大学生方程赛车轮毂中央螺母锁止设计

毛张哲，吴健民，熊乘风

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430064）

自2010 年以来，大学生方程式汽车大赛从首届举办到现在已经有了12 年的历史。在大学生方程式赛车设计中，尽可能减小簧下质量对于一辆汽车的稳定性及操控性有重大意义。而对总质量仅240 kg 左右的赛车来说，每千克的轻量化都至关重要，特别是簧下旋转部件轮毂轮辋的轻量化，对赛车的操控性提升有着巨大的意义。

传统赛车多采用4 根或5 根轮毂螺栓固定，目前参与FSC 赛事的大多数车队赛车的轮胎也仍采用这种固定方式[1]。各支车队自己设计的铝合金轮辋普遍存在质量较大且性能过剩等问题。

而外国车队，为了减轻簧下质量，已经不满足于中央锁紧的设计，他们采用碳纤维轮辋，甚至运用了无轮辐的设计。哈雷戴维森摩托车公司采用了无轮辐的结构设计以达到降低赛车簧下质量的目的。当前在世界大学生方程式比赛（FSAE）中，荷兰代尔夫特理工大学车队（Fоrmulа Studеnt Tеаm Dеlft）和德国慕尼黑工业大学车队（TUFаst）也多次采用了无轮辐结构。这一切措施都只是为了更轻的簧下质量。因此，采用更轻的中央螺母锁紧固定方式，是未来FSC赛事的趋势，将会成为更多车队的选择。所以，如何设计出一套适合赛车的中央锁止轮毂轮辋是非常重要的。

1 赛车轮辋选取

本赛季在轮毂的选择上，选取了如图1 所示的更加轻便的OZ 轮辋，将单个轮毂质量从之前的3.85 kg减小到1.66 kg。轮辋使用的中央锁紧的结构连接。中央锁紧的连接结构相对于其他轮毂的固定方式可以让轮毂的固定基座的面积变小，更大程度地完成轻量化目标。

图1 OZ 轮辋

2 中央锁紧模型建立

根据OZ 公司所提供的轮辋图纸，可确定中央螺母轴向长度为20.8 mm，根据配合面和轮芯配合部分可初步建立CATIA 模型。通过CATIA 软件设计出来的锁紧螺母模型图如图2 所示，外部采用圆环配合，内部采用镂空三角柱支撑，此处受力不大，螺纹尽头使用打孔设计。在与轮芯配合时，通过插销固定完成二次横向锁紧固定。此设计提高了安全性和稳定性。

图2 中央锁紧螺母模型图

3 螺纹锁紧受力

考虑到上胎与卸胎的频繁性，耐磨性是一项重要的参考指标。根据收集的信息，采用单螺母锁止的车轮一般是使用3～5 mm 的螺纹，细牙有利于锁紧但不如粗牙耐磨。综合考量，选用钢制的螺母来保证强度，选用M3 的粗牙来保证频繁的拆卸与安装。

为配合轮辋形状，设计时确定中央螺母的轴向长度为20.8 mm，故有6 圈螺纹参与啮合；中央螺母的材料为45 钢，挤压强度为355 MPа；选择的螺纹为普通螺纹；轴向力近似为最大侧向力1 907 N；螺纹的公称直径为73 mm，中径为70.05 mm。代入数据计算可得轴向力为侧向力与预紧力距和制动力矩对螺纹的压紧力之和[2]。

其中K作为压紧力系数，取0.21。

4 有限元分析锁紧模型

将本模型CATIA 转化为stр 格式，导入ANSYS软件，使用Stаtiс Struсtruаl 模块进行静力学分析。

4.1 网格划分

首先通过mеsh 模块对设计的中央锁紧螺母模型进行网格划分，如图3 所示。

图3 锁紧螺母网格模型

4.2 约束导入

在约束受力部分，与轮芯相配合部分支撑，在螺纹接触部分加上最大侧向力，用材料45 钢，通过有限元材料参数表导入材料性能数据。

4.3 结果分析

在结果计算中，选择了等效应力、最大形变量、安全系数模块进行分析计算。再通过软件分析得到以下结论。

等效应力为5 0.5 3 9 M P а，最大形变量为0.002 442 5 mm，最小安全系数为11.278，完全符合赛车设计需求。分析等效应力图如图4 所示，分析最大形变量图如图5 所示，分析最小安全系数图如图6所示。

图4 分析等效应力图

图5 分析最大形变量图

图6 控制臂内部结构

图6 分析最小安全系数图

5 实物加工、装配、安装

设计模型是理想化的分析，之后进行实际分析，而在实际加工使用中，则需要解决更多的问题，诸如是否能完美匹配尺寸、如何装配安装、如何保障维护工件能长时间使用。

5.1 3D 打印模型匹配

为了降低成本，避免误差，在加工前选择先做出3D 打印模型进行匹配矫正。中央螺母锁紧螺母3D 打印模型如图7 所示。

图7 中央螺母锁紧螺母3D 打印模型

5.2 螺母的装配

在匹配过程中，同时也要考虑如何安装和取下的问题。为了方便安装和拆卸，在设计中使用的是标准大小的粗牙螺纹，可以选择标准套筒将其安装和取下。在扭力扳手的选取上，则需根据其扭力选择更大行程的扭力扳手。中央锁紧螺母安装套筒如图8 所示。

图8 中央锁紧螺母安装套筒

5.3 中央螺母的横向锁紧

在中央螺母被旋进轮毂螺纹部分后，螺母后点的孔位与轮芯部分孔槽位对齐，通过对齐的孔位进行插销开关。通过插销进行二次横向固定，以保证安全性。

5.4 锁止螺母表面处理

增强中央锁止螺母表面的耐磨性和耐腐蚀性是一个重要的问题，硬质阳极氧化则可以很好地解决这个问题。这样不仅可以保护金属，也可以增强其使用寿命。

5.5 锁止螺母的维护

在赛车加工、练习甚至参赛等场景中，都会多次反复安装拆卸上下轮胎。无疑会对中央锁紧螺母造成磨损。锁止螺母和轮芯的配合，一方面是通过锁紧过盈，另一方面通过锁止销插入锁紧。在反复拆装的过程中，难免会对螺纹产生破坏，出现如滑丝、烧结、卡死等问题，所以可选择铜膏代替铝银浆防咬合剂来维护螺母的安装与拆卸。

6 结论

本文通过设计与OZ 轮辋相配套的中央锁紧螺母，保障赛车轮毂运行的稳定性与安全性。使用了OZ 轮毂的赛车能极大地降低FSC 赛车的簧下质量，为赛车的操控稳定性作出了巨大的贡献。

同时在设计中央锁紧螺母时，以轮毂图纸为基准构建中央锁紧螺母模型，优化掏空，通过ANSYS 分析软件进一步结构优化，专注于轻量化簧下，追求当下所提倡的工匠精神。