基于FSAE賽車前輪立柱的輕量化設計與優化

袁京宇

基于FSAE賽車前輪立柱的輕量化設計與優化

袁京宇

（中國質量認證中心南京分中心，江蘇 南京 210005）

作為FASE賽車的關鍵系統，性能優異的懸架系統不僅能夠給駕駛者帶來好的乘坐舒適感，還能夠提高整車的操縱穩定性，提升賽車在比賽中的競爭力。在懸架系統的設計中簧下質量是影響懸架系統性能的關鍵因素之一，作為簧下質量的重要零部件，對轉向立柱的輕量化設計一直是努力突破改進的關鍵，設計優秀的立柱能給賽車帶來良好的操縱性。文章對立柱的設計進行了詳細闡述，分析了立柱的結構需求以及在各個工況下的受力情況，對其結構進行了重新設計，并應用ANSYS Workbench 軟件分析其應力應變情況，以此來進行輕量化的改進。

立柱；Catia；Ansys；FSEC賽車；拓撲優化

1 總體設計方案

1.1 立柱工作狀態分析

立柱連接了賽車上主要的受力部件和運動部件，故而立柱受力較大且情況復雜，在使用過程中也較容易出現問題。同時立柱也是賽車的簧下部分，而減輕簧下質量對于提升賽車的操縱性能和穩定性有所幫助[1]。

1.2 總體設計

前立柱與上下叉臂、制動卡鉗、轉向橫拉桿等零部件相連接，需要滿足各個部件安裝空間需求，設計時需要根據這些部件的安裝位置確定立柱的總體形狀[2]。車輪外傾角對于賽車的行駛有著至關重要的作用，使得車輪與地面的動態承載中心得到合理的分配，從而提高輪胎轉向時的附著力并降低輪胎轉向時的磨損[3]。

圖1 懸架部分總裝

圖2 輪邊部分總裝

外傾角可以提高賽車的過彎性能，但卻減少了直線行駛時輪胎與地面的接觸面積，對于汽車的直線行駛反而不利。在FSEC賽事中，動態賽分為直線行駛、八字繞環、高速避障和耐久賽，每項比賽的賽道各不相同，而為了適應各個賽道，需要針對其進行外傾角的調節。因此，外傾角調節的裝置也是必不可少的。

圖3 外傾角示意圖

出于輕量化的考慮，選擇通過在立柱與叉臂連接處增加墊片來達成改變車輪外傾角的目的。為了應對加工時的誤差出現，設計立柱上下均可加入墊片，增加外傾角的調節范圍。

1.3 輪速傳感器安裝

輪速傳感器安裝于立柱之上，通過霍爾效應測量輪轂的旋轉速度[4]。考慮立柱周圍零部件，只有在斜側面安裝才可以避免與其他零件發生干涉。對于該零件選擇使尼龍材料 3D 打印的方式加工。3D 打印精度高，加工復雜零件簡易，可以自由設計對應形狀。

圖4 輪速傳感器模型

2 應力分析及輕量化

初步建立的模型滿足立柱的基本使用需求，但其幾乎是實心的，質量較大，不利于實現簧下質量的輕量化[5]。

利用ANSYS中的自動網格劃分，僅需調整網格的密度即可達到要求。設置載荷根據實際的受力效果設置相應的載荷，并進行求解計算。

2.1 寫入工程參數

本立柱采用7075-T6進行加工，其密度為2810 kg/m3，楊氏模量為72GPa，泊松比為0.33，屈服強度為505MPa，將其保存于ANSYS數據庫中用于對立柱的有限元分析。

圖5 7075-T6的參數

2.2 前處理（三維模型的簡化）

為了簡化計算量，在該模型中去除一些細節特征，如小孔和圓角等。按照要求，需要利用多種極限工況下橫臂傳遞給立柱的力進行數值試驗。安全標準是采用第四強度準則對立柱的強度進行校核，保證安全系數能夠達到3以上，同時立柱作為一個影響整車剛度的重要零件，要求其具有很高的剛度。

2.3 設置邊界條件

為了能夠達到安全設計的要求，需要在各種不同的極限工況下對前立柱進行強度校核。根據前文可以知曉在制動轉向的時候前立柱所受力最大，以此時受力為標準進行立柱的優化。用制動轉向時的受力對模型加載，分析得出以下結果：

