節(jié)能車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的計算及分析

郭華禮，陸志迎，黃敏富，孔維山

（541004 廣西壯族自治區(qū) 桂林市 桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院）

0 引言

汽車使出行便捷的同時也造成環(huán)境污染，各國政府對汽車的節(jié)能減排比較重視，Honda 節(jié)能競技大賽以注重能源、創(chuàng)造節(jié)約型社會為主旨，比賽理念是環(huán)保、挑戰(zhàn)和樂趣。傳動系統(tǒng)設(shè)計是節(jié)能車最為關(guān)鍵的部分，其匹配參數(shù)是否得當(dāng)、離合器結(jié)構(gòu)形式是否合理，對賽車動力結(jié)合和切斷產(chǎn)生比較大的影響。傳動比和傳動效率不僅影響動力性，而且會影響到賽車的燃油消耗率。

俞天一等[1]針對不同離合器類型進行研究，得出牙嵌式離合器比內(nèi)齒式離合器能降低油耗15%左右，但缺少對離合器模型的設(shè)計及分析。王新建[2]利用ANSYS 軟件完成節(jié)能車傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，但未對離合器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。陳子軍[3]通過對比分析二級傳動和一級傳動，確定最佳傳動方案，同樣缺少離合器關(guān)鍵部件的設(shè)計分析。本文以桂林航天工業(yè)學(xué)院航V 節(jié)能車為載體，借助CAE 軟件完成動力傳動系統(tǒng)匹配，并對關(guān)鍵部件進行UG 建模和CAE 分析，力求在保證動力性的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟性最優(yōu)，進而為車隊提供一定的借鑒和指導(dǎo)。

1 傳動系統(tǒng)傳動方案及傳動比計算

1.1 傳動方案

考慮到節(jié)能車的總體布置，若采用前輪驅(qū)動會使整車的復(fù)雜程度增加，增加設(shè)計制造難度，而若采用后輪驅(qū)動，則不需要考慮差速器等部件，同時達到降低車重的目的，簡化設(shè)計的復(fù)雜度，所以將采用后輪驅(qū)動的形式。節(jié)能車常見的傳動類型如圖1 所示。

圖1（a）為軸傳動形式，其傳動效率較高，但其導(dǎo)致整車的重心偏向車體一側(cè)，降低行駛的穩(wěn)定性；圖1（b）為鏈傳動，具有持續(xù)保持精準的傳動比，傳動過程中不會出現(xiàn)打滑以及彈性滑動等情況，傳遞功率大且傳動效率較高，能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境等特點，節(jié)能車將采用鏈傳動作為動力傳動系統(tǒng)的主要方式。

1.2 傳動比計算

根據(jù)節(jié)能車的賽制規(guī)則，節(jié)能車采用WH1152FMI 型號的單缸發(fā)動機?？紤]節(jié)能車總體布置方案，結(jié)合節(jié)能車整車基本參數(shù)（見表1），利用Cruise 進行節(jié)能車整車經(jīng)濟性的數(shù)模搭建[4]，仿真模型如圖2 所示。

表1 節(jié)能車整車的基本參數(shù)表Tab.1 Basic parameters of energy-saving vehicle

整車在其它參數(shù)不變的情況下，通過不斷改變節(jié)能車的鏈傳動比并進行仿真計算，將計算結(jié)果進行匯總并制作成表格形式，不同鏈傳動比下的燃油經(jīng)濟性以及加速時間計算結(jié)果見表2。

表2 不同傳動比下性能對比表Tab.2 Performance comparison under different transmission ratios

將表1 中的數(shù)據(jù)制作成圖表形式，生成燃油經(jīng)濟性—加速時間曲線如圖3 所示。

由圖3 可知，當(dāng)節(jié)能車鏈傳動比i0增大時，動力性改善，但整車燃油經(jīng)濟性較差；傳動比i0減小時，動力性降低，但經(jīng)濟性改善。由于節(jié)能車以燃油經(jīng)濟性為主要目標，綜合考慮選取鏈傳動比i0=7.1，節(jié)能車兼顧動力性的同時實現(xiàn)較好的經(jīng)濟性。

2 傳動系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計

節(jié)能車傳動系統(tǒng)主要包括主減速器、傳動軸、離合器及支撐固定裝置組成，本次論文針對主減速器和離合器進行計算設(shè)計[5]。

2.1 大小鏈輪的計算

通過前文對節(jié)能車的仿真分析，確定節(jié)能車的鏈傳動比i0為7.1，查閱《機械設(shè)計》完成大小鏈輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其數(shù)據(jù)見表3。

表3 大小鏈輪的參數(shù)Tab.3 Parameters of large and small sprockets

2.2 離合器的設(shè)計計算

正確選用合適的離合器不僅能提高傳動動力，并能減少零件的損耗。參考歷屆賽事的相關(guān)經(jīng)驗，節(jié)能車行駛策略通常為使節(jié)能車加速至某一車速后切斷動力實現(xiàn)車輛滑行，直至某一車速后再接合動力加速[6]?？紤]到整車的結(jié)構(gòu)簡化以及輕量化設(shè)計，最終選用機械式超越離合器中的牙嵌式離合器作為本次設(shè)計的離合器的方案，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

