大学生赛车传动系设计-赛车链传动设计【含6张CAD图纸+PDF图】
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中期报告学 生 姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 设计（设计）题目： 赛车传动系设计指 导 教 师: 中 期 报 告姓名 班级 学号 设计（设计）题目： 赛车传动系设计本人在该设计（设计）中具体应完成的工作：（1）查阅相关文献15篇以上，准备资料，进行开题。（2）查找并翻译一篇与设计设计相关的英文资料。（3）确定传动系统的布置方案（万向节、传动轴的布置）。（4）传动系统的建模与分析。（5）利用MATLAB与ADAMS软件对传动系统进行优化设计。（6）确定万向节及传动轴的设计方案。（7）应用CATIA对传动系统各部件进行三维建模。（8）传动系统的加工制作。（9）撰写设计说明书一篇。1. 简述设计（设计）开始以来所做的具体工作和取得的进展（要详细内容）1.1所做的具体工作和取得进展：1)收集和整理资料，参阅部分收集到的资料，对设计命题有了初步的认识。 2)完成开题报告，并通过指导老师和设计开题答辩小组审查。3)查找与阅读设计相关的合适的英文文献，对其进行翻译并完成。4)通过文献研究和实践研究，对设计命题有了较为全面的理解后，结合前人的研究成果，完成设计中需要计算的部分并完成。1.2主要计算过程如下：传动系的设计：a) 传动比与动力性的计算大学方程式4.0号赛车采用铃木GSXR-600四缸水冷电控汽油喷射式发动机，按照比赛规则来说，在20mm的限流阀下，所有进气必须通过。这样就会限制到发动机的功率和扭矩，因此，限流后的发动机特性参数要被分析。(1) 原发动机特性参数：在13500r/min转速时最大功率达到82Kw。最大扭矩在11500r/min转速下为69Nm。(2) 发动机特性参数（限流后）：在11500r/min转速时最大功率达到60.2Kw。最高车速120Km/h在10500r/min的转速下最大扭矩52Nm。(3) 变速器的各档位比：I1=2.785；I2=2.052；I3=1.681；I4=1.450；I5=1.304。(4) 由于比赛赛道有最高车速限制，即最高时速为100Km/h，限流后，发动机转速n=11500r/min时，最大功率P=60.2Kw，初级减速比i0=1.926。5档减速比i5=1.304。轮距r=228mm。由以上可算出转速nt和末级传动比if得 （1-1） （1-2）由于小链轮齿数Z1=11，由式（2-2）得，计算大链轮的齿数得： （1-3）由此可以得出大链轮的齿数为43。其实际传动比为 b) 动力性计算表1-1 赛车各档驱动力档位12345驱动力42943164259222362011c) 行驶车速转速n下对应的最高车速。测得n=12500r/min，r=228mm，i0=1.92，if=3.9。将数据代入得出表1-2所示。表1-2赛车最大行驶车速档位12345车速（km/h）51.3669.7185.0998.65109.70d) 行驶阻力(1) 滚动阻力 (1-4)(2) 空气阻力 (1-5) 表1-3赛车的行驶阻力 滚动阻力(N)41.3444.3847.6551.0654.21空气阻力(N)10.5619.45 28.9938.9648.17(3) 加速度 (1-6)表1-4 赛车最大行驶加速度档位12345加速度12.859.397.526.505.781.3 传动方式的选择a) 链传动链传动也被叫做挠性传动，链条、小链轮和大链轮组合成了挠性传动。我校“梦想4.0号”赛车由于考虑到性能方面的原因，所以采用滚子链传动。它的国标标准为下表1-5所示。表1-5 选取链条的规格和参数ISO链号节距P滚子直径d1内链节内宽b1销轴直径d2内链板高度h2抗拉载荷10A15.875915.0921.8b) 计算功率 (1-7)KA表示工况系数，取 1.0；KP表示多排链系数，取1.0，双排链时选1.75，三排练时选2.5， P表示传动功率（Kw）；KZ取2.9，即KZ=2.9c) 计算大小链轮的参数由下表1-6所示。表1-6 大小链轮参数参数小链轮大链轮齿数Z111Z243分度圆d156.348d2217.480齿顶圆da1min59.754da2min222.604da1min66.032da2max227.164齿根圆df146.188df2207.320齿高ha1min2.858ha2min2.858ha1max5.996ha2max5.137节距15.875d) 确定中心距 (1-8) 经过式（1-8）的计算得出Lp=88节 (1-9) 由此计算得出e) 链轮包角 (1-10)已知小链轮的最小包角是120，将其代入式（1-10）得最小中心距a=153.88mm。据给定的车轮半径和轴距尺寸来估计。我们选取小链轮的中心距在153.88477.27mm之间，我们选取a=300mm19p。将这个数据代入上列式中可以得出=149，LP=66节。f) 链速计算 (1-11) 链速的计算可得出。g) 链轮受到的紧边和松边拉力紧边拉力： (1-12) 式中：表示有效圆周力， Fe表示离心力引起的拉力， Fe=1494.26N Ff表示悬垂拉力，Ff=1499。 松边拉力：F2=Fc+Ff=2993.26N (1-13) 中 期 报 告2.目前存在的问题，下一步的主要研究任务，具体设想与安排（要详细内容）1. 存在问题及解决措施到目前为止，在设计的写作中主要有以下几个问题：1) 对设计所涉及的知识认识得不够深刻，所以对命题的探讨不够深入。2) 研究中引入的数据不够，对相关问题的支撑程度不足。3) 设计的各部分之间的衔接不够强，有的地方缺少逻辑。导致上述问题主要有两个原因，一是研究不够深入，二是撰写不够严密。针对这两个原因，解决方法有：1 对设计所涉及的知识以及前人的研究成果理解程度需要更加深刻，在这个基础上才能得到有深度的结论。2 需要对已完成的内容进行多次审阅，从内容、结构及用语等方面给予调整。3 对于写作过程中遇到的具体难题要多向指导老师请求援助。2. 后期工作安排在往后的设计写作中主要研究任务是在已完成的基础上给予完善三维建模，以及零部件的优化设计，具体的方法是参阅更多的相关研究文章，尤其是研究较为完整系统的书籍，深度提取其成果，结合本文的研究方向与思路来引用，另外，设计的进度方面，在初稿基础上进行修改，图纸的绘制以及三维建模也要抓紧时间，争取在五月下旬完成设计终稿。 中 期 报 告3.指导教师对该学生前期研究工作的评价（是否同意继续研究工作） 指导教师签字： 年 月 日备注：1、本表由学生填写，指导教师亲笔签署意见。 2、以上各项句间距可以根据实际内容需要调整。13 任务书学 院： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 设计题目： 赛车传动系设计起 迄 日 期: 设计地点: 指 导 教 师: 负 责 人: 发任务书日期: 任务书填写要求1设计任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在学院的负责人审查、负责人签字后生效。此任务书应在设计开始前一周内填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生设计完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及学院领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“学院”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；5有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。 任 务 书一、设计课题的任务和要求： 根据中国大学生方程式汽车大赛赛事规则和赛车制造标准要求，对赛车传动系统进行设计及优化，协同制作中国大学生方程式赛车。赛车必须在加速、制动和操控性方面具有非常优异的表现，同时又必须具有足够的耐久性能够顺利完成规则中提及的及比赛现场进行的所有项目。二、设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、了解课题相关背景，熟悉、掌握汽车传动系统的组成及工作原理； 2、查阅相关技术文献15篇以上，其中至少有2篇外文相关文献，并将其中1篇不少于2000词的外文资料翻译成汉语； 3、确定传动系统的布置方案（万向节、传动轴的布置）； 4、传动系统的建模与分析； 5、利用MATLAB与ADAMS软件对传动系统进行优化设计； 6、确定万向节及传动轴的设计方案； 7、应用CATIA对传动系统各部件进行三维建模； 8、传动系统的加工制作；9、制作FSC赛车、撰写设计说明书1篇； 10、设计答辩。 任 务 书三、对设计课题成果的要求包括设计、图纸、实物样品等)：1、 FSC赛车一辆；2、 设计设计、设计电子文稿、答辩PPT各一份； 3、外文翻译一份。 四、设计课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2017年 2月13日 3月6 日 3月7日 5月20 日 5月21 日6月10 日调研、文献检索、制定方案，撰写开题报告制作中国大学生方程式赛车、撰写设计说明书准备和进行设计设计答辩学生所在学院审查意见：负责人： 年 月 日 开题报告学 生 姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 设计题目： 赛车传动系设计指导教师: 开 题 报 告1 选题依据：1.研究的目的及意义FSC是一级方程式汽车比赛汽车工程由大学或汽车相关专业学生组成的团队参加汽车比赛的设计和制造1。中国大学生方程式汽车大赛（简称FSC大赛）也是由中国汽车工程协会主办，有着“力争上游，擎动未来”的巨大梦想，坚持“稳中求胜”的设计理念，立足于中国汽车工程教育发展和汽车产业的现实根基，吸收和借鉴国际大学生方程式汽车大赛（简称FSAE大赛）赛事的成功经验，为国内优秀汽车行业人才的培养和选拔建立公共平台。