车辆工程毕业设计（论文）-FSC赛车传动系统参数及结构设计【全套图纸三维】.doc

青岛理工大学毕 业 设 计（论 文）题目：FSC赛车传动系统参数及 结构设计 全套图纸，加153893706院 别： 汽车与交通学院 专业班级： 09车辆工程2班 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013年 6 月 9 日2 毕业设计(论文)任务书专业_车辆工程_班级_2009 级 2 班 姓名下发日期_ 2013.03.18_ 题目FSC赛车传动系统参数及结构设计专题设计（论文）主要内容1.方程式赛车传动系的现状与发展趋势2.传动比与动力性计算3.链传动的计算4.各零件的设计、建模、应力分析5.零件的装配6.工程图的绘制主要技术参数或要求设计参数：发动机：雅马哈R6赛车轴距1525mm轮胎直径203.2mm其他详见中国大学生方程式汽车大赛规则（2012版）.第二章 技术要求。进度及完成日期3月10日4月5日 资料整理及开题报告撰写。4月6日4月12日 上交开题报告，初选零部件。4月13日4月26日 传动比的计算、动力性计算、链传动计算4月27日5月10日 零件的设计与三维建模5月11日5月20日 零件装配与零件静力学分析5月21日5月31日 制定零件公差配合，绘制CAD工程图6月1日6月5日 检查三维建模，检查校核结果，完成初稿6月6日6月14日 总结前期设计，撰写论文，整理文件。指导教师签字日期教研室主任签字日期教学院长签字日期指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日指 定 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日答 辩 评 语成 绩 评 定中期成绩(30%)末期成绩总评(100%)答辩委员会主席（签字）指导教师评定成绩(20%)指定评阅人评定成绩(20%)答辩成绩(30%)青岛理工大学毕业设计（论文） 摘要 1-摘 要FSC传动系统常采用链传动，结构主要包括大小链轮、差速器、差速器壳体、差速器支撑、链传动张紧装置、万向节、半轴等零部件。赛车的传动系直接影响到赛车的动力性与燃油经济性，传动系结构与强度也会影响整车安全性和可靠性等。因此，设计出一套性价比高、轻量化、美观、可靠性强的传动系对整车的设计有着重要意义。本文首先对赛道、整车质量和发动机参数进行了分析，进行了动力性的计算分析，计算选取赛车的传动比。然后通过对链传动的计算确定了链轮的尺寸，选取了差速器，根据整车的布置确定各零件的结构。然后利用软件对各零件的进行了结构优化和强度的分析，使得整个系统轻量化并具有较高的可靠性。最后对各零件制定了公差配合及热处理方式，完成了各零件工程图的绘制。结合CAE软件进行优化设计后的零件模型，结构更轻，强度更好，实现了设计目标。【关键词】FSC传动,链传动，传动系统参数，传动系统零部件 11-青岛理工大学毕业设计（论文） ABSTRACT ABSTRACTChain drive transmission is commonly used form of FSC racing car, which mainly includes the structure size of sprocket, differential and differential shell, differential support, chain tensioning device, universal joint, half shaft and other parts. Car transmission system directly affects the power performance and fuel economy of the car, the transmission system structure and the intensity will affect the vehicle safety and reliability, etc. Therefore, design a set of high performance to price ratio, lightweight, beautiful, reliability of the transmission of the vehicle design has important significance. Firstly, the article has analyzed the track, vehicle quality and engine parameters, calculated the power performance, and selected transmission ratio of the car. Secondly, the article