山西中北大學(xué) 墨海波
基于ANSYS Workbench的FSAE賽車輪芯輕量化設(shè)計
山西中北大學(xué)墨海波
汽車輪芯是連接半軸和輪輞的重要零件,實現(xiàn)輪芯的輕量化對汽車動力性的提高和油耗的降低有重要作用。本文通過對車隊已有的FSAE賽車輪芯簡易模型的分析,利用ANSYS Workbench分析平臺對輪芯重新建模,并用Static Structural模塊進行靜力分析,最后通過Design Exploation模塊進行優(yōu)化設(shè)計,在保證傳動安全的情況下實現(xiàn)FSAE賽車的輪芯輕量化。分析結(jié)果表明:輪芯中軸部分壁厚對輪芯質(zhì)量和應(yīng)力影響最大,輪芯質(zhì)量由2.63kg降到0.99kg。
大學(xué)生方程式賽車;輪芯;輕量化;ANSYS Workbench
中國大學(xué)生方程式汽車大賽,英文名稱為Formula Student China(簡稱FSC),是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準,在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車,能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。
汽車的輕量化就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量,從而提高汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性。由于輪芯位置的特殊性,實現(xiàn)它的輕量化的意義更加明顯。
本文以中北大學(xué)方程式賽車的輪芯為研究對象,利用ANSYS建立幾何模型進行力學(xué)分析,并進行輕量化設(shè)計。
由于賽車輪芯不是普通汽車輪芯,所用輪輞為賽車專用輪輞,所以要進行輪芯的重新設(shè)計。重新設(shè)計的輪芯在能滿足力學(xué)要求的同時,還要能夠使卡鉗、剎車盤等有充分的工作空間,并且使用螺栓與輪輞進行連接。
圖1為中北大學(xué)行知車隊最初設(shè)計的方程式賽車的輪芯,壁厚為10mm,質(zhì)量達2.63kg,十分笨重,不符合輕量化的目標,對賽車動力和操控有十分不利的影響,亟需進行輕量化處理。
參考方程式賽車的輪芯,綜合考慮輪芯與半軸和輪輞的連接問題,重新設(shè)計了輪芯的三維模型,初步減小了部分結(jié)構(gòu)的壁厚,同時增加了四個螺栓孔,見圖2。此時質(zhì)量降為1.56kg,將在此模型基礎(chǔ)上進行受力分析和進一步的輕量化優(yōu)化設(shè)計。
圖2 改進模型
中北大學(xué)的方程式賽車采用600cc單缸發(fā)動機,在達到最高轉(zhuǎn)速3560rpm時輸出最大扭矩Ttq為61.1N·m,初級減速比i0為2.345,末級減速比if為2.6,變速箱一檔的減速比i1為2.571,輪胎中心到地面距離R為260mm,輪芯與半軸連接的螺紋孔圓心到輪芯中軸距離r為26mm,輪芯與輪輞連接的螺紋孔圓心到輪芯中軸距離s為56mm。
總扭矩為:
T總=Ttq·i0·i1·if
=61.1×2.345×2.571×2.6
=957.77N·m
分配到兩個驅(qū)動輪,單輪扭矩T為478.88N·m。
輪芯與半軸連接的螺紋孔受力為:
F入=T/r
=478.88/0.026
=18418.46N
平均到單個螺紋孔受力為4604.62N。
輪芯與輪輞連接的螺紋孔受力為:
F出=T/s
=478.88/0.055
=8706.91N
在螺栓孔受力均勻的情況下,平均到單個螺栓孔受力F2為2176.73N。
通過Workbench的Static Structural模塊對模型進行受力分析,輪芯的分析模塊見圖3。
圖3 Workbench分析流程
圖4 應(yīng)力情況
輪芯的受力情況見圖4。輪芯材料選用45號鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后屈服點能達到360MPa,圖4的分析結(jié)果顯示最高應(yīng)力為41MPa,可見此模型還有很大的優(yōu)化空間。
通過Workbench的Optimazition模塊進行優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)輪芯的輕量化。
取輪芯與剎車片連接部分的厚度P8、輪芯與半軸連接部分的厚度P7及輪芯中軸部分壁厚P6三個尺寸為設(shè)計變量,取輪芯的質(zhì)量P5和輪芯最高應(yīng)力的最小值P9為優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù),設(shè)計參量見圖5。
圖5 設(shè)計參量
三個設(shè)計變量對目標函數(shù)的敏感度見圖6,由圖可知,輪芯中軸部分壁厚對輪芯質(zhì)量和應(yīng)力影響最大,設(shè)計時著重考慮這一部分的優(yōu)化,其余兩個變量對輪芯質(zhì)量的影響非常小。
圖6 設(shè)計變量對目標函數(shù)影響的敏感度
優(yōu)化結(jié)果見圖7,圖中表格是從1000組數(shù)據(jù)中篩選出的7組,另外人工輸入四組數(shù)據(jù)做結(jié)果對比用。
圖7 優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)圖中給出的數(shù)據(jù),與輪芯原始尺寸對比,綜合考慮設(shè)計變量對目標函數(shù)的敏感度和安全情況,將輪芯與剎車片連接部分的厚度、輪芯與半軸連接部分的厚度優(yōu)化結(jié)果取3mm,輪芯中軸部分壁厚優(yōu)化結(jié)果取2mm,優(yōu)化質(zhì)量為0.72kg,較原始模型質(zhì)量降低54%。
但是,考慮到本校第一次自主設(shè)計和加工輪芯,以及材料本身質(zhì)量問題和加工精度問題,為保證賽車駕駛的絕對安全,在實際加工時,將輪芯與剎車片連接部分的厚度、輪芯與半軸連接部分的厚度加工為5mm,輪芯中軸部分壁厚加工為3mm,質(zhì)量約為0.99kg,較輕量化之前質(zhì)量降低37%。輪芯受力分析見圖8,最高應(yīng)力為79MPa,遠遠低于45號鋼能承受的極限應(yīng)力。
圖8 新模型受力分析
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墨海波,1990出生,山西太原人,碩士,研究方向:發(fā)動機。