Каманда WUT Уханьскага тэхналагічнага ўніверсітэта пераходзіць з традыцыйнай сталёвай трубчастай падвескі на спецыяльную трубчастую падвеску. Традыцыйны спосаб злучэння круглых труб з разьбовымі гільзамі абмяжоўвае палегчанасць. Новая структура павінна мець дастатковую гібкасць канструкцыі, каб адпавядаць патрабаванням калянасці кожнай часткі і кантраляваць якасць, наколькі гэта магчыма. Суцэльная канструкцыя рычага кіравання на аснове металічная 3D-друк прапануецца. У канструкцыі выкарыстоўваецца полая структура, якая падтрымліваецца трохмернай структурай, а форма распрацавана ў адпаведнасці з характарыстыкамі нагрузкі, і трохмерная структура выкарыстоўваецца для забеспячэння цвёрдасці і кантролю якасці. Для 3D-друку на метале выкарыстоўваюцца больш лёгкія матэрыялы, такія як алюміній і тытан, каб дасягнуць чаканага зніжэння вагі і забяспечыць прадукцыйнасць.

1 Даследаванне

Студэнцкі конкурс "Кітайская формула" (FSAE) - гэта спаборніцтва па распрацоўцы і вытворчасці аўтамабіляў для каманд студэнтаў, якія навучаюцца ў каледжах і універсітэтах па спецыяльнасцях аўтамабілебудавання або звязаных з аўтамабілем. Кожная каманда-ўдзельніца павінна спраектаваць і вырабіць невялікі аднамесны гоначны аўтамабіль з выдатнымі характарыстыкамі ў паскарэнні, тармажэнні і кіраванні на працягу 1 года ў адпаведнасці з правіламі спаборніцтваў і стандартамі вытворчасці гоначных аўтамабіляў, і можа паспяхова завяршыць цалкам або часткова спаборніцтва.

З ростам папулярнасці гонак FSAE і развіццём тэхналогій каманды задавальняюцца не толькі стабільнасцю і надзейнасцю. Палегчэнне, як эфектыўны сродак для паляпшэння характарыстык аўтамабіля, стала агульным акцэнтам усіх каманд. Палягчэнне рычагоў кіравання зніжае вагу ўсяго аўтамабіля пры зніжэнні неподрессоренной масы. Калі непадрэсораная маса павялічваецца, пачатковае пікавае значэнне паскарэння неподрессоренной масы памяншаецца, але агульная амплітуда паскарэння змяняецца, і змяненне паскарэння неподрессоренной масы становіцца больш рэзкім па меры павелічэння каэфіцыента вагі неподрессоренной масы. Сіла кантакту з шынамі значна змяняецца, што прыводзіць да пагаршэння счаплення з шынамі і ўплывае на стабільнасць кіравання аўтамабілем [1].

Многія айчынныя і замежныя каманды, у тым ліку каманда Уханскага тэхналагічнага ўніверсітэта WUT, спрабавалі выкарыстаць трубы з вугляроднага валакна, змацаваныя з алюмініевым сплавам, каб зрабіць рычагі кіравання. Некаторыя ўніверсітэты ўзялі на сябе вядучую ролю ў выкарыстанні тэхналогіі 3D-друку на метале для далейшага зніжэння вагі. «Arian» каманды групы Лёвенскага ўніверсітэта ў Бельгіі - гэта першы ў свеце гоначны аўтамабіль, большасць дэталяў якога зроблены з дапамогай 3D-друку. Ён удзельнічаў у Formula Student 2012 і дасягнуў выдатных вынікаў[2]. Каманда Дрэздэнскага тэхналагічнага ўніверсітэта выкарыстоўвае металічны 3D-друк для вырабу рулявых кулакаў, а каманда Бадэн-Вюртэмбергскага дзяржаўнага ўніверсітэта супрацоўніцтва нават выкарыстоўвае металічныя 3D-друкаваныя каромыслы.

Грунтуючыся на характарыстыках 3D-друку, гнуткай канструкцыі, свабоднай канструкцыі шматсекцыйных крывалінейных паверхняў з вялікімі зменамі крывізны і лёгкай вазе, плануецца выкарыстоўваць 3D-друк на метале ў якасці метаду вытворчасці для праектавання інтэграванага рычага кіравання.

