白 蘭，段云龍，楊憲軍，高 建

(大連民族學(xué)院機(jī)電信息工程學(xué)院，遼寧大連116605)

FSAE賽事于1980年初在美國(guó)舉辦第一次比賽，目前已經(jīng)是為汽車(chē)工程學(xué)會(huì)的學(xué)生成員舉辦的一項(xiàng)國(guó)際賽事，其目的是設(shè)計(jì)和制造出一輛小型的高性能方程式賽車(chē)，并且使用這輛自行設(shè)計(jì)、制造的賽車(chē)參加比賽。涉及的內(nèi)容主要包括Formula SAE賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車(chē)架、車(chē)身和制動(dòng)系統(tǒng)及安全系統(tǒng)等［1］。

目前對(duì)賽車(chē)末級(jí)傳動(dòng)比和差速器固定裝置的研究文獻(xiàn)很少，本文結(jié)合其他賽車(chē)的制作經(jīng)驗(yàn)，以大連民族學(xué)院民族之魂二號(hào)車(chē)為載體，按照發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和賽手測(cè)試結(jié)果，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了賽車(chē)傳動(dòng)部分的末級(jí)傳動(dòng)比。此外，本文還利用ansys軟件和實(shí)際測(cè)試效果，仿真并優(yōu)化了差速器固定裝置［2］。

1 末級(jí)傳動(dòng)比的優(yōu)化

1.1 初級(jí)計(jì)算［3］

由于賽道的原因，發(fā)動(dòng)機(jī)的6個(gè)檔位一般只能用到3檔，設(shè)計(jì)賽車(chē)的最大速度在3檔，此時(shí)賽車(chē)速度能達(dá)到110 km·h-1。根據(jù)賽車(chē)規(guī)定，限流之后發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速nt為11 000 r·min-1，變速箱的初級(jí)減速比iLB為1.974 1，3擋的減速比ig為1.714。賽車(chē)選擇的輪胎是Hoosier輪胎，外徑d為510 mm。賽車(chē)在110 km·h-1時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的末級(jí)傳動(dòng)比為

1.2 實(shí)際測(cè)試［6］

(1)賽車(chē)戶外實(shí)際跑動(dòng)，跑動(dòng)全程中motec記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速(如圖1)。

圖1 motec記錄常用轉(zhuǎn)速圖(優(yōu)化前)

(2)在實(shí)驗(yàn)室中，將整車(chē)抬上底盤(pán)測(cè)功機(jī)，測(cè)出其外特性曲線，(如圖2)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果得出結(jié)論:根據(jù)初級(jí)計(jì)算的傳動(dòng)比，實(shí)際車(chē)手使用的轉(zhuǎn)速為5 000～7 000 rap·min-1，但這個(gè)轉(zhuǎn)速之下發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不是最佳狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)最佳扭矩的轉(zhuǎn)速為8 500 rap·min-1左右。

1.3 末級(jí)傳動(dòng)比的優(yōu)化

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確的外特性曲線和賽車(chē)整體參數(shù)，在速度為104.2 km·h-1時(shí)，最大轉(zhuǎn)速為11 975 r·min-1，得

優(yōu)化后測(cè)試得到發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速如圖3。

根據(jù)以上測(cè)試圖得出結(jié)論:優(yōu)化后賽手使用發(fā)動(dòng)機(jī)的常用轉(zhuǎn)速為8 000～9 500 rap·min-1，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，該轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩處于最佳狀態(tài)，將發(fā)動(dòng)機(jī)性能完全發(fā)揮［1］。

圖3 motec記錄常用轉(zhuǎn)速圖(優(yōu)化后)

2 差速器固定裝置的優(yōu)化

2.1 軟件建模

根據(jù)車(chē)架尾部結(jié)構(gòu)，確定固定裝置的連接方式。根據(jù)懸架點(diǎn)和鏈輪中心距，確定其整體基本尺寸。由差速器軸的基本尺寸確定軸承型號(hào)，以此確定固定裝置軸承孔的尺寸。綜合以上因素，利用CATIA軟件建模，設(shè)計(jì)出其三維圖。