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，由一年的时间内，自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面均具有优异表现的小型单人座休闲赛车，同时，设计的赛车要成功完成各部分赛事，所以要求所设计的赛车必须满足耐久性、经济性和动力性2。发动机系统、悬架系统、传动系统、转向系统、车架、车身、制动系统以及安全系统等构成了FSC赛车。因此，为了获得良好的加速性、制动性、耐久性和经济性，传动系统的设计尤为重要3。汽车传动系参数的优化设计是在质量的轴荷分配、汽车总质量、空阻及滚阻等量已确定的情况下，较为合理的设计和选择传动系参数，可以很大程度提高匹配后汽车的动力性、燃油经济性和排放特性4。以往传动系统参数设计依靠大量的实验和反复测试完成，耗时长，高花费，计算机的广泛使用和新的计算方法的出现， 使得以计算机模拟计算为基础的传动系设计可在方程式赛车的设计阶段就较准确地预测赛车的动力性、经济性和排放特性，经济且迅速。目前，我国围绕汽车传动系统的设计和优化，主要在以下几个方面展开工作：汽车传动系统参数优化设计评价指标的研究；汽车传动系各部分数学模型的研究，特别是传动系各部分在非工况下模型的研究；按给定工况模式的模拟研究；按实际路况随机模拟的研究；传动系参数优化模型的研究；模拟程序的开发与研究5。2.传动系统的简介传动系统以 Carl Benz 研制的第一辆汽车为诞生标志。发展到今天，自驱动汽车已基本成为现代汽车的代名词随着自驱动汽车的发展，其传动系统也相应经历了几代的更新与完善，传动介质丰富化、传动功能集成化、传动装置自由度的增长化趋势越来越明显，同时随着传动系统种类和形式的扩大及结构的复杂，不同传动系统之间的关联性越来越难了解。发现了传动系统会向无级、复合传动、多功率流及多自由度方向演变发展6。汽车的传动系统是汽车实现机械转换和传递的重要部件系统，因为传动系统，才使发动机的输出动力能够稳定地传送给车轮，并驱动车轮转动，实现汽车在任何条件下都能正常行驶，且努力提高汽车的动力性和经济性7。对于提高汽车动力性、燃油经济性主要是因为汽车动力传动系形式与参数的合理选择。能与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在经济工作区域内工作。其中传动系统包括：（1）变速器 改变传动比，满足不同行驶状况下对牵引力的需要，使发动机尽可能工作在有利的工况下，满足可能的行驶速度； 实现倒车行驶，用来满足汽车倒退行驶的需要；中断动力传递，在发动机起动，怠速运转，汽车换档或需要停车进行动力输出时，中断向驱动轮的动力传递。（2）离合器 安装于发动机与变速器之间，用于短暂地分离两者或平顺地结合以传递发动机的动力。（3）万向传动装置 在汽车传动系及其它系统中，为了实现一些轴线相交或相对位置经常变化的转轴之间的动力传递，必须采用万向传动装置。万向节和传动轴组成了万向传动装置，有时还要有中间支承。其连接变速器与驱动桥、连接离合器与驱动桥或变速器与分动器、连接断开式驱动桥或转向驱动桥和连接转向操纵机构。（4）驱动桥 其主要由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等组成。其功能是将变速器输出的转矩一次经过主减速器、差速器、半轴等传到驱动轮；通过主减速器齿轮副实现减速增距，并在需要时改变动力传递方向；通过差速器来实现左、右驱动轮以不同的转速旋转即差速作用8 9。此外，由于发动机、离合器和变速器固定在车架上，而驱动桥和驱动轮一般是通过弹性悬架与车架联系的，因此在汽车行驶过程中，变速器与驱动轮之间有相对运动。在这样的情况下，两者之间不能用简单的通过整体传动轴传动，应该采用万向传动装置。汽车传动系统的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形式和性能、汽车总体结构形式、汽车行驶系统及传动系统本身的结构形式等许多因素。方程式赛车一般采用发动机中置后轮驱动的MR方案。该方案布置有利于实现前、后轴的轴荷分配。MR方案中发动机发出的动力经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥的主减速器、差速器和半轴，最后传到驱动车轮10。3.方程式赛车传动系统国内外研究状况3.1国外研究现状 FSAE比赛开始在1980年初在美国举办的第一次比赛，国外目前已经是为汽车工程学会的学生成员举办的一项国际赛事11。当时报名的学校只有6个，但只有4支参赛队伍，如今美国每年有200支队伍参加比赛，比赛的人数将近2万人次12。20世纪60、70年代初期就开始对汽车动力性、燃油经济性的计算机模拟程序的研究。这些程序在样车制造前就能准确地对汽车动力性燃料经济性进行预测，并可根据几种传动系速比的变化引起整车性能变化，找到此变化的关系及能与所选发动机合理匹配的传动系。欧美等发达国家对大学生方程式FSAE比赛都非常关注，每个学校都会组建自己FSAE赛车队，参加各自区域的系列赛车,并且重新设计自己的赛车，使制造的赛车性能更加突出。日本的方程式FSAE比赛发展很快，已经成为亚洲地区举FSAE赛事的先锋队。其在加速性能上，日本所设计的赛车变速器能在规格指标和目标时间准确算出必要的功率13。伊朗、印度以及泰国等十几家外国车队都参加过日本举办的FSAE比赛。FSAE比赛早已进入平稳发展阶段由此可见，国外的传动系统的技术已经进入成熟阶段14。3.2国内研究现状随着大学生方程式汽车大赛影响力的逐渐扩大，中国各大专院校也开始逐渐关注并参与这一赛事。2010 年10 月，首届中国大学生方程式汽车大赛（FSC）在上海举行，吸引了国内 20 支大学车队参与了这次比赛，大赛取得圆满成功。此后的几年时间里，大赛规模不断扩大，赛事影响力不断加深15。华南理工大学的FSC赛车气动传动系统实现了半自动换档，司机可以更方便，在更短的时间内完成换档操作，从而提高比赛结果。 根据预设程序驱动换档气缸和离合器气缸，压缩二氧化碳在电子控制单元的操纵下完成整个传动过程16。天津大学采用春风CF188 发动机总成变速器有V 型齿形皮带自动无级变速器和带换档凸轮的有级变速器，采用手操作杠杆式变档。离合器型式为湿式蹄块自动离心式。传动系统初始方案为：发动机总成-传动轴-主减速器-差速器-左右半轴-左右驱动轮17。大学方程式4.0号赛车采用铃木GSXR-600四缸发动机和托森差速器。该赛车在调节方式上采用偏心轮调节，在去年的基础上球笼（等速万向节）短轴一体，而且尺寸改小，在受力强度要求符合的情况下的改进。其他部分是材料的变化。太原理工大学方程式赛车采用本田CBR600发动机，还采用了托森差速器，其更换了差速器外壳，其他是材料和工艺上的设计。参考文献1JieChao,HangGong.FSAE Racing Gear Selection and Shifting Agencies Choose to Discuss the Impact o fCar DriversJ.Applied Mechanics and Material,2015,3748(721):.2 中国汽车工程学会.中国大学生方程式汽车大赛规则（2017），2017-2.3高伟,邓召文,严子雄.FSC赛车链传动系统的设计与分析J.汽车实用技术,2014,(08):27-31.4 李素华,姚层林,方群波.汽车传动系参数优化设计的研究发展J.机械研究与应用,2006,(03):5-6.5 巩正阳,叶勤.汽车传动系参数优化设计的研究现状与发展趋势J.机械研究与应 用,2007,(05):11-13.6杨立昆,李和言,马彪.车辆传动系统分类与演变规律研究J.机械设计与研究,2013,(04):42-47.7章春军.汽车传动系统扭转振动研究与实验D.西南交通大学,2011.8庞作普，李翠萍.浅谈汽车传动系统的设计A.长城汽车股份有限公司技术中心. 河北汽车工程技术研究中心, 1671-5799（2016）36-0308-01.9蔡兴旺，付晓光主编.汽车构造与原理.下册，底盘，车身M.北京：机械工业出版社，2009.10.10董清泉.FSAE赛车传动系的设计与分析J.科技视界,2014,(06):287-288.11白兰,段云龙,杨宪军,高建.FSAE方程式赛车传动系统的仿真设计与优化J.大连民族学院学报,2013,(05):505-507.12SAE International Events History EB OLhttp：/ studentssaeorg competitions formulaseries cdshistoryhtm ，2012114 .13汽车设计制造指南/（日）鸠田幸夫，关根太郎等著；王利荣等译.北京：机械工业出版社，2011.1.14乔晓亮.FSAE动力传动系统参数匹配与仿真研究D.长安大学,2014.15陈敏.FSAE赛车动力系统选型与电气系统设计D.合肥工业大学,2014.16JieLi,YongZhuoLi,RunQiangLu,ShanHuYu,ShiChaoHuo,XinXia,GangZhu. Designof Pneumatic Transmission System Base on FSC Car of South China Universityof TechnologyJ.Advanced Materials Research, 2013,2586(774):.17天津大学FSAE团队成员.天津大学FSAE团队赛车设计报告A.天津大学。2010.10. 开 题 报 告研究方案：1.研究及解决的问题：（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；2.设计方案概述：（1）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。（2）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。 （3）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。3.设计工作进度： 2月13日-3月16日 调研、文献检索、制定方案、撰写开题报告。 