基于ANSYS的FSAE賽車后輪芯的分析與優化*

李乃斌　李耀平　王功博

（昆明理工大學交通學院云南昆明650224）

基于ANSYS的FSAE賽車后輪芯的分析與優化*

李乃斌李耀平王功博

（昆明理工大學交通學院云南昆明650224）

為確保賽車穩定性，采用ANSYS軟件對昆明理工大學KMUST車隊的賽車驅動輪輪芯即后輪芯進行分析，結果表明，純鋁合金加工的后輪芯符合賽車對其形變以及材料屬性對其應力的要求，不能滿足對其磨損的要求，因此加裝調質45鋼的襯套，以提高其耐磨性能。

ANSYS中國大學生方程式賽車后輪芯

引言

輪芯是賽車行駛系的中心環節，而后輪芯作為驅動輪輪芯受力復雜且對整車性能及穩定性影響較大。輪芯的設計理念為在滿足賽車的穩定性要求后盡量輕量化［1］。因此需要通過分析找到穩定性與輕量化兩者之間的平衡點，從而得到更為理想的設計方案。昆明理工大學KMUST車隊本年度賽車選用7075-T6鋁合金作為材料并采用聯軸器一體式輪芯的設計方案。特點為：其一端直接與輪輞連接，另一端與半軸上的三球銷相連，從而受到傳動力矩的作用；其上設計的剎車盤安裝位使輪芯在剎車時受到因制動力所帶來的轉矩。本文主要對這兩種情況進行分析，并根據結果分析后輪芯在結構與磨損兩個方面是否滿足要求，并得出優化方案。

1　外形參數設計

昆明理工大學KMUST車隊的賽車采用7英寸寬，10英寸直徑三件式鋁合金輪輞，考慮到零件在空間上的布置，決定選用wilwood GP200卡鉗、61 815-2ZR軸承、三球銷式萬向節，剎車盤為浮動式剎車盤，外徑為190 mm、內徑為109 mm、卡扣安裝位半徑為7 mm。綜合以上零件參數，以輕量化的設計理念，將后輪芯與聯軸器設計為一體式，設計后輪芯外形與參數如圖1所示。

2　受力分析

2.1制動力所帶來的力矩

賽車采用嘉陵JH600發動機。根據發動機參數及傳動系統傳動效率，計算所得賽車的理論上最大速度為124 km/h，但是作為FSAE賽車，對于本年度比賽所在地的襄陽夢想方程式賽場，賽道全長1 460 m，寬10-12 m，最大直路長180 m，且賽道中多處放有樁桶，彎道較多，結合往年所采集的數據，并考慮當年賽車情況與車手駕駛賽車的實際情況，在比賽中賽車最大速度只在60 km/h左右。當賽車以60 km/ h的速度行駛時突然剎車，經實際測量制動距離為9.79 m，因為制動距離

圖1　后輪芯三維圖及工程圖

式中：τ＇2為制動力起作用的時間；τ〃2為制動力增長過程所需時間；ua0為初始速度；abmax為賽車剎車加速度。

可得abmax=44.52 m/s2。整車及60 kg車手的總質量為262 kg。前、后制動力的分配為

式中：φ0為附著系數；hg為賽車質心高度；b為質心至后軸線的距離；L為軸距。

可得單個后輪所受的制動力為11 583.44 N，則作用于剎車盤安裝位的力矩為165 547.44 N·m。

2.2輪芯所受傳動力矩

可由力矩求出作用在輪芯上的力

式中：Tiq為發動機轉矩；ig為變速器傳動比；io為主減速器傳動比；ηT為傳動系統機械效率；r為球環中心到三銷架中心的距離。

賽車采用的嘉陵JH600發動機，最大輸出轉矩為51 N·m，傳動大鏈輪同時作為主減速器，傳動比為2.41。則單個后輪芯受力為Ft1=4 999.72 N；由于三球銷與輪芯為線接觸，對此處做受力模型的簡化如圖2所示。

圖2　受力模型簡化圖

為盡量減小簡化模型相對實際情況的誤差，在球環與后輪芯接觸處，做出一塊面積為9.6mm×0.8mm的矩形區域作為受力面積，其拉伸高度為0.1 mm。

則每個球環對輪芯施加的力為1 666.57 N，簡化后的壓力為220 MPa。

3　分析策略

3.1網格劃分

全局采用Proximity and Curvature劃分，整體劃分為四面體網格，對局部采用Mapped Face Meshing優化網格。同時采用Face Sizing對不同位置的網格大小進行控制。網格劃分結果如圖3所示。