2 Дызайн рычага кіравання

У папярэднія гады каманда Уханскага тэхналагічнага ўніверсітэта WUT выкарыстоўвала круглыя ​​трубкі з вугляроднага валакна, клееныя з алюмініевага сплаву, рычагі кіравання і сталёвыя трубкі. Згодна з аналізам сілы сталёвага рычага кіравання, было выяўлена, што плоскасць, злучаная са штурхачом, стварала вялікую напругу, а кантактная частка выступу і злучэння, злучаных са штурхачом, мела канцэнтрацыю напружання; і празмернасць трываласці крыжавіны рычага кіравання азначае, што дадаецца дадатковая маса. Такім чынам, дызайн робіцца для гэтых двух кропак падчас праектавання. Пасля абмеркавання і агляду адпаведных дадзеных было выяўлена, што выкарыстанне каркаса ў спалучэнні з напружанай скурай з'яўляецца найлепшым спосабам вырашыць лакальнае напружанне кручэння і вертыкальнае напружанне [3]. Такім чынам, прапануецца ўзяць на ўзбраенне дызайнерскую ідэю, надаўшы прыярытэт распрацоўцы і аптымізацыі формы рычага кіравання, выкананню шкілета ў адпаведнасці з формай і пакрыццю напружанай скуры.

2.1 Дызайн формы рычага кіравання

У гэтай канструкцыі ў якасці аб'екта распрацоўкі выкарыстоўваецца верхні рычаг кіравання, падлучаны да штурхача з правага задняга боку, а ў якасці ўмовы абмежавання выкарыстоўваецца паскарэнне пасля павароту налева. Згодна з канструкцыяй падвескі сезона 2021 года, мадэль падвескі ўсталёўваецца ў VI-Grade, і файл xml ствараецца для ўстанаўлення мадэлі транспартнага сродку. Мадэляванне дынамікі транспартнага сродку праводзіцца на трасе AutoCross, і дадзеныя аб аб'ёме амартызатара задняй падвескі ў асноўным адпавядаюць праектным значэнням. Дадзеныя аб аб'ёме амартызатара можна выкарыстоўваць для разліку сілы штурхача.
Метад разліку сілы штурхача Fp наступны: Глядзіце формулу (1) на малюнку
У формуле (1): lp - сіла Fp на плоскасці каромысла да цэнтру каромысла; Fs - сіла спружыны на каромысле; ls - гэта сіла Fs, уздзейнічаная на адлегласць паміж цэнтрамі каромысла.

Вядома, што калянасць амартызатара задняй падвескі складае 61 250 Н/м, а максімальнае сціск спружыны - 21.958 мм. Згодна з законам Гука, Fs=1 344.868 Н, кірунак - уздоўж амартызатара да каромысла. Сіла штурхача Fp накіравана ўздоўж штурхача да каромысла, і велічыня невядомая. Разліковым шляхам ўстаноўлена, што Fp=1 019.49 Н.

Сіла штурхача раскладваецца на вектары па восях X, Y і Z, каб атрымаць каардынаты вектара сілы (0, -599.668, 824.476) у якасці абмежавальных умоў аналізу канечных элементаў. Неабходная дызайнерская прастора ствараецца ў CATIA, а функцыянальныя адтуліны цвёрдых кропак зарэзерваваны. Умова нагрузкі задаецца на падкладцы з дапамогай модуля статычнага аналізу Ansys, а модуль аптымізацыі тапалогіі выкарыстоўваецца для папярэдняй аптымізацыі. Вынікі паказаны на малюнку 1. Можна выявіць, што станоўчае напружанне ніжэй пад'ёмнага вуха вялікае, і больш структур захоўваецца. Нагрузка на задні папярочны рычаг больш, чым на пярэдні папярочны рычаг, канструкцыя менш здымаецца, а перасек мала змяняецца; нагрузка на пярэдні папярочны рычаг менш, папярочны рычаг танчэй, а папярочны перасек моцна змяняецца. Паколькі рычаг кіравання павінен пазбягаць канцэнтрацыі напружання з-за рэзкіх змен папярочнага перасеку, форма рычага кіравання выканана ў выглядзе гладкай выгнутай паверхні. Канкрэтныя дызайнерскія ідэі наступныя.

