電動方程式賽車傳動系統(tǒng)設(shè)計與試制＊

吳優(yōu)，李熠帆，馮理

（武漢華夏理工學(xué)院，湖北 武漢 430223）

引言

節(jié)能環(huán)保一直都是國內(nèi)近幾年的主流，針對這種需求汽車界也緊跟時代潮流大力發(fā)展新型能源汽車。其中電動汽車的發(fā)展尤為突出，并以蔚來汽車為代表。隨著蔚來汽車的影響力不斷加大，它獨家冠名的中國大學(xué)生電動方程式大賽也得到了越來越多高校的踴躍參與和社會關(guān)注[1]。因此為了更快和國際接軌，各大高校在規(guī)則允許范圍不斷的優(yōu)化自家的傳動系，形成了圍繞主流設(shè)計的各種方案。

針對賽事技術(shù)要求，本文展開了純電動FSEC 賽車傳動系統(tǒng)的研究工作，對賽車傳動系統(tǒng)進行匹配設(shè)計，并用MATLAB 編程軟件進行模擬仿真。最終在滿足空間布置上完成了傳動系統(tǒng)的布置。

1 傳動比的選取

1.1 按最高車速計算

根據(jù)賽事相關(guān)規(guī)定，確定賽車的最高車速為110km/h，求得其傳動比應(yīng)滿足公式（1）的要求。

式中：u——行駛的最高車速，單位為km/h；r——車輪半徑，取值為0.24765m；n——電機的最高轉(zhuǎn)速，取值為9000r/min；i——傳動比。

1.2 按加速能力計算

為保證賽車的直線加速性能，要求賽車0-75m 的加速時間小于3.5s。由此求得最大加速度a≥12.24m/s2，因此：

式中：

F1--加速阻力，單位為N；F2--滾動阻力，單位為N；F3--空氣阻力，單位為N；Δ--旋轉(zhuǎn)質(zhì)暈換算系數(shù)，取值為1.04；a--賽車的加速度，單位為m/s2.

此處，車速取110km/h，電機轉(zhuǎn)矩取220N*m，因此可計算得i≥5.7039。

1.3 傳動比的確定

經(jīng)過計算，可確定傳動比的范圍為：5.7039≤i≤7.6388

首先從理論上進行驗證傳動比范圍的可行性：

1.3.1 從輪胎附著力確定傳動比

輪胎在運動狀態(tài)時有：

式中：

Ft—驅(qū)動力，單位為N；K1—軸荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，此賽車取值為1.1612；G1—前軸負(fù)荷，單位為kg；G2—后軸負(fù)荷，單位為kg；F2—滾動阻力，單位為N；Tmax—驅(qū)動力矩，單位為N*m。

代入數(shù)值求得：Tmax=441.1865

且電機輸入轉(zhuǎn)矩To與輸入車輪的扭矩T 的關(guān)系式為：

將傳動比范圍代入式（7）中，得電機輸出扭矩范圍64.1733≤To≤85.9424，滿足所選電機要求。

1.3.2 仿真分析

圖1 i=7.6 的功率平衡圖

利用MATLAB 仿真軟件對傳動系參數(shù)進行模擬仿真，通過分析對比不同傳動比下的0-75m 直線加速時間，當(dāng)傳動比為7.6 時，整車耗時最短，符合設(shè)計目標(biāo)，故傳動比初步取值為7.6。

1.4 二級傳動比的確定

由于上述的傳動比較大，在結(jié)合車架后倉的布置空間，通過計算不同傳動方式下的中心距，最終采用二級斜齒輪減速箱，以達到傳動系統(tǒng)的設(shè)計需求[2]。

對于二級斜齒輪減速箱，確保各級傳動的承載能力近似相等，保證各級傳動的大齒輪浸入油中的深度大致相等，通過計算確定傳動系一級傳動比i1=52/25,二級傳動比i2=72/19，故最終傳動比為i=7.882（略大于7.6），從整體來看，系統(tǒng)傳動比在誤差允許范圍內(nèi)。

2 傳動部件設(shè)計

2.1 減速箱總成

由于減速箱的斜齒輪是選用的現(xiàn)有零件，所以在此只進行建模分析，與之匹配設(shè)計的殼體同理。

圖2 中間齒輪總成應(yīng)力受力云圖

由圖可知其最大應(yīng)力為6.7MPa，小于屈服強度785MPa，滿足設(shè)計要求。

圖3 減速箱中間殼體應(yīng)力受力云圖

由圖可知其最大應(yīng)力14.97MPa，小于屈服強度482MPa，滿足設(shè)計要求。

2.2 差速器

沿用去年的cusco 限滑差速器，但是為了匹配減速箱的設(shè)計，重新設(shè)計了差速器外殼。

圖4 差速器零部件圖

2.3 萬向節(jié)

由于三球銷結(jié)構(gòu)緊湊，零件精密，同時它又承載著把差速器的動力輸入到半軸上的任務(wù)，故選用的是三球銷萬向節(jié)[3]。本著輕量化的原則，根據(jù)三球銷的尺寸重新匹配設(shè)計了球籠。

2.4 半軸

基于系統(tǒng)輕量化設(shè)計的需求，選用了質(zhì)量更輕的鈦合金半軸，同時在滿足強度及剛度的要求下盡量減少直徑。同時考慮到總布置時半軸長短不一，影響系統(tǒng)的傳動夾角，為此多次修改尺寸并反復(fù)校核[4]。

3 傳動系統(tǒng)布置

圖5 傳動系統(tǒng)總布置圖

首先，差速器與二級大齒輪相連接，并將它與一級小齒輪和中間齒輪總成放入減速箱上對應(yīng)的軸承位上，用螺栓將減速箱殼體鎖緊。其次，將減速箱上的法蘭與電機緊密貼合，并用螺栓連接，采取機械防松措施。然后，把球籠插入對應(yīng)的差速器鍵槽內(nèi)。最后，把半軸連同三球銷放入球籠內(nèi)。傳動系統(tǒng)總布置如圖5 所示。

4 結(jié)論

通過本賽季的設(shè)計經(jīng)驗以及后期的試制得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)設(shè)計要求，以賽車的最高車速和加速能力確定傳動比范圍。

（2）根據(jù)仿真軟件模擬和后倉布置空間，以及齒輪傳動特點，確定最終傳動比大小。

（3）根據(jù)選取傳動方式，完成了減速箱，萬向節(jié)，半軸，差速器等傳動部件的選型及布置。