大學生賽車傳動系設計-賽車鏈傳動設計【含6張cad圖紙+文檔全套資料】
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任務書
學 院：
專 業(yè)：
學 生 姓 名：
學 號：
設計題目：
賽車傳動系設計
起 迄 日 期:
設計地點:
指 導 教 師:
負 責 人:
發(fā)任務書日期:
任務書填寫要求
1．設計任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經(jīng)學生所在學院的負責人審查、負責人簽字后生效。此任務書應在設計開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學生；
2．任務書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學生設計完成的情況相一致，若有變更，應當經(jīng)過所在專業(yè)及學院領導審批后方可重新填寫；
4．任務書內(nèi)有關“學院”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號（如0201140102,為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；
5．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。
任 務 書
一、設計課題的任務和要求：
根據(jù)中國大學生方程式汽車大賽賽事規(guī)則和賽車制造標準要求，對賽車傳動系統(tǒng)進行設計及優(yōu)化，協(xié)同制作中國大學生方程式賽車。賽車必須在加速、制動和操控性方面具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，同時又必須具有足夠的耐久性能夠順利完成規(guī)則中提及的及比賽現(xiàn)場進行的所有項目。
二、設計課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：
1、了解課題相關背景，熟悉、掌握汽車傳動系統(tǒng)的組成及工作原理；
2、查閱相關技術文獻15篇以上，其中至少有2篇外文相關文獻，并將其中1篇不少于2000詞的外文資料翻譯成漢語；
3、確定傳動系統(tǒng)的布置方案（萬向節(jié)、傳動軸的布置）；
4、傳動系統(tǒng)的建模與分析；
5、利用MATLAB與ADAMS軟件對傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化設計；
6、確定萬向節(jié)及傳動軸的設計方案；
7、應用CATIA對傳動系統(tǒng)各部件進行三維建模；
8、傳動系統(tǒng)的加工制作；
9、制作FSC賽車、撰寫設計說明書1篇；
10、設計答辯。
任 務 書
三、對設計課題成果的要求〔包括設計、圖紙、實物樣品等)：
1、 FSC賽車一輛；
2、 設計設計、設計電子文稿、答辯PPT各一份；
3、外文翻譯一份。
四、設計課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2017年
2月13日~ 3月6 日
3月7日~ 5月20 日
5月21 日~6月10 日
調(diào)研、文獻檢索、制定方案，撰寫開題報告
制作中國大學生方程式賽車、撰寫設計說明書
準備和進行設計設計答辯
學生所在學院審查意見：
負責人：
年 月 日
開題報告
學 生 姓 名：
學 號：
學 院：
專 業(yè)：
設計題目：
賽車傳動系設計
指導教師:
開 題 報 告
1． 選題依據(jù)：
1.研究的目的及意義
FSC是一級方程式汽車比賽汽車工程由大學或汽車相關專業(yè)學生組成的團隊參加汽車比賽的設計和制造[1]。中國大學生方程式汽車大賽（簡稱FSC大賽）也是由中國汽車工程協(xié)會主辦，有著“力爭上游，擎動未來”的巨大夢想，堅持“穩(wěn)中求勝”的設計理念，立足于中國汽車工程教育發(fā)展和汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)實根基，吸收和借鑒國際大學生方程式汽車大賽（簡稱FSAE大賽） 賽事的成功經(jīng)驗，為國內(nèi)優(yōu)秀汽車行業(yè)人才的培養(yǎng)和選拔建立公共平臺。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，由一年的時間內(nèi)，自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面均具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，同時，設計的賽車要成功完成各部分賽事，所以要求所設計的賽車必須滿足耐久性、經(jīng)濟性和動力性[2]。發(fā)動機系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車架、車身、制動系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等構成了FSC賽車。因此，為了獲得良好的加速性、制動性、耐久性和經(jīng)濟性，傳動系統(tǒng)的設計尤為重要[3]。
汽車傳動系參數(shù)的優(yōu)化設計是在質(zhì)量的軸荷分配、汽車總質(zhì)量、空阻及滾阻等量已確定的情況下，較為合理的設計和選擇傳動系參數(shù)，可以很大程度提高匹配后汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放特性[4]。以往傳動系統(tǒng)參數(shù)設計依靠大量的實驗和反復測試完成，耗時長，高花費，計算機的廣泛使用和新的計算方法的出現(xiàn)， 使得以計算機模擬計算為基礎的傳動系設計可在方程式賽車的設計階段就較準確地預測賽車的動力性、經(jīng)濟性和排放特性，經(jīng)濟且迅速。
目前，我國圍繞汽車傳動系統(tǒng)的設計和優(yōu)化，主要在以下幾個方面展開工作：①汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計評價指標的研究；②汽車傳動系各部分數(shù)學模型的研究，特別是傳動系各部分在非工況下模型的研究；③按給定工況模式的模擬研究；④按實際路況隨機模擬的研究；⑤傳動系參數(shù)優(yōu)化模型的研究；⑥模擬程序的開發(fā)與研究[5]。
2.傳動系統(tǒng)的簡介
傳動系統(tǒng)以 Carl Benz 研制的第一輛汽車為誕生標志。發(fā)展到今天，自驅(qū)動汽車已基本成為現(xiàn)代汽車的代名詞隨著自驅(qū)動汽車的發(fā)展，其傳動系統(tǒng)也相應經(jīng)歷了幾代的更新與完善，傳動介質(zhì)豐富化、傳動功能集成化、傳動裝置自由度的增長化趨勢越來越明顯，同時隨著傳動系統(tǒng)種類和形式的擴大及結構的復雜，不同傳動系統(tǒng)之間的關聯(lián)性越來越難了解。發(fā)現(xiàn)了傳動系統(tǒng)會向無級、復合傳動、多功率流及多自由度方向演變發(fā)展[6]。
汽車的傳動系統(tǒng)是汽車實現(xiàn)機械轉(zhuǎn)換和傳遞的重要部件系統(tǒng)，因為傳動系統(tǒng)，才使發(fā)動機的輸出動力能夠穩(wěn)定地傳送給車輪，并驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)汽車在任何條件下都能正常行駛，且努力提高汽車的動力性和經(jīng)濟性[7]。對于提高汽車動力性、燃油經(jīng)濟性主要是因為汽車動力傳動系形式與參數(shù)的合理選擇。能與發(fā)動機合理匹配的傳動系可以使發(fā)動機經(jīng)常在經(jīng)濟工作區(qū)域內(nèi)工作。其中傳動系統(tǒng)包括：（1）變速器 ①改變傳動比，滿足不同行駛狀況下對牽引力的需要，使發(fā)動機盡可能工作在有利的工況下，滿足可能的行駛速度； ②實現(xiàn)倒車行駛，用來滿足汽車倒退行駛的需要；③中斷動力傳遞，在發(fā)動機起動，怠速運轉(zhuǎn)，汽車換檔或需要停車進行動力輸出時，中斷向驅(qū)動輪的動力傳遞。（2）離合器 安裝于發(fā)動機與變速器之間，用于短暫地分離兩者或平順地結合以傳遞發(fā)動機的動力。（3）萬向傳動裝置 在汽車傳動系及其它系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)一些軸線相交或相對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動力傳遞，必須采用萬向傳動裝置。萬向節(jié)和傳動軸組成了萬向傳動裝置，有時還要有中間支承。其連接變速器與驅(qū)動橋、連接離合器與驅(qū)動橋或變速器與分動器、連接斷開式驅(qū)動橋或轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋和連接轉(zhuǎn)向操縱機構。（4）驅(qū)動橋 其主要由主減速器、差速器、半軸和驅(qū)動橋殼等組成。其功能是將變速器輸出的轉(zhuǎn)矩一次經(jīng)過主減速器、差速器、半軸等傳到驅(qū)動輪；通過主減速器齒輪副實現(xiàn)減速增距，并在需要時改變動力傳遞方向；通過差速器來實現(xiàn)左、右驅(qū)動輪以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)即差速作用[8] [9]。
此外，由于發(fā)動機、離合器和變速器固定在車架上，而驅(qū)動橋和驅(qū)動輪一般是通過彈性懸架與車架聯(lián)系的，因此在汽車行駛過程中，變速器與驅(qū)動輪之間有相對運動。在這樣的情況下，兩者之間不能用簡單的通過整體傳動軸傳動，應該采用萬向傳動裝置。汽車傳動系統(tǒng)的組成及其在汽車上的布置形式，取決于發(fā)動機的形式和性能、汽車總體結構形式、汽車行駛系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)本身的結構形式等許多因素。方程式賽車一般采用發(fā)動機中置后輪驅(qū)動的MR方案。該方案布置有利于實現(xiàn)前、后軸的軸荷分配。MR方案中發(fā)動機發(fā)出的動力經(jīng)過離合器、變速器、由萬向節(jié)和傳動軸組成的萬向傳動裝置以及安裝在驅(qū)動橋的主減速器、差速器和半軸，最后傳到驅(qū)動車輪[10]。
3.方程式賽車傳動系統(tǒng)國內(nèi)外研究狀況
3.1國外研究現(xiàn)狀
FSAE比賽開始在1980年初在美國舉辦的第一次比賽，國外目前已經(jīng)是為汽車工程學會的學生成員舉辦的一項國際賽事[11]。當時報名的學校只有6個，但只有4支參賽隊伍，如今美國每年有200支隊伍參加比賽，比賽的人數(shù)將近2萬人次[12]。20世紀60、70年代初期就開始對汽車動力性、燃油經(jīng)濟性的計算機模擬程序的研究。這些程序在樣車制造前就能準確地對汽車動力性燃料經(jīng)濟性進行預測，并可根據(jù)幾種傳動系速比的變化引起整車性能變化，找到此變化的關系及能與所選發(fā)動機合理匹配的傳動系。歐美等發(fā)達國家對大學生方程式FSAE比賽都非常關注，每個學校都會組建自己FSAE賽車隊，參加各自區(qū)域的系列賽車,并且重新設計自己的賽車，使制造的賽車性能更加突出。日本的方程式FSAE比賽發(fā)展很快，已經(jīng)成為亞洲地區(qū)舉FSAE賽事的先鋒隊。其在加速性能上，日本所設計的賽車變速器能在規(guī)格指標和目標時間準確算出必要的功率[13]。伊朗、印度以及泰國等十幾家外國車隊都參加過日本舉辦的FSAE比賽。FSAE比賽早已進入平穩(wěn)發(fā)展階段由此可見，國外的傳動系統(tǒng)的技術已經(jīng)進入成熟階段[14]。
3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
隨著大學生方程式汽車大賽影響力的逐漸擴大，中國各大專院校也開始逐漸關注并
參與這一賽事。2010 年10 月，首屆中國大學生方程式汽車大賽（FSC）在上海舉行，
吸引了國內(nèi) 20 支大學車隊參與了這次比賽，大賽取得圓滿成功。此后的幾年時間里，
大賽規(guī)模不斷擴大，賽事影響力不斷加深[15]。①華南理工大學的FSC賽車氣動傳動系統(tǒng)
實現(xiàn)了半自動換檔，司機可以更方便，在更短的時間內(nèi)完成換檔操作，從而提高比賽結
果。 根據(jù)預設程序驅(qū)動換檔氣缸和離合器氣缸，壓縮二氧化碳在電子控制單元的操縱
下完成整個傳動過程[16]。②天津大學采用春風CF188 發(fā)動機總成變速器有V 型齒形皮
帶自動無級變速器和帶換檔凸輪的有級變速器，采用手操作杠桿式變檔。離合器型式為
濕式蹄塊自動離心式。傳動系統(tǒng)初始方案為：發(fā)動機總成-傳動軸-主減速器-差速器-左
右半軸-左右驅(qū)動輪[17]。③大學方程式4.0號賽車采用鈴木GSXR-600四缸發(fā)動機和
托森差速器。該賽車在調(diào)節(jié)方式上采用偏心輪調(diào)節(jié)，在去年的基礎上球籠（等速萬向節(jié)）
短軸一體，而且尺寸改小，在受力強度要求符合的情況下的改進。其他部分是材料的變
化。④太原理工大學方程式賽車采用本田CBR600發(fā)動機，還采用了托森差速器，其更
換了差速器外殼，其他是材料和工藝上的設計。
參考文獻
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of Technology[J].Advanced Materials Research, 2013,2586(774):.
