一種基于金屬3D 打印的FSAE 賽車一體控制臂設計

浦一凡，喬嵩霖，孟 瑜

（1.武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430000；2.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

隨著FSAE 賽車運動的普及以及技術日漸成熟，各車隊不只滿足于穩(wěn)定性、可靠性。輕量化作為提升車輛性能的有效手段，成為各車隊共同關注的重點。控制臂輕量化在使整車減重的同時減輕了簧下質量?；上沦|量遞增時，簧上質量加速度初始峰值減少，但整體加速度振幅變化增加并且隨著簧下質量配重比例的增大，簧上質量加速度變化更加劇烈，輪胎接觸力變化明顯遞增，以至輪胎抓地性能不佳，影響車輛操控穩(wěn)定性[1]。

包括武漢理工大學WUT 車隊在內的國內外多家車隊都嘗試采用碳纖維管膠接鋁合金接頭制作控制臂，有些大學則率先利用金屬3D 打印技術進一步輕量化。比利時魯汶工程聯(lián)合大學Grоuр 團隊的“亞里安”是世界上第一輛大部分零件使用3D 打印制造的賽車，參加2012 年大學生方程式取得了優(yōu)異的成績[2]。德累斯頓工業(yè)大學車隊用金屬3D 打印來制作轉向節(jié)，而巴登-符騰堡州立合作大學車隊甚至采用了金屬3D 打印搖臂。

基于3D 打印設計靈活、可自由設計曲率變化較大的多截面曲面以及輕量化的特點，擬使用金屬3D 打印作為一體控制臂設計的制作方法。

2 控制臂設計

往年武漢理工大學WUT 車隊使用的是碳纖維圓管膠接鋁合金接頭控制臂和鋼管控制臂。根據(jù)對鋼制控制臂受力分析，發(fā)現(xiàn)與推桿連接的平面產生較大應力，與推桿連接的吊耳和接頭接觸部位出現(xiàn)應力集中；而控制臂橫臂強度冗余，意味著增加了額外質量。因此在設計時針對這2 點作出設計。經討論及查閱相關資料發(fā)現(xiàn)，采用骨架配合應力蒙皮對解決局部扭轉應力以及垂直應力效果最佳[3]，因此擬采用優(yōu)先設計并優(yōu)化控制臂外形，按照外形制作骨架并覆蓋應力蒙皮的設計思路。

2.1 控制臂外形設計

本設計使用右后側與推桿所連接的上控制臂作為設計對象，采用加速出左彎作為約束條件。根據(jù)2021賽季懸架設計在VI-Grаdе 中建立懸架模型，生成хml文件建立整車模型。在AutоCrоss 賽道中進行整車動力學仿真，得到后懸減震器位移數(shù)據(jù)與設計值基本符合。減震器位移數(shù)據(jù)可以用于計算推桿力。

計算推桿力Fp方法如下：

式（1）中：lp為Fp在搖臂平面的力對搖臂中心距離；Fs為彈簧對搖臂的力；ls為力Fs對搖臂中心距離。

已知后懸減震器剛度為61 250 N/m，彈簧最大壓縮量為21.958 mm。根據(jù)胡克定律得Fs=1 344.868 N，方向沿減震器指向搖臂。推桿力Fp方向為沿推桿指向搖臂，大小未知，通過計算得出Fp=1 019.49 N。

1.3 統(tǒng)計學處理 采用SPSS13.0統(tǒng)計軟件進行分析處理，計量資料以表示，兩組間比較采用t檢驗，以 P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

將推桿力在X、Y、Z軸方向上分解向量得到力矢量坐標（0，-599.668，824.476）作為有限元分析約束條件。在CATIA 中創(chuàng)建出所需設計空間，留出硬點功能性孔位。利Ansys 靜力學分析模塊在基體上設置載荷工況，使用拓撲優(yōu)化模塊進行初步優(yōu)化，結果如圖1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，吊耳下方正應力較大，保留較多結構。后橫臂受到的載荷較前橫臂大，結構去除較少，截面變化?。磺皺M臂的載荷較小，橫臂較細，截面變化較大。因控制臂需要避免因截面突變產生應力集中，選擇將控制臂外形設計為平滑的曲面，具體設計思路如下。

