方程式赛车立柱优化设计
摘 要:方程式赛车立柱是整车最重要的部分之一，立柱受力复杂且属于簧下质量。本文应用 solidThinking Inspire 软件设计立柱模型，在满足复杂受力的前提下实现立柱轻量化。
关键词: 立柱优化 solidThinking Inspire
1 概述
中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国 FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。中国大学生方程式汽车大赛于 2010 年在上海第一次举办， 经过三年发展参赛高校达到 40 多所，各车队制造加工的赛车质量也不断提高，竞争日益激烈。
立柱是赛车最重要的部分之一，其上连接有轮毂、悬架上下 A 臂和制动卡钳，并且承载整车质量。制造加工中，立柱由自行设计加工得到。立柱受力复杂，容易出现问题。同时立柱属于赛车的 簧下质量。减少赛车的簧下质量有助于提高赛车的操纵稳定性。所以在保证立柱足够刚度的情况下需要尽量减小其质量。为降低质量采用材料为 7075 航空铝材。
2 优化空间确定
立柱模型如图 1 所示：
图 1 优化前立柱模型
模型右侧设计空间为制动卡钳安装位置（2 个安装孔）。上部为上 A 臂支座安装位置（2 个安装孔）。下部为下 A 臂支座安装位置（4 个安装孔）。中间圆环为轮毂轴承安装位置。由于加工复杂且对立柱轻量化作用不明显，图中灰色部分不做为设计空间。红色部分为设计空间。
3 优化过程
各工况受力大小和方向根据实际参数计算得到：整车总质量 300kg（含驾驶员）；由于采用半热熔胎，最大制动减速度 1.4g，转向向心加速度 1.4g，前后轴荷比 0.4:0.6，立柱材料为 7075 铝材。
3.1 轴承约束
整个立柱约束轴承孔。约束如图 2 所示：
图 2 立柱轴承孔约束
3.2 A 臂受力分析
A 臂连接车架和立柱。由于立柱通过 A 臂承载车身质量，所以 A 臂对立柱产生的竖直向下的力， 作用于上下 A 臂安装块固定孔，力的大小取决于赛车总质量。受力如下图 3 所示：
图 3 A 臂受力图
3.3 制动工况
（1）制动卡钳安装孔受力：方向竖直向下，制动力大小取车轮抱死时卡钳提供的力。
（2）减速度产生的力：沿赛车前进方向，大小取决于轮胎附着系数 1.4。 受力如下图 4 所示：
图 4 制动工况受力图
3.4 转向工况
由离心力产生的力分别作用在轴承孔和上下 A 臂安装块。向心加速度最大为 1.4g。分为向左和 向右转向两种工况，受力如下图 5 所示：
图 5 转向工况受力图
取 mass targets 为 35% of total design space volume。上述工况按实际情况设置完成后开始优化，优化后模型如下图 6 所示：
图 6 立柱优化后模型
4 总结
根据优化结果重新设计的立柱模型，见图 7
图 7 再设计后立柱模型
美国 Altair 公司的 solidThinking Inspire 为立柱设计提供了很好的依据。优化后的模型满足立柱复杂的受力情况，在保证足够刚度的前提下使质量大幅降低，从而提高了赛车的性能。
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