基于ANSYS Workbench的FSAE赛车轮芯轻量化设计

山西中北大学　墨海波

基于ANSYS Workbench的FSAE赛车轮芯轻量化设计

山西中北大学墨海波

汽车轮芯是连接半轴和轮辋的重要零件，实现轮芯的轻量化对汽车动力性的提高和油耗的降低有重要作用。本文通过对车队已有的FSAE赛车轮芯简易模型的分析，利用ANSYS Workbench分析平台对轮芯重新建模，并用Static Structural模块进行静力分析，最后通过Design Exploation模块进行优化设计，在保证传动安全的情况下实现FSAE赛车的轮芯轻量化。分析结果表明：轮芯中轴部分壁厚对轮芯质量和应力影响最大，轮芯质量由2.63kg降到0.99kg。

大学生方程式赛车；轮芯；轻量化；ANSYS Workbench

引言

中国大学生方程式汽车大赛，英文名称为Formula Student China（简称FSC），是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。

汽车的轻量化就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性和燃油经济性。由于轮芯位置的特殊性，实现它的轻量化的意义更加明显。

本文以中北大学方程式赛车的轮芯为研究对象，利用ANSYS建立几何模型进行力学分析，并进行轻量化设计。

1轮芯模型的建立

由于赛车轮芯不是普通汽车轮芯，所用轮辋为赛车专用轮辋，所以要进行轮芯的重新设计。重新设计的轮芯在能满足力学要求的同时，还要能够使卡钳、刹车盘等有充分的工作空间，并且使用螺栓与轮辋进行连接。

图1为中北大学行知车队最初设计的方程式赛车的轮芯，壁厚为10mm，质量达2.63kg，十分笨重，不符合轻量化的目标，对赛车动力和操控有十分不利的影响，亟需进行轻量化处理。

参考方程式赛车的轮芯，综合考虑轮芯与半轴和轮辋的连接问题，重新设计了轮芯的三维模型，初步减小了部分结构的壁厚，同时增加了四个螺栓孔，见图2。此时质量降为1.56kg，将在此模型基础上进行受力分析和进一步的轻量化优化设计。

图2　改进模型

2受力计算

中北大学的方程式赛车采用600cc单缸发动机，在达到最高转速3560rpm时输出最大扭矩Ttq为61.1N·m，初级减速比i0为2.345，末级减速比if为2.6，变速箱一档的减速比i1为2.571，轮胎中心到地面距离R为260mm，轮芯与半轴连接的螺纹孔圆心到轮芯中轴距离r为26mm，轮芯与轮辋连接的螺纹孔圆心到轮芯中轴距离s为56mm。

总扭矩为：

T总=Ttq·i0·i1·if

=61.1×2.345×2.571×2.6

=957.77N·m

分配到两个驱动轮，单轮扭矩T为478.88N·m。

轮芯与半轴连接的螺纹孔受力为：

F入=T/r

=478.88/0.026

=18418.46N

平均到单个螺纹孔受力为4604.62N。

轮芯与轮辋连接的螺纹孔受力为：

F出=T/s

=478.88/0.055

=8706.91N

在螺栓孔受力均匀的情况下，平均到单个螺栓孔受力F2为2176.73N。

3受力分析

通过Workbench的Static Structural模块对模型进行受力分析，轮芯的分析模块见图3。

图3　Workbench分析流程

图4　应力情况

轮芯的受力情况见图4。轮芯材料选用45号钢，经调质处理后屈服点能达到360MPa，图4的分析结果显示最高应力为41MPa，可见此模型还有很大的优化空间。

4优化设计

通过Workbench的Optimazition模块进行优化设计实现轮芯的轻量化。

取轮芯与刹车片连接部分的厚度P8、轮芯与半轴连接部分的厚度P7及轮芯中轴部分壁厚P6三个尺寸为设计变量，取轮芯的质量P5和轮芯最高应力的最小值P9为优化设计的目标函数，设计参量见图5。

图5　设计参量

三个设计变量对目标函数的敏感度见图6，由图可知，轮芯中轴部分壁厚对轮芯质量和应力影响最大，设计时着重考虑这一部分的优化，其余两个变量对轮芯质量的影响非常小。

图6　设计变量对目标函数影响的敏感度

优化结果见图7，图中表格是从1000组数据中筛选出的7组，另外人工输入四组数据做结果对比用。

图7　优化结果

5结论

根据图中给出的数据，与轮芯原始尺寸对比，综合考虑设计变量对目标函数的敏感度和安全情况，将轮芯与刹车片连接部分的厚度、轮芯与半轴连接部分的厚度优化结果取3mm，轮芯中轴部分壁厚优化结果取2mm，优化质量为0.72kg，较原始模型质量降低54%。

但是，考虑到本校第一次自主设计和加工轮芯，以及材料本身质量问题和加工精度问题，为保证赛车驾驶的绝对安全，在实际加工时，将轮芯与刹车片连接部分的厚度、轮芯与半轴连接部分的厚度加工为5mm，轮芯中轴部分壁厚加工为3mm，质量约为0.99kg，较轻量化之前质量降低37%。轮芯受力分析见图8，最高应力为79MPa，远远低于45号钢能承受的极限应力。

图8　新模型受力分析

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墨海波，1990出生，山西太原人，硕士，研究方向：发动机。