卡丁車緩撞模塊的設(shè)計(jì)

肖立韻，何雍豪

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京 210000)

卡丁車緩撞模塊的設(shè)計(jì)

肖立韻，何雍豪

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京 210000)

卡丁車車架承載著整輛車所有系統(tǒng)以及車手，卡丁車本身質(zhì)量低且速度不高，但是一旦發(fā)生車與車之間撞擊或與質(zhì)量極大的物體撞擊，將對(duì)車輛造成不小破壞，甚至?xí)?duì)車手的人身安全造成威脅。設(shè)計(jì)一款緩撞模塊，分析其結(jié)構(gòu)應(yīng)力，以減小車架受撞擊所形成的車體形變及對(duì)車手的傷害。

卡丁車；碰撞；緩沖模塊

0 引言

目前在市場(chǎng)上，正規(guī)的配套齊全的娛樂性卡丁車一般都配有防撞套件，大多數(shù)用25～32 mm不等直徑的空心鋼管圍繞車身一周，用螺栓固定在車架上，然后在鋼管上加裝空心塑料緩撞件或者橡膠緩撞件。有的則直接利用鋼管的剛性來降低碰撞對(duì)車輛及人體的傷害。然而這種設(shè)計(jì)弊端在于不能達(dá)到比較好的緩沖作用，碰撞時(shí)所吸收的能量較少，會(huì)將大部分的碰撞能量直接傳遞到車架上比較脆弱或者應(yīng)力集中的地方，引起變形甚至斷裂，增加維修成本。同時(shí)也不能有效降低碰撞的加速度，容易使車手的頸椎受到傷害。為了增加卡丁車的安全性，提高其減緩撞擊的能力，文中將展示自主設(shè)計(jì)的一款卡丁車緩撞模塊裝置。

1 設(shè)計(jì)思路及三維模型

卡丁車緩撞模塊分為兩個(gè)部分：第一個(gè)部分稱作緩沖模塊，第二個(gè)部分稱作緩沖包圍。緩沖模塊通過鋁柱連接并焊接在緩沖包圍上，緩沖包圍用螺栓連接在車架上。緩沖包圍結(jié)構(gòu)以兩個(gè)加工成爪狀的鋁塊為主要結(jié)構(gòu)，它焊接在由3節(jié)空心鋁圓管焊接成的U形空心鋁圓管上，爪狀結(jié)構(gòu)上部有一個(gè)貫通孔，用于插入鋁柱將緩沖模塊與緩沖包圍固定住。緩沖模塊結(jié)構(gòu)以空心鋁U形方鋁管為主要結(jié)構(gòu)，外表面上有一層緩沖泡沫，方管上方有兩個(gè)貫通孔，用于插入鋁柱將緩沖包圍以及緩沖模塊裝在一起。緩撞模塊的整體外觀如圖1所示。

圖1 整體外觀

卡丁車緩撞模塊材料中，鋁材料全部使用6061鋁。鋁有較好的延展性、韌性以及很高的單位體積能量吸收率，鋁合金防撞梁輕量化程度最高，吸能量最大，加速度峰值最小，滿足防撞輕量化和安全性的要求[1]。同時(shí)6061鋁又擁有足夠的硬度抵抗沖擊，支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)。緩沖泡沫選泡沫鋁，泡沫填充薄壁結(jié)構(gòu)能有效地改善汽車薄壁吸能部件的耐撞性[2]。

2 運(yùn)作原理

緩沖包圍與緩沖模塊通過鋁柱焊接相連接，當(dāng)卡丁車遭遇碰撞時(shí)，緩沖泡沫能夠先減少一部分沖擊力，隨后緩沖模塊與鋁柱被碰撞產(chǎn)生位移，向里擠壓，使得爪狀結(jié)構(gòu)在位于中部的鈍角位置產(chǎn)生變形，水平方向受擠壓，向垂直方向展開進(jìn)行緩沖，若不能完全緩沖，撞擊使緩沖模塊和鋁柱繼續(xù)位移，則三叉戟結(jié)構(gòu)中間的頂板可以頂住鋁柱形成剪切力，通過頂彎或頂斷鋁柱來減緩緩沖模塊的位移趨勢(shì)，抵消或減緩撞擊力，如圖2所示。

圖2 受力示意圖

3 可行性分析

根據(jù)三維效果圖進(jìn)行有限元分析，運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)部件進(jìn)行碰撞受力分析。設(shè)定條件為：當(dāng)另一輛卡丁車以30 km/h的速度撞擊緩沖模塊。假使緩沖模塊上所受撞擊力均勻，則緩沖包圍左右所受的力對(duì)稱，所以左右兩邊的應(yīng)力相等，因此此次分析取右半段結(jié)構(gòu)。

分析結(jié)果如圖3、圖4所示，圖中已給出緩撞包圍所受應(yīng)力較大位置的應(yīng)力值。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以得出結(jié)論：當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)受到時(shí)速30 km/h撞擊時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)是安全的，不會(huì)產(chǎn)生斷裂，但是會(huì)產(chǎn)生變形；并且防撞模塊的空心U形鋁方管受撞擊后會(huì)劇烈變形，變形不確定性較高；部分應(yīng)力較大位置有應(yīng)力集中問題。

