赛车轮毂多功能集成化设计新方法

刘高辉　阳林　梁绍臻　陈德升　陈日东　黄晋豪

摘 要：由于传统制造工艺在复杂曲面和集成化加工的局限性，导致方程式赛车轮毂的多功能集成化一直被制约，以至于传统赛车轮毂总成普遍存在体积硕大、重量大、传动效率低等问题。文章基于集成化设计原则，在保留传统赛车轮毂总成所需功能的前提下，改变赛车外球笼、轮毂、轮辐等的结构以进行集成化设计从而得到多功能集成化赛车轮毂。所获得的集成化赛车轮毂体积重量明显减小且传动效率明显提高，达到了通过集成化以实现轻量化的目标。

关键词：方程式赛车;赛车轮毂;多功能集成化;轻量化

中图分类号：U463.343  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-52-04

前言

在中国走向汽车制造强国的过程中，中国大学生方程式汽车大赛（简称FSC，Formula Student China）正如火如荼并充当着重要的角色，各高校不断通过培养学生设计与制造方程式赛车为祖国提供了大量的汽车行业人才。FSAE赛车的集成化和轻量化对于比赛结果起到关键性作用，相关研究表明，赛车的质量每降低5kg，跑完一圈赛道便可提高成绩大约12秒[1]，而轻量化是集成化的必然结果，因此赛车轮毂的集成化至关重要。本文基于集成化设计原则探索方程式赛车重要部件赛车轮毂总成的集成化设计方法，该设计方法保留了赛车轮毂总成所需的功能，减小了轮毂总成的体积和重量，减少轮毂总成的传力连接以提高传动效率，最终设计得到多功能集成赛车轮毂，为后续使用3D打印制造赛车轮毂做准备。

1 赛车轮毂传统设计中存在的不足

1.1 赛车轮毂性能指标

赛车轮毂的刚度、强度和疲劳性能是轮毂的重要性能指标，依据中国大学生方程式汽车大赛规则——赛车轮辋直径必须至少为203.2mm（8.0 英寸），并且凭借以往赛车设计经验故选用10英寸轮毂，单轮额定载荷为335Kg，轮毂的最大应力值不大于材料的许可应力值;在刚度方面，其最大变形位移量小于0.5mm，以避免轮毂圆度失真;疲劳性能要求其最低循环次数不应低于1000000次（轻合金标准）[2]。方程式赛车在满足力学性能要求及结构要求以外，还需考虑快速拆卸和安装的要求，传统方程式赛车通过赛车轮毂总成中心螺栓螺母的快速拆卸以达到快速拆装的目的。

1.2 傳统赛车轮毂的结构与功能

赛车轮毂主要由轮辐、轮辋、中心孔和螺栓孔四部分组成。因为传统赛车轮毂的竞赛要求使得轮毂需要考虑快速安装和拆卸等问题，故通常采用的连接形式为可拆卸式，可拆卸式轮毂具有轮辐和轮辋可分离的结构特点，如图1所示。在轮毂结构中，轮辋也俗称轮圈，起到安装轮胎和转动运动的作用;轮辐用于连接轮辋，以传递驱动轴转矩、传递行驶时所受冲击力等;中心孔为传动轴的安装孔;螺栓孔是轮毂和传动轴的连接螺栓安装孔。也正是因为赛车轮毂所需的多样化功能，才使得传统赛车轮毂结构复杂，构成零部件多，如图2所示为传统赛车轮毂总成爆炸图。

1.3 传统赛车轮毂设计方法

由于传统加工工艺的限制，传统赛车轮毂总成中的轮辐、轮辋、球笼等需要单独设计制造，其开发流程如图3所示。从传统赛车轮毂总成的开发可知传统赛车轮毂总成存在大量的零部件和传力连接，使得其体积硕大且传动效率低。因此，为使车队在比赛中获得更好的成绩，需要对传统赛车轮毂进行结构和功能集成化设计。

以2018年电动方程式大赛为例，广东工业大学的赛车整备质量达到了270kg，在轻量化项目中获得第七名的名次，整车质量较第一名广西科技大学鹿山学院整整重了45kg，因此可见我校在集成化和轻量化方面上与其他学校存在的差距。而在广东工业大学的整车质量270kg中，单个后轮轮毂总成（外球笼、轮辐和轮毂）的质量就达到了2413g，存在较大轻量化空间。因此可探索集成化设计方法以达到轻量化目的。