has determined the size of sprocket of chain transmission by calculating, selected differential, and then, determined the parts of structure according to the arrangement of the vehicle. Thirdly, analyzed the structure strength and optimized the structure of all parts by using software, which purpose is lightweight and high reliability for the whole system. Finally, drawn up tolerance and fitting, heat treatment to the parts, and finished 2D and 3D engineering drawing of some parts.The parts model that optimization designed by CAE software are more lighter in weight and more better in structure intensity, therefore achieved the design goals.【KAY WORDS】 the FSC transmission, chain transmission, the transmission system parameters, the transmission system components2青岛理工大学毕业设计（论文） 目录目 录1绪论11.1本课题设计（研究）的目的11.2设计（研究）现状和发展趋势11.2.1 Formula SAE11.2.2 FSC21.2.3 方程式赛车传动系的发展和现状31.3 FSC传动系的研究方法41.4 本文研究内容42 传动比与动力性计算52.1传动比的计算52.1.1 发动机参数52.1.2末级传动比的确定52.2赛车动力性计算62.2.1评价指标62.2.2动力性计算63 链传动的计算93.1 传动方式的选择93.2 链传动的设计与计算93.2.1 链轮齿数93.2.2 节距和排数103.2.3 链传动的计算104 零件的选型与设计154.1 差速器154.1.1 差速器的功用154.1.2 限滑差速器154.1.3 差速器的选取154.2托森差速器的润滑方式194.3 大小链轮的设计194.3.1 大链轮的结构设计194.3.2 小链轮的结构设计204.4 差速器壳体214.5 差速器输出轴214.5.1 轴的结构设计224.6 差速器支撑224.6.1 轴承选择224.6.2 支撑结构224.7 吊耳与张紧设计234.7.1 张紧的设计234.7.2 吊耳的设计244.8 半轴与万向节244.8.1 半轴244.8.2 万向节254.9 支撑架与一体化设计255材料的选择与静力学分析275.1 材料的选择275.1.1材料的选择275.1.2 材料力学性能：275.2 零件应力分析285.2.1 大链轮的有限元分析285.2.2 小链轮的有限元分析295.2.3 左轴的静力分析315.2.4 右轴的静力分析325.2.5 左支撑的静力分析335.2.6 右支撑的静力分析345.3 部分零件的优化355.3.1 大链轮的优化355.3.2 左支撑的优化365.3.3 右支撑的优化376零件的装配与干涉检查39总 结40致 谢41参考文献42青岛理工大学毕业设计（论文） 绪论1绪论1.1本课题设计（研究）的目的中国大学生方程式汽车大赛（简称“FSC”）是一项由我国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。赛事致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。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。在这个过程中，不仅培养了学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台，而且通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升。大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。而赛车的传动级数，传动方式都直接决定赛车的传动效率，动力输出特性。在低速赛道上，注重扭矩表现是必不可少，要尽量缩短加速时间。另外传动系统的轻量化和可靠性也影响着赛车的动力性等性能，甚至决定赛车能否顺利完赛。