艾天乐，苏 炜

（武汉理工大学国际教育学院，湖北 武汉 430000）

巴哈赛车是一种全地形的越野式赛车，其车架采用一体式钢管构造。为了保证在行驶的过程中对车手的保护，需要对车架结构之间的空缺处运用边板进行维护。常常使用的材料为碳纤维板，碳纤维板与一体式钢管式车架的连接是需要运用螺栓与吊耳的配合进行机械固定的。而在固定的过程中为了能够牢固、精确地将吊耳固定在车架上，需要耗费大量的时间进行定位以及修补，在这个过程中对整车车架会产生伤害。为了优化此过程，通过对原有的吊耳进行优化，新型的吊耳不仅质量变小，同时与钢管可以紧密接触而无需肉眼定位。

1 建立吊耳模型

通过CATIA 软件可以建立出吊耳的初步模型。根据《2018 中国汽车工程学会巴哈大赛竞赛规则》，在CAITA软件中建立所需要的车架模型，主构的钢管外径为31.75 mm，次构的钢管外径为12.7 mm，因此此次设计的吊耳的弯曲半径也会根据主构与次构之间的不同而进行改进。

2 实例分析

在中国2019 年的汽车工程学会全国巴哈赛车比赛中，武汉理工大学巴哈赛车队设计的巴哈赛车钢管式车架在进行边板安装的过程中遇到了很大的问题，其中之一便是吊耳的固定与定位。传统的吊耳是采用方形底座，不仅无法与钢管紧密贴合，并且极难将其进行稳定的定位操作。此次吊耳的设计优化了吊耳的定位问题，并应赛事举办方的要求，尽量对吊耳进行轻量化处理，如图1 所示。

通过对吊耳进行优化操作之后，整车的质量有轻微的下降，并更容易对一些细微地方进行定位安装操作。

3 建立吊耳ANSYS 有限元模型

将CATIA 的模型导入到ANSYS-WORKBENCH 中的Static Structural 模块中对其进行受力分析得到应力应变云图。

图1 吊耳设计概念图

设置正确的参数：模具钢。

抗拉强度σb（MPa）≥930（95）。

屈服强度σs（MPa）：≥785（80）。

伸长率δ5（%）：≥12。

断面收缩率ψ（%）：≥50。

冲击功Akv（J）：≥63。

冲击韧性值αkv（J/cm2）：≥78（8）。

硬度：≤229 HB。

试样尺寸：试样毛坯尺寸为25 mm。

热处理规范：淬火880 ℃。

4 吊耳静力学分析

吊耳进行的是机械固定，因此在安装的过程中会受到一定的压力，在压力的作用下一些吊耳会产生变形。通过对吊耳两侧的支撑面进行固定，同时在受力位置进行加压，可以得到吊耳在安装的过程中所受的冲击力。同时位于座椅下方以及头枕后方的吊耳会分别承担车手的质量以及在急停时车手头部向后的加速度，均会对吊耳产生冲击。最后，吊耳在巴哈赛车行驶过崎岖路段时也会受到很大的冲击力导致断裂，因此需要在吊耳与钢管连接处施加载荷，测试其稳定程度。

4.1 普通式吊耳

最简易的吊耳只是强化了定位效果，仿真结果显示吊耳受力稳定，可以承载较大载荷，使边板能够稳定地固定在车架上，如图2 所示。

图2 普通式吊耳应力应变云图总

4.2 轻量化普通吊耳

通过对普通式吊耳进行打孔，不仅增加了美观度，且分析结果显示吊耳并不会因此而变得过于脆弱，依然可以承受较大的载荷来固定碳纤维板，如图3 所示。

图3 轻量化吊耳应力云图

由图3 可知，镂空之后的吊耳并不会产生更大的形变，与之前相比无明显缺陷，且大幅降低自身质量，因此设计是合理的。

4.3 前板吊耳分析

巴哈赛车的前舱需要安装制动踏板转向轴以及其他部件，空间狭小，不易进行吊耳的安装与定位，且巴哈赛车在行驶过程中前端较容易发生碰撞，所以需要通过对前舱的吊耳进行加厚处理。如图4 所示，此类型吊耳可以在最大化利用空间的同时较为稳固地在钢管上进行定位操作。并对其转角处施加4 000 Pa 载荷，对螺栓连接孔施加3 000 Pa 载荷，分析其受力后的应力应变总云图，如图4 所示。

图4 前板吊耳应力应变总云图

可以看到此吊耳可以承受较大压力且无断裂发生，最大的应变位于螺栓连接处。而此处会被螺栓夹紧，因此不会有较大变形发生。

4.4 头枕吊耳分析

巴哈赛车头枕一般是采用海绵等软料制作而成以为选手遭到冲击时提供必要的防护。但是由于巴哈赛车钢管式车架的背环设计，并且根据《2018 中国汽车工程学会巴哈大赛竞赛规则》，LDB 斜杆的存在使得头枕的安装变得及其困难。因此此次为头枕设计了专用吊耳，由两部分拼接而成。在头枕靠近背环的部分加装一块铝板之后便可顺延LDB 的方向进行吊耳的固定与安装。对吊耳的螺栓连接处施加3 000 Pa 载荷以及1g 的加速度，对吊耳与钢管的连接处进行4 000 Pa 的载荷加持，并固定其两侧的支撑面。分析结果的应力应变总云图如图5 所示，合并使用如图6 所示。

图5 头枕吊耳应力应变总云图

图6 头枕吊耳使用连接图

可以看到吊耳的最大变形出发生在连接处，但在最后的实际操作中，整成落地之前会对其接口进行焊接从而增加强度，通过软件分析验证，焊接之后的缺口无较大形变产生。

4.5 美观设计边板吊耳分析

在满足了安装的稳定性以及精确性之后对吊耳进行一定程度的优化并更大幅度的减轻其质量，可运用于受力较小的发动机边板等不会受到直接冲击的位置，可提升整车的美观性，并且会使得整车的质量得到微量的降低。如4.4 对其施加载荷与固定，其总应力应变分析云图如图7 所示。

图7 美观设计边板吊耳应力应变总云图

如图7 所示，虽镂空了大半个吊耳，但是其稳定性并未受到较大影响，最大的形变发生于两侧的螺栓连接处，但在实际操作中，两侧的螺栓作用为辅助加固并在如号码牌等所需载荷小的地方起到节省吊耳减轻车重以及工作度，因此此次吊耳设计是合理的。

5 分析总结

巴哈赛车在生产的过程中由于整车空间狭小，对于各个细微零件是否可以准确定位并可以简便安装提出了较高的要求。同时由于巴哈赛车的行驶路段多为崎岖山路，在此路段行车会使得全车产生较大的振动。通过ANSYSWORKBENCH-MODAL 模块的分析可以得知，巴哈赛车的剧烈振动会对边板造成较大冲击并使得吊耳产生断裂。此次设计吊耳通过对连接处加厚处理而使得此现象大幅减弱。同时巴哈赛车对于整车的质量有较高要求，追求车辆的轻量化，通过对吊耳的结构进行优化，在不影响整体使用以及受力能力的基础上进行了镂空等处理，因为巴哈赛车所需吊耳数量众多，通过此操作可使得整车的质量有一定的减轻。最后此次设计的吊耳符合基本美学，较为美观，对巴哈赛车的整体外形有优化作用。