劉明，朱瑞峰，喬曉亮

FSAE賽車鏈傳動系統(tǒng)的設計與仿真分析*

劉明1,2，朱瑞峰1,3，喬曉亮1*

（1.西安航空學院車輛工程學院，陜西 西安 710077；2.陜汽集團商用車有限公司，陜西 寶雞 722405； 3.浙江英倫汽車有限公司，浙江 義烏 321000）

文章在滿足FSAE（中國大學生方程式汽車大賽）規(guī)則的要求下，為了達到FSAE賽車的安全性、輕量化及結(jié)構(gòu)強度的目的，需要設計出鏈傳動系統(tǒng)的最優(yōu)三維模型，首先利用了CATIA對大、小鏈輪以及差速器支架進行三維建模，其次通過利用ANSYS workbench模塊對其傳動系統(tǒng)的零部件進行了靜力學分析以及受力校核，在保證零部件強度以及輕量化的前提下，盡量減輕整車底盤的簧下質(zhì)量，最后驗證了該結(jié)構(gòu)設計均達到了FSAE賽車的規(guī)則要求，且也滿足了設計的合理性。

FSAE賽車；傳動系統(tǒng)；CATIA建模；有限元分析；輕量化

引言

FSAE賽車鏈傳動系統(tǒng)都應該具有：減速增距、整車變速、中斷動力傳遞、輪間差速、差速器可以使左右車輪以不同的角速度轉(zhuǎn)動。

就汽車來說，傳動的方式一般包括軸傳動、齒輪傳動、帶傳動和鏈傳動等，鏈傳動可以在兩傳動軸的中心距較遠的情況下完成動力的傳遞，與此同時且能在低速和重載以及溫度較高的條件下等各種環(huán)境比較惡劣的情況下工作，傳動效率較高，傳遞功率較大，用于在軸和軸承上的作用力小，且設計和加工以及裝配都比較方便，于是絕大多數(shù)車隊都采用鏈傳動系統(tǒng)。

賽車的傳動系統(tǒng)對賽車的動力性、可靠性、操縱穩(wěn)定性都有著非常重要的影響，中國大學生方程式汽車大賽的耐久賽、高速避障以及直線加速成績都能直接反應賽車傳動系統(tǒng)的設計是否安全可靠且穩(wěn)定，基于上述問題，本文利用CATIA進行建立三維模型，設計了鏈傳動系統(tǒng)的三維模型，并對整個傳動系統(tǒng)進行受力計算，利用ANSYS Workbench模塊對所設計的裝置進行受力、應力、應變分析以及校核，在滿足此大賽規(guī)則要求的前提下，確保發(fā)動機的最佳動力輸出，并且保證賽車的安全性、輕量化及強度要求。

1 CATIA鏈傳動系統(tǒng)三維建模

1.1 CATIA簡介

CATIA（Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application）是法國達索公司開發(fā)的CAD/CAM/ CAE一體化的軟件[1]，CATIA軟件以其強大的曲面設計用于飛機和汽車以及輪船等，并廣泛應用于航空航天和汽車制造以及機械制造等行業(yè)。CATIA的著名用戶包括波音和寶馬以及奔馳等知名的企業(yè)，在波音飛機公司使用CATIA完成整個波音777的電子裝配后，確定了CATIA在CAD/CAE/CAM行業(yè)內(nèi)的地位，很多的汽車制造企業(yè)和設計公司分別加入了使用行列。CATIA的曲面設計功能是它可以提供豐富的建模工具來滿足用戶的建模需求。例如，其獨特的高次Bezier曲線和曲面功能可以達到15度，并且可以滿足特殊行業(yè)對表面光滑度的嚴格要求。CATIA目前有11個模塊，包括基礎結(jié)構(gòu)，機械設計，分析和仿真，AEC工廠，數(shù)控加工，數(shù)控模型，設備和系統(tǒng)，數(shù)字處理過程，人機工程設計和分析以及智能零件[2]。

1.2 鏈傳動系統(tǒng)大小鏈輪的三維設計

根據(jù)往年的各大高校的數(shù)據(jù)傳動比均在3.0-3.5之間，由于大小鏈輪的齒數(shù)要達到互質(zhì)的要求，且小鏈輪Z1的齒數(shù)對整個傳動系統(tǒng)的使用壽命和平穩(wěn)性也會產(chǎn)生比較大的影響，故小鏈輪齒數(shù)選擇Z1=11

分度圓直徑：

齒頂圓直徑：

首先根據(jù)參數(shù)畫出圓形凸臺，其次根據(jù)變速箱輸出軸的花鍵進行小鏈輪花鍵槽草圖的繪制如圖1所示，進行凹槽操作，最后進行三圓弧—直線齒槽形狀的草圖繪制進行凹槽操作，進行完整徑向?qū)嵗秊?1的圓形陣列如圖2所示，得到小鏈輪模型。

