基于巴哈賽車雙速式減速器的研究及設(shè)計

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

中國于2015 年引進(jìn)美國的巴哈大賽，隨著中國大學(xué)生巴哈大賽知名度的提高，越來越多的車隊開始關(guān)注巴哈大賽。中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽是由中國汽車工程學(xué)會舉辦，由高等院校職業(yè)院校汽車或相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊后參加的越野汽車設(shè)計制造和檢測的比賽。以培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才為核心的競賽平臺，可以使參賽學(xué)生進(jìn)一步掌握汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計。減速器是巴哈賽車的動力輸出終端，是巴哈賽車重要的傳動部件。參賽車隊可以選擇自主設(shè)計，也可以選擇向外購買。由于比賽普通場地的極端情況分為干燥的砂石路面與有過百毫米積水的泥濘路面，而這兩種路況的出現(xiàn)無法進(jìn)行預(yù)測，導(dǎo)致即使絕大部分的巴哈賽車使用的是無級變速器+主減速器的傳動系統(tǒng)，但其變速能力仍舊無法滿足賽車的行駛需求。

1 國內(nèi)外巴哈車隊減速器研究水平

國外的巴哈賽場上沒有出現(xiàn)雙速減速器的設(shè)計，在這方面的研究為空白。國內(nèi)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）、吉林大學(xué)、重慶理工大學(xué)、廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院、湖北汽車工業(yè)學(xué)院等十余所高校在巴哈賽車主減速器的多檔位方面有深入的研究并進(jìn)行了相關(guān)的實驗。

2 雙速式減速器的優(yōu)點(diǎn)

雙速式減速器的兩個擋位可以在選取傳動比時，高速擋更多地根據(jù)砂石路況下的較小的傳動比選取，從而在耐力賽以及單圈計時取得更好的成績，而低速檔的選取可以照顧到牽引賽事以及泥濘路況，同樣能夠提高比賽成績。通過在AVL-cruise 中建立整車動力系統(tǒng)模型，能夠快速獲得選取的不同傳動比對賽車整體性能的影響，極大地節(jié)省物力人力的成本，通過正交實驗法，能夠有效選取需要進(jìn)行試驗的傳動比，減少運(yùn)算量，獲得優(yōu)化的傳動比，增強(qiáng)加速性能和爬坡性能。

3 雙速式減速器的設(shè)計

3.1 減速器構(gòu)造

本雙速式減速器采用同步器進(jìn)行換擋，同步器換擋能夠使減速器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中平滑順暢地進(jìn)行擋位切換，減少齒輪磨損，相較于序列式換擋，顯著延長齒輪壽命；殼體設(shè)計方面，增加油窗，方便隨時觀察減速器內(nèi)部潤滑油情況。材料選型方面，殼體采用7050 鋁數(shù)控加工，齒輪及軸采用加工性能及抗疲勞性能優(yōu)良的20CrMnTi 滲碳鋼，并進(jìn)行離子氮化處理，提高材料表面硬度，使輪齒具有較高的耐磨抗蝕能力和疲勞強(qiáng)度。

雙速式減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙速式減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.2 減速器設(shè)計步驟

3.2.1 動力性參數(shù)的匹配

確定巴哈賽車的發(fā)動機(jī)的輸出扭矩、整車預(yù)期質(zhì)量、車輪的半徑、CVT 的傳動比范圍等整車基本參數(shù)，同時根據(jù)比賽要求初步設(shè)定整車的動力性指標(biāo)，如最高車速、最大爬坡度。根據(jù)這些基本參數(shù)和極端比賽路況下最大最小傳動比的計算公式得出整車的兩個傳動比范圍，從而得到合適的減速比。

3.2.2 Optimum 仿真

運(yùn)用Optimum Lap 搭建晴天和雨天的極限工況賽道，輸入整車基本參數(shù)，巴哈基本基本參數(shù)如表1 所示。將傳動比設(shè)為掃描參數(shù)，用高速擋傳動比范圍進(jìn)行晴天賽道的仿真，用低速擋傳動比范圍進(jìn)行雨天賽道的仿真，分別得到高速擋和低速擋的最佳傳動比。