3月 7日-5月20日 制作大学“梦想4.0”大学生方程式赛车、撰写设计说明书。 5月21日-6月10日 准备和进行设计设计答辩。 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日 外文资料翻译原文名称Design of pneumatic transmission system base on FSC car中文名称FSC赛车气压传动系统的设计原文来源：JieLi，ShsnHuYu,GangZhu,Advanced Materials Research，2013，共7页学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师: 外文资料翻译外文资料翻译1英文原文: (PDF格式)2中文翻译:气压传动系统的设计基于大学FSC赛车摘要：华南理工大学的FSC赛车气压传动系统实现了半自动换档，司机可以在较短的时间内更加快捷地完成移位操作，从而提高比赛成绩。根据预设程序驱动换挡油缸和离合器油缸，压缩二氧化碳在电控单元的操纵下完成整个传动过程。本文详细讨论了执行器和电子控制单元的设计过程，同时对由此产生的汽车调试问题，提出了系统的优化方向。关键词:FSC赛车，气压传动系统，执行器，控制单元介绍传统的FSC赛车采用普通手动换档方式，对驾驶员的操作要求较高，影响了汽车转向的稳定性和比赛的性能。华南理工大学的FSC赛车采用气压换档系统代替手动换档系统，实现了半自动变速，具有减轻驾驶员负担，减少传动时间，提高汽车动力性能和转向稳定性等显著效果。与手动换挡系统相比，气压传动系统如下优点：(1) 换挡更快，换挡时间缩短，有利于改善比赛结果；(2) 在驾驶过程中，司机可以一直紧握方向盘，提高车辆的机动性；(3) 当换档时，尽可能减少驾驶员注意力的分散，驾驶员可以更好地加入到 比赛中，从而提高汽车的安全性。研究方案主要研究方法和依据：气压传动系统主要包括参数测量设计，机械结构设计，控制电路设计，部件采购生产，装配调试等。在设计过程开始之前，我们需要已知量的测量参数，如起重档位的转角，传动扭矩等。设计理论结合实际情况，如汽车传动系统布局协调的组合空间等。反复进行生产装配过程，来验证各子系统的合理性和可靠性，确保气压传动系统符合设计要求。为了实现相对合理的换档系统工作状态，我们明确了车辆调试过程中调试目标和调试方案。主旨：在peumatic pick shift系统设计和生产中，我们必须解决以下问题：(1) 设计合理稳定的气压回路，在原理上完成换档动作；(2) 设计满足要求的控制电路，使其在工作流程中稳定地运作；(3) 气力密封是可靠的，工作压力符合设计要求；(4) 设计生产起动离合器的操纵机构，以满足汽车顺利启动要求；(5) 对整个系统进行静态和动态的测试与调试，测试工作系统的稳定性，同时根据实际 情况调整控制参数，进一步缩短换挡时间。气压传动系统工作原理转换的过程：发动机转速与车速之间的关系为公式(1)： (1)ua是车速(km/h)，n是发动机转速(r/min)，r为车轮半径(m)，ig是传动比，i0减速机齿轮比。赛车升档，变速比降低，发动机转速降低； 赛车降档，变速箱齿轮比增加，发动机转速也提高。 在升档过程中，为了使发动机转速降低，可以通过三种方式实现：驾驶员松开加速踏板，发动机燃油喷射暂停，点火暂停。 发动机点火开关切断，速度快速下降，驱动器不需要释放加速器，从笨重的动作中消除，对发动机功率没有影响，并确保火花塞在正常环境下工作，减少受损。 因此，赛车行业通常采用发动机点火方式来完成赛车升档动作。 汽车可以控制Motec M800的发动机点火。在赛车降档过程中，要使发动机转速提高，必须使离合器分离，司机踏上加速器及时补油。为了减少驾驶员疲劳，缩短时间等方面，我们设计气压离合器。执行机构的工作原理：换档执行机构原理图如下图1所示，气瓶中的高压气体为动力源，气体通过减压阀制动气缸。电磁阀用于控制离合器臂和摇臂运动的移动。图 1 执行机构原理图执行器设计气体介质：因为氮和二氧化碳的化学性质非常稳定，我们可以从相关渠道购买液氮或二氧化碳，最重要的是在日常生活中我们可以以液体形式储存。 二氧化碳与氮气相比，完成相同的换档次数，氮气瓶体积大于二氧化碳瓶，氮的价格高于二氧化碳。最重要的是液态二氧化碳在国内广泛应用于水族箱，因此瓶装的更方便。综合上述因素，我们选择二氧化碳作为气体介质。气压：考虑到电磁阀和气缸的压力为0.150.8MPa，出售的二氧化碳减压阀的工作压力可以调整，范围为01MPa，执行器的工作压力700 kP(101.5 psi)。气缸模型：执行器由两个气缸组成，每个控制装置分别移动摇臂和离合器的摇臂。气缸模型主要确定气缸类型，冲程，活塞面积和固定方式。 换档气缸通过气体驱动进行来运动，因此选择双作用气缸。离合器气缸依靠气动活塞杆出来，在外力作用下返回，所以选择单作用气缸。变速缸的确定：根据实验数据，移位角为14，设计移位摇臂L1的长度为110 mm。换档齿轮轴和换档油缸的安装方法如图2所示，活塞杆在降档时熄灭，活塞杆升档时返回，活塞杆处于中间位置时不动作。图2换档缸安装原理图 图3气缸行程的图形方法假设为80毫米迷你气缸选择冲程，图2中的两点距离为200毫米，通过已知的图形方法(图3)，提升气缸冲程为50 mm。为了方便安装和吸气，用20 mm限额计算冲程余量，因此气缸冲程大于70mm。根据GB/T2349-1980流体动力系统和部件气缸。 基于一系列的活塞冲程，结果表明，冲程为80 mm的气缸可以满足设计要求，并使气缸的响应时间最小化，因此气缸冲程S1为80 mm。降档，活塞杆突出。 实验数据表明，使换档轴顺时针转矩T1=6300 Nmm，摇臂长度L1为110 mm(L1=110 mm)，作用力与摇臂之间的角度为65(=65) ，安全系数S为1.5，根据公式(2)，气缸推力F1为95N(F1=95N)。 (2) (3)通过公式(3)，其中p=700 kPa，我们可以获得活塞直径D1=13.14 mm。升档时，活塞杆返回。以同样的方式， (4)通过公式(4)，其中p=700 kPa，因为活塞杆压缩和张力，所以d2=0.5D2，我们可以获得活塞直径d2=16.38 mm。总之，根据GB/T 2349-1980流体动力系统和部件气缸。基于一系列的活塞冲程，我们得到变速箱内径D=20 mm，活塞杆直径d=8 mm。检查符合要求。离合器缸的确定：离合器气缸的安装方法如图4所示，活塞杆脱落时出现。图4离合器缸安装方式实验数据表明，离合器T3的单独扭矩为11820Nmm（T3 = 11820Nmm），设计的离合器臂L3为70 mm（L3 = 70 mm），作用力与摇臂之间的角度为77 （= 77），安全系数S为2，根据公式（2），气缸推力F3 = 346.6N，根据公式（3），活塞直径D3 = 25.11 mm。根据“GB/T 2348-1993流体动力系统和部件气缸硼砂和活塞杆直径”来计算气缸内径的标准化，离合器缸内径D=32mm。同样，离合器分离角度为35(包括自由行程)，最后选择离合器油缸行程S3=50mm。总之，换气缸是2080mm的小号双作用筒，固定的方式是铰链；离合器缸是3250mm中号单动圆柱，固定的方式是铰链。气缸容积：气瓶的二氧化碳作为一个系统，在完成转变过程中，系统与环境之间交换的热量是Q，交换的功是W，由于转换过程非常快，通过传热损耗的能量Q很小，可以忽略不计： (5)W是当活塞运动时消耗的能量。W1是升档时气缸工作消耗的能量，W2是降档时汽缸工作时消耗的能量，W3是离合器气缸工作消耗的能量，完成一个换档周期(一次升档，下移降档)，离合器气缸工作一次，换气缸工作二次，气缸总能量W表达如下: (6)在把二氧化碳从液体变成气态的过程中，热力学能是 (7)m是完成转变周期的二氧化碳质量，T1，T2是二氧化碳之前和之后的温度变化，T1是293 k，T2是323 k，C1，C2可以通过查表得到。计算得到二氧化碳的质量是0.090 g。假设转变次数n最好是2500次，现在考虑传热损失的能量，安全系数S=2.5，这里用于完成比赛的二氧化碳的质量是： (8)对比市场上的二氧化碳气瓶，0.8 L的二氧化碳气瓶可以满足要求。电磁阀的类型：考虑到只需要传动离合器油缸活塞杆，所以我们可以选择两三个常用的闭合电磁阀。压缩气体驱动移动气缸活塞杆缩回，当不换挡时，气缸需要保持中立地通过3.5个排放压力的电磁阀控制。由于汽车电源电压为12 V，所以选择12 V电的磁阀。启动离合器控制机构的设计：在变速、离合器快速结合的过程中，气动控制系统为了确保汽车起动，汽车应采用通过缆绳分离和离合器控制组合的离合器控制机构。汽车应该通过缆线分离和离合器控制组合，从开关控制机构开始。设计起动离合器，应考虑方案的可行性。图5和图6是材料和安装示意图。图5 起动离合器的物理图 图6 起动离合器的安装简图控制单元的设计控制的任务：司机通过按一个按钮，提升信号，控制单元驱动相应的电磁阀，压缩气体带动相应的汽缸工作，实现了换挡操作。表1是控制单元的工作过程:表 1 控制单元的工作过程发送降档指令离合器电磁阀工作离合器电磁阀和降档电磁阀一起工作降档电磁阀停止工作离合器电磁阀继续工作离合器电磁阀停止工作升档行为结束发送升档指令EUC点火控制降档电磁阀和EUC关闭点火控制一起EUC点火控制降档电磁阀停止工作完成降档电路设计：电路的原理图如图7所示。图7电路工作原理图电路的特性(1) 两个中断的按钮设置(P3.2和P3.3)，与常用的die循环查询方法相比，信号处理更快；(2) 由于51系列单片机(MCU)的特点，电力输出的全部默认值为高水平。如果直接使用单片机控制芯片，会导致为了几微妙所有电磁阀一起工作。使用74HS04逆变器作为反向处理的信号，使单片机信号进入低电平，使初始工作正常。信号驱动电磁阀通过常用的电机驱动芯片MC33886，MC33886，能够提供满足电磁阀0.25A的工作电流。编程设计：本程序结合了Keil uVision4与C语言。由于有C语言的程序，因此注释清晰，易更改，容易控制和关闭时间。可以看到程序结构的流程图。海外团队的最佳时间是200毫秒。为了保护引擎和其他原因，程序的初始设定时间相应出现。通过实际车辆调试，将电梯控制时间调整到最佳方式。