武漢理工大学のWUTチームは、従来の鋼管サスペンションから特殊なチューブ構造サスペンションにアップグレードしています。丸管をねじ付きスリーブで接続する従来の方法では、軽量化が制限されます。新しい構造は、各部品の剛性要件を満たし、品質を可能な限り制御するために十分な設計柔軟性を備えている必要があります。 金属3D印刷 を提案します。設計は3次元構造で支えられた中空構造を採用し、荷重特性に合わせて形状を設計し、XNUMX次元構造で剛性を確保し品質をコントロールします。金属XNUMXDプリントは、アルミニウムやチタンなどのより軽い材料を使用し、軽量化の期待を実現し、性能を確保します。

1 研究の背景

中国フォーミュラ学生大会（FSAE）は、大学で自動車工学または自動車関連を専攻する学生チームによる自動車設計・製造コンテストです。参加チームは、競技規則とレーシングカー製造基準に従って、1年以内に加速、ブレーキ、ハンドリング性能に優れた小型シングルシートレーシングカーを設計・製造し、競技の全部または一部を無事に完了する必要があります。

FSAEレースの人気と技術の成熟度が高まるにつれ、チームは安定性と信頼性に満足しているだけではありません。軽量化は、車両性能を向上させる効果的な手段として、すべてのチームの共通の焦点となっています。コントロールアームの軽量化により、車両全体の重量が軽減され、バネ下質量が軽減されます。バネ下質量が増加すると、バネ上質量加速度の初期ピーク値は低下しますが、全体的な加速度振幅が変わり、バネ下質量重量比が増加するにつれてバネ上質量加速度の変化がより劇的になります。タイヤの接地力が大幅に変化し、タイヤのグリップ性能が低下し、車両の操縦安定性に影響を与えます[1]。

武漢理工大学WUTチームを含む多くの国内外のチームが、アルミニウム合金ジョイントに接着されたカーボンファイバーチューブを使用してコントロールアームを製造しようと試みてきました。一部の大学は、さらなる軽量化のために金属3Dプリント技術の使用を先導しています。ベルギーのルーベン大学グループチームの「アリアン」は、ほとんどの部品が3Dプリントで作られた世界初のレーシングカーです。2012年の学生フォーミュラに参加し、優れた成績を収めました[2]。ドレスデン工科大学チームは金属3Dプリントを使用してステアリングナックルを製造し、バーデンヴュルテンベルク州立大学チームは金属3Dプリントロッカーアームも使用しています。

3Dプリントの柔軟な設計、曲率変化の大きい多断面曲面の自由な設計、軽量という特徴を踏まえ、金属3Dプリントを統合コントロールアーム設計の製造方法として活用する予定です。

2 コントロールアームの設計

武漢理工大学WUTチームは、過去数年間、炭素繊維丸管接着アルミ合金ジョイントコントロールアームと鋼管コントロールアームを使用していました。 スチールコントロールアームの力解析によると、プッシュロッドに接続された平面が大きな応力を生成し、プッシュロッドに接続されたラグとジョイントの接触部分に応力が集中していることがわかりました。 また、コントロールアームクロスアームの強度冗長性は、追加の質量が追加されることを意味します。 そのため、設計時にこの3つのポイントを考慮して設計を行いました。 関連データの議論とレビューの結果、スケルトンとストレススキンの組み合わせを使用することが、局所的なねじり応力と垂直応力を解決する最良の方法であることがわかりました[XNUMX]。 したがって、コントロールアームの形状を設計して最適化することを優先し、形状に合わせてスケルトンを作成し、ストレススキンを覆うという設計アイデアを採用することを提案します。

2.1 コントロールアームの形状設計

この設計では、右後部のプッシュロッドに接続されたアッパーコントロールアームを設計対象とし、左旋回時の加速を制約条件としています。2021年シーズンのサスペンション設計に基づいて、VI-Gradeでサスペンションモデルを構築し、xmlファイルを生成して車両モデルを構築します。オートクロストラックで車両運動シミュレーションを実行し、リアサスペンションショックアブソーバーの変位データは基本的に設計値と一致しています。ショックアブソーバーの変位データを使用して、プッシュロッド力を計算できます。
プッシュロッド力Fpの計算方法は次の通りである。図中の式(1)を参照。
式（１）において、ｌｐはロッカーアーム平面上のＦｐからロッカーアームの中心距離までの力、Ｆｓはロッカーアーム上のスプリングの力、ｌｓはロッカーアームの中心距離までのＦｓの力である。

リアサスペンションショックアブソーバーの剛性は61 N/m、スプリングの最大圧縮は250 mmであることがわかっています。フックの法則によると、Fs=21.958 Nで、方向はショックアブソーバーに沿ってロッカーアームに向かっています。プッシュロッド力Fpはプッシュロッドに沿ってロッカーアームに向かっており、大きさは不明です。計算により、Fp=1 Nであることがわかります。

