李穩(wěn)才

摘要：本文在滿足賽場(chǎng)安全規(guī)則[[1]中國(guó)大學(xué)生方程式規(guī)則委員會(huì).中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則，2020]前提下，針對(duì)賽車鏈傳動(dòng)系統(tǒng)中，鏈的長(zhǎng)度隨著鏈輪的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加而變長(zhǎng)狀況，提出一種可靠的偏心調(diào)節(jié)方案。首先根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)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(duì)偏心輪進(jìn)行3D建模，在通過(guò)靜力學(xué)受力分析后，導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。最后在用該軟件對(duì)整個(gè)偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析與校核[[2]劉明，朱瑞峰.FSAE賽車鏈傳動(dòng)張緊裝置拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（25）：154-155.]。通過(guò)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足輕量化且調(diào)節(jié)精度更好的偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)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(jiǎn)稱FSAE）是一項(xiàng)由高等院校汽車相關(guān)專業(yè)在校生參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽。各參加車隊(duì)按照大賽規(guī)則在一年之內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、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(guò)分析鏈傳動(dòng)中心距，以及鏈輪的相對(duì)位置，設(shè)計(jì)出偏心輪與其支架。偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中偏心輪與支架配合固定在車架上?？赏ㄟ^(guò)旋轉(zhuǎn)偏心輪的角度來(lái)改變差速器軸線的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)鏈條的松緊。在實(shí)車調(diào)試過(guò)程中偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率提供了極大的幫助。因此偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有著重要的意義。

1、偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理

設(shè)計(jì)偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要先研究偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原理和偏心輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由偏心輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以確定偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的具體參數(shù)。如圖一，在使用時(shí)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(shí)，偏心輪內(nèi)圓圓心O2繞偏心輪外圓圓心O1做圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)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(dòng)一定的距離，相應(yīng)的鏈條中心距也會(huì)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(guò)每次調(diào)節(jié)的距離確定偏心輪調(diào)節(jié)孔的角度。

2、計(jì)算鏈輪中心距

在偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)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(dòng)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(dòng)力性和整體布置等確定。

2.1計(jì)算所用的鏈條節(jié)數(shù)

為使得傳動(dòng)系統(tǒng)磨損均勻，提高傳動(dòng)壽命，在鏈條節(jié)數(shù)選取時(shí)，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(dòng)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(jì)：P=15.875mm，Z1=11，Z2=41。

計(jì)算得LP=55.36根據(jù)實(shí)際情況對(duì)鏈條節(jié)數(shù)取偶取整得LP=56。

2.2計(jì)算實(shí)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(shí)際裝配使用到的中心距，這避免在實(shí)際裝配需要調(diào)節(jié)中心距的麻煩。

帶入數(shù)據(jù)得實(shí)際中心距a=225.4mm。

3、計(jì)算偏心距

偏心距的大小決定了偏心輪調(diào)節(jié)機(jī)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(guò)程中的準(zhǔn)確性，而且還能滿足輕量化要求。

在圖二中a1：實(shí)際中心距;a2：鏈條達(dá)到最大拉伸長(zhǎng)度時(shí)的中心距;x：實(shí)際中心距在水平方向的投影;y：實(shí)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(shí)際所用鏈節(jié)數(shù)加二之后所得的鏈節(jié)數(shù)對(duì)應(yīng)的中心距計(jì)算出，x、y可以根據(jù)小鏈輪和差速器的相對(duì)位置確定。

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

4、計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)每轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度中心距就會(huì)增大一定的距離，不同的角度對(duì)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(yàn)每次調(diào)鏈條在2mm左右，所以偏心輪每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度中心距移動(dòng)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(gè)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(gè)螺栓孔，偏心輪每旋轉(zhuǎn)一個(gè)孔所調(diào)節(jié)的距離就是上述旋轉(zhuǎn)一個(gè)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(jì)

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(lái)確定，偏心輪和支架配合的外圓要根據(jù)具體的強(qiáng)度需求來(lái)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(jī)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(qiáng)度需求的同時(shí)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，將偏心輪導(dǎo)入Workbench中的Shape Optimization模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化處理。

6.2、條件設(shè)置

偏心輪主要和支架配合通過(guò)螺栓緊固，對(duì)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(lái)自差速器的軸承力，軸承力的來(lái)源為鏈條對(duì)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(jìn)行38%的拓?fù)鋬?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(dá)到輕量化的目的，在滿足強(qiáng)度的需求情況下對(duì)偏心輪上可去除部分進(jìn)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(jī)構(gòu)原理與總體傳動(dòng)布局計(jì)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(guò)軸承的型號(hào)確定偏心輪的厚度尺寸，運(yùn)用NX建模建立模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)拓補(bǔ)優(yōu)化與校核檢驗(yàn)，以在使用安全情況下，實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，經(jīng)檢驗(yàn)符合賽車規(guī)則。

參考文獻(xiàn)

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