[17]天津大學FSAE團隊成員.天津大學FSAE團隊賽車設計報告[A].天津大學。2010.10.
開 題 報 告
２．研究方案：
1.研究及解決的問題：
（1） 傳動比與動力性計算；
（2） 鏈傳動的計算；
（3） 各零件的設計、建模、應力分析；
（4） 工程圖的繪制；
2.設計方案概述：
（1）在動力性計算時，可以根據(jù)公式進行計算賽車的動力性參數(shù)，部分參數(shù)需要近似計算，然后參考數(shù)據(jù)進行傳動系的設計。當然最優(yōu)的方法是采用臺架實驗等測出相關參數(shù)，然后采用數(shù)據(jù)擬合軟件，較為精確得到各參數(shù)的數(shù)值與變化情況。由于設備和知識水平的限制，本文采用公式計算賽車的動力性。但是經(jīng)過分析，數(shù)據(jù)具有有效的參考價值。
（2）結構設計原則主要為輕量化。采用三維軟件輔助設計，根據(jù)已有的零件、車架及裝配關系來設計其他零件，對零件進行嚴格的三維建模并裝配，以設計其余零件并檢查干涉情況與限位情況。對零件的應力分析，有經(jīng)驗公式計算和軟件分析等方法，本文采用軟件分析法，以得到零件更準確的受力。
（3）另外，加工零件必須還有材料、公差配合、技術要求等。本文借助機械設計手冊對加工件進行了公差設計，并繪制工程圖紙，根據(jù)工程圖紙可加工出各零件。
3.設計工作進度：
① 2月13日-3月16日 調(diào)研、文獻檢索、制定方案、撰寫開題報告。
② 3月 7日-5月20日 制作大學“夢想4.0”大學生方程式賽車、撰寫設計說明書。
③ 5月21日-6月10日 準備和進行設計設計答辯。
開 題 報 告
指導教師意見：
指導教師：
年 月 日
外文資料翻譯
原文名稱
Design of pneumatic transmission system base on FSC car
中文名稱
FSC賽車氣壓傳動系統(tǒng)的設計
原文來源：
JieLi，ShsnHuYu,GangZhu,Advanced Materials Research，2013，共7頁
學生姓名：
學號：
學 院：
專 業(yè)：
指導教師:
外文資料翻譯
外文資料翻譯
1 英文原文: (PDF格式)
2 中文翻譯:
氣壓傳動系統(tǒng)的設計—基于大學FSC賽車
摘要：華南理工大學的FSC賽車氣壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了半自動換檔，司機可以在較短的時間內(nèi)更加快捷地完成移位操作，從而提高比賽成績。根據(jù)預設程序驅(qū)動換擋油缸和離合器油缸，壓縮二氧化碳在電控單元的操縱下完成整個傳動過程。本文詳細討論了執(zhí)行器和電子控制單元的設計過程，同時對由此產(chǎn)生的汽車調(diào)試問題，提出了系統(tǒng)的優(yōu)化方向。
關鍵詞:FSC賽車，氣壓傳動系統(tǒng)，執(zhí)行器，控制單元
介紹
傳統(tǒng)的FSC賽車采用普通手動換檔方式，對駕駛員的操作要求較高，影響了汽車轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和比賽的性能。華南理工大學的FSC賽車采用氣壓換檔系統(tǒng)代替手動換檔系統(tǒng)，實現(xiàn)了半自動變速，具有減輕駕駛員負擔，減少傳動時間，提高汽車動力性能和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性等顯著效果。
與手動換擋系統(tǒng)相比，氣壓傳動系統(tǒng)如下優(yōu)點：
(1) 換擋更快，換擋時間縮短，有利于改善比賽結果；
(2) 在駕駛過程中，司機可以一直緊握方向盤，提高車輛的機動性；
(3) 當換檔時，盡可能減少駕駛員注意力的分散，駕駛員可以更好地加入到 比賽中，從而提高汽車的安全性。
研究方案
主要研究方法和依據(jù)：氣壓傳動系統(tǒng)主要包括參數(shù)測量設計，機械結構設計，控制電路設計，部件采購生產(chǎn)，裝配調(diào)試等。在設計過程開始之前，我們需要已知量的測量參數(shù)，如起重檔位的轉(zhuǎn)角，傳動扭矩等。設計理論結合實際情況，如汽車傳動系統(tǒng)布局協(xié)調(diào)的組合空間等。反復進行生產(chǎn)裝配過程，來驗證各子系統(tǒng)的合理性和可靠性，確保氣壓傳動系統(tǒng)符合設計要求。為了實現(xiàn)相對合理的換檔系統(tǒng)工作狀態(tài)，我們明確了車輛調(diào)試過程中調(diào)試目標和調(diào)試方案。
主旨：在peumatic pick shift系統(tǒng)設計和生產(chǎn)中，我們必須解決以下問題：
(1) 設計合理穩(wěn)定的氣壓回路，在原理上完成換檔動作；
(2) 設計滿足要求的控制電路，使其在工作流程中穩(wěn)定地運作；
(3) 氣力密封是可靠的，工作壓力符合設計要求；
(4) 設計生產(chǎn)起動離合器的操縱機構，以滿足汽車順利啟動要求；
(5) 對整個系統(tǒng)進行靜態(tài)和動態(tài)的測試與調(diào)試，測試工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時根據(jù)實際 情況調(diào)整控制參數(shù)，進一步縮短換擋時間。
氣壓傳動系統(tǒng)工作原理
轉(zhuǎn)換的過程：發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速之間的關系為公式(1)：
(1)
ua是車速(km/h)，n是發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)，r為車輪半徑(m)，ig是傳動比，i0減速機齒輪比。賽車升檔，變速比降低，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低； 賽車降檔，變速箱齒輪比增加，發(fā)動機轉(zhuǎn)速也提高。 在升檔過程中，為了使發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，可以通過三種方式實現(xiàn)：駕駛員松開加速踏板，發(fā)動機燃油噴射暫停，點火暫停。 發(fā)動機點火開關切斷，速度快速下降，驅(qū)動器不需要釋放加速器，從笨重的動作中消除，對發(fā)動機功率沒有影響，并確?；鸹ㄈ谡－h(huán)境下工作，減少受損。 因此，賽車行業(yè)通常采用發(fā)動機點火方式來完成賽車升檔動作。 汽車可以控制Motec M800的發(fā)動機點火。在賽車降檔過程中，要使發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，必須使離合器分離，司機踏上加速器及時補油。為了減少駕駛員疲勞，縮短時間等方面，我們設計氣壓離合器。
執(zhí)行機構的工作原理：換檔執(zhí)行機構原理圖如下圖1所示，氣瓶中的高壓氣體為動力源，氣體通過減壓閥制動氣缸。電磁閥用于控制離合器臂和搖臂運動的移動。
圖 1 執(zhí)行機構原理圖
執(zhí)行器設計
氣體介質(zhì)：因為氮和二氧化碳的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，我們可以從相關渠道購買液氮或二氧化碳，最重要的是在日常生活中我們可以以液體形式儲存。 二氧化碳與氮氣相比，完成相同的換檔次數(shù)，氮氣瓶體積大于二氧化碳瓶，氮的價格高于二氧化碳。最重要的是液態(tài)二氧化碳在國內(nèi)廣泛應用于水族箱，因此瓶裝的更方便。綜合上述因素，我們選擇二氧化碳作為氣體介質(zhì)。
氣壓：考慮到電磁閥和氣缸的壓力為0.15?0.8MPa，出售的二氧化碳減壓閥的工作壓力可以調(diào)整，范圍為0?1MPa，執(zhí)行器的工作壓力700 kP(101.5 psi)。
氣缸模型：執(zhí)行器由兩個氣缸組成，每個控制裝置分別移動搖臂和離合器的搖臂。氣缸模型主要確定氣缸類型，沖程，活塞面積和固定方式。 換檔氣缸通過氣體驅(qū)動進行來
運動，因此選擇雙作用氣缸。離合器氣缸依靠氣動活塞桿出來，在外力作用下返回，所以選擇單作用氣缸。
變速缸的確定：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，移位角為14°，設計移位搖臂L1的長度為110 mm。換檔齒輪軸和換檔油缸的安裝方法如圖2所示，活塞桿在降檔時熄滅，活塞桿升檔時返回，活塞桿處于中間位置時不動作。
圖2換檔缸安裝原理圖 圖3氣缸行程的圖形方法
假設為80毫米迷你氣缸選擇沖程，圖2中的兩點距離為200毫米，通過已知的圖形方法(圖3)，提升氣缸沖程為50 mm。為了方便安裝和吸氣，用20 mm限額計算沖程余量，因此氣缸沖程大于70mm。根據(jù)GB/T2349-1980流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸。 基于一系列的活塞沖程，結果表明，沖程為80 mm的氣缸可以滿足設計要求，并使氣缸的響應時間最小化，因此氣缸沖程S1為80 mm。
降檔，活塞桿突出。 實驗數(shù)據(jù)表明，使換檔軸順時針轉(zhuǎn)矩T1=6300 N?mm，搖臂長度L1為110 mm(L1=110 mm)，作用力與搖臂之間的角度α為65°(α=65°) ，安全系數(shù)S為1.5，根據(jù)公式(2)，氣缸推力F1為95N(F1=95N)。
(2)
(3)
通過公式(3)，其中p=700 kPa，我們可以獲得活塞直徑D1=13.14 mm。升檔時，活塞桿返回。以同樣的方式，
(4)
通過公式(4)，其中p=700 kPa，因為活塞桿壓縮和張力，所以d2=0.5D2，我們可以獲得活塞直徑d2=16.38 mm?？傊?，根據(jù)GB/T 2349-1980流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸?；谝幌盗械幕钊麤_程，我們得到變速箱內(nèi)徑D=20 mm，活塞桿直徑d=8 mm。檢查符合要求。