У генератыўным дызайне формы CATIA імпартуйце тры віды мадэлі, каб прасачыць контур рычага кіравання. У адпаведнасці з контурам дадайце дэталі, заменіце пярэднія і заднія папярочныя рычагі рычага кіравання гладкімі выгнутымі паверхнямі і злучыце частку паміж дзвюма выгнутымі паверхнямі. Адрэжце лішнюю частку выгнутай паверхні, злучаную з вушкам пасярэдзіне, вуха і сядзенне падшыпніка, перакрыйце незамкнёную частку, аб'яднайце ўсе выгнутыя паверхні ў адно цэлае і выкарыстоўвайце аперацыю закрытай паверхні, каб пераўтварыць цэлае ў суцэльнае цэлае. Змадэлюйце сядзенне падшыпніка і вуха асобна ў модулі канструкцыі дэталі і, нарэшце, збярыце ўсе дэталі, каб завяршыць мадэляванне, як паказана на малюнку 2.

2.2 Канструкцыя ўнутранага каркаса рычага кіравання

Дынамічныя падзеі ў спаборніцтвах FSAE ўключаюць у сябе хуткасны аб'езд перашкод, гонку на цягавітасць, паскарэнне па прамой і паварот васьмёркай. За выключэннем паскарэння па прамой, іншыя падзеі прыводзяць машыну ў стан павароту. Ва ўмовах павароту ключом да скарачэння часу з'яўляецца стабільнае праходжанне павароту на больш высокай хуткасці і з найменшым радыусам павароту [4]. У гонцы на цягавітасць і хуткасным абыходзе перашкод выкарыстоўваецца дарожка гімхана, якая мае шмат бесперапынных выгібаў. Падчас гонкі кіроўцу часта трэба хутка і бесперапынна круціць руль, каб праехаць трасу за самы кароткі час. Падчас гонкі перадача нагрузкі ад аўтамабіля адбываецца хутка, таму сілу штурхача на рычаг кіравання можна разглядаць як ударную нагрузку.

Такім чынам, унутраны шкілет гэтай канструкцыі павінен паменшыць негатыўнае ўздзеянне ўдарнай нагрузкі на рычаг кіравання. Ён павінен адпавядаць патрабаванням малой дэфармацыі пры ўдарнай нагрузцы, добрай калянасці, сярэдняга каэфіцыента бяспекі больш за 3, мінімальнага каэфіцыента бяспекі не менш за 1.3 і меншай вагі, чым рычаг кіравання сталёвай трубкай. Унутраны шкілет рычага кіравання, эскізны праект прапануе дзве канструктыўныя ідэі: даданне бэлек непасрэдна ў якасці каркаса або даданне рашоткавай канструкцыі ў выглядзе сэндвіча ў якасці каркаса. Гэтая канструкцыя мае намер параўнаць размеркаванне напружання, якасць і іншыя паказчыкі дзвюх праектных схем шляхам стварэння адзінкавага корпуса, каб вызначыць канчатковую схему праектавання.

2.2.1 Сэндвіч-канструкцыя рашоткі супраць рэбраў

У праектнай прасторы памерам 50 мм × 50 мм × 20 мм усталёўваюцца тыповыя папярочныя рэбры і рашоткі адпаведна, а таксама аналізуюцца і параўноўваюцца механічныя характарыстыкі тонкай абалонкі, злучанай з вонкавым пластом у якасці сэндвіч-слоя пры розных умовах напружання. Прымяняючы вертыкальную, бакавую, выгінаючы момант, крутоўны момант, складаную сілу на далёкім канцы і іншыя нагрузкі, аналізуюцца два сэндвічы. Прымаючы ў якасці прыкладу вертыкальную нагрузку, можна выявіць, што пры аднолькавым узроўні масы рэбры маюць большую трываласць, але рашоткавая структура робіць напружанне больш раўнамерным размеркаваннем на паверхні нагрузкі і сэндвіч-пласце. Дыяграма воблака напружання рэбраў і сэндвіч-рашоткі паказана на малюнку 3.

