毛張哲，吳健民，熊乘風(fēng)

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430064）

自2010 年以來，大學(xué)生方程式汽車大賽從首屆舉辦到現(xiàn)在已經(jīng)有了12 年的歷史。在大學(xué)生方程式賽車設(shè)計中，盡可能減小簧下質(zhì)量對于一輛汽車的穩(wěn)定性及操控性有重大意義。而對總質(zhì)量僅240 kg 左右的賽車來說，每千克的輕量化都至關(guān)重要，特別是簧下旋轉(zhuǎn)部件輪轂輪輞的輕量化，對賽車的操控性提升有著巨大的意義。

傳統(tǒng)賽車多采用4 根或5 根輪轂螺栓固定，目前參與FSC 賽事的大多數(shù)車隊賽車的輪胎也仍采用這種固定方式[1]。各支車隊自己設(shè)計的鋁合金輪輞普遍存在質(zhì)量較大且性能過剩等問題。

而外國車隊，為了減輕簧下質(zhì)量，已經(jīng)不滿足于中央鎖緊的設(shè)計，他們采用碳纖維輪輞，甚至運用了無輪輻的設(shè)計。哈雷戴維森摩托車公司采用了無輪輻的結(jié)構(gòu)設(shè)計以達到降低賽車簧下質(zhì)量的目的。當(dāng)前在世界大學(xué)生方程式比賽（FSAE）中，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)車隊（Fоrmulа Studеnt Tеаm Dеlft）和德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)車隊（TUFаst）也多次采用了無輪輻結(jié)構(gòu)。這一切措施都只是為了更輕的簧下質(zhì)量。因此，采用更輕的中央螺母鎖緊固定方式，是未來FSC賽事的趨勢，將會成為更多車隊的選擇。所以，如何設(shè)計出一套適合賽車的中央鎖止輪轂輪輞是非常重要的。

1 賽車輪輞選取

本賽季在輪轂的選擇上，選取了如圖1 所示的更加輕便的OZ 輪輞，將單個輪轂質(zhì)量從之前的3.85 kg減小到1.66 kg。輪輞使用的中央鎖緊的結(jié)構(gòu)連接。中央鎖緊的連接結(jié)構(gòu)相對于其他輪轂的固定方式可以讓輪轂的固定基座的面積變小，更大程度地完成輕量化目標(biāo)。

圖1 OZ 輪輞

2 中央鎖緊模型建立

根據(jù)OZ 公司所提供的輪輞圖紙，可確定中央螺母軸向長度為20.8 mm，根據(jù)配合面和輪芯配合部分可初步建立CATIA 模型。通過CATIA 軟件設(shè)計出來的鎖緊螺母模型圖如圖2 所示，外部采用圓環(huán)配合，內(nèi)部采用鏤空三角柱支撐，此處受力不大，螺紋盡頭使用打孔設(shè)計。在與輪芯配合時，通過插銷固定完成二次橫向鎖緊固定。此設(shè)計提高了安全性和穩(wěn)定性。

圖2 中央鎖緊螺母模型圖

3 螺紋鎖緊受力

考慮到上胎與卸胎的頻繁性，耐磨性是一項重要的參考指標(biāo)。根據(jù)收集的信息，采用單螺母鎖止的車輪一般是使用3～5 mm 的螺紋，細(xì)牙有利于鎖緊但不如粗牙耐磨。綜合考量，選用鋼制的螺母來保證強度，選用M3 的粗牙來保證頻繁的拆卸與安裝。

為配合輪輞形狀，設(shè)計時確定中央螺母的軸向長度為20.8 mm，故有6 圈螺紋參與嚙合；中央螺母的材料為45 鋼，擠壓強度為355 MPа；選擇的螺紋為普通螺紋；軸向力近似為最大側(cè)向力1 907 N；螺紋的公稱直徑為73 mm，中徑為70.05 mm。代入數(shù)據(jù)計算可得軸向力為側(cè)向力與預(yù)緊力距和制動力矩對螺紋的壓緊力之和[2]。

