基于FDM的3D打印賽車方向盤設計*

鐘興華，陽林，駱文星，陳劍，袁耀盛

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基于FDM的3D打印賽車方向盤設計*

鐘興華，陽林，駱文星，陳劍，袁耀盛

（廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

3D打印技術由于其原理簡單、容易實現、個性化制造等優點而受到越來越廣泛的應用。在大學生方程式汽車大賽中，賽車方向盤設計要根據車手的具體參數進行個性設計，一旦發生更換車手、調整座艙尺寸或者內置電子設備變化等情況，傳統的制造方法很難保證產品的隨時優化及更新。因此，文章提出一種基于FDM的3D打印賽車方向盤的設計方案。該方案運用3D打印技術能夠滿足賽車方向盤的個性化設計要求，并且能夠實現賽車方向盤的快速制造，從而保證產品的隨時更新和優化。

3D打印技術；FMD；賽車方向盤

前言

中國大學生方程式汽車大賽（英文名稱Formula Student China以下簡稱FSC）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校生組隊參加的汽車設計與制造比賽。[1]在FSC比賽中，賽車方向盤設計要根據車手的具體參數進行具體的個性設計，一旦發生更換車手、調整座艙尺寸或者內置電子設備變化等情況，原來制造好的方向盤將不再適合，必須去制造一個更加適合的方向盤，而統的制造方法很難保證產品的隨時優化及更新。

近年來，3D打印技術成為第四次工業革命的重要技術，也作為一項智能制造新技術的產物，受到國內外普遍的關注。3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的快速成型技術，由于其原理簡單、容易實現、個性化制造等優點，使得3D打印技術能夠很好的滿足賽車零部件的快速開發與制造。[2]

1 FDM打印技術原理

熱熔融沉積制造法（Fused Depostiton Modelin）簡稱FDM，FDM技術是由Stratasya公司所研發的一種3D打印技術。該技術使用絲狀材料（如ABS、PLA等）為原料，如圖1所示，通過加熱方式將原料加熱為熔融狀態，在微型電腦的控制下，出料頭沿著水平方向運動，將熔化的材料均勻地涂在工作臺上，等冷卻后這層涂覆就會成為零件的一層截面，之后噴頭再向上移動一層高度，再疊加一層材料，如此往復逐層疊加，最終形成實體零件，如圖2、圖3所示。

圖1 FDM打印材料

圖2 FDM打印原理示意圖

圖3 FDM類型3D打印機

2 FSC賽車方向盤設計

2.1 賽車方向盤結構設計

FSC賽車方向盤不只是具有轉向功能，同時還具有其他附加功能。這些功能分布在賽車方向盤上的按鈕分別可以完成以下功能：控制離合器、控制發動機啟動、控制換擋、無線電對講、進入修理站的車速限制、發動機轉速限制、制動力平衡的調節、空氣燃油比例混合的調節、賽車綜合信息的顯示控制（包括發動機數據、燃油消耗以及每一圈時間、當前檔位指示等），還有一些預先編好的控制程序和各種閃爍著的警告燈。多種功能按鍵的添置，使得賽車方向盤的內容豐富起來，造型也產生了一定的變化。因此，賽車方向盤功能鍵的形狀、尺寸、色彩、字體的設計和位置安放，都成為了方向盤設計的重要內容。[3]

本文當中的賽車方向盤總體采用矩形加圓弧結構，采用上下盤體分開設計，電控人員可以將電控設備安裝在賽車方向盤內腔。上盤體部分由于受力作用較小不需要大強度來維持方向盤的操縱穩定性，所以上盤體總體厚度設計為4mm。由于人手在握持孔部分會施加較大的力來實現方向盤的轉動，以實現賽車方向控制，所以在握持孔部分厚度設計為12mm。下盤體部分由于承擔整個賽車方向盤和轉向柱的連接作用，在中間部分設置有凸臺，凸臺厚度為8mm，其他部分厚度均為6mm，為了減小凸臺與盤其他部分連接處的應力集中，在凸臺和盤其他部分連接處設置了倒角。根據我們測量得出賽車手手部具體尺寸，并根據賽車手的具體要求我們將賽車方向盤設計為類橢圓形。賽車方向盤整體參數如表1所示。

表1 賽車方向盤尺寸數據

2.2 FSC賽車方向盤建模

本次建模我們采用solidworks軟件，將整個方向盤分為上盤體和下盤體兩部分，方向盤是由上盤體和下盤體通過螺栓和特殊粘結劑合并在一起的。

在上盤體上，增加電子顯示屏框①，該電子顯示屏能夠顯示多個車體運行狀況參數，主要有檔位的變換、車體能量、車速、發動機轉速、機油溫度等，多個車體運行狀態信息的顯示能夠幫助駕駛員有足夠的時間和信息作出對車輛運行狀態的調整，使得車輛運行狀態達到最佳。在上盤體靠近最外側的邊緣上還設有拇指凹陷⑥，賽車手在駕駛賽車時可將大拇指安放在其中；上盤體同時還設置了握持孔③，握持孔是賽車手駕駛時四指所持握住的位置，上訴⑥、③兩個設計均可以保證賽車手在高度緊張的環境和有限的車體空間內，使得賽車方向盤與賽車手手部完全貼合，給予賽車手最好的手部駕駛體驗。此外，上盤體的②部分為喇叭提示孔，以便信息第一時間傳達到賽車手，加快賽車手判斷和決策時間；上盤體④為按鈕挖孔，沒有棱角的圓形按鈕在一定程度上增加了賽車方向盤的安全系數；上盤體⑤為LED指示燈挖孔，不同顏色的指示燈代表不同的駕駛信息，準確的信息是賽車手正常發揮的重要保障，如圖4所示。

