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說(shuō)明書(shū)
大學(xué)生賽車(chē)
傳動(dòng)系設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：_ __ 學(xué)號(hào):_ ______ _
學(xué) 院： ________________________________
專(zhuān) 業(yè)：_________________________________
指導(dǎo)教師： _______________________________
大學(xué)生賽車(chē)傳動(dòng)系設(shè)計(jì)
摘要
FSC是一級(jí)方程式汽車(chē)比賽汽車(chē)工程由大學(xué)或汽車(chē)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)參加汽車(chē)比賽的設(shè)計(jì)和制造。FSC賽車(chē)由發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車(chē)架、車(chē)身、制動(dòng)系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等構(gòu)成。因此，對(duì)本文所涉及的研究方向而言，為了獲得良好的加速性、制動(dòng)性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。
汽車(chē)傳動(dòng)系是決定汽車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵，是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出來(lái)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)經(jīng)由傳動(dòng)系傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上，所以，對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以節(jié)省燃油和提高賽車(chē)的動(dòng)力性。因此，對(duì)賽車(chē)傳動(dòng)系的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)是非常重要的，主要對(duì)整車(chē)的性能。我們應(yīng)當(dāng)對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，優(yōu)化分析，明確理想的布置方案，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
然而，傳動(dòng)系的優(yōu)化為賽車(chē)的設(shè)計(jì)、制造與調(diào)試提供了及其重要的理論基礎(chǔ)，也是賽車(chē)性能分析的一個(gè)重要組成因素。
關(guān)鍵詞：賽車(chē)傳動(dòng)系，動(dòng)力性與傳動(dòng)比，賽車(chē)鏈傳動(dòng)，差速器，ANSYS分析優(yōu)化
Design of the "Dream 4.0" racing drive system of North University
Abstract
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 錄
1 緒論 1
1.1 FSC賽事介紹 1
1.2 本文研究的目的及意義 2
1.3 傳動(dòng)系的發(fā)展和現(xiàn)狀 2
1.4 賽事規(guī)則對(duì)賽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 3
2 動(dòng)力性與傳動(dòng)比的計(jì)算 5
2.1 傳動(dòng)比的計(jì)算 5
2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù) 5
2.1.2 末級(jí)傳動(dòng)比的確定 5
2.2 賽車(chē)動(dòng)力性計(jì)算 6
2.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo) 6
2.2.2動(dòng)力性計(jì)算 6
3 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 9
3.1 傳動(dòng)方式的選擇 9
3.2 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
3.2.1 鏈條的設(shè)計(jì) 11
3.2.2 鏈傳動(dòng)的計(jì)算 12
4 傳動(dòng)系零件的選型和設(shè)計(jì) 19
4.1 差速器 19
4.1.1 差速器的介紹和功用 19
4.1.2 限滑差速器 19
4.1.3 差速器的選取 19
4.2 托森差速器的潤(rùn)滑方式 23
4.3 大小鏈輪的設(shè)計(jì) 24
第Ⅰ頁(yè) 共Ⅲ頁(yè)
4.3.1 大鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
4.3.2 小鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
4.4 差速器的殼體 25
4.5 差速器輸出軸 26
4.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27
4.6 輪芯 27
4.7 差速器支撐 28
4.7.1 軸承的選擇 28
4.7.2 支撐的結(jié)構(gòu) 28
4.8 吊耳和張緊的優(yōu)化設(shè)計(jì) 29
4.8.1 吊耳的設(shè)計(jì) 29
4.8.2 張緊的設(shè)計(jì) 29
4.9 半軸與萬(wàn)向節(jié) 30
4.9.1 半軸 30
4.9.2 萬(wàn)向節(jié) 31
5 傳動(dòng)系統(tǒng)的ANSYS分析 33
5.1 ANSYS的介紹 33
5.1.1 ANSYS的概述 33
5.1.2 ANSYS的分析步驟 33
5.1.3 ANSYS仿真步驟 33
5.2 各零部件的受力分析 34
5.2.1 大鏈輪的ANSYS分析 34
5.2.2 軸的ANSYS分析 36
5.3 傳動(dòng)系的優(yōu)化 37
5.3.1 優(yōu)化方案 37
5.3.2 優(yōu)化方案的介紹與選擇 37
第 Ⅱ頁(yè) 共Ⅲ頁(yè)
5.3.3 輪芯的ANSYS優(yōu)化 38
總結(jié) 41
參考文獻(xiàn) 42
致謝 44
第Ⅲ 頁(yè) 共Ⅲ頁(yè)
1 緒論
1.1 FSC賽事介紹
中國(guó)方程式汽車(chē)受?chē)?guó)外的影響，即是受到FSAE的影響。 FSAE由國(guó)際汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)(SAE International)在20世紀(jì)末創(chuàng)建，它可以說(shuō)是一個(gè)虛擬的企業(yè)，給出方案與規(guī)則，讓大學(xué)生們自行設(shè)計(jì)一款小型賽車(chē)，然后要求在各個(gè)性能上滿(mǎn)足汽車(chē)所需要的要求以適合各種賽道比賽。第一屆比賽于1979年在美國(guó)休斯頓舉行。此項(xiàng)賽事的目的在于培養(yǎng)本科生和研究生設(shè)計(jì)制造小型汽車(chē)的能力，為汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)領(lǐng)頭人和工程師。經(jīng)過(guò)三十多年的艱辛歷程，F(xiàn)SAE方程式賽車(chē)大賽在很多大學(xué)生中的賽車(chē)人眼中很重要，每年都會(huì)有很多高校進(jìn)行比賽。在2009年的時(shí)候，這樣的大賽事被引進(jìn)中國(guó)。然后在2010年在上海舉辦了第一屆的比賽。
FSC賽事是中國(guó)各大高校的學(xué)生，在關(guān)于賽車(chē)方面相近的專(zhuān)業(yè)，符合設(shè)計(jì)要求的專(zhuān)業(yè)，然后設(shè)計(jì)和制造一輛賽車(chē)。他們必須在比賽規(guī)則和要求的條件下，在一定的時(shí)間內(nèi)，設(shè)計(jì)一款符合比賽要求中滿(mǎn)足各性能要求的賽車(chē)。
FSC為國(guó)人搭建優(yōu)秀的舞臺(tái)，進(jìn)行嚴(yán)格培養(yǎng)，以可以增強(qiáng)賽車(chē)人的技能，有效的增強(qiáng)賽車(chē)綜合能力，可以增進(jìn)中國(guó)汽車(chē)企業(yè)從“制造大國(guó)”向“產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)”的偉大艱辛歷程過(guò)渡。
