559 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（傳動(dòng)及最終傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)）（有cad圖+三維圖）,559,大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（傳動(dòng)及最終傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)）（有cad圖+三維圖）,大學(xué)生,方程式賽車,設(shè)計(jì),傳動(dòng),最終,終究,傳動(dòng)系統(tǒng),cad,三維 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)（傳動(dòng)及最終傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)） 摘 要 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的基本功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)車輪，傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)整車的動(dòng)力性和設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的組成部分。本文主要研究的是FSAE方程式賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性有很大的影響，故傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的確定是汽車設(shè)計(jì)，基于我院LS Racing車隊(duì)三年來(lái)的比賽經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)理念，對(duì)賽車的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改造。本賽車選用的是鈴木CBRR600四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，差速器是選用德雷克斯勒限滑差速器（Drexler），根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特性參數(shù)、檔位比和差速器的工作原理，選擇合適的鏈傳動(dòng)比，計(jì)算鏈條的參數(shù)，設(shè)計(jì)差速器固定支架，合理的布置整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)。針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)各組成部件，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使其達(dá)到質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的目標(biāo)。 關(guān)鍵字：FSAE，差速器選型，德雷克斯勒限滑差速器，傳動(dòng)系 I Formula SAE of china (transmission and final drive system) ABSTRACT The basic function of auto transmission system is transfer engine power to drive wheels .The transmission system has a great influence in dynamic performance .So the parameter of drive system is one of the important part in automobile design .The article mainly research is drive system design of FSAE racing car. The car drive system optimization and transformation is based on LS Racing team competition experience and design concept in the past three years .The racing car engine is choose SUZUKI GSX-R600 have four cylinder engine .The differential is choose Drexler limited slip differential. According to the characteristics of the engine parameters, gear ratio and differential working principle ,that choose the right chain transmission ratio, calculation chain parameters, design the differential fixed bracket, reasonable arrangement of the drive system. Aimed at the transmission system components, use the ANSYS finite element analysis to check intensity of the parts, that optimize structure enables it to achieve light weight, high strength goal. KEY WORD： FSAE, Differential selection, Drexler limited slip differential, the ANSYS finite element analysis 37 目 錄 第一章 大賽背景及發(fā)展現(xiàn)狀 1 §1.1 賽事背景 1 §1.2 國(guó)外情況 2 §1.3 國(guó)內(nèi)情況 2 第二章 緒論 4 §2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的組成 4 §2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn) 4 §2.3 FSAE大學(xué)生方程式賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 5 §2.4 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（FSC）傳動(dòng)規(guī)則和要求 6 §2.5 本次傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù) 6 第三章 賽車動(dòng)力總成的選擇與布置 7 §3.1 整車參數(shù)與主要結(jié)構(gòu) 7 §3.2 賽車動(dòng)力性計(jì)算 9 §3.2.1 主減速比確定 9 §3.2.2 賽車驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 9 §3.3 賽車動(dòng)力性的驗(yàn)證與優(yōu)化 11 §3.3.1 擬合外特性曲線圖 11 §3.3.2 驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖 12 §3.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率-行駛阻力功率平衡圖 12 §3.3.4加速度特性曲線 13 §3.3.5 動(dòng)力因數(shù)圖 14 §3.4 傳動(dòng)方式確定 14 第四章 動(dòng)力總成與車架的連接及與驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì) 17 §4.1 差速器固定 17 §4.2 車輪法蘭設(shè)計(jì) 19 §4.3 大小鏈輪的設(shè)計(jì) 20 §4.3.1 鏈輪齒數(shù) 、 和傳動(dòng)比i的計(jì)算與確定 20 §4.3.2齒數(shù)的選取原則 20 §4.3.3 傳動(dòng)比的確定 20 §4.3.4 鏈輪的計(jì)算與選取 20 §4.4 差速器的設(shè)計(jì)與選擇 25 §4.4.1 差速器原理 25 §4.4.2 差速器的分類 26 §4.4.3 方程式賽車的差速器結(jié)構(gòu)選擇 30 §4.4.4 差速器選用說(shuō)明 31 §4.5 萬(wàn)向節(jié)的選擇 31 §4.5.1 萬(wàn)向節(jié)的工作原理 32 §4.5.2 等速萬(wàn)向節(jié)的分類 32 §4.6 此次設(shè)計(jì)選用的萬(wàn)向節(jié)類型 35 參考文獻(xiàn) 37 結(jié)束語(yǔ) 38 第一章 大賽背景及發(fā)展現(xiàn)狀 隨著我國(guó)汽車工業(yè)的崛起，賽車文化日益蓬勃發(fā)展，同時(shí)為號(hào)召十二五時(shí)期黨中央提出的科技強(qiáng)國(guó)口號(hào)，在這樣一個(gè)背景下，2010年首屆中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽在上海國(guó)際賽車場(chǎng)隆重舉辦。隨后的第二屆中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽的引擎在此轟鳴在上海國(guó)際賽車場(chǎng)，規(guī)模比前一屆擴(kuò)大將近一倍，吸引了包括一支海外車隊(duì)——慕尼黑工業(yè)大學(xué)在內(nèi)的一共34支隊(duì)伍參加。