一、什么是轮边系统

轮边系统：由轮胎、轮辋、轮毂、立柱等主要零件组成，传递运动和力、定位轮胎并支撑整车。 

1、轮胎与轮辋

支撑整车重量，传递地面的力。国内主流10英寸与13英寸2种，10英寸的轮胎有更小的转动惯量，具备重量轻、加速快的优点，但轮内空间小，对立柱等零件的布置带来了考验、狭小的空间对制动盘的散热也有影响。13英寸的轮胎有较低的扁平比，对路面反应较灵敏，转弯时的侧向抵抗能力较强。所以说轮胎与轮辋的选取要根据自己车队的实际需求，只有合适自己的才是最好的。

2、轮毂

连接轮辋与轮毂轴承。轮毂多为空心轴，在其上根据自己的需求添加轮辋连接法兰，制动盘连接法兰，有的车队为了锁紧轮毂轴承还会在上面车螺纹，利用螺纹间的预紧力来达到锁紧的目的，中央螺栓连接轮辋的原理与其相同。轮毂属于簧下旋转零件，对它的轻量化不可小视。

 3、轮毂轴承

连接立柱与轮毂、传递载荷。在整个轮边系统中受力要求最苛刻的零件，轴承的品牌、型号、布置方式、润滑方式、装配精度等决定了轴承的使用寿命。目前国内使用较多的为单列深沟球轴承与单列角接触轴承，轴承需成对使用，选用角接触轴承需考虑采用面对面安装还是背对背安装，实际则需根据受力校核来选取确定型号。

4、立柱

连接悬架上下控制臂与轮毂轴承、传递运动和力。立柱的设计较为自由，只需要将重要的连接点定位准确即可（例如卡钳安装孔、轮速传感器安装孔）。国内较多的为7075航空铝铣削而成。在国外，3D打印立柱、碳纤维立柱、钢板焊接式立柱等等，估计是国内短时间无法超越的。

二、理论设计

1、轮胎与轮辋

轮胎选型完成后，就是轮辋的选取，这时候就要考虑好ET（偏置距）和PCD（轮毂螺栓中心圆直径）这2个参数的选取，ET影响轮毂和立柱在轮内的布置，PCD影响轮毂螺栓受力和轮毂的设计。另外轮辋还分一片式和多片式，多片式需要自行设计轮辐，轮辐在设计时要保证从轮心向外呈放射状，轮毂螺栓和辐条数尽量采用奇数，防止在转动过程中两两对冲，发生疲劳断裂。并且采用对称的设计方法，保证在转动过程中的动平衡。

2、轮毂

轮毂属于轴类，设计时参考机械设计中轴类的设计方法和强度、刚度的校核，考虑好各部件的定位方式。前轮毂主要受弯矩、因制动盘法兰位置的不同，在制动时还会有扭矩的存在，故前轮毂应按照弯扭组合工况校核，后轮毂连接传动系统，所以校核方法与前轮毂相同， 并且要求进行疲劳校核。

3、轮毂轴承

引入一个名词-轴承偏距：两轮毂轴承中心线到车轮中心线的距离。一般取10-20mm。选取数值过大，在转弯时会影响内侧轴承受力。轮毂轴承的使用寿命计算主要参考机械设计，用外伸梁模型的计算方法求出最大受力，带入计算。轴承的失效形式为疲劳点蚀、塑性变形、卡死、保持架断裂等。但对于我们这个赛事来说，轴承使用的时间较短，载荷中等，一个赛季结束，轴承基本不会发生损坏，但在赛场还是会有车队为轴承而苦恼。总结来看，原因为以下几点：1、轴承本身质量问题2、立柱和轮毂的加工精度过低，导致2个轴承不同轴，造成异响3、装配精度过低，导致轴承未安装到位，造成异响4、润滑不良5、有杂质进入轴承内部。注意这几点，平时多注意保养，基本不会出问题。

4、立柱

立柱在车辆跑动过程中，主要受悬架上下控制臂的拉力、轮胎通过轮毂传递给立柱的垂直载荷和水平载荷、制动时卡钳对卡钳座的拉力、转向横拉杆对立柱的拉力。立柱受力较多、并且受力变化快，载荷不稳定，所以立柱结构的设计尤为重要，如不能满足强度要求，就会发生断裂失效。以我个人先前对立柱在ansys中的分析结果来看，立柱受以主销为轴线的扭转和上下控制臂的拉力较多，所以应对这部分的结构着重考虑，在结构设计上应尽量不采用打较多的镂空孔的方法，这样会在尖角处产生应力集中，不推荐的设计方法。

三、子系统的布置

1、卡钳布置

在引入一个名词-制动盘偏距：制动盘中心到车轮中心的距离，一般取0，这样在制动时零件内应力大大减少，延长了使用寿命。卡钳的布置也是五花八门，前置、后置、上置、下置等等。但究竟哪个是适合我们的呢？

就拿比较流行的前卡钳后置、后卡钳前置来说：卡钳后置可以减少在制动时轮毂轴承所受的径向合力，减少轮毂轴承受力，卡钳迎风面积较大，对卡钳的散热较好。缺点：车轮的泥沙灰尘容易进入卡钳，造成额外的磨损。对于卡钳前置，则正好和前置相反。但是前置也有很多角度呀？该选哪个呢？我们继续向下看。

下图为制动时受力分解图。

由图我们可以看出，当卡钳布置在4:30位置上时，轮毂轴承所受径向合力最小。所以在前卡钳布置上，应优先考虑这个位置，并且要校核好干涉问题。对于后卡钳，就要升高一个层次，考虑到重心与配重的问题，因为当转弯时会出现重心的转移。当卡钳偏下摆放时，会有降低车辆重心的优势，所以大多数卡钳都是稍向下摆放的，并不是水平的。

下面来一波图片轰炸 

写在最后：对于轮边系统的设计，比较重要的都写出来了，由于本人经验有限，难免会出现错误，若发现问题，请指正。最后祝大家都能设计出精致的轮边系统，追赶上德国的脚步，加油！！！

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本文作者:薛科*，长春大学FCC车队2019赛季制动组组长