大賽愿景是推動(dòng)中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)自主研發(fā)與科技的進(jìn)步，增強(qiáng)中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)“引進(jìn)——消化——吸收——再創(chuàng)新”與“自主創(chuàng)新”的能力，增進(jìn)中國(guó)制造性質(zhì)向中國(guó)創(chuàng)造性質(zhì)的轉(zhuǎn)型，促進(jìn)民族品牌向世界品牌的跳越。
汽車(chē)人才培育機(jī)制的完善，是中國(guó)汽車(chē)工業(yè)從“制造大國(guó)”向“創(chuàng)新強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略目標(biāo)邁進(jìn)的人才基礎(chǔ)。積極研究合理的利用社會(huì)資源培育創(chuàng)新型人才的教育新體系。
建立自主創(chuàng)新技術(shù)的國(guó)際交流平臺(tái)，因此，在世界汽車(chē)技術(shù)的革新潮流中，可以有效幫助中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的未來(lái)人才不斷地獲得啟發(fā)。捕捉行業(yè)動(dòng)態(tài)的視角變得國(guó)際化，豐富知識(shí)儲(chǔ)備，主動(dòng)參加國(guó)際汽車(chē)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的革新與升高。
國(guó)產(chǎn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新的主流意識(shí)需要強(qiáng)化，國(guó)產(chǎn)汽車(chē)廠(chǎng)家在汽車(chē)人才培養(yǎng)、技術(shù)研發(fā)等方面的企業(yè)社會(huì)責(zé)任感需要深化，有利于幫助大部分國(guó)產(chǎn)汽車(chē)品牌主動(dòng)探尋自身巨大的發(fā)展空間。
1.2 本文研究的目的及意義
汽車(chē)在總體布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺，會(huì)影響汽車(chē)的總質(zhì)量和汽車(chē)行駛阻力。對(duì)賽車(chē)傳動(dòng)系的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，重中之重，主要對(duì)整車(chē)的性能，比如動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)比較大。我們應(yīng)當(dāng)對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，優(yōu)化分析，明確理想的布置方案，選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
傳動(dòng)系的優(yōu)化為賽車(chē)的設(shè)計(jì)、制造與調(diào)試提供了及其重要的理論基礎(chǔ)，也是賽車(chē)性能分析的一個(gè)重要組成因素。
1.3 傳動(dòng)系的發(fā)展和現(xiàn)狀
第一屆國(guó)際賽事在二十世紀(jì)末在美國(guó)舉辦的。當(dāng)時(shí)報(bào)名的學(xué)校只有6個(gè)，但只有4支參賽隊(duì)伍，如今美國(guó)每年有200支隊(duì)伍參加比賽，比賽的人數(shù)將近2萬(wàn)人次。二十世紀(jì)中上期就開(kāi)始對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)模擬程序的研究。這些軟件程序在成品車(chē)制造之前，就可以確切地對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行精準(zhǔn)地測(cè)量，然后經(jīng)由傳動(dòng)比的變化引起全車(chē)性能變化，因此，根據(jù)傳動(dòng)比變化的聯(lián)系，然后找到發(fā)動(dòng)機(jī)合理匹配的傳動(dòng)系。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)大學(xué)生方程式FSAE比賽都非常關(guān)注，每個(gè)學(xué)校都會(huì)組建自己FSAE賽車(chē)隊(duì)，參加各自區(qū)域的系列賽車(chē),并且重新設(shè)計(jì)自己的賽車(chē)，使制造的賽車(chē)性能更加突出。日本的方程式FSAE比賽發(fā)展很快，已經(jīng)成為亞洲地區(qū)舉FSAE賽事的先鋒隊(duì)。其在加速性能上，日本所設(shè)計(jì)的賽車(chē)變速器能在規(guī)格指標(biāo)和目標(biāo)時(shí)間準(zhǔn)確算出必要的功率。東南亞和中東的大學(xué)生車(chē)隊(duì)都參加過(guò)日本舉辦的FSAE比賽。FSAE比賽早已進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段由此可見(jiàn)，國(guó)外的傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入成熟階段。
隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，2010年10月，首屆中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽（FSC）在上海舉行，吸引了國(guó)內(nèi) 20 支大學(xué)車(chē)隊(duì)參與了這次比賽，大賽取得圓滿(mǎn)成功。華南理工大學(xué)的FSC賽車(chē)氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)換擋，司機(jī)可以更方便，在更短的時(shí)間內(nèi)完成換檔操作，從而提高了比賽結(jié)果。根據(jù)預(yù)設(shè)程序驅(qū)動(dòng)換擋氣缸和離合器氣缸，壓縮二氧化碳在電子控制單元的操縱下完成整個(gè)傳動(dòng)過(guò)程[1]。中北大學(xué)方程式4.0號(hào)賽車(chē)采用GSXR-600四缸發(fā)動(dòng)機(jī)和托森差速器。該賽車(chē)在調(diào)節(jié)方式上采用偏心輪調(diào)節(jié)，在去年的基礎(chǔ)上球籠（等速萬(wàn)向節(jié)）短軸一體，而且尺寸改小，在受力強(qiáng)度要求符合的情況下的改進(jìn)。其他變化是材料上的變化。太原理工大學(xué)方程式賽車(chē)采用本田CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)，同樣采用托森加速器，其更換了差速器外殼，其他是材料和工藝上的設(shè)計(jì)。
1.4 賽事規(guī)則對(duì)賽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求
FSC賽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)除了要具備上文提到的賽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)所具備的功能外，還要滿(mǎn)足方程式比賽規(guī)則的要求，符合比賽規(guī)則。在傳動(dòng)系統(tǒng)里2017FSC（官方）部分規(guī)則如下[2]:
(1) 暴露在外的高速旋轉(zhuǎn)的主減速器部件，如CVT、鏈輪、齒輪、皮帶輪、變扭器、離合器、傳動(dòng)帶、離合器傳動(dòng)、電機(jī)，都必須安裝防護(hù)罩以防其失效。主減速器防護(hù)罩必須覆蓋鏈條（傳動(dòng)帶），從主動(dòng)鏈輪（帶輪）到從動(dòng)鏈輪（帶輪）。主減速器防護(hù)罩必須開(kāi)始和結(jié)束于與鏈輪/皮帶/帶輪的最低處平行的位置（見(jiàn)下圖）。備注：如果發(fā)動(dòng)機(jī)原本安裝有鏈齒保護(hù)罩，那么其可作為分散式防護(hù)罩的一部分。
圖1.1 主減速器防護(hù)罩
(2) 傳動(dòng)鏈的防護(hù)罩使用的材料不可以有通孔。
(3) 傳動(dòng)鏈的防護(hù)罩必須使用厚度至少為2.66mm（0.105英寸）的鋼板制成，其寬度至少為鏈條寬度的三倍。并且在鏈條中心線(xiàn)向左和向右各1.5倍鏈條寬度范圍內(nèi)，都能被防護(hù)罩防護(hù)。
(4) 安裝用緊固件——防護(hù)罩必須使用至少公制8.8級(jí)M6螺栓安裝。
(5) 手指護(hù)罩——當(dāng)賽車(chē)停止時(shí)，還在運(yùn)轉(zhuǎn)的零部件必須使用手指護(hù)罩遮擋。手指護(hù)罩可以用輕質(zhì)材料制成，但需足夠抵抗手指施加的力。材料可以自行設(shè)計(jì)，但必須保證6mm（1/2英寸）半徑的事物不能穿過(guò)防護(hù)罩。
(6) 可以使用任何傳動(dòng)變速裝置。
2 動(dòng)力性與傳動(dòng)比的計(jì)算
2.1 傳動(dòng)比的計(jì)算
2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)
1. 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)
