基于巴哈赛车前轮毂设计

2020-07-25汪孟杰周业彪易点

科技与创新 2020年14期

汪孟杰，周业彪，易点

基于巴哈赛车前轮毂设计

汪孟杰，周业彪，易点

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070）

随着时代的发展，赛车运动在中国飞速发展，其中大学生巴哈越野赛车大赛在近几年也取得了飞速的发展，可是由于越野路况复杂，巴哈越野车在行驶过程中，前轮承受着高频率、高冲击的交变载荷，导致赛车前轮毂容易出现断裂的问题。以巴哈赛车为基础，设计出一款质量轻、强度高、适合装配双列角接触轴承的汽车前轮毂。同时利用ANSYS软件对轮毂进行受力分析与优化。

轮毂；轴承比对；受力分析；仿真优化

1 轴承的选择

相比于深沟球轴承，上列角接触球轴承的刚性更好，能承受自行式机械倾翻的力矩。轴承为非分离式，适用于有刚性要求高、负载较大的交变载荷的场合。

设计汽车轮毂时，首要工作便是选用轴承。

2 轴承寿命理论计算

奇瑞QQ后轮毂轴承基本情况如表1所示。

表1 奇瑞QQ后轮毂轴承基本情况

轴承型号奇瑞QQ后轮毂轴承小径/mm25 大径/mm52 宽度/mm37 基本额定载荷Cr/kN21 基本额定载荷Cro/kN18.876 极限转速/（r·min-1）10 000

计算极限工况下轴承的寿命，需先计算轴承的寿命。

查询机械设计手册，可知双列角接触轴承接触角为30°，且轴向力s=1.25tan（）×=0.72，则轴承的派生轴向力A1=S1－a（压紧端）。

轴承当量动载荷A1/R1=9 636.2/1 272=7.6＞，查机械设计手册可知，=0.56，=1，p=1.1，则极限=P（R1+A1）。

已知轴承寿命公式，解得L3205极限=77 h，同理可知在极限状况下，L3203极限>>L3205极限。

计算可知该轴承在平稳工况下的寿命S1＝0.7R1，计算可知该轴轴承的派生轴向力A1/R1=0.72＞，查机械设计手册可知，=0.56，=1，p=1.1，则平稳=P（R1+A1）。根据轴承寿命公式，解得平稳。

采用双列角接触球轴承在极限工况和平稳状态下的寿命均大于深沟球轴承的寿命，因此采用双列角接触球轴承。

3 轮毂模型及图纸

轮毂模型及图纸如图1所示。

图1 轮毂模型及图纸

4 ANSYS静分析

4.1 前轮毂静应力分析项目

前轮毂静应力分析项目如下：经过凹凸不平的路面时的最大的垂直载荷；刹车时，加载汽车在驾驶过程中，由于刹车产生的惯性力最大载荷；转向时，加载汽车在驾驶过程中，由转向产生的侧向力最大载荷；转向与刹车同时进行时，加载汽车在驾驶过程中，刹车和转向时引起的最大纵向载荷和侧向力。

4.2 各种工况的载荷确定

经过凹凸不平的路面时，首先对车辆的静载荷进行计算。当车辆在地面上静止不动时，单个前轮受到垂直于地面的载荷公式如下：

＝（×）/2（1）

式（1）中：=652.50 mm，为后轮到质心水平距离；= 2 205 N，为车重（连车手）；=1 450.00 mm，为赛车轴距。

最大载荷公式如下：

＝×（2）

式（2）中：为动载系数，当路况较为平坦时，取1.6。

取单个车轮最大载荷为1 272 N，制动时，计算最大制动强度，根据制动提供的数据，取＝1。

制动时，单个前轮垂向力＝（＋×）/2，纵向力＝×/2，径向力，=400 mm，为质心高，取单个前轮径向力为894 N。

转向时，由侧向力产生的向心力使得车辆做圆周运动。该力通过地面传递给前轮轮胎，再由轮胎传递给前轮毂。发生侧滑时，向心力最大。作用在前轮上的垂直载荷、侧向载荷＝×（0.5＋）/、侧向载荷＝，其中为附着系数，取值为1.4；=1 250 mm，为后轮距。取前轮垂直载荷为2 232.562 5 N，侧向载荷为3 125.587 5 N。

转向与刹车同时进行时，工况相对来说更为复杂，不仅要计算出载荷的增量，还要求出极限工况。载荷的增量计算公式为Δ＝/2，Δ＝/。则前轮所受的垂向力＝1＋Δ＋Δ，纵向力＝1，侧向力＝1。其中为纵向附着系数，取值为1.3；为侧向附着系数，取值为1。前轮垂向力为3 071.36 N，纵向力为3 992.769 N，侧向力为3 071.36 N。

为了检查设计的轮毂强度是否足够，取极限工况，即车辆做转弯制动时的受力。由于改用双列角接触，与轮毂上轴承接触的面受到相应的载荷纵向力为3 992.769 N，侧向力为3 071.36 N。其他方面，制动盘固定座和轮毂螺栓固定座受到相反的扭矩。制动时轮胎抱死，轮胎与地面为滑动摩擦，因此轮胎要克服地面带给轮胎的摩擦力。

通过计算得到轮毂上制动盘固定座和轮毂螺栓受到的力矩约为550 000 N·mm，具体如图2所示。