プッシュロッドの力をX、Y、Z軸方向のベクトルに分解し、力ベクトル座標（0、-599.668、824.476）を有限要素解析の制約条件として取得します。CATIAで必要な設計空間を作成し、ハードポイントの機能穴を予約します。Ansys静的解析モジュールを使用して基板に負荷条件を設定し、トポロジー最適化モジュールを使用して予備最適化を行います。結果を図1に示します。リフティングイヤーの下の正の応力が大きく、より多くの構造が保持されていることがわかります。後部クロスアームの負​​荷は前部クロスアームの負​​荷よりも大きく、構造の除去が少なく、断面の変化が小さいです。前部クロスアームの負​​荷は小さく、クロスアームは薄く、断面は大きく変化します。コントロールアームは、断面の急激な変化による応力集中を避ける必要があるため、コントロールアームの形状は滑らかな曲面として設計されています。具体的な設計のアイデアは次のとおりです。

CATIA ジェネレーティブ シェイプ デザインでは、モデルの 2 つのビューをインポートして、コントロール アームの輪郭をトレースします。輪郭に従って詳細を追加し、コントロール アームの前後のクロス アームを滑らかな曲面に置き換え、XNUMX つの曲面の間の部分をブリッジします。中央の耳、耳、ベアリング シートに接続された曲面の冗長部分を切り取り、閉じていない部分をブリッジし、すべての曲面を XNUMX つにマージし、閉じた曲面操作を使用して全体をソリッドな全体に変換します。部品設計モジュールでベアリング シートと耳を個別にモデル化し、最後にすべての部品を組み立ててモデリングを完了します (図 XNUMX を参照)。

2.2 コントロールアームの内部骨格の設計

FSAE競技の動的競技には、高速障害物回避、耐久レース、直線加速、4の字ターンなどがある。直線加速を除く他の競技では、自動車は旋回状態になる。旋回状態では、より速い速度で、より小さい旋回半径で安定してコーナーを通過することが時間短縮の鍵となる[XNUMX]。耐久レースと高速障害物回避では、連続したカーブが多いジムカーナトラックを使用する。レース中、ドライバーは最短時間でトラックを通過するために、ステアリングホイールを素早く連続的に回す必要があることが多い。レース中、自動車の荷重移動は速いため、プッシュロッドがコントロールアームに及ぼす力は衝撃荷重とみなすことができる。

要約すると、この設計の内部骨格は、衝撃荷重がコントロールアームに与える悪影響を軽減する必要があります。衝撃荷重下での変形が小さい、剛性が良好、平均安全係数が3以上、最小安全係数が1.3以上、鋼管コントロールアームより軽量という要件を満たす必要があります。コントロールアームの内部骨格については、予備設計で、梁を直接骨格として追加するか、格子サンドイッチ構造を骨格として追加するかのXNUMXつの設計案を提案しています。この設計では、ユニットボディを確立してXNUMXつの設計案の応力分布、品質などの指標を比較し、最終的な設計案を決定することを目的としています。

2.2.1 ラティスサンドイッチ構造とリブ構造

50 mm×50 mm×20 mmの設計空間に、それぞれ典型的な横リブと格子を設定し、サンドイッチ層として外層に接続された薄いシェルのさまざまな応力条件下での機械的性能を分析および比較します。垂直、横、曲げモーメント、トルク、遠端合成力などの荷重を適用して、3つのサンドイッチ配置を分析します。垂直荷重を例にとると、同じ質量レベルの場合、リブの方が強度が高くなりますが、格子構造により、応力が荷重面とサンドイッチ層に均等に分散されることがわかります。リブと格子サンドイッチの応力雲図を図XNUMXに示します。

リブ構造は非常に強固ですが、複雑な作業条件に直面すると、接合部や曲がり部分に応力集中が発生しやすく、リブ間の隙間にかかる荷重を処理するのが難しく、非常に破損しやすくなります。ラティスラティス構造は、より複雑な応力条件に適応でき、サンドイッチ面を均一かつ連続的にサポートし、より優れた機械的特性を備えています。複雑な応力と特殊な構造を持つ特殊形状のコントロールアーム型部品の場合、リブの配置が難しく、その利点を発揮できませんが、ラティスは湾曲したサンドイッチ面に完全に適応し、異なる応力に応じてユニットサイズを変更し、部品の応力分布をより均一にし、より低い品質を実現し、3Dプリントの利点を十分に発揮できます。まとめると、ラティスサンドイッチ構造はこの設計に適しており、最終的にラティスサンドイッチをスケルトン構造として使用することにしました。

