Baja赛车前悬立柱的优化设计

姜越

摘要：立柱作为悬架中的重要组成部分，汽车的转向、制动以及四轮定位参数等都和它有着重要的联系。在立柱的设计中，需要保证它能在各种极限的工况正常工作，也需要对它轻量化设计以减小簧下质量。为此，首先用三维建模软件（Catia）对其建立三维模型，再通过对他的有限元分析（ANSYS Workbench）测试出它各种各种工况下的工作状态，进而对它的结构进行分析与优化，通过对所有方案的对比，选出最优的方案。

关键词：悬架；立柱；优化设计

1 概述

第一届巴哈大赛是在2015年8月26日，由中国汽车工程学会（SAE China）发起，山东潍坊滨海经济技术开发区联合主办，山东荣和国际赛车场与《汽车之友》杂志社联合承办的“2015中国汽车工程学会巴哈大赛”（Baja SAE China，简称BSC）。

该项赛事是继“中国大学生方程式汽车大赛”成功举办之后，中国汽车工程学会推出的又一个全新的技能型人才培养平台。BAJA是西班牙语越野车的意思，巴哈大赛于1976年起源于美国。这是一项全新的技术教育和工程实践教育手段，集技术性、趣味性于一身，已成为各国发现和培养汽车产业技能型人才最重要的非教育领域的社会化公共平台和非盈利社会公益事业。

1.1 悬架系统

悬架是汽车上的重要总成之一，它把车身和车轮弹性地连接在一起。悬架的主要作用是传递作用在车轮和车身之间的一切力和力矩，比如支撑力、制动力和驱动力等，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷、衰减由此引起的振动、保证乘员的舒适性、减小货物和车辆本身的动载荷。悬架与汽车的多种使用性能有关，为满足这些性能，悬架系统必须能满足这些性能的要求：首先，悬架系统要保证汽车有良好的行驶平顺性，对以载人为主要目的的轿车来讲，乘员在车中承受的振动加速度不能超过国标规定的界限值。其次，悬架要保证车身和车轮在共振区的振幅小，振动衰减快。再次，要能保证汽车有良好的操纵稳定性，一方面悬架要保证车轮跳动时，车轮定位参数不发生很大的变化，另一方面要减小车轮的动载荷和车轮跳动量。还有就是要保证车身在制动、转弯、加速时稳定，减小车身的俯仰和侧倾。最后要保证悬架系统的可靠性，有足够的刚度、强度和寿命。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架（或车身）与车轴（或车轮）之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。

1.1.1 立柱

立柱是巴哈赛车比较重要的关键底盘部件，用于连接悬架和转向系统，并为制动系统部件提供安装位。赛车前后悬架的结构不同，后轮为驱动轮，前轮有转向系统，因此前后悬架配套的立柱结构亦不相同，需分开单独设计。而本文只考虑前悬立柱的设计。考虑到赛车上立柱需连接悬架、轮毅轴承和制动器卡钳，因此其结构设计应具备3个方面：轮毅轴承安装位及螺栓安装孔；悬架球头销的安装形式及安装位；制动卡钳的安装位及安装孔。满足这3个方面后，方可自由设计其形状和连接件。但前悬架立柱还需特别考虑转向梯形臂的连接，设计的前后悬架立柱三维模型。

1.1.2 立柱的创新与优化

在Baja大赛中，赛车它的工况十分复杂也十分恶劣，所以我们需要设计出一种能够适应这种工况的立柱并且尽量减轻它的重量。关于创新，考虑到立柱所受的力与最容易形变的部位，我们设计出了一种新的立柱形式来解决这个问题；关于优化，我们通过有限元（ANSYS Workbench）分析其受力情况，在不影响其工作的情况下对其打孔、开槽，尽量减轻它的重量。

2 分析与创新

2.1 技术资料分析

2.1.1 《越野车前悬架》结构特点

其特征在于，还包括与上摆臂、下摆臂一端固定连接的转向节，与转向节侧壁固定连接的轮毅，所述上摆臂、下摆臂的另一端端部装设有与车架相连接的连接头。根据权利要求1所述的越野车前悬架，其特征在于，所述下摆臂（2）上还设有一支座（（6），该支座（（6）上装设有一减震器（7），减震器（7）的一端与支座（6）固定连接，其另一端与车架固定连接。

本实用新型的目的在于克服现有技术中上述缺陷：提供一种连接牢固，安全性能高，能有效提高越野车在驶于高低起伏落差极大的路面环境时的行车稳定性的越野车前悬架。‘为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：提供一种越野车前悬架，包括上摆臂、下摆臂，还包括与上摆臂、下摆臂一端固定连接的转向节，与转向节侧壁固定连接的轮毅，轮毅与车轮连接，所述上摆臂、下摆臂的另一端端部装设有与车架相连接的连接头。

所述下摆臂上还设有一支座，该支座上装设有一减震器，减震器的一端与支座固定连接，其另一端与车架固定连接。

该结构特点的缺点在于：在工况较恶劣的情况下，上A臂和下A臂与立柱连接处的应力过大，在连接处产生了集中应力，应力的最大值超过了材料的屈服强度，容易发生断裂。

2.2 创新点分析

根据技术资料分析的文献，都发现立柱几个方面的缺点，所以可以采取更好的方案进行改进，改进点主要针对的是增加它的强度。我们可以通过设计一些特殊的结构，比如将A臂夹在立柱中间，使得它的受力由立柱的两个部位分担，使整个立柱的受力更均匀；在容易断裂的地方增设加强肋来增加它的整体强度。