在此，我選擇FSAE賽車動(dòng)力及傳動(dòng)總成布置設(shè)計(jì)為我畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目，希望通過(guò)此次設(shè)計(jì)優(yōu)化讓我校的賽車馳騁在2012年上海賽車場(chǎng)。 §1.1 賽事背景 Formula SAE，是由各國(guó)SAE，即汽車工程師協(xié)會(huì)舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個(gè)月以內(nèi)的本科生或研究生舉辦的一項(xiàng)學(xué)生方程式賽車比 賽，要求在一年的時(shí)間內(nèi)制造出一輛在加速、剎車、操控性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)并且足夠穩(wěn)定耐久，能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項(xiàng)目業(yè)余休閑賽車。自1981年創(chuàng)辦以來(lái)，F(xiàn)SAE已發(fā)展成為每年由7個(gè)國(guó)家舉辦的9場(chǎng)賽事所組成，并有數(shù)百支來(lái)自全球頂級(jí)高校的車隊(duì)參與的青年工程師盛會(huì)。 SAE方程式（Formula SAE）系列賽源于1978年。第一次比賽于1979年在美國(guó)波斯頓舉行，13支隊(duì)伍中有11支完賽。當(dāng)時(shí)的規(guī)則是制作一臺(tái)5馬力的木制賽車。SAE方程式（Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為給車隊(duì)最大的設(shè)計(jì)彈性和自我表達(dá)創(chuàng)意和想象力的空間，在整車設(shè)計(jì)方面將會(huì)限制很少。賽前車隊(duì)通常用8至12個(gè)月組的時(shí)間設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試和準(zhǔn)備賽車。在與來(lái)自世界各地的大學(xué)代表隊(duì)的比較中，賽事給了車隊(duì)證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機(jī)會(huì)。 為了達(dá)到比賽的目的、學(xué)生可以把自己假想設(shè)計(jì)人員。某一制造公司聘請(qǐng)他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)、制造和論證一輛用來(lái)評(píng)估該公司某一量產(chǎn)項(xiàng)目的原型車。預(yù)期的銷售市場(chǎng)是周末業(yè)余汽車比賽。因此，該車必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外，考慮到市場(chǎng)銷售的因素，該車需美觀、舒適，零部件也需要有通用性。制造企業(yè)計(jì)劃每天生產(chǎn)四輛該型車,并要求原型車實(shí)際耗資應(yīng)低于2.5萬(wàn)美元（該規(guī)則09年已經(jīng)取消）。設(shè)計(jì)小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和組裝一輛滿足各種要求的車。各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將作為競(jìng)賽比較和評(píng)判的內(nèi)容。 §1.2 國(guó)外情況 目前FSAE在美國(guó)，巴西，日本，英國(guó)，德國(guó)，匈牙利，澳大利亞等國(guó)均有比賽。日本在10年前開(kāi)始舉辦該項(xiàng)賽事，目前已成為亞洲FSAE頂級(jí)比賽，每年吸引包括斯圖加特，格拉斯，DUT，RIT等大學(xué)車隊(duì)參加，同時(shí)日本本土強(qiáng)隊(duì)上智大學(xué)索菲亞車隊(duì)也是每年固定參與的強(qiáng)隊(duì)之一。世界各國(guó)前對(duì)匯聚在此，彼此交流心得，相互競(jìng)爭(zhēng)切磋，相互學(xué)習(xí)，共同提高。第九屆日本FSAE盛況如下圖： 圖1-1 2011年第九屆日本FSAE大賽 §1.3 國(guó)內(nèi)情況 FSAE中國(guó)賽的中文名稱為中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽，英文名稱為Formula Student China（簡(jiǎn)稱FSC），目前已舉辦兩屆。兩屆FSC賽事均在上海國(guó)際賽車場(chǎng)舉辦，在2011年舉辦的第二屆中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽中，北京理工大學(xué)方程式車隊(duì)擊敗了包括慕尼黑工業(yè)大學(xué)TUfast車隊(duì)，同濟(jì)大學(xué)方程式車隊(duì)，湖南大學(xué)方程式車隊(duì)，吉林大學(xué)急速車隊(duì)等強(qiáng)隊(duì)，蟬聯(lián)了總冠軍。 同國(guó)外比賽一樣，比賽分為動(dòng)態(tài)項(xiàng)目與靜態(tài)項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)大項(xiàng)。其中靜態(tài)項(xiàng)目包括：營(yíng)銷報(bào)告（Presentation 75分）、設(shè)計(jì)報(bào)告（Design 150分）、成本分析報(bào)告（Cost 100分）；動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括：75米加速（Acceleration 75分）、八字繞環(huán)（Skid-Pad 50分）、高速避障（Autocross 150分）、耐久性（Endurance 350分）、燃油經(jīng)濟(jì)性（Fuel Economy 50分），總共1000分。 第二章 緒論 §2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的組成 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的動(dòng)力傳遞裝置稱為汽車的傳動(dòng)系。它應(yīng)保證汽車具有在各種行駛條件下所必需的牽引力、車速，以及保證牽引力與車速之間協(xié)調(diào)變化等功能，使汽車具有良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；還應(yīng)保證汽車能倒車，以及左、右驅(qū)動(dòng)輪能適應(yīng)差速要求，并使動(dòng)力傳遞能格局需要而平穩(wěn)地結(jié)合或徹底、迅速地分離。傳動(dòng)系包括離合器、變速器、傳動(dòng)軸、主減速器、及半軸等部分。 §2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn) 傳動(dòng)系統(tǒng)的首要任務(wù)是與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同工作，以保證汽車在各種行駛條件下正常行駛所必需的驅(qū)動(dòng)力與車速，并使汽車具有良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。為此，任何形式的傳動(dòng)系統(tǒng)都必須具有以下功能。 1、實(shí)現(xiàn)減速增扭 只有當(dāng)作用在驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力足以克服外界對(duì)汽車的阻力時(shí)，汽車方能起步并正常行駛。假如將發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間直接連接，則汽車速度很大，這樣高的車速既不實(shí)用，又不可能實(shí)現(xiàn)（因?yàn)橄鄳?yīng)的驅(qū)動(dòng)力太小，汽車根本無(wú)法起步）。為解決這一矛盾，必須使傳動(dòng)系統(tǒng)具有減速增扭的作用，亦既使驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速降為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的若干分之一，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)輪所得到的扭矩則增大到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的若干倍； 2、實(shí)現(xiàn)汽車變速汽車的使用條件在很大范圍內(nèi)不斷變化，這就要求汽車的驅(qū)動(dòng)力和速度也有相當(dāng)大的變化范圍； 3、實(shí)現(xiàn)汽車倒駛汽車在某些情況下需要倒向行駛； 4、必要時(shí)中斷傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)只能在無(wú)負(fù)荷情況下啟動(dòng)，而且啟動(dòng)后的轉(zhuǎn)速必須保持在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之上，否則可能會(huì)熄火。所以，在汽車起步之前，必須將發(fā)動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力傳遞路線切斷，以便啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)； 5、應(yīng)使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪具有差速作用差速器使左右兩驅(qū)動(dòng)輪可以以不同的角速度旋轉(zhuǎn)。