小鏈輪齒數(shù)為11齒，由于需要達到互質(zhì)的要求，且傳動比在3.0-3.5之間，故傳動比選擇為3.36，大鏈輪的齒數(shù)選擇為：

首先根據(jù)差速器的花鍵軸進行繪制大鏈輪的中心花鍵如圖3所示，其次繼續(xù)根據(jù)三圓弧—直線齒槽形狀的草圖的繪制，最后進行完整徑向?qū)嵗秊?7的圓形陣列，對大鏈輪的實體部分進行規(guī)則的輕量化操作如圖4所示。

圖1 小鏈輪花鍵槽草圖

圖2 小鏈輪三維模型圖

圖3 打鏈輪花鍵槽草圖

圖4 大鏈輪三維模型圖

2 ANSYS鏈傳動系統(tǒng)受力分析

2.1 ANSYS有限元分析流程

ANSYS workbench分析流程圖如圖5所示。

圖5 ANSYS分析流程圖

2.2 大鏈輪的主要參數(shù)及受力計算

傳動系統(tǒng)的大鏈輪作為從動輪，承受小鏈輪和鏈條所帶來的沖擊載荷，故對其材料的耐磨性以及硬度要求相比于小鏈輪來說要小，且大鏈輪作為傳動系統(tǒng)的主要零部件之一，對整個FSAE賽車的傳動效率影響非常大，此外還要考慮其滿足輕量化要求，于是選擇7075-T6航空鋁合金做其大鏈輪材料，并對其表面進行陽極氧化[3]。其參數(shù)如表1所示。

表1 7075-T6航空鋁材料的基本參數(shù)

經(jīng)過資料的查閱，F(xiàn)SAE賽車鏈傳動系統(tǒng)大鏈輪的危險工況為：賽車在彈射起步時鏈條給大鏈輪所提供的緊邊拉力，Drexler差速器的左端與大鏈輪的中心通過花鍵進行連接，在鏈條與大鏈輪嚙合的瞬間所產(chǎn)生的沖擊力最大，共有17個齒處于緊邊拉力的狀態(tài)，共有9個齒是松邊拉力的狀態(tài)。由于大鏈輪處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以每個齒都會循環(huán)的受一次沖擊力，本篇文章在已經(jīng)利用CATIA建立的大鏈輪三維模型的基礎上，利用ANSYS Workbench模塊對傳動系統(tǒng)大鏈輪的工況進行強度校核分析。因為傳動系統(tǒng)的大鏈輪是對稱結(jié)構(gòu)，故對其進行有限元分析時只對大鏈輪的3個齒上依次施加1500N、1450N、1400N的法向載荷，并對其大鏈輪的中心花鍵進行約束。

首先打開ANSYS workbench18.0按照1對其材料的屬性（Engineering Data）進行定義如圖6所示，其次將CATIA所建立的大鏈輪三維模型另存為STP格式然后導入到Geome -try中。

ANSYS分析過程中網(wǎng)格的劃分是CAE仿真分析必不可少的一部分，網(wǎng)格的大小與直徑將直接影響著仿真結(jié)果的精確度以及求解的收斂性。此外，網(wǎng)格劃分階段花費的時間往往也占著整個仿真分析的大部分時間，因此，當網(wǎng)格劃分工具越好、自動化程度越高，整個CAE仿真分析的效率以及精度也就越高。目前在ANSYS Workbench中劃分網(wǎng)格的兩種途徑來實現(xiàn)：（1）網(wǎng)格的全局控制（2）網(wǎng)格的局部控制。根據(jù)其大鏈輪的結(jié)構(gòu)特點，本文選用六面體網(wǎng)格的畫法，網(wǎng)格大小設置為2mm，模型共分為224719個單元，和67350個節(jié)點數(shù)如圖7所示[4]。本文多數(shù)采用固定約束以及無摩擦約束，之后對其鏈輪所受力的三個鏈齒依次施加法向載荷1500N、1450N、1400N的力如圖8所示。

圖6 材料的定義

圖7 網(wǎng)格的劃分

圖8 法向載荷的施加

其次對其大鏈輪的中心花鍵進行固定約束，依次添加應力云圖（Equivalent Stress）和總變形云圖（Total Deformation）如圖9和圖10所示。

圖9 邊界條件的定義

圖10 應力和總變形云圖的添加

最后對大鏈輪進行求解（solution），得到如下圖11所示，可以看出大鏈輪所受到的最大應力是161.66MPa，遠遠小于材料的許用應力505MPa，由圖12可以看出大鏈輪的最大變形量為0.0668mm，基本滿足國家的標準。

圖11 大鏈輪應力云圖

圖12 大鏈輪總變形云圖

FSAE賽車的鏈傳動系統(tǒng)的差速器支架是用來固定差速器，使其能夠平穩(wěn)的工作。由于考慮到強度和輕量化的要求，我們將7050航空鋁作為差速器支架的材料，其次根據(jù)整車車架，輪邊立柱以及小鏈輪的布置，確定支架定位孔和軸承的相對位置。

