卡丁車緩撞模塊的設計

肖立韻，何雍豪

(南京航空航天大學金城學院，江蘇南京 210000)

卡丁車緩撞模塊的設計

肖立韻，何雍豪

(南京航空航天大學金城學院，江蘇南京 210000)

卡丁車車架承載著整輛車所有系統以及車手，卡丁車本身質量低且速度不高，但是一旦發生車與車之間撞擊或與質量極大的物體撞擊，將對車輛造成不小破壞，甚至會對車手的人身安全造成威脅。設計一款緩撞模塊，分析其結構應力，以減小車架受撞擊所形成的車體形變及對車手的傷害。

卡丁車；碰撞；緩沖模塊

0 引言

目前在市場上，正規的配套齊全的娛樂性卡丁車一般都配有防撞套件，大多數用25～32 mm不等直徑的空心鋼管圍繞車身一周，用螺栓固定在車架上，然后在鋼管上加裝空心塑料緩撞件或者橡膠緩撞件。有的則直接利用鋼管的剛性來降低碰撞對車輛及人體的傷害。然而這種設計弊端在于不能達到比較好的緩沖作用，碰撞時所吸收的能量較少，會將大部分的碰撞能量直接傳遞到車架上比較脆弱或者應力集中的地方，引起變形甚至斷裂，增加維修成本。同時也不能有效降低碰撞的加速度，容易使車手的頸椎受到傷害。為了增加卡丁車的安全性，提高其減緩撞擊的能力，文中將展示自主設計的一款卡丁車緩撞模塊裝置。

1 設計思路及三維模型

卡丁車緩撞模塊分為兩個部分：第一個部分稱作緩沖模塊，第二個部分稱作緩沖包圍。緩沖模塊通過鋁柱連接并焊接在緩沖包圍上，緩沖包圍用螺栓連接在車架上。緩沖包圍結構以兩個加工成爪狀的鋁塊為主要結構，它焊接在由3節空心鋁圓管焊接成的U形空心鋁圓管上，爪狀結構上部有一個貫通孔，用于插入鋁柱將緩沖模塊與緩沖包圍固定住。緩沖模塊結構以空心鋁U形方鋁管為主要結構，外表面上有一層緩沖泡沫，方管上方有兩個貫通孔，用于插入鋁柱將緩沖包圍以及緩沖模塊裝在一起。緩撞模塊的整體外觀如圖1所示。

圖1 整體外觀

卡丁車緩撞模塊材料中，鋁材料全部使用6061鋁。鋁有較好的延展性、韌性以及很高的單位體積能量吸收率，鋁合金防撞梁輕量化程度最高，吸能量最大，加速度峰值最小，滿足防撞輕量化和安全性的要求[1]。同時6061鋁又擁有足夠的硬度抵抗沖擊，支撐整個結構。緩沖泡沫選泡沫鋁，泡沫填充薄壁結構能有效地改善汽車薄壁吸能部件的耐撞性[2]。

2 運作原理

緩沖包圍與緩沖模塊通過鋁柱焊接相連接，當卡丁車遭遇碰撞時，緩沖泡沫能夠先減少一部分沖擊力，隨后緩沖模塊與鋁柱被碰撞產生位移，向里擠壓，使得爪狀結構在位于中部的鈍角位置產生變形，水平方向受擠壓，向垂直方向展開進行緩沖，若不能完全緩沖，撞擊使緩沖模塊和鋁柱繼續位移，則三叉戟結構中間的頂板可以頂住鋁柱形成剪切力，通過頂彎或頂斷鋁柱來減緩緩沖模塊的位移趨勢，抵消或減緩撞擊力，如圖2所示。

圖2 受力示意圖

3 可行性分析

根據三維效果圖進行有限元分析，運用ANSYS軟件對所設計部件進行碰撞受力分析。設定條件為：當另一輛卡丁車以30 km/h的速度撞擊緩沖模塊。假使緩沖模塊上所受撞擊力均勻，則緩沖包圍左右所受的力對稱，所以左右兩邊的應力相等，因此此次分析取右半段結構。

分析結果如圖3、圖4所示，圖中已給出緩撞包圍所受應力較大位置的應力值。對數據進行分析可以得出結論：當整個結構受到時速30 km/h撞擊時，整個結構是安全的，不會產生斷裂，但是會產生變形；并且防撞模塊的空心U形鋁方管受撞擊后會劇烈變形，變形不確定性較高；部分應力較大位置有應力集中問題。

