新款三輪運動車動力及傳動系統設計

田 銳，張偉珊，李桂華

(1.清遠職業技術學院，廣東 清遠 511510;2.清新聯統實業有限公司，廣東 清遠 511510;3.廣東省輕工業技師學院，廣州 510300)

由于道路擁擠、油價上漲的影響，汽車與摩托車的完美結合——三輪汽車開始在國際各類車展中嶄露頭角。應歐美顧客的需要，開發設計一款新款三輪運動車(圖1)，采用前置后驅的倒三輪的結構，搭載1100 cc 直列水冷四沖程汽油機，該車型吸取了摩托車的優點，兼容了汽車的優勢。為保證三輪汽車的驅動力，使駕駛員享受馳騁的運動感受，匹配的動力及傳動系統設計是非常重要的，在此重點就二次傳動系統設計進行分析論述。

圖1 新款運動車的CATIA 樣車模型

1 發動機的選擇

合理的動力總成選型，可使整車的設計更趨合理，同時提高設計的效率。新款運動車發動機選型的主要原則:功率足夠大，同時兼顧油耗、噪聲等指標，可靠性好，尺寸盡可能小，操縱方便，排放達標。

1.1 基本形式的選擇

至今世界上絕大多數的汽車都是采用往復活塞式內燃機，其中汽油機的轉速高、升功率高、轉矩適應性較好、輪廓尺寸及質量較小、便于布置、振動及噪聲較低和適于高速運轉等特點，因而絕大多數轎車采用汽油機，雖然近二三十年來在極少數汽車上采用了轉子發動機、燃氣輪機、高能蓄電池和電動機等動力裝置。但從目前的情況來看，在相當長的時期內，往復式汽油機仍將是汽車發動機的主要型式［1］。

按照汽油機氣缸排列型式，分為直列、水平對置和V 型等，直列式的結構簡單、維修方便、造價低廉、工作可靠、寬度小、易布置，因而在排量不大的轎車上得到了廣泛應用;按照汽油機冷卻方式，分為水冷式和風冷式，水冷發動機冷卻均勻可靠，散熱好，氣缸變形小，缸蓋、活塞等主要零件的熱負荷較低，可靠性高，因此，絕大多數的汽車都采用了水冷發動機。

綜上所述，新款運動車采用直列式水冷汽油機。

1.2 主要性能指標的選擇

1.2.1 最大功率Pe max及其相應轉速np

發動機功率愈大則汽車的動力性愈好，但功率過大會使發動機功率利用率降低，燃料經濟性下降，動力傳動系的質量也要加大。因此，應合理地選擇發動機功率。

Pemax可根據所要求的最高車速vamax按下式計算出［2-3］:

其中:Pemax為發動機最大功率;ηT為傳動系的傳動效率，這里取約0.98;ma為汽車總質量，因為只有3 個輪，質量比較小，這里初步設定為150 kg;g 為重力加速度，這里取9.8 m2/s;f為滾動阻力系數，良好路面上的滾動阻力系數為0.014;vamax為最高車速，根據設計目標，最高車速要達到150 km/h;CD為空氣阻力系數。

在此得出發動機最大功率為28.8 kW，約比外特性的最大功率值低12% ～20%，這是選擇發動機類型的一個重要指標。

1.3 確定型號

新款運動車的對象定位為玩家一族，所以要求有較好的動力性，在選擇發動機時，要求有較高的功率和扭矩;隨著環保、節能要求的加強、四沖程摩托車發動機以其結構可靠性、廢氣排放污染低、省油節能等特點得到了廣泛的應用;并且受到現有條件約束，不可能采用進口的發動機，發動機的選擇只能面向國內選擇。因此，根據運動車預定最高車速為150 km/h，發動機的最大功率為28. 8 kW，由此初選發動機的型號［4］——川畸1100cc 汽油機作為試樣機。

2 傳動系統設計

新款運動車搭載川畸摩托車1100cc 發動機，自帶六速變速器，一次傳動裝置的傳動比為1∶1，因此，需對二次傳動裝置結構進行設計。

2.1 二次傳動裝置的作用及結構布置

二次傳動裝置可以進一步降速增扭，更合理地利用發動機的動力，提高新款運動車的適應性和經濟性，在動力傳遞中需要一定的中心距補償，起到緩沖發動機與后驅動輪之間的震動。

為了適應不同車型和使用要求，二次傳動裝置有多種結構型式，常見的有帶傳動、齒輪傳動、鏈傳動和軸傳動。其中鏈傳動適合于中心距較遠的傳動，并能自動適應長度和角度的變化，結構緊湊，只需狹長的空間，安裝布置方便。因此選擇二次傳動裝置的結構型式為鏈傳動。

2.2 二次傳動比iⅡ的選擇［5］

在款運動車上由于空間位置的限制和結構布置的需要，一次傳動裝置和變速器均與發動機固聯而構成一個整體，二次傳動裝置則獨立于發動機之外，二次傳動比的變化范圍相對較大，設計的靈活度也較大。由于二次傳動比屬于傳動系統總傳動比的一部分，因此二次傳動比的大小對于整車的動力性和經濟性能具有很大影響。