2.2.2 ラティス構築のアイデア

RADFORDら[5]は、サンドイッチ構造の衝撃過程にはXNUMXつの段階があると指摘した。第XNUMX段階は流体と構造の相互作用、第XNUMX段階はコアの圧縮、第XNUMX段階はサンドイッチ構造の曲げと伸張である。この設計では第XNUMX段階を考慮する必要がない。

荷重条件の設定によると、単一のラティス配置では明らかに設計目標を満たすことができません。SolidThinking Inspire の最適化モジュールのラティス最適化方法を使用して設計空間を反復し、最適なラティスユニット条件設定を探します。ラティスはトラスに似た構造特性を持ち、形状によって制限されず、設定された範囲内で力条件に応じて直径が変化し、より優れた機械的特性を確保します。最適化モジュールで質量の最小化を選択し、ユニットターゲットの長さと直径の範囲をそれぞれ調整します。材料特性に応じて設定条件を変更し、結果を比較して、図 4 に示すように最適な制約条件を選択します。

ユニット径の範囲を分析すると、最小ユニット径は 1 mm、最大ユニット径は 4.2 mm です。より長いターゲットユニット長を選択すると、より軽量な構造が得られ、最適なターゲット長は 21 mm です。

この設定により、各位置の強度要件を満たしながら最大限の軽量化を実現できます。応力の少ない位置では格子密度を下げてより細い格子を配置し、ラグ、ベアリングシート、リッジなどの応力の大きい位置ではより密で短い格子構造を生成して強度要件を満たします。

金属3Dプリントでよく使われる金属材料には、304ステンレス鋼、316Lステンレス鋼、AlSi10Mg（図ではalで表示）、Ti6Al4Vチタン合金（図ではtiで表示）などがあります。それらの機械的特性、密度、価格、加工難易度は異なります。図5に示すように、異なる材料の最適化条件を変更し、反復的な最適化結果を比較および分析する必要があります。

図5から、同じ強度と安全性の要件の下で、304鋼の最適化結果は大口径構造を埋め、その柔軟性特性を失い、質量が大きく、格子最適化結果が理想的ではない傾向があることがわかります。ただし、アルミニウム合金とチタン合金は、最適化プロセス中に大きな格子径の変化を生み出し、最小安全係数を達成する条件下で非常に低い質量を維持します。10つの材料の格子構造を比較すると、アルミニウム合金は短くて厚いユニット本体の設定でより最適化された結果を達成できますが、チタン合金は優れた機械的特性により、より細くて緩いユニットを得ることができます。数回の反復最適化の後、アルミニウム合金材料の最適化された格子構造は、チタン合金よりも質量が軽く、価格が低いことがわかります。アルミニウム合金はチタン合金よりもベアリングシートの仕上げが難しくないため、AlSi64.72Mg材料を使用することに決定しました。最終的に反復的に最適化された格子構造は、最小安全係数 1.3 を満たしながら質量 80.04 g に達し、元の設計スペース 324.3 g より XNUMX% 軽量化されました。安全要件を満たしながら、軽量化効果は期待どおりです。

最適化された格子をベースに、薄いシェルを追加して、図 6 に示すように、滑らかな外面と優れた表面性能を実現しています。最終的に組み立てられたコントロール アーム構造は、より滑らかな外観を持ち、空気の流れがよりスムーズになり、一般的なコントロール アームの応力条件下でより優れた機械的特性を備えています。マッチング後、全体の質量は最終的に 105.7 g に固定され、従来のコントロール アームよりも大幅に軽量で、機械的特性も優れています。最終的な車両性能を図 7 に示します。

3まとめ

従来の派生設計と比較して、3Dプリントされたストレススキン設計は、より完全で滑らかな外観を得ることができます。ラティスサンドイッチは、絶えず変化する微細構造と高い多孔性を備えており、軽量、高強度、耐爆発性、耐衝撃性、高効率の放熱と断熱性、電磁波と音の吸収などの優れた特性も備えています。学生の公式では、 3D印刷技術 また、格子サンドイッチ技術は、標準部品の機械的特性が悪いという問題を解決します。特殊形状構造の加工問題により、大学生はより大胆で過激なデザインを作ることができ、学生フォーミュラ技術の発展を促進します。製造業では、Czingerの21Cスーパーカーは金属3Dプリント技術を使用してシャーシとボディを製造しています。板状の立方格子構造のエネルギー吸収ボックスは、従来のエネルギー吸収ボックスよりも優れた耐衝撃性とエネルギー吸収特性を備えており、軽量自動車パッシブ保護の分野で幅広い応用展望を持っています[6]。要約すると、3Dプリント技術と格子サンドイッチ技術はどちらも広い展望を持っています。非常に高い設計柔軟性により、自動車のボディ、パワー、シャーシシステムに適用でき、用途が広い。