中北大學(xué)方程式4.0號(hào)賽車(chē)采用鈴木GSXR-600四缸水冷電控汽油噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)，按照比賽規(guī)則來(lái)說(shuō)，在20mm的限流閥下，所有進(jìn)氣必須通過(guò)。這樣就會(huì)限制到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩，因此，限流后的發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)[3]要被分析。
1) 原發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)：在13500r/min轉(zhuǎn)速時(shí)最大功率達(dá)到82Kw。最大扭矩在11500r/min轉(zhuǎn)速下為69N·m。
2) 發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)（限流后）：在11500r/min轉(zhuǎn)速時(shí)最大功率達(dá)到60.2Kw。最高車(chē)速120Km/h在10500r/min的轉(zhuǎn)速下最大扭矩52N·m。
2. 變速箱性能參數(shù)
變速器是鈴木GSXR-600發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的，其為6速變速箱，1-0-2-3-4-5-6。但比賽時(shí)一般用不到第6檔位。所有常用的5速循環(huán)換擋為1-0-2-3-4-5。見(jiàn)表2.1得。大小鏈輪初級(jí)減速比3.15。變速器初級(jí)減速比（Primary Retuction ratio）為1.926。
表2.1 變速器各檔位比
檔位
1
2
3
4
5
符號(hào)
I1
I2
I3
I4
I5
速比
2.785
2.052
1.681
1.450
1.304
2.1.2 末級(jí)傳動(dòng)比的確定
由比賽規(guī)則和我校車(chē)隊(duì)歷年的比賽經(jīng)驗(yàn)，比賽時(shí)用到的最高車(chē)速不超過(guò)100Km/h[4]。由于我校方程式賽車(chē)4.0號(hào)變速箱為六檔，但實(shí)際比賽用到的檔位只有1、2、3、4、5檔，所以設(shè)計(jì)5檔時(shí)最高車(chē)速是100Km/h。
限流后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=11500r/min時(shí)，最大功率P=60.2Kw，初級(jí)減速比i0=1.926。5檔減速比i5=1.304。輪距r=228mm。由數(shù)據(jù)可以算出輪胎在速度為100Km/h時(shí)的轉(zhuǎn)速nt和末級(jí)減速比if。
(2.1)
(2.2)
因?yàn)槲倚Ｙ愜?chē)的小鏈輪齒數(shù)是11，由上式可得，大鏈輪為：
(2.3)
由此可以得出大鏈輪的齒數(shù)為43。其實(shí)際傳動(dòng)比為
(2.4)
由此可得，末級(jí)傳動(dòng)比為3.9。
2.2 賽車(chē)動(dòng)力性計(jì)算
汽車(chē)的動(dòng)力性系是指在水平無(wú)障礙的路面上，汽車(chē)在受到的縱向外力并在直線(xiàn)行駛時(shí)，所能達(dá)到的平均行駛速度[5]；汽車(chē)之所以被稱(chēng)為高效率的運(yùn)輸工具，是因?yàn)槠鋭?dòng)力性的好壞決定了效率的高低。因此，汽車(chē)各種性能中最基本、最重要的性能之一是動(dòng)力性。
2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)
汽車(chē)的動(dòng)力性主要由三方面的指標(biāo)來(lái)評(píng)定，即：
1) 最高車(chē)速u(mài)amax；由于大賽規(guī)則的限制，賽車(chē)無(wú)法達(dá)到最高車(chē)速。
2) 加速時(shí)間t；加速時(shí)間也可以說(shuō)是賽車(chē)的加速能力。通過(guò)0～75m直線(xiàn)加速可對(duì)比賽時(shí)的加速性能進(jìn)行測(cè)試。
3) 最大爬坡度imax；由于比賽賽道都是水平的瀝青路面，所以不需要考慮爬坡度。
2.2.2 動(dòng)力性計(jì)算
1. 各檔驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式如下：
(2.5)
其中Ttq表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m)，ig表示變速器傳動(dòng)比，i0表示發(fā)動(dòng)機(jī)初級(jí)減速比，if表示主減速器傳動(dòng)比，ηt表示傳動(dòng)效率，r表示車(chē)輪半徑(m)。由此可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)力。在10500r/min的轉(zhuǎn)速下最大扭矩52N·m，主減速比if為3.9。傳動(dòng)效率ηt取0.9，將以上數(shù)據(jù)代入（2.5）得表2.2。
表2.2 賽車(chē)各檔驅(qū)動(dòng)力
檔位
1
2
3
4
5
驅(qū)動(dòng)力（N）
4294
3164
2592
2236
2011
2. 賽車(chē)行駛車(chē)速
在驅(qū)動(dòng)力不打滑的情況下
(2.6)
式中ua為汽車(chē)行駛車(chē)速（Km/h），n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。
由于大賽設(shè)置了各種障礙和彎曲賽道，因此無(wú)法達(dá)到最高車(chē)速，所以最高車(chē)速也就沒(méi)有任何意義，計(jì)算最大車(chē)速用作參考，轉(zhuǎn)速n下對(duì)應(yīng)的最高車(chē)速。測(cè)得n=12500r/min，r=228mm，i0=1.92，if=3.9。將數(shù)據(jù)代入式(2.6)得表2.3。
表2.3賽車(chē)最大行駛車(chē)速
檔位
1
2
3
4
5
車(chē)速（km/h）
51.36
69.71
85.09
98.65
109.70
3. 行駛阻力計(jì)算
(1) 滾動(dòng)阻力
滾動(dòng)阻力的計(jì)算公式
(2.7)
其中整車(chē)整備質(zhì)量G為275kg，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，其計(jì)算公式為： (2.8)
由于比賽路面為良好的瀝青或混泥土路面，所以查下表2.4可知滾動(dòng)阻力系數(shù)f在0.010-0.018之間，取中間值0.014。
表2.4 滾動(dòng)阻力系數(shù)
路面類(lèi)型
滾動(dòng)阻力系數(shù)
路面類(lèi)型
滾動(dòng)阻力系數(shù)
良好的瀝青或混凝土路面
0.010-0.018
泥濘土路(雨季或解凍期)
0.100-0.250
一般的瀝青或混凝土路面
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) 空氣阻力
空氣阻力計(jì)算公式為
(2.9)
其中A表示迎風(fēng)面積，根據(jù)車(chē)身設(shè)計(jì)取0.4m2；CD表示空氣阻力系數(shù)，由本校車(chē)隊(duì)賽事經(jīng)驗(yàn)，取空氣阻力系數(shù)為0.3，將以上數(shù)據(jù)和相應(yīng)的車(chē)速代入得表2-5，如下：
表2.5 賽車(chē)的行駛阻力
滾動(dòng)阻力(N)
41.34
44.38
47.65
51.06
54.21
空氣阻力(N)
10.56
19.45
28.99
38.96
48.17
(3) 加速度
加速度的計(jì)算公式為：
(2.10)
其中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性系數(shù)，取為1.2；m為賽車(chē)的整車(chē)整備質(zhì)量，取275Kg。將其代入式（2.10）得表2.6。
表2.6 賽車(chē)最大行駛加速度
檔位
1
2
3
4
5
加速度
12.85
9.39
7.52
6.50
5.78
根據(jù)以上對(duì)本校賽車(chē)4.0號(hào)動(dòng)力性的計(jì)算，得出其較高的動(dòng)力性滿(mǎn)足賽車(chē)具有高動(dòng)力性的要求。
3 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
3.1 傳動(dòng)方式的選擇
