Baja賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

趙海洋 駱佼

摘要：在校期間有幸接觸到Baja賽車，本次創(chuàng)新是在已有傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過融入更加創(chuàng)新的思維，設(shè)計(jì)出一種新的，能夠運(yùn)用于Baja賽車進(jìn)行參賽的傳動(dòng)系統(tǒng)。Baja大賽的比賽項(xiàng)目決定了一輛賽車要有良好的牽引力以及耐力，因此一套優(yōu)秀的傳動(dòng)系統(tǒng)必不可缺。傳動(dòng)系統(tǒng)除了要有足夠的強(qiáng)度之外，也要有良好的傳動(dòng)效率以及穩(wěn)定性，同時(shí)要與其他系統(tǒng)，例如懸架系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)等形成良好的配合，才能使賽車的動(dòng)力性能良好發(fā)揮。本次設(shè)計(jì)優(yōu)化的內(nèi)容包括：傳動(dòng)重要參數(shù)設(shè)計(jì)、CVT的選擇、變速箱的設(shè)計(jì)與定位，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與加工，力求較全面地概括Baja賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)流程。本文大量參考了國內(nèi)外的越野賽車設(shè)計(jì)資料及視頻。希望本文能讓對巴哈賽車有過簡單了解的讀者能夠更加清晰地了解傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程。

關(guān)鍵詞：巴哈賽車、傳動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)分析、傳動(dòng)軸

1緒論

巴哈大賽簡介

中國汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽（Baja SAE China，簡稱BSC）是一項(xiàng)由高等院校、職業(yè)院校汽車及相關(guān)專業(yè)在校生組隊(duì)參加的越野汽車設(shè)計(jì)、制造和檢測的比賽。此項(xiàng)賽事起源于美國，是大學(xué)生方程式汽車大賽的前身。

大賽要求各參賽車隊(duì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使用同一型號發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)制造一輛單座、發(fā)動(dòng)機(jī)中置、后驅(qū)的小型越野車，參加包括多種靜態(tài)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)目的測試。其中動(dòng)態(tài)項(xiàng)目包括牽引力測試，操控性測試、耐力測試等。車輛的動(dòng)力性一直都是關(guān)注的重點(diǎn)。車輛動(dòng)力性不足會(huì)造成行駛無力、爬坡費(fèi)勁、油耗上升等一系列缺問題，在拉力賽以及賽車通過滾木、亂石堆賽道時(shí)，如果沒有一套優(yōu)秀的傳動(dòng)系統(tǒng)，賽車會(huì)難以順利完成比賽。同時(shí)在耐力賽中，動(dòng)力性不足造成的油耗升高會(huì)導(dǎo)致賽車加油頻率上升，影響比賽成績。

巴哈賽車傳動(dòng)系統(tǒng)介紹

賽車動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，組委會(huì)規(guī)定參賽隊(duì)伍必須使用百力通公司（Briggs&Stratton）提供的10馬力OHV Intek發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如下表所示。

由官方提供的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)以及賽事規(guī)則來看：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)不能改裝，其最大馬力為定值。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率隨轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)速達(dá)到3600rmp時(shí)達(dá)到最高。

（3）凈扭矩隨轉(zhuǎn)速提高先上升后下降，且扭矩變化不大基本為恒定值，在2600-2800rmp時(shí)達(dá)到最大。

本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)具體傳動(dòng)路線由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過無級變速器（CVT）傳到減速箱，再通過傳動(dòng)軸以及萬向傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳輸至后輪，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)功能。

2設(shè)計(jì)思路

本次設(shè)計(jì)主要從傳動(dòng)系統(tǒng)的整體布置，發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)，CVT（機(jī)械式無級變速器）的選擇，減速箱的設(shè)計(jì)制造，傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)制造幾方面來著手。利用分析軟件，測試車輛在不同工況下的運(yùn)動(dòng)情況，在保證剛度的前提下，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)并嘗試新材料，達(dá)到輕量化的目標(biāo)，同時(shí)提高傳動(dòng)效率。最后通過實(shí)際測試，尋找設(shè)計(jì)中的不足，再進(jìn)行優(yōu)化。

傳動(dòng)系統(tǒng)布置

巴哈大賽的操控性賽事的主要障礙有滾木和亂石堆，要求賽車要有很高的通過性，以防車手在操作不當(dāng)時(shí)發(fā)生側(cè)翻的情況。因此此次傳動(dòng)系統(tǒng)的整體布置相較于上一代賽車，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的緊湊性，縮小了體積占比，降低了賽車的重心，同時(shí)考慮到與懸架系統(tǒng)、車架系統(tǒng)相配合，盡量使傳動(dòng)軸與輪芯在同一水平線上，從而減小傳動(dòng)摩擦，提高傳動(dòng)壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)賽方要求不能進(jìn)行改裝，主要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)，具體方法參照百利通公司提供的方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)更換了機(jī)油，機(jī)油型號采用10w-30。同時(shí)清洗了燃油系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最佳狀態(tài)。