圖6 未優化前立柱受力變形量

從圖中可知總形變量最高為4.2607E-6 m，滿足前立柱的極限工況使用要求。

圖7 未優化前立柱安全系數

如圖所示，初步建模的零件安全系數各處均在15 以上，系數值過高說明可以去除較多材料以達到輕量化而不影響零件強度。

2.4 拓撲優化

為了追求輕量化的設計，設置剩余材料百分比為20%。獲得設計圖像如圖8所示。

圖8 ANSYS拓撲優化結果

2.5 根據拓撲優化結果重新設計

為了兼顧滿足更好的強度需求和減少加工難度，防止出現應力集中應力奇異現象導致工件斷裂，方便銑削加工刀具圓形刀頭銑削走刀，在拓撲優化[6]的基礎上，減少相應的去除量，且進一步使形狀規則化，倒圓角，重新設計前立柱。

2.6 最終模型

重復上述步驟，不斷優化立柱結構，保證強度與輕量化之間可以良好的平衡。作為車輛重要受力部件，前立柱的設計與強度分析實際上是循環交替進行的，這樣才能得到滿足懸架轉向硬點要求的最優化的前立柱三維模型。最終優化后的模型如圖9。

圖9 最終的立柱模型

3 分析驗證

3.1 劃分網格

控制網格大小為2.5 mm，在倒角處，使用Face sizing方法細化網格，在栓孔處，利用Body sizing或inflation方法細化周圍網格，平均網格質量為 0.72。得到網格質量如圖10：

圖10 劃分的網格質量

3.2 對立柱進行的分析驗證

再次將制動轉向工況的立柱受力加載進行分析，得出以下分析結果：

圖11 立柱受力變形量

圖12 立柱的安全系數

3.3 對吊耳進行的分析驗證

由于吊耳與立柱為分體式設計，故又對吊耳單獨進行了ANSYS強度校核，得到如下結果：

圖13 吊耳的安全系數

圖14 吊耳的總變形量

通過以上的分析可知，在忽略由網格，尖角等因素引起的明顯的應力奇異的情況下，各種工況下吊耳的安全系數均能達到2以上，符合強度安全設計的要求。

4 結論

本次設計中針對電動方程式賽車的立柱進行設計，通過分析立柱的工作工況以及使用要求有取舍地對其進行設計，綜合考慮立柱所需要的各個使用要求，參考過去其他賽車的立柱設計并對其中不足之處進行改進。同時還應用CATIA對立柱進行建模得到具體模型，通過ANSYS對模型進行反復優化驗證得到最終的立柱，使其在滿足安全的情況下盡可能地減輕質量以滿足輕量化的需求。

[1] 徐競雯.新型電驅動車輪簧下質量輕量化設計分析[D].北京:北京化工大學,2019.

[2] 牟宗偉,王憲科,宋志才,等.汽車試驗設備中立柱結構的模態分析[J].汽車零部件,2018(08):53-56.

[3] 賈紅偉,章駿.麥弗遜式懸架車輪外傾角偏差的分析[J].汽車工程師,2011(10):32-34+62.

[4] 何方,常偉,張海軍,等.汽車輪速傳感器智能測試系統的設計[J].電子世界,2019(07):125-127.

[5] 景玉,黃勇,毛立青.有限元分析在吊耳設計中的應用[J].石油工程建設,2021,47(04):61-63+80.

[6] 谷芳,吳華杰,崔國起.基于拓撲優化的齒輪輕量化設計方法研究[J].中國設備工程,2021(16):98-100.

Lightweight Design and Optimization of Front Wheel Column of Racing Car Based on FSAE

YUAN Jingyu

( China Quality Certification Centre at Nanjing, Jiangsu Nanjing 210005 )

As a key system of the FASE racing car, the excellent suspension system can not only bring good ride comfort to the driver, but also improve the handling stability of the vehicle and enhance the competitiveness of the car in the competition. In the design of the suspension system, the unsprung quality is one of the key factors that affect the performance of the suspension system. As an important part of the unsprung quality, the lightweight design of the steering column has always been the key to breaking through and improving, and designing an excellent column, it can bring good maneuverability to the car. This article elaborated on the design of the column, analyzed the structural requirements of the column and the force under various working conditions, redesigned its structure, and applied ANSYS Workbench software to analyze its stress and strain. Lightweight improvements.

Column; Catia; Ansys; FSEC racing; Topology optimization

A

1671-7988(2022)01-82-04

U469.6+96

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1671-7988(2022)01-82-04

CLC NO.:U469.6+96

袁京宇，就職于中國質量認證中心南京分中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.019