在眾多的傳動(dòng)系統(tǒng)中，鏈傳動(dòng)用的比較廣泛，但各種傳動(dòng)方式都有它的優(yōu)缺點(diǎn)。由于本次的我校方程式賽車(chē)需要穩(wěn)定的傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率，在精度上要求較高，并且賽車(chē)對(duì)整車(chē)質(zhì)量上面的要求，又因?yàn)殒渹鲃?dòng)安裝精度較低。其次所選的鏈傳動(dòng)節(jié)約了成本，其整體尺寸比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，耐高溫和潮濕，并能在這樣的環(huán)境上工作。性?xún)r(jià)比也比較高，較輕的質(zhì)量，減輕了整車(chē)整備質(zhì)量。再次，當(dāng)兩車(chē)軸相距較遠(yuǎn)的情況下的時(shí)候，它可以傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，且能夠低速，車(chē)輛過(guò)重，高溫、潮濕的條件以及在沙塵暴的紊亂的工況下正常傳遞動(dòng)力。在這種情況下，傳遞效率還是比較高的，正常情況可以達(dá)到0.95～0.97。鏈傳動(dòng)相比帶傳動(dòng)，傳動(dòng)效率是比較高的，并且作用在半軸和軸承的作用力小，其中制作和裝配比較便捷，故我校方程式賽車(chē)4.0號(hào)采用鏈傳動(dòng)[6]。因此，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化很重要。
鏈傳動(dòng)組成：鏈傳動(dòng)部件由裝在平行軸上的主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪和繞在鏈輪上的鏈條組成(大鏈輪和小鏈輪組成)，工作情況下，依據(jù)鏈條鏈節(jié)與鏈輪輪齒的嚙合帶動(dòng)從動(dòng)輪來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，然后可以傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。因?yàn)槲倚７匠淌劫愜?chē)4.0號(hào)采用發(fā)動(dòng)機(jī)中置后驅(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)所傳遞的動(dòng)力經(jīng)過(guò)變數(shù)器到差速器殼體由鏈傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，因我校賽車(chē)要求布置要緊湊些，并要求壓在半軸上的力要小，除此之外，變速箱在發(fā)動(dòng)機(jī)GSXR6—600上，其沒(méi)有倒擋，所以選擇鏈傳動(dòng)比較合適。鏈傳動(dòng)有以下的優(yōu)點(diǎn)[7]：
1. 鏈傳動(dòng)VS帶傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)總體上來(lái)說(shuō)沒(méi)有彈性滑動(dòng)和整體打滑的現(xiàn)象，并且在告訴運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中能夠穩(wěn)定維持平穩(wěn)的傳動(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，其次鏈傳動(dòng)的張緊力沒(méi)有帶傳動(dòng)的緊，它也不需要那么緊的張緊力，因此，在半軸上，作用于半軸的徑向力是很小的。由于鏈傳動(dòng)的構(gòu)成材料都為金屬材料制成，它與帶傳動(dòng)在同等的條件下工作時(shí)，鏈傳動(dòng)的整體尺寸較小，且很緊湊，耐高溫，耐潮濕。
2. 鏈傳動(dòng)VS軸傳動(dòng)：我校方程式賽車(chē)4.0號(hào)屬于高速型賽車(chē)，不適合使用軸傳動(dòng)，因?yàn)橘愜?chē)在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生橫向扭矩，使車(chē)子向軸傳動(dòng)的反向傾斜，旋轉(zhuǎn)速度越高，扭矩越大，且其成本較高，對(duì)材質(zhì)要求也高，加工難度大。而鏈傳動(dòng)有許多間隙，可以有效的吸收震動(dòng)。
3. 鏈傳動(dòng)VS齒輪傳動(dòng)：鏈傳動(dòng)的造價(jià)比較低和鏈傳動(dòng)的拆卸精細(xì)度要求也是很細(xì)致。因?yàn)樽兯傧鋫鬟f動(dòng)力與差速器殼體的距離比較遠(yuǎn)，因此鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)比齒輪傳動(dòng)的便捷很多。
事物總是具有兩面性的，鏈傳動(dòng)也有它的缺點(diǎn)，下圖3.1所示，如下：
1. 工作時(shí)有噪聲，容易磨損并跳齒；
2. 存在沖擊、震動(dòng)，不適合載荷大、高速、急轉(zhuǎn)向的傳動(dòng)中；
3. 對(duì)安裝精度要求高，只能實(shí)現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動(dòng)。
圖3.1 鏈傳動(dòng)
依據(jù)方程式賽車(chē)總布置的需求所知，把方程式賽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)分為離合器，變速器（變速箱是GSXR-600發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的），減速器，差速器，按照他們的各自的功能作用，分別對(duì)他們進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析[8]；最后將他們組合成一個(gè)整體，完成總體設(shè)計(jì)，確定最終的傳動(dòng)方案。
3.2 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
依據(jù)方程式賽車(chē)（FSC）比賽規(guī)則和機(jī)械設(shè)計(jì)一書(shū)介紹，我對(duì)方程式賽車(chē)鏈傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。對(duì)鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)分析，它主要包括以下的內(nèi)容：鏈條的節(jié)距p、排數(shù)、中心距a0、大小鏈輪齒數(shù)（z1和z2）與尺寸、傳動(dòng)中心距amax。
3.2.1 鏈條的設(shè)計(jì)
1. 概述
鏈傳動(dòng)也被叫做撓性傳動(dòng)，鏈條、小鏈輪和大鏈輪組合成了撓性傳動(dòng)。它通過(guò)鏈輪輪齒和鏈條節(jié)的嚙合來(lái)傳遞從發(fā)動(dòng)機(jī)里發(fā)出的動(dòng)力和傳遞賽車(chē)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)用途來(lái)區(qū)分鏈條可以有：鏈傳動(dòng)、輸送鏈和起重鏈，但在我們普通的機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，用途最廣泛的是鏈傳動(dòng)。滾子鏈和齒形鏈等也是鏈傳動(dòng)的一類(lèi)型，其中滾子鏈常用于傳動(dòng)系統(tǒng)的低速級(jí)[9]。
2. 鏈結(jié)構(gòu)的選擇
(1) 滾子鏈
滾子鏈結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)可以從下圖3-2看出。滾子1、套筒2、銷(xiāo)軸3、內(nèi)鏈板4和外鏈板5構(gòu)成了滾子鏈，他們之間的配合公差有過(guò)盈配合；間隙配合的部分有。滾子是靈活的，可以滾動(dòng)的，因此在它工作的時(shí)候，滾子沿鏈輪齒廓滾動(dòng)，這樣一來(lái)，可以減小齒廓的磨損。在銷(xiāo)軸和套筒之間的縫隙要添加潤(rùn)滑劑，這樣一來(lái)就可以防止長(zhǎng)期工作造成的磨損。
圖3.2 滾子鏈
(2) 齒形鏈
無(wú)聲鏈也可以叫做齒形鏈，它的結(jié)構(gòu)由下圖3.3所示，兩個(gè)齒的鏈板左右交替合并鉸接構(gòu)成了無(wú)聲鏈即齒形鏈，其中它的齒楔角(兩個(gè)鏈板的工作邊的夾角)為60度。齒形鏈的結(jié)構(gòu)相對(duì)滾子鏈復(fù)雜很多，在制作過(guò)程中很艱難，并且價(jià)格昂貴，一般不會(huì)用到齒形鏈，我校方程式賽車(chē)4.0號(hào)由于經(jīng)費(fèi)的原因和對(duì)賽車(chē)性能的要求，因此，本次我校參賽賽車(chē)的設(shè)計(jì)使用滾子鏈進(jìn)行傳動(dòng)。
圖3.3 齒形鏈
3.2.2 鏈傳動(dòng)的計(jì)算
1. 鏈輪齒數(shù)
根據(jù)2.1.2中的式（2.4）計(jì)算可得實(shí)際傳動(dòng)比為3.9，如果鏈輪的齒數(shù)非常的大的話(huà)，是會(huì)增大傳動(dòng)的整體尺寸，并且容易產(chǎn)生跳齒和脫齒的現(xiàn)象，小鏈輪齒數(shù)Z1的一般選擇11或者13的質(zhì)數(shù)。如果小鏈輪齒數(shù)Z1選用太過(guò)于小，外廓尺寸就會(huì)變的太小，但如果齒數(shù)選用比較少，會(huì)改變運(yùn)動(dòng)的不均勻性和動(dòng)載荷；鏈輪在進(jìn)入和退出咬合時(shí)，是會(huì)加強(qiáng)鏈節(jié)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角；鏈傳動(dòng)的圓周力增大，從整體上來(lái)說(shuō)，會(huì)讓鉸鏈和鏈輪的摩擦力加大，然后會(huì)磨損。鏈輪的最少齒數(shù)Zmin=9。小鏈輪的齒數(shù)Z1也不適合取的太過(guò)于大。傳動(dòng)比確定的時(shí)候，小鏈輪齒數(shù)Z1越大，大鏈輪齒數(shù)Z2也會(huì)隨著小鏈輪齒數(shù)變大而變大，因此，綜上所述，小鏈輪采用發(fā)動(dòng)機(jī)自帶鏈輪齒數(shù)為11，而大鏈輪齒數(shù)為43。