控制单元的改进：STC1F04E单片机控制芯片，有一些不稳定的问题，比如读齿轮信号问题，完成换挡信号不清楚，响应延迟等。与单片机相比，ECU有非常稳定的功能，并能切实有效地解决外部误差信号的干扰，准确地执行司机控制动作。结合汽车的情况，我们直接使用ECU控制移位信号。MoTec M800有移位控制功能，不需要复杂的手动编程，只在ECU程序中设置一些参数。同时ECU布线方便，因此，将A32，A33和A34三个插头与相应的电磁阀控制直接连接，图10显示了右上部分的3个引线。图10 MoTec M800 ECU部分附件结论本文对华南理工大学的FSAE汽车的设计进行了综合分析。气压传动系统直接影响着汽车的操作，换挡系统直接影响汽车的性能。本文结合三者的参与经验和实际情况，主要介绍了气动换挡系统的设计方法，对华南理工大学FSC赛车的气压传动系统设计具有重要的指导意义。7大学生赛车传动系设计,答辩学生： 指导教师：,目录,选题背景,FSC大赛是2009年由国外引进中国的，接着第二年在上海举办了第一届比赛，之后在中国大地上快速的发展壮大，由起初的几个零星的车队参加，到现在近千人，及几十个高校车队参加比赛。 因为大赛的愿景是推动中国汽车产业自主研发和科技的进步，大力培育专业人才。因此国家非常重视这一项目的发展。 在这样的国内情况下，一批批的赛车人出现在FSC赛场上，因为他们心中怀着赛车梦，热爱这份事业，他们默默奉献，整个团队用汗水去打造一辆性能优越的赛车。因此，对传动系统的设计优化在整车中比较重要，他会影响到整车的各方面的性能。,国外现状,二十世纪末，第一届比赛在美国举办，那时候有6个学校报名，但实际参加车队只有4个。如今的参赛队伍有200支，比赛人数近万人。 欧洲在二十世纪中上期就开始对汽车动力性、燃油经济性的计算机模拟程序的研究，可以确切地对汽车动力性燃料经济性进行精准地测量，然后根据传动比的变化引起全车性能变化的关系，然后再设计出与发动机合理匹配的传动系统。国外的技术已经达到成熟的阶段。,国内现状,我国的FSC赛事起步比较晚，第一届的大赛于2010年在上海举行，吸引了20支队伍参加，并取得圆满成功。 以下各高校的例子可以看出我国赛车发展的现状： 华南理工大学的FSC赛车气动传动系统实现了半自动换挡，根据预设程序驱动换挡气缸和离合器气缸，压缩二氧化碳在电子控制单元的操纵下完成整个传动过程。 太原理工大学方程式赛车采用本田CBR600发动机，同样采用托森加速器，其更换了差速器外壳，其他是材料和工艺上的设计。 中北大学方程式4.0号赛车采用GSXR-600四缸发动机和托森差速器。该赛车在调节方式上采用偏心轮调节，在去年的基础上球笼（等速万向节）短轴一体，而且尺寸改小，在受力强度要求符合的情况下的改进。其他变化是材料上的变化。,设计计划,刚开始准备要着手做毕业设计的时候，是在在三月底。我先是找到了行知车队的队员了解了赛车传动系的组成部分，根据大赛规则，以及从网上的了解。 然后根据传动系各组成部分在知网查询相关文献，然后进行筛选。根据所学的知识，找到设计所需要 的书籍，如汽车理论、汽车设计等。,设计步骤,创新突破点,支撑、轮芯，链轮等零部件使用7050铝合金制成，质量轻，硬度也达到要求，降低整车整备质量。 在调节链条松紧度的情况下，调节方式采用了偏心轮调节（指轮的中心不在旋转点上） 通过 ANSYS 对大链轮、差速器支架等零件进行强度分析和轻量化减重，在保证强度的同时达到轻量化以及减少成本，大链轮首次使用7050铝，质量减轻10%。球笼和短轴首次做出一体化，轻量化的同时也减少了加工量，同时考虑了密封性问题。半轴继续使用TC4 钛合金材料，质量为1.35Kg比使用40Cr减重48%，整体达到了轻量化目。,设计效果图,差速器壳体,零部件图,支撑（吊装）,半轴,零部件图,链轮,球笼（万向节）,传动系装配图效果,装配图,链轮的变形,链轮应力,输出轴的变形和应力,轮芯优化过程,计算过程,驱动力计算： 行驶车速： 阻力计算： 滚动阻力： 空气阻力： 加速阻力：,链轮受力情况：,有效圆周力：,离心力引起的拉力：,悬垂拉力：,紧边拉力：,松边拉力：,压轴力：,总结,此次设计在去年的基础上改进优化，学到了不少新知识和新软件，也回顾了整个大学里学过的专业知识，提升了个人技能外。也增进了与一同参与赛车设计的同学们的友谊。 但也有不足之处，因为知识有限，对传动系的优化学的只是皮毛，望今后大力加强在优化软件以及三维绘图软件上 的学习。,谢谢！, 说明书大学生赛车传动系设计 学生姓名：_ _ 学号:_ _ _ 学 院： _ 专 业：_ 指导教师： _ 大学生赛车传动系设计摘要 FSC是一级方程式汽车比赛汽车工程由大学或汽车相关专业学生组成的团队参加汽车比赛的设计和制造。FSC赛车由发动机系统、悬架系统、传动系统、转向系统、车架、车身、制动系统以及安全系统等构成。因此，对本文所涉及的研究方向而言，为了获得良好的加速性、制动性、耐久性和经济性，传动系统的设计尤为重要。汽车传动系是决定汽车动力性和经济性的关键，是将发动机发出来的动力和运动经由传动系传递到驱动轮上，所以，对它进行优化设计，可以节省燃油和提高赛车的动力性。因此，对赛车传动系的优化仿真设计是非常重要的，主要对整车的性能。我们应当对传动系进行结构选型，优化分析，明确理想的布置方案，选择适当的结构。然而，传动系的优化为赛车的设计、制造与调试提供了及其重要的理论基础，也是赛车性能分析的一个重要组成因素。关键词：赛车传动系，动力性与传动比，赛车链传动，差速器，ANSYS分析优化Design of the Dream 4.0 racing drive system of North UniversityAbstract FSC is a Formula One car race car engineering by the University or automotive-related professional students to participate in the team to participate in the design and manufacture of car racing. FSC racing consists of engine system, suspension system, transmission system, steering system, frame, body, brake system and safety system. Therefore, in order to obtain good acceleration, braking, durability and economy, the design of the transmission system is particularly important for the research direction involved in this paper.The car drive system is the key to determining the power and economy of the car. It is the power and movement of the engine to be transmitted to the drive wheel via the driveline. Therefore, it is designed to save fuel and improve the power of the car. Therefore, the optimal design of the racing system is very important, mainly on the performance of the vehicle. We should carry out structural selection of the transmission system, optimize the analysis, clear the ideal layout, select the appropriate structure.However, the optimization of the driveline provides an important theoretical basis for the design, manufacture and commissioning of the car, as well as an important component of racing performance analysis.Key words: driveline,dynamic and transmission ratio,chain drive,differential ,ANSYS analysis optimization目 录1 绪论11.1 FSC赛事介绍11.2 本文研究的目的及意义21.3 传动系的发展和现状21.4 赛事规则对赛车传动系统的要求32 动力性与传动比的计算52.1 传动比的计算52.1.1 发动机性能参数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 链传动的设计93.1 传动方式的选择93.2 链传动的设计与计算103.2.1 链条的设计113.2.2 链传动的计算124 传动系零件的选型和设计194.1 差速器194.1.1 差速器的介绍和功用194.1.2 限滑差速器194.1.3 差速器的选取194.2 托森差速器的润滑方式234.3 大小链轮的设计24第页 共页4.3.1 大链轮的结构设计244.3.2 小链轮的结构设计254.4 差速器的壳体254.5 差速器输出轴264.5.1 轴的结构设计274.6 轮芯274.7 差速器支撑284.7.1 轴承的选择284.7.2 支撑的结构284.8 吊耳和张紧的优化设计294.8.1 吊耳的设计294.8.2 张紧的设计294.9 半轴与万向节304.9.1 半轴304.9.2 万向节315 传动系统的ANSYS分析335.1 ANSYS的介绍335.1.1 ANSYS的概述335.1.2 ANSYS的分析步骤335.1.3 ANSYS仿真步骤335.2 各零部件的受力分析345.2.1 大链轮的ANSYS分析345.2.2 轴的ANSYS分析365.3 传动系的优化375.3.1 优化方案375.3.2 优化方案的介绍与选择37第 页 共页5.3.3 轮芯的ANSYS优化38总结41参考文献42致谢44第 页 共页1 绪论1.1 FSC赛事介绍中国方程式汽车受国外的影响，即是受到FSAE的影响。 