1.4 传统赛车轮毂的不足

在传统赛车轮毂中，为满足快速拆卸和安装要求的中心螺栓螺母导致了赛车增加了零部件数量以及传力连接，从而降低了赛车的集成化程度，不利于赛车的轻量化设计。另外，为实现赛车轮毂多样化的功能以及满足快速拆装功能，传统制造工艺还需要分别单独设计制造轮辋、轮辐和外球笼，且三者的彼此连接需要使用连接部件通过其上的连接孔进行连接，这必然导致了赛车轮毂总成的集成化程度低，轮毂总成质量大，动力传递过程传动效率低等劣势。

2 赛车轮毂多功能集成化设计新方法

在传统方程式赛车中，发动机或者电动机的动力经过差速器后由内球笼输入，经过半轴由外球笼输出，外球笼上设计有用于传递转矩的四个销轴，销轴与轮辐连接并通过中间孔紧固将动力传递到轮辐，轮辐再通过螺栓与轮辋连接，轮辐上的转矩通过螺栓传递给赛车轮辋进而传递到赛车轮胎。该结构设计虽易于拆装，但大量的零部件和繁琐的连接导致了赛车轮毂总成质量的增加，并且当动力传递经过各种连接时将产生动力损耗，降低了传动效率。因此赛车轮毂总成的集成化是突破轻量化限制的关键。

2.1 集成化设计原则与优点

2.1.1 集成化设计原则

集成化设计包括功能集成化与结构集成化。功能集成化原则是根据用户现实和发展的应用需求，从功能的角度考察产品与技术并合理地调配各项功能，充分发挥各自的优势，使集成化产品达到整体功能最优;结构集成化原则是在功能集成化的基础上，通过现代工艺技术将各个分离的产品设计加工为一统一产品，已达到减小产品体积和重量，提高产品性能的目的。

2.1.2 集成化設计优点

产品集成化的最终目标是使该产品在成本变化不大的前提下获得更高的性能。具体如下：

1）在满足用户对产品功能的前提下对产品进行结构集成化可有效减小产品的体积及重量，大幅降低物料成本;

2）集成化设计应用于复杂传力部件时，有效减少部件之间的传力连接，提高产品的传动效率，节约能源;

3）设备产品的集成化可减少现场安装操作，并且有效降低了设备的故障率从而降低日常维护成本。

2.2 赛车轮毂集成化设计实例

2.2.1 外球笼与轮毂集成化设计

（1）外球笼集成化设计

外球笼是赛车传动半轴的一部分，外球笼两端分别连接半轴和轮辐以传递发动机或者电动机转矩。外球笼结构复杂，其内部加工有三球销滚道，在其工作过程中，半轴端的三球销需要在滚道内做伸缩运动且传递动力。当赛车行驶在不平整路面时。三球销的球环将沿着自身轴线在轴向方向上做伸缩运动，所以此处应采用间隙配合并且间隙配合的间隙不宜过大。

在传统赛车中，外球笼体积硕大，传力连接多，依据集成化原则应在保证性能指标的前提上减小外球笼体积以降低重量并且减少传力连接。

（2）轮毂集成化设计

轮毂是赛车中用于连接外球笼和轮辐的中间部件，发动机或者电动机的动力由外球笼输出后，经过花键连接传递动力到轮毂上，赛车轮毂上设计有传动柱销孔，动力经过传动柱销传递到轮辐，进而通过轮辐与轮辋上的连接螺栓以最终传递动力到轮胎。

对于赛车轮毂，其结构复杂，传力连接多，体积较大，不利于赛车的轻量化设计与结构优化。

（3）外球笼与轮毂集成化

综合外球笼和轮毂共同存在的体积大、传力连接多的特点，探索外球笼与轮毂的集成化方法。两者的集成化首先应满足其功能要求，其一是与传动半轴的三球销连接且满足三球销球环将沿着自身轴线在轴向方向上做伸缩运动和传动转矩;其二是满足制动盘的安装要求且达到制动性能要求;其三是与轮辐连接以传递发动机或者电动机转矩。根据以上要求，初步通过取消外球笼与轮毂的花键连接，设计二者为一体的方式对外球笼和轮毂进行集成化，其三维模型如图4所示。

2.2.2 轮辐与集成化轮毂集成化设计

（1）轮辐集成化设计

传统赛车轮辐为满足力学性能和轻量化需求，通常采用多轮辐式且在应力较小处设计为镂空结构。如图5是广东工业大学2018年参赛电动方程式赛车的轮辐三维模型图。

赛车轮辐需要连接两个赛车部件，一个是通过传力柱销和中心螺栓与轮毂进行传力连接，以传递来自轮毂的转矩;另一个则是通过连接螺栓与轮辋连接，轮辐的转矩通过之间的传力连接螺栓传递给轮辋，进而传递到轮胎上。从动力在轮辐及其连接件的传递过程可知，过于复杂的连接设计导致了动力的传递损失，传动效率低;而由于轮辐与轮毂的连接需要连接件与对连接部位进行加工，这便导致了赛车轻量化和加工成本的恶化。

