F S A E賽車傳動系的設(shè)計與分析

董清泉

(青島大學(xué) 車輛工程系，山東 青島 266071)

0 引言

汽車傳動系統(tǒng)是位于發(fā)動機(jī)和驅(qū)動車輪之間的動力傳動裝置，其作用是將發(fā)動機(jī)發(fā)出的動力傳給驅(qū)動車輪。傳動系統(tǒng)的首要任務(wù)是與發(fā)動機(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)動力與車速，并使汽車具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。為此，任何形式的傳動系統(tǒng)都必須具有：實(shí)現(xiàn)減速增扭；實(shí)現(xiàn)汽車變速；實(shí)現(xiàn)汽車倒車；必要時中斷傳動系統(tǒng)的動力傳遞；應(yīng)使兩側(cè)驅(qū)動車輪具有差速作用，差速器使左右兩驅(qū)動輪可以以不同的角速度旋轉(zhuǎn)。

此外，由于發(fā)動機(jī)、離合器和變速器固定在車架上，而驅(qū)動橋和驅(qū)動輪一般是通過彈性懸架與車架聯(lián)系的，因此在汽車行駛過程中，變速器與驅(qū)動輪之間有相對運(yùn)動。在此情下，兩者之間不能用簡單的整體傳動軸傳動，應(yīng)采用由萬向節(jié)和傳動軸組成的萬向傳動裝置[2]。汽車傳動系統(tǒng)的組成及其在汽車上的布置形式，取決于發(fā)動機(jī)的形式和性能、汽車總體結(jié)構(gòu)形式、汽車行駛系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)形式等許多因素。賽車一般采用發(fā)動機(jī)中置后輪驅(qū)動的MR方案。MR方案是將發(fā)動機(jī)置于駕駛室后面的汽車中部，后輪驅(qū)動。該方案布置有利于實(shí)現(xiàn)前、后軸的軸荷分配。MR方案中發(fā)動機(jī)發(fā)出的動力經(jīng)過離合器、變速器、由萬向節(jié)和傳動軸組成的萬向傳動裝置以及安裝在驅(qū)動橋的主減速器、差速器和半軸，最后傳到 驅(qū)動車輪。

1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

經(jīng)過車隊(duì)仔細(xì)的考慮和商榷，最后決定用雅馬哈R6的發(fā)動機(jī)。由于發(fā)動機(jī)尺寸比較大，而車架的布置空間有限，因此，發(fā)動機(jī)和傳動的布置對賽車動力系統(tǒng)有很大的影響。通過考慮比較后，采用發(fā)動機(jī)總成橫置，傳動系統(tǒng)為鏈傳動。

1.1 差速器的確定

差速器是驅(qū)動轎的主件。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，其作用是向兩邊半軸傳遞動力的同時，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的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦[3]。

差速器的設(shè)計要求滿足：（左半軸轉(zhuǎn)速）+（右半軸轉(zhuǎn)速）=2（行星輪架轉(zhuǎn)速）。當(dāng)汽車直行時，左、右車輪與行星輪架三者的轉(zhuǎn)速相等處于平衡狀態(tài)，而在汽車轉(zhuǎn)彎時三者平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)速減小，外側(cè)輪轉(zhuǎn)速增加。差速器有多種形式，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，我們最終選用沙灘車的限滑差速器。

1.2 主減速器

主減速器是系統(tǒng)中減小轉(zhuǎn)速、增大扭矩的主要部件。對發(fā)動機(jī)縱置的汽車來說，主減速器還利用錐齒輪傳動以改變動力方向。賽車正常行駛時，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速通常在7000至12000r/min左右，如果將這么高的轉(zhuǎn)速只靠變速箱來降低下來，那么變速箱內(nèi)齒輪副的傳動比則需很大，而齒輪副的傳動比越大，兩齒輪的半徑比也越大。所以，在動力向左右驅(qū)動輪分流的差速器之前設(shè)置一個主減速器，可使主減速器前面的傳動部件如變速箱、分動器、萬向傳動裝置等傳遞的扭矩減小，也可以使變速箱的尺寸、質(zhì)量減小，操縱省力。我們采用的是鏈傳動，通過鏈傳動來實(shí)現(xiàn)降速增扭的目的。本設(shè)計采用的主減速器如圖1。

1.3 主減速比的優(yōu)化設(shè)計

通過計算出合適的傳動比來保證賽車具有良好的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 主減速器

1.3.1 計算的相關(guān)參數(shù)

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

表2 YZF—R6外特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)

