基于FDM的3D打印赛车方向盘设计*

钟兴华，阳林，骆文星，陈剑，袁耀盛



基于FDM的3D打印赛车方向盘设计*

钟兴华，阳林，骆文星，陈剑，袁耀盛

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

3D打印技术由于其原理简单、容易实现、个性化制造等优点而受到越来越广泛的应用。在大学生方程式汽车大赛中，赛车方向盘设计要根据车手的具体参数进行个性设计，一旦发生更换车手、调整座舱尺寸或者内置电子设备变化等情况，传统的制造方法很难保证产品的随时优化及更新。因此，文章提出一种基于FDM的3D打印赛车方向盘的设计方案。该方案运用3D打印技术能够满足赛车方向盘的个性化设计要求，并且能够实现赛车方向盘的快速制造，从而保证产品的随时更新和优化。

3D打印技术；FMD；赛车方向盘

前言

中国大学生方程式汽车大赛（英文名称Formula Student China以下简称FSC）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校生组队参加的汽车设计与制造比赛。[1]在FSC比赛中，赛车方向盘设计要根据车手的具体参数进行具体的个性设计，一旦发生更换车手、调整座舱尺寸或者内置电子设备变化等情况，原来制造好的方向盘将不再适合，必须去制造一个更加适合的方向盘，而统的制造方法很难保证产品的随时优化及更新。

近年来，3D打印技术成为第四次工业革命的重要技术，也作为一项智能制造新技术的产物，受到国内外普遍的关注。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的快速成型技术，由于其原理简单、容易实现、个性化制造等优点，使得3D打印技术能够很好的满足赛车零部件的快速开发与制造。[2]

1 FDM打印技术原理

热熔融沉积制造法（Fused Depostiton Modelin）简称FDM，FDM技术是由Stratasya公司所研发的一种3D打印技术。该技术使用丝状材料（如ABS、PLA等）为原料，如图1所示，通过加热方式将原料加热为熔融状态，在微型电脑的控制下，出料头沿着水平方向运动，将熔化的材料均匀地涂在工作台上，等冷却后这层涂覆就会成为零件的一层截面，之后喷头再向上移动一层高度，再叠加一层材料，如此往复逐层叠加，最终形成实体零件，如图2、图3所示。

图1 FDM打印材料

图2 FDM打印原理示意图

图3 FDM类型3D打印机

2 FSC赛车方向盘设计

2.1 赛车方向盘结构设计

FSC赛车方向盘不只是具有转向功能，同时还具有其他附加功能。这些功能分布在赛车方向盘上的按钮分别可以完成以下功能：控制离合器、控制发动机启动、控制换挡、无线电对讲、进入修理站的车速限制、发动机转速限制、制动力平衡的调节、空气燃油比例混合的调节、赛车综合信息的显示控制（包括发动机数据、燃油消耗以及每一圈时间、当前档位指示等），还有一些预先编好的控制程序和各种闪烁着的警告灯。多种功能按键的添置，使得赛车方向盘的内容丰富起来，造型也产生了一定的变化。因此，赛车方向盘功能键的形状、尺寸、色彩、字体的设计和位置安放，都成为了方向盘设计的重要内容。[3]

本文当中的赛车方向盘总体采用矩形加圆弧结构，采用上下盘体分开设计，电控人员可以将电控设备安装在赛车方向盘内腔。上盘体部分由于受力作用较小不需要大强度来维持方向盘的操纵稳定性，所以上盘体总体厚度设计为4mm。由于人手在握持孔部分会施加较大的力来实现方向盘的转动，以实现赛车方向控制，所以在握持孔部分厚度设计为12mm。下盘体部分由于承担整个赛车方向盘和转向柱的连接作用，在中间部分设置有凸台，凸台厚度为8mm，其他部分厚度均为6mm，为了减小凸台与盘其他部分连接处的应力集中，在凸台和盘其他部分连接处设置了倒角。根据我们测量得出赛车手手部具体尺寸，并根据赛车手的具体要求我们将赛车方向盘设计为类椭圆形。赛车方向盘整体参数如表1所示。

表1 赛车方向盘尺寸数据

2.2 FSC赛车方向盘建模

本次建模我们采用solidworks软件，将整个方向盘分为上盘体和下盘体两部分，方向盘是由上盘体和下盘体通过螺栓和特殊粘结剂合并在一起的。

在上盘体上，增加电子显示屏框①，该电子显示屏能够显示多个车体运行状况参数，主要有档位的变换、车体能量、车速、发动机转速、机油温度等，多个车体运行状态信息的显示能够帮助驾驶员有足够的时间和信息作出对车辆运行状态的调整，使得车辆运行状态达到最佳。在上盘体靠近最外侧的边缘上还设有拇指凹陷⑥，赛车手在驾驶赛车时可将大拇指安放在其中；上盘体同时还设置了握持孔③，握持孔是赛车手驾驶时四指所持握住的位置，上诉⑥、③两个设计均可以保证赛车手在高度紧张的环境和有限的车体空间内，使得赛车方向盘与赛车手手部完全贴合，给予赛车手最好的手部驾驶体验。此外，上盘体的②部分为喇叭提示孔，以便信息第一时间传达到赛车手，加快赛车手判断和决策时间；上盘体④为按钮挖孔，没有棱角的圆形按钮在一定程度上增加了赛车方向盘的安全系数；上盘体⑤为LED指示灯挖孔，不同颜色的指示灯代表不同的驾驶信息，准确的信息是赛车手正常发挥的重要保障，如图4所示。

