一种FSAE赛车金属3D打印的转向节及其制作方法与流程

本发明涉及一种方程式赛车零部件，具体涉及一种FSAE赛车金属3D打印的转向节及其制作方法。

背景技术：

在大学生方程式赛车比赛中，在动力一定的情况下，除去车手以及其他因素的影响，赛车的质量的大小决定了加速的快慢，所以对于赛车各零部件的设计不仅要满足强度刚度要求，还要在前者的基础上极致轻量化，而对悬架而言，对关键零件——转向节进行轻量化，不仅有利于整车质量的减轻，而且也使得簧下质量响应更快。然而对于许多车队来说，由于受传动加工的限制，许多车队的转向节轻量化已经做到极致，很难再突破，然而随着时下3D打印技术的兴起，转向节的轻量化又找到了新的突破口。

技术实现要素：

发明目的：为了克服传统加工技术的限制，本发明旨于提供一种采用金属3D打印技术，进行轻量化并且提高强度刚度的FSAE赛车的转向节及其制作方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种FSAE赛车金属3D打印的转向节，包括轮毂轴承安装孔，所述轮毂轴承安装孔上方为上A臂安装部，上A臂安装部顶端设有两个上A臂安装孔；轮毂轴承安装孔下方为下A臂安装部，下A臂安装部底端设有下A臂安装孔；下A臂安装部侧边设有转向横拉杆安装部，转向横拉杆安装部上设有两个转向横拉杆安装孔；上A臂安装部、下A臂安装部、转向横拉杆安装部和轮毂轴承安装孔侧壁均为镂空结构；轮毂轴承安装孔一侧侧边设有轮速传感器安装部，轮速传感器安装部设有两个轮速传感器安装孔；轮毂轴承安装孔另一侧侧边的上下均设有制动卡钳安装部，每个制动卡钳安装部上均设有制动卡钳安装孔。

工作原理：本发明FSAE赛车金属3D打印的转向节；在满足安装要求的条件下建立初始的3维模型，此时不对模型进行镂空处理，将此原始模型导入到能进行拓扑优化软件中，然后将详细的受力计算输入到模型中，优化完成后，仿照优化的模型进行逆向建模，对重新建模后的模型进行强度校核，最后进行金属3D打印。分析结果表明，该模型相对于传统模型来说，质量小，但强度刚度还比传统模型提高了很多。

所述转向节的上A臂安装部、下A臂安装部和转向横拉杆安装部的镂空部均为空间网状结构，通过软件的优化生成；能提高转向节强度和刚度，减轻转向节质量。

所述轮毂轴承安装孔内壁沿孔周设有一圈轴肩，将轮毂轴承安装孔分为正反两面两个轴承安装部，两个轴承安装孔孔径均为80mm，厚度均为16mm，中间的轴肩孔径为74.4mm，厚度为4mm；能便于安装轮毂轴承。

一种FSAE赛车金属3D打印的转向节的制作方法，包括以下步骤：

1)、根据悬架的安装基本要求使用CATIA3维建模软件建立转向节基础模型；

2)、将步骤1)所得转向节基础模型分成4个部分，上A臂安装部，下A臂安装部，束杆安装部和轮毂安装部，然后将基础模型导入到拓扑优化软件solidthinking inspire里面，建立约束关系，输入一个以上极限工况，在极限工况下联合分析，按照最大刚度的优化条件，得出分析结果；

3)、对步骤2)分析结果进行分析校核，利用拓扑优化软件的polynurbs功能，对优化的转向节基础模型进行逆向建模，得到优化模型，然后对优化模型进行强度分析，满足刚度要求则可以进行3D打印，得到毛胚件；

4)、用数控机床对毛胚件进行精加工，以保证轴承孔的同轴度以及各孔位精度。

本发明未提及的技术均为现有技术。

有益效果：本发明FSAE赛车金属3D打印的转向节；通过对上A臂安装部、下A臂安装部、转向横拉杆安装部和轮毂轴承安装孔侧壁镂空处理，能提高转向节强度和刚度，能使转向节轻量化，不仅有利于整车质量的减轻，而且也使得簧下质量响应更快。

