FSEC方程式賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

項(xiàng)澤遠(yuǎn)，萬成，韋鋒

FSEC方程式賽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

項(xiàng)澤遠(yuǎn)1，萬成2，韋鋒1

（1.江蘇大學(xué)京江學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

文章運(yùn)用MATLAB及其Simulink模塊建立汽車動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合Optimum Lap進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到主減速比，并借助ANSYS靜力結(jié)構(gòu)模塊對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化。

FSEC；FSAE賽車；大學(xué)生方程式；傳動(dòng)

引言

FSEC（中國大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽）于2015年開辦，影響力逐年提升，很多院校都從傳統(tǒng)燃油方程式轉(zhuǎn)投電動(dòng)方程式。本文將以江蘇大學(xué)20賽季賽車馭風(fēng)III為例，針對(duì)不同的主減速比，運(yùn)用MATLAB及其Simulink模塊建立汽車動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合Optimum Lap進(jìn)行圈速仿真，從而找到適合的主減速比。借助ANSYS對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與優(yōu)化。

1 主減速比的確定

在比賽中，賽車所要面對(duì)的工況與乘用車完全不同。比賽的動(dòng)態(tài)項(xiàng)目由直線加速、八字繞環(huán)、高速避障以及耐久賽組成。其中耐久賽的分值占比最高，故設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)耐久賽圈速的仿真結(jié)果多加考慮。針對(duì)AutoCross類型賽道的特點(diǎn)、動(dòng)力單元的水平以及耐久經(jīng)濟(jì)性的要求，要保證車輛低扭的充沛，而對(duì)極速的要求可以適當(dāng)放低，當(dāng)然車手的駕駛習(xí)慣與反饋也不可忽視。

1.1 電機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)處理

馭風(fēng)III采用來自EMRAX的228電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，單電機(jī)結(jié)構(gòu)。對(duì)電機(jī)進(jìn)行重新標(biāo)定后，我們對(duì)電機(jī)做了基于奧地利AVL測(cè)試平臺(tái)的電機(jī)標(biāo)定臺(tái)架實(shí)驗(yàn)以獲取電機(jī)的外特性曲線圖，為之后的分析找到依據(jù)。

借助MATLAB，得到電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)關(guān)于轉(zhuǎn)速的擬合函數(shù)，最后用poltyy函數(shù)，將扭矩、功率曲線以雙坐標(biāo)系繪制在一張表上。

但發(fā)現(xiàn)無論怎么調(diào)整多式的擬合次數(shù)，都不能得到理想的曲線，出現(xiàn)Runge現(xiàn)象。故考慮分段插值，使用MATLAB 自帶的插值interpret1，method為linear。得到修正后的電機(jī)外特性曲線圖1。

1.2 動(dòng)力性分析

以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參考往年經(jīng)驗(yàn)，對(duì)一系列預(yù)選的主減速比進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

圖1 電機(jī)全特性擬合曲線

由于本賽車采用鏈傳動(dòng)作為傳動(dòng)系統(tǒng)的減速裝置，故主減速比的選擇相比于齒輪傳動(dòng)比較離散，故先從大小齒輪可能有的齒數(shù)配對(duì)來預(yù)選主減速比。參考去年的主減速比（3.36）。同時(shí)為了保證鏈條強(qiáng)度，盡量不使用過渡鏈節(jié)，優(yōu)先考慮齒數(shù)互質(zhì)的大小鏈輪。

小鏈輪齒數(shù)：保證強(qiáng)度的情況下，考慮大小鏈輪磨損壽命差不宜過大、減小多邊形效應(yīng)帶來的沖擊，在9齒和11齒間選取質(zhì)數(shù)11。

大鏈輪齒數(shù)：參考去年的37齒，并且互質(zhì)原則，并且考慮到傳動(dòng)系布置的緊湊型要求，故將41齒作為齒數(shù)上限。并由此得到待選的主減速比，利用MATLAB及Simulink模塊建立整車級(jí)別的動(dòng)力學(xué)仿真模型，得到一系列動(dòng)力性指標(biāo)結(jié)果。

圖2 Simulink動(dòng)力學(xué)模型

仿真結(jié)果如下表1所示：

表1 仿真結(jié)果

大鏈輪齒數(shù)主減速比75 m成績/s極速/(km/h)極速耗時(shí)/s起步加速度/(m/s2) 333.005.0099.835.605.9 353.185.0099.795.486.2 373.365.0099.755.586.5 393.544.9398.566.967.0 413.724.8695.195.797.2

