大学生方程式赛车设计（传动及最终传动系统设计）（有cad图+三维图）带CAD图

大学生方程式赛车设计（传动及最终传动系统设计）（有cad图+三维图）带CAD图,大学生,方程式赛车,设计,传动,最终,传动系统,cad,三维 河 南 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文） 题目 大学生方程式赛车设计（传动及最终传动 系统设计） 姓 名 ＿ 李成吉 ＿ 院 系 车辆与动力工程学院 专 业 ＿ 车辆工程＿＿ 指导教师 ＿＿ 牛 毅 ＿＿＿ 2013年05月30日 毕业设计（论文）包含内容及装订顺序 1. 毕业设计（论文）任务书 2. 中英文摘要（含关键词） 3. 目录 4. 前言 5. 正文 6. 结论 7. 参考文献 8. 致谢 9. 附录 10. 外文资料译文 大学生方程式赛车设计（传动及最终传动系统设计） 摘 要 汽车传动系统的基本功用是将发动机输出的动力传递给驱动车轮，传动系统对整车的动力性和设计中一个重要的组成部分。本文主要研究的是FSAE方程式赛车传动系统的燃油经济性有很大的影响，故传动系统参数的确定是汽车设计，基于我院LS Racing车队三年来的比赛经验和设计理念，对赛车的传动系统进行优化和改造。本赛车选用的是铃木CBRR600四缸发动机，差速器是选用德雷克斯勒限滑差速器（Drexler），根据发动机的特性参数、档位比和差速器的工作原理，选择合适的链传动比，计算链条的参数，设计差速器固定支架，合理的布置整个传动系统。针对传动系统各组成部件，采用ANSYS有限元分析软件对零部件进行强度校核，优化结构使其达到质量轻、强度高的目标。 关键字：FSAE，差速器选型，德雷克斯勒限滑差速器，传动系 I Formula SAE of china (transmission and final drive system) ABSTRACT The basic function of auto transmission system is transfer engine power to drive wheels .The transmission system has a great influence in dynamic performance .So the parameter of drive system is one of the important part in automobile design .The article mainly research is drive system design of FSAE racing car. The car drive system optimization and transformation is based on LS Racing team competition experience and design concept in the past three years .The racing car engine is choose SUZUKI GSX-R600 have four cylinder engine .The differential is choose Drexler limited slip differential. According to the characteristics of the engine parameters, gear ratio and differential working principle ,that choose the right chain transmission ratio, calculation chain parameters, design the differential fixed bracket, reasonable arrangement of the drive system. Aimed at the transmission system components, use the ANSYS finite element analysis to check intensity of the parts, that optimize structure enables it to achieve light weight, high strength goal. KEY WORD： FSAE, Differential selection, Drexler limited slip differential, the ANSYS finite element analysis 37 目 录 第一章 大赛背景及发展现状 1 §1.1 赛事背景 1 §1.2 国外情况 2 §1.3 国内情况 2 第二章 绪论 4 §2.1 传动系统的组成 4 §2.2 传动系统的功能实现 4 §2.3 FSAE大学生方程式赛车传动系统的特点 5 §2.4 中国大学生方程式汽车大赛（FSC）传动规则和要求 6 §2.5 本次传动系统设计任务 6 第三章 赛车动力总成的选择与布置 7 §3.1 整车参数与主要结构 7 §3.2 赛车动力性计算 9 §3.2.1 主减速比确定 9 §3.2.2 赛车驱动力的计算 9 §3.3 赛车动力性的验证与优化 11 §3.3.1 拟合外特性曲线图 11 §3.3.2 驱动力-行驶阻力平衡图 12 §3.3.3 发动机功率-行驶阻力功率平衡图 12 §3.3.4加速度特性曲线 13 §3.3.5 动力因数图 14 §3.4 传动方式确定 14 第四章 动力总成与车架的连接及与驱动轮的传动设计 17 §4.1 差速器固定 17 §4.2 车轮法兰设计 