因此，设计出一套性价比高、轻量化、美观、可靠性强的传动系统至关重要。1.2设计（研究）现状和发展趋势1.2.1 Formula SAE Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSC已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。 SAE方程式（Formula SAE）系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。 为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车, 并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。1.2.2 FSC中国大学生方程式汽车大赛（以下简称“FSC”）是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。在比赛过程中，参赛队员能充分将所学的理论知识运用于实践中。同时，还学习到组织管理、市场营销、物流运输、汽车运动等多方面知识，培养了良好的人际沟通能力和团队合作精神，成为符合社会需求的全面人才。目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。 大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有： 一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台； 二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升； 大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。 毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是CATIA ，UG ，ANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。 与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSC赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。1.2.3 方程式赛车传动系的发展和现状随着国外赛事几十年的发展，传动系也不断的改善，形成了围绕主流设计的各种方案，涉及到的先进设计方法和加工技术越来越多，有的车队挑战轴传动，有的车队自己设计加工变速箱，有的车队自己设计加工差速器，也有的车队对购买件做了大幅度的改动。随着国内三届大学生方程式汽车大赛的成功举行，国内车队从起步到现在也有了较大的进步。从第一届普遍采用开式差速器，到现在限滑差速器逐渐得到普及。国内方程式赛车限滑差速器主要有Drexler（德雷克勒斯）、Torsen（托森）、Cusco（库斯科）和沙滩车限滑差速器四种，各车队根据设计需要和成本预算进行选择。由于国内技术和设备的限制，变速箱目前只有北京理工做过简单的改动，其余车队则使用发动机内置的变速箱，围绕已有的变速箱进行传动系的相关计算和设计。由于链传动的诸多优点和成熟的经验技术，国内各车队三年来毫不犹豫选择链传动。对于其他各零件，各车队根据需要，购买或者加工，有些车队开始自己设计加工链轮，越来越多的车队尝试新的方法避免焊接半轴。就传动系而言，国内各车队虽然设计思想表面相似，但设计方案千变万化，每个车队又有自己的创新和实践，每个车队都在不断地突破和进步。1.3 FSC传动系的研究方法在动力性计算时，可以根据公式进行计算赛车的动力性参数，部分参数需要近似计算，然后参考数据进行传动系的设计。当然最优的方法是采用台架实验等测出相关参数，然后采用数据拟合软件，较为精确得到各参数的数值与变化情况。由于设备和知识水平的限制，本文采用公式计算赛车的动力性。但是经过分析，数据具有有效的参考价值。结构设计原则主要为轻量化。采用三维软件辅助设计，根据已有的零件、车架及装配关系来设计其他零件，对零件进行严格的三维建模并装配，以设计其余零件并检查干涉情况与限位情况。对零件的应力分析，有经验公式计算和软件分析等方法，本文采用软件分析法，以得到零件更准确的受力。另外，加工零件必须还有材料、公差配合、技术要求等。本文借助机械设计手册对加工件进行了公差设计，并绘制工程图纸，根据工程图纸可加工出各零件。1.4 本文研究内容传动系是连接发动机和车轮的桥梁，发动机所发出的动力靠传动系传递到驱动车轮。FSC赛车的传动系具有减速、变速、中断动力传递、轮间差速的功能，与发动机配合工作，能保证赛车在各种工况条件下的正常行。