除了動(dòng)力性外，還要依據(jù)珠海航展中心耐久賽道的實(shí)際工況對(duì)賽車的圈速和經(jīng)濟(jì)性作進(jìn)一步分析。在Optimum LAP中建模不同主減速比的車輛，導(dǎo)入珠海航展中心賽道，圈速、車速及電機(jī)轉(zhuǎn)速工況仿真結(jié)果如下。

圖3 Optimum Lap 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果分析：

由圖3 圈速成績得，不同主減速比下，圈速差距不大。但結(jié)合車輛在賽道中跑動(dòng)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速工況圖以及車速工況圖，可以發(fā)現(xiàn)，車輛的極速并不能在珠海航展中心賽道得到很好的發(fā)揮。并且由電機(jī)的Map圖得，電機(jī)在3 000 rpm左右是一個(gè)高效的水平。

綜上，考慮到車輛更靈活的動(dòng)態(tài)的需求，以及傳動(dòng)系統(tǒng)布置的方便，主減速比定為3.54。

2 主減速器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

主減速器的設(shè)計(jì)主要包括聯(lián)軸器、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)及鏈條張緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，借助Excel建立函數(shù)表格，得到一系列設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算

鏈傳動(dòng)系的優(yōu)化方向主要是偏心輪張緊裝置以及大鏈輪的輕量化。在滿足強(qiáng)度與剛度的前提下盡可能做到質(zhì)量的減輕。

2.2 大鏈輪的優(yōu)化

（1）鏈輪的受力參數(shù)如表2所示：

表2 鏈輪的受力參數(shù)

項(xiàng)目 參數(shù) 離心拉力/N37.27 懸垂拉力/N152.18 有效圓周力/N6 871.87 緊邊壓力/N7 061.32 松邊壓力/N189.45 壓軸力/N8 246.24 小鏈輪包角/N139.80

鏈條緊邊水平，為便于在ANSYS中施加邊界條件，算得松邊拉力的水平和豎直方向上的分力：

F2=2*sin (33.37°) =95.56 N

F2=2*cos (33.37°) =112.1 N

（2）對(duì)大鏈輪進(jìn)行輕量化處理

將鏈輪鏈條裝配，大鏈輪預(yù)輕量化。

設(shè)置邊界條件，借助Topology Optimizaton模塊對(duì)大鏈輪進(jìn)行輕量化處理，參照拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，修改大鏈輪的孔形參數(shù)。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

（3）驗(yàn)證

再使用ANSYS Workbench的Statical Structure和Tran- sient Structural模塊對(duì)小鏈輪及優(yōu)化后的大鏈輪進(jìn)行分析、驗(yàn)證，驗(yàn)證得最低安全系數(shù)為2.823，最大應(yīng)力201.91 MPa，最大形變0.3 mm，符合設(shè)計(jì)要求，減重34%。

圖5 優(yōu)化后的大鏈輪

3 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

聯(lián)軸器的本質(zhì)是一個(gè)法蘭盤，其作用是將旋轉(zhuǎn)的電機(jī)與小鏈輪裝配成一個(gè)整體，將電機(jī)輸出的扭矩傳遞到大鏈輪上，采用矩形花鍵，傳遞扭矩。為了減少切削量、提高材料利用率、降低加工難度，進(jìn)而減少加工成本，采用分體式設(shè)計(jì)，以卡壞限位小鏈輪。同時(shí)為了更好保證與電機(jī)轉(zhuǎn)子的同軸度，在法蘭底部增加了能與電機(jī)的凹坑相配合的凸臺(tái)。并適當(dāng)減少花鍵筒和柄的長度，避免加工或裝配誤差導(dǎo)致的端面不平整。

圖6 優(yōu)化后的聯(lián)軸器

聯(lián)軸器驗(yàn)證如下所示：

工況參數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000轉(zhuǎn)，輸出功率50 kW，傳遞扭矩：=9 550*=159 Nm，壓軸力取合力10 000 N，最大應(yīng)力為200.83 MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

