巴哈賽車鋼管式車架吊耳設計與分析

艾天樂，蘇 煒

（武漢理工大學國際教育學院，湖北 武漢 430000）

巴哈賽車是一種全地形的越野式賽車，其車架采用一體式鋼管構造。為了保證在行駛的過程中對車手的保護，需要對車架結構之間的空缺處運用邊板進行維護。常常使用的材料為碳纖維板，碳纖維板與一體式鋼管式車架的連接是需要運用螺栓與吊耳的配合進行機械固定的。而在固定的過程中為了能夠牢固、精確地將吊耳固定在車架上，需要耗費大量的時間進行定位以及修補，在這個過程中對整車車架會產生傷害。為了優化此過程，通過對原有的吊耳進行優化，新型的吊耳不僅質量變小，同時與鋼管可以緊密接觸而無需肉眼定位。

1 建立吊耳模型

通過CATIA 軟件可以建立出吊耳的初步模型。根據《2018 中國汽車工程學會巴哈大賽競賽規則》，在CAITA軟件中建立所需要的車架模型，主構的鋼管外徑為31.75 mm，次構的鋼管外徑為12.7 mm，因此此次設計的吊耳的彎曲半徑也會根據主構與次構之間的不同而進行改進。

2 實例分析

在中國2019 年的汽車工程學會全國巴哈賽車比賽中，武漢理工大學巴哈賽車隊設計的巴哈賽車鋼管式車架在進行邊板安裝的過程中遇到了很大的問題，其中之一便是吊耳的固定與定位。傳統的吊耳是采用方形底座，不僅無法與鋼管緊密貼合，并且極難將其進行穩定的定位操作。此次吊耳的設計優化了吊耳的定位問題，并應賽事舉辦方的要求，盡量對吊耳進行輕量化處理，如圖1 所示。

通過對吊耳進行優化操作之后，整車的質量有輕微的下降，并更容易對一些細微地方進行定位安裝操作。

3 建立吊耳ANSYS 有限元模型

將CATIA 的模型導入到ANSYS-WORKBENCH 中的Static Structural 模塊中對其進行受力分析得到應力應變云圖。

圖1 吊耳設計概念圖

設置正確的參數：模具鋼。

抗拉強度σb（MPa）≥930（95）。

屈服強度σs（MPa）：≥785（80）。

伸長率δ5（%）：≥12。

斷面收縮率ψ（%）：≥50。

沖擊功Akv（J）：≥63。

沖擊韌性值αkv（J/cm2）：≥78（8）。

硬度：≤229 HB。

試樣尺寸：試樣毛坯尺寸為25 mm。

熱處理規范：淬火880 ℃。

4 吊耳靜力學分析

吊耳進行的是機械固定，因此在安裝的過程中會受到一定的壓力，在壓力的作用下一些吊耳會產生變形。通過對吊耳兩側的支撐面進行固定，同時在受力位置進行加壓，可以得到吊耳在安裝的過程中所受的沖擊力。同時位于座椅下方以及頭枕后方的吊耳會分別承擔車手的質量以及在急停時車手頭部向后的加速度，均會對吊耳產生沖擊。最后，吊耳在巴哈賽車行駛過崎嶇路段時也會受到很大的沖擊力導致斷裂，因此需要在吊耳與鋼管連接處施加載荷，測試其穩定程度。