19 §4.3 大小链轮的设计 20 §4.3.1 链轮齿数 、 和传动比i的计算与确定 20 §4.3.2齿数的选取原则 20 §4.3.3 传动比的确定 20 §4.3.4 链轮的计算与选取 20 §4.4 差速器的设计与选择 25 §4.4.1 差速器原理 25 §4.4.2 差速器的分类 26 §4.4.3 方程式赛车的差速器结构选择 30 §4.4.4 差速器选用说明 31 §4.5 万向节的选择 31 §4.5.1 万向节的工作原理 32 §4.5.2 等速万向节的分类 32 §4.6 此次设计选用的万向节类型 35 参考文献 37 结束语 38 第一章 大赛背景及发展现状 随着我国汽车工业的崛起，赛车文化日益蓬勃发展，同时为号召十二五时期党中央提出的科技强国口号，在这样一个背景下，2010年首届中国大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场隆重举办。随后的第二届中国大学生方程式汽车大赛的引擎在此轰鸣在上海国际赛车场，规模比前一届扩大将近一倍，吸引了包括一支海外车队——慕尼黑工业大学在内的一共34支队伍参加。在此，我选择FSAE赛车动力及传动总成布置设计为我毕业设计的题目，希望通过此次设计优化让我校的赛车驰骋在2012年上海赛车场。 §1.1 赛事背景 Formula SAE，是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比 赛，要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久，能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。 SAE方程式（Formula SAE）系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。 为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。 §1.2 国外情况 目前FSAE在美国，巴西，日本，英国，德国，匈牙利，澳大利亚等国均有比赛。日本在10年前开始举办该项赛事，目前已成为亚洲FSAE顶级比赛，每年吸引包括斯图加特，格拉斯，DUT，RIT等大学车队参加，同时日本本土强队上智大学索菲亚车队也是每年固定参与的强队之一。世界各国前对汇聚在此，彼此交流心得，相互竞争切磋，相互学习，共同提高。第九届日本FSAE盛况如下图： 图1-1 2011年第九届日本FSAE大赛 §1.3 国内情况 FSAE中国赛的中文名称为中国大学生方程式汽车大赛，英文名称为Formula Student China（简称FSC），目前已举办两届。两届FSC赛事均在上海国际赛车场举办，在2011年举办的第二届中国大学生方程式汽车大赛中，北京理工大学方程式车队击败了包括慕尼黑工业大学TUfast车队，同济大学方程式车队，湖南大学方程式车队，吉林大学急速车队等强队，蝉联了总冠军。 同国外比赛一样，比赛分为动态项目与静态项目两个大项。其中静态项目包括：营销报告（Presentation 75分）、设计报告（Design 150分）、成本分析报告（Cost 100分）；动态项目包括：75米加速（Acceleration 75分）、八字绕环（Skid-Pad 50分）、高速避障（Autocross 150分）、耐久性（Endurance 350分）、燃油经济性（Fuel Economy 50分），总共1000分。 第二章 绪论 §2.1 传动系统的组成 汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系。它应保证汽车具有在各种行驶条件下所必需的牵引力、车速，以及保证牵引力与车速之间协调变化等功能，使汽车具有良好的动力性和燃油经济性；还应保证汽车能倒车，以及左、右驱动轮能适应差速要求，并使动力传递能格局需要而平稳地结合或彻底、迅速地分离。传动系包括离合器、变速器、传动轴、主减速器、及半轴等部分。 §2.2 传动系统的功能实现 传动系统的首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车在各种行驶条件下正常行驶所必需的驱动力与车速，并使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。为此，任何形式的传动系统都必须具有以下功能。 1、实现减速增扭 只有当作用在驱动轮上的驱动力足以克服外界对汽车的阻力时，汽车方能起步并正常行驶。假如将发动机与驱动轮之间直接连接，则汽车速度很大，这样高的车速既不实用，又不可能实现（因为相应的驱动力太小，汽车根本无法起步）。为解决这一矛盾，必须使传动系统具有减速增扭的作用，亦既使驱动轮的转速降为发动机转速的若干分之一，相应的驱动轮所得到的扭矩则增大到发动机转矩的若干倍； 2、实现汽车变速汽车的使用条件在很大范围内不断变化，这就要求汽车的驱动力和速度也有相当大的变化范围； 3、实现汽车倒驶汽车在某些情况下需要倒向行驶； 4、必要时中断传动系统的动力传递发动机只能在无负荷情况下启动，而且启动后的转速必须保持在最低稳定转速之上，否则可能会熄火。所以，在汽车起步之前，必须将发动机到驱动轮的动力传递路线切断，以便启动发动机； 5、应使两侧驱动车轮具有差速作用差速器使左右两驱动轮可以以不同的角速度旋转。此外，由于发动机、离合器和变速器固定在车架上，而驱动桥和驱动轮一般是通过弹性悬架与车架联系的，因此在汽车行驶过程中，变速器与驱动轮之间常有相对运动。在此情况下，两者之间不能用简单的整体传动轴传动，而应采用由万向节和传动轴组成的万向传动装置。