表1 巴哈基本基本參數(shù)表

3.2.3 AVL-cruise 優(yōu)化

在AVL-cruise 中建立整車模型。在傳動模塊中分別輸入高速擋、低速擋傳動比進(jìn)行動力性仿真。根據(jù)仿真結(jié)果與優(yōu)化前的進(jìn)行對比，確定賽車動力性能得到優(yōu)化。

3.2.4 減速器三維模型的建立

初步選定校核減速比后進(jìn)而對齒輪參數(shù)進(jìn)行選擇，合理分配減速器的傳動比，根據(jù)齒輪大致尺寸以及巴哈賽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計出合適的減速器傳動軸和減速器外殼。運(yùn)用CATIA 軟件將減速器各個部分進(jìn)行建模裝配，組成一個整體三維模型，雙速式減速器三維模型如圖2 所示。

圖2 雙速式減速器三維模型圖

3.2.5 ANSYS 分析

結(jié)合ANSYS 軟件對各個部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。運(yùn)用機(jī)械設(shè)計的知識對減速器中的軸、齒輪、齒輪軸、軸承進(jìn)行強(qiáng)度校核與計算分析，再利用ANSYS 軟件分析在減速器工作的狀況下，殼體、軸以及齒輪的強(qiáng)度是否達(dá)到要求，得出其受力分布云圖和變形量分布云圖，對有問題的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，ANSYS 仿真分析如圖3 所示。

3.2.6 實車數(shù)據(jù)采集

將加工制作出來的減速器安裝到巴哈賽車的實驗車上，運(yùn)用P-box 儀器，在電腦上可以得到多組數(shù)據(jù)，包括速度、加速度在不同時間的變化，根據(jù)這些數(shù)據(jù)與優(yōu)化前數(shù)據(jù)的對比，能夠直觀地看到傳動比優(yōu)化對動力表現(xiàn)的影響，驗證仿真結(jié)果。

圖3 ANSYS 仿真分析應(yīng)力圖

4 結(jié)束語

巴哈大賽是以培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才為核心的競賽平臺，可以使參賽學(xué)生進(jìn)一步掌握汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究制作減速器能夠使學(xué)生對減速器的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)有更深刻的了解，熟悉其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也是優(yōu)化換擋時機(jī)的必要環(huán)節(jié)。截至2018 賽季巴哈大賽襄陽站結(jié)束時，僅有哈爾濱工業(yè)大學(xué)巴哈車隊能夠做到在行駛中進(jìn)行換擋，其他車隊仍然處于嘗試中，在2018年的研究中，采用的單擋減速器綜合考慮了兩種天氣情況，選擇了較為居中的傳動比，這也導(dǎo)致賽車的極限速度以及最大牽引力無法同時達(dá)到第一梯度的水平。因此，設(shè)計中的雙速式減速器能夠讓武漢理工大學(xué)巴哈車隊的成績迅速提高，后來居上，打破傳統(tǒng)強(qiáng)隊的壟斷。雙速式減速器的兩個擋位可以在選取傳動比時，高速擋更多地根據(jù)砂石路況下的較小的傳動比選取，從而在耐力賽以及單圈計時取得更好的成績，而低速檔的選取可以照顧到牽引賽事以及泥濘路況，同樣能夠提高比賽成績。通過在AVL-cruise 中建立整車動力系統(tǒng)模型，能夠快速獲得選取的不同傳動比對賽車整體性能的影響，極大地節(jié)省物力人力的成本，通過正交實驗法，能夠有效選取需要進(jìn)行試驗的傳動比，節(jié)省運(yùn)算量，獲得優(yōu)化的傳動比，增強(qiáng)加速性能和爬坡性能。