大学生方程式赛车设计传动及最终传动系统设计有cad图+三维图Word格式.docx
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预期的销售市场是周末业余汽车比赛。
因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。
该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。
此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。
制造企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。
设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。
各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。
1.2国外情况
目前FSAE在美国，巴西，日本，英国，德国，匈牙利，澳大利亚等国均有比赛。
日本在10年前开始举办该项赛事，目前已成为亚洲FSAE顶级比赛，每年吸引包括斯图加特，格拉斯，DUT，RIT等大学车队参加，同时日本本土强队上智大学索菲亚车队也是每年固定参与的强队之一。
世界各国前对汇聚在此，彼此交流心得，相互竞争切磋，相互学习，共同提高。
第九届日本FSAE盛况如下图：
图1-12011年第九届日本FSAE大赛
1.3国内情况
FSAE中国赛的中文名称为中国大学生方程式汽车大赛，英文名称为FormulaStudentChina（简称FSC），目前已举办两届。
两届FSC赛事均在上海国际赛车场举办，在2011年举办的第二届中国大学生方程式汽车大赛中，北京理工大学方程式车队击败了包括慕尼黑工业大学TUfast车队，同济大学方程式车队，湖南大学方程式车队，吉林大学急速车队等强队，蝉联了总冠军。
同国外比赛一样，比赛分为动态项目与静态项目两个大项。
其中静态项目包括：
营销报告（Presentation75分）、设计报告（Design150分）、成本分析报告（Cost100分）；
动态项目包括：
75米加速（Acceleration75分）、八字绕环（Skid-Pad50分）、高速避障（Autocross150分）、耐久性（Endurance350分）、燃油经济性（FuelEconomy50分），总共1000分。
第二章绪论
2.1传动系统的组成
汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系。
它应保证汽车具有在各种行驶条件下所必需的牵引力、车速，以及保证牵引力与车速之间协调变化等功能，使汽车具有良好的动力性和燃油经济性；
还应保证汽车能倒车，以及左、右驱动轮能适应差速要求，并使动力传递能格局需要而平稳地结合或彻底、迅速地分离。
传动系包括离合器、变速器、传动轴、主减速器、及半轴等部分。
2.2传动系统的功能实现
传动系统的首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车在各种行驶条件下正常行驶所必需的驱动力与车速，并使汽车具有良好的动力性和燃油经济性。
为此，任何形式的传动系统都必须具有以下功能。
1、实现减速增扭
只有当作用在驱动轮上的驱动力足以克服外界对汽车的阻力时，汽车方能起步并正常行驶。
假如将发动机与驱动轮之间直接连接，则汽车速度很大，这样高的车速既不实用，又不可能实现（因为相应的驱动力太小，汽车根本无法起步）。
为解决这一矛盾，必须使传动系统具有减速增扭的作用，亦既使驱动轮的转速降为发动机转速的若干分之一，相应的驱动轮所得到的扭矩则增大到发动机转矩的若干倍；
2、实现汽车变速汽车的使用条件在很大范围内不断变化，这就要求汽车的驱动力和速度也有相当大的变化范围；
3、实现汽车倒驶汽车在某些情况下需要倒向行驶；
4、必要时中断传动系统的动力传递发动机只能在无负荷情况下启动，而且启动后的转速必须保持在最低稳定转速之上，否则可能会熄火。
所以，在汽车起步之前，必须将发动机到驱动轮的动力传递路线切断，以便启动发动机；
5、应使两侧驱动车轮具有差速作用差速器使左右两驱动轮可以以不同的角速度旋转。
此外，由于发动机、离合器和变速器固定在车架上，而驱动桥和驱动轮一般是通过弹性悬架与车架联系的，因此在汽车行驶过程中，变速器与驱动轮之间常有相对运动。
在此情况下，两者之间不能用简单的整体传动轴传动，而应采用由万向节和传动轴组成的万向传动装置。
汽车传动系统的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形式和性能、汽车总体结构形式、汽车行驶系统及传动系统本身的结构形式等许多因素。
2.3FSAE大学生方程式赛车传动系统的特点
1、FSAE方程式赛车发动机的布置与传动系统的设计
FSAE方程式赛车一般采用发动机中置后轮驱动的MR方案。
MR方案是将发动机置于驾驶室后面的汽车中部，后轮驱动。
该方案布置有利于实现前、后轴较为理想的轴荷分配。
MR方案中发动机发出的动力经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥的主减速器、差速器和半轴，最后传到驱动车轮。
因此，传动系的设计中应考虑到这一点。
2、与发动机性能的匹配
此次赛车整体制造设计时选用了CBR600发动机，依据大赛规则，需要在节气门前面加装内径20mm的限流阀。
由于CBR600发动机属于高转速引擎，加装限流阀后最大扭矩点约在7000~8000转，约为50nm左右，功率点约在9000~10000转，约为45kw。