4 鏈條張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

4.1 張緊機(jī)構(gòu)的選擇

經(jīng)過近十多年的發(fā)展，目前在FSC中傳動(dòng)系的鏈條張緊機(jī)構(gòu)中，絲杠調(diào)節(jié)、墊片調(diào)節(jié)以及偏心輪較為主流。絲杠調(diào)節(jié)方便、節(jié)省空間但調(diào)節(jié)精度尤其是水平度較差。墊片調(diào)節(jié)的水平度好但質(zhì)量相比之下最重；偏心輪調(diào)節(jié)的空間經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量上不是最占優(yōu)的，但是可以較好地保證調(diào)節(jié)時(shí)的水平度。

傳動(dòng)系的傾斜會(huì)給鏈輪鏈條傳遞系帶來額外的軸向循壞應(yīng)力，容易造成大鏈輪崩齒，故在布置空間允許的情況下，選用偏心輪調(diào)節(jié)。

4.2 偏心距的設(shè)計(jì)

偏心輪張緊機(jī)構(gòu)的原理是使軸承座同心的圓的圓心隨著偏心盤在支架上以偏心距為半徑旋轉(zhuǎn)，使得中心距在正負(fù)偏心距的范圍內(nèi)變化，從而達(dá)到了鏈條張緊的目的，所設(shè)計(jì)的偏心距要求能夠使得鏈條有兩個(gè)鏈條節(jié)距的調(diào)節(jié)范圍（放松和收緊各有一個(gè)節(jié)距），查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)非圓整的鏈條長度的預(yù)估公式去驗(yàn)證設(shè)計(jì)的偏心距。預(yù)選偏心距取為6 mm，以1 mm為步長遞增偏心距，鏈條節(jié)數(shù)的變動(dòng)范圍如下表3所示：

表3 鏈條節(jié)數(shù)的變動(dòng)范圍

偏心距/mm最小中心距對(duì)應(yīng)鏈條長度/mm最大中心距對(duì)應(yīng)鏈條長度/mm長度差/mm 6821.69540.3113.35 7819.79541.5315.60 8818.04848.0430.00 9816.13849.9533.81

馭風(fēng)III選用DID520VX系列鏈條，鏈節(jié)距為15.875 mm。由表不難看出，偏心距為9 mm時(shí)即可保證有兩個(gè)鏈條節(jié)距的調(diào)節(jié)范圍的設(shè)計(jì)要求。

拓?fù)鋬?yōu)化后，最終偏心輪張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖7所示：

圖7 偏心輪張緊裝置

5 結(jié)論

（1）傳動(dòng)比的選取要綜合考量效率、圈速、布置空間和車手的駕駛習(xí)慣，故要依據(jù)車架留給傳動(dòng)系統(tǒng)布置的空間預(yù)估傳動(dòng)比的下限，結(jié)合仿真軟件的仿真結(jié)果確定最終傳動(dòng)比。

（2）大鏈輪的設(shè)計(jì)中要參考ANSYS Topology Optimiza- tion模塊所得的形狀反復(fù)修改、驗(yàn)證，可預(yù)先挖槽再進(jìn)行優(yōu)化，可以提高設(shè)計(jì)的效率。

（3）聯(lián)軸器底部的凸臺(tái)雖然會(huì)額外增加一些質(zhì)量，但在裝配中能夠更好地保證與電機(jī)的同軸度，從而降低了因偏心給大鏈輪帶來的附加載荷，使大鏈輪失效的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）偏心輪的偏心距受原始中心距的影響較小，9 mm的偏心距已經(jīng)可以滿足張緊要求，過大會(huì)帶來不必要的增重，但在保證鏈條質(zhì)量的情況下，可以適當(dāng)減小以換取輕量化。

Design and Optimization of FSEC Formula Racing Transmission System

XIANG Zeyuan1, WAN Cheng2, WEI Feng1

( 1.Jingjiang College,Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212100; 2.Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013 )

This article uses MATLAB and its Simulink module to establish a vehicle dynamics model, combined with Optimum Lap for dynamic simulation, obtains the main reduction ratio, and analyzes and optimizes the transmission system structure with the help of ANSYS static structure module.

FSEC; FSAE racing; Formula student; Transmission

B

1671-7988(2021)22-53-04

U464.334

B

1671-7988(2021)22-53-04

CLC NO.:U464.334

項(xiàng)澤遠(yuǎn)（2000—），男，本科，就讀于江蘇大學(xué)京江學(xué)院，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化方向。

江蘇大學(xué)2020年度大學(xué)生科研立項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：19A237）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.013