FSAE由国际汽车工程师学会(SAE International)在20世纪末创建，它可以说是一个虚拟的企业，给出方案与规则，让大学生们自行设计一款小型赛车，然后要求在各个性能上满足汽车所需要的要求以适合各种赛道比赛。第一届比赛于1979年在美国休斯顿举行。此项赛事的目的在于培养本科生和研究生设计制造小型汽车的能力，为汽车工业的发展培养领头人和工程师。经过三十多年的艰辛历程，FSAE方程式赛车大赛在很多大学生中的赛车人眼中很重要，每年都会有很多高校进行比赛。在2009年的时候，这样的大赛事被引进中国。然后在2010年在上海举办了第一届的比赛。FSC赛事是中国各大高校的学生，在关于赛车方面相近的专业，符合设计要求的专业，然后设计和制造一辆赛车。他们必须在比赛规则和要求的条件下，在一定的时间内，设计一款符合比赛要求中满足各性能要求的赛车。FSC为国人搭建优秀的舞台，进行严格培养，以可以增强赛车人的技能，有效的增强赛车综合能力，可以增进中国汽车企业从“制造大国”向“产业强国”的伟大艰辛历程过渡。大赛愿景是推动中国汽车产业自主研发与科技的进步，增强中国汽车产业“引进消化吸收再创新”与“自主创新”的能力，增进中国制造性质向中国创造性质的转型，促进民族品牌向世界品牌的跳越。 汽车人才培育机制的完善，是中国汽车工业从“制造大国”向“创新强国”的战略目标迈进的人才基础。积极研究合理的利用社会资源培育创新型人才的教育新体系。建立自主创新技术的国际交流平台，因此，在世界汽车技术的革新潮流中，可以有效帮助中国汽车产业的未来人才不断地获得启发。捕捉行业动态的视角变得国际化，丰富知识储备，主动参加国际汽车技术标准的革新与升高。国产汽车产业自主创新的主流意识需要强化，国产汽车厂家在汽车人才培养、技术研发等方面的企业社会责任感需要深化，有利于帮助大部分国产汽车品牌主动探寻自身巨大的发展空间。1.2 本文研究的目的及意义汽车在总体布置与结构设计的优缺，会影响汽车的总质量和汽车行驶阻力。对赛车传动系的优化仿真设计，重中之重，主要对整车的性能，比如动力和经济比较大。我们应当对传动系进行结构选型，优化分析，明确理想的布置方案，选择适当的结构。传动系的优化为赛车的设计、制造与调试提供了及其重要的理论基础，也是赛车性能分析的一个重要组成因素。1.3 传动系的发展和现状第一届国际赛事在二十世纪末在美国举办的。当时报名的学校只有6个，但只有4支参赛队伍，如今美国每年有200支队伍参加比赛，比赛的人数将近2万人次。二十世纪中上期就开始对汽车动力性、燃油经济性的计算机模拟程序的研究。这些软件程序在成品车制造之前，就可以确切地对汽车动力性燃料经济性进行精准地测量，然后经由传动比的变化引起全车性能变化，因此，根据传动比变化的联系，然后找到发动机合理匹配的传动系。欧美等发达国家对大学生方程式FSAE比赛都非常关注，每个学校都会组建自己FSAE赛车队，参加各自区域的系列赛车,并且重新设计自己的赛车，使制造的赛车性能更加突出。日本的方程式FSAE比赛发展很快，已经成为亚洲地区举FSAE赛事的先锋队。其在加速性能上，日本所设计的赛车变速器能在规格指标和目标时间准确算出必要的功率。东南亚和中东的大学生车队都参加过日本举办的FSAE比赛。FSAE比赛早已进入平稳发展阶段由此可见，国外的传动系统的技术已经进入成熟阶段。随着我国汽车行业的发展和进步，2010年10月，首届中国大学生方程式赛车大赛（FSC）在上海举行，吸引了国内 20 支大学车队参与了这次比赛，大赛取得圆满成功。华南理工大学的FSC赛车气动传动系统实现了半自动换挡，司机可以更方便，在更短的时间内完成换档操作，从而提高了比赛结果。根据预设程序驱动换挡气缸和离合器气缸，压缩二氧化碳在电子控制单元的操纵下完成整个传动过程1。中北大学方程式4.0号赛车采用GSXR-600四缸发动机和托森差速器。该赛车在调节方式上采用偏心轮调节，在去年的基础上球笼（等速万向节）短轴一体，而且尺寸改小，在受力强度要求符合的情况下的改进。其他变化是材料上的变化。太原理工大学方程式赛车采用本田CBR600发动机，同样采用托森加速器，其更换了差速器外壳，其他是材料和工艺上的设计。1.4 赛事规则对赛车传动系统的要求FSC赛车的传动系统除了要具备上文提到的赛车传动系统所具备的功能外，还要满足方程式比赛规则的要求，符合比赛规则。在传动系统里2017FSC（官方）部分规则如下2:(1) 暴露在外的高速旋转的主减速器部件，如CVT、链轮、齿轮、皮带轮、变扭器、离合器、传动带、离合器传动、电机，都必须安装防护罩以防其失效。主减速器防护罩必须覆盖链条（传动带），从主动链轮（带轮）到从动链轮（带轮）。主减速器防护罩必须开始和结束于与链轮/皮带/带轮的最低处平行的位置（见下图）。备注：如果发动机原本安装有链齿保护罩，那么其可作为分散式防护罩的一部分。图1.1 主减速器防护罩(2) 传动链的防护罩使用的材料不可以有通孔。(3) 传动链的防护罩必须使用厚度至少为2.66mm（0.105英寸）的钢板制成，其宽度至少为链条宽度的三倍。并且在链条中心线向左和向右各1.5倍链条宽度范围内，都能被防护罩防护。(4) 安装用紧固件防护罩必须使用至少公制8.8级M6螺栓安装。(5) 手指护罩当赛车停止时，还在运转的零部件必须使用手指护罩遮挡。手指护罩可以用轻质材料制成，但需足够抵抗手指施加的力。材料可以自行设计，但必须保证6mm（1/2英寸）半径的事物不能穿过防护罩。(6) 可以使用任何传动变速装置。2 动力性与传动比的计算2.1 传动比的计算2.1.1 发动机性能参数1. 发动机参数中北大学方程式4.0号赛车采用铃木GSXR-600四缸水冷电控汽油喷射式发动机，按照比赛规则来说，在20mm的限流阀下，所有进气必须通过。这样就会限制到发动机的功率和扭矩，因此，限流后的发动机特性参数3要被分析。1) 原发动机特性参数：在13500r/min转速时最大功率达到82Kw。最大扭矩在11500r/min转速下为69Nm。2) 发动机特性参数（限流后）：在11500r/min转速时最大功率达到60.2Kw。最高车速120Km/h在10500r/min的转速下最大扭矩52Nm。2. 变速箱性能参数变速器是铃木GSXR-600发动机自带的，其为6速变速箱，1-0-2-3-4-5-6。但比赛时一般用不到第6档位。所有常用的5速循环换挡为1-0-2-3-4-5。见表2.1得。大小链轮初级减速比3.15。变速器初级减速比（Primary Retuction ratio）为1.926。表2.1 变速器各档位比档位12345符号I1I2I3I4I5速比2.7852.0521.6811.4501.3042.1.2 末级传动比的确定由比赛规则和我校车队历年的比赛经验，比赛时用到的最高车速不超过100Km/h4。由于我校方程式赛车4.0号变速箱为六档，但实际比赛用到的档位只有1、2、3、4、5档，所以设计5档时最高车速是100Km/h。限流后，发动机转速n=11500r/min时，最大功率P=60.2Kw，初级减速比i0=1.926。5档减速比i5=1.304。轮距r=228mm。由数据可以算出轮胎在速度为100Km/h时的转速nt和末级减速比if。(2.1) (2.2)因为我校赛车的小链轮齿数是11，由上式可得，大链轮为：(2.3)由此可以得出大链轮的齿数为43。其实际传动比为(2.4) 由此可得，末级传动比为3.9。2.2 赛车动力性计算汽车的动力性系是指在水平无障碍的路面上，汽车在受到的纵向外力并在直线行驶时，所能达到的平均行驶速度5；汽车之所以被称为高效率的运输工具，是因为其动力性的好坏决定了效率的高低。因此，汽车各种性能中最基本、最重要的性能之一是动力性。2.2.1 评价指标汽车的动力性主要由三方面的指标来评定，即：1) 最高车速uamax；由于大赛规则的限制，赛车无法达到最高车速。2) 加速时间t；加速时间也可以说是赛车的加速能力。通过075m直线加速可对比赛时的加速性能进行测试。3) 最大爬坡度imax；由于比赛赛道都是水平的沥青路面，所以不需要考虑爬坡度。2.2.2 动力性计算1. 各档驱动力计算驱动力计算公式如下： (2.5)其中Ttq表示发动机转矩(Nm)，ig表示变速器传动比，i0表示发动机初级减速比，if表示主减速器传动比，t表示传动效率，r表示车轮半径(m)。由此可以计算驱动力。在10500r/min的转速下最大扭矩52Nm，主减速比if为3.9。传动效率t取0.9，将以上数据代入（2.5）得表2.2。表2.2 赛车各档驱动力档位12345驱动力（N）429431642592223620112. 赛车行驶车速在驱动力不打滑的情况下(2.6) 式中ua为汽车行驶车速（Km/h），n为发动机转速（r/min）。由于大赛设置了各种障碍和弯曲赛道，因此无法达到最高车速，所以最高车速也就没有任何意义，计算最大车速用作参考，转速n下对应的最高车速。测得n=12500r/min，r=228mm，i0=1.92，if=3.9。将数据代入式(2.6)得表2.3。表2.3赛车最大行驶车速档位12345车速（km/h）51.3669.7185.0998.65109.703. 行驶阻力计算(1) 滚动阻力滚动阻力的计算公式(2.7)其中整车整备质量G为275kg，f为滚动阻力系数，其计算公式为：(2.8)由于比赛路面为良好的沥青或混泥土路面，所以查下表2.4可知滚动阻力系数f在0.010-0.018之间，取中间值0.014。表2.4 滚动阻力系数路面类型滚动阻力系数路面类型滚动阻力系数良好的沥青或混凝土路面0.010-0.018泥泞土路(雨季或解冻期)0.100-0.250一般的沥青或混凝土路面0.018-0.020干砂0.100-0.300碎石路面0.020-0.025漫砂0.060-0.150(2) 空气阻力空气阻力计算公式为(2.9)其中A表示迎风面积，根据车身设计取0.4m2；CD表示空气阻力系数，由本校车队赛事经验，取空气阻力系数为0.3，将以上数据和相应的车速代入得表2-5，如下：表2.5 赛车的行驶阻力滚动阻力(N)41.3444.3847.6551.0654.21空气阻力(N)10.5619.45 28.9938.9648.17(3) 加速度加速度的计算公式为：(2.10)其中：为旋转质量惯性系数，取为1.2；m为赛车的整车整备质量，取275Kg。