3.2條件設置

3.2.1約束

后輪芯與輪輞用螺栓連接處設置為固定約束；軸承處用圓柱面約束模擬。如圖4所示。

3.2.2傳動轉矩

考慮到三球銷與后輪芯為線接觸，且力作用在三個不連續的面上，因此通過計算將傳動力矩轉化為壓力（pressure）的方式施加到后輪芯與三球銷接觸處。如圖5所示。

圖3　后輪芯網格劃分

圖4　約束圖

圖5　傳動力矩轉化為壓力

3.2.3制動力

賽車采用浮動式剎車盤，通過卡環與后輪芯連接。為達到整個與剎車盤接觸處均勻受力，本文通過計算，將制動力轉化為力矩（moment）的方式施加于圖示位置。如圖6所示。

圖6　制動力轉化為力矩

4　結果與分析

4.1結果

分析結果如圖7～圖10所示。

圖7　受制動力時的形變

圖8　受制動力時的應力

圖9　受轉矩時的形變

圖10　受轉矩時的應力

4.2分析

4.2.1結構要求

7075-T6鋁合金的抗拉強度為524 MPa，屈服強度為462MPa［2］。由以上分析結果可以看出，零件在兩種情況下應力最大不超過155 MPa，所以在零件所受的應力方面滿足要求。

零件采用普通車床、加工中心、數控銑床等幾種機床進行加工，在加工過程中允許誤差為±0.05 mm，由以上分析結果可以看出，零件在兩種情況下形變均小于0.03 mm，因此形變在允許范圍內，且可滿足賽車的正常行駛要求。

4.2.2磨損要求

7075-T6鋁合金的硬度為150HB［3］。分析兩種情況下最大應力處即輪芯承受轉矩時與三球銷接觸處的磨損情況。磨損形式為磨料磨損，磨損量：

式中：h為單位面積上磨損的深度；Ka為磨損系數；P為應力；H為硬度。

可得單位面積上的磨損深度為0.11 mm，加工誤差為±0.05 mm。考慮到賽車需要行駛的里程，此種磨損量過大，不符合要求。

5　優化方案及其結果與分析

5.1優化方案

考慮到對磨損的要求，因此優化選擇在輪芯與三球銷接觸處加一個調質處理后的45鋼制作的襯套［4］，如圖11所示。

圖11　襯套工程圖

5.2結果

根據以上方法進行分析。結果如圖12～15所示。

5.3分析

5.3.1結構要求

調質處理的45鋼經實際測試，得到其抗拉強度為790 MPa，屈服強度為510 MPa。由以上分析結果可以看出，零件在兩種情況下應力最大處為襯套處，其大小不超過155 MPa，所以在零件所受的應力方面滿足要求。

由以上分析可知，零件在受剎車力時，最大變形在剎車盤安裝位處，最大不超過0.03 mm。零件鋁制部分采用普通車床、加工中心、數控銑床等幾種機床進行加，在加工過程中允許誤差為±0.05 mm；零件在受最大轉矩情況下形變最大處在襯套上，其數值小于0.01 mm。整個襯套為線切割加工，采用快走絲，在加工過程中允許誤差為±0.05 mm。因此形變在允許范圍內，且可滿足賽車的正常行駛要求。

圖12　受制動力時的形變

圖13　受制動力時的應力

圖14　受轉矩時的形變

圖15　受轉矩時的應力

5.3.2磨損要求

分析兩種情況下最大應力處即輪芯承受轉矩時與三球銷接觸處的磨損情況。經試驗測得調質處理后的45鋼襯套硬度在30 HRC，得到單位面積上的磨損深度為0.04 mm，而加工誤差在±0.05 mm，磨損深度符合要求，而且此種設計比原設計磨損深度減小了63.6%，因此采用此種優化設計。

6　結論

通過ANSYS軟件對以上兩種方案的結構和磨損方面進行分析，得出以下結論：

1）FSAE賽車零件設計的主要目的為在滿足要求的情況下盡可能輕量化以提高整車性能。采用密度較小的7075-T6鋁合金作為材料制造零件可以滿足結構上的要求，但是在受力較大處磨損量會偏大。

2）后輪芯采用加調質處理的45鋼襯套的優化方案雖然增加了質量，但是此種方案在滿足結構要求的前提下同時滿足了對零件磨損的要求，從而將輕量化與穩定性兩者平衡，提了高整車穩定性。

1余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2009

2烏爾里希·菲舍爾.簡明機械手冊［M］.云忠，楊放瓊，譯.長沙：湖南科學技術出版社，2010

3陳冠國.金屬材料的硬度與磨損［J］.唐山工程技術學院學報，1990（3）：75-81

4石寶樞.三球銷式萬向節結構主參數的標準化與系列化設計［J］.軸承，2008（12）：9-15

The Analysis and Optimization of the Rear Hub on FSAE Race Car based on ANSYS

Li Naibin，Li Yaoping，Wang Gongbo
College of Traffic，Kunming University of Science and Technology（Kunming，Yunan，650224，China）

To ensure the stability of race car，this paper analyses the driving wheel hub i.e.the rear hub of the Kunming University of Science and Technology KMUST team racing using ANSYS.The results show that the rear hub made by aluminum alloy meets the demand of deformation and stress，but it fails to provide enough wear resistance.So we add a bush made by quenched and tempered 45 steel to improve its wear resistance.

ANSYS，Fomula Student China（FSC），Rear hub

U463.343

A

2095-8234（2016）03-0069-05

云南省教育廳“交通運輸工程專業綜合改革試點”項目及云南科技廳其它項目（KKST201402004）。

李乃斌（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽車系統動力學。

李耀平（1966-），男，高級工程師，主要研究方向為汽車檢測。

2016-03-16）