2. 節(jié)距和排數(shù)
由于鏈輪齒數(shù)較少，所需鏈條的節(jié)距就越大。鏈條節(jié)距越大，承載能力也隨之升高，但是傳動(dòng)的不均勻性、動(dòng)載荷也越嚴(yán)重[10]。因此,要選取合適的節(jié)距，要根據(jù)所傳遞的功率進(jìn)行計(jì)算,在滿(mǎn)足傳遞功率的情況下,盡可能取得較小的鏈輪節(jié)距,以獲得最緊湊的鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)所傳遞的功率大小來(lái)決定是采用單排鏈還是采用雙排鏈或多排鏈[11]。如果從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)看的話(huà)，當(dāng)中心距較小，傳動(dòng)比較大時(shí)，應(yīng)該選擇小結(jié)距的多排鏈結(jié)構(gòu)；當(dāng)中心距過(guò)大，且傳動(dòng)比比較小的時(shí)候，應(yīng)該選擇大節(jié)距的單排鏈結(jié)構(gòu)。
根據(jù)方程式賽車(chē)的結(jié)構(gòu)要求，我校設(shè)計(jì)的方程式賽車(chē)4.0號(hào)在結(jié)構(gòu)上比較緊湊，因此我校賽車(chē)選取小節(jié)距的單排鏈結(jié)構(gòu)。參照我國(guó)鏈條國(guó)標(biāo)GB/T1243-1997，節(jié)距15.875的10A應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉，節(jié)省了成本，并且購(gòu)買(mǎi)的時(shí)候也很方便。因此，我校賽車(chē)選擇節(jié)距等于15.875的單排鏈結(jié)構(gòu)。鏈條的相關(guān)參數(shù)如下表3.1所示。
表3.1 選取鏈條的規(guī)格和參數(shù)
ISO鏈號(hào)
節(jié)距P
滾子直徑d1
內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1
銷(xiāo)軸直徑d2
內(nèi)鏈板高度h2
抗拉載荷
10A
15.875
10.16
9.4
5.09
15.09
21.8
3. 計(jì)算功率Pca
依據(jù)鏈傳動(dòng)的工作情況、主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)和鏈條的排數(shù)的條件來(lái)說(shuō)，將鏈傳動(dòng)所傳遞的功率和運(yùn)動(dòng)修正為當(dāng)量來(lái)計(jì)算功率，它的計(jì)算功率的公式為：
(3.1)
其中KZ表示主動(dòng)齒輪數(shù)系數(shù)，見(jiàn)圖3.4；KA表示工況系數(shù)，見(jiàn)表3.2； KP表示多排鏈系數(shù)，雙排鏈時(shí)選1.75，三排練時(shí)選2.5，見(jiàn)表3.3； P表示傳動(dòng)功率（Kw）。根據(jù)下圖所知，KZ取2.9，即KZ=2.9。
圖3.4 主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)KZ
由下表3-2可以得到所需要的參數(shù)工況系數(shù)KA=1.0。
表3.2 工況系數(shù)
從動(dòng)機(jī)械特性
主動(dòng)機(jī)械特性
平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)
輕微沖擊
中等沖擊
電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)、帶有液力耦合器的內(nèi)燃機(jī)
6缸或6缸以上帶機(jī)械式聯(lián)軸器的內(nèi)燃機(jī)、經(jīng)常啟動(dòng)的電機(jī)（一日兩次以上）
少于6缸帶機(jī)械式聯(lián)軸器的內(nèi)燃機(jī)
平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)
風(fēng)機(jī)和干燥爐等
1.0
1.1
1.3
中等沖擊
固體攪拌機(jī)和混料機(jī)等
1.4
1.5
1.7
嚴(yán)重沖擊
電鏟、球墨機(jī)等
1.8
1.9
2.1
由于我校賽車(chē)選擇的是單排鏈，根據(jù)下表3.3，可得KP=1。
表3.3 排數(shù)系數(shù)
排數(shù)
1
2
3
4
KP
1
1.75
2.5
3.3
將以上的數(shù)據(jù)代入公式（3.1）得：Pca=174.6Kw。
4. 鏈輪尺寸的計(jì)算
現(xiàn)已知節(jié)距p=15.875，小鏈輪齒數(shù)Z1=11，大鏈輪齒數(shù)Z2=43。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)一書(shū)里的計(jì)算公式，見(jiàn)表3.4。
表3.4 鏈輪尺寸計(jì)算公式
名稱(chēng)
符號(hào)
計(jì)算公式
分度圓直徑
d
齒頂圓直徑
da
齒根圓直徑
df
齒高
ha
將上述數(shù)據(jù)代入表3-4的公式里可得出大小鏈輪的參數(shù)，整理如下表3-5所示：
表3.5 大小鏈輪參數(shù)
參數(shù)
小鏈輪
大鏈輪
齒數(shù)
Z1
11
Z2
43
分度圓
d1
56.348
d2
217.480
齒頂圓
da1min
59.754
da2min
222.604
da1min
66.032
da2max
227.164
齒根圓
df1
46.188
df2
207.320
齒高
ha1min
2.858
ha2min
2.858
ha1max
5.996
ha2max
5.137
節(jié)距
15.875
5. 中心距
如果中心距相距的距離過(guò)于大，即使他的承載能力會(huì)變好，但他的松邊陲度會(huì)變大的，這樣一來(lái)，在傳遞動(dòng)力的時(shí)候鏈條的松邊就會(huì)顫抖，也會(huì)可能發(fā)生脫落現(xiàn)象。但如果中心距相距的距離太過(guò)于小，從本質(zhì)上講,每秒內(nèi)傳動(dòng)的次數(shù)會(huì)很多，這就會(huì)是齒輪和鏈條嚙合的次數(shù)也隨之增多，鏈條受到的內(nèi)應(yīng)力和圓周力會(huì)變大，鏈條就會(huì)發(fā)生震動(dòng)，導(dǎo)致磨損和疲勞現(xiàn)象[12]。鏈傳動(dòng)中鏈條的振動(dòng)是一個(gè)非線(xiàn)性振動(dòng)問(wèn)題，傳動(dòng)過(guò)程中鏈條的橫向振動(dòng)將引起跳齒現(xiàn)象發(fā)生,并且會(huì)造成很大的動(dòng)載荷加劇，鏈條鉸鏈的磨損與鏈邊的抖動(dòng),從而降低鏈傳動(dòng)的效率,對(duì)鏈條具有極大的破壞作用[13]。
鏈節(jié)數(shù)的計(jì)算公式：
(3.2)
其中a0=（30～50）p，取a0=30p。將表3-5中的數(shù)據(jù)代入式（3.2）可得LP=88節(jié)。為了避免使用過(guò)渡鏈節(jié)，應(yīng)該將計(jì)算出的鏈節(jié)數(shù)LP0圓整為偶數(shù)LP。鏈傳動(dòng)的最大中心距是：
(3.3)
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中滾動(dòng)阻力系數(shù)的參數(shù)表可知，所以?1=0.24643。因此計(jì)算得amax=477.27mm。
6. 鏈輪包角與傳動(dòng)比的最終確定
小鏈輪包角的計(jì)算公式如下：
(3.4)
將上述表3.5的數(shù)據(jù)代入式（3.4）得：α=161°。已知小鏈輪的最小包角是120°，將其代入式（3.4）得最小中心距a=153.88mm。
依據(jù)給定的車(chē)輪半徑和軸距尺寸來(lái)估計(jì)。我們選取小鏈輪的中心距在153.88～477.27mm之間，我們選取a=300mm≈19p。將這個(gè)數(shù)據(jù)代入上列式中可以得出α=149°，LP=66節(jié)，得出圖3.5和圖3.6的結(jié)果。
圖3.5 小鏈輪尺寸
圖3.6 驗(yàn)算小鏈輪包角
經(jīng)過(guò)軟件CATIA的驗(yàn)算，對(duì)其進(jìn)行約束后得出的小鏈輪包角為148.844度。其與我們算出的小鏈輪包角α=148.844≈149相符。
7. 計(jì)算鏈速
因?yàn)殒準(zhǔn)怯蓜傂枣湽?jié)通過(guò)銷(xiāo)軸鉸接而成，是一段曲折的正多邊形部分。因此我們可以計(jì)算鏈條的平均速度（單位為m/s）為
(3.5)
將上述相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3.5）得。
8. 鏈輪受力計(jì)算
鏈傳動(dòng)在工作的時(shí)候，收到緊邊拉力和松邊拉力，它的有效圓周力為:
(3.6)
