面向FSAE的赛车轮边系统的设计与制造.docx
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面向FSAE的赛车轮边系统的设计与制造
面向FSAE的赛车轮边系统的设计与制造
韩小强宋有鹏熊伟
(大连理工大学汽车工程学院,辽宁大连116000)
摘要:
FSAE是一项面向大学生的综合性工程教育赛事,大学生设计团队须设计并制造一辆小型方程式赛车。
而轮边系统是赛车底盘的重要组成部分。
对于赛车而言,更小的簧下质量必然会使悬挂系统拥有更好的动态响应。
本作品针对如何在保证合理的几何和强度的要求下,尽可能的降低轮边系统的质量展开论述,设计并制造了G03C赛车的轮边系统,帮助赛车取得了较为理想的成绩。
关键词:
FSAE,轮边系统,立柱,轮毂,码盘,簧下质量,轻量化
Abstract:
FSAEisastudentdesigncompetitionaimedtoimprovecollegestudents’comprehensiveabilities.ItcontractsastudentdesignteamtodevelopasmallFormula-styleracecar.Wheelsystemisanimportantcomponentofcarchassis.Foraracingcar,smallUnsprungWeightwillproduceabetterdynamicresponse.ThepurposeforthisthesisprojectistodesignandmanufacturetheFormulaSAEVehiclewheelsystemtomeetrequirementofspacegeometryandstrengthtohelpG03Cfinishthecompetitionbetter.
Keyword:
FSAE,WheelSystem,Upright,Hub,SpeedDisk,UnsprungWeight,LightWeight
第一章前言
1.1赛事介绍
1.1.1比赛宗旨
中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造、开发一辆小型方程式赛车并参加比赛。
为了给予参赛车队最大的设计灵活性和自由度来表达他们的创造力和想象力,赛事对于赛车的整体设计只有很少的限制。
参赛队所面临的挑战在于要制作出一辆能够顺利完成规则中所提及的所有项目的赛车。
比赛本身给了参赛车队一个同来自各地大学的车队同场竞技的机会,以展示和证明队员的创造力和工程技术水平。
1.1.2设计宗旨
为了达到赛事宗旨,假定参赛车队是为一家设计公司设计、制造、测试并展示一辆目标市场为业余周末休闲赛车的原型车。
赛车必须在加速、制动和操控性方面具有非常优异的表现,同时又必须具有足够的耐久性以能够顺利完成规则中提及的及比赛现场进行的所有项目。
赛车必须适合从第5百分位的女性到第95百分位的男性1车手驾驶,同时要满足中国大学生方程式汽车大赛规则中的要求。
其它附加的设计因素也需要予以考虑:
美学、成本、人机工程学、可维护性、工艺性和可靠性。
对于车队来说,其挑战在于开发一辆能最大程度满足中国FSC赛车的设计目标且具有市场前景的样品车。
1.1.3设计评估
每辆赛车的设计都将与其它的赛车进行对比评价,以评定出最优秀的设计。
参赛车辆将在一系列的静态和动态项目中进行测评,其中包括:
技术检查、制造成本分析、营销报告、赛车设计、单项性能测试和良好的赛道耐久性。
动态项目通过计分来评定赛车的表现。
每个动态项目都指定了性能等级下限,并在得分的计算公式中得以反映
1.2降低簧下质量的作用
1.2.1簧下质量的定义
簧下质量,是英译过来的一个词,英文:
UnsprungWeight。
它指的是非由汽车悬挂系统支撑的重量:
轮胎、轮毂、刹车。
相应的,SprungWeight是指由汽车悬挂系统支撑的重量,是汽车质量的绝大部分。
这里所说的轮边系统的总质量,就是簧下质量。