圖1 控制臂最終模型

在CATIA 創(chuàng)成式外形設計中導入模型三視圖描出控制臂輪廓。根據(jù)輪廓增加細節(jié)，將控制臂前后橫臂用圓滑曲面代替，并對兩曲面之間部分進行橋接。切除中部與吊耳連接的曲面多余部分、吊耳和軸承座，對不閉合部分進行橋接后合并所有曲面為整體，對整體使用封閉曲面操作轉化為實心整體。在零件設計模塊中分別對軸承座和吊耳進行建模，最后對所有零件進行裝配，建模完成，如圖2 所示。

圖2 初步拓撲后的控制臂

2.2 控制臂內部骨架設計

在FSAE 比賽中動態(tài)項目有高速避障、耐久賽、直線加速和八字環(huán)繞，除直線加速，其余項目都使賽車處于轉彎工況。在轉彎工況中，以較快的速度和最小的轉彎半徑穩(wěn)定過彎，是縮短用時的關鍵[4]。耐久賽和高速避障使用金卡納賽道，彎道多且連續(xù)。車手在比賽過程中往往需要快速、連續(xù)地轉動方向盤，以最短時間通過賽道。在比賽過程中，賽車載荷轉移快，因此推桿對控制臂的力可以看作沖擊載荷。

綜上所述，本設計內部骨架需要減少沖擊載荷給控制臂帶來的負面影響。應滿足在沖擊載荷下形變量小、有良好的剛度、平均安全系數(shù)達到3 以上、最小安全系數(shù)不低于1.3、相較鋼管控制臂有更輕的質量等要求。控制臂的內部骨架，初步設計擬定2 種設計思路：在內部添加梁直接作為骨架或在內部添加點陣夾芯結構作為骨架。本設計擬通過建立單元體對比2 種設計方案的應力分布、質量等一系列指標，以此決定最終采用的設計方案。

2.2.1 點陣夾芯結構對比加強筋

在50 mm×50 mm×20 mm 的設計空間中分別建立典型的交叉加強筋和點陣，與外層固聯(lián)的薄殼體一同進行分析對比作為夾芯層時面對各類不同受力工況時的力學性能表現(xiàn)。通過施加垂直、側向、彎矩、扭矩、遠端復合力等載荷，對2 種夾芯布置方式進行分析。以垂直載荷為例，可以發(fā)現(xiàn)在同等質量量級下，加強筋擁有較大的強度，但點陣結構使應力更加均勻地分布在受力面以及夾芯層處。加強筋與點陣夾芯應力云圖如圖3 所示。

圖3 肋片和點陣結構單元體的受力分析

加強筋本體結構非常牢固，但是在面對復雜工況時易在連接處及彎折處發(fā)生應力集中，且不易處理施加在加強筋空隙間的載荷，極易失效。而Lаttiсе 點陣結構則能適應更加復雜的受力工況，并對夾層表面有著均勻連續(xù)的支撐，擁有更加優(yōu)秀的力學性能。對于異形控制臂類型受力復雜且結構特殊的部件，加強筋較難布置，無法發(fā)揮其優(yōu)勢，而點陣能充分適應彎曲的夾層表面，針對不同受力改變單元體尺寸，使構件所受應力分布更加均勻，達到較低的質量，充分發(fā)揮3D 打印優(yōu)勢。綜上所述，點陣夾芯結構更適合本設計，最終決定采用點陣夾芯作為骨架結構。

2.2.2 點陣建立思路

RADFORD 等[5]指出夾芯結構的在沖擊過程中有3 個階段：第一個階段為流體和結構相互作用，第二個階段為芯體被壓縮，第三個階段為夾芯結構的彎曲和拉伸。本設計無需考慮第一階段。

根據(jù)求得載荷工況的設置，單一點陣布置顯然無法 滿足設 計目 標。利 用Sоl(xiāng)idThinking Insрirе 中 的Oрtimizе 模塊Lаttiсе 優(yōu)化方式對設計空間進行迭代，以尋求最佳的點陣單元體條件設置。點陣將具有類似桁架的結構特性，不受形狀限制，其直徑大小在設定區(qū)間內隨受力情況變化，保證更加優(yōu)異的力學性能。在優(yōu)化模塊中選擇最小化質量，并分別調整單元體目標長度、直徑范圍，根據(jù)材料特性改變設置條件并對結果進行對比，選取最佳約束條件，如圖4 所示。