離合器缸的確定：離合器氣缸的安裝方法如圖4所示，活塞桿脫落時出現(xiàn)。
圖4離合器缸安裝方式
實驗數(shù)據(jù)表明，離合器T3的單獨扭矩為11820N?mm（T3 = 11820N?mm），設計的離合器臂L3為70 mm（L3 = 70 mm），作用力與搖臂之間的角度β為77 °（β= 77°），安全系數(shù)S'為2，根據(jù)公式（2），氣缸推力F3 = 346.6N，根據(jù)公式（3），活塞直徑D3 = 25.11 mm。
根據(jù)“GB/T 2348-1993流體動力系統(tǒng)和部件—氣缸硼砂和活塞桿直徑”來計算氣缸內(nèi)徑的標準化，離合器缸內(nèi)徑D=32mm。同樣，離合器分離角度為35°(包括自由行程)，最后選擇離合器油缸行程S3=50mm?？傊?，換氣缸是20×80mm的小號雙作用筒，固定的方式是鉸鏈；離合器缸是32×50mm中號單動圓柱，固定的方式是鉸鏈。
氣缸容積：氣瓶的二氧化碳作為一個系統(tǒng)，在完成轉(zhuǎn)變過程中，系統(tǒng)與環(huán)境之間交換的熱量是Q，交換的功是W，由于轉(zhuǎn)換過程非?？欤ㄟ^傳熱損耗的能量Q很小，可以忽略不計：
(5)
W 是當活塞運動時消耗的能量。W1是升檔時氣缸工作消耗的能量，W2是降檔時汽缸工作時消耗的能量，W3是離合器氣缸工作消耗的能量，完成一個換檔周期(一次升檔，下移降檔)，離合器氣缸工作一次，換氣缸工作二次，氣缸總能量W表達如下:
(6)
在把二氧化碳從液體變成氣態(tài)的過程中，熱力學能是
(7)
m是完成轉(zhuǎn)變周期的二氧化碳質(zhì)量，T1，T2是二氧化碳之前和之后的溫度變化，T1是293 k，T2是323 k，C1，C2可以通過查表得到。計算得到二氧化碳的質(zhì)量是0.090 g。假設轉(zhuǎn)變次數(shù)n最好是2500次，現(xiàn)在考慮傳熱損失的能量，安全系數(shù)S=2.5，這里用于完成比賽的二氧化碳的質(zhì)量是：
(8)
對比市場上的二氧化碳氣瓶，0.8 L的二氧化碳氣瓶可以滿足要求。
電磁閥的類型：考慮到只需要傳動離合器油缸活塞桿，所以我們可以選擇兩三個常用的閉合電磁閥。壓縮氣體驅(qū)動移動氣缸活塞桿縮回，當不換擋時，氣缸需要保持中立地通過3.5個排放壓力的電磁閥控制。由于汽車電源電壓為12 V，所以選擇12 V電的磁閥。
啟動離合器控制機構的設計：在變速、離合器快速結合的過程中，氣動控制系統(tǒng)為了確保汽車起動，汽車應采用通過纜繩分離和離合器控制組合的離合器控制機構。
汽車應該通過纜線分離和離合器控制組合，從開關控制機構開始。設計起動離合器，應考慮方案的可行性。圖5和圖6是材料和安裝示意圖。
圖5 起動離合器的物理圖 圖6 起動離合器的安裝簡圖
控制單元的設計
控制的任務：司機通過按一個按鈕，提升信號，控制單元驅(qū)動相應的電磁閥，壓縮氣體帶動相應的汽缸工作，實現(xiàn)了換擋操作。表1是控制單元的工作過程:
表 1 控制單元的工作過程
發(fā)送降檔指令
↓
離合器電磁閥工作
↓
離合器電磁閥和降檔電磁閥一起工作
↓
降檔電磁閥停止工作
離合器電磁閥繼續(xù)工作
↓
離合器電磁閥停止工作
升檔行為結束
發(fā)送升檔指令
↓
EUC點火控制
↓
降檔電磁閥和EUC關閉點火控制一起
↓
EUC點火控制
降檔電磁閥停止工作
完成降檔
電路設計：電路的原理圖如圖7所示。
圖7電路工作原理圖
電路的特性
(1) 兩個中斷的按鈕設置(P3.2和P3.3)，與常用的die循環(huán)查詢方法相比，信號處理更快；
(2) 由于51系列單片機(MCU)的特點，電力輸出的全部默認值為高水平。如果直接使用單片機控制芯片，會導致為了幾微妙所有電磁閥一起工作。使用74HS04逆變器作為反向處理的信號，使單片機信號進入低電平，使初始工作正常。信號驅(qū)動電磁閥通過常用的電機驅(qū)動芯片MC33886，MC33886，能夠提供滿足電磁閥0.25A的工作電流。
編程設計：本程序結合了Keil uVision4與C語言。由于有C語言的程序，因此注釋清晰，易更改，容易控制和關閉時間。可以看到程序結構的流程圖。海外團隊的最佳時間是200毫秒。為了保護引擎和其他原因，程序的初始設定時間相應出現(xiàn)。通過實際車輛調(diào)試，將電梯控制時間調(diào)整到最佳方式。
控制單元的改進：STC1F04E單片機控制芯片，有一些不穩(wěn)定的問題，比如讀齒輪信號問題，完成換擋信號不清楚，響應延遲等。與單片機相比，ECU有非常穩(wěn)定的功能，并能切實有效地解決外部誤差信號的干擾，準確地執(zhí)行司機控制動作。結合汽車的情況，我們直接使用ECU控制移位信號。MoTec M800有移位控制功能，不需要復雜的手動編程，只在ECU程序中設置一些參數(shù)。同時ECU布線方便，因此，將A32，A33和A34三個插頭與相應的電磁閥控制直接連接，圖10顯示了右上部分的3個引線。
圖10 MoTec M800 ECU部分附件
結論
本文對華南理工大學的FSAE汽車的設計進行了綜合分析。氣壓傳動系統(tǒng)直接影響著汽車的操作，換擋系統(tǒng)直接影響汽車的性能。本文結合三者的參與經(jīng)驗和實際情況，主要介紹了氣動換擋系統(tǒng)的設計方法，對華南理工大學FSC賽車的氣壓傳動系統(tǒng)設計具有重要的指導意義。
7
說明書
大學生賽車
傳動系設計
學生姓名：_ __ 學號:_ ______ _
學 院： ________________________________
專 業(yè)：_________________________________
指導教師： _______________________________
大學生賽車傳動系設計
摘要
FSC是一級方程式汽車比賽汽車工程由大學或汽車相關專業(yè)學生組成的團隊參加汽車比賽的設計和制造。FSC賽車由發(fā)動機系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車架、車身、制動系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等構成。因此，對本文所涉及的研究方向而言，為了獲得良好的加速性、制動性、耐久性和經(jīng)濟性，傳動系統(tǒng)的設計尤為重要。
汽車傳動系是決定汽車動力性和經(jīng)濟性的關鍵，是將發(fā)動機發(fā)出來的動力和運動經(jīng)由傳動系傳遞到驅(qū)動輪上，所以，對它進行優(yōu)化設計，可以節(jié)省燃油和提高賽車的動力性。因此，對賽車傳動系的優(yōu)化仿真設計是非常重要的，主要對整車的性能。我們應當對傳動系進行結構選型，優(yōu)化分析，明確理想的布置方案，選擇適當?shù)慕Y構。
然而，傳動系的優(yōu)化為賽車的設計、制造與調(diào)試提供了及其重要的理論基礎，也是賽車性能分析的一個重要組成因素。
關鍵詞：賽車傳動系，動力性與傳動比，賽車鏈傳動，差速器，ANSYS分析優(yōu)化
Design of the "Dream 4.0" racing drive system of North University
Abstract
FSC is a Formula One car race car engineering by the University or automotive-related professional students to participate in the team to participate in the design and manufacture of car racing. FSC racing consists of engine system, suspension system, transmission system, steering system, frame, body, brake system and safety system. Therefore, in order to obtain good acceleration, braking, durability and economy, the design of the transmission system is particularly important for the research direction involved in this paper.
The car drive system is the key to determining the power and economy of the car. It is the power and movement of the engine to be transmitted to the drive wheel via the driveline. Therefore, it is designed to save fuel and improve the power of the car. Therefore, the optimal design of the racing system is very important, mainly on the performance of the vehicle. We should carry out structural selection of the transmission system, optimize the analysis, clear the ideal layout, select the appropriate structure.
However, the optimization of the driveline provides an important theoretical basis for the design, manufacture and commissioning of the car, as well as an important component of racing performance analysis.