牙嵌式離合器有多種齒形，其沿圓柱面展開齒形有三角形、梯形、矩形以及鋸齒形等，齒形結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

結(jié)合賽事特點，考慮到節(jié)能車只需單向傳遞轉(zhuǎn)矩且在適當(dāng)時刻熄火并切斷動力傳遞，而鋸齒形牙嵌離合器能單向傳遞轉(zhuǎn)矩，接合及分離容易，強度高，符合設(shè)計要求，因此選用機械式鋸齒形牙嵌離合器作為其設(shè)計方案，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖 6—圖7 所示。

3 傳動系統(tǒng)離合器建模

3.1 鏈傳動系統(tǒng)建模設(shè)計

本次設(shè)計的鏈傳動系統(tǒng)，滾子鏈型號為06B-1×156（GB/T 1243-2006），查閱國家標準得到其結(jié)構(gòu)和尺寸等參數(shù)，在UG 軟件中創(chuàng)建出鏈輪和滾子鏈的三維模型，在裝配模塊導(dǎo)入已創(chuàng)建的鏈輪、滾子鏈模型并進行裝配建模。鏈傳動的裝配體如圖8 所示。

3.2 離合器建模設(shè)計

根據(jù)已設(shè)計的鋸齒形牙嵌離合器以及驅(qū)動軸參數(shù)，在UG 軟件中進行三維模型的創(chuàng)建。在UG軟件裝配模塊中，導(dǎo)入已創(chuàng)建的離合器和驅(qū)動軸模型進行裝配建模[6]。離合器的裝配體如圖9 所示。

4 傳動系統(tǒng)離合器CAE 分析

4.1 離合器分析

將UG 軟件中創(chuàng)建的主動半離合器模型導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中并賦予材料，其材料屬性如表4 所示。定義離合器受力參考點并將受力面作用力耦合至參考點，在載荷邊界模塊施加集中力，約束除繞Z 軸旋轉(zhuǎn)運動以外的其它5 個自由度[7]。主動半離合器的載荷邊界設(shè)定如圖10 所示，采用四面體單元作為網(wǎng)格單元形狀。

表4 離合器材料屬性Tab.4 Material properties of clutch

由圖11 可知，主動半離合器受到的應(yīng)力主要集中在齒根與齒面棱邊處以及齒頂與齒面棱邊接合處，主動半離合器受到的最大應(yīng)力為19.63 MPa，低于離合器最大許用應(yīng)力為216 MPa，滿足工作強度要求。根據(jù)力學(xué)定律，從動離合器同樣滿足要求。由圖12 可知，離合器形變量主要分布在齒形外側(cè)，主動半離合器的最大形變量僅為0.001 437 mm，形變量非常小，能夠滿足主動半離合器的工作要求。

4.2 小鏈輪分析

對小鏈輪模型賦予材料，其屬性參數(shù)如表5 所示。定義受力參考點并將受力面作用力耦合至參考點，在載荷邊界模塊將前文計算得到的集中力值施加至參考點，邊界條件設(shè)置為：除繞Z 軸旋轉(zhuǎn)自由度不約束外，約束其它5 個自由度。小鏈輪載荷邊界設(shè)定如圖13 所示。網(wǎng)格劃分采用四面體單元作為單元形狀，完成所有設(shè)置后，進行分析計算[8]。

表5 小鏈輪材料屬性參數(shù)Tab.5 Material property parameters of small sprocket

由圖14 可知，小鏈輪受到的應(yīng)力主要集中在齒面與鏈條滾子接觸點處，并向周圍延伸，小鏈輪受到的最大應(yīng)力為32.77 MPa，低于最大許用應(yīng)力177.5 MPa，小鏈輪滿足工作強度要求。由圖15可知，小鏈輪的形變量主要分布在接觸齒面周圍，最大形變量僅為0.004 261 mm，形變量非常小，能夠滿足小鏈輪的工作要求。同理，大鏈輪滿足工作要求。

5 結(jié)論

本文針對節(jié)能車傳動系統(tǒng)進行研究，確定傳動系統(tǒng)類型再結(jié)合Cruise 軟件完成動力參數(shù)匹配，得到傳動比為7.1 時同時滿足動力性和經(jīng)濟性的雙重要求。結(jié)合傳動比參數(shù)參照機械設(shè)計手冊完成大小鏈輪的計算設(shè)計任務(wù)，同時考慮離合器的特點及賽車行駛策略，選擇牙嵌式離合器作為主要設(shè)計對象。最后利用UG 完成離合器和鏈輪的三維模型的搭建，通過ABAQUS 完成傳動系統(tǒng)中離合器和小鏈輪等關(guān)鍵部件的強度校核，經(jīng)分析滿足強度要求。