FSAE賽車差速器懸置偏心輪調節機構的設計與分析

李穩才

摘要：本文在滿足賽場安全規則[[1]中國大學生方程式規則委員會.中國大學生方程式汽車大賽規則，2020]前提下，針對賽車鏈傳動系統中，鏈的長度隨著鏈輪的運轉時間增加而變長狀況，提出一種可靠的偏心調節方案。首先根據傳動系統參數，利用數學模型計算出偏心輪的偏心距與偏心輪旋轉調節角度的最優解。其次，利用NX對偏心輪進行3D建模，在通過靜力學受力分析后，導入ANSYSWorkbench中進行拓撲優化。最后在用該軟件對整個偏心輪調節機構進行靜力學分析與校核[[2]劉明，朱瑞峰.FSAE賽車鏈傳動張緊裝置拓撲優化設計[J].科學技術創新，2020（25）：154-155.]。通過試驗，設計出一個滿足輕量化且調節精度更好的偏心輪調節機構。

關鍵詞：偏心調節;最優解;NX建模;ANSYS仿真分析

0、引言

大學生方程式汽車大賽（簡稱FSAE）是一項由高等院校汽車相關專業在校生參加的汽車設計與制造比賽。各參加車隊按照大賽規則在一年之內自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控穩定性等各方面優異的單人賽車。

以某一賽車為例，通過分析鏈傳動中心距，以及鏈輪的相對位置，設計出偏心輪與其支架。偏心輪調節機構中偏心輪與支架配合固定在車架上。可通過旋轉偏心輪的角度來改變差速器軸線的位置，來實現調節鏈條的松緊。在實車調試過程中偏心輪調節機構為提高傳動系統的效率提供了極大的幫助。因此偏心輪調節機構的設計有著重要的意義。

1、偏心輪調節機構原理

設計偏心輪調節機構需要先研究偏心輪調節機構的原理和偏心輪的運動規律，由偏心輪的運動規律可以確定偏心輪調節機構的具體參數。如圖一，在使用時支架固定在車架上，偏心輪外圓S1與支架內圓配合，偏心輪內圓S2與差速器軸承配合使差速器與偏心輪內圓S2在同一軸線上，偏心輪內圓的圓心O2與偏心輪外圓的圓心O1之間的距離為e，在旋轉偏心輪時，偏心輪內圓圓心O2繞偏心輪外圓圓心O1做圓周運動，通過旋轉偏心輪改變差速器軸線的位置，起到調劑鏈輪中心距的作用。偏心輪每旋轉一定角度差速器軸線移動一定的距離，相應的鏈條中心距也會有所改變，在滿足最大調節距離的情況下確定偏心距，通過每次調節的距離確定偏心輪調節孔的角度。

2、計算鏈輪中心距

在偏心輪調節機構中要調節的偏心距主要與鏈輪的中心距有關，而中心距的大小主要取決于主、從動輪齒數、鏈條節距和鏈條節數，這可根據賽車的動力性和整體布置等確定。

2.1計算所用的鏈條節數

為使得傳動系統磨損均勻，提高傳動壽命，在鏈條節數選取時，一般取鏈條的節數為偶數，鏈輪的齒數取奇數，根據動力要求，選取參數如下。

LP：鏈條的節數;P：鏈條節距;Z1：小鏈輪的齒數;Z2：大鏈輪的齒數。根據賽車的設計：P=15.875mm，Z1=11，Z2=41。

計算得LP=55.36根據實際情況對鏈條節數取偶取整得LP=56。

2.2計算實際中心距

根據使用的鏈條節數和大小鏈輪的齒數確定實際裝配使用到的中心距，這避免在實際裝配需要調節中心距的麻煩。

帶入數據得實際中心距a=225.4mm。

3、計算偏心距

偏心距的大小決定了偏心輪調節機構調節中心距的最大距離。合適的偏心距可以在滿足調節過程中的準確性，而且還能滿足輕量化要求。

在圖二中a1：實際中心距;a2：鏈條達到最大拉伸長度時的中心距;x：實際中心距在水平方向的投影;y：實際中心距在豎直方向的投影;e：偏心距。其中a2可以根據實際所用鏈節數加二之后所得的鏈節數對應的中心距計算出，x、y可以根據小鏈輪和差速器的相對位置確定。

帶入數據得e=8.5mm，由于在實際裝配過程中存在裝配誤差，故e應該取偏大的值，即e=9mm。

4、計算旋轉角度

偏心輪內圓圓心O2在繞外圓圓心O1做圓周運動時每轉動一定的角度中心距就會增大一定的距離，不同的角度對應著不同的調節精度，如圖三所示。在滿足調節精度前提下便可確定旋轉角度。根據往年調車經驗每次調鏈條在2mm左右，所以偏心輪每旋轉一個角度中心距移動的距離在2mm之內即可滿足要求。

可知偏心輪每旋轉一個角度θ調節的中心距Δa<2mm，基本滿足調試的要求。故在偏心輪外圓圓周和支架內圓圓周上均勻打30個螺栓孔，偏心輪每旋轉一個孔所調節的距離就是上述旋轉一個角度θ所調節的距離。

5、偏心輪和支架結構的設計

偏心輪內圓的尺寸和偏心輪的寬度可以根據選用軸承的外徑和寬度來確定，偏心輪和支架配合的外圓要根據具體的強度需求來定，但必須滿足偏心輪的外圓半徑大于偏心輪內圓半徑與偏心距之和。在偏心輪調節機構中差速器左右支架受力不同，所選用的差速器軸承尺寸也不同，在滿足調節范圍和強度需求的同時右偏心輪可以適當比左偏心輪小，這適當減少了加工成本也起到了輕量化的作用。

6、輕量化處理

由于偏心輪和支架的材料都采用7075T6-Al，7075T6-Al有優異的力學性能且其密度僅為鋼的36%，能為整車的輕量化提供極大的幫助。

為了使整車重量更輕提高整車動力性和經濟性，將偏心輪導入Workbench中的Shape Optimization模塊進行拓撲優化處理。

6.2、條件設置

偏心輪主要和支架配合通過螺栓緊固，對偏心輪的約束為固定偏心輪與支架配合的端面和螺栓孔。

偏心輪受到的載荷主要是來自差速器的軸承力，軸承力的來源為鏈條對鏈輪拉力作用在壓軸力。賽車左右偏心輪受到的軸承力分別為：將其施加在左右偏心輪上進行38%的拓撲優化，分別得到如圖所示的結果。

6.3、鏤空處理

為了使偏心輪能達到輕量化的目的，在滿足強度的需求情況下對偏心輪上可去除部分進行鏤空。鏤空后的偏心輪如圖七所示。

7、結論

根據偏心輪調節機構原理與總體傳動布局計算出偏心距，在確定支架的受力情況下，選取合適的軸承。通過軸承的型號確定偏心輪的厚度尺寸，運用NX建模建立模型。在此基礎上進拓補優化與校核檢驗，以在使用安全情況下，實現輕量化目標，經檢驗符合賽車規則。

參考文獻

[1]中國大學生方程式規則委員會.中國大學生方程式汽車大賽規則，2020

[2]劉明，朱瑞峰.FSAE賽車鏈傳動張緊裝置拓撲優化設計[J].科學技術創新，2020（25）：154-155.

[3]魏琛琛，劉浩凌，王燕妮，趙云海，劉攀，吉祥豪.FSAE方程式賽車傳動系統的優化設計及LSD的調教[J].汽車實用技術，2017（12）：67-71.