其中K作為壓緊力系數(shù)，取0.21。

4 有限元分析鎖緊模型

將本模型CATIA 轉(zhuǎn)化為stр 格式，導(dǎo)入ANSYS軟件，使用Stаtiс Struсtruаl 模塊進行靜力學(xué)分析。

4.1 網(wǎng)格劃分

首先通過mеsh 模塊對設(shè)計的中央鎖緊螺母模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

圖3 鎖緊螺母網(wǎng)格模型

4.2 約束導(dǎo)入

在約束受力部分，與輪芯相配合部分支撐，在螺紋接觸部分加上最大側(cè)向力，用材料45 鋼，通過有限元材料參數(shù)表導(dǎo)入材料性能數(shù)據(jù)。

4.3 結(jié)果分析

在結(jié)果計算中，選擇了等效應(yīng)力、最大形變量、安全系數(shù)模塊進行分析計算。再通過軟件分析得到以下結(jié)論。

等效應(yīng)力為5 0.5 3 9 M P а，最大形變量為0.002 442 5 mm，最小安全系數(shù)為11.278，完全符合賽車設(shè)計需求。分析等效應(yīng)力圖如圖4 所示，分析最大形變量圖如圖5 所示，分析最小安全系數(shù)圖如圖6所示。

圖4 分析等效應(yīng)力圖

圖5 分析最大形變量圖

圖6 控制臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 分析最小安全系數(shù)圖

5 實物加工、裝配、安裝

設(shè)計模型是理想化的分析，之后進行實際分析，而在實際加工使用中，則需要解決更多的問題，諸如是否能完美匹配尺寸、如何裝配安裝、如何保障維護工件能長時間使用。

5.1 3D 打印模型匹配

為了降低成本，避免誤差，在加工前選擇先做出3D 打印模型進行匹配矯正。中央螺母鎖緊螺母3D 打印模型如圖7 所示。

圖7 中央螺母鎖緊螺母3D 打印模型

5.2 螺母的裝配

在匹配過程中，同時也要考慮如何安裝和取下的問題。為了方便安裝和拆卸，在設(shè)計中使用的是標(biāo)準(zhǔn)大小的粗牙螺紋，可以選擇標(biāo)準(zhǔn)套筒將其安裝和取下。在扭力扳手的選取上，則需根據(jù)其扭力選擇更大行程的扭力扳手。中央鎖緊螺母安裝套筒如圖8 所示。

圖8 中央鎖緊螺母安裝套筒

5.3 中央螺母的橫向鎖緊

在中央螺母被旋進輪轂螺紋部分后，螺母后點的孔位與輪芯部分孔槽位對齊，通過對齊的孔位進行插銷開關(guān)。通過插銷進行二次橫向固定，以保證安全性。

5.4 鎖止螺母表面處理

增強中央鎖止螺母表面的耐磨性和耐腐蝕性是一個重要的問題，硬質(zhì)陽極氧化則可以很好地解決這個問題。這樣不僅可以保護金屬，也可以增強其使用壽命。

5.5 鎖止螺母的維護

在賽車加工、練習(xí)甚至參賽等場景中，都會多次反復(fù)安裝拆卸上下輪胎。無疑會對中央鎖緊螺母造成磨損。鎖止螺母和輪芯的配合，一方面是通過鎖緊過盈，另一方面通過鎖止銷插入鎖緊。在反復(fù)拆裝的過程中，難免會對螺紋產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)如滑絲、燒結(jié)、卡死等問題，所以可選擇銅膏代替鋁銀漿防咬合劑來維護螺母的安裝與拆卸。

6 結(jié)論

本文通過設(shè)計與OZ 輪輞相配套的中央鎖緊螺母，保障賽車輪轂運行的穩(wěn)定性與安全性。使用了OZ 輪轂的賽車能極大地降低FSC 賽車的簧下質(zhì)量，為賽車的操控穩(wěn)定性作出了巨大的貢獻。

同時在設(shè)計中央鎖緊螺母時，以輪轂圖紙為基準(zhǔn)構(gòu)建中央鎖緊螺母模型，優(yōu)化掏空，通過ANSYS 分析軟件進一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化，專注于輕量化簧下，追求當(dāng)下所提倡的工匠精神。