圖3 局部變形云圖

圖4 整體應(yīng)力云圖

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，首先對(duì)緩沖模塊進(jìn)行改進(jìn)。將空心U形鋁方管改成壁厚為5 mm的實(shí)心U形鋁排，這種改進(jìn)方式能夠增強(qiáng)緩沖模塊的強(qiáng)度。與原本使用空心鋁方管相比，這樣的改進(jìn)減小了變形的不確定性。在鋁排的直角處做出倒角，減小應(yīng)力集中。把焊接的鋁棒改成螺栓連接，并且通過螺母緊固并定位，使初次方案中的鋁柱的焊縫處沖擊力過大時(shí)容易斷裂問題得到解決。其次對(duì)緩沖包圍進(jìn)行改進(jìn)，在爪狀結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處進(jìn)行倒角設(shè)計(jì)和在與空心U形鋁圓管焊接處增加倒角焊縫設(shè)計(jì)，能夠改善應(yīng)力集中問題。將U形圓管彎管處原本的直角焊接改變?yōu)閳A弧角，并且改用一根鋁管進(jìn)行彎管制作，不再焊接。將爪狀結(jié)構(gòu)爪處的鈍角角度減小，使得受撞擊時(shí)更容易彎曲變形。防撞系統(tǒng)的好壞直接影響著整體安全程度的好壞，增強(qiáng)其硬度能有效降低對(duì)人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)[3]。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖

5 改進(jìn)后分析

根據(jù)三維圖，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行碰撞受力分析。將6061鋁、緩沖泡沫材料、螺栓材料參數(shù)代入進(jìn)行分析，并得出分析圖，如圖6、圖7所示。

圖6 局部變形云圖

圖7 整體應(yīng)力云圖

由分析圖可得出結(jié)果：整體結(jié)構(gòu)比初次方案的結(jié)構(gòu)更安全，能承受更大的撞擊力。緩沖包圍的爪狀結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力有所減小，并且變形明顯能沿著爪狀結(jié)構(gòu)的鈍角處展開，爪狀結(jié)構(gòu)的根部由于有倒角焊縫設(shè)計(jì)，減小了應(yīng)力集中；整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，抵抗撞擊能力增強(qiáng)，并且彎管的設(shè)計(jì)比初次方案中的直角焊接的設(shè)計(jì)所受應(yīng)力集中要小，變形過渡性更好；緩沖模塊改用實(shí)心鋁排，使得結(jié)構(gòu)所能承受的撞擊力更大，變形不確定性減小，同時(shí)體積也有所減小，但是質(zhì)量有所增加；使用螺栓連接緩沖模塊和緩沖包圍，當(dāng)撞擊使得頂板頂彎螺栓時(shí)螺栓不易斷并且緩沖能力有所增強(qiáng)，與之前的使用鋁柱焊接相比強(qiáng)度更高。

6 結(jié)論

卡丁車緩撞模塊是卡丁車的一種保護(hù)裝置，一旦出現(xiàn)卡丁車與墻等碰撞事故，能很好地保護(hù)車手，并且減低車輛損傷，減少車架變形，降低經(jīng)濟(jì)損失。做好安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及分析對(duì)卡丁車的行駛安全有至關(guān)重要的影響。

[1]安治國,趙云云.轎車防撞梁輕量化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2016，33(7):205-209.

AN Z G,ZHAO Y Y.The Structural Strength Design of the Light Weight of the Car Crash Beam of Anti-Collision Beam[J].Computer Simulation,2016，33(7):205-209.

[2]徐平,王馨甜,宋海.泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)汽車車門防撞梁側(cè)碰安全性仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2015,32(5):67-70.

XU P,WANG X T,SONG H.Safety Simulation for Side Impact of Anti-collision Beam with Filled Foam-aluminum in Automotive Doo[J].Journal of Machine Design,2015,32(5):67-70.

[3]陳金龍,石磊.汽車防撞梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)與部分問題探討[J].客車技術(shù),2012(5):26-28.

CHEN J L,SHI L.Optimal Design and Partial Issues Discussion of Automotive Anticollision Beam[J].Bus amp; Coach Technology,2012(5):26-28.

DesignofBufferModuleofKart

XIAO Liyun，HE Yonghao

(College of Jingcheng，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210000,China)

Kart frame carries the whole car system and driver.Kart has low quality and low speed.But once the kart hits with massive objects or impacts with another kart,it will make big damage to vehicle,even driver’s personal safety is threatened.A buffer module was designed for kart,its structural stress was analyzed,in order to reduce the impact of collision to frame deformation and damage to drivers.

Kart; Collision; Buffer module

U467.1+4

A

1674-1986(2017)11-044-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.010

2017-06-30

2017年南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(2017004YZ)

肖立韻，男，大學(xué)本科生，研究方向?yàn)檐囕v工程。E-mail：943836447@qq.com。