Key words: driveline,dynamic and transmission ratio,chain drive,differential ,ANSYS analysis optimization
目 錄
1 緒論 1
1.1 FSC賽事介紹 1
1.2 本文研究的目的及意義 2
1.3 傳動系的發(fā)展和現(xiàn)狀 2
1.4 賽事規(guī)則對賽車傳動系統(tǒng)的要求 3
2 動力性與傳動比的計算 5
2.1 傳動比的計算 5
2.1.1 發(fā)動機性能參數(shù) 5
2.1.2 末級傳動比的確定 5
2.2 賽車動力性計算 6
2.2.1評價指標 6
2.2.2動力性計算 6
3 鏈傳動的設計 9
3.1 傳動方式的選擇 9
3.2 鏈傳動的設計與計算 10
3.2.1 鏈條的設計 11
3.2.2 鏈傳動的計算 12
4 傳動系零件的選型和設計 19
4.1 差速器 19
4.1.1 差速器的介紹和功用 19
4.1.2 限滑差速器 19
4.1.3 差速器的選取 19
4.2 托森差速器的潤滑方式 23
4.3 大小鏈輪的設計 24
第Ⅰ頁 共Ⅲ頁
4.3.1 大鏈輪的結構設計 24
4.3.2 小鏈輪的結構設計 25
4.4 差速器的殼體 25
4.5 差速器輸出軸 26
4.5.1 軸的結構設計 27
4.6 輪芯 27
4.7 差速器支撐 28
4.7.1 軸承的選擇 28
4.7.2 支撐的結構 28
4.8 吊耳和張緊的優(yōu)化設計 29
4.8.1 吊耳的設計 29
4.8.2 張緊的設計 29
4.9 半軸與萬向節(jié) 30
4.9.1 半軸 30
4.9.2 萬向節(jié) 31
5 傳動系統(tǒng)的ANSYS分析 33
5.1 ANSYS的介紹 33
5.1.1 ANSYS的概述 33
5.1.2 ANSYS的分析步驟 33
5.1.3 ANSYS仿真步驟 33
5.2 各零部件的受力分析 34
5.2.1 大鏈輪的ANSYS分析 34
5.2.2 軸的ANSYS分析 36
5.3 傳動系的優(yōu)化 37
5.3.1 優(yōu)化方案 37
5.3.2 優(yōu)化方案的介紹與選擇 37
第 Ⅱ頁 共Ⅲ頁
5.3.3 輪芯的ANSYS優(yōu)化 38
總結 41
參考文獻 42
致謝 44
第Ⅲ 頁 共Ⅲ頁
1 緒論
1.1 FSC賽事介紹
中國方程式汽車受國外的影響，即是受到FSAE的影響。 FSAE由國際汽車工程師學會(SAE International)在20世紀末創(chuàng)建，它可以說是一個虛擬的企業(yè)，給出方案與規(guī)則，讓大學生們自行設計一款小型賽車，然后要求在各個性能上滿足汽車所需要的要求以適合各種賽道比賽。第一屆比賽于1979年在美國休斯頓舉行。此項賽事的目的在于培養(yǎng)本科生和研究生設計制造小型汽車的能力，為汽車工業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)領頭人和工程師。經(jīng)過三十多年的艱辛歷程，F(xiàn)SAE方程式賽車大賽在很多大學生中的賽車人眼中很重要，每年都會有很多高校進行比賽。在2009年的時候，這樣的大賽事被引進中國。然后在2010年在上海舉辦了第一屆的比賽。
FSC賽事是中國各大高校的學生，在關于賽車方面相近的專業(yè)，符合設計要求的專業(yè)，然后設計和制造一輛賽車。他們必須在比賽規(guī)則和要求的條件下，在一定的時間內(nèi)，設計一款符合比賽要求中滿足各性能要求的賽車。
FSC為國人搭建優(yōu)秀的舞臺，進行嚴格培養(yǎng)，以可以增強賽車人的技能，有效的增強賽車綜合能力，可以增進中國汽車企業(yè)從“制造大國”向“產(chǎn)業(yè)強國”的偉大艱辛歷程過渡。
大賽愿景是推動中國汽車產(chǎn)業(yè)自主研發(fā)與科技的進步，增強中國汽車產(chǎn)業(yè)“引進——消化——吸收——再創(chuàng)新”與“自主創(chuàng)新”的能力，增進中國制造性質(zhì)向中國創(chuàng)造性質(zhì)的轉(zhuǎn)型，促進民族品牌向世界品牌的跳越。
汽車人才培育機制的完善，是中國汽車工業(yè)從“制造大國”向“創(chuàng)新強國”的戰(zhàn)略目標邁進的人才基礎。積極研究合理的利用社會資源培育創(chuàng)新型人才的教育新體系。
建立自主創(chuàng)新技術的國際交流平臺，因此，在世界汽車技術的革新潮流中，可以有效幫助中國汽車產(chǎn)業(yè)的未來人才不斷地獲得啟發(fā)。捕捉行業(yè)動態(tài)的視角變得國際化，豐富知識儲備，主動參加國際汽車技術標準的革新與升高。
國產(chǎn)汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新的主流意識需要強化，國產(chǎn)汽車廠家在汽車人才培養(yǎng)、技術研發(fā)等方面的企業(yè)社會責任感需要深化，有利于幫助大部分國產(chǎn)汽車品牌主動探尋自身巨大的發(fā)展空間。
1.2 本文研究的目的及意義
汽車在總體布置與結構設計的優(yōu)缺，會影響汽車的總質(zhì)量和汽車行駛阻力。對賽車傳動系的優(yōu)化仿真設計，重中之重，主要對整車的性能，比如動力和經(jīng)濟比較大。我們應當對傳動系進行結構選型，優(yōu)化分析，明確理想的布置方案，選擇適當?shù)慕Y構。
傳動系的優(yōu)化為賽車的設計、制造與調(diào)試提供了及其重要的理論基礎，也是賽車性能分析的一個重要組成因素。
1.3 傳動系的發(fā)展和現(xiàn)狀
第一屆國際賽事在二十世紀末在美國舉辦的。當時報名的學校只有6個，但只有4支參賽隊伍，如今美國每年有200支隊伍參加比賽，比賽的人數(shù)將近2萬人次。二十世紀中上期就開始對汽車動力性、燃油經(jīng)濟性的計算機模擬程序的研究。這些軟件程序在成品車制造之前，就可以確切地對汽車動力性燃料經(jīng)濟性進行精準地測量，然后經(jīng)由傳動比的變化引起全車性能變化，因此，根據(jù)傳動比變化的聯(lián)系，然后找到發(fā)動機合理匹配的傳動系。歐美等發(fā)達國家對大學生方程式FSAE比賽都非常關注，每個學校都會組建自己FSAE賽車隊，參加各自區(qū)域的系列賽車,并且重新設計自己的賽車，使制造的賽車性能更加突出。日本的方程式FSAE比賽發(fā)展很快，已經(jīng)成為亞洲地區(qū)舉FSAE賽事的先鋒隊。其在加速性能上，日本所設計的賽車變速器能在規(guī)格指標和目標時間準確算出必要的功率。東南亞和中東的大學生車隊都參加過日本舉辦的FSAE比賽。FSAE比賽早已進入平穩(wěn)發(fā)展階段由此可見，國外的傳動系統(tǒng)的技術已經(jīng)進入成熟階段。
隨著我國汽車行業(yè)的發(fā)展和進步，2010年10月，首屆中國大學生方程式賽車大賽（FSC）在上海舉行，吸引了國內(nèi) 20 支大學車隊參與了這次比賽，大賽取得圓滿成功。華南理工大學的FSC賽車氣動傳動系統(tǒng)實現(xiàn)了半自動換擋，司機可以更方便，在更短的時間內(nèi)完成換檔操作，從而提高了比賽結果。根據(jù)預設程序驅(qū)動換擋氣缸和離合器氣缸，壓縮二氧化碳在電子控制單元的操縱下完成整個傳動過程[1]。中北大學方程式4.0號賽車采用GSXR-600四缸發(fā)動機和托森差速器。該賽車在調(diào)節(jié)方式上采用偏心輪調(diào)節(jié)，在去年的基礎上球籠（等速萬向節(jié)）短軸一體，而且尺寸改小，在受力強度要求符合的情況下的改進。其他變化是材料上的變化。太原理工大學方程式賽車采用本田CBR600發(fā)動機，同樣采用托森加速器，其更換了差速器外殼，其他是材料和工藝上的設計。
1.4 賽事規(guī)則對賽車傳動系統(tǒng)的要求
FSC賽車的傳動系統(tǒng)除了要具備上文提到的賽車傳動系統(tǒng)所具備的功能外，還要滿足方程式比賽規(guī)則的要求，符合比賽規(guī)則。在傳動系統(tǒng)里2017FSC（官方）部分規(guī)則如下[2]:
(1) 暴露在外的高速旋轉(zhuǎn)的主減速器部件，如CVT、鏈輪、齒輪、皮帶輪、變扭器、離合器、傳動帶、離合器傳動、電機，都必須安裝防護罩以防其失效。主減速器防護罩必須覆蓋鏈條（傳動帶），從主動鏈輪（帶輪）到從動鏈輪（帶輪）。主減速器防護罩必須開始和結束于與鏈輪/皮帶/帶輪的最低處平行的位置（見下圖）。備注：如果發(fā)動機原本安裝有鏈齒保護罩，那么其可作為分散式防護罩的一部分。
圖1.1 主減速器防護罩
(2) 傳動鏈的防護罩使用的材料不可以有通孔。
(3) 傳動鏈的防護罩必須使用厚度至少為2.66mm（0.105英寸）的鋼板制成，其寬度至少為鏈條寬度的三倍。并且在鏈條中心線向左和向右各1.5倍鏈條寬度范圍內(nèi)，都能被防護罩防護。
(4) 安裝用緊固件——防護罩必須使用至少公制8.8級M6螺栓安裝。
(5) 手指護罩——當賽車停止時，還在運轉(zhuǎn)的零部件必須使用手指護罩遮擋。手指護罩可以用輕質(zhì)材料制成，但需足夠抵抗手指施加的力。材料可以自行設計，但必須保證6mm（1/2英寸）半徑的事物不能穿過防護罩。
(6) 可以使用任何傳動變速裝置。
2 動力性與傳動比的計算
2.1 傳動比的計算
2.1.1 發(fā)動機性能參數(shù)