整車部分參數(shù):滿載質(zhì)量(kg)：320kg；輪胎對地面的附著系數(shù)：1.25；迎風(fēng)面積：0.75m2；滾阻系數(shù)：0.014；空氣阻力系數(shù)：0.667；初級減速比：2.073；主級減速比：未知；變速比 1st：2.846；2nd：1.947；3rd：1.556；4th：1.333；5th：1.190；6th：1.083

1.3.2 最高車速與功率的關(guān)系及外特性曲線的繪制

最高車速是汽車動力性的評價指標(biāo)之一。最高車速是指汽車滿載時在水平良好的路面上所能達(dá)到的最高行駛速度。基于汽車行駛方程式，列出功率與車速的關(guān)系，繪制功率車速曲線，以求初步擬定最高車速。在正常直線勻速行駛狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)最高功率Pemax（kW）與最高車速vmax（km/h）之間存在如下關(guān)系：

式中，η——傳動系的傳動效率，考慮到軸傳動，且加工精度上的誤差，取0.89；m——賽車總質(zhì)量，320kg；f——滾動阻力系數(shù)，考慮到最高車速，取f=0.0165+0.0001(v-50)；CD——空氣阻力系數(shù)，根據(jù)設(shè)計情況，取0.667；A——賽車正面投影面積，估算取0.75m2。

Pemax應(yīng)為發(fā)動機(jī)在裝有全部附件下測定時得到的最高有效功率或凈輸出功率，應(yīng)比發(fā)動機(jī)外特性曲線的最高功率值低，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣要經(jīng)過限流，所以取Pemax=50.1kW。運(yùn)用Matlab軟件根據(jù)式（1）繪制出圖2，表示發(fā)動機(jī)最高功率Pemax(kW)與最高速Vmax(km/h)之間的關(guān)系。并用MATLAB繪制出其外特性曲線如圖3。

節(jié)氣門全開或高壓油泵在最大供油位置時的速度特性稱為發(fā)動機(jī)的外特性，發(fā)動機(jī)的外特性表示發(fā)動機(jī)所能達(dá)到的最高性能[4]。從外特性曲線上可以體現(xiàn)出發(fā)動機(jī)的最大功率、最大轉(zhuǎn)矩及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)值。根據(jù)發(fā)動機(jī)的外特性曲線，進(jìn)行下面的優(yōu)化分析，確定最終的主減速比和最高車速。

圖2 最高車速與功率的關(guān)系

圖3 發(fā)動機(jī)外特性曲線

圖4 MATLAB運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的YZF-R6發(fā)動機(jī)功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系近似畫出外特性曲線，如圖2。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率和扭矩也在增加，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到14000r/min時，功率近似達(dá)到最大值50.1kW，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到12000r/min時，扭矩最大值接近53.2N·m。1.3.3 動力性計算

汽車的動力性指汽車在良好路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的、所能達(dá)的平均行駛速度[5]。運(yùn)輸效率之高低在很大程度上取決于汽車的動力性，所以動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能。

驅(qū)動力計算公式：Ft=Tq×iq×i0×η/r （2）

式中：Tq—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）；ig—變速器傳動比；i0—主減速器傳動比；η—傳動效率；r為滾動半徑(m).

汽車行駛速度公式（在驅(qū)動輪不打滑的情況下）：

ua=0.377r×n/(ig*i0)（3）

式中：ua—汽車行駛速度（km/h）；n—發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；

滾動阻力系數(shù)公式：f=0.014×(1+ua2/19440) （4）

空氣阻力公式：FW=CD×A×ua2/21.15 （5）

式中，F(xiàn)w——空氣阻力；A—迎風(fēng)面積；CD—空氣阻力系數(shù).

滾動阻力公式：Ff＝Gf

式中：G—整備質(zhì)量或滿載質(zhì)量；

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，主減速比的取值通常在3.0～3.5之間，考慮到賽車的發(fā)動機(jī)和參賽的實(shí)際情況，通過計算分析，決定采用3.5的主減速比。

2 計算過程及結(jié)果

利用matlab軟件程序進(jìn)行運(yùn)算[6-8]，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

由圖可得，各檔的最高車速為：一檔 76.924km/h、二檔 113.15km/h、三檔 141.59km/h、四檔 165.27km/h、五檔 185.14km/h、六檔203.42km/h。最后在主減速比i0=3.5的情況下，計算出的75m加速時間為4.356s，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

通過分析計算，設(shè)計出了傳動系的參數(shù)，并用MATLAB仿真出了其外特性曲線，為制造出后的實(shí)測數(shù)據(jù)提供了對比依據(jù)。為制造參賽的FSAE方程式賽車提供了理論技術(shù)支持和實(shí)際制造的指導(dǎo)作用。

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