此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和變速器固定在車架上，而驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)輪一般是通過(guò)彈性懸架與車架聯(lián)系的，因此在汽車行駛過(guò)程中，變速器與驅(qū)動(dòng)輪之間常有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在此情況下，兩者之間不能用簡(jiǎn)單的整體傳動(dòng)軸傳動(dòng)，而應(yīng)采用由萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸組成的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置。汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及其在汽車上的布置形式，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的形式和性能、汽車總體結(jié)構(gòu)形式、汽車行駛系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)形式等許多因素。 §2.3 FSAE大學(xué)生方程式賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 1、FSAE方程式賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的布置與傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) FSAE方程式賽車一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)中置后輪驅(qū)動(dòng)的MR方案。MR方案是將發(fā)動(dòng)機(jī)置于駕駛室后面的汽車中部，后輪驅(qū)動(dòng)。該方案布置有利于實(shí)現(xiàn)前、后軸較為理想的軸荷分配。MR方案中發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)離合器、變速器、由萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸組成的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置以及安裝在驅(qū)動(dòng)橋的主減速器、差速器和半軸，最后傳到驅(qū)動(dòng)車輪。因此，傳動(dòng)系的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。 2、與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的匹配 此次賽車整體制造設(shè)計(jì)時(shí)選用了CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)，依據(jù)大賽規(guī)則，需要在節(jié)氣門前面加裝內(nèi)徑20mm的限流閥。由于CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)屬于高轉(zhuǎn)速引擎，加裝限流閥后最大扭矩點(diǎn)約在7000~8000轉(zhuǎn)，約為50nm左右，功率點(diǎn)約在9000~10000轉(zhuǎn)，約為45kw。由于原廠發(fā)動(dòng)機(jī)中自帶離合器、變速器與一級(jí)主減速器，則根據(jù)大賽規(guī)則，車輛實(shí)際動(dòng)力參數(shù)，賽道特性等需要計(jì)算設(shè)計(jì)傳動(dòng)二級(jí)主線速比，與發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性匹配，充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的特性，在賽道上取得理想成績(jī)。 3、差速器的選用 由于賽車通常在極限狀態(tài)下駕駛，在賽車出彎時(shí)由于賽車的側(cè)傾，內(nèi)側(cè)車輪負(fù)載明顯小于外側(cè)車輪，甚至離開(kāi)地面。這導(dǎo)致在出彎時(shí)，賽車由于大功率的輸出，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)車輪與地面打滑，不但影響操縱穩(wěn)定性，還損失了出彎動(dòng)力，導(dǎo)致下一段直道速度的減慢，嚴(yán)重影響單圈成績(jī)。因此，在資金充裕的情況下應(yīng)盡量選用限滑差速器。 4、傳動(dòng)方式的選擇 目前，商用車與乘用車用，普遍應(yīng)用軸傳動(dòng)，也基本上只有軸傳動(dòng)能滿足載荷功率要求。但此次設(shè)計(jì)的FSAE方程式賽車與一般生活中應(yīng)用到的汽車有著截然不同的要求，性能，質(zhì)量以及目前各校FSAE車隊(duì)的傳動(dòng)方式的選擇上幾乎全部為鏈傳動(dòng)，這是與一般汽車一個(gè)不同的地方。 §2.4 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（FSAE）傳動(dòng)規(guī)則和要求 大賽有關(guān)傳動(dòng)部分規(guī)則(摘要)如下： 1、變速器及傳動(dòng)可以使用任何傳動(dòng)變速裝置； 2、傳動(dòng)系統(tǒng)防護(hù)罩及保護(hù)裝置； 3、暴露在外的高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件，如變矩器、離合器、帶傳動(dòng)、離合器傳動(dòng)，都必須裝安防護(hù)罩以防失效； 4、鏈和帶的防護(hù)罩不允許用有穿孔的材料； 5、鏈傳動(dòng)——防護(hù)罩必須使用2.66mm （0.105 英寸）厚的鋼板（不允許有其他的替代尺寸），并且必須是所用鏈條寬度的三倍寬； 6、帶傳動(dòng)——安全罩必須用至少3.0mm （0.120 英寸）的鋁合金6061-T6，并且最小寬度必須比帶寬度兩邊各多35%的寬度（即帶寬的1.7 倍）； 7、連接處的緊固——所有安全罩的連接必須至少使用6mm、級(jí)別M8.8螺栓； 8、安全罩必須在任何情況下在橫向上與鏈或帶保持平行； 9、護(hù)指——使用輕質(zhì)材料制作護(hù)指。 §2.5 本次傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù) 1、了解汽車總體設(shè)計(jì)的基本知識(shí)； 2、掌握客FSAE賽車底盤設(shè)計(jì)的基本要求； 3、學(xué)習(xí)用已學(xué)過(guò)的知識(shí)進(jìn)行起FSAE賽車動(dòng)力總成布置設(shè)計(jì)； 4、學(xué)會(huì)查找有關(guān)汽車資料。 第三章 賽車動(dòng)力總成的選擇與布置 §3.1 整車參數(shù)與主要結(jié)構(gòu) 軸距1680mm 輪距 前輪距：1199mm,后輪距：1149mm， 前懸/后懸 最小離地間隙：40mm 總質(zhì)量280kg 整備質(zhì)量220kg 發(fā)動(dòng)機(jī)：排量/功率(ml/ps)589.9/90 扭矩 66nm §3.1.2 動(dòng)力總成設(shè)計(jì)參數(shù)與形式 發(fā)動(dòng)機(jī)采用本田摩托車CBR600F4I的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，排量599CC，在未限流情況下的最高功率為86KW，最高轉(zhuǎn)速將近13000r/min。但由于大賽規(guī)則發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門后需要安裝內(nèi)徑20mm的限流閥，故其最大功率，最大扭矩與原廠發(fā)動(dòng)機(jī)有較大出入。 1、加裝限流閥后的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù) 表3-2 CBR600F4I發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力試驗(yàn)參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào) 最大功率 最大扭矩 CBR600F4 44.1kw9500r/min 46.3Nm7500r/min 表3-3 CBR600F4I發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)參數(shù) N（r/min） 3500 4500 5500 6500 7500 8500 9500 10500 Pe（kw） 11.3 17.5 23.7 30.3 36.4 41.1 44.1 42.7 Te(Nm) 30.8 37.1 41.1 44.5 46.3 46.2 44.3 38.8 以上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)的功率是根據(jù)原有外特性曲線，在考慮了比賽要求需要加裝20mm的限流閥的情況下其他同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)臺(tái)架測(cè)試得到的。但每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況不盡相同，標(biāo)定也千差萬(wàn)別，進(jìn)排氣改進(jìn)等其他的方面也都不相同，此數(shù)據(jù)可能與實(shí)際可能存在一定的出入。因?yàn)樵诖擞?jì)算之時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)未進(jìn)行改裝，無(wú)法得到確切的數(shù)據(jù)。但通過(guò)全國(guó)其他各學(xué)校FSAE車隊(duì)設(shè)計(jì)的成果來(lái)看，該數(shù)據(jù)仍然有較高的參考價(jià)值。 