大学生方程式电动赛车前桥轮芯性能分析研究

李纪雄 谭健良 薛国发

摘 要：从2018年中国大学生方程式大赛规则对转向前桥基本要求出发，设计了前桥轮芯的几何模型，建立了有限元分析模型，并进行了极限工况下的强度、刚度和安全系数的仿真分析和样件的加工制造，最后把样件装配集成到赛车前转向桥上进行了物理实验，结果表明设计的前桥轮芯满足工作性能的要求。

关键词：赛车前桥轮芯;有限元模型;强度刚度;物理实验

中图分类号：U469.6+96  文献标识码：A  文章编号：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

前桥轮芯是大学生方程式电动赛车行驶系统最基础的总成部件之一，它通过悬架和承载式赛车车身相连接，且一端安装车轮，另一端安装制动盘，其功用是传递车身和车轮之间各方向的作用力和力矩[1]。因此其良好的动静态性能是赛车手与赛车的安全保障，也是赛车操纵性和方向稳定性得以发挥的前提条件[2]。由此在进行轮芯结构设计时，除了需满足安装车轮、制动盘和悬架要求的尺寸外，还需具有足够的强度、刚度和耐久性以满足方程式赛车比赛的动静态性能测评要求[3]。

鉴于此，本文以我校赛车队研发的前桥轮芯为研究对象，分析了赛车前轮芯动静态性能的基本理论，通过建立轮芯几何模型和性能分析有限元模型，研究了在极限工况下轮芯的性能，最后对仿真分析的轮芯进行了加工制造，并装配在赛车上进行了试验验证。

1 赛车前轮芯性能的动静态分析基本理论

前轮芯各方向尺寸大于5mm，且各部分都是承受动静态载荷的区域，需采用体单元模拟其结构，而对这些体单元承受載荷发生变形进行基于有限元的计算分析需以下几个步骤[4，5]：

（1）设计前轮芯件的几何结构，在此基础上进行离散化，即采用有限个体单元进行近似表述，即分解为节点和单元。

（4）平衡方程和刚度矩阵。平衡方程可描述为：

[载荷矩阵]=[刚度矩阵][位移矩阵]

（5）依据以上平衡方程组，可计算出节点位移，通过方程式可求解节点、单元的应变与应力值，由此可进行后续的动静态特性计算。

其具体的分析流程建立如图1所示：

2 赛车前轮轮芯分析模型的建立

2.1 几何模型和网格划分

由于赛车四个车轮采用相同的规格，在转向制动极限工况时前轮的受力比后轮大，故在此分析前轮轮芯。根据赛车前桥车轮的安装空间、轮毂四个螺栓连接孔的位置，内外轴承安装空间、制动盘安装空间和与轮芯连接孔的位置，确定前轮芯的形状，其几何模型建立如图2所示。

赛车前轮轮芯在转弯制动过程中，与轮芯连接的四个螺栓孔受到的载荷很大，故对其轮芯的强度和刚度要求都较高，那么此区域网格划分要求也较为严格。由于轮芯的结构是不规则的三维体，由此在网格划分时主要选用了四面体进行划分，其中孔等主要受力区域的网格单元尺寸取0.5mm，其它区域尺寸取1mm。按照以上设置进行划分得有限元模型共有175817个单元和296204节点，划分的网格模型如图3所示。

2.2 约束条件及载荷施加

赛车轮芯材料选用7075铝，然后按转弯制动工况对轮芯施加约束和载荷，如图3所示，约束转向立柱与轮芯外壁相接触A处的六个自由度，然后对轮芯采用远程力进行精确加载，各作用载荷大小和方向也如图4所示，其中B、C处载荷来源于车轮对轮芯作用力，D、E处载荷来源于制动盘对轮芯作用力，则建立的有限元分析模型如图4所示，其中载荷边界条件是来源于悬架动力学分析。

3 仿真的结果分析

对建立的有限元模型进行计算分析，可得如图5～7所示的应力云、变形云和安全系数图，从应力云图5可得此极限工况时的最大应力值为480.93MPa，从变形云图6可得此极限工况时的最大变形量为0.23mm，从安全系数云图7可得安全系数为1.05;由于所选材料为7075铝，其屈服极限为505MPa，因此所设计的赛车轮芯结构满足仿真动静态性能要求。

4 前轮芯的物理实验验证

针对性能仿真分析满足要求的虚拟设计轮芯模型，按照几何设计的形状进行机械加工工艺设计，工艺路线的设计为：下料→磨两面→钳工划线→车外形和轴承安装位→磨轴承安装位→铣制动盘和轮毂安装位外形→划线钻安装孔和内孔→打磨去毛刺[6];根据此工艺加工制造的轮芯实物如图8所示。

最后把已制造加工的轮芯装配集成到赛车上，得整个物理试验的赛车实物如图9所示，参加比赛之前该赛车在校园道路上进行试跑和基本减速停车转弯制动测试，轮芯没有出现异样。2018年11月份正式参加了在珠海举行的中国大学生方程式赛车的静态项目和动态项目的测评，其中静态项目主要有：赛车设计、成本与制造分析、营销报告;动态项目有：直线加速測试、高速避障测试、8字绕环测试、效率测试、耐久测试。图10为经过测试比赛评价后的整车，在整个测评过程中，轮芯也没有出现异样。对参加了比赛的赛车在学校实验室进行了关键部件拆解，图11为拆解的轮芯，没有发现失效现象，由此表明设计开发的轮芯满足基本性能要求。

5 结论

（1）在分析动静态性能基本理论基础上，提出并构建了赛车前桥轮芯性能分析的基本流程。

（2）根据2018中国大学生方程式大赛规则对前桥轮芯设计的要求，建立了赛车前轮芯的CAD模型，并通过仿真模拟方法对建立的模型进行了转弯制动极限工况的动静态性能分析，计算结果表明前桥轮芯性能满足虚拟设计要求。

（3）设计了赛车前轮芯的加工工艺路线，且根据工艺进行了物理样件的制造，并装配集成在赛车上，经赛车整车物理实验验证，结果表明设计制造的前轮芯满足基本的物理试验要求。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2015.

[2] 王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2017.

[3] 中国大学生方程式汽车赛规则委员会.2018中国大学生方程式大赛规则第三版[R].北京：中国汽车工程学会.

[4] 库克.有限元分析的概念与应用[M].西安：西安交通大学出版社， 2007.9.

[5] SaeedMoaveni.有限元分析—ANSYS理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2018.

[6] 王启平.机械制造工艺学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.