其中：P為傳遞的功率（Kw），為鏈速（m/s）。
根據(jù)我校賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)限流后的功率60.2Kw，計(jì)算的出圓周力Fe=1969.90N。
由離心力引起的拉力為
(3.7)
懸垂拉力為：
(3.8)
其中,，
式中a表示鏈傳動(dòng)的中心距（mm），Kf-表示垂度系數(shù)，如下圖3.7所示，下圖中f為下垂度，a為中心線(xiàn)與水平夾角之間的距離。Kf選取為0.3。
圖3.7懸垂拉力
將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算懸垂拉力。由此計(jì)算緊邊拉力和松邊拉力分別為： (3.9)
(3.10)
壓軸力為：
(3.11)
式中，F(xiàn)e表示有效圓周力(N)，KFP表示壓軸力系數(shù)，對(duì)于水平傳動(dòng)KFP=1.15，對(duì)于垂直傳動(dòng)KFP=1.05。我校賽車(chē)采用水平傳動(dòng)，故KFP=1.15。由此可算出壓軸力FP=2265.385N。
4 傳動(dòng)系零件的選型和設(shè)計(jì)
4.1 差速器
4.1.1 差速器的介紹和功用
“托森”差速器是美國(guó)格里森公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)矩感應(yīng)式差速器[14]。即差速器可以根據(jù)其內(nèi)部差動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小而決定是否限制差速器的差速作用，很精巧的利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的不可逆性的結(jié)構(gòu)原理來(lái)設(shè)計(jì)的，還有其齒面摩擦條件實(shí)現(xiàn)前、后軸蝸桿同時(shí)驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)矩的自動(dòng)調(diào)節(jié)，除此之外，托森差速器還具備自鎖功能，使行駛的賽車(chē)可以在不同的賽道上根據(jù)差異來(lái)彌補(bǔ)左右車(chē)輪的速度，這樣一來(lái)，它的鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比大大提高，作為一種新型的差速機(jī)構(gòu)，是賽車(chē)上必不可少的。
4.1.2 限滑差速器
限滑差速器[15], 英文名為L(zhǎng)imited Slip Diff，簡(jiǎn)稱(chēng)LSD。為了解決汽車(chē)橫向力變差，抵抗側(cè)滑能力變差，導(dǎo)致車(chē)輪滑動(dòng)的現(xiàn)象，即汽車(chē)操縱穩(wěn)定性就會(huì)不穩(wěn)定。
限滑差速器可以由他本身的的基本原理，重頭開(kāi)始地調(diào)節(jié)普通差速器的扭矩分配的標(biāo)準(zhǔn)特性。更加有力的分配左、右賽車(chē)驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)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”的缺陷現(xiàn)象[16]。因此，我們非常低需要提高“夢(mèng)想4.0號(hào)”在不同的比賽賽道的通過(guò)能力性能，因此要選擇限滑差速器。
4.1.3 差速器的選取
通過(guò)搜集，可以找到近年以來(lái)參賽的各學(xué)校車(chē)隊(duì)使用的各類(lèi)差速器，經(jīng)過(guò)調(diào)查，大部分高校通常會(huì)選擇限滑差速器來(lái)提高賽車(chē)在不同賽道下的通過(guò)和操縱穩(wěn)定性能，故，限滑差速器得以廣泛使用。
1. 托森差速器
托森差速器(Torsen)在大學(xué)生方程式賽事(FSC)中比較常見(jiàn)的，就好像是專(zhuān)為大學(xué)生賽車(chē)比賽而定的，它的型號(hào)是012000，重7.2磅，約3.23Kg。它的圍觀(guān)圖如圖4-1所示，尺寸如圖4.2所示，結(jié)構(gòu)圖如圖4.3所示。
圖4.1 托森差速器的外觀(guān)
圖4.2托森差速器的尺寸
圖4.3 托森差速器的結(jié)構(gòu)
托森差速器作為一種新型的限滑差速器,具有對(duì)轉(zhuǎn)速比反應(yīng)靈敏、自動(dòng)調(diào)節(jié)鎖緊系數(shù)（使其變大）、傳動(dòng)平穩(wěn)性強(qiáng)、沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，可以很大程度的提高汽車(chē)(特別是在環(huán)境比較惡劣下行駛的汽車(chē)，如越野)的通過(guò)性。torsen充分利用了蝸輪和蝸桿原件，然后自行安排鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比這一特性,當(dāng)轉(zhuǎn)速比巨大的情況下,它是可以很輕易取得巨大的鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比,這樣一來(lái)，可以將差速器鎖死,稍等轉(zhuǎn)速比下降很多后,又會(huì)把差速器慢慢地松開(kāi)或放開(kāi),這樣下來(lái)，結(jié)束了自動(dòng)調(diào)節(jié)鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比的精彩過(guò)程,非常有效地避開(kāi)了人為操縱差速鎖緊趕不上，而所造成的巨大事故。托森差速器作為限滑差速器的一種新類(lèi)型。它主要由前齒輪軸、空心軸、差速器殼體、后齒輪軸、后軸蝸桿、直齒圓柱齒輪(12個(gè))、蝸輪軸（6個(gè),沿蝸桿軸線(xiàn)均布)、蝸輪(6個(gè))、前軸蝸桿組成[17]；托森的核心是蝸輪、蝸桿齒輪嚙含系統(tǒng)[18], 從托森差速器的結(jié)構(gòu)視圖（如上圖所示）可以看到雙蝸輪、蝸桿結(jié)構(gòu)。正因?yàn)槭撬鼈兊南嗷Ш匣ユi和扭矩單向地從蝸輪傳送到蝸桿齒輪的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了差速器的鎖止功能, 因?yàn)檫@樣的特性，控制了賽車(chē)滑動(dòng)。蝸輪和蝸桿式torsen輪間差速器和蝸輪和蝸桿式torsen都是使用了蝸桿傳動(dòng)的難以返回的原理與齒面高度磨合的原理來(lái)讓賽車(chē)達(dá)到差速的效果，由它的里面的差動(dòng)轉(zhuǎn)矩器和轉(zhuǎn)速器大小的變換而自動(dòng)鎖死或放開(kāi), 有效地提高了汽車(chē)在不同道路上的通過(guò)性。
這款托森差速器是ＦＳＣ方程式賽車(chē)的專(zhuān)屬，是格里森公司專(zhuān)門(mén)為方程式大賽而定制的，它具備體積比較小，輕的重量的優(yōu)點(diǎn)，在與普通差速器相比的情況下，具備高速和可操作穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，對(duì)賽車(chē)在不同賽道上運(yùn)行的功能有很大的提升，性?xún)r(jià)比比較高。
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種高性能類(lèi)型，德雷克斯勒不論從自身的質(zhì)量、體積、性能來(lái)說(shuō)是最好的，而且安裝方便，但是價(jià)格確實(shí)很貴，土豪車(chē)隊(duì)必備。這款土豪類(lèi)型的差速器在最近幾年的國(guó)內(nèi)方程式比賽中應(yīng)用的越來(lái)越多，因?yàn)檫@類(lèi)賽事得到國(guó)家的支撐，投資人越來(lái)越多，使得一部分車(chē)隊(duì)得以使用。又因?yàn)槠滟|(zhì)量更輕，只有2.6千克。它的結(jié)構(gòu)圖如下圖4.4所示，內(nèi)部構(gòu)造圖4.5所示。
圖4.4 德雷克斯勒構(gòu)造圖
圖4.5 德雷克斯勒內(nèi)部構(gòu)造
德雷克斯勒差速器考慮到FSC賽車(chē)大部分使用鏈傳動(dòng)，配套提供了鏈輪連接設(shè)計(jì)和鏈輪的配套毛培。由于這樣的超級(jí)和高級(jí)差速器，造價(jià)和進(jìn)價(jià)必須昂貴，全部大概要花兩千多美元，從外國(guó)弄到中國(guó)得兩萬(wàn)多人民幣。只有小部分可以支付得起的車(chē)隊(duì)可以使用，在性?xún)r(jià)比上不如托森差速器。
3. Cusco差速器
這款差速器最近的一兩年的比賽中得到一些車(chē)隊(duì)的看好，但實(shí)際情況是，由于經(jīng)費(fèi)的原因，托森用的比較廣泛。其產(chǎn)品特點(diǎn)突出，而且性?xún)r(jià)比相對(duì)來(lái)說(shuō)，是比較高的，因此在近幾年的時(shí)間里得以應(yīng)用。結(jié)構(gòu)如圖4.6所示。
圖4.6 Cusco差速器的結(jié)構(gòu)