2、CBR600變速箱參數(shù) 變速箱參數(shù)見(jiàn)表3-4 表3-4 變速箱參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)減速器傳動(dòng)比 1.822 一檔速比 2.666 二檔速比 1.937 三檔速比 1.611 四檔傳動(dòng)比 1.409 五檔傳動(dòng)比 1.261 六檔傳動(dòng)比 1.166 3、車輪參數(shù) 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽中規(guī)則規(guī)定需選用至少8寸輪輞的輪胎。但鑒于尺寸的大小與輕量化程度成反比，與賽車的布置難易程度成正比。FSAE賽車中基本選擇10寸與13寸為主流。我校車隊(duì)此次選用13寸輪胎，通過(guò)官網(wǎng)查的此款輪胎的數(shù)據(jù)，如下圖 圖3-1 輪胎數(shù)據(jù) 由于價(jià)格，規(guī)格等因素，選用上述中型號(hào)43101的干胎，OD為輪胎外徑尺寸，由于此數(shù)據(jù)采用英制單位，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)單位，18.1寸約為0.23m。故車輪的半徑R=0.23m。 §3.2 賽車動(dòng)力性計(jì)算 賽車的動(dòng)力性指汽車在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的、所能達(dá)到的平均行駛速度。運(yùn)輸效率之高低在很大程度上取決于汽車的動(dòng)力性，所以動(dòng)力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能。 動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有三個(gè)： 1、汽車的最高車速Uamax；FSAE賽車通常受到賽道的限制無(wú)法達(dá)到最高車速； 2、汽車的加速性能（加速時(shí)間t）； 3、汽車的爬坡性能（最大爬坡度imax）：對(duì)FSAE賽車而言不需要考慮爬坡度這一項(xiàng)。 §3.2.1 主減速比確定 由變速器輸出軸鏈輪齒數(shù) z1=15，變速器6檔的傳動(dòng)比1.166，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部減速器傳動(dòng)比1.822，發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)速約為9000rpm，車輪直徑為 0.23m。有動(dòng)力性部分的驅(qū)動(dòng)力平衡圖可知，在150Km/h速度時(shí)候，驅(qū)動(dòng)力大于阻力，所以發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的功率可以滿足最高車速，即六擋情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速10500rpm達(dá)到最大車速，設(shè)定最高車速為 150 Km/h。 根據(jù)公式（3-1）： （3-1） 式中： =汽車最高行駛速度 n—發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，取10500； —發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)一級(jí)主減速比，取1.822； —發(fā)動(dòng)機(jī)六檔傳動(dòng)比，1.166； —所需計(jì)算的傳動(dòng)系主減速比，； 代入式（3-1）得到主減速比=3.066 §3.2.2 賽車驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 1、賽車驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式（3-2） （3-2） 式中： —發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩50Nm； —變速器傳動(dòng)比，取一檔2.666； —主減速器減速比3.066 —發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)減速比1.822； —傳動(dòng)效率，取0.9； —滾動(dòng)半徑0.23m； 代入式（3-2）得到Ft=3000N 2、賽車行駛速度公式（3-3）（在驅(qū)動(dòng)輪不打滑的情況下） （3-3） 式中： —汽車行駛速度； —發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速10500r/min； —滾動(dòng)半徑0.25m； 代入式（3-3）得到=162km/h 3、滾動(dòng)阻力系數(shù)公式（3-4） （3-4） 式中： —滾動(dòng)阻力系數(shù)； —汽車行駛速度，取最高km/h； 代入式（3-4）得到f=4 4、空氣阻力公式（3-5） （3-5） 式中： -空氣阻力； —迎風(fēng)面積，取1； —空氣阻力系數(shù)，取0.5； —汽車行駛速度，取最高km/h； 5、動(dòng)力因數(shù)公式（3-6） （3-6） 式中： —?jiǎng)恿σ驍?shù)； —賽車驅(qū)動(dòng)力； —空氣阻力； 6、滾動(dòng)阻力公式（3-7） （3-7） —整備質(zhì)量或滿載質(zhì)量； 7、加速度計(jì)算汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)值取取1.2 §3.3 賽車動(dòng)力性的驗(yàn)證與優(yōu)化 通過(guò)上一節(jié)計(jì)算得到了一些基本的動(dòng)力性計(jì)算結(jié)果，在這一節(jié)中，利用Matlab軟件對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行程序分析運(yùn)算，得出曲線圖，進(jìn)一步說(shuō)明賽車的動(dòng)力性。 §3.3.1 擬合外特性曲線圖 根據(jù)表大致得到發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線如下： 圖3-1 加裝限流閥后的CBR600外特性曲線 §3.3.2 驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖 圖3-2 驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖 上圖為驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖，從圖中可以得到FSAE賽車的最高車速Vmax為 162.1326KM/H。而比賽之中速度一般不會(huì)超過(guò)100KM/H，所以最高車速對(duì)于該賽車的設(shè)計(jì)而言不是特別有參考價(jià)值。 §3.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率-行駛阻力功率平衡圖 圖3-3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率-行駛阻力功率平衡圖 從上述功率平衡圖可以從另一個(gè)方面看到賽車可達(dá)到的最高時(shí)速，并且在最高時(shí)速是發(fā)動(dòng)機(jī)仍有向外做功的能力，即仍然擁有爬坡能力。 §3.3.4加速度特性曲線 圖3-4 加速度特性曲線 從上圖中可以明顯得看到，在一檔時(shí)賽車的最高加速度達(dá)到將近。根據(jù)去年我校車隊(duì)去年在單圈為1.234km的上海國(guó)際賽車場(chǎng)卡丁車賽道上最快成績(jī)?yōu)?分15秒，平均時(shí)速約為60km/h，在一些長(zhǎng)直道末端可能回達(dá)道110km/h的極端，但大部分時(shí)候，賽車基本上不會(huì)超過(guò)90km/h，根據(jù)賽車傳動(dòng)比的一些經(jīng)驗(yàn)：(1)盡量在連續(xù)彎中不頻繁在兩個(gè)檔位跳動(dòng)；(2)盡量不要在直道末端將要進(jìn)彎的時(shí)候不得不升檔等原則，以上傳動(dòng)比的選取幾乎完全符合要求。大部分使用二檔行駛，在某幾個(gè)直道末端會(huì)使用三檔，可見(jiàn)理論上，該賽車應(yīng)具有良好的動(dòng)力性。 §3.3.5 動(dòng)力因數(shù)圖 圖3-5 動(dòng)力因數(shù)圖 該圖中可以看到賽車的動(dòng)力性比較大，具有較高的加速性。通過(guò)計(jì)算可以得到最大爬坡度imax，此賽車雖在實(shí)際中無(wú)需考慮爬坡性能，但計(jì)算得到的結(jié)果可作為賽車動(dòng)力性的一個(gè)參考數(shù)據(jù)。 §3.4 傳動(dòng)方式確定 賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。已確定賽車使用CBR600型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)。目前發(fā)動(dòng)機(jī)確定布置方式為橫置，即發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與賽車的行駛方向垂直，與車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行?？蛇x用軸傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)，帶傳動(dòng)這三種布置方式，隨后動(dòng)力傳入至差速器，差速器通過(guò)將轉(zhuǎn)矩配位到兩側(cè)的半軸，半軸與立柱由萬(wàn)向節(jié)、花鍵相連，最后動(dòng)力被傳遞到車輪驅(qū)動(dòng)賽車行駛。方程式賽車傳動(dòng)總成圖示如下： 圖3-6 賽車傳動(dòng)系 車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出。我們初步計(jì)劃賽車使用的CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)總成外形尺寸較大，而車架布置空間有限，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在車架上的布置情況對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重大影響。