（2）赛车轮毂集成化设计

为进一步消除轮辐质量大以及传力连接多而不利于赛车在竞赛中取得好成绩的特点，现将轮辐、轮毂和外球笼进一步进行集成化设计。

上述以分析设计了轮毂与外球笼的集成化模型，现只需将轮辐同该集成化模型进行集成化设计。对于两者的集成化设计，首先应满足功能要求，其一是动力需经过轮毂传递到轮辐上，且满足力学性能要求;其二是轮辐需满足与轮辋的连接要求且满足力学性能;其三是轮辐需在满足力学性能的基础上达到设计的力学性能要求。根据上述要求，初步通过取消中心螺栓连接、传力柱销连接等将其集成化设计，得到的赛车轮毂总成集成化三维模型如图6所示。考虑到赛车轮毂对快速拆卸与安装的需求，将轮辋与集成化赛车轮毂设计为分离式，二者通过螺栓连接。

集成化赛车轮毂的动力依然由传动半轴的三球销输入，三球销与集成化赛车轮毂中的外球笼端的三球销槽孔连接，由于集成化赛车轮毂无多余传力连接设计，因此动力直接通过三球销槽孔到达集成化赛车轮毂轮辐处，再经过集成化赛车轮毂与轮辋的连接螺栓将动力传递到轮辋上，进而到达轮胎。

2.3 集成化赛车轮毂校核优化

從集成化赛车轮毂性能要求出发，选择轮毂材料为钛合金，基于现有集成化赛车轮毂三维模型进行数学建模和仿真分析确定集成化赛车轮毂的拓扑优化支撑体为极限质量70%基础结构。如图7所示为极限质量为70%的拓扑优化图。

对该拓补优化模型进行数学建模和仿真分析，其中优化后的赛车轮毂在转弯工况下，侧向力对轮毂产生的应力主要分布在赛车轮毂螺栓孔处，最大应力值为38.29MPa，应力值

低于钛合金材料屈服应力值970MPa。赛车轮毂总体变形均匀，最大值变形为0.007mm，低于设计要求的极限变形量0.5mm，因此优化后赛车轮毂刚度满足转弯工况要求[2]。优化后的赛车轮毂在转弯工况下的总体变形图如图8所示。

2.4 多功能集成化赛车轮毂优点

经过功能集成化与结构集成化所获得的的多功能集成赛车轮毂的总体积明显小于传统赛车轮毂总成，在选取轮毂材料为钛合金且制造工艺为3D打印技术的前提下，生产得到的多功能赛车轮毂实物重量仅为1473g，相比较传统赛车轮毂总成减少了约940g，轻量化效果显著。在动力传递方面，多功能集成化赛车轮毂较传统赛车轮毂总成减少了两处传力连接，不仅达到了提高传动效率的目标，而且轮毂的集成化减少现场安装操作，有效降低了故障率从而降低日常维护成本。随着3D打印技术日益成熟，集成化赛车轮毂的成本将会降低以使得方程式赛车的总体轻量化水平提高，同步提高赛车的性能水平与最终成绩。

3 结束语

多功能集成化赛车轮毂设计是赛车轻量化设计的一大突破，通过对赛车轮毂进行多功能集成化设计，在选取轮毂材料为钛合金的前提下预计可降低单个赛车轮毂总成重量约940g，降幅达到38.9%。若不考虑其它因素影响，方程式赛车使用多功能集成化赛车轮毂将有望提高成绩至少2.3秒，且该成绩依然存在提升空间。该多功能赛车轮毂设计方法也将为后续的力学分析、拓补优化与实物制造奠定基础，早日实现在广东工业大学方程式赛车的实际应用。

参考文献

[1] 康淑贤.汽车轮毂造型与轻量化设计方法研究[D].厦门：华侨大学， 2013.

[2] 钟兴华3D打印技术在赛车轻量化领域应用研究[D].广州：广东工业大学，2019.

[3] 陈楠楠，阳林，钟云耀等.FSAE 赛车集成化轮毂的设计与校核[J].机械与电子，2015（11）：38-42.

[4] 宋渊.铝合金轮毂轻量化设计（CAE）[D].合肥工业大学，2014.