基于巴哈賽車轉向軸與方向盤裝配方式的設計

雷鴻謙，鄭英龍，付豪

基于巴哈賽車轉向軸與方向盤裝配方式的設計

雷鴻謙，鄭英龍，付豪

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430000）

巴哈賽車的輕量化設計是一個非常重要的問題，賽車過重會使燃油經(jīng)濟性變差，與節(jié)能減排的理念沖突，而且會增大賽車滾動阻力，影響賽車動力性。提出了巴哈賽車方向盤與轉向軸處的一種新型裝配方式，代替巴哈車方向盤利用零件“快拆”裝配的方式，在質量減輕的同時擁有足夠的強度，可優(yōu)化賽車燃油經(jīng)濟性。設計過程利用Catia軟件進行建模，同時運用Anasys軟件進行有限元分析，以此校核強度。

巴哈賽車；轉向軸；有限元分析；優(yōu)化設計

中國大學生巴哈大賽是中國在2015年從美國巴哈大賽引進，由中國汽車工程學會舉辦，由高等院校職業(yè)院校汽車或相關專業(yè)在校學生組隊后參加的越野汽車設計制造和檢測的比賽，其宗旨是提供培養(yǎng)高素質人才的競賽平臺，使學生在備賽過程中進一步了解汽車結構與設計等相關專業(yè)知識并合理運用。隨著賽事的不斷發(fā)展，吸引到越來越多高等院校的關注，參賽車隊也越來越多。

由汽車理論可知，在合適的范圍內，整車質量越輕，汽車燃油經(jīng)濟性越好，也更加節(jié)能。而達到輕量化設計的需求需要整車各個部件共同配合，因此，巴哈賽車在設計過程中需要分別考慮各系統(tǒng)中可以優(yōu)化的部位。

在巴哈賽車中，方向盤一般都采用快拆與轉向軸裝配，其質量可達到500 g以上，不僅會影響到巴哈賽車總重，還會對駕駛者的轉向操控手感造成影響。由此提出一種新型裝配方式，減輕轉向系統(tǒng)質量的同時保證其應有強度，有利于提高賽車燃油經(jīng)濟性。

1 裝配所需零部件參數(shù)選用

在設計的新型裝配方式中，需要制造加工的零部件主要有2種：轉向軸與方向盤之間的接合板、接合板與轉向軸之間的加強肋。二者與轉向軸以焊接的方式裝配在一起，材料選用以及參數(shù)確定如下。

1.1 轉向軸本體

轉向軸的作用是傳遞方向盤的扭矩，需要承受轉向時的扭矩，上端與方向盤相連，下端通過萬向節(jié)與轉向器相連，中間通過軸承套筒與車架固定，因而制作轉向軸的材料需要擁有較高的承受轉矩能力。轉向軸本體采用4130鋼管。

1.2 轉向軸與方向盤的接合板

轉向軸與方向盤的接合板是轉向軸與方向盤接合處的核心零件，它的內圈通過焊接與轉向軸相連接，外圍通過螺栓直接與方向盤連接，所以，接合板形狀與螺栓開孔位置需要根據(jù)所選方向盤來設計。在實際中，采用的方向盤底部共有6個螺栓孔，呈正六邊形布置，對角螺栓孔中心距為70 mm，螺栓孔直徑約為7 mm。

接合板由1塊鋼板經(jīng)過激光切割制成，由于在使用過程中會受到垂直于中心處的力以及旋轉扭力作用，為保證強度滿足要求，材料選用45號鋼，45鋼屬于低碳鋼，擁有良好的焊接性能，滿足焊接需要，其厚度定為4 mm。為了使接合板能與方向盤正確配合，需要在接合板上打出6個能與方向盤底部對應的通孔，直徑選為6 mm，并用M6的螺栓螺母來完成方向盤與接合板的裝配。為保證在與轉向軸配合時，接合板中心與轉向軸鋼管中心對應，所以，還需利用鉆床在接合板中心處鉆出1個直徑為20 mm的通孔，使轉向軸可以通過直接插入的方式與接合板進行對心。為了減輕質量，在強度足夠的情況下可以在接合板螺栓孔之間或其他沒有接合要求的地方通過激光切割適當削減。

1.3 加強肋

在轉向軸與接合板接合處應加設加強肋，起到分散應力并提高轉向軸與接合板連接處強度的作用，保護危險截面。加強肋同樣采用45號鋼的鋼板，用激光切割的方式加工而成，其表面近似為三角形，長直角邊與轉向軸貼合，長度設計為32 mm，短直角邊與接合板貼合，長度設計為20 mm，斜邊為一內凹的弧線，為使強度達到要求并便于安裝，加強肋的厚度為2 mm。

