FSAE賽車差速器懸置偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計與分析

李穩(wěn)才

摘要：本文在滿足賽場安全規(guī)則[[1]中國大學(xué)生方程式規(guī)則委員會.中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則，2020]前提下，針對賽車鏈傳動系統(tǒng)中，鏈的長度隨著鏈輪的運轉(zhuǎn)時間增加而變長狀況，提出一種可靠的偏心調(diào)節(jié)方案。首先根據(jù)傳動系統(tǒng)參數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型計算出偏心輪的偏心距與偏心輪旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)角度的最優(yōu)解。其次，利用NX對偏心輪進行3D建模，在通過靜力學(xué)受力分析后，導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進行拓撲優(yōu)化。最后在用該軟件對整個偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)進行靜力學(xué)分析與校核[[2]劉明，朱瑞峰.FSAE賽車鏈傳動張緊裝置拓撲優(yōu)化設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（25）：154-155.]。通過試驗，設(shè)計出一個滿足輕量化且調(diào)節(jié)精度更好的偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)。

關(guān)鍵詞：偏心調(diào)節(jié);最優(yōu)解;NX建模;ANSYS仿真分析

0、引言

大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱FSAE）是一項由高等院校汽車相關(guān)專業(yè)在校生參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參加車隊按照大賽規(guī)則在一年之內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、操控穩(wěn)定性等各方面優(yōu)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(shè)計出偏心輪與其支架。偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)中偏心輪與支架配合固定在車架上?？赏ㄟ^旋轉(zhuǎn)偏心輪的角度來改變差速器軸線的位置，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)鏈條的松緊。在實車調(diào)試過程中偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)為提高傳動系統(tǒng)的效率提供了極大的幫助。因此偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計有著重要的意義。

1、偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)原理

設(shè)計偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)需要先研究偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)的原理和偏心輪的運動規(guī)律，由偏心輪的運動規(guī)律可以確定偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)的具體參數(shù)。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(nèi)圓配合，偏心輪內(nèi)圓S2與差速器軸承配合使差速器與偏心輪內(nèi)圓S2在同一軸線上，偏心輪內(nèi)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(zhuǎn)偏心輪時，偏心輪內(nèi)圓圓心O2繞偏心輪外圓圓心O1做圓周運動，通過旋轉(zhuǎn)偏心輪改變差速器軸線的位置，起到調(diào)劑鏈輪中心距的作用。偏心輪每旋轉(zhuǎn)一定角度差速器軸線移動一定的距離，相應(yīng)的鏈條中心距也會有所改變，在滿足最大調(diào)節(jié)距離的情況下確定偏心距，通過每次調(diào)節(jié)的距離確定偏心輪調(diào)節(jié)孔的角度。

2、計算鏈輪中心距

在偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)中要調(diào)節(jié)的偏心距主要與鏈輪的中心距有關(guān)，而中心距的大小主要取決于主、從動輪齒數(shù)、鏈條節(jié)距和鏈條節(jié)數(shù)，這可根據(jù)賽車的動力性和整體布置等確定。

2.1計算所用的鏈條節(jié)數(shù)

為使得傳動系統(tǒng)磨損均勻，提高傳動壽命，在鏈條節(jié)數(shù)選取時，一般取鏈條的節(jié)數(shù)為偶數(shù)，鏈輪的齒數(shù)取奇數(shù)，根據(jù)動力要求，選取參數(shù)如下。

LP：鏈條的節(jié)數(shù);P：鏈條節(jié)距;Z1：小鏈輪的齒數(shù);Z2：大鏈輪的齒數(shù)。根據(jù)賽車的設(shè)計：P=15.875mm，Z1=11，Z2=41。

計算得LP=55.36根據(jù)實際情況對鏈條節(jié)數(shù)取偶取整得LP=56。

2.2計算實際中心距

根據(jù)使用的鏈條節(jié)數(shù)和大小鏈輪的齒數(shù)確定實際裝配使用到的中心距，這避免在實際裝配需要調(diào)節(jié)中心距的麻煩。

帶入數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)中心距的最大距離。合適的偏心距可以在滿足調(diào)節(jié)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(jù)實際所用鏈節(jié)數(shù)加二之后所得的鏈節(jié)數(shù)對應(yīng)的中心距計算出，x、y可以根據(jù)小鏈輪和差速器的相對位置確定。

帶入數(shù)據(jù)得e=8.5mm，由于在實際裝配過程中存在裝配誤差，故e應(yīng)該取偏大的值，即e=9mm。

4、計算旋轉(zhuǎn)角度

偏心輪內(nèi)圓圓心O2在繞外圓圓心O1做圓周運動時每轉(zhuǎn)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(yīng)著不同的調(diào)節(jié)精度，如圖三所示。在滿足調(diào)節(jié)精度前提下便可確定旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)往年調(diào)車經(jīng)驗每次調(diào)鏈條在2mm左右，所以偏心輪每旋轉(zhuǎn)一個角度中心距移動的距離在2mm之內(nèi)即可滿足要求。

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

5、偏心輪和支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

偏心輪內(nèi)圓的尺寸和偏心輪的寬度可以根據(jù)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(jù)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(nèi)圓半徑與偏心距之和。在偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)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(diào)節(jié)范圍和強度需求的同時右偏心輪可以適當(dāng)比左偏心輪小，這適當(dāng)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(yōu)異的力學(xué)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(jīng)濟性，將偏心輪導(dǎo)入Workbench中的Shape Optimization模塊進行拓撲優(yōu)化處理。

6.2、條件設(shè)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(yōu)化，分別得到如圖所示的結(jié)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(jié)論

根據(jù)偏心輪調(diào)節(jié)機構(gòu)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(chǔ)上進拓補優(yōu)化與校核檢驗，以在使用安全情況下，實現(xiàn)輕量化目標，經(jīng)檢驗符合賽車規(guī)則。

參考文獻

[1]中國大學(xué)生方程式規(guī)則委員會.中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則，2020

[2]劉明，朱瑞峰.FSAE賽車鏈傳動張緊裝置拓撲優(yōu)化設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)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(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及LSD的調(diào)教[J].汽車實用技術(shù)，2017（12）：67-71.