巴哈賽車鋼管式車架吊耳設(shè)計(jì)與分析

艾天樂，蘇 煒

（武漢理工大學(xué)國際教育學(xué)院，湖北 武漢 430000）

巴哈賽車是一種全地形的越野式賽車，其車架采用一體式鋼管構(gòu)造。為了保證在行駛的過程中對車手的保護(hù)，需要對車架結(jié)構(gòu)之間的空缺處運(yùn)用邊板進(jìn)行維護(hù)。常常使用的材料為碳纖維板，碳纖維板與一體式鋼管式車架的連接是需要運(yùn)用螺栓與吊耳的配合進(jìn)行機(jī)械固定的。而在固定的過程中為了能夠牢固、精確地將吊耳固定在車架上，需要耗費(fèi)大量的時間進(jìn)行定位以及修補(bǔ)，在這個過程中對整車車架會產(chǎn)生傷害。為了優(yōu)化此過程，通過對原有的吊耳進(jìn)行優(yōu)化，新型的吊耳不僅質(zhì)量變小，同時與鋼管可以緊密接觸而無需肉眼定位。

1 建立吊耳模型

通過CATIA 軟件可以建立出吊耳的初步模型。根據(jù)《2018 中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽競賽規(guī)則》，在CAITA軟件中建立所需要的車架模型，主構(gòu)的鋼管外徑為31.75 mm，次構(gòu)的鋼管外徑為12.7 mm，因此此次設(shè)計(jì)的吊耳的彎曲半徑也會根據(jù)主構(gòu)與次構(gòu)之間的不同而進(jìn)行改進(jìn)。

2 實(shí)例分析

在中國2019 年的汽車工程學(xué)會全國巴哈賽車比賽中，武漢理工大學(xué)巴哈賽車隊(duì)設(shè)計(jì)的巴哈賽車鋼管式車架在進(jìn)行邊板安裝的過程中遇到了很大的問題，其中之一便是吊耳的固定與定位。傳統(tǒng)的吊耳是采用方形底座，不僅無法與鋼管緊密貼合，并且極難將其進(jìn)行穩(wěn)定的定位操作。此次吊耳的設(shè)計(jì)優(yōu)化了吊耳的定位問題，并應(yīng)賽事舉辦方的要求，盡量對吊耳進(jìn)行輕量化處理，如圖1 所示。

通過對吊耳進(jìn)行優(yōu)化操作之后，整車的質(zhì)量有輕微的下降，并更容易對一些細(xì)微地方進(jìn)行定位安裝操作。

3 建立吊耳ANSYS 有限元模型

將CATIA 的模型導(dǎo)入到ANSYS-WORKBENCH 中的Static Structural 模塊中對其進(jìn)行受力分析得到應(yīng)力應(yīng)變云圖。

圖1 吊耳設(shè)計(jì)概念圖

設(shè)置正確的參數(shù)：模具鋼。

抗拉強(qiáng)度σb（MPa）≥930（95）。

屈服強(qiáng)度σs（MPa）：≥785（80）。

伸長率δ5（%）：≥12。

斷面收縮率ψ（%）：≥50。

沖擊功Akv（J）：≥63。

沖擊韌性值αkv（J/cm2）：≥78（8）。

硬度：≤229 HB。

試樣尺寸：試樣毛坯尺寸為25 mm。

熱處理規(guī)范：淬火880 ℃。

4 吊耳靜力學(xué)分析

吊耳進(jìn)行的是機(jī)械固定，因此在安裝的過程中會受到一定的壓力，在壓力的作用下一些吊耳會產(chǎn)生變形。通過對吊耳兩側(cè)的支撐面進(jìn)行固定，同時在受力位置進(jìn)行加壓，可以得到吊耳在安裝的過程中所受的沖擊力。同時位于座椅下方以及頭枕后方的吊耳會分別承擔(dān)車手的質(zhì)量以及在急停時車手頭部向后的加速度，均會對吊耳產(chǎn)生沖擊。最后，吊耳在巴哈賽車行駛過崎嶇路段時也會受到很大的沖擊力導(dǎo)致斷裂，因此需要在吊耳與鋼管連接處施加載荷，測試其穩(wěn)定程度。

4.1 普通式吊耳

最簡易的吊耳只是強(qiáng)化了定位效果，仿真結(jié)果顯示吊耳受力穩(wěn)定，可以承載較大載荷，使邊板能夠穩(wěn)定地固定在車架上，如圖2 所示。

圖2 普通式吊耳應(yīng)力應(yīng)變云圖總

4.2 輕量化普通吊耳

通過對普通式吊耳進(jìn)行打孔，不僅增加了美觀度，且分析結(jié)果顯示吊耳并不會因此而變得過于脆弱，依然可以承受較大的載荷來固定碳纖維板，如圖3 所示。

圖3 輕量化吊耳應(yīng)力云圖

由圖3 可知，鏤空之后的吊耳并不會產(chǎn)生更大的形變，與之前相比無明顯缺陷，且大幅降低自身質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)是合理的。