一个好的发动机，若缺乏了一个好的传动系统，也无法发挥出应有的动力。赛车就是这样，各部分相辅相成，牵一发而动全身，就算是一个微不足道的地方，也不容忽视。方程式赛车的传动系统，包括离合器、变速箱、主减速器、差速器、半轴。由于离合器和变速箱已经内置，修改需要大量的工作，国内方程式赛车还不具备这个技术，故本文不做探讨，直接引用数据进行设计。本文研究的主要内容如下：1）传动比与动力性计算2）链传动的计算3）各零件的设计、建模、应力分析4）工程图的绘制42青岛理工大学毕业设计（论文） 传动比与动力性计算2 传动比与动力性计算2.1传动比的计算2.1.1 发动机参数1 发动机的参数赛车的选用的是雅马哈 R6四缸自然吸气发动机。但根据大赛规则，所有进气必须经过一个20mm的限流阀，这直接导致发动机的功率和扭矩得到限制。所以，有必要分析限流前后的发动机特性参数。（1） 原装发动机的特性参数最高马力：126hp/13,000 rpm 最大扭力：6.78kg-m/12,000 rpm（2） 限流后的发动机特性参数经过限流后的测功试验，YAMAHA R6限流后在11000（r/min）时达到最大功率47kw，在9050（r/min）达到最高扭矩44（Nm），干重仅为63kg。2 变速箱性能参数雅马哈R6变速箱为6速变速箱其各挡速比见表2-1表2-1 发动机各挡速比挡位123456符号i1i2i3i4i5i6速比2.8461.9471.5561.3331.1901.083另外，发动机的初级减速比为i0=1.955。2.1.2末级传动比的确定根据比赛规则和国内外车队比赛经验，通常赛车在赛道上直到末端最高时速不到100 km/h,一般比赛时只会用到1挡、2挡、3挡和4挡。常用的挡位为2挡、3挡。根据经验和如图赛道设计三挡最大功率附近车速达到100 km/h。限流后，发动机最大功率P出现转速在n=11000 rpm时，为47 kw。但是，根据变速箱的性能参数变速箱初级减速比i0=1.955，3挡减速比i3=1.556。在标准胎压下,由于轮胎承重被压缩，取轮胎中心到地面的距离为r=260。由此可计算得到轮胎在车速到v=100 kph时的转速nt和末级减速比if分别为：nt=1020.2 (2-1)if=3.54 (2-2)由于，设计的小链轮齿数z1=11齿（第3.2.3节结论），则由式2-2可得末级传动大链轮的齿数为：z2=ifz1=3.5411=38.94 (2-3)对计算结果进行圆整，确定大链轮的齿数为39，则实际的末级传动比为： (2-4)综上所述，末级传动比确定为3.545。2.2赛车动力性计算汽车的动力性指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性，所以动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。2.2.1评价指标动力性评价指标主要有三个：1）汽车的最高车速uamax；但是赛车常受到赛道和障碍的限制无法达到最高车速。2）汽车的加速性能（加速时间t）；赛车比赛中对于加速性能的测试是通过75 m直线加速得到的。 3）汽车的爬坡性能（最大爬坡度imax）：对于大学生方程式赛车而言，不需要考虑爬坡度。2.2.2动力性计算1 各挡最大驱动力驱动力的计算公式： （2-5）式中：Ttq发动机转矩（Nm）；i0发动机初级传动比；ig 变速器传动比；if主减速器传动比；T传动效率；r滚动半径(m)这里只计算赛车可获得的最大驱动力，发动机的转矩Ttq取最大转矩44（Nm），此时转速为9050（r/min），if=3.545, 分析各零件取T为0.9，代入各数据得计算结果见表2-2。 表2-2 赛车各挡驱动力挡位一挡二挡三挡四挡五挡六挡驱动力（N）3004205516421407125611432 赛车行驶速度在驱动轮不打滑的情况下，行驶速度计算公式为： （2-6）式中：ua 汽车行驶速度（km/h）；n发动机转速（r/min）；由于，比赛中赛道和障碍较多，最大速度对于比赛意义不大，只计算最大速度用作设计参考。转速n为行驶时最大速度对应的最大转速，由测试得到，n=12750 r/min,代入公式可得最大速度见表2-3。表2-3 赛车最大行驶速度挡位一挡二挡三挡四挡五挡六挡速度（m/s）63931161331491673 行驶阻力（1）滚动阻力滚动阻力的计算公式为：FfG f （2-7）式中：G整备质量或满载质量取320kg；f滚动阻力系数，其计算方式为：f=0.014（1+ ） （2-8）（2）空气阻力空气阻力的计算公式为：Fw= (2-9)A迎风面积，根据车身设计取1 m2 CD空气阻力系数取，根据经验取0.35在最大驱动力的时候参照式(2-6)，代入各挡数据计算，结果如表2-4表2-4 赛车的行驶阻力挡位一挡二挡三挡四挡五挡六挡速度44.9765.7482.2696.02107.56118.2滚动阻力48.4753.6659.1964.7370.0375.46空气阻力33.4771.52111.98152.57191.45231.20加速度的计算公式为：a= （2-10）旋转质量惯性系数，取1.2；m赛车的满载质量。