一種基于金屬3D 打印的FSAE 賽車(chē)一體控制臂設(shè)計(jì)

浦一凡，喬嵩霖，孟 瑜

（1.武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430000；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

1 研究背景

隨著FSAE 賽車(chē)運(yùn)動(dòng)的普及以及技術(shù)日漸成熟，各車(chē)隊(duì)不只滿足于穩(wěn)定性、可靠性。輕量化作為提升車(chē)輛性能的有效手段，成為各車(chē)隊(duì)共同關(guān)注的重點(diǎn)?？刂票圯p量化在使整車(chē)減重的同時(shí)減輕了簧下質(zhì)量?；上沦|(zhì)量遞增時(shí)，簧上質(zhì)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(zhì)量配重比例的增大，簧上質(zhì)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(chē)輛操控穩(wěn)定性[1]。

包括武漢理工大學(xué)WUT 車(chē)隊(duì)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外多家車(chē)隊(duì)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(xué)則率先利用金屬3D 打印技術(shù)進(jìn)一步輕量化。比利時(shí)魯汶工程聯(lián)合大學(xué)Grоuр 團(tuán)隊(duì)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(chē)，參加2012 年大學(xué)生方程式取得了優(yōu)異的成績(jī)[2]。德累斯頓工業(yè)大學(xué)車(chē)隊(duì)用金屬3D 打印來(lái)制作轉(zhuǎn)向節(jié)，而巴登-符騰堡州立合作大學(xué)車(chē)隊(duì)甚至采用了金屬3D 打印搖臂。

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

2 控制臂設(shè)計(jì)

往年武漢理工大學(xué)WUT 車(chē)隊(duì)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(duì)鋼制控制臂受力分析，發(fā)現(xiàn)與推桿連接的平面產(chǎn)生較大應(yīng)力，與推桿連接的吊耳和接頭接觸部位出現(xiàn)應(yīng)力集中；而控制臂橫臂強(qiáng)度冗余，意味著增加了額外質(zhì)量。因此在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)這2 點(diǎn)作出設(shè)計(jì)。經(jīng)討論及查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，采用骨架配合應(yīng)力蒙皮對(duì)解決局部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及垂直應(yīng)力效果最佳[3]，因此擬采用優(yōu)先設(shè)計(jì)并優(yōu)化控制臂外形，按照外形制作骨架并覆蓋應(yīng)力蒙皮的設(shè)計(jì)思路。

2.1 控制臂外形設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用右后側(cè)與推桿所連接的上控制臂作為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用加速出左彎作為約束條件。根據(jù)2021賽季懸架設(shè)計(jì)在VI-Grаdе 中建立懸架模型，生成хml文件建立整車(chē)模型。在AutоCrоss 賽道中進(jìn)行整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真，得到后懸減震器位移數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值基本符合。減震器位移數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算推桿力。

計(jì)算推桿力Fp方法如下：

式（1）中：lp為Fp在搖臂平面的力對(duì)搖臂中心距離；Fs為彈簧對(duì)搖臂的力；ls為力Fs對(duì)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?yàn)檠赝茥U指向搖臂，大小未知，通過(guò)計(jì)算得出Fp=1 019.49 N。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析處理，計(jì)量資料以表示，兩組間比較采用t檢驗(yàn)，以 P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)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(biāo)（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(shè)計(jì)空間，留出硬點(diǎn)功能性孔位。利Ansys 靜力學(xué)分析模塊在基體上設(shè)置載荷工況，使用拓?fù)鋬?yōu)化模塊進(jìn)行初步優(yōu)化，結(jié)果如圖1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，吊耳下方正應(yīng)力較大，保留較多結(jié)構(gòu)。后橫臂受到的載荷較前橫臂大，結(jié)構(gòu)去除較少，截面變化小；前橫臂的載荷較小，橫臂較細(xì)，截面變化較大。因控制臂需要避免因截面突變產(chǎn)生應(yīng)力集中，選擇將控制臂外形設(shè)計(jì)為平滑的曲面，具體設(shè)計(jì)思路如下。

圖1 控制臂最終模型

在CATIA 創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)中導(dǎo)入模型三視圖描出控制臂輪廓。根據(jù)輪廓增加細(xì)節(jié)，將控制臂前后橫臂用圓滑曲面代替，并對(duì)兩曲面之間部分進(jìn)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(duì)不閉合部分進(jìn)行橋接后合并所有曲面為整體，對(duì)整體使用封閉曲面操作轉(zhuǎn)化為實(shí)心整體。在零件設(shè)計(jì)模塊中分別對(duì)軸承座和吊耳進(jìn)行建模，最后對(duì)所有零件進(jìn)行裝配，建模完成，如圖2 所示。