将其代入式（2.10）得表2.6。表2.6 赛车最大行驶加速度档位12345加速度12.859.397.526.505.78根据以上对本校赛车4.0号动力性的计算，得出其较高的动力性满足赛车具有高动力性的要求。3 链传动的设计3.1 传动方式的选择在众多的传动系统中，链传动用的比较广泛，但各种传动方式都有它的优缺点。由于本次的我校方程式赛车需要稳定的传动比和传动效率，在精度上要求较高，并且赛车对整车质量上面的要求，又因为链传动安装精度较低。其次所选的链传动节约了成本，其整体尺寸比较小，结构紧凑，耐高温和潮湿，并能在这样的环境上工作。性价比也比较高，较轻的质量，减轻了整车整备质量。再次，当两车轴相距较远的情况下的时候，它可以传递运动和动力，且能够低速，车辆过重，高温、潮湿的条件以及在沙尘暴的紊乱的工况下正常传递动力。在这种情况下，传递效率还是比较高的，正常情况可以达到0.950.97。链传动相比带传动，传动效率是比较高的，并且作用在半轴和轴承的作用力小，其中制作和装配比较便捷，故我校方程式赛车4.0号采用链传动6。因此，传动系统的设计和优化很重要。链传动组成：链传动部件由装在平行轴上的主动链轮、从动链轮和绕在链轮上的链条组成(大链轮和小链轮组成)，工作情况下，依据链条链节与链轮轮齿的啮合带动从动轮来回转动，然后可以传递运动和动力。因为我校方程式赛车4.0号采用发动机中置后驱，发动机所传递的动力经过变数器到差速器壳体由链传动传递动力，因我校赛车要求布置要紧凑些，并要求压在半轴上的力要小，除此之外，变速箱在发动机GSXR6600上，其没有倒挡，所以选择链传动比较合适。链传动有以下的优点7：1. 链传动VS带传动：链传动总体上来说没有弹性滑动和整体打滑的现象，并且在告诉运转的过程中能够稳定维持平稳的传动比和较高的传动效率，其次链传动的张紧力没有带传动的紧，它也不需要那么紧的张紧力，因此，在半轴上，作用于半轴的径向力是很小的。由于链传动的构成材料都为金属材料制成，它与带传动在同等的条件下工作时，链传动的整体尺寸较小，且很紧凑，耐高温，耐潮湿。2. 链传动VS轴传动：我校方程式赛车4.0号属于高速型赛车，不适合使用轴传动，因为赛车在旋转时会产生横向扭矩，使车子向轴传动的反向倾斜，旋转速度越高，扭矩越大，且其成本较高，对材质要求也高，加工难度大。而链传动有许多间隙，可以有效的吸收震动。3. 链传动VS齿轮传动：链传动的造价比较低和链传动的拆卸精细度要求也是很细致。因为变速箱传递动力与差速器壳体的距离比较远，因此链传动的结构比齿轮传动的便捷很多。事物总是具有两面性的，链传动也有它的缺点，下图3.1所示，如下：1. 工作时有噪声，容易磨损并跳齿；2. 存在冲击、震动，不适合载荷大、高速、急转向的传动中；3. 对安装精度要求高，只能实现平行轴间链轮的同向传动。图3.1 链传动依据方程式赛车总布置的需求所知，把方程式赛车的传动系统分为离合器，变速器（变速箱是GSXR-600发动机自带的），减速器，差速器，按照他们的各自的功能作用，分别对他们进行设计与分析8；最后将他们组合成一个整体，完成总体设计，确定最终的传动方案。3.2 链传动的设计与计算依据方程式赛车（FSC）比赛规则和机械设计一书介绍，我对方程式赛车链传动进行设计和计算。对链传动的设计分析，它主要包括以下的内容：链条的节距p、排数、中心距a0、大小链轮齿数（z1和z2）与尺寸、传动中心距amax。3.2.1 链条的设计1. 概述链传动也被叫做挠性传动，链条、小链轮和大链轮组合成了挠性传动。它通过链轮轮齿和链条节的啮合来传递从发动机里发出的动力和传递赛车运动。根据用途来区分链条可以有：链传动、输送链和起重链，但在我们普通的机械运动中，用途最广泛的是链传动。滚子链和齿形链等也是链传动的一类型，其中滚子链常用于传动系统的低速级9。2. 链结构的选择(1) 滚子链滚子链结构细节可以从下图3-2看出。滚子1、套筒2、销轴3、内链板4和外链板5构成了滚子链，他们之间的配合公差有过盈配合；间隙配合的部分有。滚子是灵活的，可以滚动的，因此在它工作的时候，滚子沿链轮齿廓滚动，这样一来，可以减小齿廓的磨损。在销轴和套筒之间的缝隙要添加润滑剂，这样一来就可以防止长期工作造成的磨损。图3.2 滚子链(2) 齿形链无声链也可以叫做齿形链，它的结构由下图3.3所示，两个齿的链板左右交替合并铰接构成了无声链即齿形链，其中它的齿楔角(两个链板的工作边的夹角)为60度。齿形链的结构相对滚子链复杂很多，在制作过程中很艰难，并且价格昂贵，一般不会用到齿形链，我校方程式赛车4.0号由于经费的原因和对赛车性能的要求，因此，本次我校参赛赛车的设计使用滚子链进行传动。图3.3 齿形链3.2.2 链传动的计算1. 链轮齿数根据2.1.2中的式（2.4）计算可得实际传动比为3.9，如果链轮的齿数非常的大的话，是会增大传动的整体尺寸，并且容易产生跳齿和脱齿的现象，小链轮齿数Z1的一般选择11或者13的质数。如果小链轮齿数Z1选用太过于小，外廓尺寸就会变的太小，但如果齿数选用比较少，会改变运动的不均匀性和动载荷；链轮在进入和退出咬合时，是会加强链节之间的相对转角；链传动的圆周力增大，从整体上来说，会让铰链和链轮的摩擦力加大，然后会磨损。链轮的最少齿数Zmin=9。小链轮的齿数Z1也不适合取的太过于大。传动比确定的时候，小链轮齿数Z1越大，大链轮齿数Z2也会随着小链轮齿数变大而变大，因此，综上所述，小链轮采用发动机自带链轮齿数为11，而大链轮齿数为43。2. 节距和排数由于链轮齿数较少，所需链条的节距就越大。链条节距越大，承载能力也随之升高，但是传动的不均匀性、动载荷也越严重10。因此,要选取合适的节距，要根据所传递的功率进行计算,在满足传递功率的情况下,尽可能取得较小的链轮节距,以获得最紧凑的链传动结构，还可以根据所传递的功率大小来决定是采用单排链还是采用双排链或多排链11。如果从经济方面来看的话，当中心距较小，传动比较大时，应该选择小结距的多排链结构；当中心距过大，且传动比比较小的时候，应该选择大节距的单排链结构。根据方程式赛车的结构要求，我校设计的方程式赛车4.0号在结构上比较紧凑，因此我校赛车选取小节距的单排链结构。参照我国链条国标GB/T1243-1997，节距15.875的10A应用广泛，价格低廉，节省了成本，并且购买的时候也很方便。因此，我校赛车选择节距等于15.875的单排链结构。链条的相关参数如下表3.1所示。表3.1 选取链条的规格和参数ISO链号节距P滚子直径d1内链节内宽b1销轴直径d2内链板高度h2抗拉载荷10A15.875915.0921.83. 计算功率Pca依据链传动的工作情况、主动链轮的齿数和链条的排数的条件来说，将链传动所传递的功率和运动修正为当量来计算功率，它的计算功率的公式为：(3.1)其中KZ表示主动齿轮数系数，见图3.4；KA表示工况系数，见表3.2； KP表示多排链系数，双排链时选1.75，三排练时选2.5，见表3.3； P表示传动功率（Kw）。根据下图所知，KZ取2.9，即KZ=2.9。图3.4 主动链轮齿数系数KZ由下表3-2可以得到所需要的参数工况系数KA=1.0。表3.2 工况系数从动机械特性主动机械特性平稳运转轻微冲击中等冲击电动机、汽轮机和燃气轮机、带有液力耦合器的内燃机6缸或6缸以上带机械式联轴器的内燃机、经常启动的电机（一日两次以上）少于6缸带机械式联轴器的内燃机平稳运转风机和干燥炉等1.01.11.3中等冲击固体搅拌机和混料机等严重冲击电铲、球墨机等由于我校赛车选择的是单排链，根据下表3.3，可得KP=1。表3.3 排数系数排数1234KP11.752.53.3将以上的数据代入公式（3.1）得：Pca=174.6Kw。4. 链轮尺寸的计算现已知节距p=15.875，小链轮齿数Z1=11，大链轮齿数Z2=43。根据机械设计一书里的计算公式，见表3.4。表3.4 链轮尺寸计算公式名称符号计算公式分度圆直径d齿顶圆直径da 齿根圆直径df齿高ha 将上述数据代入表3-4的公式里可得出大小链轮的参数，整理如下表3-5所示：表3.5 大小链轮参数参数小链轮大链轮齿数Z111Z243分度圆d156.348d2217.480齿顶圆da1min59.754da2min222.604da1min66.032da2max227.164齿根圆df146.188df2207.320齿高ha1min2.858ha2min2.858ha1max5.996ha2max5.137节距15.8755. 中心距 如果中心距相距的距离过于大，即使他的承载能力会变好，但他的松边陲度会变大的，这样一来，在传递动力的时候链条的松边就会颤抖，也会可能发生脱落现象。但如果中心距相距的距离太过于小，从本质上讲,每秒内传动的次数会很多，这就会是齿轮和链条啮合的次数也随之增多，链条受到的内应力和圆周力会变大，链条就会发生震动，导致磨损和疲劳现象12。链传动中链条的振动是一个非线性振动问题，传动过程中链条的横向振动将引起跳齿现象发生,并且会造成很大的动载荷加剧，链条铰链的磨损与链边的抖动,从而降低链传动的效率,对链条具有极大的破坏作用13。链节数的计算公式：(3.2)其中a0=（3050）p，取a0=30p。将表3-5中的数据代入式（3.2）可得LP=88节。为了避免使用过渡链节，应该将计算出的链节数LP0圆整为偶数LP。链传动的最大中心距是：(3.3)根据相关文献中滚动阻力系数的参数表可知，所以1=0.24643。因此计算得amax=477.27mm。6. 链轮包角与传动比的最终确定小链轮包角的计算公式如下：(3.4)将上述表3.5的数据代入式（3.4）得：=161。已知小链轮的最小包角是120，将其代入式（3.4）得最小中心距a=153.88mm。依据给定的车轮半径和轴距尺寸来估计。我们选取小链轮的中心距在153.88477.27mm之间，我们选取a=300mm19p。将这个数据代入上列式中可以得出=149，LP=66节，得出图3.5和图3.6的结果。