代入数据计算得下列结果：表2-5 赛车最大行驶加速度挡位一挡二挡三挡四挡五挡六挡加速度（m/s2）7.65.033.833.012.592.18根据上述动力性计算，满足赛车具有较高动力性的要求。青岛理工大学毕业设计（论文） 链传动的计算3 链传动的计算3.1 传动方式的选择与带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；另外，由于链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的压轴力较小；链条为金属材料制作，在同样的使用条件下，链传动的整体尺寸较小，结构较紧凑；同时，链传动能在高温和潮湿的环境中工作。与齿轮传动相比，链传动的制造与安装精度较低，成本也低。在远距离传动时其结构更为轻便。链传动的缺点主要有：只能实现平行轴间链轮的同向传动；运转时不能保持很定传动比；工作有噪声；磨损后易发生跳齿；不宜用在载荷变化很大，高速和急速反向的传动中。赛车采用中置后驱的形式，动力由变速器输出轴传递到差速器壳体采用链传动（在差速器壳体上安装链轮，取消主减速器）。在传动系统的布置中要求结构紧凑，并且传动系统的压轴力要较小，并且需要远距离传动，故选用链传动。只要选用优质材料制作链轮，链条，便能有效防止磨损。另外变速箱没有倒挡，故链传动满足使用要求。本赛车链传动优点：1）省去了传动轴和主减速器，减轻了整车质量；2）结构简单，便于布置，适合本赛车需要的远距离传动3）相比带传动允许较高的速度4）制造、安装与维护方便5）链条有很多间隙，能够吸收振动3.2 链传动的设计与计算参照机械设计与大赛规则，对链传动进行设计计算。主要设计内容有：链条节距p、列数、中心距、大小链轮齿数与尺寸、传动中心距。3.2.1 链轮齿数在2.1.2的计算中确定的传动比为3.545。链轮的齿数较大不仅增大传动的总体尺寸，而且容易发生跳链和脱链。当小链轮的齿数减小时，可以减小小链轮的直径进而减少整个链传动的外廓尺寸。所以，从减轻赛车质量的思想考虑，齿数越小越好。但是，齿数过小，会增加运动的不均匀性，导致动载荷变大；链节之间的相对转角变大；同时也会增大圆周力，加速铰链和链轮的磨损。所以小链轮的齿数也不易过小。链轮的最小齿数为9。由于链接数通常是偶数，为了使链条和链轮磨损均匀，常取链轮齿数为奇数。综合考虑链轮的布置与使用性能，选用小链轮齿数为11齿，则大链轮的齿数为39齿。3.2.2 节距和排数一定条件下，节距越大，链传动承载能力越强，但节距越大，链传动的多边形效应越严重，导致动载荷、冲击、振动严重。所以，为使链传动结构紧凑、寿命长，应该选取小节距的单排链。当速度高和功率大时往往选择小节距的多排链。中心距小传动比大时，选用小节距多排链；传动比小中心距大时选用大节距单排链。由于方程式赛车最重要的是结构紧凑，所以首先考虑小节距单排链。参照我国链条标准GB/T 1243-1997，节距15.875的10A应用广泛，从技术经济性分析，会使赛车的成本降低，并且使链条方便购买，故选用节距为15.875的单排链，链条的相关参数见表3-1。表3-1选取链条的规格和主要参数ISO链号节距P滚子直径d1内链接内宽销轴直径内链板高度抗拉载荷10A15.87510.169.45.0915.0921.83.2.3 链传动的计算1 已知条件与设计内容已知的条件主要有：链传动的工作条件，传动位置与总体尺寸的限制，主从动链轮的转速，所需传递的功率，传动比等设计内容主要有：链接数Lp、链传动的中心距A、压轴力Fp润滑方式等。2 设计步骤（1）计算功率Pca根据链传动的工作情况、主动链轮的齿数和链条排数，将链传动所传递的功率修正为当量的计算功率 （3-1）式中： KA-工况系数，见表3-2；KZ-主动链轮的齿形系数，见图3-1；KP-多排链系数，如表3-3，此时为1；P-传递的功率，kw。表3-2 工况系数工作机特性原动机特性平稳传动（如电动机， 汽轮机，装有液力耦合 器的内燃机）轻微冲击（如六缸或六 缸以上内燃机装机械 式联轴器）中等冲击（如六缸或六 缸以下内燃机装机械 式联轴器）平稳运动1.01.11.3中等运动1.41.51.7严重冲击1.81.92.1由表可知，选取工作情况系数KA =1.0。 齿数Z1图3-1主动链轮齿数系数由图可知，选取Kz=2.9。表3-3 排数系数排数1234KP11.752.53.3代入公式(3-1)，计算得到Pca=136 kw。3 链轮尺寸的计算有节距P=15.875，齿数为11，由表3-1得d1=10.16，查取机械设计手册得计算公式见表3-4，带入相关公式计算得大小链轮的相关参数如表3-5。