這款差速器使用高強(qiáng)度鉻鉬鋼L.S.D外殼，內(nèi)部半軸齒輪、主動(dòng)齒輪使用精密的鍛造工藝，這樣可以使得齒輪的形狀變小，而且賽車(chē)的耐久性也得到大幅度的提高。槽溝技術(shù)是Cusco差速器獨(dú)有特點(diǎn)，使得潤(rùn)滑油快速通暢的灌進(jìn)去，壓縮環(huán)與MZ片的接觸部分可以完成平滑研磨，與Cusco潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)相互使用，使得產(chǎn)品的穩(wěn)定性能力增強(qiáng)。其品質(zhì)較好，而且價(jià)格介于托森與德雷克斯勒之間，不算太昂貴。因此得到了大部分車(chē)隊(duì)的喜愛(ài)。
由于我校車(chē)隊(duì)經(jīng)費(fèi)和歷年比賽的經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，最好的選擇是，選用符合自己的產(chǎn)品，實(shí)惠且又能讓我們的賽車(chē)馳騁在比賽場(chǎng)地上發(fā)揮它的最大水平，由上面幾種差速器來(lái)看，最終的決定是，我們采用托森012000差速器。
4.2 托森差速器的潤(rùn)滑方式
由大量的數(shù)據(jù)表明，汽車(chē)差速器在初期時(shí)，容易出現(xiàn)燒蝕問(wèn)題[19]。又因?yàn)椴钏倨鞯倪\(yùn)轉(zhuǎn)是由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)操控的[20]；如果這部分不潤(rùn)滑，很容易造成溫度升高，然后燒蝕現(xiàn)象，這樣會(huì)降低傳動(dòng)的效率。除此之外，對(duì)賽車(chē)手的安全也是一個(gè)重要的問(wèn)題。因此這個(gè)部位使用粘稠度大的潤(rùn)滑油是比較合適的，除此之外，還需要在潤(rùn)滑油內(nèi)添加化學(xué)劑，原因是為了提高潤(rùn)滑劑的膠合力以及散熱能力。所以潤(rùn)滑油選用格里森公司推薦的80W-90GL5，可以滿(mǎn)足蝸輪蝸桿在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的要求。
因?yàn)橘I(mǎi)回來(lái)的Torsen差速器沒(méi)有外殼，所以需要我們另外設(shè)計(jì)安裝外殼，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)和密封。
4.3 大小鏈輪的設(shè)計(jì)
兩個(gè)鏈輪可以將力矩和動(dòng)力傳遞到車(chē)輪，也是傳動(dòng)系統(tǒng)中比較重要之一，也可以說(shuō)是核心，所以其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是我們首先考慮的。
4.3.1 大鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由第三章的表3.4可得大鏈輪的尺寸。方程式賽車(chē)在賽道運(yùn)行中的扭矩是經(jīng)由大鏈輪傳遞小鏈輪到差速器。對(duì)于這個(gè)傳動(dòng)的過(guò)程是怎么樣實(shí)現(xiàn)的，以至于可以把發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳到差速器內(nèi)，有以下的幾個(gè)方案可以參考選擇，見(jiàn)圖4.7。
圖4.7 扭矩傳遞方案
經(jīng)過(guò)對(duì)比可得，我們應(yīng)該好好利用差速器殼體上的內(nèi)花鍵，使得大鏈輪傳遞的動(dòng)力由花鍵傳扭到差速器上。這樣一來(lái)，我們應(yīng)該在大鏈輪上設(shè)計(jì)一部分花鍵，用來(lái)與差速器花鍵配合，這樣大鏈輪不僅可以有準(zhǔn)確的定心定位，而且還具有重量輕，使用方便，布置簡(jiǎn)單等優(yōu)良特性。
對(duì)大鏈輪進(jìn)行軸向定位，可以采取螺栓連接差速器殼體的方案，可以讓大鏈輪的軸向力得以定位。除此之外，因?yàn)槭褂脻?rùn)滑劑，所以一定考慮將潤(rùn)滑油進(jìn)行完全密封。又因?yàn)槭褂玫氖窍藁钏倨?，半軸有可能會(huì)與差速器殼體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)或者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，我們選擇骨架油封，以防止?jié)櫥蛷牟钏倨鞯膫?cè)面滲出。需要考慮到限位的問(wèn)題，即在骨架油封的布置與軸之間，所以應(yīng)該在大鏈輪的外側(cè)沖一個(gè)孔，這樣，可以方便安裝軸承和油封。
在確保大鏈輪的強(qiáng)度的條件下，想要完成輕質(zhì)量化，在大小鏈輪上我們第一次采用7050鋁合金，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了鏤空，最后設(shè)計(jì)了五角星圖案，總體質(zhì)量只有1.6kg，最大直徑小于210mm，所以可以說(shuō)它具備質(zhì)量較輕，尺寸較小、完美外觀(guān)等優(yōu)良特性。見(jiàn)圖4.8得。
圖4.8 大鏈輪
4.3.2 小鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
小鏈輪的直徑大約僅有60mm，所以不需要再做鏤空設(shè)計(jì)優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱輸出軸經(jīng)過(guò)花鍵把扭矩傳到小鏈輪，所以應(yīng)該在小鏈輪上設(shè)計(jì)出花鍵，花鍵經(jīng)由大螺母限位。見(jiàn)圖4.9。
圖4.9 小鏈輪
4.4 差速器的殼體
因?yàn)閠orsen差速器采用蝸輪蝸桿等機(jī)械零部件，因此要求油潤(rùn)滑效率要高才行。并且需要往潤(rùn)滑油里添加化學(xué)劑，故本設(shè)計(jì)采用油潤(rùn)滑。因此，差速器殼體的設(shè)計(jì)是差速器設(shè)計(jì)里的重要環(huán)節(jié)，它可以把差速器包裹起來(lái)，可以防止?jié)櫥惋w濺。除此之外，應(yīng)該在差速器的左、右兩端安裝軸承，經(jīng)由支架穩(wěn)定后面的差速器總成。更好的選擇是硬鋁合金，經(jīng)過(guò)上述的結(jié)論，在強(qiáng)度、硬度和成本的綜合考慮下，為了減輕整車(chē)質(zhì)量采用了7050鋁合金，其符合需求的條件下顯現(xiàn)了輕量化的優(yōu)良特性。
Torsen差速器外的殼體不但實(shí)現(xiàn)了密封的作用，還是在軸承的安裝面上，支撐和限位都是由差速器殼體來(lái)完成的。除此之外，我們需要在差速器外殼上打出定位孔，用它來(lái)限位大鏈輪，還需要將差速器殼體設(shè)計(jì)成兩個(gè)半殼的拼接體，方便用螺栓進(jìn)行安裝拼接。差速器殼體的左端應(yīng)該打孔，以便與大鏈輪進(jìn)行配合，這樣就可以對(duì)大鏈輪進(jìn)行限位和固定。我們的設(shè)計(jì)選用12.9級(jí)的M6內(nèi)六角螺栓，非常的輕巧和便捷，差速器殼體的右端需要安裝軸承和油封，進(jìn)行限位和密封。差速器的左殼體和右殼體的拼接采用M6的內(nèi)六角螺栓進(jìn)行連接固定，然后使用密封膠對(duì)其密封。除此之外，在殼體上攻出管螺紋，安裝一根油塞，加潤(rùn)滑油和放潤(rùn)滑油非常便捷。所以可以說(shuō)它具有結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)結(jié)構(gòu)輕便靈巧、密閉性好、外觀(guān)良好、簡(jiǎn)潔等優(yōu)良特點(diǎn)。差速器殼體如圖4.10所示可得。
圖4.10 差速器殼體
4.5 差速器輸出軸
依據(jù)torsen差速器的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，差速器對(duì)外輸出的扭矩是經(jīng)由花鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。將力矩從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到兩個(gè)半軸之間的方案有兩個(gè)：首先是我們用現(xiàn)成的工具器材加工設(shè)計(jì)球籠；其次是從汽配城購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)成的球籠，并由我們來(lái)設(shè)計(jì)并加工短軸，用以連接差速器與內(nèi)球籠，我校設(shè)計(jì)的方案是球籠和短軸為一體。因?yàn)榈诙€(gè)方案比較容易實(shí)現(xiàn)，并且可以節(jié)約我車(chē)隊(duì)的資金，所以選擇第二個(gè)方案。然后，我們進(jìn)行左、右短軸的設(shè)計(jì)。
4.5.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
