李紀(jì)雄 譚健良 薛國(guó)發(fā)

摘 要：從2018年中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則對(duì)轉(zhuǎn)向前橋基本要求出發(fā)，設(shè)計(jì)了前橋輪芯的幾何模型，建立了有限元分析模型，并進(jìn)行了極限工況下的強(qiáng)度、剛度和安全系數(shù)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(chē)前轉(zhuǎn)向橋上進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的前橋輪芯滿足工作性能的要求。

關(guān)鍵詞：賽車(chē)前橋輪芯;有限元模型;強(qiáng)度剛度;物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6+96 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(xué)生方程式電動(dòng)賽車(chē)行駛系統(tǒng)最基礎(chǔ)的總成部件之一，它通過(guò)懸架和承載式賽車(chē)車(chē)身相連接，且一端安裝車(chē)輪，另一端安裝制動(dòng)盤(pán)，其功用是傳遞車(chē)身和車(chē)輪之間各方向的作用力和力矩[1]。因此其良好的動(dòng)靜態(tài)性能是賽車(chē)手與賽車(chē)的安全保障，也是賽車(chē)操縱性和方向穩(wěn)定性得以發(fā)揮的前提條件[2]。由此在進(jìn)行輪芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了需滿足安裝車(chē)輪、制動(dòng)盤(pán)和懸架要求的尺寸外，還需具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性以滿足方程式賽車(chē)比賽的動(dòng)靜態(tài)性能測(cè)評(píng)要求[3]。

鑒于此，本文以我校賽車(chē)隊(duì)研發(fā)的前橋輪芯為研究對(duì)象，分析了賽車(chē)前輪芯動(dòng)靜態(tài)性能的基本理論，通過(guò)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(duì)仿真分析的輪芯進(jìn)行了加工制造，并裝配在賽車(chē)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 賽車(chē)前輪芯性能的動(dòng)靜態(tài)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(dòng)靜態(tài)載荷的區(qū)域，需采用體單元模擬其結(jié)構(gòu)，而對(duì)這些體單元承受載荷發(fā)生變形進(jìn)行基于有限元的計(jì)算分析需以下幾個(gè)步驟[4，5]：

（1）設(shè)計(jì)前輪芯件的幾何結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行離散化，即采用有限個(gè)體單元進(jìn)行近似表述，即分解為節(jié)點(diǎn)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(jù)以上平衡方程組，可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)位移，通過(guò)方程式可求解節(jié)點(diǎn)、單元的應(yīng)變與應(yīng)力值，由此可進(jìn)行后續(xù)的動(dòng)靜態(tài)特性計(jì)算。

其具體的分析流程建立如圖1所示：

2 賽車(chē)前輪輪芯分析模型的建立

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

由于賽車(chē)四個(gè)車(chē)輪采用相同的規(guī)格，在轉(zhuǎn)向制動(dòng)極限工況時(shí)前輪的受力比后輪大，故在此分析前輪輪芯。根據(jù)賽車(chē)前橋車(chē)輪的安裝空間、輪轂四個(gè)螺栓連接孔的位置，內(nèi)外軸承安裝空間、制動(dòng)盤(pán)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(chē)前輪輪芯在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)過(guò)程中，與輪芯連接的四個(gè)螺栓孔受到的載荷很大，故對(duì)其輪芯的強(qiáng)度和剛度要求都較高，那么此區(qū)域網(wǎng)格劃分要求也較為嚴(yán)格。由于輪芯的結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的三維體，由此在網(wǎng)格劃分時(shí)主要選用了四面體進(jìn)行劃分，其中孔等主要受力區(qū)域的網(wǎng)格單元尺寸取0.5mm，其它區(qū)域尺寸取1mm。按照以上設(shè)置進(jìn)行劃分得有限元模型共有175817個(gè)單元和296204節(jié)點(diǎn)，劃分的網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.2 約束條件及載荷施加