4.3 前板吊耳分析

巴哈賽車的前艙需要安裝制動踏板轉(zhuǎn)向軸以及其他部件，空間狹小，不易進(jìn)行吊耳的安裝與定位，且巴哈賽車在行駛過程中前端較容易發(fā)生碰撞，所以需要通過對前艙的吊耳進(jìn)行加厚處理。如圖4 所示，此類型吊耳可以在最大化利用空間的同時較為穩(wěn)固地在鋼管上進(jìn)行定位操作。并對其轉(zhuǎn)角處施加4 000 Pa 載荷，對螺栓連接孔施加3 000 Pa 載荷，分析其受力后的應(yīng)力應(yīng)變總云圖，如圖4 所示。

圖4 前板吊耳應(yīng)力應(yīng)變總云圖

可以看到此吊耳可以承受較大壓力且無斷裂發(fā)生，最大的應(yīng)變位于螺栓連接處。而此處會被螺栓夾緊，因此不會有較大變形發(fā)生。

4.4 頭枕吊耳分析

巴哈賽車頭枕一般是采用海綿等軟料制作而成以為選手遭到?jīng)_擊時提供必要的防護(hù)。但是由于巴哈賽車鋼管式車架的背環(huán)設(shè)計(jì)，并且根據(jù)《2018 中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽競賽規(guī)則》，LDB 斜桿的存在使得頭枕的安裝變得及其困難。因此此次為頭枕設(shè)計(jì)了專用吊耳，由兩部分拼接而成。在頭枕靠近背環(huán)的部分加裝一塊鋁板之后便可順延LDB 的方向進(jìn)行吊耳的固定與安裝。對吊耳的螺栓連接處施加3 000 Pa 載荷以及1g 的加速度，對吊耳與鋼管的連接處進(jìn)行4 000 Pa 的載荷加持，并固定其兩側(cè)的支撐面。分析結(jié)果的應(yīng)力應(yīng)變總云圖如圖5 所示，合并使用如圖6 所示。

圖5 頭枕吊耳應(yīng)力應(yīng)變總云圖

圖6 頭枕吊耳使用連接圖

可以看到吊耳的最大變形出發(fā)生在連接處，但在最后的實(shí)際操作中，整成落地之前會對其接口進(jìn)行焊接從而增加強(qiáng)度，通過軟件分析驗(yàn)證，焊接之后的缺口無較大形變產(chǎn)生。

4.5 美觀設(shè)計(jì)邊板吊耳分析

在滿足了安裝的穩(wěn)定性以及精確性之后對吊耳進(jìn)行一定程度的優(yōu)化并更大幅度的減輕其質(zhì)量，可運(yùn)用于受力較小的發(fā)動機(jī)邊板等不會受到直接沖擊的位置，可提升整車的美觀性，并且會使得整車的質(zhì)量得到微量的降低。如4.4 對其施加載荷與固定，其總應(yīng)力應(yīng)變分析云圖如圖7 所示。

圖7 美觀設(shè)計(jì)邊板吊耳應(yīng)力應(yīng)變總云圖

如圖7 所示，雖鏤空了大半個吊耳，但是其穩(wěn)定性并未受到較大影響，最大的形變發(fā)生于兩側(cè)的螺栓連接處，但在實(shí)際操作中，兩側(cè)的螺栓作用為輔助加固并在如號碼牌等所需載荷小的地方起到節(jié)省吊耳減輕車重以及工作度，因此此次吊耳設(shè)計(jì)是合理的。

5 分析總結(jié)

巴哈賽車在生產(chǎn)的過程中由于整車空間狹小，對于各個細(xì)微零件是否可以準(zhǔn)確定位并可以簡便安裝提出了較高的要求。同時由于巴哈賽車的行駛路段多為崎嶇山路，在此路段行車會使得全車產(chǎn)生較大的振動。通過ANSYSWORKBENCH-MODAL 模塊的分析可以得知，巴哈賽車的劇烈振動會對邊板造成較大沖擊并使得吊耳產(chǎn)生斷裂。此次設(shè)計(jì)吊耳通過對連接處加厚處理而使得此現(xiàn)象大幅減弱。同時巴哈賽車對于整車的質(zhì)量有較高要求，追求車輛的輕量化，通過對吊耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在不影響整體使用以及受力能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行了鏤空等處理，因?yàn)榘凸愜囁璧醵鷶?shù)量眾多，通過此操作可使得整車的質(zhì)量有一定的減輕。最后此次設(shè)計(jì)的吊耳符合基本美學(xué)，較為美觀，對巴哈賽車的整體外形有優(yōu)化作用。