圖3 局部變形云圖

圖4 整體應力云圖

4 結構改進

根據分析結果進行結構改進，首先對緩沖模塊進行改進。將空心U形鋁方管改成壁厚為5 mm的實心U形鋁排，這種改進方式能夠增強緩沖模塊的強度。與原本使用空心鋁方管相比，這樣的改進減小了變形的不確定性。在鋁排的直角處做出倒角，減小應力集中。把焊接的鋁棒改成螺栓連接，并且通過螺母緊固并定位，使初次方案中的鋁柱的焊縫處沖擊力過大時容易斷裂問題得到解決。其次對緩沖包圍進行改進，在爪狀結構應力集中處進行倒角設計和在與空心U形鋁圓管焊接處增加倒角焊縫設計，能夠改善應力集中問題。將U形圓管彎管處原本的直角焊接改變為圓弧角，并且改用一根鋁管進行彎管制作，不再焊接。將爪狀結構爪處的鈍角角度減小，使得受撞擊時更容易彎曲變形。防撞系統的好壞直接影響著整體安全程度的好壞，增強其硬度能有效降低對人身傷害的風險[3]。改進后結構圖如圖5所示。

圖5 結構示意圖

5 改進后分析

根據三維圖，運用ANSYS軟件進行碰撞受力分析。將6061鋁、緩沖泡沫材料、螺栓材料參數代入進行分析，并得出分析圖，如圖6、圖7所示。

圖6 局部變形云圖

圖7 整體應力云圖

由分析圖可得出結果：整體結構比初次方案的結構更安全，能承受更大的撞擊力。緩沖包圍的爪狀結構所受應力有所減小，并且變形明顯能沿著爪狀結構的鈍角處展開，爪狀結構的根部由于有倒角焊縫設計，減小了應力集中；整體結構強度更高，抵抗撞擊能力增強，并且彎管的設計比初次方案中的直角焊接的設計所受應力集中要小，變形過渡性更好；緩沖模塊改用實心鋁排，使得結構所能承受的撞擊力更大，變形不確定性減小，同時體積也有所減小，但是質量有所增加；使用螺栓連接緩沖模塊和緩沖包圍，當撞擊使得頂板頂彎螺栓時螺栓不易斷并且緩沖能力有所增強，與之前的使用鋁柱焊接相比強度更高。

6 結論

卡丁車緩撞模塊是卡丁車的一種保護裝置，一旦出現卡丁車與墻等碰撞事故，能很好地保護車手，并且減低車輛損傷，減少車架變形，降低經濟損失。做好安全系統的設計以及分析對卡丁車的行駛安全有至關重要的影響。

[1]安治國,趙云云.轎車防撞梁輕量化結構強度設計[J].計算機仿真,2016，33(7):205-209.

AN Z G,ZHAO Y Y.The Structural Strength Design of the Light Weight of the Car Crash Beam of Anti-Collision Beam[J].Computer Simulation,2016，33(7):205-209.

[2]徐平,王馨甜,宋海.泡沫鋁填充結構汽車車門防撞梁側碰安全性仿真研究[J].機械設計,2015,32(5):67-70.

XU P,WANG X T,SONG H.Safety Simulation for Side Impact of Anti-collision Beam with Filled Foam-aluminum in Automotive Doo[J].Journal of Machine Design,2015,32(5):67-70.

[3]陳金龍,石磊.汽車防撞梁的優化設計與部分問題探討[J].客車技術,2012(5):26-28.

CHEN J L,SHI L.Optimal Design and Partial Issues Discussion of Automotive Anticollision Beam[J].Bus amp; Coach Technology,2012(5):26-28.

DesignofBufferModuleofKart

XIAO Liyun，HE Yonghao

(College of Jingcheng，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210000,China)

Kart frame carries the whole car system and driver.Kart has low quality and low speed.But once the kart hits with massive objects or impacts with another kart,it will make big damage to vehicle,even driver’s personal safety is threatened.A buffer module was designed for kart,its structural stress was analyzed,in order to reduce the impact of collision to frame deformation and damage to drivers.

Kart; Collision; Buffer module

U467.1+4

A

1674-1986(2017)11-044-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.010

2017-06-30

2017年南京航空航天大學金城學院大學生創新項目(2017004YZ)

肖立韻，男，大學本科生，研究方向為車輛工程。E-mail：943836447@qq.com。