FSC賽車鏈輪傳動系統(tǒng)設(shè)計分析

李任任，胡順安，許凱

(常熟理工學(xué)院，江蘇蘇州 215500)

0 引言

FSC是Formula Student China的簡寫，其中文名稱為中國大學(xué)生方程式汽車大賽[1]。該賽事從2010年開始舉辦，2018年預(yù)期有近80所高校參加該項賽事。參賽隊伍數(shù)量逐年增加，影響力也不斷擴(kuò)大。FSC作為中國汽車工程學(xué)會舉辦的三大賽事之一，能夠促進(jìn)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)、積極參與賽事，培養(yǎng)大學(xué)生的設(shè)計能力和動手能力，是一種較好的大學(xué)生培養(yǎng)方式。

在大學(xué)生方程式賽車中，主減速器主要采用鏈輪系統(tǒng)傳動，它位于變速器與主動橋之間，由主動鏈輪將變速器輸出的運動和力傳遞給從動鏈輪，從而傳遞至驅(qū)動橋。鏈輪系統(tǒng)主要由鏈輪和鏈條組成，其中的鏈傳動參數(shù)設(shè)計及鏈輪結(jié)構(gòu)設(shè)計分析尤為重要。

1 鏈傳動主要參數(shù)的確定

鏈傳動的承載能力與其失效形式有關(guān)。工況不同，承載能力也不同，依據(jù)在一定使用壽命和潤滑條件下繪制出的功率曲線選擇鏈條型號，發(fā)現(xiàn)所選取鏈條型號過大。所以依據(jù)以往經(jīng)驗，選取10A鏈條，其節(jié)距為15.875 mm。CIT16賽車選取525鏈條導(dǎo)致鏈輪防護(hù)罩過寬及鏈條過重，現(xiàn)更換同樣節(jié)距的520鏈條，有效地減小鏈條的質(zhì)量和防護(hù)罩的寬度。

選用較小齒數(shù)的鏈輪可以有效減小鏈輪的尺寸，從而有效地減小傳動系統(tǒng)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量。而齒數(shù)過少，將極大地影響鏈傳動的平穩(wěn)性和使用壽命，造成鏈傳動的動載荷、傳動的圓周力、傳動的不均勻性增大，從而加劇鏈輪和鏈條的磨損[2]。同時考慮到，奇數(shù)的鏈輪齒輪可以使鏈輪及鏈條的磨損更加均勻。最終確定11齒數(shù)的小鏈輪、34齒的大鏈輪，主減速器比為3.09。減小鏈輪中心距，可以使賽車尾部更加緊湊，減少不必要的鋼管使用數(shù)量，有效地減小整車質(zhì)量。但過小的鏈輪中心距，會導(dǎo)致鏈條在小鏈輪上的包角過小，參與齒合的齒數(shù)減少，使得輪齒承受的載荷變大，加劇鏈輪磨損，易出現(xiàn)跳齒、脫鏈現(xiàn)象。最終，確定鏈輪中心距為192.9 mm，小鏈輪包角為145.6°。

2 大鏈輪傳動的受力計算

小鏈輪作為驅(qū)動輪，安裝在發(fā)動機(jī)上，直接承受發(fā)動機(jī)輸出的力矩，且由于選用的鏈輪齒數(shù)較少，鏈輪本身的尺寸已經(jīng)很小，同時考慮到小鏈輪一旦失效，將會對發(fā)動機(jī)造成無法挽回的損失[3]。據(jù)此，小鏈輪采用較為保守的設(shè)計，選用40Cr材料，不對其進(jìn)行過多的優(yōu)化。

大鏈輪作為從動輪，安裝在驅(qū)動橋上，主要承受來自鏈條的緊邊拉力。由于大鏈輪的尺寸較大，選用強(qiáng)度更高且密度更小的7075航空鋁，可以有效減輕鏈輪質(zhì)量[4]。同時對鏈輪進(jìn)行鏤空，進(jìn)一步減輕其質(zhì)量。鏈輪作為主減速器，其安全性及可靠性尤為重要?？紤]到CIT15賽車由于大鏈輪斷裂造成發(fā)動機(jī)變速箱的損壞，對大鏈輪工況的計算要求更加準(zhǔn)確。

