方程式賽車立柱優化設計
摘 要:方程式賽車立柱是整車最重要的部分之一，立柱受力復雜且屬于簧下質量。本文應用 solidThinking Inspire 軟件設計立柱模型，在滿足復雜受力的前提下實現立柱輕量化。
關鍵詞: 立柱優化 solidThinking Inspire
1 概述
中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國 FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規則和賽車制造標準，在一年的時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優異表現的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環節的比賽。中國大學生方程式汽車大賽于 2010 年在上海第一次舉辦， 經過三年發展參賽高校達到 40 多所，各車隊制造加工的賽車質量也不斷提高，競爭日益激烈。
立柱是賽車最重要的部分之一，其上連接有輪轂、懸架上下 A 臂和制動卡鉗，并且承載整車質量。制造加工中，立柱由自行設計加工得到。立柱受力復雜，容易出現問題。同時立柱屬于賽車的 簧下質量。減少賽車的簧下質量有助于提高賽車的操縱穩定性。所以在保證立柱足夠剛度的情況下需要盡量減小其質量。為降低質量采用材料為 7075 航空鋁材。
2 優化空間確定
立柱模型如圖 1 所示：
圖 1 優化前立柱模型
模型右側設計空間為制動卡鉗安裝位置（2 個安裝孔）。上部為上 A 臂支座安裝位置（2 個安裝孔）。下部為下 A 臂支座安裝位置（4 個安裝孔）。中間圓環為輪轂軸承安裝位置。由于加工復雜且對立柱輕量化作用不明顯，圖中灰色部分不做為設計空間。紅色部分為設計空間。
3 優化過程
各工況受力大小和方向根據實際參數計算得到：整車總質量 300kg（含駕駛員）；由于采用半熱熔胎，最大制動減速度 1.4g，轉向向心加速度 1.4g，前后軸荷比 0.4:0.6，立柱材料為 7075 鋁材。
3.1 軸承約束
整個立柱約束軸承孔。約束如圖 2 所示：
圖 2 立柱軸承孔約束
3.2 A 臂受力分析
A 臂連接車架和立柱。由于立柱通過 A 臂承載車身質量，所以 A 臂對立柱產生的豎直向下的力， 作用于上下 A 臂安裝塊固定孔，力的大小取決于賽車總質量。受力如下圖 3 所示：
圖 3 A 臂受力圖
3.3 制動工況
（1）制動卡鉗安裝孔受力：方向豎直向下，制動力大小取車輪抱死時卡鉗提供的力。
（2）減速度產生的力：沿賽車前進方向，大小取決于輪胎附著系數 1.4。 受力如下圖 4 所示：
圖 4 制動工況受力圖
3.4 轉向工況
由離心力產生的力分別作用在軸承孔和上下 A 臂安裝塊。向心加速度最大為 1.4g。分為向左和 向右轉向兩種工況，受力如下圖 5 所示：
圖 5 轉向工況受力圖
取 mass targets 為 35% of total design space volume。上述工況按實際情況設置完成后開始優化，優化后模型如下圖 6 所示：
圖 6 立柱優化后模型
4 總結
根據優化結果重新設計的立柱模型，見圖 7
圖 7 再設計后立柱模型
美國 Altair 公司的 solidThinking Inspire 為立柱設計提供了很好的依據。優化后的模型滿足立柱復雜的受力情況，在保證足夠剛度的前提下使質量大幅降低，從而提高了賽車的性能。
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