減速箱的設(shè)計(jì)

考慮到二級圓柱齒輪減速器具有加工方便，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較小的優(yōu)點(diǎn)。因此減速箱采用自主設(shè)計(jì)制造的二級圓柱齒輪減速箱，箱體采用輕質(zhì)的7075-T6鋁合金作為材料，減速箱齒輪材料選用P20鋼。

二級大齒輪結(jié)構(gòu)為腹板與齒條。材料分別為P20鋼與H13鋼，根據(jù)齒輪嚙合傳動(dòng)的力學(xué)關(guān)系，在齒頂圓上施加載荷，分為法向分力和切向分力，根據(jù)之前的計(jì)算，法向分力為9580N，切向分力為3276N。同時(shí)對于齒輪，輪心內(nèi)部表面進(jìn)行固定約束。使用Fusion 360軟件的仿真功能進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖三齒輪根部受到的彎曲應(yīng)力最大，最大彎曲應(yīng)力達(dá)到了394MP，符合實(shí)際要求。

上一代主減速器箱體質(zhì)量重達(dá)8.1kg，本次設(shè)計(jì)減到了2.85kg，相比較于以前減重了64.8%，對傳動(dòng)系統(tǒng)的減重起到了很大的幫助。

選擇二級齒輪式減速箱不僅能夠使巴哈賽車在極端的環(huán)境下工作，還可以縮小整個(gè)減速箱的體積，節(jié)省空間，以此來縮減整車的體積大小。

CVT無級變速器的選擇

帶式CVT的結(jié)構(gòu)及工作原理

本車采用膠帶式無級變速器，速比可實(shí)現(xiàn)無級變化的變速器，稱為無級變速傳動(dòng)（Continuous Variable Transmission），CVT的型號選擇CVTech ABB。傳動(dòng)比范圍為0.43-3.00。選用CVT無級傳動(dòng)縮短了加速時(shí)間，改善了動(dòng)力性，傳動(dòng)效率高且零件數(shù)量少。缺點(diǎn)是燃油經(jīng)濟(jì)性不如機(jī)械式有級變速器，制造成本高。經(jīng)測試所選CVT型號正常，接合轉(zhuǎn)速正常。

傳動(dòng)軸以及等速萬向節(jié)

經(jīng)測試傳動(dòng)軸與水平的極限夾角為α=57°，花鍵結(jié)合處長度為18mm，傳動(dòng)軸處于水平狀態(tài)時(shí)可得最小長度Lmin。

Lmin=325.498+2*18=361.498mm

當(dāng)傳動(dòng)軸與水平達(dá)成極限夾角時(shí)可得最大長度Lmax。

Lmax=325.498/cos57°+2*18=633.640mm

由上下極限可以取傳動(dòng)半軸長度L=504.99mm，球籠選用六珠式球籠，半軸材料方面采用焊接空心鈦管的方式，半軸兩端采用花鍵配合，鈦管具有硬度大，質(zhì)量輕，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使用鈦合金能在提高半軸強(qiáng)度的同時(shí)也能達(dá)到減重的目的，還可以保證軸的旋轉(zhuǎn)精度并減少轉(zhuǎn)軸與支撐之間的摩擦和磨損。

半軸應(yīng)力分析

利用Fusion的分析功能，給傳動(dòng)軸的花鍵部分施加扭矩，經(jīng)過分析由圖可知，傳動(dòng)軸最高可以承受0.9975Mpa的壓力，極大的超過了BAJA賽車在極端工況下，半軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受的扭矩。這樣的傳動(dòng)軸可以保證汽車的動(dòng)力性以及穩(wěn)定性。同時(shí)，巴哈賽道符合賽車實(shí)際要求。同時(shí)輕量化的設(shè)計(jì)使整車的重量減輕，傳動(dòng)效率增高。

3.總結(jié)

本文對巴哈賽車傳動(dòng)系統(tǒng)得設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行了簡要的概括，通過不同的方面對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并且通過設(shè)計(jì)優(yōu)化對新車進(jìn)行了制造。最終求得的巴哈賽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)為：主減速比為13.3;反饋系數(shù)為0.9。最高速度為14.2m/s，最大加速度為4.1m/s2，運(yùn)動(dòng)距離為103m，相對于去年最高速度提高了6.7%，最大加速度提升了5.1%，運(yùn)動(dòng)距離增加了4.2%。巴哈賽車的動(dòng)力性有了良好提升。也希望讀者看完這篇文章后能對巴哈賽車的傳動(dòng)系統(tǒng)有一個(gè)比較清楚的認(rèn)知，同時(shí)能夠?qū)鲃?dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的了解。

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基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（cx2001032）

1第一作者：趙海洋（2000-），男，本科，研究方向?yàn)檐囕v工程。E-mail：1778273515@qq.com

1通訊作者：駱佼，（1984-），女，講師，碩士，研究方向：汽車物流，健康管理。E-mail：jiao-luo@qq.com

上海工程技術(shù)大學(xué) 上海市松江區(qū) 201620