下盘体部分由于承担整个赛车方向盘和转向柱的连接作用，在中间部分设置有凸台并安装快拆器，因此凸台上开有相应的螺栓孔，如图5所示。

图4 上盘体模型正面图

① 电子显示屏框；②喇叭提示孔；③握持孔；④按钮挖孔； ⑤LED指示灯挖孔；⑥拇指凹陷

图5 下盘体模型图

图6 赛车方向盘装备图

2.3 FSC赛车方向盘仿真

由于赛车方向盘只有下盘体通过快拆器与转向柱连接，在使用过程中上盘体的受力较小可以忽略不计，所以本次仿真主要针对下盘体的可靠性进行分析。我们采用SolidWorks Simulation进行有限元分析。

2.3.1设置应用材料

不同的材料会有不同屈服的特性，本次实际赛车方向盘制造采用ABS材料制造，如图7所示是ABS材料参数。

图7 ABS材料制造参数图

2.3.2施加外部载荷

由于赛车手是通过旋转方向盘将力传到转向柱，然后在传到转向轮，所以载荷将以旋转力矩的方式施加到方向盘上，由《车辆人机工程学》可知转向盘的允许的最大用力为150N，而赛车方向盘直径为275mm，所以设置的方向盘允许的的最大力矩为公式1：

M=F*L （1）

式中：M为最大力矩；F为最大用力；L为对赛车方向盘直径。

所以旋转力矩设置如图8所示。

图8 旋转力矩设置图

2.3.3生成网格

由于电脑配置等原因，本次设计的网格并没有设置太小，否则电脑运行会崩溃。我们利用SolidWorks Simulation的网格生成器自动生成下盘体网格，如图9所示。

图9 下盘体生成网格

2.3.4运算网格模型

结果如图10、图11、图12。由图可看出，ABS材料的屈服力为50MP，分析得到的应力最大值小于ABS材料的屈服值。通过对下盘体的有限元分析，说明赛车方向盘的下盘体结构设计符合要求。

图10 下盘体-静应力分析 -应力图

图11 下盘体-静应力分析 -应变图

图12 下盘体-静应力分析 -位移图

3 3D打印赛车方向盘实物

3.1 模型文件切片

本文采用FlashPrint切片软件，将赛车方向盘模型进行切片处理，以保证3D打印机能够顺利打印赛车方向盘实物。FlashPrint切片软件其参数可以详细设置，可根据需求自由添加支撑，支持双色打印和多模型打印，Gcode代码转换速度极快，以预览打印过程中的每一个细节，并且支持市面上绝大部分FDM原理的3D打印机。如图13所示为下盘体的切片图。

图13 下盘体切片图

3.2 FDM打印赛车方向盘实物

首先开启3D打印机，对3D打印机底座预热，然后选择下盘体进行打印。在打印过程中要隔一段时间来观察打印情况，以免打印失败。3D打印过程如图14所示。基于FDM的3D打印赛车方向盘成品如图15所示，由于刚脱离打印系统的打印件比较粗糙，所以需要用到锉刀、尖嘴钳等工具经过二次处理才可以使得表面更加光滑、适用性更强。

图14 下盘体3D打印过程

图15 基于FDM的3D打印赛车方向盘成品

4 结论

本文基于大学生方程式汽车大赛，对赛车方向盘采用了人机工程学设计，根据赛车手个人习惯和身体尺寸量身定制，并采用 SolidWorks进行建模仿真和有限元分析。通过了有限元分析赛车方向盘结构之后，运用FDM类型的3D打印机进行赛车方向盘实物的制造。经过分析与总结，发现3D打印制造出的方向盘比用传统方法制造的方向盘，制造周期缩短将近四分之三、成本降低40%。本论文虽然研究的只是赛车方向盘的设计和制造，但是其背后的3D打印快速制造与个性化设计的思路，能够为其他车队的赛车零部件研发提供借鉴。

[1] 侯杰.FSAE赛车悬架和转向系统优化设计及分析[D].合肥工业大学,2017.

[2] 邹力行.新型家庭制造业是支持新型城镇化的战略产业[A].中国科学院中国现代化研究中心,2013:12.

[3] 张爽.汽车方向盘的演变分析[D].东北大学,2008.

Design of 3D printing racing wheel based on FDM*

Zhong Xinghua, Yang Lin, Luo Wenxing, Chen Jian, Yuan Yaosheng

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006 )

3D printing technology is more and more widely used due to its advantages such as simple principle, easy implementation, and personalized manufacturing. In the Formula Student Car Competition, the design of the steering wheel of the race car should be designed according to the specific parameters of the driver. Once the driver is changed, the size of the cabin is changed or the built-in electronic equipment changes, the traditional manufacturing method is difficult to ensure that the product is optimized and updated at any time. Therefore, this paper proposes a design scheme for a 3D printed racing steering wheel based on FDM. The solution uses 3D printing technology to meet the individual design requirements of the steering wheel of the car, and enables the rapid manufacture of the steering wheel of the car, thus ensuring that the product is updated and optimized at any time.

3D printing technology;FDM; Racing steering wheel

U469.6+96

B

1671-7988(2019)07-165-04

钟兴华，广东工业大学硕士研究生，研究方向：方程式赛车关键技术，电动汽车关键技术。

广东工业大学大学生创新创业训练项目，项目编号：yj201811845039。

U469.6+96

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1671-7988(2019)07-165-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.055