2.2 仿真及優(yōu)化［4］

將CATIA建立的模型導(dǎo)入ansys軟件中。依照賽車(chē)輕量化的理念，在選材上選用了物理屬性較優(yōu)的7075鋁合金，將7075鋁合金的物理屬性定義到ansys軟件中，對(duì)其劃分網(wǎng)格。

(1)施加約束和載荷

圖4 靜態(tài)載荷

圖5 約束和載荷

(2)求解和優(yōu)化

根據(jù)實(shí)際分析需求和優(yōu)化需求，計(jì)算得到位移圖、位移曲線(如圖6)、應(yīng)力圖、應(yīng)力曲線(如圖7)、模態(tài)圖(如圖8)。通過(guò)對(duì)位移圖的分析，看最大位移的數(shù)值是否滿足實(shí)際所需特性;通過(guò)對(duì)應(yīng)力圖的分析，判斷強(qiáng)度是否能達(dá)到使用強(qiáng)度。通過(guò)模態(tài)圖的分析，看出差速器固定裝置的振動(dòng)情況。

圖6 位移圖、位移曲線

圖7 應(yīng)力圖、應(yīng)力曲線

圖8 模態(tài)圖

根據(jù)以上圖可以得出結(jié)論:最大位移處為軸承空邊沿位置，最大位移值為0.001 239 9 mm，該數(shù)值在實(shí)際工件上對(duì)實(shí)際使用沒(méi)有影響，其他位置的位移幾乎可以忽略不計(jì)。最大應(yīng)力出現(xiàn)在差速器固定裝置螺栓孔的位置，最大應(yīng)力為2.943 4 MPa，最大應(yīng)力處能滿足材料的強(qiáng)度要求。由模態(tài)圖可以看出該結(jié)構(gòu)的裝置在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的振動(dòng)情況，根據(jù)振動(dòng)的方向來(lái)改進(jìn)裝置的構(gòu)造和連接［4-6］。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)初級(jí)計(jì)算確定，設(shè)計(jì)出初級(jí)的傳動(dòng)比。利用發(fā)動(dòng)機(jī)motec記錄技術(shù)測(cè)試出實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)使用的常用轉(zhuǎn)速，通過(guò)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，對(duì)比外特性曲線和實(shí)際測(cè)量數(shù)值之間的差異，分析結(jié)果。由準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和整車(chē)參數(shù)計(jì)算出最終傳動(dòng)比，實(shí)際測(cè)試在該傳動(dòng)比下發(fā)動(dòng)機(jī)常用的轉(zhuǎn)速，得出最終結(jié)果。優(yōu)化結(jié)果表明末級(jí)傳動(dòng)比的優(yōu)化對(duì)提高賽車(chē)的加速性能有著重要的意義。

(2)基于ansys虛擬技術(shù)，對(duì)大連民族學(xué)院民族之魂二號(hào)賽車(chē)傳動(dòng)部分差速器固定裝置進(jìn)行了模型建立，材料屬性定義，網(wǎng)格劃分，施加約束和載荷，計(jì)算求解，得到該裝置的位移圖、位移曲線、應(yīng)力圖、應(yīng)力曲線和模態(tài)圖，從而確定最終的結(jié)構(gòu)。

［1］向鐵明，任恒山，朱易銘.賽車(chē)轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化設(shè)計(jì)方法——廈門(mén)理工學(xué)院28號(hào)FSAE賽車(chē)轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)［J］.廈門(mén)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，17(4):48-50.

［2］姚漢波，唐應(yīng)時(shí)，王煥美，等.FSAE方程式賽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(4):349-352.

［3］吳健瑜，羅玉濤，黃向東.FSAE賽車(chē)雙橫臂懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(10):120-122.

［4］周永光，陽(yáng)林，吳發(fā)亮.FSAE賽車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2012，50(11):37-41.

［5］于國(guó)飛，黃紅武，吳俊輝.基于有限元的FSAE賽車(chē)車(chē)架的強(qiáng)度及剛度計(jì)算與分析［J］.廈門(mén)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，17(4):29-32.

［6］楊林，吳志成，倪俊.面向FSAE競(jìng)賽的某賽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(11):1121-1124.