Канструкцыя рэбраў вельмі трывалая, але ў складаных умовах працы канцэнтрацыя напружання схільная ўзнікаць у месцах злучэнняў і выгібаў, і цяжка справіцца з нагрузкай, якая прыкладаецца да зазораў паміж рэбрамі, якія вельмі лёгка выйсці з ладу. Рашэцістая структура Lattice можа адаптавацца да больш складаных умоў напружання, мае аднастайную і бесперапынную падтрымку паверхні сэндвіча і мае лепшыя механічныя ўласцівасці. Для дэталяў тыпу рычага кіравання асаблівай формы са складаным напружаннем і асаблівай структурай рэбры цяжка арганізаваць і не могуць адыгрываць свае перавагі, у той час як рашотка можа цалкам адаптавацца да выгнутай паверхні сэндвіча, змяняць памер блока ў залежнасці ад розных напружанняў, рабіць больш раўнамернае размеркаванне напружання ў кампанентах, дасягненне больш нізкай якасці і поўнае выкарыстанне пераваг 3D-друку. Такім чынам, рашоткавая сэндвіч-канструкцыя больш падыходзіць для гэтай канструкцыі, і, нарэшце, вырашана выкарыстоўваць рашотку-сэндвіч у якасці каркаснай канструкцыі.

2.2.2 Ідэі ўстаноўкі рашотак

РЭДФОРД і інш. [5] адзначылі, што існуе тры стадыі ў працэсе ўдару сэндвіч-канструкцый: першая стадыя - гэта ўзаемадзеянне паміж вадкасцю і структурай, другая стадыя - гэта сціск ядра, і трэцяя стадыя - гэта згінанне і расцяжэнне ядра. сэндвіч-канструкцыя. Гэтая канструкцыя не мае патрэбы ў разглядзе першага этапу.

У адпаведнасці з наладай умоў нагрузкі аднакратная рашотка, відавочна, не можа адпавядаць праектнай мэты. Дызайнерская прастора паўтараецца з выкарыстаннем метаду аптымізацыі рашоткі модуля Optimize у SolidThinking Inspire для пошуку найлепшай налады стану блока рашоткі. Рашотка будзе мець структурныя характарыстыкі, падобныя на фермы, без абмежаванняў па форме, і яе дыяметр змяняецца ў залежнасці ад сілы ў зададзеным дыяпазоне, каб забяспечыць лепшыя механічныя ўласцівасці. Выберыце мінімізаваць масу ў модулі аптымізацыі і адрэгулюйце мэтавую даўжыню адзінкі і дыяпазон дыяметра адпаведна. Змяніце ўмовы налады ў адпаведнасці са ўласцівасцямі матэрыялу і параўнайце вынікі, каб выбраць найлепшыя ўмовы абмежавання, як паказана на малюнку 4.

Аналізуючы дыяпазон дыяметраў блока, мінімальны дыяметр блока складае 1 мм, а максімальны дыяметр блока - 4.2 мм. Выбар большай даўжыні адзінкі мэты можа атрымаць больш лёгкую структуру, а аптымальная даўжыня мэты складае 21 мм.

Гэтая налада дазваляе дасягнуць максімальнай лёгкасці пры задавальненні патрабаванняў трываласці кожнай пазіцыі. Ён зніжае шчыльнасць рашоткі ў месцы з меншым напружаннем, утварае больш тонкую рашотку і стварае больш шчыльную і кароткую структуру рашоткі ў месцы з большай нагрузкай, напрыклад, выступ, сядзенне падшыпніка і грэбень, каб адпавядаць патрабаванням трываласці.

Металічныя матэрыялы, якія звычайна выкарыстоўваюцца для 3D-друку на метале, уключаюць нержавеючую сталь 304, нержавеючую сталь 316L, AlSi10Mg (пазначана al на малюнку) і тытанавы сплаў Ti6Al4V (пазначаны ti на малюнку). Іх механічныя ўласцівасці, шчыльнасць, кошт і складанасць апрацоўкі адрозніваюцца. Неабходна змяніць умовы аптымізацыі для розных матэрыялаў і параўнаць і прааналізаваць вынікі ітэрацыйнай аптымізацыі, як паказана на малюнку 5.

