大學生方程賽車輪轂中央螺母鎖止設計

毛張哲，吳健民，熊乘風

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430064）

自2010 年以來，大學生方程式汽車大賽從首屆舉辦到現(xiàn)在已經(jīng)有了12 年的歷史。在大學生方程式賽車設計中，盡可能減小簧下質量對于一輛汽車的穩(wěn)定性及操控性有重大意義。而對總質量僅240 kg 左右的賽車來說，每千克的輕量化都至關重要，特別是簧下旋轉部件輪轂輪輞的輕量化，對賽車的操控性提升有著巨大的意義。

傳統(tǒng)賽車多采用4 根或5 根輪轂螺栓固定，目前參與FSC 賽事的大多數(shù)車隊賽車的輪胎也仍采用這種固定方式[1]。各支車隊自己設計的鋁合金輪輞普遍存在質量較大且性能過剩等問題。

而外國車隊，為了減輕簧下質量，已經(jīng)不滿足于中央鎖緊的設計，他們采用碳纖維輪輞，甚至運用了無輪輻的設計。哈雷戴維森摩托車公司采用了無輪輻的結構設計以達到降低賽車簧下質量的目的。當前在世界大學生方程式比賽（FSAE）中，荷蘭代爾夫特理工大學車隊（Fоrmulа Studеnt Tеаm Dеlft）和德國慕尼黑工業(yè)大學車隊（TUFаst）也多次采用了無輪輻結構。這一切措施都只是為了更輕的簧下質量。因此，采用更輕的中央螺母鎖緊固定方式，是未來FSC賽事的趨勢，將會成為更多車隊的選擇。所以，如何設計出一套適合賽車的中央鎖止輪轂輪輞是非常重要的。

1 賽車輪輞選取

本賽季在輪轂的選擇上，選取了如圖1 所示的更加輕便的OZ 輪輞，將單個輪轂質量從之前的3.85 kg減小到1.66 kg。輪輞使用的中央鎖緊的結構連接。中央鎖緊的連接結構相對于其他輪轂的固定方式可以讓輪轂的固定基座的面積變小，更大程度地完成輕量化目標。

圖1 OZ 輪輞

2 中央鎖緊模型建立

根據(jù)OZ 公司所提供的輪輞圖紙，可確定中央螺母軸向長度為20.8 mm，根據(jù)配合面和輪芯配合部分可初步建立CATIA 模型。通過CATIA 軟件設計出來的鎖緊螺母模型圖如圖2 所示，外部采用圓環(huán)配合，內部采用鏤空三角柱支撐，此處受力不大，螺紋盡頭使用打孔設計。在與輪芯配合時，通過插銷固定完成二次橫向鎖緊固定。此設計提高了安全性和穩(wěn)定性。

圖2 中央鎖緊螺母模型圖

3 螺紋鎖緊受力

考慮到上胎與卸胎的頻繁性，耐磨性是一項重要的參考指標。根據(jù)收集的信息，采用單螺母鎖止的車輪一般是使用3～5 mm 的螺紋，細牙有利于鎖緊但不如粗牙耐磨。綜合考量，選用鋼制的螺母來保證強度，選用M3 的粗牙來保證頻繁的拆卸與安裝。

為配合輪輞形狀，設計時確定中央螺母的軸向長度為20.8 mm，故有6 圈螺紋參與嚙合；中央螺母的材料為45 鋼，擠壓強度為355 MPа；選擇的螺紋為普通螺紋；軸向力近似為最大側向力1 907 N；螺紋的公稱直徑為73 mm，中徑為70.05 mm。代入數(shù)據(jù)計算可得軸向力為側向力與預緊力距和制動力矩對螺紋的壓緊力之和[2]。

其中K作為壓緊力系數(shù)，取0.21。

4 有限元分析鎖緊模型

將本模型CATIA 轉化為stр 格式，導入ANSYS軟件，使用Stаtiс Struсtruаl 模塊進行靜力學分析。

4.1 網(wǎng)格劃分

首先通過mеsh 模塊對設計的中央鎖緊螺母模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3 所示。

圖3 鎖緊螺母網(wǎng)格模型

4.2 約束導入

在約束受力部分，與輪芯相配合部分支撐，在螺紋接觸部分加上最大側向力，用材料45 鋼，通過有限元材料參數(shù)表導入材料性能數(shù)據(jù)。

4.3 結果分析

在結果計算中，選擇了等效應力、最大形變量、安全系數(shù)模塊進行分析計算。再通過軟件分析得到以下結論。

等效應力為5 0.5 3 9 M P а，最大形變量為0.002 442 5 mm，最小安全系數(shù)為11.278，完全符合賽車設計需求。分析等效應力圖如圖4 所示，分析最大形變量圖如圖5 所示，分析最小安全系數(shù)圖如圖6所示。

圖4 分析等效應力圖

圖5 分析最大形變量圖

圖6 控制臂內部結構

圖6 分析最小安全系數(shù)圖

5 實物加工、裝配、安裝

設計模型是理想化的分析，之后進行實際分析，而在實際加工使用中，則需要解決更多的問題，諸如是否能完美匹配尺寸、如何裝配安裝、如何保障維護工件能長時間使用。

5.1 3D 打印模型匹配

為了降低成本，避免誤差，在加工前選擇先做出3D 打印模型進行匹配矯正。中央螺母鎖緊螺母3D 打印模型如圖7 所示。

圖7 中央螺母鎖緊螺母3D 打印模型

5.2 螺母的裝配

在匹配過程中，同時也要考慮如何安裝和取下的問題。為了方便安裝和拆卸，在設計中使用的是標準大小的粗牙螺紋，可以選擇標準套筒將其安裝和取下。在扭力扳手的選取上，則需根據(jù)其扭力選擇更大行程的扭力扳手。中央鎖緊螺母安裝套筒如圖8 所示。

圖8 中央鎖緊螺母安裝套筒

5.3 中央螺母的橫向鎖緊

在中央螺母被旋進輪轂螺紋部分后，螺母后點的孔位與輪芯部分孔槽位對齊，通過對齊的孔位進行插銷開關。通過插銷進行二次橫向固定，以保證安全性。

5.4 鎖止螺母表面處理

增強中央鎖止螺母表面的耐磨性和耐腐蝕性是一個重要的問題，硬質陽極氧化則可以很好地解決這個問題。這樣不僅可以保護金屬，也可以增強其使用壽命。

5.5 鎖止螺母的維護

在賽車加工、練習甚至參賽等場景中，都會多次反復安裝拆卸上下輪胎。無疑會對中央鎖緊螺母造成磨損。鎖止螺母和輪芯的配合，一方面是通過鎖緊過盈，另一方面通過鎖止銷插入鎖緊。在反復拆裝的過程中，難免會對螺紋產生破壞，出現(xiàn)如滑絲、燒結、卡死等問題，所以可選擇銅膏代替鋁銀漿防咬合劑來維護螺母的安裝與拆卸。

6 結論

本文通過設計與OZ 輪輞相配套的中央鎖緊螺母，保障賽車輪轂運行的穩(wěn)定性與安全性。使用了OZ 輪轂的賽車能極大地降低FSC 賽車的簧下質量，為賽車的操控穩(wěn)定性作出了巨大的貢獻。

同時在設計中央鎖緊螺母時，以輪轂圖紙為基準構建中央鎖緊螺母模型，優(yōu)化掏空，通過ANSYS 分析軟件進一步結構優(yōu)化，專注于輕量化簧下，追求當下所提倡的工匠精神。