汽车传动系统的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形式和性能、汽车总体结构形式、汽车行驶系统及传动系统本身的结构形式等许多因素。 §2.3 FSAE大学生方程式赛车传动系统的特点 1、FSAE方程式赛车发动机的布置与传动系统的设计 FSAE方程式赛车一般采用发动机中置后轮驱动的MR方案。MR方案是将发动机置于驾驶室后面的汽车中部，后轮驱动。该方案布置有利于实现前、后轴较为理想的轴荷分配。MR方案中发动机发出的动力经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥的主减速器、差速器和半轴，最后传到驱动车轮。因此，传动系的设计中应考虑到这一点。 2、与发动机性能的匹配 此次赛车整体制造设计时选用了CBR600发动机，依据大赛规则，需要在节气门前面加装内径20mm的限流阀。由于CBR600发动机属于高转速引擎，加装限流阀后最大扭矩点约在7000~8000转，约为50nm左右，功率点约在9000~10000转，约为45kw。由于原厂发动机中自带离合器、变速器与一级主减速器，则根据大赛规则，车辆实际动力参数，赛道特性等需要计算设计传动二级主线速比，与发动机性能特性匹配，充分发挥发动机的特性，在赛道上取得理想成绩。 3、差速器的选用 由于赛车通常在极限状态下驾驶，在赛车出弯时由于赛车的侧倾，内侧车轮负载明显小于外侧车轮，甚至离开地面。这导致在出弯时，赛车由于大功率的输出，导致内侧车轮与地面打滑，不但影响操纵稳定性，还损失了出弯动力，导致下一段直道速度的减慢，严重影响单圈成绩。因此，在资金充裕的情况下应尽量选用限滑差速器。 4、传动方式的选择 目前，商用车与乘用车用，普遍应用轴传动，也基本上只有轴传动能满足载荷功率要求。但此次设计的FSAE方程式赛车与一般生活中应用到的汽车有着截然不同的要求，性能，质量以及目前各校FSAE车队的传动方式的选择上几乎全部为链传动，这是与一般汽车一个不同的地方。 §2.4 中国大学生方程式汽车大赛（FSAE）传动规则和要求 大赛有关传动部分规则(摘要)如下： 1、变速器及传动可以使用任何传动变速装置； 2、传动系统防护罩及保护装置； 3、暴露在外的高速运转部件，如变矩器、离合器、带传动、离合器传动，都必须装安防护罩以防失效； 4、链和带的防护罩不允许用有穿孔的材料； 5、链传动——防护罩必须使用2.66mm （0.105 英寸）厚的钢板（不允许有其他的替代尺寸），并且必须是所用链条宽度的三倍宽； 6、带传动——安全罩必须用至少3.0mm （0.120 英寸）的铝合金6061-T6，并且最小宽度必须比带宽度两边各多35%的宽度（即带宽的1.7 倍）； 7、连接处的紧固——所有安全罩的连接必须至少使用6mm、级别M8.8螺栓； 8、安全罩必须在任何情况下在横向上与链或带保持平行； 9、护指——使用轻质材料制作护指。 §2.5 本次传动系统设计任务 1、了解汽车总体设计的基本知识； 2、掌握客FSAE赛车底盘设计的基本要求； 3、学习用已学过的知识进行起FSAE赛车动力总成布置设计； 4、学会查找有关汽车资料。 第三章 赛车动力总成的选择与布置 §3.1 整车参数与主要结构 轴距1680mm 轮距 前轮距：1199mm,后轮距：1149mm， 前悬/后悬 最小离地间隙：40mm 总质量280kg 整备质量220kg 发动机：排量/功率(ml/ps)589.9/90 扭矩 66nm §3.1.2 动力总成设计参数与形式 发动机采用本田摩托车CBR600F4I的电喷发动机，排量599CC，在未限流情况下的最高功率为86KW，最高转速将近13000r/min。但由于大赛规则发动机节气门后需要安装内径20mm的限流阀，故其最大功率，最大扭矩与原厂发动机有较大出入。 1、加装限流阀后的发动机参数 表3-2 CBR600F4I发动机动力试验参数 发动机型号 最大功率 最大扭矩 CBR600F4 44.1kw9500r/min 46.3Nm7500r/min 表3-3 CBR600F4I发动机外特性试验参数 N（r/min） 3500 4500 5500 6500 7500 8500 9500 10500 Pe（kw） 11.3 17.5 23.7 30.3 36.4 41.1 44.1 42.7 Te(Nm) 30.8 37.1 41.1 44.5 46.3 46.2 44.3 38.8 以上发动机转速与对应的功率是根据原有外特性曲线，在考虑了比赛要求需要加装20mm的限流阀的情况下其他同型号发动机通过台架测试得到的。但每台发动机的工况不尽相同，标定也千差万别，进排气改进等其他的方面也都不相同，此数据可能与实际可能存在一定的出入。因为在此计算之时发动机未进行改装，无法得到确切的数据。但通过全国其他各学校FSAE车队设计的成果来看，该数据仍然有较高的参考价值。 2、CBR600变速箱参数 变速箱参数见表3-4 表3-4 变速箱参数 发动机一级减速器传动比 1.822 一档速比 2.666 二档速比 1.937 三档速比 1.611 四档传动比 1.409 五档传动比 1.261 六档传动比 1.166 3、车轮参数 中国大学生方程式汽车大赛中规则规定需选用至少8寸轮辋的轮胎。但鉴于尺寸的大小与轻量化程度成反比，与赛车的布置难易程度成正比。FSAE赛车中基本选择10寸与13寸为主流。我校车队此次选用13寸轮胎，通过官网查的此款轮胎的数据，如下图 图3-1 轮胎数据 由于价格，规格等因素，选用上述中型号43101的干胎，OD为轮胎外径尺寸，由于此数据采用英制单位，通过计算转化为国标标准单位，18.1寸约为0.23m。故车轮的半径R=0.23m。 §3.2 赛车动力性计算 赛车的动力性指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性，所以动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。 动力性评价指标主要有三个： 1、汽车的最高车速Uamax；FSAE赛车通常受到赛道的限制无法达到最高车速； 2、汽车的加速性能（加速时间t）； 3、汽车的爬坡性能（最大爬坡度imax）：对FSAE赛车而言不需要考虑爬坡度这一项。 §3.2.1 主减速比确定 由变速器输出轴链轮齿数 z1=15，变速器6档的传动比1.166，发动机内部减速器传动比1.822，发动机处于最大扭矩时，转速约为9000rpm，车轮直径为 0.23m。有动力性部分的驱动力平衡图可知，在150Km/h速度时候，驱动力大于阻力，所以发动机最高转速下的功率可以满足最高车速，即六挡情况下发动机转速10500rpm达到最大车速，设定最高车速为 150 Km/h。 根据公式（3-1）： （3-1） 式中： =汽车最高行驶速度 n—发动机最高转速，取10500； —发动机内一级主减速比，取1.822； —发动机六档传动比，1.166； —所需计算的传动系主减速比，； 代入式（3-1）得到主减速比=3.066 §3.2.2 赛车驱动力的计算 1、赛车驱动力计算公式（3-2） （3-2） 式中： —发动机转矩50Nm； —变速器传动比，取一档2.666； —主减速器减速比3.066 —发动机内减速比1.822； —传动效率，取0.9； —滚动半径0.23m； 代入式（3-2）得到Ft=3000N 2、赛车行驶速度公式（3-3）（在驱动轮不打滑的情况下） （3-3） 式中： —汽车行驶速度； —发动机转速10500r/min； —滚动半径0.25m； 代入式（3-3）得到=162km/h 3、滚动阻力系数公式（3-4） （3-4） 式中： —滚动阻力系数； —汽车行驶速度，取最高km/h； 代入式（3-4）得到f=4 4、空气阻力公式（3-5） （3-5） 式中： -空气阻力； —迎风面积，取1； —空气阻力系数，取0.5； —汽车行驶速度，取最高km/h； 5、动力因数公式（3-6） （3-6） 式中： —动力因数； —赛车驱动力； —空气阻力； 6、滚动阻力公式（3-7） （3-7） —整备质量或满载质量； 7、加速度计算汽车旋转质量换算系数按照经验值取取1.2 §3.3 赛车动力性的验证与优化 通过上一节计算得到了一些基本的动力性计算结果，在这一节中，利用Matlab软件对上述计算结果进行程序分析运算，得出曲线图，进一步说明赛车的动力性。 §3.3.1 拟合外特性曲线图 根据表大致得到发动机外特性曲线如下： 图3-1 加装限流阀后的CBR600外特性曲线 §3.3.2 驱动力-行驶阻力平衡图 图3-2 驱动力-行驶阻力平衡图 上图为驱动力-行驶阻力平衡图，从图中可以得到FSAE赛车的最高车速Vmax为 162.1326KM/H。而比赛之中速度一般不会超过100KM/H，所以最高车速对于该赛车的设计而言不是特别有参考价值。 §3.3.3 发动机功率-行驶阻力功率平衡图 图3-3 发动机功率-行驶阻力功率平衡图 从上述功率平衡图可以从另一个方面看到赛车可达到的最高时速，并且在最高时速是发动机仍有向外做功的能力，即仍然拥有爬坡能力。 §3.3.4加速度特性曲线 图3-4 加速度特性曲线 从上图中可以明显得看到，在一档时赛车的最高加速度达到将近。根据去年我校车队去年在单圈为1.234km的上海国际赛车场卡丁车赛道上最快成绩为1分15秒，平均时速约为60km/h，在一些长直道末端可能回达道110km/h的极端，但大部分时候，赛车基本上不会超过90km/h，根据赛车传动比的一些经验：(1)尽量在连续弯中不频繁在两个档位跳动；(2)尽量不要在直道末端将要进弯的时候不得不升档等原则，以上传动比的选取几乎完全符合要求。大部分使用二档行驶，在某几个直道末端会使用三档，可见理论上，该赛车应具有良好的动力性。 §3.3.5 动力因数图 图3-5 动力因数图 该图中可以看到赛车的动力性比较大，具有较高的加速性。通过计算可以得到最大爬坡度imax，此赛车虽在实际中无需考虑爬坡性能，但计算得到的结果可作为赛车动力性的一个参考数据。 §3.4 传动方式确定 赛车传动系统的动力由发动机输出。已确定赛车使用CBR600型号发动机。目前发动机确定布置方式为横置，即发动机输出轴与赛车的行驶方向垂直，与车轮的转动平面平行。可选用轴传动，链传动，带传动这三种布置方式，随后动力传入至差速器，差速器通过将转矩配位到两侧的半轴，半轴与立柱由万向节、花键相连，最后动力被传递到车轮驱动赛车行驶。方程式赛车传动总成图示如下： 图3-6 赛车传动系 车传动系统的动力由发动机输出。我们初步计划赛车使用的CBR600发动机总成外形尺寸较大，而车架布置空间有限，因此发动机在车架上的布置情况对传动系统设计有重大影响。发动机图示如下： 图3-7 CBR600发动机简图 赛车车身体积狭小，所以传动系统方案布置紧凑。在有限的空间内实现传动系统设计目标，系统设计可选方案有二：链传动和轴传动。 方案一：传动系统为链传动，发动机总成横置 优点：发动机总成输出轴转动方向和驱动轮转动方向一致，不需要换向机构； 缺点：发动机总成横置后输出轴过于偏离车架中轴线，基本紧贴车架外壁内侧，这样后桥左右半轴长短悬殊，不利于车辆行驶稳定。 方案二：传动系统为轴传动，此方案发动机总成纵置。 优点：发动机总成输出轴轴线可以与车架中轴线重合，左右半轴长度接近；主减速器同时实现动力换向和减速增扭两大功能。 缺点：因密封和润滑要求，主减速器和差速器需要外罩一个箱体。