圖2 初步拓?fù)浜蟮目刂票?/p>

2.2 控制臂內(nèi)部骨架設(shè)計(jì)

在FSAE 比賽中動(dòng)態(tài)項(xiàng)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(xiàng)目都使賽車(chē)處于轉(zhuǎn)彎工況。在轉(zhuǎn)彎工況中，以較快的速度和最小的轉(zhuǎn)彎半徑穩(wěn)定過(guò)彎，是縮短用時(shí)的關(guān)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(chē)手在比賽過(guò)程中往往需要快速、連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，以最短時(shí)間通過(guò)賽道。在比賽過(guò)程中，賽車(chē)載荷轉(zhuǎn)移快，因此推桿對(duì)控制臂的力可以看作沖擊載荷。

綜上所述，本設(shè)計(jì)內(nèi)部骨架需要減少?zèng)_擊載荷給控制臂帶來(lái)的負(fù)面影響。應(yīng)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(dá)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(zhì)量等要求?？刂票鄣膬?nèi)部骨架，初步設(shè)計(jì)擬定2 種設(shè)計(jì)思路：在內(nèi)部添加梁直接作為骨架或在內(nèi)部添加點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)作為骨架。本設(shè)計(jì)擬通過(guò)建立單元體對(duì)比2 種設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力分布、質(zhì)量等一系列指標(biāo)，以此決定最終采用的設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)比加強(qiáng)筋

在50 mm×50 mm×20 mm 的設(shè)計(jì)空間中分別建立典型的交叉加強(qiáng)筋和點(diǎn)陣，與外層固聯(lián)的薄殼體一同進(jìn)行分析對(duì)比作為夾芯層時(shí)面對(duì)各類不同受力工況時(shí)的力學(xué)性能表現(xiàn)。通過(guò)施加垂直、側(cè)向、彎矩、扭矩、遠(yuǎn)端復(fù)合力等載荷，對(duì)2 種夾芯布置方式進(jìn)行分析。以垂直載荷為例，可以發(fā)現(xiàn)在同等質(zhì)量量級(jí)下，加強(qiáng)筋擁有較大的強(qiáng)度，但點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)使應(yīng)力更加均勻地分布在受力面以及夾芯層處。加強(qiáng)筋與點(diǎn)陣夾芯應(yīng)力云圖如圖3 所示。

圖3 肋片和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元體的受力分析

加強(qiáng)筋本體結(jié)構(gòu)非常牢固，但是在面對(duì)復(fù)雜工況時(shí)易在連接處及彎折處發(fā)生應(yīng)力集中，且不易處理施加在加強(qiáng)筋空隙間的載荷，極易失效。而Lаttiсе 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)則能適應(yīng)更加復(fù)雜的受力工況，并對(duì)夾層表面有著均勻連續(xù)的支撐，擁有更加優(yōu)秀的力學(xué)性能。對(duì)于異形控制臂類型受力復(fù)雜且結(jié)構(gòu)特殊的部件，加強(qiáng)筋較難布置，無(wú)法發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，而點(diǎn)陣能充分適應(yīng)彎曲的夾層表面，針對(duì)不同受力改變單元體尺寸，使構(gòu)件所受應(yīng)力分布更加均勻，達(dá)到較低的質(zhì)量，充分發(fā)揮3D 打印優(yōu)勢(shì)。綜上所述，點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)更適合本設(shè)計(jì)，最終決定采用點(diǎn)陣夾芯作為骨架結(jié)構(gòu)。

2.2.2 點(diǎn)陣建立思路

RADFORD 等[5]指出夾芯結(jié)構(gòu)的在沖擊過(guò)程中有3 個(gè)階段：第一個(gè)階段為流體和結(jié)構(gòu)相互作用，第二個(gè)階段為芯體被壓縮，第三個(gè)階段為夾芯結(jié)構(gòu)的彎曲和拉伸。本設(shè)計(jì)無(wú)需考慮第一階段。

