FSAE赛车转向系统CAD与CAE设计

纪楚凡

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉430000）

中国大学生方程式汽车大赛是一项由中国汽车协会主办的，由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。在FSAE赛车的设计开发中，转向系统是车手与赛车进行联系与互动最紧密的系统。转向系统性能的优劣直接决定着整车操纵稳定性和平顺性的好坏，在整个赛车的设计过程中占有非常重要的地位。

随着计算机的诞生与发展，计算机辅助设计工程技术即CAD/CAE技术在汽车行业获得了广泛的应用。应用CAD/CAE技术对赛车转向器进行设计，提高了设计参数的准确性，降低了成本，大大提高了整车设计过程中的效率。

1 转向器的三维建模

FASE赛车的转向系统主要由齿轮、齿条、壳体、转向传动轴、横拉杆、万向节等组成。在转向系统的设计过程中，首先应用CATIA作为实现参数化设计功能的平台，来实现对每一个零件的三维建模设计以及整个转向系统的装配设计。

1.1 转向器的结构与参数

1.1.1 齿轮齿条转向器结构分析

齿轮齿条转向器主要是通过齿轮转动带动齿条做切向运动来实现转向功能。

转向器齿轮布置在转向传动轴下端，与转动齿条相互啮合。当车手转动方向盘时，外力矩经过转向柱与万向节的传动，带动转向器中的小齿轮做回转运动，进而带动转向器中的齿条，将运动转化为沿方向盘切向的直线运动。进而由齿条带动横拉杆往复运动，从而实现赛车的转向功能。

1.1.2 转向系统参数确定

在转向系统的设计制造和零件建模与系统装配之前需要确定零件与装配参数，进而利用这些参数在CATIA中进行初步的零件建模与装配。

转向系统参数的获得主要来自于两个方面，一方面首先需要初步收集比赛规则、比赛赛道和车手的实际情况等大量相关数据，之后将收集到的相关数据代入公式进行计算。在满足基本设计要求的同时还要尽力满足轻量化要求，主要参数包括最大转向角度、转向系角传动比、转向柱几何高度等。

另一方面则将历年的赛车数据与实际情况进行比对，利用经验公式获得，例如齿轮模数、齿数、压力角、齿条行程等。主要建模参数如表1所示。

表1 主要建模参数

1.2 CATIA建模

CATIA是CAD领域集设计、造型和分析等方面于一体的软件。在汽车行业大量复杂的外形设计中，CATIA展现了十分强大的造型功能。

在转向系建模中，首先基于建模参数绘制转向柱几何草图和梯形几何草图，以此为基础进行零件设计，转向柱几何草图如图1所示。

图1 转向柱几何草图

零件设计结束之后，将零件逐步导入CATIA装配设计中进行装配操作。

CATIA装配设计是通过在零部件间添加配合与约束来进行装配的。常用的约束有同轴、接触、偏移等。成功完成装配操作之后可以得到图2所示的装配体。

图2 转向系统总装

2 零件的有限元分析

在零件初步建模完成后，需要对零件的强度进行校核。通过对零件进行有限元分析以获得更加完美的零件尺寸，完成对零件的选材。这样一方面可以避免某些零件过于薄弱导致在赛车实际运行过程中发生断裂；另一方面可以避免某些零件本身受力不大却用料过度导致整车质量增加，以符合轻量化设计的要求。

ANSYS拥有强大的运动学和动力学求解器，能够有效地分析结构的应力、应变等力学特性。利用ANSYS的静力结构分析和模态分析等模块，对转向系统零件进行有限元分析，完成零件校核。

2.1 转向系载荷的确定

在利用ANSYS进行分析之前，需要获得各个零件的载荷参数。

零件的载荷即各个零件受到力的大小，这些力的大小一方面受转向轮垂直载荷、路面摩擦系数、轮胎类型等外部因素的影响，另一方面还受到转向系传动比、转向系拉杆间的压力角等设计因素的影响。虽然目前很难对这些力进行精确的计算，但是由于FSAE赛道材料为沥青，因此在沥青路面上具有足够精确的半经验公式。表2为利用这些公式以及测量赛车得到的参数数据。

表2 计算载荷参数

2.2 有限元分析

2.2.1 有限元分析原理概述

有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限，且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。依据结构的实际情况，选择合适的单元形状、类型、数目、大小和排列方式，将拟分析的物体假想地分成有限个分区或分块的集合体。引入强制边界条件，最终求解方程得到相关节点位移。

2.2.2 零件分析

在零件有限元分析前，利用上文求出的计算载荷，对各个零件进行受力分析，得到在转向过程中主要受力的零件及受力方式，包括齿轮齿条之间的接触应力、齿条壳体固定端受到的推力、转向柱受到的扭矩、拉杆受到的推力等。下面以齿轮齿条为例进行讨论。