4.1 普通式吊耳

最簡易的吊耳只是強化了定位效果，仿真結果顯示吊耳受力穩定，可以承載較大載荷，使邊板能夠穩定地固定在車架上，如圖2 所示。

圖2 普通式吊耳應力應變云圖總

4.2 輕量化普通吊耳

通過對普通式吊耳進行打孔，不僅增加了美觀度，且分析結果顯示吊耳并不會因此而變得過于脆弱，依然可以承受較大的載荷來固定碳纖維板，如圖3 所示。

圖3 輕量化吊耳應力云圖

由圖3 可知，鏤空之后的吊耳并不會產生更大的形變，與之前相比無明顯缺陷，且大幅降低自身質量，因此設計是合理的。

4.3 前板吊耳分析

巴哈賽車的前艙需要安裝制動踏板轉向軸以及其他部件，空間狹小，不易進行吊耳的安裝與定位，且巴哈賽車在行駛過程中前端較容易發生碰撞，所以需要通過對前艙的吊耳進行加厚處理。如圖4 所示，此類型吊耳可以在最大化利用空間的同時較為穩固地在鋼管上進行定位操作。并對其轉角處施加4 000 Pa 載荷，對螺栓連接孔施加3 000 Pa 載荷，分析其受力后的應力應變總云圖，如圖4 所示。

圖4 前板吊耳應力應變總云圖

可以看到此吊耳可以承受較大壓力且無斷裂發生，最大的應變位于螺栓連接處。而此處會被螺栓夾緊，因此不會有較大變形發生。

4.4 頭枕吊耳分析

巴哈賽車頭枕一般是采用海綿等軟料制作而成以為選手遭到沖擊時提供必要的防護。但是由于巴哈賽車鋼管式車架的背環設計，并且根據《2018 中國汽車工程學會巴哈大賽競賽規則》，LDB 斜桿的存在使得頭枕的安裝變得及其困難。因此此次為頭枕設計了專用吊耳，由兩部分拼接而成。在頭枕靠近背環的部分加裝一塊鋁板之后便可順延LDB 的方向進行吊耳的固定與安裝。對吊耳的螺栓連接處施加3 000 Pa 載荷以及1g 的加速度，對吊耳與鋼管的連接處進行4 000 Pa 的載荷加持，并固定其兩側的支撐面。分析結果的應力應變總云圖如圖5 所示，合并使用如圖6 所示。

圖5 頭枕吊耳應力應變總云圖

圖6 頭枕吊耳使用連接圖

可以看到吊耳的最大變形出發生在連接處，但在最后的實際操作中，整成落地之前會對其接口進行焊接從而增加強度，通過軟件分析驗證，焊接之后的缺口無較大形變產生。

4.5 美觀設計邊板吊耳分析

在滿足了安裝的穩定性以及精確性之后對吊耳進行一定程度的優化并更大幅度的減輕其質量，可運用于受力較小的發動機邊板等不會受到直接沖擊的位置，可提升整車的美觀性，并且會使得整車的質量得到微量的降低。如4.4 對其施加載荷與固定，其總應力應變分析云圖如圖7 所示。

圖7 美觀設計邊板吊耳應力應變總云圖

如圖7 所示，雖鏤空了大半個吊耳，但是其穩定性并未受到較大影響，最大的形變發生于兩側的螺栓連接處，但在實際操作中，兩側的螺栓作用為輔助加固并在如號碼牌等所需載荷小的地方起到節省吊耳減輕車重以及工作度，因此此次吊耳設計是合理的。

5 分析總結

巴哈賽車在生產的過程中由于整車空間狹小，對于各個細微零件是否可以準確定位并可以簡便安裝提出了較高的要求。同時由于巴哈賽車的行駛路段多為崎嶇山路，在此路段行車會使得全車產生較大的振動。通過ANSYSWORKBENCH-MODAL 模塊的分析可以得知，巴哈賽車的劇烈振動會對邊板造成較大沖擊并使得吊耳產生斷裂。此次設計吊耳通過對連接處加厚處理而使得此現象大幅減弱。同時巴哈賽車對于整車的質量有較高要求，追求車輛的輕量化，通過對吊耳的結構進行優化，在不影響整體使用以及受力能力的基礎上進行了鏤空等處理，因為巴哈賽車所需吊耳數量眾多，通過此操作可使得整車的質量有一定的減輕。最后此次設計的吊耳符合基本美學，較為美觀，對巴哈賽車的整體外形有優化作用。