箱体体积较大，后桥布置较为拥挤。轴传动系统重量较链传动大。 考虑发动机总成在车架上的布置情况和后续设计难易程度，传动组在仔细分析了以上两种传动方案的布置情况后，最后选择链传动-发动机总成横置形式。 传动系统初步布置如下： 传动链传递发动机输出的动力和扭矩，主减速器连接传动链和差速器。后悬架独立悬架，所以后桥有左右半轴两根传动轴，左右半轴由差速器连接。综上，传动系统初始方案为：发动机总成-传动链-主减速器-左右半轴-左右驱动轮，如下图： 图3-8 传动系方案 第四章 动力总成与车架的连接及与驱动轮的传动设计 §4.1 差速器固定 由于没有驱动桥壳，所以差速器需要单独固定，因此设计差速器固定吊耳来固定差速器，在行驶过程中由于震动的原因传动链会产生松动，需要张紧装置对链条进行张紧。 差速器固定设计两套方案 方案一：通过吊耳将差速器总成固定在车架上，吊耳形状如图4-1 图4-1 吊耳 将吊耳一端直接固定在车架上，另一端通过调整装置与车架连接，张紧装置是带有正反螺纹的套筒螺母，通过调整螺母进行张紧。结构如图4-2 图4-2 方案一 优点：结构简单，加工工艺简单，加工成本低，质量小。 缺点：稳定性不好，大小链轮对中困难。 方案二：将固定板与差速器固定，再通过固定板与差速器连接在车架上，固定方式如图4-3 图4-3 方案二 通过调整固定板的位置对链条进行张紧，结构如图4-4 图4-4 固定板 优点：差速器稳定性好，滑道固定方式简单，不用焊接，拆卸维修方便，大小链轮对中行好。 缺点：结构复杂，加工成本高，质量大。 §4.2 车轮法兰设计 发动机动力由差速器传到半轴，半轴与外球笼连接，最后动力由外球笼传到车轮轮芯，最后传到轮毂。车轮轮芯作用是连接轮毂与半轴，同时安装制动盘。车轮轮芯需要自己设计加工。车轮轮芯设计时考虑：前轮为非驱动车轮，在末端设计有螺纹，通过专用螺母 固定在立柱上。后轮为驱动轮，半轴内有花键连接，由于内花键加工困难，加工成本高，后轮轮芯通过夏利车轮芯改装而成。保留夏利轴芯的内花键，对轴芯二次加工 §4.3 大小链轮的设计 §4.3.1 链轮齿数 、 和传动比i的计算与确定 小链轮齿数 z1 对链传动的平稳性和使用寿命有较大影响。齿数少，外廓尺寸小，但齿数过少，运动不均匀性加剧，动载荷和冲击加大；链条进入和退出啮合时，链节间的相对转角增大，铰链的磨损加剧；链传递的圆周力增大，加速了链条和链轮的损坏。齿数过多，将增大传动尺寸和质量链条磨损后节距的伸长容易发生跳齿和脱链，同样会缩短链条的使用寿命。 §4.3.2齿数的选取原则 1、链传动速度高时，齿数多些； 2、为考虑磨损均匀，链轮齿数应取与链节数互为质数的奇数，并优先选用以下数列：17、19、21、23、25、38、57、76、95、114。 3、链传动比i一般≤7，在低速和外廓尺寸不受限制的地方允许到 10。如传动比过大，则链包在小链轮上的包角过小，啮合的齿数太少，这将加速轮齿的磨损，容易出现跳齿、破坏正常啮合。通常包角最好不小于 120度，推荐传动比 i=2~3.5。 §4.3.3 传动比的确定 由CBR600原厂发动机变速器输出的轴链轮齿数 z1=15，变速器6档的传动比1.173，发动机内部减速器传动比1.822，发动机处于最大扭矩时，转速为9000rpm，车轮直径为 0.23m。有动力性部分的驱动力平衡图可知，在150Km/h速度时候，驱动力大于阻力，所以发动机最高转速下的功率可以满足最高车速，即六挡情况下发动机转速10500rpm达到最大车速，设定最高车速为 150 Km/h， 根据公式（4-1）： （4-1） 可得为47。 §4.3.4 链轮的计算与选取 在同类产品中，按组成链条的基本结构，即根据元件形状、同链条啮合的零件和部位，零件间尺寸比例等方面划分所属链条产品系列。链条的种类很多，但它们的基本结构只有以下几种，其它都是这几种的变形。 我们可以从以上几种的链条结构看出，大部分链条都是由链板、链销、轴套等部件组成。其它类型的链条只是将链板根据不同的需求做了不同的改动，有的在链板上装上刮板，有的在链板上装上导向轴承，还有的在链板上装了滚轮等等，这些都是为了应用在不同的应用场合进行的改装。一定条件下，节距越大，链传动承载能力越强，但节距越大，链传动的多边形效应越严重，动载荷、冲击、振动越严重。所以，为使链传动结构紧凑、寿命长，尽量取小节距的单排链。工作情况系数的选取结果见表4-1。 表4-1 工作情况系数ka 工作特性 平稳传动（如电动机汽轮机，装有液力耦合器的内燃机） 轻微冲击（如六缸或六缸以上内燃机装机械式联轴器） 中等冲击（如六缸或六缸以下内燃机装机械式联轴器） 平稳运动 1.0 1.1 1.3 中等运动 1.4 1.5 1.7 严重冲击 1.8 1.9 2.1 故取工作情况系数A K =1.0 若传动速度高，传递的功率大；或传动中心距小，传动比大，取小节距的多排链。若传动中心距大而传动比小，取大节距的单排链。主动链轮齿数系数的选取结果见表图1 链排数的选取见表4-2。 表4-2 排数系数 排数 1 2 3 4 Km 1 1.75 2.5 3.3 综上所述：初定型号 525，节距 p=15.875mm 的单排链。 链轮分度圆直径与齿顶圆直径的计算 由公式（4-2） ： （4-2） 得到 =232.6266mm，则取232mm 由公式（4-3） ： （4-3） 得到=240.6568mm，则取240mm 由公式（4-4） ： （4-4） 得到 =76.354mm，则 取76 mm 由公式（4-5） ： （4-5） 得到 =83.258 mm，则取83 mm 根据大链轮的齿数 、分度圆直径与齿顶圆直径 ，设计的链轮如图4-1 图4-1 链轮设计图 中心距a小，传动结构紧凑，但a太小，链条总长太短，单位时间里每一链节参与啮合次数过多，加剧链的磨损和疲劳。