图3.5 小链轮尺寸图3.6 验算小链轮包角 经过软件CATIA的验算，对其进行约束后得出的小链轮包角为148.844度。其与我们算出的小链轮包角=148.844149相符。7. 计算链速因为链是由刚性链节通过销轴铰接而成，是一段曲折的正多边形部分。因此我们可以计算链条的平均速度（单位为m/s）为(3.5)将上述相关数据代入式（3.5）得。8. 链轮受力计算链传动在工作的时候，收到紧边拉力和松边拉力，它的有效圆周力为:(3.6)其中：P为传递的功率（Kw），为链速（m/s）。根据我校赛车发动机限流后的功率60.2Kw，计算的出圆周力Fe=1969.90N。由离心力引起的拉力为(3.7)悬垂拉力为：(3.8)其中,，式中a表示链传动的中心距（mm），Kf-表示垂度系数，如下图3.7所示，下图中f为下垂度，a为中心线与水平夹角之间的距离。Kf选取为0.3。图3.7悬垂拉力将数据代入，计算悬垂拉力。由此计算紧边拉力和松边拉力分别为： (3.9) (3.10)压轴力为：(3.11)式中，Fe表示有效圆周力(N)，KFP表示压轴力系数，对于水平传动KFP=1.15，对于垂直传动KFP=1.05。我校赛车采用水平传动，故KFP=1.15。由此可算出压轴力FP=2265.385N。4 传动系零件的选型和设计4.1 差速器4.1.1 差速器的介绍和功用“托森”差速器是美国格里森公司生产的转矩感应式差速器14。即差速器可以根据其内部差动转矩的大小而决定是否限制差速器的差速作用，很精巧的利用蜗轮蜗杆传动的不可逆性的结构原理来设计的，还有其齿面摩擦条件实现前、后轴蜗杆同时驱动及转矩的自动调节，除此之外，托森差速器还具备自锁功能，使行驶的赛车可以在不同的赛道上根据差异来弥补左右车轮的速度，这样一来，它的锁紧系数和转矩比大大提高，作为一种新型的差速机构，是赛车上必不可少的。4.1.2 限滑差速器限滑差速器15, 英文名为Limited Slip Diff，简称LSD。为了解决汽车横向力变差，抵抗侧滑能力变差，导致车轮滑动的现象，即汽车操纵稳定性就会不稳定。限滑差速器可以由他本身的的基本原理，重头开始地调节普通差速器的扭矩分配的标准特性。更加有力的分配左、右赛车驱动轮上的驱动力，使用限滑差速器可以完全地消除一些普通的差速器存在的“差速不差扭”的缺陷现象16。因此，我们非常低需要提高“梦想4.0号”在不同的比赛赛道的通过能力性能，因此要选择限滑差速器。4.1.3 差速器的选取通过搜集，可以找到近年以来参赛的各学校车队使用的各类差速器，经过调查，大部分高校通常会选择限滑差速器来提高赛车在不同赛道下的通过和操纵稳定性能，故，限滑差速器得以广泛使用。1. 托森差速器 托森差速器(Torsen)在大学生方程式赛事(FSC)中比较常见的，就好像是专为大学生赛车比赛而定的，它的型号是012000，重7.2磅，约3.23Kg。它的围观图如图4-1所示，尺寸如图4.2所示，结构图如图4.3所示。图4.1 托森差速器的外观图4.2托森差速器的尺寸图4.3 托森差速器的结构托森差速器作为一种新型的限滑差速器,具有对转速比反应灵敏、自动调节锁紧系数（使其变大）、传动平稳性强、冲击小等优点，可以很大程度的提高汽车(特别是在环境比较恶劣下行驶的汽车，如越野)的通过性。torsen充分利用了蜗轮和蜗杆原件，然后自行安排锁紧系数和转矩比这一特性,当转速比巨大的情况下,它是可以很轻易取得巨大的锁紧系数和转矩比,这样一来，可以将差速器锁死,稍等转速比下降很多后,又会把差速器慢慢地松开或放开,这样下来，结束了自动调节锁紧系数和转矩比的精彩过程,非常有效地避开了人为操纵差速锁紧赶不上，而所造成的巨大事故。托森差速器作为限滑差速器的一种新类型。它主要由前齿轮轴、空心轴、差速器壳体、后齿轮轴、后轴蜗杆、直齿圆柱齿轮(12个)、蜗轮轴（6个,沿蜗杆轴线均布)、蜗轮(6个)、前轴蜗杆组成17；托森的核心是蜗轮、蜗杆齿轮啮含系统18, 从托森差速器的结构视图（如上图所示）可以看到双蜗轮、蜗杆结构。正因为是它们的相互啮合互锁和扭矩单向地从蜗轮传送到蜗杆齿轮的构造实现了差速器的锁止功能, 因为这样的特性，控制了赛车滑动。蜗轮和蜗杆式torsen轮间差速器和蜗轮和蜗杆式torsen都是使用了蜗杆传动的难以返回的原理与齿面高度磨合的原理来让赛车达到差速的效果，由它的里面的差动转矩器和转速器大小的变换而自动锁死或放开, 有效地提高了汽车在不同道路上的通过性。这款托森差速器是方程式赛车的专属，是格里森公司专门为方程式大赛而定制的，它具备体积比较小，轻的重量的优点，在与普通差速器相比的情况下，具备高速和可操作稳定性的优势，对赛车在不同赛道上运行的功能有很大的提升，性价比比较高。2. Drexler差速器Drexler差速器又叫做德雷克斯勒差速器，它也是限滑差速器的一种高性能类型，德雷克斯勒不论从自身的质量、体积、性能来说是最好的，而且安装方便，但是价格确实很贵，土豪车队必备。这款土豪类型的差速器在最近几年的国内方程式比赛中应用的越来越多，因为这类赛事得到国家的支撑，投资人越来越多，使得一部分车队得以使用。又因为其质量更轻，只有2.6千克。它的结构图如下图4.4所示，内部构造图4.5所示。图4.4 德雷克斯勒构造图图4.5 德雷克斯勒内部构造德雷克斯勒差速器考虑到FSC赛车大部分使用链传动，配套提供了链轮连接设计和链轮的配套毛培。由于这样的超级和高级差速器，造价和进价必须昂贵，全部大概要花两千多美元，从外国弄到中国得两万多人民币。只有小部分可以支付得起的车队可以使用，在性价比上不如托森差速器。3. Cusco差速器这款差速器最近的一两年的比赛中得到一些车队的看好，但实际情况是，由于经费的原因，托森用的比较广泛。其产品特点突出，而且性价比相对来说，是比较高的，因此在近几年的时间里得以应用。结构如图4.6所示。图4.6 Cusco差速器的结构这款差速器使用高强度铬钼钢L.S.D外壳，内部半轴齿轮、主动齿轮使用精密的锻造工艺，这样可以使得齿轮的形状变小，而且赛车的耐久性也得到大幅度的提高。槽沟技术是Cusco差速器独有特点，使得润滑油快速通畅的灌进去，压缩环与MZ片的接触部分可以完成平滑研磨，与Cusco润滑油循环系统相互使用，使得产品的稳定性能力增强。其品质较好，而且价格介于托森与德雷克斯勒之间，不算太昂贵。因此得到了大部分车队的喜爱。由于我校车队经费和历年比赛的经验来说，最好的选择是，选用符合自己的产品，实惠且又能让我们的赛车驰骋在比赛场地上发挥它的最大水平，由上面几种差速器来看，最终的决定是，我们采用托森012000差速器。4.2 托森差速器的润滑方式由大量的数据表明，汽车差速器在初期时，容易出现烧蚀问题19。又因为差速器的运转是由蜗轮蜗杆机构操控的20；如果这部分不润滑，很容易造成温度升高，然后烧蚀现象，这样会降低传动的效率。除此之外，对赛车手的安全也是一个重要的问题。因此这个部位使用粘稠度大的润滑油是比较合适的，除此之外，还需要在润滑油内添加化学剂，原因是为了提高润滑剂的胶合力以及散热能力。所以润滑油选用格里森公司推荐的80W-90GL5，可以满足蜗轮蜗杆在运转时的要求。因为买回来的Torsen差速器没有外壳，所以需要我们另外设计安装外壳，对润滑油进行合理地设计和密封。4.3 大小链轮的设计两个链轮可以将力矩和动力传递到车轮，也是传动系统中比较重要之一，也可以说是核心，所以其结构优化设计是我们首先考虑的。4.3.1 大链轮的结构设计由第三章的表3.4可得大链轮的尺寸。方程式赛车在赛道运行中的扭矩是经由大链轮传递小链轮到差速器。对于这个传动的过程是怎么样实现的，以至于可以把发动机的动力传到差速器内，有以下的几个方案可以参考选择，见图4.7。图4.7 扭矩传递方案经过对比可得，我们应该好好利用差速器壳体上的内花键，使得大链轮传递的动力由花键传扭到差速器上。这样一来，我们应该在大链轮上设计一部分花键，用来与差速器花键配合，这样大链轮不仅可以有准确的定心定位，而且还具有重量轻，使用方便，布置简单等优良特性。对大链轮进行轴向定位，可以采取螺栓连接差速器壳体的方案，可以让大链轮的轴向力得以定位。除此之外，因为使用润滑剂，所以一定考虑将润滑油进行完全密封。又因为使用的是限滑差速器，半轴有可能会与差速器壳体发生相对滑动或者相对转动，因此，我们选择骨架油封，以防止润滑油从差速器的侧面渗出。需要考虑到限位的问题，即在骨架油封的布置与轴之间，所以应该在大链轮的外侧冲一个孔，这样，可以方便安装轴承和油封。在确保大链轮的强度的条件下，想要完成轻质量化，在大小链轮上我们第一次采用7050铝合金，设计并优化了镂空，最后设计了五角星图案，总体质量只有1.6kg，最大直径小于210mm，所以可以说它具备质量较轻，尺寸较小、完美外观等优良特性。见图4.8得。图4.8 大链轮4.3.2 小链轮的结构设计小链轮的直径大约仅有60mm，所以不需要再做镂空设计优化，发动机变速箱输出轴经过花键把扭矩传到小链轮，所以应该在小链轮上设计出花键，花键经由大螺母限位。见图4.9。图4.9 小链轮4.4 差速器的壳体因为torsen差速器采用蜗轮蜗杆等机械零部件，因此要求油润滑效率要高才行。并且需要往润滑油里添加化学剂，故本设计采用油润滑。因此，差速器壳体的设计是差速器设计里的重要环节，它可以把差速器包裹起来，可以防止润滑油飞溅。除此之外，应该在差速器的左、右两端安装轴承，经由支架稳定后面的差速器总成。更好的选择是硬铝合金，经过上述的结论，在强度、硬度和成本的综合考虑下，为了减轻整车质量采用了7050铝合金，其符合需求的条件下显现了轻量化的优良特性。Torsen差速器外的壳体不但实现了密封的作用，还是在轴承的安装面上，支撑和限位都是由差速器壳体来完成的。除此之外，我们需要在差速器外壳上打出定位孔，用它来限位大链轮，还需要将差速器壳体设计成两个半壳的拼接体，方便用螺栓进行安装拼接。差速器壳体的左端应该打孔，以便与大链轮进行配合，这样就可以对大链轮进行限位和固定。我们的设计选用12.9级的M6内六角螺栓，非常的轻巧和便捷，差速器壳体的右端需要安装轴承和油封，进行限位和密封。差速器的左壳体和右壳体的拼接采用M6的内六角螺栓进行连接固定，然后使用密封胶对其密封。除此之外，在壳体上攻出管螺纹，安装一根油塞，加润滑油和放润滑油非常便捷。所以可以说它具有结构紧凑，整个结构轻便灵巧、密闭性好、外观良好、简洁等优良特点。差速器壳体如图4.10所示可得。