На малюнку 5 відаць, што пры аднолькавых патрабаваннях да трываласці і бяспекі вынікі аптымізацыі сталі 304, як правіла, запаўняюць структуру вялікага дыяметра, губляюць свае гнуткія характарыстыкі, маюць вялікую масу, а вынікі аптымізацыі рашоткі не ідэальныя. Тым не менш, алюмініевы сплаў і тытанавы сплаў вырабляюць вялікія змены дыяметра рашоткі ў працэсе аптымізацыі і падтрымліваюць надзвычай нізкую масу пры ўмове дасягнення мінімальнага каэфіцыента трываласці. Параўноўваючы структуры рашоткі двух матэрыялаў, алюмініевы сплаў можа дамагчыся больш аптымізаваных вынікаў у кароткім і тоўстым корпусе блока, у той час як тытанавы сплаў можа атрымаць больш тонкія і свабодныя блокі дзякуючы сваім выдатным механічным уласцівасцям. Пасля некалькіх этапаў ітэрацыйнай аптымізацыі можна высветліць, што аптымізаваная рашоткавая структура матэрыялу з алюмініевага сплаву мае меншую масу і меншы кошт, чым тытанавы сплаў. Алюмініевы сплаў таксама менш складаны для аздаблення сядзення падшыпніка, чым тытанавы сплаў, таму вырашана выкарыстоўваць матэрыял AlSi10Mg. Канчатковая ітэрацыйна аптымізаваная структура рашоткі дасягае масы 64.72 г пры захаванні мінімальнага каэфіцыента бяспекі 1.3, што на 80.04% лягчэй, чым першапачатковае праектнае прастора 324.3 г. Пры выкананні патрабаванняў бяспекі эфект зніжэння вагі адпавядае чаканаму.

На аснове аптымізаванай рашоткі дадаецца тонкая абалонка, каб атрымаць гладкую вонкавую паверхню і лепшыя характарыстыкі паверхні, як паказана на малюнку 6. Канчаткова сабраная структура рычага кіравання мае больш гладкі выгляд, дазваляючы паветранаму патоку цячы больш гладка, і мае лепшыя механічныя ўласцівасці пры тыповых умовах нагрузкі на рычаг. Пасля ўзгаднення агульная маса канчаткова зафіксавана на ўзроўні 105.7 г, што значна лягчэй, чым традыцыйны рычаг кіравання, і мае лепшыя механічныя ўласцівасці. Канчатковыя характарыстыкі аўтамабіля паказаны на малюнку 7.

3 Заключэнне

У параўнанні з традыцыйным вытворным дызайнам, 3D-друкаваны дызайн стрэсавай скуры можа атрымаць больш поўны і гладкі выгляд. Рашэцісты сэндвіч мае пастаянна змяняюцца мікраструктуру і высокую сітаватасць, а таксама мае выдатныя ўласцівасці, такія як лёгкі вага, высокая трываласць, выбухаўстойлівасць, ударатрываласць, высокая эфектыўнасць адводу цяпла і цеплаізаляцыі, а таксама паглынання электрамагнітных хваль і гуку. У студэнцкай формуле спалучэнне з Тэхналогія 3D друку і рашоткавая сэндвіч-тэхналогія вырашае праблему дрэнных механічных уласцівасцяў стандартных дэталяў. Праблема апрацоўкі канструкцый спецыяльнай формы дазваляе студэнтам каледжа ствараць больш смелыя і радыкальныя дызайны, што спрыяе развіццю тэхналогіі студэнцкіх формул. У апрацоўчай прамысловасці суперкар Czinger 21C выкарыстоўвае тэхналогію 3D-друку з металу для вытворчасці шасі і кузава. Каробка паглынання энергіі кубічнай рашоткі ў форме пласціны мае лепшую ўдаратрываласць і характарыстыкі паглынання энергіі, чым традыцыйная скрынка паглынання энергіі, і мае шырокія перспектывы прымянення ў галіне пасіўнай абароны лёгкіх аўтамабіляў [6]. Такім чынам, як тэхналогія 3D-друку, так і тэхналогія рашоткавага сэндвіча маюць шырокія перспектывы. Дзякуючы надзвычай высокай гнуткасці канструкцыі, яны могуць прымяняцца да кузава, сілавых сістэм і шасі аўтамабіляў з шырокім спектрам прымянення.