由于整個鏈傳動系統(tǒng)的左支架是受力最大的，且根據(jù)軸承（61911）的選用如表2所示，故差速器支架的厚度取12mm，還要考慮到偏心輪與支架進行間隙配合，故支架的內(nèi)圈半徑為60mm，計算得到左支架的內(nèi)壁受力為9900N。

表2 61911軸承基本參數(shù)

由于差速器支架以及偏心輪的材料和大鏈輪的材料相同，故可以直接選取材料庫里所保存的7075-T6航空鋁材料屬性，其次將其CATIA模型進行導入，根據(jù)其結(jié)構(gòu)屬性網(wǎng)格的劃分選擇六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設置為2mm，模型共分為240688個單元，和64621個節(jié)點數(shù)如圖13所示，接下來對支架的兩個定位孔進行施加固定約束（Fixed Supports）如圖14所示。

圖14 支架與車架連接螺栓孔固定約束

由于差速器支架與偏心輪是間隙配合，對其偏心輪以及支架所接觸的模型表面施加固定約束（Fixed Supports）如圖15所示，最后對張緊裝置即支架與偏心輪配合的中心內(nèi)壁施加9900N的壓軸力如圖16示。

圖15 支架與偏心輪的約束

圖16 壓軸力的施加

最后對其添加應力和總變形云圖，然后進行Solve求解，可以明顯的得到最大應力為219.8MPa，最大位移量為0.3mm如圖17和18所示。

圖17 差速器支架應力云圖

圖18 差速器支架總變形云圖

3 結(jié)論

根據(jù)相關(guān)的理論計算，材料7075-T6材料的屈服極限為505Mpa，最后通過ANSYS有限元分析計算得出各零部件的最大應力，各部分的安全系數(shù)如下表3所示。

表3 鏈傳動主要零部件安全系數(shù)表

本文通過ANSYS workbench有限元分析模塊對整個鏈傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件進行了校核，在材料定義選擇7075航空鋁材料參數(shù)，網(wǎng)格均采用六面體網(wǎng)格（Hex Dominant），網(wǎng)格大小均為2mm確保了其分析結(jié)果的準確性，根據(jù)其仿真分析結(jié)果顯示，應力圖明顯都遠遠小于材料的屈服極限，總形變云圖也均滿足其FSAE整車鏈傳動系統(tǒng)的設計要求。由上表可以看出，其大鏈輪和差速器支架在滿足彈射起步工況時的安全系數(shù)為3.12和2.72，必然滿足其設計強度要求。

[1] 宋小波,趙韓,董玉德,陳興玉.基于CATIA的齒輪三維設計系統(tǒng)的研究[J].機械科學與技術(shù),2008(02):273-276+280.

[2] 顏瀟,孟佑銘,王群,侯小平,羊玢.基于CATIA的汽車自動變速器虛擬建模與裝配[J].科技經(jīng)濟市場, 2017(06):3-5.

[3] 湯愛君,王紅梅,李同,趙彥華,王瑗.基于Ansys Workbench的低位纏繞機鏈輪支架的仿真與優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化,2019,41(01):145 -147+157.

[4] 宋云鵬,夏禹濤.基于ANSYS Workbench的正交異性板U型肋拓撲優(yōu)化[J].科技創(chuàng)新與應用,2017(28):26-27+29.

Design and Simulation Analysis of FSAE Racing Chain Drive System*

Liu Ming1,2, Zhu Ruifeng1,3, Qiao Xiaoliang1*

（1.Xi'an Aeronautical University School of Vehicle Engineering, Shaanxi Xi'an 710077; 2.Shaanxi Automobile Group Commercial Vehicle Co., Ltd.,Shaanxi Baoji 722405; 3.Zhejiang Yinglun Automobile Co., Ltd., Zhejiang Yiwu 321000）

In order to achieve the safety, light weight and structural strength of FSAE racing cars, this article needs to design an optimal three-dimensional model of the chain drive system under the requirements of the FSAE (Formula College Student Automobile Competition) rules, Small sprocket and differential bracket for three-dimensional modeling, followed by using the ANSYS workbench module to carry out static analysis and force check of the components of the transmission system, on the premise of ensuring the strength of the components and light weight, As far as possible to reduce the un sprung quality of the chassis of the whole car, it was finally verified that the structural design has met the requirements of the FSAE racing rules, and also satisfies the rationality of the design.

FSAE racing; Transmission system; CATIA modeling; Finite element analysis; Lightweight

A

1671-7988(2020)24-31-05

劉明（1999-），男，陜西咸陽，學士，就讀于西安航空學院車輛工程學院；通訊作者：喬曉亮（1988-），男，講師，碩士，就職于西安航空學院車輛工程學院。

U463.21 文獻識別碼：A

1671-7988(2020)24-31-05

中央高校基本科研業(yè)務費資助項目（300102229507）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.011

CLC NO.: U463.21