與叉臂連接處增加墊片來(lái)達(dá)成改變車(chē)輪外傾角的目的。為了應(yīng)對(duì)加工時(shí)的誤差出現(xiàn)，設(shè)計(jì)立柱上下均可加入墊片，增加外傾角的調(diào)節(jié)范圍。

1.3 輪速傳感器安裝

輪速傳感器安裝于立柱之上，通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)量輪轂的旋轉(zhuǎn)速度[4]?？紤]立柱周?chē)悴考挥性谛眰?cè)面安裝才可以避免與其他零件發(fā)生干涉。對(duì)于該零件選擇使尼龍材料 3D 打印的方式加工。3D 打印精度高，加工復(fù)雜零件簡(jiǎn)易，可以自由設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)形狀。

圖4 輪速傳感器模型

2 應(yīng)力分析及輕量化

初步建立的模型滿足立柱的基本使用需求，但其幾乎是實(shí)心的，質(zhì)量較大，不利于實(shí)現(xiàn)簧下質(zhì)量的輕量化[5]。

利用ANSYS中的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，僅需調(diào)整網(wǎng)格的密度即可達(dá)到要求。設(shè)置載荷根據(jù)實(shí)際的受力效果設(shè)置相應(yīng)的載荷，并進(jìn)行求解計(jì)算。

2.1 寫(xiě)入工程參數(shù)

本立柱采用7075-T6進(jìn)行加工，其密度為2810 kg/m3，楊氏模量為72GPa，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為505MPa，將其保存于ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)中用于對(duì)立柱的有限元分析。

圖5 7075-T6的參數(shù)

2.2 前處理（三維模型的簡(jiǎn)化）

為了簡(jiǎn)化計(jì)算量，在該模型中去除一些細(xì)節(jié)特征，如小孔和圓角等。按照要求，需要利用多種極限工況下橫臂傳遞給立柱的力進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)。安全標(biāo)準(zhǔn)是采用第四強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)立柱的強(qiáng)度進(jìn)行校核，保證安全系數(shù)能夠達(dá)到3以上，同時(shí)立柱作為一個(gè)影響整車(chē)剛度的重要零件，要求其具有很高的剛度。

2.3 設(shè)置邊界條件

為了能夠達(dá)到安全設(shè)計(jì)的要求，需要在各種不同的極限工況下對(duì)前立柱進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)前文可以知曉在制動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候前立柱所受力最大，以此時(shí)受力為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行立柱的優(yōu)化。用制動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)的受力對(duì)模型加載，分析得出以下結(jié)果：

圖6 未優(yōu)化前立柱受力變形量

從圖中可知總形變量最高為4.2607E-6 m，滿足前立柱的極限工況使用要求。

圖7 未優(yōu)化前立柱安全系數(shù)

如圖所示，初步建模的零件安全系數(shù)各處均在15 以上，系數(shù)值過(guò)高說(shuō)明可以去除較多材料以達(dá)到輕量化而不影響零件強(qiáng)度。

2.4 拓?fù)鋬?yōu)化

為了追求輕量化的設(shè)計(jì)，設(shè)置剩余材料百分比為20%。獲得設(shè)計(jì)圖像如圖8所示。

圖8 ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

2.5 根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重新設(shè)計(jì)

為了兼顧滿足更好的強(qiáng)度需求和減少加工難度，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中應(yīng)力奇異現(xiàn)象導(dǎo)致工件斷裂，方便銑削加工刀具圓形刀頭銑削走刀，在拓?fù)鋬?yōu)化[6]的基礎(chǔ)上，減少相應(yīng)的去除量，且進(jìn)一步使形狀規(guī)則化，倒圓角，重新設(shè)計(jì)前立柱。

2.6 最終模型

重復(fù)上述步驟，不斷優(yōu)化立柱結(jié)構(gòu)，保證強(qiáng)度與輕量化之間可以良好的平衡。作為車(chē)輛重要受力部件，前立柱的設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析實(shí)際上是循環(huán)交替進(jìn)行的，這樣才能得到滿足懸架轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)要求的最優(yōu)化的前立柱三維模型。最終優(yōu)化后的模型如圖9。