圖4 不同材料特性及約束條件

通過對單元體直徑范圍進行分析，選用單元體最小直徑為1 mm，最大直徑為4.2 mm。選用較長的目標單元體長度能獲得更加輕量化的結構，得到最佳目標長度為21 mm。

該設置能在滿足各個位置強度需求的情況下達到最大程度的輕量化，在應力較小位置降低點陣密度，布局更加細長的點陣，而在吊耳、軸承座以及脊線處等應力較大位置生成密度更大、更加粗短的點陣結構，以滿足強度需求。

常用于金屬3D 打印的金屬材料有如304 不銹鋼、316L 不銹鋼、AlSi10Mg（圖中以аl 表示）、Ti6Al4V鈦合金（圖中以ti 表示），其力學性能、密度、價格、加工難度各有差異。需要針對不同材料修改優(yōu)化條件，對比分析迭代優(yōu)化結果，如圖5 所示。

圖5 不同材料的優(yōu)化結果

通過圖5 發(fā)現(xiàn)，在同等強度以及安全性要求下，304 鋼材的優(yōu)化結果趨向于填充大直徑結構，失去了其靈活變化的特點，質量較大，點陣優(yōu)化結果不理想。而鋁合金和鈦合金在優(yōu)化過程中產生較大點陣直徑變化，在達到最低安全系數(shù)的條件下，保持了極低的質量。對比兩種材料的點陣結構，鋁合金材料能在短而粗的單元體設置中取得更優(yōu)化的結果，而鈦合金材料得益于其優(yōu)秀的力學性能，能得到更細長疏松的單元體。經過數(shù)輪的迭代優(yōu)化后，可以發(fā)現(xiàn)鋁合金材料優(yōu)化后的點陣結構具有更輕的質量，價格相較鈦合金更低。鋁合金在軸承座的精加工難易程度上相較于鈦合金也更低，故決定選用AlSi10Mg 材料。最終迭代優(yōu)化的點陣結構在滿足最低安全系數(shù)1.3 的情況下達到64.72 g 的質量，相對原始設計空間的324.3 g 減重80.04%。在滿足安全的情況下，減重效果達到預期。

在優(yōu)化后的點陣的基礎上，添加薄殼體，獲得平滑的外表面以及更好的表面性能，如圖6 所示。最后裝配成型的控制臂結構擁有更加平滑的外表，允許氣流更加順暢地流過，在典型控制臂受力工況下?lián)碛懈鼉?yōu)秀的力學性能。經匹配后整體質量最終定格在105.7 g，相較于傳統(tǒng)控制臂大幅減重，且擁有更加優(yōu)異的力學性能。最終裝車表現(xiàn)如圖7 所示。

3 結束語

3D 打印應力蒙皮設計相對于傳統(tǒng)衍生型設計能夠獲得更加完整平滑的外觀。點陣夾芯有千變萬化的微結構與高孔隙率，還具有輕質高強、抗爆炸抗沖擊、高效散熱隔熱、吸收電磁波及聲音等優(yōu)異的性能。在大學生方程式中，3D 打印技術與點陣夾芯技術的組合解決了標準件形狀力學性能不佳的問題。異形結構的加工問題，使得大學生可以作出更加大膽、激進的設計，促進了大學生方程式技術的發(fā)展。在制造業(yè)上，Czingеr 公司旗下的21C 超級跑車采用金屬3D 打印技術制造底盤和車身。板狀立方點陣結構吸能盒比傳統(tǒng)吸能盒的抗沖擊和吸能特性更優(yōu)秀，在輕量化汽車被動防護領域有廣闊的應用前景[6]。綜上，3D 打印技術與點陣夾芯技術都有著廣闊的前景，憑借其極高的設計靈活度，可以運用于汽車的車身、動力以及底盤系統(tǒng)，運用范圍廣闊。