FSAE方程式賽車傳動系統(tǒng)的仿真設(shè)計與優(yōu)化

白 蘭，段云龍，楊憲軍，高 建

(大連民族學院機電信息工程學院，遼寧大連116605)

FSAE賽事于1980年初在美國舉辦第一次比賽，目前已經(jīng)是為汽車工程學會的學生成員舉辦的一項國際賽事，其目的是設(shè)計和制造出一輛小型的高性能方程式賽車，并且使用這輛自行設(shè)計、制造的賽車參加比賽。涉及的內(nèi)容主要包括Formula SAE賽車的發(fā)動機系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車架、車身和制動系統(tǒng)及安全系統(tǒng)等［1］。

目前對賽車末級傳動比和差速器固定裝置的研究文獻很少，本文結(jié)合其他賽車的制作經(jīng)驗，以大連民族學院民族之魂二號車為載體，按照發(fā)動機參數(shù)和賽手測試結(jié)果，設(shè)計并優(yōu)化了賽車傳動部分的末級傳動比。此外，本文還利用ansys軟件和實際測試效果，仿真并優(yōu)化了差速器固定裝置［2］。

1 末級傳動比的優(yōu)化

1.1 初級計算［3］

由于賽道的原因，發(fā)動機的6個檔位一般只能用到3檔，設(shè)計賽車的最大速度在3檔，此時賽車速度能達到110 km·h-1。根據(jù)賽車規(guī)定，限流之后發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)速nt為11 000 r·min-1，變速箱的初級減速比iLB為1.974 1，3擋的減速比ig為1.714。賽車選擇的輪胎是Hoosier輪胎，外徑d為510 mm。賽車在110 km·h-1時發(fā)動機的末級傳動比為

1.2 實際測試［6］

(1)賽車戶外實際跑動，跑動全程中motec記錄的發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速(如圖1)。

圖1 motec記錄常用轉(zhuǎn)速圖(優(yōu)化前)

(2)在實驗室中，將整車抬上底盤測功機，測出其外特性曲線，(如圖2)。

圖2 發(fā)動機外特性曲線

根據(jù)以上測試結(jié)果得出結(jié)論:根據(jù)初級計算的傳動比，實際車手使用的轉(zhuǎn)速為5 000～7 000 rap·min-1，但這個轉(zhuǎn)速之下發(fā)動機的扭矩不是最佳狀態(tài)，發(fā)動機最佳扭矩的轉(zhuǎn)速為8 500 rap·min-1左右。

1.3 末級傳動比的優(yōu)化

根據(jù)發(fā)動機準確的外特性曲線和賽車整體參數(shù)，在速度為104.2 km·h-1時，最大轉(zhuǎn)速為11 975 r·min-1，得

優(yōu)化后測試得到發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速如圖3。

根據(jù)以上測試圖得出結(jié)論:優(yōu)化后賽手使用發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速為8 000～9 500 rap·min-1，再根據(jù)發(fā)動機外特性曲線，該轉(zhuǎn)速下發(fā)動機扭矩處于最佳狀態(tài)，將發(fā)動機性能完全發(fā)揮［1］。

圖3 motec記錄常用轉(zhuǎn)速圖(優(yōu)化后)

2 差速器固定裝置的優(yōu)化

2.1 軟件建模

根據(jù)車架尾部結(jié)構(gòu)，確定固定裝置的連接方式。根據(jù)懸架點和鏈輪中心距，確定其整體基本尺寸。由差速器軸的基本尺寸確定軸承型號，以此確定固定裝置軸承孔的尺寸。綜合以上因素，利用CATIA軟件建模，設(shè)計出其三維圖。

2.2 仿真及優(yōu)化［4］

將CATIA建立的模型導入ansys軟件中。依照賽車輕量化的理念，在選材上選用了物理屬性較優(yōu)的7075鋁合金，將7075鋁合金的物理屬性定義到ansys軟件中，對其劃分網(wǎng)格。

(1)施加約束和載荷

圖4 靜態(tài)載荷

圖5 約束和載荷

(2)求解和優(yōu)化

根據(jù)實際分析需求和優(yōu)化需求，計算得到位移圖、位移曲線(如圖6)、應(yīng)力圖、應(yīng)力曲線(如圖7)、模態(tài)圖(如圖8)。通過對位移圖的分析，看最大位移的數(shù)值是否滿足實際所需特性;通過對應(yīng)力圖的分析，判斷強度是否能達到使用強度。通過模態(tài)圖的分析，看出差速器固定裝置的振動情況。

圖6 位移圖、位移曲線

圖7 應(yīng)力圖、應(yīng)力曲線

圖8 模態(tài)圖

根據(jù)以上圖可以得出結(jié)論:最大位移處為軸承空邊沿位置，最大位移值為0.001 239 9 mm，該數(shù)值在實際工件上對實際使用沒有影響，其他位置的位移幾乎可以忽略不計。最大應(yīng)力出現(xiàn)在差速器固定裝置螺栓孔的位置，最大應(yīng)力為2.943 4 MPa，最大應(yīng)力處能滿足材料的強度要求。由模態(tài)圖可以看出該結(jié)構(gòu)的裝置在實際運動中的振動情況，根據(jù)振動的方向來改進裝置的構(gòu)造和連接［4-6］。

3 結(jié)語

(1)通過初級計算確定，設(shè)計出初級的傳動比。利用發(fā)動機motec記錄技術(shù)測試出實際發(fā)動機使用的常用轉(zhuǎn)速，通過臺架實驗測出發(fā)動機的外特性曲線，對比外特性曲線和實際測量數(shù)值之間的差異，分析結(jié)果。由準確的發(fā)動機參數(shù)和整車參數(shù)計算出最終傳動比，實際測試在該傳動比下發(fā)動機常用的轉(zhuǎn)速，得出最終結(jié)果。優(yōu)化結(jié)果表明末級傳動比的優(yōu)化對提高賽車的加速性能有著重要的意義。

(2)基于ansys虛擬技術(shù)，對大連民族學院民族之魂二號賽車傳動部分差速器固定裝置進行了模型建立，材料屬性定義，網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷，計算求解，得到該裝置的位移圖、位移曲線、應(yīng)力圖、應(yīng)力曲線和模態(tài)圖，從而確定最終的結(jié)構(gòu)。

［1］向鐵明，任恒山，朱易銘.賽車轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計方法——廈門理工學院28號FSAE賽車轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計［J］.廈門理工學院學報，2009，17(4):48-50.

［2］姚漢波，唐應(yīng)時，王煥美，等.FSAE方程式賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化［J］.計算機仿真，2011，28(4):349-352.

［3］吳健瑜，羅玉濤，黃向東.FSAE賽車雙橫臂懸架優(yōu)化設(shè)計［J］.機械設(shè)計與制造，2011(10):120-122.

［4］周永光，陽林，吳發(fā)亮.FSAE賽車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50(11):37-41.

［5］于國飛，黃紅武，吳俊輝.基于有限元的FSAE賽車車架的強度及剛度計算與分析［J］.廈門理工學院學報，2009，17(4):29-32.

［6］楊林，吳志成，倪俊.面向FSAE競賽的某賽車動力學仿真及試驗驗證［J］.北京理工大學學報，2012(11):1121-1124.