根據(jù)求得載荷工況的設(shè)置，單一點(diǎn)陣布置顯然無(wú)法 滿足設(shè) 計(jì)目 標(biāo)。利 用Sоl(xiāng)idThinking Insрirе 中 的Oрtimizе 模塊Lаttiсе 優(yōu)化方式對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行迭代，以尋求最佳的點(diǎn)陣單元體條件設(shè)置。點(diǎn)陣將具有類似桁架的結(jié)構(gòu)特性，不受形狀限制，其直徑大小在設(shè)定區(qū)間內(nèi)隨受力情況變化，保證更加優(yōu)異的力學(xué)性能。在優(yōu)化模塊中選擇最小化質(zhì)量，并分別調(diào)整單元體目標(biāo)長(zhǎng)度、直徑范圍，根據(jù)材料特性改變?cè)O(shè)置條件并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(guò)對(duì)單元體直徑范圍進(jìn)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(zhǎng)的目標(biāo)單元體長(zhǎng)度能獲得更加輕量化的結(jié)構(gòu)，得到最佳目標(biāo)長(zhǎng)度為21 mm。

該設(shè)置能在滿足各個(gè)位置強(qiáng)度需求的情況下達(dá)到最大程度的輕量化，在應(yīng)力較小位置降低點(diǎn)陣密度，布局更加細(xì)長(zhǎng)的點(diǎn)陣，而在吊耳、軸承座以及脊線處等應(yīng)力較大位置生成密度更大、更加粗短的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，以滿足強(qiáng)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(xué)性能、密度、價(jià)格、加工難度各有差異。需要針對(duì)不同材料修改優(yōu)化條件，對(duì)比分析迭代優(yōu)化結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 不同材料的優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)圖5 發(fā)現(xiàn)，在同等強(qiáng)度以及安全性要求下，304 鋼材的優(yōu)化結(jié)果趨向于填充大直徑結(jié)構(gòu)，失去了其靈活變化的特點(diǎn)，質(zhì)量較大，點(diǎn)陣優(yōu)化結(jié)果不理想。而鋁合金和鈦合金在優(yōu)化過(guò)程中產(chǎn)生較大點(diǎn)陣直徑變化，在達(dá)到最低安全系數(shù)的條件下，保持了極低的質(zhì)量。對(duì)比兩種材料的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，鋁合金材料能在短而粗的單元體設(shè)置中取得更優(yōu)化的結(jié)果，而鈦合金材料得益于其優(yōu)秀的力學(xué)性能，能得到更細(xì)長(zhǎng)疏松的單元體。經(jīng)過(guò)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有更輕的質(zhì)量，價(jià)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在滿足最低安全系數(shù)1.3 的情況下達(dá)到64.72 g 的質(zhì)量，相對(duì)原始設(shè)計(jì)空間的324.3 g 減重80.04%。在滿足安全的情況下，減重效果達(dá)到預(yù)期。

在優(yōu)化后的點(diǎn)陣的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)擁有更加平滑的外表，允許氣流更加順暢地流過(guò)，在典型控制臂受力工況下?lián)碛懈鼉?yōu)秀的力學(xué)性能。經(jīng)匹配后整體質(zhì)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(xué)性能。最終裝車(chē)表現(xiàn)如圖7 所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

3D 打印應(yīng)力蒙皮設(shè)計(jì)相對(duì)于傳統(tǒng)衍生型設(shè)計(jì)能夠獲得更加完整平滑的外觀。點(diǎn)陣夾芯有千變?nèi)f化的微結(jié)構(gòu)與高孔隙率，還具有輕質(zhì)高強(qiáng)、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(xué)生方程式中，3D 打印技術(shù)與點(diǎn)陣夾芯技術(shù)的組合解決了標(biāo)準(zhǔn)件形狀力學(xué)性能不佳的問(wèn)題。異形結(jié)構(gòu)的加工問(wèn)題，使得大學(xué)生可以作出更加大膽、激進(jìn)的設(shè)計(jì)，促進(jìn)了大學(xué)生方程式技術(shù)的發(fā)展。在制造業(yè)上，Czingеr 公司旗下的21C 超級(jí)跑車(chē)采用金屬3D 打印技術(shù)制造底盤(pán)和車(chē)身。板狀立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(chē)被動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[6]。綜上，3D 打印技術(shù)與點(diǎn)陣夾芯技術(shù)都有著廣闊的前景，憑借其極高的設(shè)計(jì)靈活度，可以運(yùn)用于汽車(chē)的車(chē)身、動(dòng)力以及底盤(pán)系統(tǒng)，運(yùn)用范圍廣闊。