我們計(jì)劃選擇使用成品的奧拓萬(wàn)向節(jié)，它的構(gòu)造為內(nèi)花鍵，所以?xún)H僅只用做出兩端都是外花鍵的短軸就可以。短軸限位借助卡簧和軸承，油封布置在端口，其有一個(gè)花鍵空，做了兩端具有花鍵的軸用于連接差速器和內(nèi)球籠，連接可靠，承受扭矩大[21]。對(duì)軸的限位有很大的可靠性，然后我們?cè)趦?nèi)軸上設(shè)計(jì)一個(gè)軸肩，具有頂住渦輪臺(tái)面的功能，限位外軸承。使其穩(wěn)定。除此之外，我們還對(duì)軸和相應(yīng)的孔進(jìn)行了相應(yīng)精度設(shè)計(jì)，配合油封，具備優(yōu)良的封油作用，左軸和右軸的結(jié)構(gòu)緊湊且符合各種需求。所以我們?cè)O(shè)計(jì)的軸選用TC4鈦合金，對(duì)花鍵進(jìn)行高溫和高頻淬火，符合我們的需求。左軸如下圖4.11所示，和右軸圖4.12所示
圖4.11 左軸
圖4.12 右軸
4.6 輪芯
因?yàn)槲倚ＴO(shè)計(jì)的賽車(chē)的輪芯不是普通汽車(chē)的輪芯，我們用的輪輞是賽車(chē)專(zhuān)用的輪輞，因此輪芯的重新設(shè)計(jì)是我們要考慮的，在全新優(yōu)化的輪芯下，卡鉗、剎車(chē)盤(pán)等必須要有很好的工作的空間，而且還需經(jīng)由螺栓與輪輞進(jìn)行拼接，對(duì)材料的性能的考慮也很重要，綜上所述，我們采用了7050鋁合金。讓輪芯滿(mǎn)足輕量化，材質(zhì)上的硬度也得到滿(mǎn)足。并且可以滿(mǎn)足賽車(chē)所需的要求。而且我們使輪芯進(jìn)行了輕量化的優(yōu)化，讓輪芯的質(zhì)量控制在小于1kg之間，連接半軸和輪輞的關(guān)鍵零件是賽車(chē)的輪芯，完成對(duì)輪芯的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)是對(duì)賽車(chē)的動(dòng)力性的增強(qiáng)以及油耗率的降低有著至關(guān)重要作用。如圖4.13前、后輪芯所示。
圖4.13 前、后輪芯
4.7 差速器支撐
4.7.1 軸承的選擇
因?yàn)樾枰仨氃诎惭b精度下，軸向力才會(huì)不大，所以我們選用的是深溝球軸承。
4.7.2 支撐的結(jié)構(gòu)
根據(jù)軸承和傳動(dòng)裝配的條件對(duì)軸承支撐進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)槲覀冃枰紤]到減輕質(zhì)量的問(wèn)題，采用了7050鋁合金設(shè)計(jì)，我們還要對(duì)軸承支撐設(shè)計(jì)一個(gè)鏤空。并對(duì)軸承的限位進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)[22]。深溝球它的結(jié)構(gòu)如圖4.14所示。
圖4.14 支撐結(jié)構(gòu)
對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，它的剖視圖如下圖4.15所示。
圖4.15 剖視圖
4.8 吊耳和張緊的優(yōu)化設(shè)計(jì)
4.8.1 吊耳的設(shè)計(jì)
我校車(chē)隊(duì)對(duì)吊耳的設(shè)計(jì)是把單邊吊耳用鋼板把兩片耳片焊接在一起，起到起重的作用，除此之外，還有長(zhǎng)吊耳。吊耳如下圖4.16和長(zhǎng)吊耳如下圖4.17所示得。
圖4.16 吊耳 圖4.17 長(zhǎng)吊耳
4.8.2 張緊的設(shè)計(jì)
張緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原因，是因?yàn)閭鲃?dòng)鏈需要避免在鏈條的松邊陲度太大的時(shí)候，造成的嚙合不良和鏈條的振動(dòng)的不利條件，與此同時(shí)，也提高了鏈條和鏈輪的嚙合包角。我們學(xué)校的賽車(chē)的優(yōu)化張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是選取了可調(diào)中心距來(lái)調(diào)制的，即是選取的螺桿兩端、桿端軸承，它們也可以叫做為正、反絲的兩種選擇方式，因此，我們的調(diào)節(jié)張緊機(jī)構(gòu)的時(shí)候可以使用扳手來(lái)調(diào)節(jié)。張緊機(jī)構(gòu)如下圖4.18所示和圖4.19總裝圖。
圖4.18 張緊機(jī)構(gòu)
圖4.19 總裝圖
4.9 半軸與萬(wàn)向節(jié)
4.9.1 半軸
汽車(chē)傳動(dòng)半軸是底盤(pán)動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。半軸的作用是把發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱輸出的扭矩傳遞到車(chē)輪，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)[23]。與此同時(shí)，當(dāng)車(chē)輪在轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生上下的震動(dòng)，萬(wàn)向節(jié)就會(huì)扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度和移動(dòng)，用來(lái)同步車(chē)輪與變速器之間的角度和位置的改變。賽車(chē)生的動(dòng)力輸出力矩要由半軸來(lái)完成，同時(shí)，還要承擔(dān)來(lái)自作用在車(chē)輪上的垂直力、側(cè)向力和牽引力和制動(dòng)力造成的縱向力。
現(xiàn)代汽車(chē)普遍使用的半軸，可以依據(jù)支撐方式的不一樣，有全浮式和半浮式兩種不同的方式。
半浮半軸，一般將半軸的一端做成法蘭結(jié)構(gòu)，然后再使用螺栓與制動(dòng)鼓進(jìn)行連接，另一端做成花鍵結(jié)構(gòu)，然后再與差速器內(nèi)的半軸齒輪相接，半軸通過(guò)軸承和制動(dòng)鼓承受車(chē)輪和驅(qū)動(dòng)橋之間的各種力的作用，經(jīng)過(guò)差速器將扭矩傳遞到車(chē)輪上。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量也較輕和價(jià)格低廉，在客車(chē)和輕型貨車(chē)上應(yīng)用比較廣泛。由于半軸是傳動(dòng)系統(tǒng)末端的傳動(dòng)零件，在其工作的時(shí)候，受到的扭矩和彎矩以及受力情況是比較復(fù)雜的[24]。由于半浮半軸支承的拆卸、安裝是很困難的，而且在賽車(chē)行駛過(guò)程中，如果半軸折斷，就會(huì)容易造成車(chē)輪飛脫的危險(xiǎn)，故這樣的傳動(dòng)形式即將淘汰。
全浮半軸，它只可以只傳送旋轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)，反力和彎矩也作用在全浮半軸上，它與獨(dú)立懸掛的結(jié)合的情況下，非常適合增強(qiáng)賽車(chē)的舒適性，所以這樣形式的半軸使用非常廣泛。這種形式的半軸拆卸與安裝便捷，我們僅用擰下半軸的固定螺栓就可以抽出半軸，然后對(duì)它進(jìn)行保養(yǎng)維修。并且車(chē)輪、橋殼同樣可以支持汽車(chē)，這樣一來(lái)，對(duì)汽車(chē)的維護(hù)和保養(yǎng)是非常方便的。
經(jīng)由它的布置結(jié)構(gòu)形式，我們?cè)O(shè)計(jì)的方程式賽車(chē)應(yīng)該靈活的布置，拆卸和安裝應(yīng)該要便捷，所以選取全浮式半軸。采用TC4鈦合金材料，因?yàn)榭紤]到軸距，所以?shī)W拓的短半軸是最佳選擇。在裝配的過(guò)程中，半軸的長(zhǎng)度應(yīng)該要被改動(dòng)，因此要選用合適的方法對(duì)半軸進(jìn)行一定的加工[25]。見(jiàn)圖4.20所示。
圖4.20 加工方案
經(jīng)過(guò)我們的加工和設(shè)計(jì)，在根據(jù)以上的方案，設(shè)計(jì)出了套筒，如下圖4.21所示。左、右半軸的設(shè)計(jì)如圖4.22和圖4.23所示。
圖4.21 套筒
圖4.22 左半軸
圖4.23 右半軸
4.9.2 萬(wàn)向節(jié)
若在運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的基礎(chǔ)下，可將萬(wàn)向節(jié)分為非等速、準(zhǔn)等速和等速萬(wàn)向節(jié)[26]。
非等速萬(wàn)向節(jié)（雙聯(lián)式）是構(gòu)造較是非常繁瑣，形狀也比較大，零部件種類(lèi)較多；非等速萬(wàn)向節(jié)（Fenaille 凸塊式）由于滑動(dòng)的摩擦力原因，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易產(chǎn)生發(fā)熱問(wèn)題；非等速萬(wàn)向節(jié)（三銷(xiāo)式）因?yàn)樗耐庑纬叽绫容^大，具有比較復(fù)雜的形狀，毛坯需要精確模鍛，且還會(huì)軸向滑動(dòng)，受到的附加彎矩和扭矩比較大。
等速萬(wàn)向節(jié)（球籠式），到目前為止，該形式的萬(wàn)向節(jié)是被使用最為多的，主要由鐘形殼、星形套、鋼球和保持架（亦稱(chēng)球籠）構(gòu)成，它具有單節(jié)瞬時(shí)同步、兩軸間角位移大、效率高、安裝與拆卸便捷、能承受重載及沖擊載荷等優(yōu)良特性。等速萬(wàn)向節(jié)（三球銷(xiāo)式）是一種能夠自由軸向伸展、收縮的聯(lián)軸節(jié)，當(dāng)三球銷(xiāo)式等速萬(wàn)向