图4.10 差速器壳体4.5 差速器输出轴依据torsen差速器的结构来说，差速器对外输出的扭矩是经由花键来实现的。将力矩从发动机传递到两个半轴之间的方案有两个：首先是我们用现成的工具器材加工设计球笼；其次是从汽配城购买现成的球笼，并由我们来设计并加工短轴，用以连接差速器与内球笼，我校设计的方案是球笼和短轴为一体。因为第二个方案比较容易实现，并且可以节约我车队的资金，所以选择第二个方案。然后，我们进行左、右短轴的设计。4.5.1 轴的结构设计我们计划选择使用成品的奥拓万向节，它的构造为内花键，所以仅仅只用做出两端都是外花键的短轴就可以。短轴限位借助卡簧和轴承，油封布置在端口，其有一个花键空，做了两端具有花键的轴用于连接差速器和内球笼，连接可靠，承受扭矩大21。对轴的限位有很大的可靠性，然后我们在内轴上设计一个轴肩，具有顶住涡轮台面的功能，限位外轴承。使其稳定。除此之外，我们还对轴和相应的孔进行了相应精度设计，配合油封，具备优良的封油作用，左轴和右轴的结构紧凑且符合各种需求。所以我们设计的轴选用TC4钛合金，对花键进行高温和高频淬火，符合我们的需求。左轴如下图4.11所示，和右轴图4.12所示图4.11 左轴图4.12 右轴4.6 轮芯因为我校设计的赛车的轮芯不是普通汽车的轮芯，我们用的轮辋是赛车专用的轮辋，因此轮芯的重新设计是我们要考虑的，在全新优化的轮芯下，卡钳、刹车盘等必须要有很好的工作的空间，而且还需经由螺栓与轮辋进行拼接，对材料的性能的考虑也很重要，综上所述，我们采用了7050铝合金。让轮芯满足轻量化，材质上的硬度也得到满足。并且可以满足赛车所需的要求。而且我们使轮芯进行了轻量化的优化，让轮芯的质量控制在小于1kg之间，连接半轴和轮辋的关键零件是赛车的轮芯，完成对轮芯的轻量化优化设计是对赛车的动力性的增强以及油耗率的降低有着至关重要作用。如图4.13前、后轮芯所示。图4.13 前、后轮芯4.7 差速器支撑4.7.1 轴承的选择因为需要必须在安装精度下，轴向力才会不大，所以我们选用的是深沟球轴承。4.7.2 支撑的结构根据轴承和传动装配的条件对轴承支撑进行优化，因为我们需要考虑到减轻质量的问题，采用了7050铝合金设计，我们还要对轴承支撑设计一个镂空。并对轴承的限位进行合理的设计22。深沟球它的结构如图4.14所示。图4.14 支撑结构对整个系统进行优化后，它的剖视图如下图4.15所示。图4.15 剖视图4.8 吊耳和张紧的优化设计4.8.1 吊耳的设计我校车队对吊耳的设计是把单边吊耳用钢板把两片耳片焊接在一起，起到起重的作用，除此之外，还有长吊耳。吊耳如下图4.16和长吊耳如下图4.17所示得。图4.16 吊耳 图4.17 长吊耳4.8.2 张紧的设计张紧机构设计的主要原因，是因为传动链需要避免在链条的松边陲度太大的时候，造成的啮合不良和链条的振动的不利条件，与此同时，也提高了链条和链轮的啮合包角。我们学校的赛车的优化张紧机构的设计是选取了可调中心距来调制的，即是选取的螺杆两端、杆端轴承，它们也可以叫做为正、反丝的两种选择方式，因此，我们的调节张紧机构的时候可以使用扳手来调节。张紧机构如下图4.18所示和图4.19总装图。图4.18 张紧机构图4.19 总装图4.9 半轴与万向节4.9.1 半轴汽车传动半轴是底盘动力系统中的关键部件。半轴的作用是把发动机变速箱输出的扭矩传递到车轮，驱动车辆前进23。与此同时，当车轮在转向时发生上下的震动，万向节就会扭转一个角度和移动，用来同步车轮与变速器之间的角度和位置的改变。赛车生的动力输出力矩要由半轴来完成，同时，还要承担来自作用在车轮上的垂直力、侧向力和牵引力和制动力造成的纵向力。现代汽车普遍使用的半轴，可以依据支撑方式的不一样，有全浮式和半浮式两种不同的方式。半浮半轴，一般将半轴的一端做成法兰结构，然后再使用螺栓与制动鼓进行连接，另一端做成花键结构，然后再与差速器内的半轴齿轮相接，半轴通过轴承和制动鼓承受车轮和驱动桥之间的各种力的作用，经过差速器将扭矩传递到车轮上。其结构简单、质量也较轻和价格低廉，在客车和轻型货车上应用比较广泛。由于半轴是传动系统末端的传动零件，在其工作的时候，受到的扭矩和弯矩以及受力情况是比较复杂的24。由于半浮半轴支承的拆卸、安装是很困难的，而且在赛车行驶过程中，如果半轴折断，就会容易造成车轮飞脱的危险，故这样的传动形式即将淘汰。全浮半轴，它只可以只传送旋转力矩，同时，反力和弯矩也作用在全浮半轴上，它与独立悬挂的结合的情况下，非常适合增强赛车的舒适性，所以这样形式的半轴使用非常广泛。这种形式的半轴拆卸与安装便捷，我们仅用拧下半轴的固定螺栓就可以抽出半轴，然后对它进行保养维修。并且车轮、桥壳同样可以支持汽车，这样一来，对汽车的维护和保养是非常方便的。经由它的布置结构形式，我们设计的方程式赛车应该灵活的布置，拆卸和安装应该要便捷，所以选取全浮式半轴。采用TC4钛合金材料，因为考虑到轴距，所以奥拓的短半轴是最佳选择。在装配的过程中，半轴的长度应该要被改动，因此要选用合适的方法对半轴进行一定的加工25。见图4.20所示。图4.20 加工方案经过我们的加工和设计，在根据以上的方案，设计出了套筒，如下图4.21所示。左、右半轴的设计如图4.22和图4.23所示。图4.21 套筒图4.22 左半轴图4.23 右半轴4.9.2 万向节若在运动学原理的基础下，可将万向节分为非等速、准等速和等速万向节26。非等速万向节（双联式）是构造较是非常繁琐，形状也比较大，零部件种类较多；非等速万向节（Fenaille 凸块式）由于滑动的摩擦力原因，高速运转时容易产生发热问题；非等速万向节（三销式）因为它的外形尺寸比较大，具有比较复杂的形状，毛坯需要精确模锻，且还会轴向滑动，受到的附加弯矩和扭矩比较大。等速万向节（球笼式），到目前为止，该形式的万向节是被使用最为多的，主要由钟形壳、星形套、钢球和保持架（亦称球笼）构成，它具有单节瞬时同步、两轴间角位移大、效率高、安装与拆卸便捷、能承受重载及冲击载荷等优良特性。等速万向节（三球销式）是一种能够自由轴向伸展、收缩的联轴节，当三球销式等速万向节形成一定的角度（活跃度比较高）传送动力的时候，其在相对滑动中会在内部零件里产生，摩擦力必须会发生的，它的三个球面滚子也还可以造成较强颠簸。它具有的优良特性是结构简单、体积小、润滑性好、散热性很快、承载能力强和工作可靠。挠性万向节，其比较特殊，一般用于越野性能好的车型上，这里不概述。我校方程式赛车梦想4.0号采用三球销式，然后球笼和短轴为一体，这是最新的设计和优化。图4.24万向节所示。图4.24 万向节5 传动系统的ANSYS分析5.1 ANSYS的介绍5.1.1 ANSYS的概述ANSYS分析法是机械工程界领域的一种数值运算技巧，它的应用和使用是比较广泛的，自从二十世纪以来，得以快速的发展和使用。目前为止，已经出现了不同的有限元算法，然后经过计算机科技的进步发展，有限元分析已经成为专业的有限元商业软件。ANSYS软件通过他的多物理场耦合分析在成为CAE软件的应用主流。有限元的基本概型包括ANSYS分析、ANSYS模型、自由度、节点和单元以及单元型函数27；它是可以使用非常便捷的单元（元素），就可以将有限的数量的未知量去逼近无限未知量的确切有效系统。5.1.2 ANSYS的分析步骤ANSYS是物理情况的模拟，也可以叫做几何及载荷工况情况。它也是数值近似值的真实条件。它可以根据把要分析的事物来区分网格，将有限个已知的物理量，在模拟的环境下，完成无限个未知量的解答。ANSYS分析的过程包括以下三个步骤：1、创建有限元模型：创建或读入几何模型；定义材料属性；划分网格，即单元及节点。2、给上载荷量，然后解答：给上载荷和载荷选项、设定约束的前提；然后再求解。3、查看结果：查看分析结果；检验结果。5.1.3 ANSYS仿真步骤图5.1 仿真流程图链轮的ANSYS分析根据材料的给定参数，其中最主要的是密度（DENS）、杨氏弹性模量（EX）和泊松比（PRXY）。链轮的材料选择7050铝合金，他的密度是2.83g/cm3，他的弹性模量是72MPa，他的泊松比是0.33。材料7050铝合金的力学性能是如下图5.2所示。图5.2 7050的性能参数5.2 各零部件的受力分析5.2.1 大链轮的ANSYS分析如果驾驶员操作不慎，油门和刹车同时踩下的情况，然后轮胎接近极限值，且开始打滑的时候，假如这样的情形出现在。计算这时候的受力，并且施加到大链轮上，然后可以把它用来校核大链轮。所以制动力是： (5.1)其中，表示地面附着系数，取值为1.5。因此，赛车后轴荷为：(5.2)其中，G表示赛车满载质量，G=(275+65)9.8=3332N，65Kg为车手质量，表示赛车后车轴轴荷比，取0.52。取1.5，大链轮承受的为(5.3)计算可得，最大扭矩为。这里我们把链轮受力的情况施加到一个齿上，链轮从动转动只有一个齿受力较为明显，顺时针递减，然后把紧边拉力（4963.16N）和松边拉力（2993.26N）施加到承受载荷的齿轮上分析。得到下图5.3应力分析图。图5.3 应力分析图取安全系数为，可以得出许用应力是：(5.4)从上图5.3可知，分析出，而我们选用的7050铝合金的，有上述可以知道，在合理范围内，即满足要求。由下图5.4可得大链轮的，而许用挠度是，因为，故在合理的范围内，即满足要求。图5.4 链轮的变形5.2.2 轴的ANSYS分析由4.5.1可知，轴选用TC4钛合金。因为轴承受的是扭矩，即承受889Nm。导入ANSYS软件得图5.5轴的应力分析和图5.6轴的变形。图5.5 轴的应力从上面图片可以得出，最大的应力值为，这个值小于材料的许用应力值，满足要求。图5.6 轴的变形从上面图片可以知道，施加扭矩后它的变形量为，变形量很小，所以满足需求。5.3 传动系的优化5.3.1 优化方案第一种方案：使用ADAMS与MATLAB进行联合仿真优化；应用这两种软件进行联合模拟，不需要制作实物样品就可以对虚拟的模型进行仿真优化，直到获得满意的结果的优化设计。第二种方案：应用ANSYS软件进行优化处理；可以有效的将一个需要优化的部件进行降低质量、尺寸、体积等参数，然后达到优化的目的。5.3.2 优化方案的介绍与选择1. ADAMS与MATLAB联合优化ADAMS软件是美国的一个MDI公司开发的一
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