2 組裝概況

轉向軸、接合板、加強肋為一個整體，采用焊接的方式裝配。首先將轉向軸插入接合板中心預先打好的通孔之中，調整轉向軸與接合板的相對角度，使轉向軸垂直于接合板，用夾緊器固定后，用點焊的方式將二者焊接在一起，并放置一段時間，目的是利用時效法消除殘余應力，放置足夠的時間后再加裝加強肋。加強肋共計3個，垂直于接合板以及轉向軸表面，由于轉向軸表面為圓弧，而激光切割后的加強肋與其結合處為平面，所以，需要用銼刀或者角磨機先將加強肋長直角邊磨出弧度，再進行焊接，以便接合緊密。

待放置足夠時間后，殘余應力消除，用螺栓螺母將接合板與方向盤裝配到一起，即完成轉向軸與方向盤的接合裝配，裝配效果如圖1所示。

1—轉向軸；2—方向盤；3—螺栓螺母；4—加強肋；5—接合板。

3 有限元靜力分析

在模型建立的基礎上，如果需要正常投入使用，還需要對其受力進行仿真分析，來驗證其在實際情況下強度是否達標，這里采用Anasys軟件進行有限元分析。

在Anasys庫中添加相應材料，參數(shù)如下：轉向軸材料選為4130鋼管，其泊松比為0.279，楊氏模量為211 GPa，密度為7 850 kg/m3，查表得，4130鋼管許用應力[]1約為780 MPa，接合板與加強肋材料選為45鋼，其泊松比為0.269，楊氏模量為209 GPa，密度為7 890 kg/m3，查表得，45鋼許用應力[]2約為120 MPa。

3.1 扭力分析

根據(jù)計算，方向盤所受最大轉向力為120 N，且方向盤直徑為0.3 m，所受力偶矩為36 N·m。

將方向盤轉動的力矩換算為6個螺栓孔上所受的力，由于螺栓孔與接合板中心距為35 mm，算得每個螺栓孔受力為171.4 N，校核取200 N，所以，整體力偶矩為42 N·m。

校核時將轉向軸末端固定，在每個螺栓孔處施加垂直于結合板半徑且與接合板平面平行的力，為200 N，分析結果如圖2所示。

通過ANSYS靜力分析可知，在轉向軸承受轉向過程中非常極限的力時，最大形變發(fā)生在螺栓孔處，為1.034 9×10-3m，而轉向軸處的形變小于0.5 mm，均不會對實際使用造成影響。對于接合板，最大應力發(fā)生在中心部位，為38.43 MPa，小于許用應力120 MPa。轉向軸收切應力作用，而4130鋼管為塑性材料，許用切應力[]=（0.6～1.0）×[]1，因此[]大于468 MPa，轉向軸最大切應力發(fā)生在加強肋以下的鋼管部分，大小為68.525 MPa，小于許用切應力。

3.2 法向力分析

經(jīng)過測試，方向盤上所受法向力不會超過100 N，方向盤直徑為0.3 m，力偶矩大小為30 N·m。由于轉向軸通過轉向軸固定套筒與車架相連，套筒與接合板距離為150 mm，轉向軸受彎矩作用時，該處為支點，所以分析的對象僅為轉向軸固定套筒上方的部分，在Anasys分析時將底部固定，并施加30 N·m的力矩，應力分析結果如圖3所示。

圖2 受扭力時的應力圖

圖3 受法向力時的應力圖

分析可知，在施加該力矩后，最大形變處為接合板端點，為1.567×10-4m，鋼管部分形變量在0.1 mm以下，不影響正常使用。對于接合板與加強肋，最大應力發(fā)生在接合板邊緣與加強肋外邊緣處，與受力情況有關，但最大為50.119 MPa，小于材料許用應力120 MPa。對于轉向軸，最大應力為37.609 MPa，小于材料許用應力780 MPa。

綜上所述，該設計方案強度滿足要求。

4 設計小結

該設計提供了一種新型的、應用于巴哈賽車的轉向軸與方向盤的接合方式，并驗證了其強度滿足使用需要。其主要加工部件均由不同厚度的45號鋼鋼板激光切割而成，不僅加工操作方便，而且加工周期短。采用該接合方式時不僅強度滿足使用要求，經(jīng)過實際稱重，質量也大大減小，3個加強肋與1個接合板的質量約為50 g，遠遠小于快拆500 g的質量，因此，能夠很好地解決使用快拆接合時造成的質量偏大、轉向笨重等問題，并且滿足整車總體減重的需求。

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U469.696

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.063

2095－6835（2020）13－0151－02

〔編輯：張思楠〕