1. 發(fā)動機參數(shù)
中北大學方程式4.0號賽車采用鈴木GSXR-600四缸水冷電控汽油噴射式發(fā)動機，按照比賽規(guī)則來說，在20mm的限流閥下，所有進氣必須通過。這樣就會限制到發(fā)動機的功率和扭矩，因此，限流后的發(fā)動機特性參數(shù)[3]要被分析。
1) 原發(fā)動機特性參數(shù)：在13500r/min轉(zhuǎn)速時最大功率達到82Kw。最大扭矩在11500r/min轉(zhuǎn)速下為69N·m。
2) 發(fā)動機特性參數(shù)（限流后）：在11500r/min轉(zhuǎn)速時最大功率達到60.2Kw。最高車速120Km/h在10500r/min的轉(zhuǎn)速下最大扭矩52N·m。
2. 變速箱性能參數(shù)
變速器是鈴木GSXR-600發(fā)動機自帶的，其為6速變速箱，1-0-2-3-4-5-6。但比賽時一般用不到第6檔位。所有常用的5速循環(huán)換擋為1-0-2-3-4-5。見表2.1得。大小鏈輪初級減速比3.15。變速器初級減速比（Primary Retuction ratio）為1.926。
表2.1 變速器各檔位比
檔位
1
2
3
4
5
符號
I1
I2
I3
I4
I5
速比
2.785
2.052
1.681
1.450
1.304
2.1.2 末級傳動比的確定
由比賽規(guī)則和我校車隊歷年的比賽經(jīng)驗，比賽時用到的最高車速不超過100Km/h[4]。由于我校方程式賽車4.0號變速箱為六檔，但實際比賽用到的檔位只有1、2、3、4、5檔，所以設計5檔時最高車速是100Km/h。
限流后，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n=11500r/min時，最大功率P=60.2Kw，初級減速比i0=1.926。5檔減速比i5=1.304。輪距r=228mm。由數(shù)據(jù)可以算出輪胎在速度為100Km/h時的轉(zhuǎn)速nt和末級減速比if。
(2.1)
(2.2)
因為我校賽車的小鏈輪齒數(shù)是11，由上式可得，大鏈輪為：
(2.3)
由此可以得出大鏈輪的齒數(shù)為43。其實際傳動比為
(2.4)
由此可得，末級傳動比為3.9。
2.2 賽車動力性計算
汽車的動力性系是指在水平無障礙的路面上，汽車在受到的縱向外力并在直線行駛時，所能達到的平均行駛速度[5]；汽車之所以被稱為高效率的運輸工具，是因為其動力性的好壞決定了效率的高低。因此，汽車各種性能中最基本、最重要的性能之一是動力性。
2.2.1 評價指標
汽車的動力性主要由三方面的指標來評定，即：
1) 最高車速uamax；由于大賽規(guī)則的限制，賽車無法達到最高車速。
2) 加速時間t；加速時間也可以說是賽車的加速能力。通過0～75m直線加速可對比賽時的加速性能進行測試。
3) 最大爬坡度imax；由于比賽賽道都是水平的瀝青路面，所以不需要考慮爬坡度。
2.2.2 動力性計算
1. 各檔驅(qū)動力計算
驅(qū)動力計算公式如下：
(2.5)
其中Ttq表示發(fā)動機轉(zhuǎn)矩(N·m)，ig表示變速器傳動比，i0表示發(fā)動機初級減速比，if表示主減速器傳動比，ηt表示傳動效率，r表示車輪半徑(m)。由此可以計算驅(qū)動力。在10500r/min的轉(zhuǎn)速下最大扭矩52N·m，主減速比if為3.9。傳動效率ηt取0.9，將以上數(shù)據(jù)代入（2.5）得表2.2。
表2.2 賽車各檔驅(qū)動力
檔位
1
2
3
4
5
驅(qū)動力（N）
4294
3164
2592
2236
2011
2. 賽車行駛車速
在驅(qū)動力不打滑的情況下
(2.6)
式中ua為汽車行駛車速（Km/h），n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r/min）。
由于大賽設置了各種障礙和彎曲賽道，因此無法達到最高車速，所以最高車速也就沒有任何意義，計算最大車速用作參考，轉(zhuǎn)速n下對應的最高車速。測得n=12500r/min，r=228mm，i0=1.92，if=3.9。將數(shù)據(jù)代入式(2.6)得表2.3。
表2.3賽車最大行駛車速
檔位
1
2
3
4
5
車速（km/h）
51.36
69.71
85.09
98.65
109.70
3. 行駛阻力計算
(1) 滾動阻力
滾動阻力的計算公式
(2.7)
其中整車整備質(zhì)量G為275kg，f為滾動阻力系數(shù)，其計算公式為： (2.8)
由于比賽路面為良好的瀝青或混泥土路面，所以查下表2.4可知滾動阻力系數(shù)f在0.010-0.018之間，取中間值0.014。
表2.4 滾動阻力系數(shù)
路面類型
滾動阻力系數(shù)
路面類型
滾動阻力系數(shù)
良好的瀝青或混凝土路面
0.010-0.018
泥濘土路(雨季或解凍期)
0.100-0.250
一般的瀝青或混凝土路面
0.018-0.020
干砂
0.100-0.300
碎石路面
0.020-0.025
漫砂
0.060-0.150
(2) 空氣阻力
空氣阻力計算公式為
(2.9)
其中A表示迎風面積，根據(jù)車身設計取0.4m2；CD表示空氣阻力系數(shù)，由本校車隊賽事經(jīng)驗，取空氣阻力系數(shù)為0.3，將以上數(shù)據(jù)和相應的車速代入得表2-5，如下：
表2.5 賽車的行駛阻力
滾動阻力(N)
41.34
44.38
47.65
51.06
54.21
空氣阻力(N)
10.56
19.45
28.99
38.96
48.17
(3) 加速度
加速度的計算公式為：
(2.10)
其中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性系數(shù)，取為1.2；m為賽車的整車整備質(zhì)量，取275Kg。將其代入式（2.10）得表2.6。
表2.6 賽車最大行駛加速度
檔位
1
2
3
4
5
加速度
12.85
9.39
7.52
6.50
5.78
根據(jù)以上對本校賽車4.0號動力性的計算，得出其較高的動力性滿足賽車具有高動力性的要求。
3 鏈傳動的設計
3.1 傳動方式的選擇
在眾多的傳動系統(tǒng)中，鏈傳動用的比較廣泛，但各種傳動方式都有它的優(yōu)缺點。由于本次的我校方程式賽車需要穩(wěn)定的傳動比和傳動效率，在精度上要求較高，并且賽車對整車質(zhì)量上面的要求，又因為鏈傳動安裝精度較低。其次所選的鏈傳動節(jié)約了成本，其整體尺寸比較小，結構緊湊，耐高溫和潮濕，并能在這樣的環(huán)境上工作。性價比也比較高，較輕的質(zhì)量，減輕了整車整備質(zhì)量。再次，當兩車軸相距較遠的情況下的時候，它可以傳遞運動和動力，且能夠低速，車輛過重，高溫、潮濕的條件以及在沙塵暴的紊亂的工況下正常傳遞動力。在這種情況下，傳遞效率還是比較高的，正常情況可以達到0.95～0.97。鏈傳動相比帶傳動，傳動效率是比較高的，并且作用在半軸和軸承的作用力小，其中制作和裝配比較便捷，故我校方程式賽車4.0號采用鏈傳動[6]。因此，傳動系統(tǒng)的設計和優(yōu)化很重要。
鏈傳動組成：鏈傳動部件由裝在平行軸上的主動鏈輪、從動鏈輪和繞在鏈輪上的鏈條組成(大鏈輪和小鏈輪組成)，工作情況下，依據(jù)鏈條鏈節(jié)與鏈輪輪齒的嚙合帶動從動輪來回轉(zhuǎn)動，然后可以傳遞運動和動力。因為我校方程式賽車4.0號采用發(fā)動機中置后驅(qū)，發(fā)動機所傳遞的動力經(jīng)過變數(shù)器到差速器殼體由鏈傳動傳遞動力，因我校賽車要求布置要緊湊些，并要求壓在半軸上的力要小，除此之外，變速箱在發(fā)動機GSXR6—600上，其沒有倒擋，所以選擇鏈傳動比較合適。鏈傳動有以下的優(yōu)點[7]：
1. 鏈傳動VS帶傳動：鏈傳動總體上來說沒有彈性滑動和整體打滑的現(xiàn)象，并且在告訴運轉(zhuǎn)的過程中能夠穩(wěn)定維持平穩(wěn)的傳動比和較高的傳動效率，其次鏈傳動的張緊力沒有帶傳動的緊，它也不需要那么緊的張緊力，因此，在半軸上，作用于半軸的徑向力是很小的。由于鏈傳動的構成材料都為金屬材料制成，它與帶傳動在同等的條件下工作時，鏈傳動的整體尺寸較小，且很緊湊，耐高溫，耐潮濕。
2. 鏈傳動VS軸傳動：我校方程式賽車4.0號屬于高速型賽車，不適合使用軸傳動，因為賽車在旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生橫向扭矩，使車子向軸傳動的反向傾斜，旋轉(zhuǎn)速度越高，扭矩越大，且其成本較高，對材質(zhì)要求也高，加工難度大。而鏈傳動有許多間隙，可以有效的吸收震動。
3. 鏈傳動VS齒輪傳動：鏈傳動的造價比較低和鏈傳動的拆卸精細度要求也是很細致。因為變速箱傳遞動力與差速器殼體的距離比較遠，因此鏈傳動的結構比齒輪傳動的便捷很多。
事物總是具有兩面性的，鏈傳動也有它的缺點，下圖3.1所示，如下：
1. 工作時有噪聲，容易磨損并跳齒；
2. 存在沖擊、震動，不適合載荷大、高速、急轉(zhuǎn)向的傳動中；
3. 對安裝精度要求高，只能實現(xiàn)平行軸間鏈輪的同向傳動。
圖3.1 鏈傳動
依據(jù)方程式賽車總布置的需求所知，把方程式賽車的傳動系統(tǒng)分為離合器，變速器（變速箱是GSXR-600發(fā)動機自帶的），減速器，差速器，按照他們的各自的功能作用，分別對他們進行設計與分析[8]；最后將他們組合成一個整體，完成總體設計，確定最終的傳動方案。