發(fā)動(dòng)機(jī)圖示如下： 圖3-7 CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖 賽車車身體積狹小，所以傳動(dòng)系統(tǒng)方案布置緊湊。在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可選方案有二：鏈傳動(dòng)和軸傳動(dòng)。 方案一：傳動(dòng)系統(tǒng)為鏈傳動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)總成橫置 優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)總成輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向和驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致，不需要換向機(jī)構(gòu)； 缺點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)總成橫置后輸出軸過(guò)于偏離車架中軸線，基本緊貼車架外壁內(nèi)側(cè)，這樣后橋左右半軸長(zhǎng)短懸殊，不利于車輛行駛穩(wěn)定。 方案二：傳動(dòng)系統(tǒng)為軸傳動(dòng)，此方案發(fā)動(dòng)機(jī)總成縱置。 優(yōu)點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)總成輸出軸軸線可以與車架中軸線重合，左右半軸長(zhǎng)度接近；主減速器同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力換向和減速增扭兩大功能。 缺點(diǎn)：因密封和潤(rùn)滑要求，主減速器和差速器需要外罩一個(gè)箱體。箱體體積較大，后橋布置較為擁擠。軸傳動(dòng)系統(tǒng)重量較鏈傳動(dòng)大。 考慮發(fā)動(dòng)機(jī)總成在車架上的布置情況和后續(xù)設(shè)計(jì)難易程度，傳動(dòng)組在仔細(xì)分析了以上兩種傳動(dòng)方案的布置情況后，最后選擇鏈傳動(dòng)-發(fā)動(dòng)機(jī)總成橫置形式。 傳動(dòng)系統(tǒng)初步布置如下： 傳動(dòng)鏈傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力和扭矩，主減速器連接傳動(dòng)鏈和差速器。后懸架獨(dú)立懸架，所以后橋有左右半軸兩根傳動(dòng)軸，左右半軸由差速器連接。綜上，傳動(dòng)系統(tǒng)初始方案為：發(fā)動(dòng)機(jī)總成-傳動(dòng)鏈-主減速器-左右半軸-左右驅(qū)動(dòng)輪，如下圖： 圖3-8 傳動(dòng)系方案 第四章 動(dòng)力總成與車架的連接及與驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì) §4.1 差速器固定 由于沒(méi)有驅(qū)動(dòng)橋殼，所以差速器需要單獨(dú)固定，因此設(shè)計(jì)差速器固定吊耳來(lái)固定差速器，在行駛過(guò)程中由于震動(dòng)的原因傳動(dòng)鏈會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，需要張緊裝置對(duì)鏈條進(jìn)行張緊。 差速器固定設(shè)計(jì)兩套方案 方案一：通過(guò)吊耳將差速器總成固定在車架上，吊耳形狀如圖4-1 圖4-1 吊耳 將吊耳一端直接固定在車架上，另一端通過(guò)調(diào)整裝置與車架連接，張緊裝置是帶有正反螺紋的套筒螺母，通過(guò)調(diào)整螺母進(jìn)行張緊。結(jié)構(gòu)如圖4-2 圖4-2 方案一 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝簡(jiǎn)單，加工成本低，質(zhì)量小。 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性不好，大小鏈輪對(duì)中困難。 方案二：將固定板與差速器固定，再通過(guò)固定板與差速器連接在車架上，固定方式如圖4-3 圖4-3 方案二 通過(guò)調(diào)整固定板的位置對(duì)鏈條進(jìn)行張緊，結(jié)構(gòu)如圖4-4 圖4-4 固定板 優(yōu)點(diǎn)：差速器穩(wěn)定性好，滑道固定方式簡(jiǎn)單，不用焊接，拆卸維修方便，大小鏈輪對(duì)中行好。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高，質(zhì)量大。 §4.2 車輪法蘭設(shè)計(jì) 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力由差速器傳到半軸，半軸與外球籠連接，最后動(dòng)力由外球籠傳到車輪輪芯，最后傳到輪轂。車輪輪芯作用是連接輪轂與半軸，同時(shí)安裝制動(dòng)盤。車輪輪芯需要自己設(shè)計(jì)加工。車輪輪芯設(shè)計(jì)時(shí)考慮：前輪為非驅(qū)動(dòng)車輪，在末端設(shè)計(jì)有螺紋，通過(guò)專用螺母 固定在立柱上。后輪為驅(qū)動(dòng)輪，半軸內(nèi)有花鍵連接，由于內(nèi)花鍵加工困難，加工成本高，后輪輪芯通過(guò)夏利車輪芯改裝而成。保留夏利軸芯的內(nèi)花鍵，對(duì)軸芯二次加工 §4.3 大小鏈輪的設(shè)計(jì) §4.3.1 鏈輪齒數(shù) 、 和傳動(dòng)比i的計(jì)算與確定 小鏈輪齒數(shù) z1 對(duì)鏈傳動(dòng)的平穩(wěn)性和使用壽命有較大影響。齒數(shù)少，外廓尺寸小，但齒數(shù)過(guò)少，運(yùn)動(dòng)不均勻性加劇，動(dòng)載荷和沖擊加大；鏈條進(jìn)入和退出嚙合時(shí)，鏈節(jié)間的相對(duì)轉(zhuǎn)角增大，鉸鏈的磨損加??；鏈傳遞的圓周力增大，加速了鏈條和鏈輪的損壞。齒數(shù)過(guò)多，將增大傳動(dòng)尺寸和質(zhì)量鏈條磨損后節(jié)距的伸長(zhǎng)容易發(fā)生跳齒和脫鏈，同樣會(huì)縮短鏈條的使用壽命。 §4.3.2齒數(shù)的選取原則 1、鏈傳動(dòng)速度高時(shí)，齒數(shù)多些； 2、為考慮磨損均勻，鏈輪齒數(shù)應(yīng)取與鏈節(jié)數(shù)互為質(zhì)數(shù)的奇數(shù)，并優(yōu)先選用以下數(shù)列：17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。 3、鏈傳動(dòng)比i一般≤7，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允許到 10。如傳動(dòng)比過(guò)大，則鏈包在小鏈輪上的包角過(guò)小，嚙合的齒數(shù)太少，這將加速輪齒的磨損，容易出現(xiàn)跳齒、破壞正常嚙合。通常包角最好不小于 120度，推薦傳動(dòng)比 i=2~3.5。 §4.3.3 傳動(dòng)比的確定 由CBR600原廠發(fā)動(dòng)機(jī)變速器輸出的軸鏈輪齒數(shù) z1=15，變速器6檔的傳動(dòng)比1.173，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部減速器傳動(dòng)比1.822，發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)速為9000rpm，車輪直徑為 0.23m。有動(dòng)力性部分的驅(qū)動(dòng)力平衡圖可知，在150Km/h速度時(shí)候，驅(qū)動(dòng)力大于阻力，所以發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的功率可以滿足最高車速，即六擋情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速10500rpm達(dá)到最大車速，設(shè)定最高車速為 150 Km/h， 根據(jù)公式（4-1）： （4-1） 可得為47。 §4.3.4 鏈輪的計(jì)算與選取 在同類產(chǎn)品中，按組成鏈條的基本結(jié)構(gòu)，即根據(jù)元件形狀、同鏈條嚙合的零件和部位，零件間尺寸比例等方面劃分所屬鏈條產(chǎn)品系列。鏈條的種類很多，但它們的基本結(jié)構(gòu)只有以下幾種，其它都是這幾種的變形。 我們可以從以上幾種的鏈條結(jié)構(gòu)看出，大部分鏈條都是由鏈板、鏈銷、軸套等部件組成。其它類型的鏈條只是將鏈板根據(jù)不同的需求做了不同的改動(dòng)，有的在鏈板上裝上刮板，有的在鏈板上裝上導(dǎo)向軸承，還有的在鏈板上裝了滾輪等等，這些都是為了應(yīng)用在不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行的改裝。一定條件下，節(jié)距越大，鏈傳動(dòng)承載能力越強(qiáng)，但節(jié)距越大，鏈傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)越嚴(yán)重，動(dòng)載荷、沖擊、振動(dòng)越嚴(yán)重。所以，為使鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)，盡量取小節(jié)距的單排鏈。工作情況系數(shù)的選取結(jié)果見(jiàn)表4-1。 