附图说明

图1为本发明转向节基础模型结构示意图；

图2为本发明转向节结构示意图；

图中，1为轮毂轴承安装孔、2为上A臂安装部、3为上A臂安装孔、4为下A臂安装部、5为下A臂安装孔、6为转向横拉杆安装部、7为转向横拉杆安装孔、8为轮速传感器安装部、9为轮速传感器安装孔、10为制动卡钳安装部、11为制动卡钳安装孔、12为转向节基础模型、13为轴肩。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1-2所示，一种FSAE赛车金属3D打印的转向节，包括轮毂轴承安装孔1，所述轮毂轴承安装孔1上方为上A臂安装部2，上A臂安装部2顶端设有两个上A臂安装孔3；轮毂轴承安装孔1下方为下A臂安装部4，下A臂安装部4底端设有下A臂安装孔5；下A臂安装部4侧边设有转向横拉杆安装部6，转向横拉杆安装部6上设有两个转向横拉杆安装孔7；上A臂安装部2、下A臂安装部4、转向横拉杆安装部6和轮毂轴承 安装孔1侧壁均为镂空结构；轮毂轴承安装孔1一侧侧边设有轮速传感器安装部8，轮速传感器安装部8设有两个轮速传感器安装孔9；轮毂轴承安装孔1另一侧侧边的上下均设有制动卡钳安装部10，每个制动卡钳安装部10上均设有制动卡钳安装孔11；转向节的上A臂安装部2、下A臂安装部4和转向横拉杆安装部6的镂空部均为空间网状结构，通过软件的优化生成；轮毂轴承安装孔1内壁沿孔周设有一圈轴肩13，将轮毂轴承安装孔1分为正反两面两个轴承安装部，两个轴承安装孔孔径均为80mm，厚度均为16mm，中间的轴肩13孔径为74.4mm，厚度为4mm。

上述FSAE赛车金属3D打印的转向节的制作方法，包括以下步骤：

1)、根据悬架的安装基本要求使用CATIA3维建模软件建立转向节基础模型12；

2)、将步骤1)所得转向节基础模型12分成4个部分，上A臂安装部2，下A臂安装部4，束杆安装部和轮毂安装部，然后将基础模型导入到拓扑优化软件solidthinkinginspire里面，建立约束关系，输入一个以上极限工况，在极限工况下联合分析，按照最大刚度的优化条件，得出分析结果；

3)、对步骤2)分析结果进行分析校核，利用拓扑优化软件的polynurbs功能，对优化的转向节基础模型12进行逆向建模，得到优化模型，然后对优化模型进行强度分析，满足刚度要求则可以进行3D打印，得到毛胚件；

4)、用数控机床对毛胚件进行精加工，以保证轴承孔的同轴度以及各孔位精度。

本发明FSAE赛车金属3D打印转向节使用材料是钛基(Ti64)，该金属3D打印技术对于大件来说加工精度能达到±0.2μm，最小壁厚能达到3mm—4mm，表面粗糙度Rz<1μm，极限抗拉强度能达到1200MPa左右，屈服强度1050MPa左右，断裂拉伸率在10％左右。基于以上条件，在建立原始模型时，对于安装孔位，不做优化处理，即有安装要求的结构不应该作为优化设计空间，即建立原始模型时考虑合理的优化设计空间，附图1为原始模型，其中各安装孔均不作为优化设计空间，将原始模型导入优化分析软件，输入约束条件以及力的大小和方向，基于上述材料的强度以及加工精度选择优化模式，分析完成后，使用3维建模软件仿造分析结果进行逆向建模，建模完成后将模型再次导入受力分析软件进行强度校核以及疲劳分析，确认无误后再进行3D打印；得到毛胚件；再用数控机床对毛胚件进行精加工，以保证轴承孔的同轴度以及各孔位精度。

本发明FSAE赛车金属3D打印的转向节；通过对上A臂安装部2、下A臂安装部4、转向横拉杆安装部6和轮毂轴承安装孔1侧壁镂空处理，能提高转向节强度和刚度，能使转向节轻量化，不仅有利于整车质量的减轻，而且也使得簧下质量响应更快。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对各设施位置进行调整，这些调整也应视为本发明的保护范围。