表3-4 链传动主要计算公式名称符号计算公式分度圆直径dd齿顶圆直径dadamindp(1)d1dmaxd1.25pd1齿根圆直径dfdfdd1齿高hahamin0.5(pd1)hamax0.625p0.5d1 表3-5 大小链轮参数参数小链轮大链轮分度圆d56.348d197.287齿数Z111Z239齿根圆df46.188df187.12齿顶圆d0max66.032d0max206.971d0min59.754d0min202.351齿高hamax5.9964hamax5.168hamin2.8575hamin2.8575节距15.8754 中心距中心距过小，单位时间内每一链节参与啮合次数过多，链条屈伸次数和应力循环次数增多，因而加剧了链的磨损和疲劳。同时，由于中心距小，链条上小链轮的包角变小（i1）,每个轮齿所受的载荷增大，且易出现跳齿和脱链现象；中心距太大，虽然承载较好，但松边垂度过大，传动时造成松边颤动，所以中心距的设计一定要适中。链节数的计算公式为式（3-2）： （3-2）带入数据计算得到Lp85节。按照公式（3-3）大致确定中心距： （3-3）计算可得A=471 mm5 链轮包角与传动比最终确定小链轮包角的计算公式为（3-4） （3-4）计算可得=163根据小链轮最小包角为120，代入公式（3-4）可得最小中心距A=135 mm。根据两链轮半径，小链轮的包角和中心距可在173.5473 mm之间选择。综合考虑车架尺寸与轴距等因素，取中心距A=300 mm=19p，则代入公式（3-4）小链轮包角=153，代入公式（3-3）得Lp63节（可取62）。验算小链轮的包角，见图3-2。图3-2 小链轮的包角6 计算链速 平均链速按公式（3-5）计算26.543 m/s （3-5）7 链轮受力计算有效圆周力： Fe=1000 （3-6）功率P以最大功率计算取47kw，代入公式计算得Fe=1771 N离心力引起的拉力：Fc=qv2=26.54321.6=1127 N （3-7）悬垂拉力Ff=max() （3-8）其中计算的悬垂拉力Ff=1498N紧边压力F1=Fe+Fc+Ff=4396 N （3-9）松边拉力F2=FcFf=2625N （3-10）压轴力 Fp=KFpFe=1.121771N=1984 N （3-11）式中：KFp为压轴力系数，水平传动中取1.15，本设计取1.12。青岛理工大学毕业设计（论文） 零件的选型与设计4 零件的选型与设计4.1 差速器4.1.1 差速器的功用差速器的功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动车轮以不同的角度滚动，以保证两侧驱动轮与地面间作纯滚动运动。汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧，如果汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。如果后轮轴做成一个整体，就无法做到两侧轮子的转速差异，也就是做不到自动调整。另外，在直线行驶时，由于左右车轮路况不同，也会需要有差异的车速，所以差速器是赛车的必备。4.1.2 限滑差速器限滑差速器，英文名为Limited Slip Diff，简称LSD。限滑差速器，是限制车轮滑动的一种改进型差速器，指两侧驱动轮转速差值被允许在一定范围内，以保证正常的转弯等行驶性能的类差速器。为了提高赛车在各种路况的通过能力，可采用限滑差速器，其出发点是在一个驱动轮滑转时，设法使大部分转矩甚至全部转矩传给不滑转的驱动轮，以充分利用这一侧驱动轮附着力而产生足够的驱动力，使汽车能继续行驶。4.1.3 差速器的选取以下为大学生方程式近几年使用的几款差速器。为了提高赛车的性能越来越多的车队使用限滑差速器，个别第一年参赛的车队还存在使用普通的开式差速器。1 限滑差速器（1）托森差速器：托森专为大学生方程式赛车打造了一款差速器，其型号为012000，质量为3.23kg，其外观如图4-1所示，尺寸如图4-2所示。图4-1 托森差速器的外观 图4-2 托森差速器剖面图托森差速器是开放式差速器的一个衍生形式。当分配给左右两车轮的扭矩相等时，托森差速器和普通的开放式差速器无异。当分配给左右两车轮的扭矩不等时，二者间的差别就会显现出来。比如说当一个车轮处在低附着力的路面上时，差速器内的蜗轮蜗杆机构便会发生自锁。作为限滑差速器的一种，该差速器能够在瞬间对驱动轮之间出现的阻力差提供反馈，分配扭矩输出，而且锁止特性是线性的，能够在一个相对宽泛的扭矩输出范围内进行调节。在弯道行驶没有车轮打滑时，差速器的作用是传统差速器，蜗杆齿轮不影响半轴输出速度的不同。如车向左转时，右侧车轮比差速器快，而左侧速度低，左右速度不同的蜗轮能够严密地匹配同步啮合齿轮。此时蜗轮蜗杆并没有锁止，因为扭矩是从蜗轮到蜗杆齿轮，这一方向动力传输畅通无阻。当左侧车轮出现打滑时，传统差速器将会把动力传输到左轮，使发动机动力再大也只能白白消耗。