a 过大，承载好，但链条长，横向振动大。一般 a=(30～50)p,a0max=80p（张紧或托板），中心距不可调时，amax≈30p。 综上所述：初定 a=30p=476.25 mm。 1、链节数Lp的计算 由公式（4-6）： （4-6） 式中：p—链条长度 —链轮中心距 代入式（4.6）得到=83.756。由于Lp 需要取整，且最好取偶数。即 Lp=84 链节距p的计算 首先需要确定系数主动链轮齿数系数，，。 查《机械手册》表得到小链轮齿数系数=1.34； 查《机械手册》表得=1.09。 选单排链，查表得=1.0。 所需传递的额定功率为 根据所得到的最大传递功率要求，查阅资料，选择滚子链型号为525，链节距p=15.875mm。 2、中心距的确定 由于公式（4-7）： （4-7） 式中： p—链条长度 —链轮中心距 —链节数 代入式（4-7）得到 a=250.35 mm，取250mm 3、小链轮轮包角的计算 由公式（4-8）： （4-8） 式中： —链轮分度圆直径 —齿顶圆直径链轮 —链轮中心距 代入式（4-8）得到链轮包角144.15° §4.4 差速器的设计与选择 汽车发动机的动力经离合器、变速器、传动链，最后传送到驱动桥再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一个总成，它的主要部件是差速器和主减速器。差速器是驱动轿的主件。普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。由于差速器允许车轮以不同转速转动，所以在泥泞等路面，当一个车轮打滑时，动力全部消耗在飞快转动的打滑车轮上了，其他车轮会失去动力。通俗的话说，差速器是让车辆转弯时候内外轮有轮速差用的，否则车辆转弯就会困难，但是差速器在越野道路上就是帮倒忙的。 因此，在四驱车上，还需配有限制和防止打滑的装置，如差速锁、限滑差速器、牵引力控制系统等。 §4.4.1 差速器原理 差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置（位能），它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动。同样的道理，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。 驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接，则两轮只能以相同的角度旋转。这样，当汽车转向行驶时，由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大，将使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖，而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。即使是汽车直线行驶，也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等（轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不等）而引起车轮的滑动。 车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损、增加功率和燃料消耗，还会使汽车转向困难、制动性能变差。为使车轮尽可能不发生滑动，在结构上必须保证各车轮能以不同的角度转动。 §4.4.2 差速器的分类 现代汽车上的差速器通常按其工作特性分为齿轮式差速器和防滑差速器两大类。 1、齿轮式差速器 当左右驱动轮存在转速差时，差速器分配给慢转驱动轮的转矩大于快转驱动轮的转矩。这种差速器转矩均分特性能满足汽车在良好路面上正常行驶。但当汽车在坏路上行驶时，却严重影响通过能力。例如当汽车的一个驱动轮陷入泥泞路面时，虽然另一驱动轮在良好路面上，汽车却往往不能前进（俗称打滑）。此时在泥泞路面上的驱动轮原地滑转，在良好路面上的车轮却静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮与路面之间的附着力较小，路面只能通过此轮对半轴作用较小的反作用力矩，因此差速器分配给此轮的转矩也较小，尽管另一驱动轮与良好路面间的附着力较大，但因平均分配转矩的特点，使这一驱动轮也只能分到与滑转驱动轮等量的转矩，以致驱动力不足以克服行驶阻力，汽车不能前进，而动力则消耗在滑转驱动轮上。 图4-2 防滑差速器 2、防滑差速器 为提高汽车在坏路上的通过能力，某些越野汽车及高级轿车上装置防滑差速器。防滑差速器的特点是，当一侧驱动轮在坏路上滑转时，能使大部分甚至全部转矩传给在良好路面上的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力来产生足够的驱动力，使汽车顺利起步或继续行驶。 图4-3 德雷克斯勒LSD差速器 3、Torsen LSD差速器 说起AWD轿车驱动系统人们不能不想到奥迪Quattro，正是奥迪的大胆创新并义无反顾才使得越来越多的人们享受到AWD带来的驾驶乐趣，而奥迪Quattro AWD的核心正是Torsen LSD差速器系统，谁能想到电子部件横行的今天它还保持着机械的清纯。 图4-4 托森差速器 汽车发动机的动力经离合器、变速器、传动链，最后传送到驱动桥再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一个总成，它的主要部件是差速器和主减速器。差速器是驱动轿的主件。