電動(dòng)方程式賽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試制＊

吳優(yōu)，李熠帆，馮理

（武漢華夏理工學(xué)院，湖北 武漢 430223）

引言

節(jié)能環(huán)保一直都是國(guó)內(nèi)近幾年的主流，針對(duì)這種需求汽車(chē)界也緊跟時(shí)代潮流大力發(fā)展新型能源汽車(chē)。其中電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展尤為突出，并以蔚來(lái)汽車(chē)為代表。隨著蔚來(lái)汽車(chē)的影響力不斷加大，它獨(dú)家冠名的中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽也得到了越來(lái)越多高校的踴躍參與和社會(huì)關(guān)注[1]。因此為了更快和國(guó)際接軌，各大高校在規(guī)則允許范圍不斷的優(yōu)化自家的傳動(dòng)系，形成了圍繞主流設(shè)計(jì)的各種方案。

針對(duì)賽事技術(shù)要求，本文展開(kāi)了純電動(dòng)FSEC 賽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的研究工作，對(duì)賽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，并用MATLAB 編程軟件進(jìn)行模擬仿真。最終在滿足空間布置上完成了傳動(dòng)系統(tǒng)的布置。

1 傳動(dòng)比的選取

1.1 按最高車(chē)速計(jì)算

根據(jù)賽事相關(guān)規(guī)定，確定賽車(chē)的最高車(chē)速為110km/h，求得其傳動(dòng)比應(yīng)滿足公式（1）的要求。

式中：u——行駛的最高車(chē)速，單位為km/h；r——車(chē)輪半徑，取值為0.24765m；n——電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，取值為9000r/min；i——傳動(dòng)比。

1.2 按加速能力計(jì)算

為保證賽車(chē)的直線加速性能，要求賽車(chē)0-75m 的加速時(shí)間小于3.5s。由此求得最大加速度a≥12.24m/s2，因此：

式中：

F1--加速阻力，單位為N；F2--滾動(dòng)阻力，單位為N；F3--空氣阻力，單位為N；Δ--旋轉(zhuǎn)質(zhì)暈換算系數(shù)，取值為1.04；a--賽車(chē)的加速度，單位為m/s2.

此處，車(chē)速取110km/h，電機(jī)轉(zhuǎn)矩取220N*m，因此可計(jì)算得i≥5.7039。

1.3 傳動(dòng)比的確定

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可確定傳動(dòng)比的范圍為：5.7039≤i≤7.6388

首先從理論上進(jìn)行驗(yàn)證傳動(dòng)比范圍的可行性：

1.3.1 從輪胎附著力確定傳動(dòng)比

輪胎在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)有：

式中：

Ft—驅(qū)動(dòng)力，單位為N；K1—軸荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，此賽車(chē)取值為1.1612；G1—前軸負(fù)荷，單位為kg；G2—后軸負(fù)荷，單位為kg；F2—滾動(dòng)阻力，單位為N；Tmax—驅(qū)動(dòng)力矩，單位為N*m。

代入數(shù)值求得：Tmax=441.1865

且電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩To與輸入車(chē)輪的扭矩T 的關(guān)系式為：

將傳動(dòng)比范圍代入式（7）中，得電機(jī)輸出扭矩范圍64.1733≤To≤85.9424，滿足所選電機(jī)要求。

1.3.2 仿真分析

圖1 i=7.6 的功率平衡圖

利用MATLAB 仿真軟件對(duì)傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)分析對(duì)比不同傳動(dòng)比下的0-75m 直線加速時(shí)間，當(dāng)傳動(dòng)比為7.6 時(shí)，整車(chē)耗時(shí)最短，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，故傳動(dòng)比初步取值為7.6。

1.4 二級(jí)傳動(dòng)比的確定

由于上述的傳動(dòng)比較大，在結(jié)合車(chē)架后倉(cāng)的布置空間，通過(guò)計(jì)算不同傳動(dòng)方式下的中心距，最終采用二級(jí)斜齒輪減速箱，以達(dá)到傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[2]。

對(duì)于二級(jí)斜齒輪減速箱，確保各級(jí)傳動(dòng)的承載能力近似相等，保證各級(jí)傳動(dòng)的大齒輪浸入油中的深度大致相等，通過(guò)計(jì)算確定傳動(dòng)系一級(jí)傳動(dòng)比i1=52/25,二級(jí)傳動(dòng)比i2=72/19，故最終傳動(dòng)比為i=7.882（略大于7.6），從整體來(lái)看，系統(tǒng)傳動(dòng)比在誤差允許范圍內(nèi)。

2 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

2.1 減速箱總成

由于減速箱的斜齒輪是選用的現(xiàn)有零件，所以在此只進(jìn)行建模分析，與之匹配設(shè)計(jì)的殼體同理。

圖2 中間齒輪總成應(yīng)力受力云圖

由圖可知其最大應(yīng)力為6.7MPa，小于屈服強(qiáng)度785MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 減速箱中間殼體應(yīng)力受力云圖

由圖可知其最大應(yīng)力14.97MPa，小于屈服強(qiáng)度482MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 差速器

沿用去年的cusco 限滑差速器，但是為了匹配減速箱的設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)了差速器外殼。

圖4 差速器零部件圖

2.3 萬(wàn)向節(jié)

由于三球銷(xiāo)結(jié)構(gòu)緊湊，零件精密，同時(shí)它又承載著把差速器的動(dòng)力輸入到半軸上的任務(wù)，故選用的是三球銷(xiāo)萬(wàn)向節(jié)[3]。本著輕量化的原則，根據(jù)三球銷(xiāo)的尺寸重新匹配設(shè)計(jì)了球籠。

2.4 半軸

基于系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)的需求，選用了質(zhì)量更輕的鈦合金半軸，同時(shí)在滿足強(qiáng)度及剛度的要求下盡量減少直徑。同時(shí)考慮到總布置時(shí)半軸長(zhǎng)短不一，影響系統(tǒng)的傳動(dòng)夾角，為此多次修改尺寸并反復(fù)校核[4]。

3 傳動(dòng)系統(tǒng)布置

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)總布置圖

首先，差速器與二級(jí)大齒輪相連接，并將它與一級(jí)小齒輪和中間齒輪總成放入減速箱上對(duì)應(yīng)的軸承位上，用螺栓將減速箱殼體鎖緊。其次，將減速箱上的法蘭與電機(jī)緊密貼合，并用螺栓連接，采取機(jī)械防松措施。然后，把球籠插入對(duì)應(yīng)的差速器鍵槽內(nèi)。最后，把半軸連同三球銷(xiāo)放入球籠內(nèi)。傳動(dòng)系統(tǒng)總布置如圖5 所示。

4 結(jié)論

通過(guò)本賽季的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及后期的試制得到如下結(jié)論：

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，以賽車(chē)的最高車(chē)速和加速能力確定傳動(dòng)比范圍。

（2）根據(jù)仿真軟件模擬和后倉(cāng)布置空間，以及齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)，確定最終傳動(dòng)比大小。

（3）根據(jù)選取傳動(dòng)方式，完成了減速箱，萬(wàn)向節(jié)，半軸，差速器等傳動(dòng)部件的選型及布置。