表4-1 工作情況系數(shù)ka 工作特性 平穩(wěn)傳動(dòng)（如電動(dòng)機(jī)汽輪機(jī)，裝有液力耦合器的內(nèi)燃機(jī)） 輕微沖擊（如六缸或六缸以上內(nèi)燃機(jī)裝機(jī)械式聯(lián)軸器） 中等沖擊（如六缸或六缸以下內(nèi)燃機(jī)裝機(jī)械式聯(lián)軸器） 平穩(wěn)運(yùn)動(dòng) 1.0 1.1 1.3 中等運(yùn)動(dòng) 1.4 1.5 1.7 嚴(yán)重沖擊 1.8 1.9 2.1 故取工作情況系數(shù)A K =1.0 若傳動(dòng)速度高，傳遞的功率大；或傳動(dòng)中心距小，傳動(dòng)比大，取小節(jié)距的多排鏈。若傳動(dòng)中心距大而傳動(dòng)比小，取大節(jié)距的單排鏈。主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)的選取結(jié)果見(jiàn)表圖1 鏈排數(shù)的選取見(jiàn)表4-2。 表4-2 排數(shù)系數(shù) 排數(shù) 1 2 3 4 Km 1 1.75 2.5 3.3 綜上所述：初定型號(hào) 525，節(jié)距 p=15.875mm 的單排鏈。 鏈輪分度圓直徑與齒頂圓直徑的計(jì)算 由公式（4-2） ： （4-2） 得到 =232.6266mm，則取232mm 由公式（4-3） ： （4-3） 得到=240.6568mm，則取240mm 由公式（4-4） ： （4-4） 得到 =76.354mm，則 取76 mm 由公式（4-5） ： （4-5） 得到 =83.258 mm，則取83 mm 根據(jù)大鏈輪的齒數(shù) 、分度圓直徑與齒頂圓直徑 ，設(shè)計(jì)的鏈輪如圖4-1 圖4-1 鏈輪設(shè)計(jì)圖 中心距a小，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，但a太小，鏈條總長(zhǎng)太短，單位時(shí)間里每一鏈節(jié)參與嚙合次數(shù)過(guò)多，加劇鏈的磨損和疲勞。a 過(guò)大，承載好，但鏈條長(zhǎng)，橫向振動(dòng)大。一般 a=(30～50)p,a0max=80p（張緊或托板），中心距不可調(diào)時(shí)，amax≈30p。 綜上所述：初定 a=30p=476.25 mm。 1、鏈節(jié)數(shù)Lp的計(jì)算 由公式（4-6）： （4-6） 式中：p—鏈條長(zhǎng)度 —鏈輪中心距 代入式（4.6）得到=83.756。由于Lp 需要取整，且最好取偶數(shù)。即 Lp=84 鏈節(jié)距p的計(jì)算 首先需要確定系數(shù)主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)，，。 查《機(jī)械手冊(cè)》表得到小鏈輪齒數(shù)系數(shù)=1.34； 查《機(jī)械手冊(cè)》表得=1.09。 選單排鏈，查表得=1.0。 所需傳遞的額定功率為 根據(jù)所得到的最大傳遞功率要求，查閱資料，選擇滾子鏈型號(hào)為525，鏈節(jié)距p=15.875mm。 2、中心距的確定 由于公式（4-7）： （4-7） 式中： p—鏈條長(zhǎng)度 —鏈輪中心距 —鏈節(jié)數(shù) 代入式（4-7）得到 a=250.35 mm，取250mm 3、小鏈輪輪包角的計(jì)算 由公式（4-8）： （4-8） 式中： —鏈輪分度圓直徑 —齒頂圓直徑鏈輪 —鏈輪中心距 代入式（4-8）得到鏈輪包角144.15° §4.4 差速器的設(shè)計(jì)與選擇 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)離合器、變速器、傳動(dòng)鏈，最后傳送到驅(qū)動(dòng)橋再左右分配給半軸驅(qū)動(dòng)車輪，在這條動(dòng)力傳送途徑上，驅(qū)動(dòng)橋是最后一個(gè)總成，它的主要部件是差速器和主減速器。差速器是驅(qū)動(dòng)轎的主件。普通差速器由行星齒輪、行星輪架（差速器殼）、半軸齒輪等零件組成。它的作用就是在向兩邊半軸傳遞動(dòng)力的同時(shí)，允許兩邊半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，滿足兩邊車輪盡可能以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。由于差速器允許車輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在泥濘等路面，當(dāng)一個(gè)車輪打滑時(shí)，動(dòng)力全部消耗在飛快轉(zhuǎn)動(dòng)的打滑車輪上了，其他車輪會(huì)失去動(dòng)力。通俗的話說(shuō)，差速器是讓車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)候內(nèi)外輪有輪速差用的，否則車輛轉(zhuǎn)彎就會(huì)困難，但是差速器在越野道路上就是幫倒忙的。 因此，在四驅(qū)車上，還需配有限制和防止打滑的裝置，如差速鎖、限滑差速器、牽引力控制系統(tǒng)等。 §4.4.1 差速器原理 差速器的這種調(diào)整是自動(dòng)的，這里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)。例如把一粒豆子放進(jìn)一個(gè)碗內(nèi)，豆子會(huì)自動(dòng)停留在碗底而絕不會(huì)停留在碗壁，因?yàn)橥氲资悄芰孔畹偷奈恢茫ㄎ荒埽?，它自?dòng)選擇靜止（動(dòng)能最?。┒粫?huì)不斷運(yùn)動(dòng)。同樣的道理，車輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)也會(huì)自動(dòng)趨向能耗最低的狀態(tài)，自動(dòng)地按照轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于外側(cè)輪有滑拖的現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)輪有滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然導(dǎo)致兩邊車輪的轉(zhuǎn)速不同，從而破壞了三者的平衡關(guān)系，并通過(guò)半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，使外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，從而實(shí)現(xiàn)兩邊車輪轉(zhuǎn)速的差異。 驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪若用一根整軸剛性連接，則兩輪只能以相同的角度旋轉(zhuǎn)。這樣，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，由于外側(cè)車輪要比內(nèi)側(cè)車輪移過(guò)的距離大，將使外側(cè)車輪在滾動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生滑拖，而內(nèi)側(cè)車輪在滾動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)。即使是汽車直線行駛，也會(huì)因路面不平或雖然路面平直但輪胎滾動(dòng)半徑不等（輪胎制造誤差、磨損不同、受載不均或氣壓不等）而引起車輪的滑動(dòng)。 車輪滑動(dòng)時(shí)不僅加劇輪胎磨損、增加功率和燃料消耗，還會(huì)使汽車轉(zhuǎn)向困難、制動(dòng)性能變差。為使車輪盡可能不發(fā)生滑動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上必須保證各車輪能以不同的角度轉(zhuǎn)動(dòng)。 §4.4.2 差速器的分類 現(xiàn)代汽車上的差速器通常按其工作特性分為齒輪式差速器和防滑差速器兩大類。 1、齒輪式差速器 當(dāng)左右驅(qū)動(dòng)輪存在轉(zhuǎn)速差時(shí)，差速器分配給慢轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩大于快轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩。這種差速器轉(zhuǎn)矩均分特性能滿足汽車在良好路面上正常行駛。但當(dāng)汽車在壞路上行駛時(shí)，卻嚴(yán)重影響通過(guò)能力。例如當(dāng)汽車的一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪陷入泥濘路面時(shí)，雖然另一驅(qū)動(dòng)輪在良好路面上，汽車卻往往不能前進(jìn)（俗稱打滑）。此時(shí)在泥濘路面上的驅(qū)動(dòng)輪原地滑轉(zhuǎn)，在良好路面上的車輪卻靜止不動(dòng)。這是因?yàn)樵谀酀袈访嫔系能囕喤c路面之間的附著力較小，路面只能通過(guò)此輪對(duì)半軸作用較小的反作用力矩，因此差速器分配給此輪的轉(zhuǎn)矩也較小，盡管另一驅(qū)動(dòng)輪與良好路面間的附著力較大，但因平均分配轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使這一驅(qū)動(dòng)輪也只能分到與滑轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪等量的轉(zhuǎn)矩，以致驅(qū)動(dòng)力不足以克服行駛阻力，汽車不能前進(jìn)，而動(dòng)力則消耗在滑轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪上。 圖4-2 防滑差速器 2、防滑差速器 為提高汽車在壞路上的通過(guò)能力，某些越野汽車及高級(jí)轎車上裝置防滑差速器。防滑差速器的特點(diǎn)是，當(dāng)一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪在壞路上滑轉(zhuǎn)時(shí)，能使大部分甚至全部轉(zhuǎn)矩傳給在良好路面上的驅(qū)動(dòng)輪，以充分利用這一驅(qū)動(dòng)輪的附著力來(lái)產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力，使汽車順利起步或繼續(xù)行駛。 