下盤體部分由于承擔整個賽車方向盤和轉向柱的連接作用，在中間部分設置有凸臺并安裝快拆器，因此凸臺上開有相應的螺栓孔，如圖5所示。

圖4 上盤體模型正面圖

① 電子顯示屏框；②喇叭提示孔；③握持孔；④按鈕挖孔； ⑤LED指示燈挖孔；⑥拇指凹陷

圖5 下盤體模型圖

圖6 賽車方向盤裝備圖

2.3 FSC賽車方向盤仿真

由于賽車方向盤只有下盤體通過快拆器與轉向柱連接，在使用過程中上盤體的受力較小可以忽略不計，所以本次仿真主要針對下盤體的可靠性進行分析。我們采用SolidWorks Simulation進行有限元分析。

2.3.1設置應用材料

不同的材料會有不同屈服的特性，本次實際賽車方向盤制造采用ABS材料制造，如圖7所示是ABS材料參數。

圖7 ABS材料制造參數圖

2.3.2施加外部載荷

由于賽車手是通過旋轉方向盤將力傳到轉向柱，然后在傳到轉向輪，所以載荷將以旋轉力矩的方式施加到方向盤上，由《車輛人機工程學》可知轉向盤的允許的最大用力為150N，而賽車方向盤直徑為275mm，所以設置的方向盤允許的的最大力矩為公式1：

M=F*L （1）

式中：M為最大力矩；F為最大用力；L為對賽車方向盤直徑。

所以旋轉力矩設置如圖8所示。

圖8 旋轉力矩設置圖

2.3.3生成網格

由于電腦配置等原因，本次設計的網格并沒有設置太小，否則電腦運行會崩潰。我們利用SolidWorks Simulation的網格生成器自動生成下盤體網格，如圖9所示。

圖9 下盤體生成網格

2.3.4運算網格模型

結果如圖10、圖11、圖12。由圖可看出，ABS材料的屈服力為50MP，分析得到的應力最大值小于ABS材料的屈服值。通過對下盤體的有限元分析，說明賽車方向盤的下盤體結構設計符合要求。

圖10 下盤體-靜應力分析 -應力圖

圖11 下盤體-靜應力分析 -應變圖

圖12 下盤體-靜應力分析 -位移圖

3 3D打印賽車方向盤實物

3.1 模型文件切片

本文采用FlashPrint切片軟件，將賽車方向盤模型進行切片處理，以保證3D打印機能夠順利打印賽車方向盤實物。FlashPrint切片軟件其參數可以詳細設置，可根據需求自由添加支撐，支持雙色打印和多模型打印，Gcode代碼轉換速度極快，以預覽打印過程中的每一個細節，并且支持市面上絕大部分FDM原理的3D打印機。如圖13所示為下盤體的切片圖。

圖13 下盤體切片圖

3.2 FDM打印賽車方向盤實物

首先開啟3D打印機，對3D打印機底座預熱，然后選擇下盤體進行打印。在打印過程中要隔一段時間來觀察打印情況，以免打印失敗。3D打印過程如圖14所示。基于FDM的3D打印賽車方向盤成品如圖15所示，由于剛脫離打印系統的打印件比較粗糙，所以需要用到銼刀、尖嘴鉗等工具經過二次處理才可以使得表面更加光滑、適用性更強。

圖14 下盤體3D打印過程

圖15 基于FDM的3D打印賽車方向盤成品

4 結論

本文基于大學生方程式汽車大賽，對賽車方向盤采用了人機工程學設計，根據賽車手個人習慣和身體尺寸量身定制，并采用 SolidWorks進行建模仿真和有限元分析。通過了有限元分析賽車方向盤結構之后，運用FDM類型的3D打印機進行賽車方向盤實物的制造。經過分析與總結，發現3D打印制造出的方向盤比用傳統方法制造的方向盤，制造周期縮短將近四分之三、成本降低40%。本論文雖然研究的只是賽車方向盤的設計和制造，但是其背后的3D打印快速制造與個性化設計的思路，能夠為其他車隊的賽車零部件研發提供借鑒。

[1] 侯杰.FSAE賽車懸架和轉向系統優化設計及分析[D].合肥工業大學,2017.

[2] 鄒力行.新型家庭制造業是支持新型城鎮化的戰略產業[A].中國科學院中國現代化研究中心,2013:12.

[3] 張爽.汽車方向盤的演變分析[D].東北大學,2008.

Design of 3D printing racing wheel based on FDM*

Zhong Xinghua, Yang Lin, Luo Wenxing, Chen Jian, Yuan Yaosheng

( College of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006 )

3D printing technology is more and more widely used due to its advantages such as simple principle, easy implementation, and personalized manufacturing. In the Formula Student Car Competition, the design of the steering wheel of the race car should be designed according to the specific parameters of the driver. Once the driver is changed, the size of the cabin is changed or the built-in electronic equipment changes, the traditional manufacturing method is difficult to ensure that the product is optimized and updated at any time. Therefore, this paper proposes a design scheme for a 3D printed racing steering wheel based on FDM. The solution uses 3D printing technology to meet the individual design requirements of the steering wheel of the car, and enables the rapid manufacture of the steering wheel of the car, thus ensuring that the product is updated and optimized at any time.

3D printing technology;FDM; Racing steering wheel

U469.6+96

B

1671-7988(2019)07-165-04

鐘興華，廣東工業大學碩士研究生，研究方向：方程式賽車關鍵技術，電動汽車關鍵技術。

廣東工業大學大學生創新創業訓練項目，項目編號：yj201811845039。

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1671-7988(2019)07-165-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.07.055