3.2 鏈傳動的設計與計算
依據(jù)方程式賽車（FSC）比賽規(guī)則和機械設計一書介紹，我對方程式賽車鏈傳動進行設計和計算。對鏈傳動的設計分析，它主要包括以下的內(nèi)容：鏈條的節(jié)距p、排數(shù)、中心距a0、大小鏈輪齒數(shù)（z1和z2）與尺寸、傳動中心距amax。
3.2.1 鏈條的設計
1. 概述
鏈傳動也被叫做撓性傳動，鏈條、小鏈輪和大鏈輪組合成了撓性傳動。它通過鏈輪輪齒和鏈條節(jié)的嚙合來傳遞從發(fā)動機里發(fā)出的動力和傳遞賽車運動。根據(jù)用途來區(qū)分鏈條可以有：鏈傳動、輸送鏈和起重鏈，但在我們普通的機械運動中，用途最廣泛的是鏈傳動。滾子鏈和齒形鏈等也是鏈傳動的一類型，其中滾子鏈常用于傳動系統(tǒng)的低速級[9]。
2. 鏈結構的選擇
(1) 滾子鏈
滾子鏈結構細節(jié)可以從下圖3-2看出。滾子1、套筒2、銷軸3、內(nèi)鏈板4和外鏈板5構成了滾子鏈，他們之間的配合公差有過盈配合；間隙配合的部分有。滾子是靈活的，可以滾動的，因此在它工作的時候，滾子沿鏈輪齒廓滾動，這樣一來，可以減小齒廓的磨損。在銷軸和套筒之間的縫隙要添加潤滑劑，這樣一來就可以防止長期工作造成的磨損。
圖3.2 滾子鏈
(2) 齒形鏈
無聲鏈也可以叫做齒形鏈，它的結構由下圖3.3所示，兩個齒的鏈板左右交替合并鉸接構成了無聲鏈即齒形鏈，其中它的齒楔角(兩個鏈板的工作邊的夾角)為60度。齒形鏈的結構相對滾子鏈復雜很多，在制作過程中很艱難，并且價格昂貴，一般不會用到齒形鏈，我校方程式賽車4.0號由于經(jīng)費的原因和對賽車性能的要求，因此，本次我校參賽賽車的設計使用滾子鏈進行傳動。
圖3.3 齒形鏈
3.2.2 鏈傳動的計算
1. 鏈輪齒數(shù)
根據(jù)2.1.2中的式（2.4）計算可得實際傳動比為3.9，如果鏈輪的齒數(shù)非常的大的話，是會增大傳動的整體尺寸，并且容易產(chǎn)生跳齒和脫齒的現(xiàn)象，小鏈輪齒數(shù)Z1的一般選擇11或者13的質(zhì)數(shù)。如果小鏈輪齒數(shù)Z1選用太過于小，外廓尺寸就會變的太小，但如果齒數(shù)選用比較少，會改變運動的不均勻性和動載荷；鏈輪在進入和退出咬合時，是會加強鏈節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角；鏈傳動的圓周力增大，從整體上來說，會讓鉸鏈和鏈輪的摩擦力加大，然后會磨損。鏈輪的最少齒數(shù)Zmin=9。小鏈輪的齒數(shù)Z1也不適合取的太過于大。傳動比確定的時候，小鏈輪齒數(shù)Z1越大，大鏈輪齒數(shù)Z2也會隨著小鏈輪齒數(shù)變大而變大，因此，綜上所述，小鏈輪采用發(fā)動機自帶鏈輪齒數(shù)為11，而大鏈輪齒數(shù)為43。
2. 節(jié)距和排數(shù)
由于鏈輪齒數(shù)較少，所需鏈條的節(jié)距就越大。鏈條節(jié)距越大，承載能力也隨之升高，但是傳動的不均勻性、動載荷也越嚴重[10]。因此,要選取合適的節(jié)距，要根據(jù)所傳遞的功率進行計算,在滿足傳遞功率的情況下,盡可能取得較小的鏈輪節(jié)距,以獲得最緊湊的鏈傳動結構，還可以根據(jù)所傳遞的功率大小來決定是采用單排鏈還是采用雙排鏈或多排鏈[11]。如果從經(jīng)濟方面來看的話，當中心距較小，傳動比較大時，應該選擇小結距的多排鏈結構；當中心距過大，且傳動比比較小的時候，應該選擇大節(jié)距的單排鏈結構。
根據(jù)方程式賽車的結構要求，我校設計的方程式賽車4.0號在結構上比較緊湊，因此我校賽車選取小節(jié)距的單排鏈結構。參照我國鏈條國標GB/T1243-1997，節(jié)距15.875的10A應用廣泛，價格低廉，節(jié)省了成本，并且購買的時候也很方便。因此，我校賽車選擇節(jié)距等于15.875的單排鏈結構。鏈條的相關參數(shù)如下表3.1所示。
表3.1 選取鏈條的規(guī)格和參數(shù)
ISO鏈號
節(jié)距P
滾子直徑d1
內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1
銷軸直徑d2
內(nèi)鏈板高度h2
抗拉載荷
10A
15.875
10.16
9.4
5.09
15.09
21.8
3. 計算功率Pca
依據(jù)鏈傳動的工作情況、主動鏈輪的齒數(shù)和鏈條的排數(shù)的條件來說，將鏈傳動所傳遞的功率和運動修正為當量來計算功率，它的計算功率的公式為：
(3.1)
其中KZ表示主動齒輪數(shù)系數(shù)，見圖3.4；KA表示工況系數(shù)，見表3.2； KP表示多排鏈系數(shù)，雙排鏈時選1.75，三排練時選2.5，見表3.3； P表示傳動功率（Kw）。根據(jù)下圖所知，KZ取2.9，即KZ=2.9。
圖3.4 主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)KZ
由下表3-2可以得到所需要的參數(shù)工況系數(shù)KA=1.0。
表3.2 工況系數(shù)
從動機械特性
主動機械特性
平穩(wěn)運轉(zhuǎn)
輕微沖擊
中等沖擊
電動機、汽輪機和燃氣輪機、帶有液力耦合器的內(nèi)燃機
6缸或6缸以上帶機械式聯(lián)軸器的內(nèi)燃機、經(jīng)常啟動的電機（一日兩次以上）
少于6缸帶機械式聯(lián)軸器的內(nèi)燃機
平穩(wěn)運轉(zhuǎn)
風機和干燥爐等
1.0
1.1
1.3
中等沖擊
固體攪拌機和混料機等
1.4
1.5
1.7
嚴重沖擊
電鏟、球墨機等
1.8
1.9
2.1
由于我校賽車選擇的是單排鏈，根據(jù)下表3.3，可得KP=1。
表3.3 排數(shù)系數(shù)
排數(shù)
1
2
3
4
KP
1
1.75
2.5
3.3
將以上的數(shù)據(jù)代入公式（3.1）得：Pca=174.6Kw。
4. 鏈輪尺寸的計算
現(xiàn)已知節(jié)距p=15.875，小鏈輪齒數(shù)Z1=11，大鏈輪齒數(shù)Z2=43。根據(jù)機械設計一書里的計算公式，見表3.4。
表3.4 鏈輪尺寸計算公式
名稱
符號
計算公式
分度圓直徑
d
齒頂圓直徑
da
齒根圓直徑
df
齒高
ha
將上述數(shù)據(jù)代入表3-4的公式里可得出大小鏈輪的參數(shù)，整理如下表3-5所示：
表3.5 大小鏈輪參數(shù)
參數(shù)
小鏈輪
大鏈輪
齒數(shù)
Z1
11
Z2
43
分度圓
d1
56.348
d2
217.480
齒頂圓
da1min
59.754
da2min
222.604
da1min
66.032
da2max
227.164
齒根圓
df1
46.188
df2
207.320
齒高
ha1min
2.858
ha2min
2.858
ha1max
5.996
ha2max
5.137
節(jié)距
15.875
5. 中心距
如果中心距相距的距離過于大，即使他的承載能力會變好，但他的松邊陲度會變大的，這樣一來，在傳遞動力的時候鏈條的松邊就會顫抖，也會可能發(fā)生脫落現(xiàn)象。但如果中心距相距的距離太過于小，從本質(zhì)上講,每秒內(nèi)傳動的次數(shù)會很多，這就會是齒輪和鏈條嚙合的次數(shù)也隨之增多，鏈條受到的內(nèi)應力和圓周力會變大，鏈條就會發(fā)生震動，導致磨損和疲勞現(xiàn)象[12]。鏈傳動中鏈條的振動是一個非線性振動問題，傳動過程中鏈條的橫向振動將引起跳齒現(xiàn)象發(fā)生,并且會造成很大的動載荷加劇，鏈條鉸鏈的磨損與鏈邊的抖動,從而降低鏈傳動的效率,對鏈條具有極大的破壞作用[13]。
鏈節(jié)數(shù)的計算公式：
(3.2)
其中a0=（30～50）p，取a0=30p。將表3-5中的數(shù)據(jù)代入式（3.2）可得LP=88節(jié)。為了避免使用過渡鏈節(jié)，應該將計算出的鏈節(jié)數(shù)LP0圓整為偶數(shù)LP。鏈傳動的最大中心距是：
(3.3)
根據(jù)相關文獻中滾動阻力系數(shù)的參數(shù)表可知，所以?1=0.24643。因此計算得amax=477.27mm。
6. 鏈輪包角與傳動比的最終確定
小鏈輪包角的計算公式如下：
(3.4)
將上述表3.5的數(shù)據(jù)代入式（3.4）得：α=161°。已知小鏈輪的最小包角是120°，將其代入式（3.4）得最小中心距a=153.88mm。
依據(jù)給定的車輪半徑和軸距尺寸來估計。我們選取小鏈輪的中心距在153.88～477.27mm之間，我們選取a=300mm≈19p。將這個數(shù)據(jù)代入上列式中可以得出α=149°，LP=66節(jié)，得出圖3.5和圖3.6的結果。
圖3.5 小鏈輪尺寸
圖3.6 驗算小鏈輪包角
經(jīng)過軟件CATIA的驗算，對其進行約束后得出的小鏈輪包角為148.844度。其與我們算出的小鏈輪包角α=148.844≈149相符。
7. 計算鏈速
因為鏈是由剛性鏈節(jié)通過銷軸鉸接而成，是一段曲折的正多邊形部分。因此我們可以計算鏈條的平均速度（單位為m/s）為
(3.5)
將上述相關數(shù)據(jù)代入式（3.5）得。
8. 鏈輪受力計算