1.2.2FSAE赛车的簧下质量
对于FSAE大学生方程式赛车而言,轮边系统(簧下质量)的组成部件基本相同,主要包含以下部件:
轮胎、轮辋、轮毂、轮毂螺母、卡钳、制动盘、立柱、码盘、轮速传感器、转向节臂等。
本文主要从轮边系统的设计思路、轮毂的设计与优化、立柱的设计与优化、码盘防松的设计几个方面展开论述。
下面这张图包含了轮边系统的所有部件:
G03C轮边系统爆炸图
1.2.3降低簧下质量的作用
降低簧下质量,对于一辆汽车的稳定性及操控性有重大意义。
坊间传言:
减轻1KG的簧下质量的效能可以等同于减轻15KG的簧上质量。
当然,其中数据不一定那么精确,但效果及影响确实如此。
在簧上质量不变的情况下,减轻簧下质量可以在一定程度提升汽车的加速,稳定性以及操控性
根据动能定律,一辆汽车从静止到启动的加速过程需要很大的能量。
而让轮胎从原地不动到滚动起来也是需要很大的能量,轮胎越重,需要的能量也就越大。
因此,轮胎(或者是轮毂)的重量减轻了,需要的动力也就减少了,加速就能提升。
从另一方面讲,轮胎(或者轮毂)的重量减轻了,惯性也就变小,遇到路面起伏时反应相应就快了(悬挂在此不做讨论,当然影响是很大的),稳定性及操控性自然就能上升。
结合簧上质量,有这么一个简单的公式:
(sprungweight)/(unsprungweight)=基本上越大越好。
所以,在簧上质量一定的情况下,我们需要尽可能地减小簧下质量。
轻量化的结构设计以及材料的合理应用能有效减少簧下质量。
(部分解释来自XX百科)
第二章设计&分析
2.1设计思路
2.1.1设计前期考虑
轮边系统作为悬架的一部分,轮边系统的部分参数是在悬架的设计过程中确定的,比如:
上下销点的坐标,主销内倾角度,主销后倾角度等。
在设计开始前,已经确定的参数有:
✓轮胎:
Hoosier18.0x6.0-10R25B
✓轮辋:
Keizer10inch(其他参数自主设计)
✓轮距:
1200mm
✓磨胎半径:
0
✓轮胎拖距:
0
✓主销内倾角:
6°
✓主销后倾角:
3°
✓上销点坐标:
X17.2mm;Y-34.5mm;Z332.3mm
✓下销点坐标:
X6.8mm;Y-14.1mm;Z128.6mm
2.1.2设计顺序
轮边系统一个由多个部件组成的装配体,不同部件之间的装配精度相互制约,形成一个闭环。
所以,按照一定的顺序进行设计,可以避免部件之间的干涉,减少修改次数,提高设计效率。
经过设计过程中的多次修改发现,按照由内向外的设计顺序是一种最优的设计顺序:
主销→立柱→卡钳→制动盘→法兰轮毂→轮辐→轮辋
设计顺序示意图
Ø根据主销(图中红线)在空间的位置,初步确定吊耳(图中绿色矩形)的位置和尺寸
Ø立柱(图中蓝色矩形)的布置需首先决定几个参数:
轴向的厚度、吊耳的安装形式、卡钳的安装平面
Ø卡钳(图中灰白色部分)固定在立柱上,需要考虑卡钳与立柱连接的位置、结构和强度要求
Ø卡钳位置确定之后,制动盘(卡钳凹槽处)的位置就比较好确定,一般放在卡钳凹槽的对称面上
Ø法兰(图中灰色部分)的设计首先需要考虑与轮辐的连接,同时要避免与卡钳的干涉以及与制动盘定位销的干涉
Ø根据轮距的要求,计算轮辐的偏置距,当然,偏置距要结合法兰轴向的位置
Ø最终是确定轮辋的各个参数(图中字母),大部分参数定制的厂家会提供推荐值
2.2立柱的拓扑优化
2.2.1理论分析
利用AltairHyperworks软件中的OptiStruct模块进行拓扑优化,需要同时定义多种载荷工况,故须得到立柱在几种主要工况下的受力情况,在AdamsCar模块中提取静态、动态时前轮的轴荷,再求出轮胎给立柱的载荷分布情况;制动卡钳对立柱施加的立可以通过理论计算得到。
通过理论力学知识分析得到了静载、制动抱死、转弯侧滑三种工况下受力情况。
主要计算的受力点为:
Ø静载:
轴承中心点,上销点,下销点
Ø制动抱死:
卡钳受力,轴承中心点,上销点,下销点
Ø转弯侧滑:
转向节臂,卡钳受力,轴承中心点,上销点,下销点
2.2.2具体过程
1.在UGNX8.0软件中初步建立满足尺寸定位要求的立柱模型
2.将模型导入HyperMesh模块