而托森差速器就不同了，此时快速旋转的左侧半轴将驱动左侧蜗杆，并通过同步啮合齿轮驱动右侧蜗杆。托森差速器的锁止介入没有时间上的延迟，也不会消耗总扭矩数值的大小，它没有传统锁止差速器所配备的多片式离合器，磨损非常小，可以实现了免维护。托森差速器主要由蜗杆行星齿轮，差速器壳体，前输出轴和后输出轴四套大部件组成。发动机输出的动力直接用来驱动托森差速器的壳体（图中的动力输入齿轮与壳体相连），壳体的转动会带动三组蜗杆行星齿轮转动，行星齿轮与壳体之间是由直齿连接的，与前后输出轴之间是由蜗杆连接的。这样动力可以顺利的通过行星齿轮分配给前后输出轴从而能够驱动前后车桥。正是因为行星齿轮的蜗杆设计，让它具备了一个自锁死功能。一旦某一车轮遇到较大阻力时，托森差速器会向这个车轮传输更大的动力。当右侧车轮打滑时，蜗轮蜗杆组件发挥作用，如是传统差速器将不会传输动力到左轮。对于Torsen LSD差速器，此时快速旋转的右侧半轴将驱动右侧蜗杆，并通过同步啮合齿轮驱动左侧蜗杆，此时蜗轮蜗杆特性发挥作用。当蜗杆驱动蜗轮时，它们就会锁止，左侧蜗杆和右侧蜗杆实现互锁，保证了非打滑车轮具有足够的牵引力。Torsen差速器实现了恒时、连续扭矩控制管理，它持续工作，没有时间上的延迟，但不介入总扭矩输出的调整，也就不存在着扭矩的损失，与牵引力控制和车身稳定控制系统相比具有更大的优越性。因为没有传统的自锁差速器所配备的多片式离合器，也就不存在着磨损，并实现了免维护。纯机械LSD具有良好的可靠性。这款差速器是TORSEN公司专门为FSC车队设计的，具有体积较小、质量较轻的特点。一方面在比赛中，每一圈有很多弯道还有很多绕桩，若用普通差速器可能会出现一个轮子扭矩不足而打滑，车手不敢加大油门，但用限滑差速器就能保证较快的过弯，大致每次转弯可提高1s的时间，这对成绩的提高是非常可观的；另一方面，若出现下雨等恶劣天气，限滑差速器能很好的去适应环境。另外，采用限滑差速器，可以提高过弯的操纵性，减少车手的疲劳，可以确保车手精神集中的完成耐久赛。总之，在过弯过程中的与普通差速器的车完全不同，驾驶员可以将油门踩深些，这时候除了提升了过弯的速度外，也不用担心车辆因为进弯速度太快而造成的危险，因此装载了LSD的车辆确实在弯道上比普通的差速器具备高速和可操控性的优势。在价格方面，虽然较普通差速器较高，但是其对赛车的性能有很大改善，性价比较高。（2）Drexler差速器（摩擦片式）：该款差速器，在近几年的比赛中使用的高校越来越多，其质量更轻，只有2.6kg，其结构如图4-3所示。 图4-3 Drexler差速器托森差速器在内轮的速度超过外轮的速度后才开始反应，这存在的问题是当以全节气门驶入一个拐角时，内轮开始打滑，之后差速器才开始锁住内轮。Drexler差速器的优势是它可以感知轮子的瞬间，一旦差速器达到设定的扭矩它立即锁止旋转的内轮。Drexler差速器还有另外一个优势：它比许多其他差速器有着更大的调整角度。但是，其价格在25000左右，综合考虑价格，其性价比不如托森差速器，托森差速器在预算内可以满足对限滑的要求。2 普通开式差速器：普通开式差速器的质量大约5kg，比较笨重，而且体积较大，不方便布置。普通差速器的价格较便宜，可以实现两轮的差速，但相比限滑差速器在赛车过弯等情况下，较大较低降低了赛车的速度，影响赛车的操纵性，从而大大降低了赛车的过弯性能，因此不使用这类差速器。综上分析，考虑到性能和成本选用性价比较高的托森限滑差速器。4.2托森差速器的润滑方式托森差速器主要是涡轮蜗杆机构，润滑不良时会导致传动效率的显著降低，并且会带来剧烈的磨损和产生胶和破坏的危险，所以往往用粘度大的矿物油进行较好的润滑，在润滑油中往往加入添加剂，以提高抗胶合能力。润滑油采用托森推荐的80W-90 GL5，以满足所需添加剂要求。对闭式蜗杆传动采用油池润滑时，在搅拌损耗不是很大的情况下，要保证适当的油量，这样不仅有助于动压油膜的形成，而且有助于散热。由于购买的托森差速器没有密封的外壳，所以必须重新设计外壳，对油润滑进行合理的设计和密封。4.3 大小链轮的设计链轮承担着扭矩传递和放大的任务，它是传动系统的核心，所以其结构设计至关重要。4.3.1 大链轮的结构设计 前面已经计算得到大链轮的尺寸。赛车在运动中扭矩是通过大链轮传递到差速器。对于其如何把扭矩传递给差速器，有几个方案可供选择，见表4-1。表4-1 扭矩传递方式方案差速器侧壁打孔链轮通过花键传扭矩给差速器重新加工外壳替换原来外壳优缺点由于侧壁外壳异常坚硬，所以打孔费用也较高，安装与定心精度不如花键并且侧壁较薄，防松困难定心作用好，传递扭矩更可靠，价格适中，易于实现加工困难，二次安装存在风险，价格较高通过比较，可以充分利用差速器壳体上的内花键，让大链轮通过花键传扭给差速器。这就需要在大链轮上做出一段花键配合差速器花键，这样链轮不仅得到较好的定心定位，而且还具有轻便，布置简洁等优点。使用花键，涉及到了花键的限位，这里可采用螺钉限位大链轮