鏈傳動在工作的時候，收到緊邊拉力和松邊拉力，它的有效圓周力為:
(3.6)
其中：P為傳遞的功率（Kw），為鏈速（m/s）。
根據(jù)我校賽車發(fā)動機限流后的功率60.2Kw，計算的出圓周力Fe=1969.90N。
由離心力引起的拉力為
(3.7)
懸垂拉力為：
(3.8)
其中,，
式中a表示鏈傳動的中心距（mm），Kf-表示垂度系數(shù)，如下圖3.7所示，下圖中f為下垂度，a為中心線與水平夾角之間的距離。Kf選取為0.3。
圖3.7懸垂拉力
將數(shù)據(jù)代入，計算懸垂拉力。由此計算緊邊拉力和松邊拉力分別為： (3.9)
(3.10)
壓軸力為：
(3.11)
式中，F(xiàn)e表示有效圓周力(N)，KFP表示壓軸力系數(shù)，對于水平傳動KFP=1.15，對于垂直傳動KFP=1.05。我校賽車采用水平傳動，故KFP=1.15。由此可算出壓軸力FP=2265.385N。
4 傳動系零件的選型和設計
4.1 差速器
4.1.1 差速器的介紹和功用
“托森”差速器是美國格里森公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)矩感應式差速器[14]。即差速器可以根據(jù)其內(nèi)部差動轉(zhuǎn)矩的大小而決定是否限制差速器的差速作用，很精巧的利用蝸輪蝸桿傳動的不可逆性的結構原理來設計的，還有其齒面摩擦條件實現(xiàn)前、后軸蝸桿同時驅(qū)動及轉(zhuǎn)矩的自動調(diào)節(jié)，除此之外，托森差速器還具備自鎖功能，使行駛的賽車可以在不同的賽道上根據(jù)差異來彌補左右車輪的速度，這樣一來，它的鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比大大提高，作為一種新型的差速機構，是賽車上必不可少的。
4.1.2 限滑差速器
限滑差速器[15], 英文名為Limited Slip Diff，簡稱LSD。為了解決汽車橫向力變差，抵抗側滑能力變差，導致車輪滑動的現(xiàn)象，即汽車操縱穩(wěn)定性就會不穩(wěn)定。
限滑差速器可以由他本身的的基本原理，重頭開始地調(diào)節(jié)普通差速器的扭矩分配的標準特性。更加有力的分配左、右賽車驅(qū)動輪上的驅(qū)動力，使用限滑差速器可以完全地消除一些普通的差速器存在的“差速不差扭”的缺陷現(xiàn)象[16]。因此，我們非常低需要提高“夢想4.0號”在不同的比賽賽道的通過能力性能，因此要選擇限滑差速器。
4.1.3 差速器的選取
通過搜集，可以找到近年以來參賽的各學校車隊使用的各類差速器，經(jīng)過調(diào)查，大部分高校通常會選擇限滑差速器來提高賽車在不同賽道下的通過和操縱穩(wěn)定性能，故，限滑差速器得以廣泛使用。
1. 托森差速器
托森差速器(Torsen)在大學生方程式賽事(FSC)中比較常見的，就好像是專為大學生賽車比賽而定的，它的型號是012000，重7.2磅，約3.23Kg。它的圍觀圖如圖4-1所示，尺寸如圖4.2所示，結構圖如圖4.3所示。
圖4.1 托森差速器的外觀
圖4.2托森差速器的尺寸
圖4.3 托森差速器的結構
托森差速器作為一種新型的限滑差速器,具有對轉(zhuǎn)速比反應靈敏、自動調(diào)節(jié)鎖緊系數(shù)（使其變大）、傳動平穩(wěn)性強、沖擊小等優(yōu)點，可以很大程度的提高汽車(特別是在環(huán)境比較惡劣下行駛的汽車，如越野)的通過性。torsen充分利用了蝸輪和蝸桿原件，然后自行安排鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比這一特性,當轉(zhuǎn)速比巨大的情況下,它是可以很輕易取得巨大的鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比,這樣一來，可以將差速器鎖死,稍等轉(zhuǎn)速比下降很多后,又會把差速器慢慢地松開或放開,這樣下來，結束了自動調(diào)節(jié)鎖緊系數(shù)和轉(zhuǎn)矩比的精彩過程,非常有效地避開了人為操縱差速鎖緊趕不上，而所造成的巨大事故。托森差速器作為限滑差速器的一種新類型。它主要由前齒輪軸、空心軸、差速器殼體、后齒輪軸、后軸蝸桿、直齒圓柱齒輪(12個)、蝸輪軸（6個,沿蝸桿軸線均布)、蝸輪(6個)、前軸蝸桿組成[17]；托森的核心是蝸輪、蝸桿齒輪嚙含系統(tǒng)[18], 從托森差速器的結構視圖（如上圖所示）可以看到雙蝸輪、蝸桿結構。正因為是它們的相互嚙合互鎖和扭矩單向地從蝸輪傳送到蝸桿齒輪的構造實現(xiàn)了差速器的鎖止功能, 因為這樣的特性，控制了賽車滑動。蝸輪和蝸桿式torsen輪間差速器和蝸輪和蝸桿式torsen都是使用了蝸桿傳動的難以返回的原理與齒面高度磨合的原理來讓賽車達到差速的效果，由它的里面的差動轉(zhuǎn)矩器和轉(zhuǎn)速器大小的變換而自動鎖死或放開, 有效地提高了汽車在不同道路上的通過性。
這款托森差速器是ＦＳＣ方程式賽車的專屬，是格里森公司專門為方程式大賽而定制的，它具備體積比較小，輕的重量的優(yōu)點，在與普通差速器相比的情況下，具備高速和可操作穩(wěn)定性的優(yōu)勢，對賽車在不同賽道上運行的功能有很大的提升，性價比比較高。
2. Drexler差速器
Drexler差速器又叫做德雷克斯勒差速器，它也是限滑差速器的一種高性能類型，德雷克斯勒不論從自身的質(zhì)量、體積、性能來說是最好的，而且安裝方便，但是價格確實很貴，土豪車隊必備。這款土豪類型的差速器在最近幾年的國內(nèi)方程式比賽中應用的越來越多，因為這類賽事得到國家的支撐，投資人越來越多，使得一部分車隊得以使用。又因為其質(zhì)量更輕，只有2.6千克。它的結構圖如下圖4.4所示，內(nèi)部構造圖4.5所示。
圖4.4 德雷克斯勒構造圖
圖4.5 德雷克斯勒內(nèi)部構造
德雷克斯勒差速器考慮到FSC賽車大部分使用鏈傳動，配套提供了鏈輪連接設計和鏈輪的配套毛培。由于這樣的超級和高級差速器，造價和進價必須昂貴，全部大概要花兩千多美元，從外國弄到中國得兩萬多人民幣。只有小部分可以支付得起的車隊可以使用，在性價比上不如托森差速器。
3. Cusco差速器
這款差速器最近的一兩年的比賽中得到一些車隊的看好，但實際情況是，由于經(jīng)費的原因，托森用的比較廣泛。其產(chǎn)品特點突出，而且性價比相對來說，是比較高的，因此在近幾年的時間里得以應用。結構如圖4.6所示。
圖4.6 Cusco差速器的結構
這款差速器使用高強度鉻鉬鋼L.S.D外殼，內(nèi)部半軸齒輪、主動齒輪使用精密的鍛造工藝，這樣可以使得齒輪的形狀變小，而且賽車的耐久性也得到大幅度的提高。槽溝技術是Cusco差速器獨有特點，使得潤滑油快速通暢的灌進去，壓縮環(huán)與MZ片的接觸部分可以完成平滑研磨，與Cusco潤滑油循環(huán)系統(tǒng)相互使用，使得產(chǎn)品的穩(wěn)定性能力增強。其品質(zhì)較好，而且價格介于托森與德雷克斯勒之間，不算太昂貴。因此得到了大部分車隊的喜愛。
由于我校車隊經(jīng)費和歷年比賽的經(jīng)驗來說，最好的選擇是，選用符合自己的產(chǎn)品，實惠且又能讓我們的賽車馳騁在比賽場地上發(fā)揮它的最大水平，由上面幾種差速器來看，最終的決定是，我們采用托森012000差速器。
4.2 托森差速器的潤滑方式
由大量的數(shù)據(jù)表明，汽車差速器在初期時，容易出現(xiàn)燒蝕問題[19]。又因為差速器的運轉(zhuǎn)是由蝸輪蝸桿機構操控的[20]；如果這部分不潤滑，很容易造成溫度升高，然后燒蝕現(xiàn)象，這樣會降低傳動的效率。除此之外，對賽車手的安全也是一個重要的問題。因此這個部位使用粘稠度大的潤滑油是比較合適的，除此之外，還需要在潤滑油內(nèi)添加化學劑，原因是為了提高潤滑劑的膠合力以及散熱能力。所以潤滑油選用格里森公司推薦的80W-90GL5，可以滿足蝸輪蝸桿在運轉(zhuǎn)時的要求。
因為買回來的Torsen差速器沒有外殼，所以需要我們另外設計安裝外殼，對潤滑油進行合理地設計和密封。
4.3 大小鏈輪的設計
兩個鏈輪可以將力矩和動力傳遞到車輪，也是傳動系統(tǒng)中比較重要之一，也可以說是核心，所以其結構優(yōu)化設計是我們首先考慮的。
4.3.1 大鏈輪的結構設計
由第三章的表3.4可得大鏈輪的尺寸。方程式賽車在賽道運行中的扭矩是經(jīng)由大鏈輪傳遞小鏈輪到差速器。對于這個傳動的過程是怎么樣實現(xiàn)的，以至于可以把發(fā)動機的動力傳到差速器內(nèi)，有以下的幾個方案可以參考選擇，見圖4.7。
圖4.7 扭矩傳遞方案
經(jīng)過對比可得，我們應該好好利用差速器殼體上的內(nèi)花鍵，使得大鏈輪傳遞的動力由花鍵傳扭到差速器上。這樣一來，我們應該在大鏈輪上設計一部分花鍵，用來與差速器花鍵配合，這樣大鏈輪不僅可以有準確的定心定位，而且還具有重量輕，使用方便，布置簡單等優(yōu)良特性。
對大鏈輪進行軸向定位，可以采取螺栓連接差速器殼體的方案，可以讓大鏈輪的軸向力得以定位。除此之外，因為使用潤滑劑，所以一定考慮將潤滑油進行完全密封。又因為使用的是限滑差速器，半軸有可能會與差速器殼體發(fā)生相對滑動或者相對轉(zhuǎn)動，因此，我們選擇骨架油封，以防止?jié)櫥蛷牟钏倨鞯膫让鏉B出。需要考慮到限位的問題，即在骨架油封的布置與軸之間，所以應該在大鏈輪的外側沖一個孔，這樣，可以方便安裝軸承和油封。