賽車(chē)輪芯材料選用7075鋁，然后按轉(zhuǎn)彎制動(dòng)工況對(duì)輪芯施加約束和載荷，如圖3所示，約束轉(zhuǎn)向立柱與輪芯外壁相接觸A處的六個(gè)自由度，然后對(duì)輪芯采用遠(yuǎn)程力進(jìn)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(lái)源于車(chē)輪對(duì)輪芯作用力，D、E處載荷來(lái)源于制動(dòng)盤(pán)對(duì)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(lái)源于懸架動(dòng)力學(xué)分析。

3 仿真的結(jié)果分析

對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，可得如圖5～7所示的應(yīng)力云、變形云和安全系數(shù)圖，從應(yīng)力云圖5可得此極限工況時(shí)的最大應(yīng)力值為480.93MPa，從變形云圖6可得此極限工況時(shí)的最大變形量為0.23mm，從安全系數(shù)云圖7可得安全系數(shù)為1.05;由于所選材料為7075鋁，其屈服極限為505MPa，因此所設(shè)計(jì)的賽車(chē)輪芯結(jié)構(gòu)滿足仿真動(dòng)靜態(tài)性能要求。

4 前輪芯的物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)性能仿真分析滿足要求的虛擬設(shè)計(jì)輪芯模型，按照幾何設(shè)計(jì)的形狀進(jìn)行機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)，工藝路線的設(shè)計(jì)為：下料→磨兩面→鉗工劃線→車(chē)外形和軸承安裝位→磨軸承安裝位→銑制動(dòng)盤(pán)和輪轂安裝位外形→劃線鉆安裝孔和內(nèi)孔→打磨去毛刺[6];根據(jù)此工藝加工制造的輪芯實(shí)物如圖8所示。

最后把已制造加工的輪芯裝配集成到賽車(chē)上，得整個(gè)物理試驗(yàn)的賽車(chē)實(shí)物如圖9所示，參加比賽之前該賽車(chē)在校園道路上進(jìn)行試跑和基本減速停車(chē)轉(zhuǎn)彎制動(dòng)測(cè)試，輪芯沒(méi)有出現(xiàn)異樣。2018年11月份正式參加了在珠海舉行的中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)的靜態(tài)項(xiàng)目和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的測(cè)評(píng)，其中靜態(tài)項(xiàng)目主要有：賽車(chē)設(shè)計(jì)、成本與制造分析、營(yíng)銷(xiāo)報(bào)告;動(dòng)態(tài)項(xiàng)目有：直線加速測(cè)試、高速避障測(cè)試、8字繞環(huán)測(cè)試、效率測(cè)試、耐久測(cè)試。圖10為經(jīng)過(guò)測(cè)試比賽評(píng)價(jià)后的整車(chē)，在整個(gè)測(cè)評(píng)過(guò)程中，輪芯也沒(méi)有出現(xiàn)異樣。對(duì)參加了比賽的賽車(chē)在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了關(guān)鍵部件拆解，圖11為拆解的輪芯，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)失效現(xiàn)象，由此表明設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的輪芯滿足基本性能要求。

5 結(jié)論

（1）在分析動(dòng)靜態(tài)性能基本理論基礎(chǔ)上，提出并構(gòu)建了賽車(chē)前橋輪芯性能分析的基本流程。

（2）根據(jù)2018中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則對(duì)前橋輪芯設(shè)計(jì)的要求，建立了賽車(chē)前輪芯的CAD模型，并通過(guò)仿真模擬方法對(duì)建立的模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)彎制動(dòng)極限工況的動(dòng)靜態(tài)性能分析，計(jì)算結(jié)果表明前橋輪芯性能滿足虛擬設(shè)計(jì)要求。

（3）設(shè)計(jì)了賽車(chē)前輪芯的加工工藝路線，且根據(jù)工藝進(jìn)行了物理樣件的制造，并裝配集成在賽車(chē)上，經(jīng)賽車(chē)整車(chē)物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)制造的前輪芯滿足基本的物理試驗(yàn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[3] 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)賽規(guī)則委員會(huì).2018中國(guó)大學(xué)生方程式大賽規(guī)則第三版[R].北京：中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì).

[4] 庫(kù)克.有限元分析的概念與應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社， 2007.9.

[5] SaeedMoaveni.有限元分析—ANSYS理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.

[6] 王啟平.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.