圖4-3 德雷克斯勒LSD差速器 3、Torsen LSD差速器 說(shuō)起AWD轎車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)人們不能不想到奧迪Quattro，正是奧迪的大膽創(chuàng)新并義無(wú)反顧才使得越來(lái)越多的人們享受到AWD帶來(lái)的駕駛樂(lè)趣，而奧迪Quattro AWD的核心正是Torsen LSD差速器系統(tǒng)，誰(shuí)能想到電子部件橫行的今天它還保持著機(jī)械的清純。 圖4-4 托森差速器 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)離合器、變速器、傳動(dòng)鏈，最后傳送到驅(qū)動(dòng)橋再左右分配給半軸驅(qū)動(dòng)車輪，在這條動(dòng)力傳送途徑上，驅(qū)動(dòng)橋是最后一個(gè)總成，它的主要部件是差速器和主減速器。差速器是驅(qū)動(dòng)轎的主件。普通差速器由行星齒輪、行星輪架（差速器殼）、半軸齒輪等零件組成。它的作用就是在向兩邊半軸傳遞動(dòng)力的同時(shí)，允許兩邊半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，滿足兩邊車輪盡可能以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。 差速器的這種調(diào)整是自動(dòng)的，這里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物體都傾向于耗能最小的狀態(tài)。例如把一粒豆子放進(jìn)一個(gè)碗內(nèi)，豆子會(huì)自動(dòng)停留在碗底而絕不會(huì)停留在碗壁，因?yàn)橥氲资悄芰孔畹偷奈恢茫ㄎ荒埽?，它自?dòng)選擇靜止（動(dòng)能最?。┒粫?huì)不斷運(yùn)動(dòng)。同樣的道理，車輪在轉(zhuǎn)彎時(shí)也會(huì)自動(dòng)趨向能耗最低的狀態(tài)，自動(dòng)地按照轉(zhuǎn)彎半徑調(diào)整左右輪的轉(zhuǎn)速。 當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于外側(cè)輪有滑拖的現(xiàn)象，內(nèi)側(cè)輪有滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然導(dǎo)致兩邊車輪的轉(zhuǎn)速不同，從而破壞了三者的平衡關(guān)系，并通過(guò)半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，使外側(cè)半軸轉(zhuǎn)速加快，內(nèi)側(cè)半軸轉(zhuǎn)速減慢，從而實(shí)現(xiàn)兩邊車輪轉(zhuǎn)速的差異。 驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪若用一根整軸剛性連接，則兩輪只能以相同的角度旋轉(zhuǎn)。這樣，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，由于外側(cè)車輪要比內(nèi)側(cè)車輪移過(guò)的距離大，將使外側(cè)車輪在滾動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生滑拖，而內(nèi)側(cè)車輪在滾動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)。即使是汽車直線行駛，也會(huì)因路面不平或雖然路面平直但輪胎滾動(dòng)半徑不等（輪胎制造誤差、磨損不同、受載不均或氣壓不等）而引起車輪的滑動(dòng)。 車輪滑動(dòng)時(shí)不僅加劇輪胎磨損、增加功率和燃料消耗，還會(huì)使汽車轉(zhuǎn)向困難、制動(dòng)性能變差。為使車輪盡可能不發(fā)生滑動(dòng)，在結(jié)構(gòu)上必須保證各車輪能以不同的角度轉(zhuǎn)動(dòng) 現(xiàn)代汽車上的差速器通常按其工作特性分為齒輪式差速器和防滑差速器兩大類。 1、齒輪式差速器 當(dāng)左右驅(qū)動(dòng)輪存在轉(zhuǎn)速差時(shí)，差速器分配給慢轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩大于快轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩。這種差速器轉(zhuǎn)矩均分特性能滿足汽車在良好路面上正常行駛。但當(dāng)汽車在壞路上行駛時(shí)，卻嚴(yán)重影響通過(guò)能力。例如當(dāng)汽車的一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪陷入泥濘路面時(shí)，雖然另一驅(qū)動(dòng)輪在良好路面上，汽車卻往往不能前進(jìn)（俗稱打滑）。此時(shí)在泥濘路面上的驅(qū)動(dòng)輪原地滑轉(zhuǎn)，在良好路面上的車輪卻靜止不動(dòng)。這是因?yàn)樵谀酀袈访嫔系能囕喤c路面之間的附著力較小，路面只能通過(guò)此輪對(duì)半軸作用較小的反作用力矩，因此差速器分配給此輪的轉(zhuǎn)矩也較小，盡管另一驅(qū)動(dòng)輪與良好路面間的附著力較大，但因平均分配轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使這一驅(qū)動(dòng)輪也只能分到與滑轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪等量的轉(zhuǎn)矩，以致驅(qū)動(dòng)力不足以克駛阻力，汽車不能前進(jìn)，而動(dòng)力則消耗在滑轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪上。此時(shí)加大油門不僅不能使汽車前進(jìn)，反而浪費(fèi)燃油，加速機(jī)件磨損，尤其使輪胎磨損加劇。有效的解決辦法是：挖掉滑轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)輪下的稀泥或在此輪下墊干土、碎石、樹(shù)枝、干草等。 2、防滑差速器 為提高汽車在壞路上的通過(guò)能力，某些越野汽車及高級(jí)轎車上裝置防滑差速器。防滑差速器的特點(diǎn)是，當(dāng)一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪在壞路上滑轉(zhuǎn)時(shí)，能使大部分甚至全部轉(zhuǎn)矩傳給在良好路面上的驅(qū)動(dòng)輪，以充分利用這一驅(qū)動(dòng)輪的附著力來(lái)產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力，使汽車順利起步或繼續(xù)行駛。 3、Torsen LSD差速器 說(shuō)起AWD轎車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)人們不能不想到奧迪Quattro，正是奧迪的大膽創(chuàng)新并義無(wú)反顧才使得越來(lái)越多的人們享受到AWD帶來(lái)的駕駛樂(lè)趣，而奧迪Quattro AWD的核心正是Torsen LSD差速器系統(tǒng)，誰(shuí)能想到電子部件橫行的今天它還保持著機(jī)械的清純。 每輛汽車都要配備有差速器，我們知道普通差速器的作用：第一，它是一組減速齒輪，使從變速箱輸出的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為正常車速；第二，可以使左右驅(qū)動(dòng)輪速度不同，也就是在彎道時(shí)對(duì)里外車輪輸出不同的轉(zhuǎn)速以保持平衡。它的缺陷是在經(jīng)過(guò)濕滑路面時(shí)就會(huì)因打滑失去牽引力。而如果給差速器增加限滑功能就能滿足轎車在惡劣路面具有良好操控性的需求了，這就是限滑差速器(Limited Slip Differential，簡(jiǎn)稱LSD)。全輪驅(qū)動(dòng)轎車AWD系統(tǒng)的基本構(gòu)成是具有3個(gè)差速器，它們分別控制著前輪、后輪、前圖5-5 Torsen LSD差速器 每輛汽車都要配備有差速器，我們知道普通差速器的作用：第一，它是一組減速齒輪，使從變速箱輸出的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為正常車速；第二，可以使左右驅(qū)動(dòng)輪速度不同，也就是在彎道時(shí)對(duì)里外車輪輸出不同的轉(zhuǎn)速以保持平衡。它的缺陷是在經(jīng)過(guò)濕滑路面時(shí)就會(huì)因打滑失去牽引力。而如果給差速器增加限滑功能就能滿足轎車在惡劣路面具有良好操控性的需求了，這就是限滑差速器(Limited Slip Differential，簡(jiǎn)稱LSD)。全輪驅(qū)動(dòng)轎車AWD系統(tǒng)的基本構(gòu)成是具有3個(gè)差速器，它們分別控制著前輪、后輪、前后驅(qū)動(dòng)軸扭矩分配。這3個(gè)差速器不只是人們常見(jiàn)的簡(jiǎn)單差速器，它們是LSD差速器，帶有自鎖功能以保證在濕滑路面輪胎發(fā)生打滑時(shí)驅(qū)動(dòng)輪始終保持有充足的扭矩輸出從而在惡劣路況獲得良好的操控性能。 §4.4.3 方程式賽車的差速器結(jié)構(gòu)選擇 FSAE賽車是一款競(jìng)技娛樂(lè)型賽車，賽車行駛的在良好的路面上，車輪與賽道有良好的附著系數(shù)。但是這畢竟是賽車，該車上安裝的差速器不僅要起到單純的差速和傳力作用，還要具有一定的限滑功能。 汽車上廣泛采用的差速器為對(duì)稱錐齒輪式差速器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較小等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用廣泛。 此外還有摩擦片式差速器。