在確保大鏈輪的強度的條件下，想要完成輕質(zhì)量化，在大小鏈輪上我們第一次采用7050鋁合金，設計并優(yōu)化了鏤空，最后設計了五角星圖案，總體質(zhì)量只有1.6kg，最大直徑小于210mm，所以可以說它具備質(zhì)量較輕，尺寸較小、完美外觀等優(yōu)良特性。見圖4.8得。
圖4.8 大鏈輪
4.3.2 小鏈輪的結構設計
小鏈輪的直徑大約僅有60mm，所以不需要再做鏤空設計優(yōu)化，發(fā)動機變速箱輸出軸經(jīng)過花鍵把扭矩傳到小鏈輪，所以應該在小鏈輪上設計出花鍵，花鍵經(jīng)由大螺母限位。見圖4.9。
圖4.9 小鏈輪
4.4 差速器的殼體
因為torsen差速器采用蝸輪蝸桿等機械零部件，因此要求油潤滑效率要高才行。并且需要往潤滑油里添加化學劑，故本設計采用油潤滑。因此，差速器殼體的設計是差速器設計里的重要環(huán)節(jié)，它可以把差速器包裹起來，可以防止?jié)櫥惋w濺。除此之外，應該在差速器的左、右兩端安裝軸承，經(jīng)由支架穩(wěn)定后面的差速器總成。更好的選擇是硬鋁合金，經(jīng)過上述的結論，在強度、硬度和成本的綜合考慮下，為了減輕整車質(zhì)量采用了7050鋁合金，其符合需求的條件下顯現(xiàn)了輕量化的優(yōu)良特性。
Torsen差速器外的殼體不但實現(xiàn)了密封的作用，還是在軸承的安裝面上，支撐和限位都是由差速器殼體來完成的。除此之外，我們需要在差速器外殼上打出定位孔，用它來限位大鏈輪，還需要將差速器殼體設計成兩個半殼的拼接體，方便用螺栓進行安裝拼接。差速器殼體的左端應該打孔，以便與大鏈輪進行配合，這樣就可以對大鏈輪進行限位和固定。我們的設計選用12.9級的M6內(nèi)六角螺栓，非常的輕巧和便捷，差速器殼體的右端需要安裝軸承和油封，進行限位和密封。差速器的左殼體和右殼體的拼接采用M6的內(nèi)六角螺栓進行連接固定，然后使用密封膠對其密封。除此之外，在殼體上攻出管螺紋，安裝一根油塞，加潤滑油和放潤滑油非常便捷。所以可以說它具有結構緊湊，整個結構輕便靈巧、密閉性好、外觀良好、簡潔等優(yōu)良特點。差速器殼體如圖4.10所示可得。
圖4.10 差速器殼體
4.5 差速器輸出軸
依據(jù)torsen差速器的結構來說，差速器對外輸出的扭矩是經(jīng)由花鍵來實現(xiàn)的。將力矩從發(fā)動機傳遞到兩個半軸之間的方案有兩個：首先是我們用現(xiàn)成的工具器材加工設計球籠；其次是從汽配城購買現(xiàn)成的球籠，并由我們來設計并加工短軸，用以連接差速器與內(nèi)球籠，我校設計的方案是球籠和短軸為一體。因為第二個方案比較容易實現(xiàn)，并且可以節(jié)約我車隊的資金，所以選擇第二個方案。然后，我們進行左、右短軸的設計。
4.5.1 軸的結構設計
我們計劃選擇使用成品的奧拓萬向節(jié)，它的構造為內(nèi)花鍵，所以僅僅只用做出兩端都是外花鍵的短軸就可以。短軸限位借助卡簧和軸承，油封布置在端口，其有一個花鍵空，做了兩端具有花鍵的軸用于連接差速器和內(nèi)球籠，連接可靠，承受扭矩大[21]。對軸的限位有很大的可靠性，然后我們在內(nèi)軸上設計一個軸肩，具有頂住渦輪臺面的功能，限位外軸承。使其穩(wěn)定。除此之外，我們還對軸和相應的孔進行了相應精度設計，配合油封，具備優(yōu)良的封油作用，左軸和右軸的結構緊湊且符合各種需求。所以我們設計的軸選用TC4鈦合金，對花鍵進行高溫和高頻淬火，符合我們的需求。左軸如下圖4.11所示，和右軸圖4.12所示
圖4.11 左軸
圖4.12 右軸
4.6 輪芯
因為我校設計的賽車的輪芯不是普通汽車的輪芯，我們用的輪輞是賽車專用的輪輞，因此輪芯的重新設計是我們要考慮的，在全新優(yōu)化的輪芯下，卡鉗、剎車盤等必須要有很好的工作的空間，而且還需經(jīng)由螺栓與輪輞進行拼接，對材料的性能的考慮也很重要，綜上所述，我們采用了7050鋁合金。讓輪芯滿足輕量化，材質(zhì)上的硬度也得到滿足。并且可以滿足賽車所需的要求。而且我們使輪芯進行了輕量化的優(yōu)化，讓輪芯的質(zhì)量控制在小于1kg之間，連接半軸和輪輞的關鍵零件是賽車的輪芯，完成對輪芯的輕量化優(yōu)化設計是對賽車的動力性的增強以及油耗率的降低有著至關重要作用。如圖4.13前、后輪芯所示。
圖4.13 前、后輪芯
4.7 差速器支撐
4.7.1 軸承的選擇
因為需要必須在安裝精度下，軸向力才會不大，所以我們選用的是深溝球軸承。
4.7.2 支撐的結構
根據(jù)軸承和傳動裝配的條件對軸承支撐進行優(yōu)化，因為我們需要考慮到減輕質(zhì)量的問題，采用了7050鋁合金設計，我們還要對軸承支撐設計一個鏤空。并對軸承的限位進行合理的設計[22]。深溝球它的結構如圖4.14所示。
圖4.14 支撐結構
對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化后，它的剖視圖如下圖4.15所示。
圖4.15 剖視圖
4.8 吊耳和張緊的優(yōu)化設計
4.8.1 吊耳的設計
我校車隊對吊耳的設計是把單邊吊耳用鋼板把兩片耳片焊接在一起，起到起重的作用，除此之外，還有長吊耳。吊耳如下圖4.16和長吊耳如下圖4.17所示得。
圖4.16 吊耳 圖4.17 長吊耳
4.8.2 張緊的設計
張緊機構設計的主要原因，是因為傳動鏈需要避免在鏈條的松邊陲度太大的時候，造成的嚙合不良和鏈條的振動的不利條件，與此同時，也提高了鏈條和鏈輪的嚙合包角。我們學校的賽車的優(yōu)化張緊機構的設計是選取了可調(diào)中心距來調(diào)制的，即是選取的螺桿兩端、桿端軸承，它們也可以叫做為正、反絲的兩種選擇方式，因此，我們的調(diào)節(jié)張緊機構的時候可以使用扳手來調(diào)節(jié)。張緊機構如下圖4.18所示和圖4.19總裝圖。
圖4.18 張緊機構
圖4.19 總裝圖
4.9 半軸與萬向節(jié)
4.9.1 半軸
汽車傳動半軸是底盤動力系統(tǒng)中的關鍵部件。半軸的作用是把發(fā)動機變速箱輸出的扭矩傳遞到車輪，驅(qū)動車輛前進[23]。與此同時，當車輪在轉(zhuǎn)向時發(fā)生上下的震動，萬向節(jié)就會扭轉(zhuǎn)一個角度和移動，用來同步車輪與變速器之間的角度和位置的改變。賽車生的動力輸出力矩要由半軸來完成，同時，還要承擔來自作用在車輪上的垂直力、側向力和牽引力和制動力造成的縱向力。
現(xiàn)代汽車普遍使用的半軸，可以依據(jù)支撐方式的不一樣，有全浮式和半浮式兩種不同的方式。
半浮半軸，一般將半軸的一端做成法蘭結構，然后再使用螺栓與制動鼓進行連接，另一端做成花鍵結構，然后再與差速器內(nèi)的半軸齒輪相接，半軸通過軸承和制動鼓承受車輪和驅(qū)動橋之間的各種力的作用，經(jīng)過差速器將扭矩傳遞到車輪上。其結構簡單、質(zhì)量也較輕和價格低廉，在客車和輕型貨車上應用比較廣泛。由于半軸是傳動系統(tǒng)末端的傳動零件，在其工作的時候，受到的扭矩和彎矩以及受力情況是比較復雜的[24]。由于半浮半軸支承的拆卸、安裝是很困難的，而且在賽車行駛過程中，如果半軸折斷，就會容易造成車輪飛脫的危險，故這樣的傳動形式即將淘汰。
全浮半軸，它只可以只傳送旋轉(zhuǎn)力矩，同時，反力和彎矩也作用在全浮半軸上，它與獨立懸掛的結合的情況下，非常適合增強賽車的舒適性，所以這樣形式的半軸使用非常廣泛。這種形式的半軸拆卸與安裝便捷，我們僅用擰下半軸的固定螺栓就可以抽出半軸，然后對它進行保養(yǎng)維修。并且車輪、橋殼同樣可以支持汽車，這樣一來，對汽車的維護和保養(yǎng)是非常方便的。
經(jīng)由它的布置結構形式，我們設計的方程式賽車應該靈活的布置，拆卸和安裝應該要便捷，所以選取全浮式半軸。采用TC4鈦合金材料，因為考慮到軸距，所以奧拓的短半軸是最佳選擇。在裝配的過程中，半軸的長度應該要被改動，因此要選用合適的方法對半軸進行一定的加工[25]。見圖4.20所示。
圖4.20 加工方案
經(jīng)過我們的加工和設計，在根據(jù)以上的方案，設計出了套筒，如下圖4.21所示。左、右半軸的設計如圖4.22和圖4.23所示。
圖4.21 套筒
圖4.22 左半軸
圖4.23 右半軸
4.9.2 萬向節(jié)
若在運動學原理的基礎下，可將萬向節(jié)分為非等速、準等速和等速萬向節(jié)[26]。
非等速萬向節(jié)（雙聯(lián)式）是構造較是非常繁瑣，形狀也比較大，零部件種類較多；非等速萬向節(jié)（Fenaille 凸塊式）由于滑動的摩擦力原因，高速運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生發(fā)熱問題；非等速萬向節(jié)（三銷式）因為它的外形尺寸比較大，具有比較復雜的形狀，毛坯需要精確模鍛，且還會軸向滑動，受到的附加彎矩和扭矩比較大。
等速萬向節(jié)（球籠式），到目前為止，該形式的萬向節(jié)是被使用最為多的，主要由鐘形殼、星形套、鋼球和保持架（亦稱球籠）構成，它具有單節(jié)瞬時同步、兩軸間角位移大、效率高、安裝與拆卸便捷、能承受重載及沖擊載荷等優(yōu)良特性。等速萬向節(jié)（三球銷式）是一種能夠自由軸向伸展、收縮的聯(lián)軸節(jié)，當三球銷式等速萬向
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