基于ANSYS的本田節能賽車傳動系統優化設計

王新建

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

目前，有很多文獻介紹了節能車的設計與優化、車架的優化仿真等，但幾乎沒有針對鏈傳動系統的設計與優化，因賽事本身的特殊性，需考慮將賽車在賽場上的實際加速策略與整車傳動系統性能相結合，另外傳動系統的好壞又直接影響發動機動力輸出和整車在賽場的滑行量。如果單純地從傳統的機械角度去優化，那么就失去了賽事本身的創立意義，所以該文在傳統機械優化的基礎上著重利用ANSYS Workbench中的靈敏度分析來對本田節能賽車進行優化仿真。

1 大鏈輪參數計算

1.1 參數初步確定

本賽車使用的125cc單缸風冷四沖程發動機最大扭矩為9.7 nm/5 000 rpm，扭矩平臺出現在高轉速，而發動機經濟轉速將會出現在3 000 rpm～4 000 rpm。考慮到賽車燃油的經濟性，傳動裝置傳動比越大，賽車后備功率越大，燃油消耗率越大，這與前文的動力性相矛盾，也不符合本田節能賽事的宗旨。所以，將通過計算，取得最佳傳動比。

已知發動機轉速與行駛速度的關系式：ua=0.377×r×n/i0，將賽車常處速度，發動機經濟轉速以及賽車車輪半徑帶入，可得最佳傳動比為8～9，經過鏈條傳動仿真，將傳動比定在8.2。大鏈輪齒數為142，材料為7075-T6鋁合金材料，固溶處理后塑性好，熱處理強化效果特別好，并采用鏤空輻條減重設計，在保證強度的同時，也達到節能車輕量化的目的。

1.2 大鏈輪結構分析

根據本田節能競技大賽的賽事規則以及比賽中賽車的實際需要，賽車發動機的輸出功率固定2速擋，需靠提高發動機的旋轉速度來獲取輸出功率，因此將發動機本變速箱切除，用發動機曲軸直接驅動后軸車輪。但若驅動力不足，賽車很難起步。所以利用傳動系統的減速比來減少起步和加速沖擊。由于小鏈輪運用發動機本身的變速裝置，所以只需考慮大鏈輪在沖擊最大的起步工況即可。

賽車起步時大鏈輪各齒所受力總和乘以理論安全系數K，即總受力為Fcj，為

式中，Tfmax為發動機輸出最大扭矩，N·m，此時發動機轉速n為4000（r/min）；ig為變速系統傳動比，i0為末級傳動比，nch為傳動系統效率；K為安全系數，因為鏈輪所受沖擊載荷較大，通過查找手冊確定K為0.94～0.96，計算得出Fcj=2548.112N。

大鏈輪齒數受可容納鏈條的最大磨損伸長量限制。而當這種磨損伸長量超過嚙合弧長約半個節距時，鏈條便可以產生跳齒而損壞鏈條或鏈輪。大鏈輪可接受的最大磨損伸長用比值表示為200/N（N為大鏈輪齒數），對容許鏈條最大磨損伸長量為3 %的大鏈輪最大受力齒數應為67齒，經測量大鏈輪實際受力齒數為64齒，符合標準值，即每個齒面受力為Fc=40.6N。

2 ANSYS有限元分析

2.1 有限元分析的前處理過程

2.1.1 模型建立

建立分析結構的幾何模型并導入，導入后定義材料及進行幾何處理。材料選擇了7075-T6鋁合金。

2.1.2 劃分網格

根據分析的目的并結合模型的特點劃分網格，建立有限元分析的計算模型。使用 Multizone 多區域網格劃分，適用于復雜單體部件，Multizone 通過自動分解幾何，將分解成可掃掠體，用掃掠的方法得到六面體。其對幾何體可分解成映射區域和自由區域，并自動判斷區域生成純六面體，對不滿足條件采用更好的非結構網格劃分。且所選用的六面體網格單元計算量小，且分析精度高。所以首選六面體網格（Hex Dominant）。

網格質量的檢查與提高是由雅克比率（Jacobian Ratio）與縱橫比（Aspect Ratio）來體現的，雅克比率是在單元的一些特定點上計算出雅克比矩陣行列式。其值就是最大值與最小值的比率，值為1最好，值越大說明單元越扭曲。縱橫比按法則判斷，當Aspect Ratio值為1時，說明此時劃分的網格質量最好。

通過分析網格的雅克比率與縱橫比，雅克比率平均值為0.87；縱橫比平均值為2.213。說明此時劃分的網格質量適中，能夠滿足之后的靜態應力分析。

2.1.3 邊界條件處理

根據上述計算分析，對大鏈輪施加相應載荷和約束條件。

2.2 計算結果后處理

根據有限元仿真結果，賽車起步時，大鏈輪的最大應力為出現在鏈輪鏈輪節圓其數值為433.9 MPa，起步瞬間此處受鏈條拉壓應力較大。由于反復切換發動機驅動和慣性形式，鏈條產生的轉矩會造成大鏈輪的變形，有限元仿真的最大變形為0.03501 mm，這個變形在可運行范圍內。

2.3 RS減重孔優化

該文中選用Design Explorer中的響應曲面 （Response Surface）來實現大鏈輪的優化分析，通過計算輸入參數與輸出參數的靈敏度計算，用圖表表達出來。將小孔直徑D、角度以及距鏈輪中心距離L等輸入參數進行參數化；最大應力、最小安全系數、最大形變位移為輸出參數。系統默認將當前輸入值的正負10 %作為輸入值的初始變動范圍。通過計算得到系統生成的一組設計點。

從參數靈敏度分析可以看出，大鏈輪質量主要受小直徑和角度的負影響，其次受陣列個數的正影響，最小安全系數主要受減重孔直徑的負影響和陳列個數的正影響。從這些分析可以得出：降低大鏈輪質量可以適當地增減重孔直徑，但不能過于增加；可以適當增加陣列個數，因為它會大幅度增加安全系數，而又不至于過多地增加結構質量。優化完成后最終確定下來的3個設計點DPI、DP2、DP3，比較確定出最優點。此時結構質量為0.1506，比原來減少了2.64 %，安全系數是2.02，綜上所述，優化效果明顯，整個優化過程是有意義的。

3 結語

通過ANSYS workbench對大鏈輪進行建模，計算和優化，分析了腹板各參數與大鏈輪質量和最小安全系數的關系確定了大鏈輪的最優參數，通過優化前后各參數的對比，從而確定適合于本田節能賽車傳動系統的優化設計分析。