由改进的前后图可以看出，在改进后的立柱中，新的立柱拥有着更牢靠的结构，在受力大的地方设置有加强肋使得它的工作更为可靠；在上A臂与下A臂和立柱连接的地方，设置了两层上下固定装置，使得立柱整体受力更均匀。

从改进前后立柱的ANSYS静力学分析中可以看出，在改进后的立柱的ANSYS静力学分析中，我们以两个轴承的两个安装面为支撑，分别在立柱的上下A臂安装处加上竖直方向的力，在主销孔里加上水平方向上的力来分析立柱的受力。由分析的结果可以看出，新的立柱比改进前的立柱明显受力较均匀，并且产生的集中应力很小，很符合巴哈大赛恶劣工况对赛车的要求。

3 初步方案设计

3.1 结构初步设计

3.1.1 结构组成及安装位置

如图所示，新方案是在原方案的基础上增加了必要的加强肋以及在受力较小的地方开槽以减轻重量。下图为立柱的装配图，立柱的上面通过杆端关节轴承和上下锥形垫片与上A臂相连，立柱的下面同理也与下A臂相连，立柱的里面的有两个角接触轴承，紧接着是与制动盘相连，轮毂轴插入立柱并与车轮相连接。这样的立柱在恶劣的工况，比如崎岖的山路、下陡坡的路况上行驶时，能保证赛车的车架与车轮连接的正常，并兼有协助转向功能的立柱也能正常工作。

3.1.2 结构使用方法及适用范围

该改进结构的使用方法较为简单，安装在悬架相应的位置就可以使用。因为立柱是保证车架与车轮连正常的关键部件，而该立柱受力均匀，集中应力小，能很好地胜任这项任务。接该结构适用于工况较为恶劣的赛车，它能够保证赛车的立柱以及悬架能够正常工作。

3.2 工艺流程中各工艺的实施步骤

（1）分别对4块立柱的毛料进行实际的测量，找出4块毛料大致的轴承安装孔的中心点，用圆规画针画出轴承安装位的大概位置。测量轴承安装孔的上下左右的加工余量是否足够。

（2）将四块毛料利用普通铣床将四周进行粗铣，由于毛料四周平面的平整度较差。利用普通铣床将其铣削，以保障后续加工的基准面。粗铣都是按每次铣削0.5mm的加工量进行的，只要毛料表面铣削平整即可。

（3）将粗铣完成的毛料装夹到普通车床上，普通车床上需要换装四抓卡盘。将毛料装夹到四抓卡盘后，在利用台座画规，通过调整四抓卡盘的四抓伸缩量，找到之前己画出轴承安装孔的中心。再次测量轴承安装孔前后左右的毛料余量是否足够。

（4）安装完成并找好中心后，便可开始加工立柱的轴承孔。由于前立柱和后立柱都需要安装两个轮毅轴承。加工时必须保证两个轴承孔同轴度的高精度。利用车床将表面进行了粗车，粗车量为每次0.5mm，只需将毛料表面车削平整后在进行一次0.1mm的精车，即这个平面加工完成。之后利用钻头将毛料进行钻孔并打通，开始进行第一个轴承孔的车削，61815-2RZ轴承的外径为95mm，厚度为10mm轴承孔深度车削深度为10mm，并控制误差范围为0-+0.05mm。车削轴承孔内径的时，先将轴承孔粗车到94.5mm后，等待毛料温度冷却到室温后，利用内径千分表进行测量，进行精车，并保证轴承孔与轮毅轴承的过盈配合量为0.020-0.025mm。对立柱轴承孔进行倒角，倒角量为0.2mm。之后将轮毅轴承与立柱轴承孔进行一个试装配合，保证轮毅轴承边缘的倒圆能够配合进立柱轴承孔的倒角内即可。

（5）立柱要加工两个轴承孔，由于两个轴承孔都是在普通车床上加工。需要另外加工一个钢制的芯轴来保证两个轴承孔的同轴度。

（6）将立柱翻面加工第二个轴承孔，同样采用车削的方式进行加工。但是由于加工深度比第一个轴承孔深，加之顶针对内径千分尺的千涉。第二个轴承孔车削加工要更为细致。

（7）两个轴承孔加工完成后，将立柱再次装夹在四抓卡盘上，用台座式千分表找圆心。误差范围控制在0.02mm以内即可。将立柱与芯轴过盈配合处车削到设计尺寸。到此立柱加工最为重要的保证二个轴承孔同轴度的加工工作完成。

（8）轴承孔加工完成后，利用加工中心和数控铣床加工立柱的剩余部分。

（9）加工完成后对立柱翻面铣削剩余的余料，立柱便加工完成。

4 结论

根据上述方案，能很好解决立柱在恶劣的工况下产生集中应力的情况，并且立柱整体的受力较均匀，最大的应力值也是远远小于材料的屈服极限值，所以不会造成扭曲变形甚至断裂的情况。四轮定位等参数也考虑了进去，完全能适应巴哈赛车的工况。立柱上下安装A臂所开的槽宽度也符合转向的要求，能够很好地与赛车其他系统相配合。立柱整体结构也比较简单，拆装方便，制造工艺性好，前后立柱都可以使用相同的立柱，互换性好。质量轻，减小了簧下质量，符合赛车轻量化的设计标准。

参考文献：

[1]专利号ZL200820049195.9的《越野车前悬架》

[2]专利号CN200920074526.9的《一种越野车》

[3]发表在《报告》（2014年12期）中的《大学生方程式赛车（FSC）立柱性能分析方法》