圖9 最終的立柱模型

3 分析驗(yàn)證

3.1 劃分網(wǎng)格

控制網(wǎng)格大小為2.5 mm，在倒角處，使用Face sizing方法細(xì)化網(wǎng)格，在栓孔處，利用Body sizing或inflation方法細(xì)化周?chē)W(wǎng)格，平均網(wǎng)格質(zhì)量為 0.72。得到網(wǎng)格質(zhì)量如圖10：

圖10 劃分的網(wǎng)格質(zhì)量

3.2 對(duì)立柱進(jìn)行的分析驗(yàn)證

再次將制動(dòng)轉(zhuǎn)向工況的立柱受力加載進(jìn)行分析，得出以下分析結(jié)果：

圖11 立柱受力變形量

圖12 立柱的安全系數(shù)

3.3 對(duì)吊耳進(jìn)行的分析驗(yàn)證

由于吊耳與立柱為分體式設(shè)計(jì)，故又對(duì)吊耳單獨(dú)進(jìn)行了ANSYS強(qiáng)度校核，得到如下結(jié)果：

圖13 吊耳的安全系數(shù)

圖14 吊耳的總變形量

通過(guò)以上的分析可知，在忽略由網(wǎng)格，尖角等因素引起的明顯的應(yīng)力奇異的情況下，各種工況下吊耳的安全系數(shù)均能達(dá)到2以上，符合強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)中針對(duì)電動(dòng)方程式賽車(chē)的立柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)分析立柱的工作工況以及使用要求有取舍地對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，綜合考慮立柱所需要的各個(gè)使用要求，參考過(guò)去其他賽車(chē)的立柱設(shè)計(jì)并對(duì)其中不足之處進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)還應(yīng)用CATIA對(duì)立柱進(jìn)行建模得到具體模型，通過(guò)ANSYS對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化驗(yàn)證得到最終的立柱，使其在滿足安全的情況下盡可能地減輕質(zhì)量以滿足輕量化的需求。

[1] 徐競(jìng)雯.新型電驅(qū)動(dòng)車(chē)輪簧下質(zhì)量輕量化設(shè)計(jì)分析[D].北京:北京化工大學(xué),2019.

[2] 牟宗偉,王憲科,宋志才,等.汽車(chē)試驗(yàn)設(shè)備中立柱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析[J].汽車(chē)零部件,2018(08):53-56.

[3] 賈紅偉,章駿.麥弗遜式懸架車(chē)輪外傾角偏差的分析[J].汽車(chē)工程師,2011(10):32-34+62.

[4] 何方,常偉,張海軍,等.汽車(chē)輪速傳感器智能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2019(07):125-127.

[5] 景玉,黃勇,毛立青.有限元分析在吊耳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè),2021,47(04):61-63+80.

[6] 谷芳,吳華杰,崔國(guó)起.基于拓?fù)鋬?yōu)化的齒輪輕量化設(shè)計(jì)方法研究[J].中國(guó)設(shè)備工程,2021(16):98-100.

Lightweight Design and Optimization of Front Wheel Column of Racing Car Based on FSAE

YUAN Jingyu

( China Quality Certification Centre at Nanjing, Jiangsu Nanjing 210005 )

As a key system of the FASE racing car, the excellent suspension system can not only bring good ride comfort to the driver, but also improve the handling stability of the vehicle and enhance the competitiveness of the car in the competition. In the design of the suspension system, the unsprung quality is one of the key factors that affect the performance of the suspension system. As an important part of the unsprung quality, the lightweight design of the steering column has always been the key to breaking through and improving, and designing an excellent column, it can bring good maneuverability to the car. This article elaborated on the design of the column, analyzed the structural requirements of the column and the force under various working conditions, redesigned its structure, and applied ANSYS Workbench software to analyze its stress and strain. Lightweight improvements.

Column; Catia; Ansys; FSEC racing; Topology optimization

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1671-7988(2022)01-82-04

U469.6+96

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1671-7988(2022)01-82-04

CLC NO.:U469.6+96

袁京宇，就職于中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心南京分中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.019