3.进行几何清理并标识可设计和不可设计区域
4.划分四面体网格
5.定义相关的属性、边界条件、载荷和优化参数
6.使用OptiStuct确定材料的最优的材料分布
7.在HyperView中进行后处理,将以单元密度值从0~1的云图在设计空间中显示,需要加强的区域密度趋向于1
8.根据得到的需要加强区域的分布情况,在UG中将三维模型具体化
9.重新导入HyperMesh进行前处理,并用Radios进行不同工况下的有限元分析
10.重复8~9,直至得到满意的几何模型
下面选取几张比较有代表性的图片:
建立的三维几何模型
四面体网格的划分
区分可设计区域和不可设计区域
密度值趋向于1的分布
模型具体化后的有限元分析
模型最终的应力云图
2.3轮毂的设计与分析
2.3.1理论分析
由于FSAE的赛车是后轮驱动,所以后轮毂不仅起支撑作用,还承担着动力传输的重任。
我们的FSAE赛车动力通过发动机传递至链轮,再经半轴传递给轮毂,在半轴的末端,需要球笼来配合。
球笼材料需要有足够的刚度和耐磨特性,往年是直接在钢制轮毂上通过CNC加工出球笼,虽然满足了功能要求,但整个材料是45钢,很重,不利于降低簧下质量。
总结去年的经验,并结合现在比较流行的复合材料理论,将不同材料结合在一起,充分发挥不同材料的特性。
在轮毂设计中,将铝合金和钢结合起来,发挥铝的密度小的特点和钢的硬度高、耐磨性好的特点。
2.3.2具体过程
1.在UGNX8.0中提取球笼内表面曲线
2.通过偏置曲线2mm,得到外轮廓,并倒角处理
3.拉伸后得到内嵌的钢套
4.提取钢套的外轮廓曲线
5.再在此基础上设计轮毂法兰部分
效果图如下,黄色为钢套,材料45钢;绿色为轮毂,材料7075铝
钢套,45钢后轮毂
2.4码盘的防松设计
2.4.1理论分析
码盘,如下图
码盘的采用插销的方式防松,所以需要码盘上的缺口与轮毂上的孔重合,并保证至少有三个销等间距分布。
根据去年的经验,在码盘和轮毂上分别加工了12个孔,也就是说每次码盘转动30度,才可以插销防松。
这使得轴承的预紧力在调节时呈阶跃状态,最理想的调节曲线是连续可调,但轮毂上不可能打无数个孔来满足码盘在任何预紧力情况下都能插销防松。
所以,如何保证码盘在每转动一个很小角度下,都能有三个缺口和轮毂上的孔重合,就成了今年的设计目标。
2.4.2概念设计
通过数学计算,得到如下结果:
码盘开口:
12个间隔:
360/12=30°
轮毂打孔:
9个间隔:
360/9=40°
30和40的最小公倍数为120°
360/120=3个
故可以保证有一个孔可以重合时,都会存在3个间隔120°的孔同时存在
40-30=10°
此时码盘每转动10°,便会有一个孔重合,如下图:
最终的设计结果:
码盘开孔12个,轮毂开孔减少至9个,码盘每转动10°,产生3个间隔120°重合的孔。
第三章制造&总结
3.1制造
由于时间和设备的限制,立柱、轮毂、码盘有大连的一家数控加工出代工,下面是经过轻量化设计后部件质量对比:
2号车/g
3号车/g
减重/g
减重百分百
立柱
3054
2022
1032
33.79%
法兰
6460
2274
4186
64.80%
轮毂
544
506
38
6.99%
实物图:
3.2总结
合理的设计方法和设计顺序是提高效率的必要保证;合理使用CAD,CAE等计算机辅助设计软件,可以更直观可靠的对零件进行设计和分析,极大地提高了设计效率;不同材料的结合,充分发挥各自优势,对于改善设计具有重要意义。
参考文献
[1]王钰栋金磊洪清泉等编著.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例。
机械工业出版社.
[2]李理光中国大学生方程式汽车大赛规则(2014版)2013:
1-2.
[3]余志生.汽车理论(第3版).北京:
机械工业出版社,2000:
103-205.
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- 面向 FSAE 赛车 系统 设计 制造