大學生方程式電動賽車前橋輪芯性能分析研究

李紀雄 譚健良 薛國發

摘 要：從2018年中國大學生方程式大賽規則對轉向前橋基本要求出發，設計了前橋輪芯的幾何模型，建立了有限元分析模型，并進行了極限工況下的強度、剛度和安全系數的仿真分析和樣件的加工制造，最后把樣件裝配集成到賽車前轉向橋上進行了物理實驗，結果表明設計的前橋輪芯滿足工作性能的要求。

關鍵詞：賽車前橋輪芯;有限元模型;強度剛度;物理實驗

中圖分類號：U469.6+96 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-37-03

Abstract： Starting from the basic requirements for the steering front axle of the 2018 Chinese University Student Formula Competition Rules， a geometric model of the front axle wheel core was designed， a finite element analysis model was established， and a simulation analysis of the strength， stiffness， and safety factor under extreme conditions And prototype processing， and finally the prototype assembly was integrated into the front steering axle of the racing car and physical experiments were performed. The results show that the designed front axle wheel core meets the performance requirements.

Keywords： Racing front axle wheel core; Finite element model; strength and stiffness; physical experiment

CLCNO.： U469.6+96 ?DocumentCode：A ?ArticleID： 1671-7988（2020）16-37-03

前言

前橋輪芯是大學生方程式電動賽車行駛系統最基礎的總成部件之一，它通過懸架和承載式賽車車身相連接，且一端安裝車輪，另一端安裝制動盤，其功用是傳遞車身和車輪之間各方向的作用力和力矩[1]。因此其良好的動靜態性能是賽車手與賽車的安全保障，也是賽車操縱性和方向穩定性得以發揮的前提條件[2]。由此在進行輪芯結構設計時，除了需滿足安裝車輪、制動盤和懸架要求的尺寸外，還需具有足夠的強度、剛度和耐久性以滿足方程式賽車比賽的動靜態性能測評要求[3]。

鑒于此，本文以我校賽車隊研發的前橋輪芯為研究對象，分析了賽車前輪芯動靜態性能的基本理論，通過建立輪芯幾何模型和性能分析有限元模型，研究了在極限工況下輪芯的性能，最后對仿真分析的輪芯進行了加工制造，并裝配在賽車上進行了試驗驗證。

1 賽車前輪芯性能的動靜態分析基本理論

前輪芯各方向尺寸大于5mm，且各部分都是承受動靜態載荷的區域，需采用體單元模擬其結構，而對這些體單元承受載荷發生變形進行基于有限元的計算分析需以下幾個步驟[4，5]：

（1）設計前輪芯件的幾何結構，在此基礎上進行離散化，即采用有限個體單元進行近似表述，即分解為節點和單元。

（4）平衡方程和剛度矩陣。平衡方程可描述為：

[載荷矩陣]=[剛度矩陣][位移矩陣]

（5）依據以上平衡方程組，可計算出節點位移，通過方程式可求解節點、單元的應變與應力值，由此可進行后續的動靜態特性計算。

其具體的分析流程建立如圖1所示：

2 賽車前輪輪芯分析模型的建立

2.1 幾何模型和網格劃分

由于賽車四個車輪采用相同的規格，在轉向制動極限工況時前輪的受力比后輪大，故在此分析前輪輪芯。根據賽車前橋車輪的安裝空間、輪轂四個螺栓連接孔的位置，內外軸承安裝空間、制動盤安裝空間和與輪芯連接孔的位置，確定前輪芯的形狀，其幾何模型建立如圖2所示。

賽車前輪輪芯在轉彎制動過程中，與輪芯連接的四個螺栓孔受到的載荷很大，故對其輪芯的強度和剛度要求都較高，那么此區域網格劃分要求也較為嚴格。由于輪芯的結構是不規則的三維體，由此在網格劃分時主要選用了四面體進行劃分，其中孔等主要受力區域的網格單元尺寸取0.5mm，其它區域尺寸取1mm。按照以上設置進行劃分得有限元模型共有175817個單元和296204節點，劃分的網格模型如圖3所示。

2.2 約束條件及載荷施加

賽車輪芯材料選用7075鋁，然后按轉彎制動工況對輪芯施加約束和載荷，如圖3所示，約束轉向立柱與輪芯外壁相接觸A處的六個自由度，然后對輪芯采用遠程力進行精確加載，各作用載荷大小和方向也如圖4所示，其中B、C處載荷來源于車輪對輪芯作用力，D、E處載荷來源于制動盤對輪芯作用力，則建立的有限元分析模型如圖4所示，其中載荷邊界條件是來源于懸架動力學分析。

3 仿真的結果分析

對建立的有限元模型進行計算分析，可得如圖5～7所示的應力云、變形云和安全系數圖，從應力云圖5可得此極限工況時的最大應力值為480.93MPa，從變形云圖6可得此極限工況時的最大變形量為0.23mm，從安全系數云圖7可得安全系數為1.05;由于所選材料為7075鋁，其屈服極限為505MPa，因此所設計的賽車輪芯結構滿足仿真動靜態性能要求。

4 前輪芯的物理實驗驗證

針對性能仿真分析滿足要求的虛擬設計輪芯模型，按照幾何設計的形狀進行機械加工工藝設計，工藝路線的設計為：下料→磨兩面→鉗工劃線→車外形和軸承安裝位→磨軸承安裝位→銑制動盤和輪轂安裝位外形→劃線鉆安裝孔和內孔→打磨去毛刺[6];根據此工藝加工制造的輪芯實物如圖8所示。

最后把已制造加工的輪芯裝配集成到賽車上，得整個物理試驗的賽車實物如圖9所示，參加比賽之前該賽車在校園道路上進行試跑和基本減速停車轉彎制動測試，輪芯沒有出現異樣。2018年11月份正式參加了在珠海舉行的中國大學生方程式賽車的靜態項目和動態項目的測評，其中靜態項目主要有：賽車設計、成本與制造分析、營銷報告;動態項目有：直線加速測試、高速避障測試、8字繞環測試、效率測試、耐久測試。圖10為經過測試比賽評價后的整車，在整個測評過程中，輪芯也沒有出現異樣。對參加了比賽的賽車在學校實驗室進行了關鍵部件拆解，圖11為拆解的輪芯，沒有發現失效現象，由此表明設計開發的輪芯滿足基本性能要求。

5 結論

（1）在分析動靜態性能基本理論基礎上，提出并構建了賽車前橋輪芯性能分析的基本流程。

（2）根據2018中國大學生方程式大賽規則對前橋輪芯設計的要求，建立了賽車前輪芯的CAD模型，并通過仿真模擬方法對建立的模型進行了轉彎制動極限工況的動靜態性能分析，計算結果表明前橋輪芯性能滿足虛擬設計要求。

（3）設計了賽車前輪芯的加工工藝路線，且根據工藝進行了物理樣件的制造，并裝配集成在賽車上，經賽車整車物理實驗驗證，結果表明設計制造的前輪芯滿足基本的物理試驗要求。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2] 王望予.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，2017.

[3] 中國大學生方程式汽車賽規則委員會.2018中國大學生方程式大賽規則第三版[R].北京：中國汽車工程學會.

[4] 庫克.有限元分析的概念與應用[M].西安：西安交通大學出版社， 2007.9.

[5] SaeedMoaveni.有限元分析—ANSYS理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2018.

[6] 王啟平.機械制造工藝學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.