賽車實際行駛時，遇到的工況非常復(fù)雜，但可主要分為：勻速、彈射起步、緊急制動3個工況。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)大鏈輪的危險工況為彈射起步工況，發(fā)動機(jī)將力矩傳遞給小鏈輪，小鏈輪通過鏈條將力矩傳遞給大鏈輪，在起步瞬間，可以假設(shè)大鏈輪靜止，承受來自鏈條的全部拉力[5]。

小鏈輪傳遞的最大扭矩：

M0=Tmaxi0i1η

(1)

式中：M0為一擋時小鏈輪傳遞的最大扭矩；Tmax為發(fā)動機(jī)提供的最大扭矩，48.33 N·m；τ0為發(fā)動機(jī)初始傳動比，2.11；τ1為變速箱一擋傳動比，2.75；η為傳動效率，100%。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(1)得

M0=48.33×2.11×2.75×100%=280.44 N·m

小鏈輪的分度圓直徑：

(2)

式中：d為小鏈輪分度圓直徑；P為鏈條節(jié)距，15.875 mm；z為小鏈輪齒數(shù)，11。

則得到

此時，大鏈輪所承受的緊邊拉力：

(3)

式中：F0為大鏈輪所承受的緊邊拉力；M0為一擋時小鏈輪傳遞的最大扭矩，280.44 N·m；d為小鏈輪分度圓直徑，56.35 mm。

將上述數(shù)據(jù)代入公式(3)得

3 大鏈輪建模

大鏈輪的三維模型如圖1所示。

圖1 大鏈輪三維數(shù)模

大鏈輪建模過程為：運用SoildWorks的插件邁迪工具集，選用鏈輪命令，輸入大小鏈輪齒數(shù)、鏈條型號及選定鏈輪中心距，生成大鏈輪，并將文件導(dǎo)成中間格式。在CATIA中導(dǎo)入該中間格式，導(dǎo)入齒輪模型。并運用投影命令將德雷克斯勒差速器的花鍵模型投影到鏈輪模型上，建立花鍵，進(jìn)一步對鏈輪進(jìn)行鏤空。由于鏈輪的使用工況較為極限、鏈輪中心距較短、且鏈輪較緊，將增大鏈齒倒角，以防止鏈條跳齒。

4 大鏈輪驗證分析

在Engineering Data中建立材料7075鋁，并輸入彈性模量7.20×1010Pa、泊松比0.330。利用CAD/CAE之間接口，將大鏈輪與鏈條裝配的igs三維數(shù)模導(dǎo)入ANSYS WorkBench軟件中。大鏈輪與鏈條的約束采用ANSYS自動生成。采用網(wǎng)格密度為1.5 mm的四面體網(wǎng)格，劃分大鏈輪的網(wǎng)格質(zhì)量大于0.8。在大鏈輪花鍵的一端施加Fix Support約束，在其中一個鏈節(jié)上施加鏈輪切向、大小為9 953.33 N的力，如圖2所示。有限元分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖2 大鏈輪的約束與切向拉力施加

圖3 大鏈輪應(yīng)力云圖分布

圖4 大鏈輪變形量云圖分布

由圖3可知，鏈輪在局部產(chǎn)生最大應(yīng)力為387.89 MPa，遠(yuǎn)小于7075鋁的屈服強(qiáng)度(503 MPa)。由圖4可知，鏈輪在鏈齒處產(chǎn)生最大變形量為0.229 mm，滿足使用要求。因此，大鏈輪符合設(shè)計要求。

通過訓(xùn)練和磨合跑合后，將大鏈輪拆解下來，檢查其運行情況，結(jié)果良好。如圖5所示為大鏈輪跑合后的運行情況。

圖5 大鏈輪跑合后情況

5 結(jié)論

通過對鏈傳動主要參數(shù)的設(shè)計和選取，計算鏈輪的受力情況，應(yīng)用有限元分析驗證鏈輪設(shè)計的合理性，并應(yīng)用于2018年FSC賽車上，經(jīng)驗證設(shè)計合理。其結(jié)構(gòu)比以往FSC賽車的鏈輪傳動系統(tǒng)更為緊湊，質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更為合理。