其內(nèi)部具有一個(gè)可左右移動(dòng)的摩擦片，當(dāng)過(guò)彎離心力過(guò)大時(shí)，摩擦片被左右離心力向外側(cè)甩，使得摩擦片鎖緊，防止出彎時(shí)內(nèi)側(cè)車輪打滑。 托森差速器也具有限滑功能，他是利用蝸輪蝸桿的反向傳遞自鎖的功能產(chǎn)生限滑功能的，并且完全純機(jī)械式。 FSAE賽車設(shè)計(jì)中還要考慮輕量化，因此，重量較輕的的德雷克斯勒LSD差速器是眾多車隊(duì)向往購(gòu)買的一款差速器，但是其2175美元并且不包含一切軸承、萬(wàn)向節(jié)甚至半軸等東西的昂貴價(jià)格也讓這其中大部分車隊(duì)望而卻步！ 通過(guò)性價(jià)比的比較，以及我校現(xiàn)有的車隊(duì)資金水平來(lái)看，購(gòu)買這樣的差速器來(lái)說(shuō)還是不現(xiàn)實(shí)的。 因此在此次設(shè)計(jì)用，我們選擇性價(jià)更好的夏利車型開(kāi)式普通差速器，如圖。 圖4-5 夏利開(kāi)式普通差速器 §4.4.4 差速器選用說(shuō)明 目前差速器現(xiàn)有掌握的數(shù)據(jù)和眾多FSAE車隊(duì)選用情況統(tǒng)計(jì)來(lái)看，大部分車隊(duì)選用這種自由開(kāi)示差速器，并且絕大多數(shù)車隊(duì)選用奇瑞QQ，奧拓，五菱之光，夏利的汽車的差速器。這種車型有一個(gè)共同的特點(diǎn)，功率都在50~60kw，與此次設(shè)計(jì)的方程式賽車相差不多。由于CBR600屬于高轉(zhuǎn)速引擎，并且賽車競(jìng)速是車輪的旋轉(zhuǎn)速率都會(huì)較高，所承受的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該會(huì)小于原車設(shè)計(jì)的標(biāo)定參數(shù)。同時(shí)，鑒于量產(chǎn)車擁有較高的可靠度，因此，此次設(shè)計(jì)中使用的差速器理論上足以可靠并且可行。 §4.5 萬(wàn)向節(jié)的選擇 所謂萬(wàn)向節(jié)，指的是利用球型連接實(shí)現(xiàn)不同軸的動(dòng)力傳送的機(jī)械結(jié)構(gòu)，是汽車上有一個(gè)很重要的部件。萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸組合，稱為萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)裝置。在前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)的車輛上，萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)裝置安裝在變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋主減速器輸入軸之間；而前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的車輛省略了傳動(dòng)軸，萬(wàn)向節(jié)安裝在既負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)又負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的前橋半軸與車輪之間。 §4.5.1 萬(wàn)向節(jié)的工作原理 圖4-6 萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)圖 在汽車傳動(dòng)系及其它系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)一些軸線相交或相對(duì)位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動(dòng)力傳遞，必須采用萬(wàn)向傳動(dòng)裝置。萬(wàn)向傳動(dòng)裝置一般由萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸組成，有時(shí)還要有中間支承，主要用于以下一些位置： 1-萬(wàn)向節(jié)；2-傳動(dòng)軸；3-前傳動(dòng)軸；4-中間支承 發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車的變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間。當(dāng)變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)將傳動(dòng)軸分成兩段甚至多段，并加設(shè)中間支承。多軸驅(qū)動(dòng)的汽車的分動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)橋之間或驅(qū)動(dòng)橋與驅(qū)動(dòng)橋之間。由于車架的變形，會(huì)造成軸線間相互位置變化的兩傳動(dòng)部件之間。 如圖所示為在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間。 采用獨(dú)立懸架的汽車的與差速器之間。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)車橋的差速器與車輪之間。汽車的動(dòng)力輸出裝置和轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中。 §4.5.2 等速萬(wàn)向節(jié)的分類 由于賽車后部空間結(jié)構(gòu)比較緊張，運(yùn)轉(zhuǎn)速度較快，因此需要使用等速萬(wàn)向節(jié)。 等速萬(wàn)向節(jié)的種類如表6-1所示 表4-6 萬(wàn)向節(jié)的分類 類型 應(yīng)用分類 球籠式萬(wàn)向節(jié)（Rezppa） 三球銷式萬(wàn)向節(jié)（TJ） （中心固定型） 中心固定型等速萬(wàn)向節(jié) 可軸向移動(dòng)的球籠式萬(wàn)向節(jié)（DOJ） 三球銷萬(wàn)向節(jié)（TJ） （伸縮型） 十字槽萬(wàn)向節(jié) 伸縮型等速萬(wàn)向節(jié) 一、球籠式萬(wàn)向節(jié) 球籠式萬(wàn)向節(jié)是目前應(yīng)用最為廣泛的等速萬(wàn)向節(jié)。早期的Rzeppa型球籠式萬(wàn)向節(jié)是帶分度桿的，球形殼的內(nèi)表面和星形套的球表面上各有沿圓周均勻分布的六條同心的圓弧滾道，在它們之間裝有六個(gè)傳力鋼球，這些鋼球由球籠保持在同一平面內(nèi)。當(dāng)萬(wàn)向節(jié)兩軸之間的夾角變化時(shí)，靠比例合適的分度桿撥動(dòng)導(dǎo)向盤，并帶動(dòng)球籠使六個(gè)鋼球處于軸間夾角的平分面上。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)軸間夾角較小時(shí)，分度桿是必要的；當(dāng)軸間夾角大于11°時(shí)，僅靠球形殼和星形套上的子午滾道的交叉也可將鋼球定在正確位置。這種等速萬(wàn)向節(jié)無(wú)論轉(zhuǎn)動(dòng)方向如何，六個(gè)鋼球全都傳遞轉(zhuǎn)矩，它可在兩軸之間的夾角達(dá)35°～37°的情況下工作。 圖4-7 球籠式萬(wàn)向節(jié) 其中： 0：等速萬(wàn)向節(jié)工作角中心 A：星形套球道溝槽、 B：外套球道溝槽 P：球心 R：球道溝槽節(jié)圓半徑 E：滑移距離 二、三球銷萬(wàn)向節(jié)（定心）TJ 三腳架固定在三叉槽殼內(nèi)，裝在三銷架三個(gè)軸線的球環(huán)和叉狀軸形成工作角度的中心固定型等速萬(wàn)向節(jié)。 圖4-8 三球銷萬(wàn)向節(jié)（定心）TJ 三、十字槽型等速萬(wàn)向節(jié)（VL） 滾球由在內(nèi)、外圈直溝道交叉處具有外球面的保持架夾，軸向等角度相互轉(zhuǎn)動(dòng)的伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)。 圖4-9 十字槽型等速萬(wàn)向節(jié)（VL） 圖中： O:等速萬(wàn)向節(jié)工作角中心 P：球心 R：球道溝槽的節(jié)圓半徑 以上三種萬(wàn)向節(jié)是FSAE賽車中常用的，在此給予列舉，簡(jiǎn)述其原理。 §4.6 此次設(shè)計(jì)選用的萬(wàn)向節(jié)類型 圖4-10 球籠萬(wàn)向節(jié)Rzeppa+VL節(jié)總成 固定型球籠式萬(wàn)向節(jié)和伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié)被廣泛地應(yīng)用在具有獨(dú)立懸架的驅(qū)動(dòng)橋中，在靠近轉(zhuǎn)向輪一側(cè)采用固定型球籠式萬(wàn)向節(jié)，靠近差速器一側(cè)則采用伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié)，以補(bǔ)償由于前輪跳動(dòng)及載荷變化而引起的輪距變化。 本次設(shè)計(jì)采用夏利的內(nèi)球籠式萬(wàn)向節(jié)，靠近車輪為固定型球籠式萬(wàn)向節(jié)，靠近差速器為伸縮性球籠式萬(wàn)向節(jié)。該車型發(fā)動(dòng)機(jī)功率大于本次設(shè)計(jì)賽車功率，其變速比整體大于本賽變速比，故在半軸上傳遞的力矩大于本賽車的，故選用的萬(wàn)向節(jié)能滿足強(qiáng)度要求。 參考文獻(xiàn) [1] 郭竹亭編.汽車車身設(shè)計(jì).吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1992 [2] 李少波. 汽車車身計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析.［碩士論文］.貴陽(yáng)：貴州工業(yè)大學(xué),1999 [3] 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