普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。 差速器的这种调整是自动的，这里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态。例如把一粒豆子放进一个碗内，豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁，因为碗底是能量最低的位置（位能），它自动选择静止（动能最小）而不会不断运动。同样的道理，车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态，自动地按照转弯半径调整左右轮的转速。 当转弯时，由于外侧轮有滑拖的现象，内侧轮有滑转的现象，两个驱动轮此时就会产生两个方向相反的附加力，由于“最小能耗原理”，必然导致两边车轮的转速不同，从而破坏了三者的平衡关系，并通过半轴反映到半轴齿轮上，迫使行星齿轮产生自转，使外侧半轴转速加快，内侧半轴转速减慢，从而实现两边车轮转速的差异。 驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接，则两轮只能以相同的角度旋转。这样，当汽车转向行驶时，由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大，将使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖，而内侧车轮在滚动的同时产生滑转。即使是汽车直线行驶，也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等（轮胎制造误差、磨损不同、受载不均或气压不等）而引起车轮的滑动。 车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损、增加功率和燃料消耗，还会使汽车转向困难、制动性能变差。为使车轮尽可能不发生滑动，在结构上必须保证各车轮能以不同的角度转动 现代汽车上的差速器通常按其工作特性分为齿轮式差速器和防滑差速器两大类。 1、齿轮式差速器 当左右驱动轮存在转速差时，差速器分配给慢转驱动轮的转矩大于快转驱动轮的转矩。这种差速器转矩均分特性能满足汽车在良好路面上正常行驶。但当汽车在坏路上行驶时，却严重影响通过能力。例如当汽车的一个驱动轮陷入泥泞路面时，虽然另一驱动轮在良好路面上，汽车却往往不能前进（俗称打滑）。此时在泥泞路面上的驱动轮原地滑转，在良好路面上的车轮却静止不动。这是因为在泥泞路面上的车轮与路面之间的附着力较小，路面只能通过此轮对半轴作用较小的反作用力矩，因此差速器分配给此轮的转矩也较小，尽管另一驱动轮与良好路面间的附着力较大，但因平均分配转矩的特点，使这一驱动轮也只能分到与滑转驱动轮等量的转矩，以致驱动力不足以克驶阻力，汽车不能前进，而动力则消耗在滑转驱动轮上。此时加大油门不仅不能使汽车前进，反而浪费燃油，加速机件磨损，尤其使轮胎磨损加剧。有效的解决办法是：挖掉滑转驱动轮下的稀泥或在此轮下垫干土、碎石、树枝、干草等。 2、防滑差速器 为提高汽车在坏路上的通过能力，某些越野汽车及高级轿车上装置防滑差速器。防滑差速器的特点是，当一侧驱动轮在坏路上滑转时，能使大部分甚至全部转矩传给在良好路面上的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力来产生足够的驱动力，使汽车顺利起步或继续行驶。 3、Torsen LSD差速器 说起AWD轿车驱动系统人们不能不想到奥迪Quattro，正是奥迪的大胆创新并义无反顾才使得越来越多的人们享受到AWD带来的驾驶乐趣，而奥迪Quattro AWD的核心正是Torsen LSD差速器系统，谁能想到电子部件横行的今天它还保持着机械的清纯。 每辆汽车都要配备有差速器，我们知道普通差速器的作用：第一，它是一组减速齿轮，使从变速箱输出的高转速转化为正常车速；第二，可以使左右驱动轮速度不同，也就是在弯道时对里外车轮输出不同的转速以保持平衡。它的缺陷是在经过湿滑路面时就会因打滑失去牵引力。而如果给差速器增加限滑功能就能满足轿车在恶劣路面具有良好操控性的需求了，这就是限滑差速器(Limited Slip Differential，简称LSD)。全轮驱动轿车AWD系统的基本构成是具有3个差速器，它们分别控制着前轮、后轮、前图5-5 Torsen LSD差速器 每辆汽车都要配备有差速器，我们知道普通差速器的作用：第一，它是一组减速齿轮，使从变速箱输出的高转速转化为正常车速；第二，可以使左右驱动轮速度不同，也就是在弯道时对里外车轮输出不同的转速以保持平衡。它的缺陷是在经过湿滑路面时就会因打滑失去牵引力。而如果给差速器增加限滑功能就能满足轿车在恶劣路面具有良好操控性的需求了，这就是限滑差速器(Limited Slip Differential，简称LSD)。全轮驱动轿车AWD系统的基本构成是具有3个差速器，它们分别控制着前轮、后轮、前后驱动轴扭矩分配。这3个差速器不只是人们常见的简单差速器，它们是LSD差速器，带有自锁功能以保证在湿滑路面轮胎发生打滑时驱动轮始终保持有充足的扭矩输出从而在恶劣路况获得良好的操控性能。 §4.4.3 方程式赛车的差速器结构选择 FSAE赛车是一款竞技娱乐型赛车，赛车行驶的在良好的路面上，车轮与赛道有良好的附着系数。但是这毕竟是赛车，该车上安装的差速器不仅要起到单纯的差速和传力作用，还要具有一定的限滑功能。 汽车上广泛采用的差速器为对称锥齿轮式差速器，它具有结构简单、质量较小等优点，故应用广泛。 此外还有摩擦片式差速器。其内部具有一个可左右移动的摩擦片，当过弯离心力过大时，摩擦片被左右离心力向外侧甩，使得摩擦片锁紧，防止出弯时内侧车轮打滑。 