利用ANSYS对齿轮齿条进行有限元分析时，为获得比较精确的齿轮接触应力，实现接触的有限元网格划分，可采用局部单元尺寸得到更精确的网格划分。选取齿轮、齿条两个实体作为分析单元，单元网格尺寸设置为2 mm。确定齿面接触的边界条件：施加齿轮与齿条约束，使齿轮只有绕其回转中心轴的转动自由度，齿条只有沿其运动轴线方向的移动自由度。选取齿轮中心圆柱面，施加绕其回转中心旋转的转矩。求解目标并查看仿真结果。齿轮接触应力云图如图3所示。

图3 齿轮齿条接触应力分析

3 转向系动力学仿真

一辆赛车的好坏，一般是通过其运动的特性来评判的。对于一辆好的赛车来说，其对路面的响应、驾驶员操控的稳定性都有很高的要求，而这些要求就是赛车的动力学品质。所以，研究赛车的动力学是设计赛车一个很重要的部分。动力学主要研究运动的变化与造成这变化的各种因素，也即力对物体运动的影响。汽车在地面上行驶，通过自身运动而产生的力，并利用这种力来实现各自所期望的运动。车辆动力学就是研究地面与车辆之间的关系。

运动部件越多，运动的约束越复杂，整个运动机构的运动情况也就越复杂。为了更好地优化赛车设计的机构，使用ADAMS/CAR模块为车辆进行运动分析。

3.1 ADAMS/CAR建模过程介绍

首先，进入工作环境。ADAMS/CAR软件有两种工作环境，一种是“Template Builder”，即模块构建环境；另一种是“Standard”，即标准环境。每个环境都具有不同的界面和菜单。用户需要在模块构建环境构建各个子系统的模块，该环境可以规定各个零部件之间的拓扑关系，然后在标准模块下修改模板参数，形成具体的个性化的子系统。

然后，输入初步硬点及动力学参数。硬点是各个零件连接的关键几何定位点。在转向系统中，断开点位置是影响阿克曼百分百的关键硬点。往往先利用三心定理确定初步位置，再根据后期仿真结果进行调整。动力学参数包括零件质量、质心位置、转动惯量等，可以依据赛车实际数据进行测量与计算。

最后进行仿真与结果分析。

3.2 实例分析

FSAE赛车转向系的动力学仿真主要进行车轮跳动分析与转动分析。

赛车在行驶过程中轮胎会上下跳动，导致定位参数和轮胎参数发生变化。跳动分析可以了解到参数的具体变化情况，同时还可以判断横拉杆强度是否达标以及与悬架A臂是否产生干涉。转动实验则可以判断拉杆是否与轮毂有干涉，同时仿真结果也用于后续阿克曼百分比的确定。

首先进入工作环境，打开相应的模块或将建立好的三维模型导入得到转向与悬架系统模板。将准备好的初步设定的硬点坐标与动力学参数输入到模型中。根据生成装配模型初步判断零件的长度、位置是否合理，是否会与悬架干涉。

3.2.1 轮跳实验

在进行跳动分析时预设好上下跳动范围与跳动次数等参数后点击运行。结束后进入后处理模块，根据需要查看轮跳时相应的参数变化情况，进而分析曲线优化各个参数。轮跳仿真如图4所示。

图4 轮跳仿真

3.2.2 转动实验

在进行转动实验时，与轮跳实验相类似，在相应模块中输入初始值进行仿真。仿真运行结束后得到相关数据曲线。转动仿真结果如图5所示。

图5 转动仿真结果

阿克曼百分比是转向系统的重要参数之一，而想要得到理想的阿克曼百分比，就需要不断调整硬点参数来获得。

在转动实验中常常要进行灵敏度分析，得到相关硬点对目标值的影响程度及作用效果，方便对硬点参数进行调整。各硬点值对阿克曼百分比影响程度百分比如图6所示。

图6 各硬点值对阿克曼百分比影响程度百分比

通过灵敏度分析可知，外点的x与y值以及内点的x值对阿克曼百分比影响最大，其他值的影响微小。因此在调节过程中，通过调节内外点的值来获得理想的阿克曼百分比。

4 结论

本文采用CAD/CAE技术，对FASE赛车转向系统进行三维建模以及仿真分析。利用该技术使赛车转向系统的设计具有更优的操作稳定性与平顺性，同时量化了转向设计中的阿克曼百分比等性能参数。CAD/CAE技术的应用还大大节约了设计成本，缩短了设计周期，提高了设计参数的准确性，在方程式赛车设计与制造过程中发挥了巨大的作用。