新款運動車搭載川畸摩托車發動機屬于四缸發動機、排量1100cc，能提供較大、較快、較平穩的轉矩，最小傳動比對轉矩影響較大。最小傳動比過小發動機在重負荷下工作，加速性不好，易出現噪聲與振動。最小傳動比過大，經濟性變差，高速運轉噪聲大。綜合考慮，新款運動車的二次傳動比選為iⅡ=2.286。

3 鏈傳動主要零件設計

3.1 鏈條的設計

新款運動車的二次傳動裝置的鏈傳動借鑒了摩托車的鏈傳動，通常采用的是單排滾子鏈，滾子鏈屬于標準零件，根據GB1243.1—83 規定，我國采用的鏈號與相應的國際標準鏈號一致，鏈號數乘以25.4/16 mm 即為節距值。

鏈滾子鏈和鏈輪嚙合的基本參數是節距p、滾子外徑d1和內鏈節內寬b1。節距是滾子鏈的主要參數，用來進行鏈條傳動的設計計算，特別是鏈長、中心距、鏈輪尺寸、齒形等的幾何計算。

3.1.1 鏈條型號的選擇

選擇鏈條的型號實際上就是確定鏈條的節距值。在一定條件下，鏈條的節距越大，其承載能力就越高，但傳動的多邊形效應也要增大，但是振動、沖擊、噪聲也越嚴重。為了使傳動結構緊湊，壽命長，應盡可以選取較小的節距的鏈條。

可直接根據發動機的氣缸容積來確定鏈條的節距，見表1［6］。

表1 鏈條的節距p 的選擇

本車的發動機排量為1 100 mL，為了使傳動結構緊湊，壽命長，選取p=15.875 mm。滾子外徑d1=10.16 mm［7］。

3.1.2 鏈輪的中心距

鏈輪的中心距a0一般按公式初選:a0= (40 ～50)p，a0=635 mm。根據結構的尺寸布置，取a=630 mm。

3.2 鏈輪的設計

鏈輪的基本參數是配用鏈條的節距p、滾子的最大外徑d1及齒數Z1、Z2。

3.2.1 主、從動鏈輪齒數Z1、Z2 的選擇

主動鏈輪Z1對鏈條傳動的平穩性和使用壽命有很大的影響，因此選擇主動鏈輪Z1要適宜。主動鏈輪Z1小時可以減小其外形尺寸，便于安裝，但Z1過小會導致傳動的不均勻性和動載荷會增大，使鏈條的磨損加劇。因此增大Z1對傳動是有利的，而且鏈條節距不變時，增大Z1會使傳遞的功率加大。但如果選的Z1過大時，從動大鏈輪齒數也將增大，從而增大了傳動的尺寸和重量，易于因鏈條節距的伸長而發生跳齒和脫鏈現象，同時會縮短鏈條的使用壽命。

綜合考慮，主動鏈輪Z1齒數通常取為13 ～15。由于鏈條的鏈節數通常是偶數，為了使鏈輪和鏈條都磨損均勻，一般Z1應是與鏈節數為質數的奇數。新款運動車的主動鏈輪Z1選為14。根據二次傳動比iⅡ=2.286，求從動鏈輪齒數Z2:Z2= Z1×iⅡ，適當協調后Z2=32。

3.2.2 鏈輪轂孔的選擇

鏈輪轂孔的最大許用直徑dkmax，可參照表2 選?。?］，在確定了鏈條的節距和鏈輪齒數后，再根據齒側凸緣最大直徑，并考慮到鍵和輪轂強度而確定。必須大于鏈輪安裝處的軸徑，若不能滿足要求時，應重新選擇鏈條傳動參數。

表2 鏈輪轂孔的最大許用直徑dk max(mm)

鏈輪安裝處的軸徑d =29 mm，經查表dkmax=30 ～37 mm。dkmax＞29 mm，故滿足條件。

3.2.3 滾子鏈鏈輪軸向齒廓尺寸

齒寬bf1=0.95b1(b1—內鏈節內寬)，計算得bf1=9 mm

3.2.4 鏈輪的結構和材料

一般來說，主動鏈輪的直徑小，故制成整體式，從動鏈輪的尺寸大些，制成孔板式。鏈輪的材料應能保證輪齒有足夠的耐磨性和抗沖擊強度。主動小鏈輪一般用低碳合金鋼制造，從動鏈輪一般低碳鋼、低碳合金鋼或中碳鋼制造。因此鏈輪的材料采用40Cr，齒面硬度可達HRC40 ～50。

4 結束語

新款三輪運動車主要面向歐美的運動車愛好者，對動力性能和經濟性能要求較高，在保證功率，同時兼顧油耗、噪聲等指標，且可靠性好，排放達標，因此分析選擇了川畸1100cc汽油機作為試樣機;根據空間位置的限制和結構布置的需要，著重計算分析二次傳動系統，并對鏈傳動的主要零件進行了設計，使摩托車與發動機得到較好的匹配性。

［1］李德寬.汽車工程手機·摩托車篇［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］胡建華.中國家用轎車發動機選型探討［J］.世界汽車，1997(5):13-15.

［3］劉惟信.汽車設計［M］.北京:清華大學出版社，2001.

［4］余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］董敬. 摩托車結構設計［M］. 北京:人民郵電出版社，1997.

［6］《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊摩托車篇［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［7］王義行.自行車鏈條與摩托車鏈條［M］.北京:機械工業出版社，1999.