托森差速器也具有限滑功能，他是利用蜗轮蜗杆的反向传递自锁的功能产生限滑功能的，并且完全纯机械式。 FSAE赛车设计中还要考虑轻量化，因此，重量较轻的的德雷克斯勒LSD差速器是众多车队向往购买的一款差速器，但是其2175美元并且不包含一切轴承、万向节甚至半轴等东西的昂贵价格也让这其中大部分车队望而却步！ 通过性价比的比较，以及我校现有的车队资金水平来看，购买这样的差速器来说还是不现实的。 因此在此次设计用，我们选择性价更好的夏利车型开式普通差速器，如图。 图4-5 夏利开式普通差速器 §4.4.4 差速器选用说明 目前差速器现有掌握的数据和众多FSAE车队选用情况统计来看，大部分车队选用这种自由开示差速器，并且绝大多数车队选用奇瑞QQ，奥拓，五菱之光，夏利的汽车的差速器。这种车型有一个共同的特点，功率都在50~60kw，与此次设计的方程式赛车相差不多。由于CBR600属于高转速引擎，并且赛车竞速是车轮的旋转速率都会较高，所承受的转矩应该会小于原车设计的标定参数。同时，鉴于量产车拥有较高的可靠度，因此，此次设计中使用的差速器理论上足以可靠并且可行。 §4.5 万向节的选择 所谓万向节，指的是利用球型连接实现不同轴的动力传送的机械结构，是汽车上有一个很重要的部件。万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。在前置发动机后轮驱动的车辆上，万向节传动装置安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间；而前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴，万向节安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮之间。 §4.5.1 万向节的工作原理 图4-6 万向节结构图 在汽车传动系及其它系统中，为了实现一些轴线相交或相对位置经常变化的转轴之间的动力传递，必须采用万向传动装置。万向传动装置一般由万向节和传动轴组成，有时还要有中间支承，主要用于以下一些位置： 1-万向节；2-传动轴；3-前传动轴；4-中间支承 发动机前置后轮驱动汽车的变速器与驱动桥之间。当变速器与驱动桥之间距离较远时，应将传动轴分成两段甚至多段，并加设中间支承。多轴驱动的汽车的分动器与驱动桥之间或驱动桥与驱动桥之间。由于车架的变形，会造成轴线间相互位置变化的两传动部件之间。 如图所示为在发动机与变速器之间。 采用独立悬架的汽车的与差速器之间。转向驱动车桥的差速器与车轮之间。汽车的动力输出装置和转向操纵机构中。 §4.5.2 等速万向节的分类 由于赛车后部空间结构比较紧张，运转速度较快，因此需要使用等速万向节。 等速万向节的种类如表6-1所示 表4-6 万向节的分类 类型 应用分类 球笼式万向节（Rezppa） 三球销式万向节（TJ） （中心固定型） 中心固定型等速万向节 可轴向移动的球笼式万向节（DOJ） 三球销万向节（TJ） （伸缩型） 十字槽万向节 伸缩型等速万向节 一、球笼式万向节 球笼式万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。早期的Rzeppa型球笼式万向节是带分度杆的，球形壳的内表面和星形套的球表面上各有沿圆周均匀分布的六条同心的圆弧滚道，在它们之间装有六个传力钢球，这些钢球由球笼保持在同一平面内。当万向节两轴之间的夹角变化时，靠比例合适的分度杆拨动导向盘，并带动球笼使六个钢球处于轴间夹角的平分面上。经验表明，当轴间夹角较小时，分度杆是必要的；当轴间夹角大于11°时，仅靠球形壳和星形套上的子午滚道的交叉也可将钢球定在正确位置。这种等速万向节无论转动方向如何，六个钢球全都传递转矩，它可在两轴之间的夹角达35°～37°的情况下工作。 图4-7 球笼式万向节 其中： 0：等速万向节工作角中心 A：星形套球道沟槽、 B：外套球道沟槽 P：球心 R：球道沟槽节圆半径 E：滑移距离 二、三球销万向节（定心）TJ 三脚架固定在三叉槽壳内，装在三销架三个轴线的球环和叉状轴形成工作角度的中心固定型等速万向节。 图4-8 三球销万向节（定心）TJ 三、十字槽型等速万向节（VL） 滚球由在内、外圈直沟道交叉处具有外球面的保持架夹，轴向等角度相互转动的伸缩型等速万向节。 图4-9 十字槽型等速万向节（VL） 图中： O:等速万向节工作角中心 P：球心 R：球道沟槽的节圆半径 以上三种万向节是FSAE赛车中常用的，在此给予列举，简述其原理。 §4.6 此次设计选用的万向节类型 图4-10 球笼万向节Rzeppa+VL节总成 固定型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节被广泛地应用在具有独立悬架的驱动桥中，在靠近转向轮一侧采用固定型球笼式万向节，靠近差速器一侧则采用伸缩型球笼式万向节，以补偿由于前轮跳动及载荷变化而引起的轮距变化。 本次设计采用夏利的内球笼式万向节，靠近车轮为固定型球笼式万向节，靠近差速器为伸缩性球笼式万向节。该车型发动机功率大于本次设计赛车功率，其变速比整体大于本赛变速比，故在半轴上传递的力矩大于本赛车的，故选用的万向节能满足强度要求。 参考文献 [1] 郭竹亭编.汽车车身设计.吉林：吉林科学技术出版社，1992 [2] 李少波. 汽车车身计算机辅助设计与分析.［硕士论文］.贵阳：贵州工业大学,1999 [3] 王望予.汽车设计。北京：机械工业出版社，2004.9 [4]常明.汽车底盘结构.国防工业出版社,2005 [5] 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