由于原厂发动机中自带离合器、变速器与一级主减速器，则根据大赛规则，车辆实际动力参数，赛道特性等需要计算设计传动二级主线速比，与发动机性能特性匹配，充分发挥发动机的特性，在赛道上取得理想成绩。
3、差速器的选用
由于赛车通常在极限状态下驾驶，在赛车出弯时由于赛车的侧倾，内侧车轮负载明显小于外侧车轮，甚至离开地面。
这导致在出弯时，赛车由于大功率的输出，导致内侧车轮与地面打滑，不但影响操纵稳定性，还损失了出弯动力，导致下一段直道速度的减慢，严重影响单圈成绩。
因此，在资金充裕的情况下应尽量选用限滑差速器。
4、传动方式的选择
目前，商用车与乘用车用，普遍应用轴传动，也基本上只有轴传动能满足载荷功率要求。
但此次设计的FSAE方程式赛车与一般生活中应用到的汽车有着截然不同的要求，性能，质量以及目前各校FSAE车队的传动方式的选择上几乎全部为链传动，这是与一般汽车一个不同的地方。
2.4中国大学生方程式汽车大赛（FSAE）传动规则和要求
大赛有关传动部分规则（摘要）如下：
1、变速器及传动可以使用任何传动变速装置；
2、传动系统防护罩及保护装置；
3、暴露在外的高速运转部件，如变矩器、离合器、带传动、离合器传动，都必须装安防护罩以防失效；
4、链和带的防护罩不允许用有穿孔的材料；
5、链传动——防护罩必须使用2.66mm（0.105英寸）厚的钢板（不允许有其他的替代尺寸），并且必须是所用链条宽度的三倍宽；
6、带传动——安全罩必须用至少3.0mm（0.120英寸）的铝合金6061-T6，并且最小宽度必须比带宽度两边各多35%的宽度（即带宽的1.7倍）；
7、连接处的紧固——所有安全罩的连接必须至少使用6mm、级别M8.8螺栓；
8、安全罩必须在任何情况下在横向上与链或带保持平行；
9、护指——使用轻质材料制作护指。
2.5本次传动系统设计任务
1、了解汽车总体设计的基本知识；
2、掌握客FSAE赛车底盘设计的基本要求；
3、学习用已学过的知识进行起FSAE赛车动力总成布置设计；
4、学会查找有关汽车资料。
第三章赛车动力总成的选择与布置
3.1整车参数与主要结构
轴距1680mm轮距前轮距：
1199mm,后轮距：
1149mm，
前悬/后悬
最小离地间隙：
40mm
总质量280kg
整备质量220kg
发动机：
排量/功率（ml/ps）589.9/90
扭矩66nm
3.1.2动力总成设计参数与形式
发动机采用本田摩托车CBR600F4I的电喷发动机，排量599CC，在未限流情况下的最高功率为86KW，最高转速将近13000r/min。
但由于大赛规则发动机节气门后需要安装内径20mm的限流阀，故其最大功率，最大扭矩与原厂发动机有较大出入。
1、加装限流阀后的发动机参数
表3-2CBR600F4I发动机动力试验参数
发动机型号
最大功率
最大扭矩
CBR600F4
44.1kw9500r/min
46.3Nm7500r/min
表3-3CBR600F4I发动机外特性试验参数
N（r/min）
3500
4500
5500
6500
7500
8500
9500
10500
Pe（kw）
11.3
17.5
23.7
30.3
36.4
41.1
44.1
42.7
Te（Nm）
30.8
37.1
44.5
46.3
46.2
44.3
38.8
以上发动机转速与对应的功率是根据原有外特性曲线，在考虑了比赛要求需要加装20mm的限流阀的情况下其他同型号发动机通过台架测试得到的。
但每台发动机的工况不尽相同，标定也千差万别，进排气改进等其他的方面也都不相同，此数据可能与实际可能存在一定的出入。
因为在此计算之时发动机未进行改装，无法得到确切的数据。
但通过全国其他各学校FSAE车队设计的成果来看，该数据仍然有较高的参考价值。
2、CBR600变速箱参数
变速箱参数见表3-4
表3-4变速箱参数
发动机一级减速器传动比
1.822
一档速比
2.666
二档速比
1.937
三档速比
1.611
四档传动比
1.409
五档传动比
1.261
六档传动比
1.166
3、车轮参数
中国大学生方程式汽车大赛中规则规定需选用至少8寸轮辋的轮胎。
但鉴于尺寸的大小与轻量化程度成反比，与赛车的布置难易程度成正比。
FSAE赛车中基本选择10寸与13寸为主流。
我校车队此次选用13寸轮胎，通过官网查的此款轮胎的数据，如下图
图3-1轮胎数据
由于价格，规格等因素，选用上述中型号43101的干胎，OD为轮胎外径尺寸，由于此数据采用英制单位，通过计算转化为国标标准单位，18.1寸约为0.23m。
故车轮的半径R=0.23m。
3.2赛车动力性计算
赛车的动力性指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。
运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性，所以动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。
动力性评价指标主要有三个：
1、汽车的最高车速Uamax；
FSAE赛车通常受到赛道的限制无法达到最高车速；
2、汽车的加速性能（加速时间t）；
3、汽车的爬坡性能（最大爬坡度imax）：
对FSAE赛车而言不需要考虑爬坡度这一项。
3.2.1主减速比确定
由变速器输出轴链轮齿数z1=15，变速器6档的传动比1.166，发动机内部减速器传动比1.822，发动机处于最大扭矩时，转速约为9000rpm，车轮直径为0.23m。
有动力性部分的驱动力平衡图可知，在150Km/h速度时候，驱动力大于阻力，所以发动机最高转速下的功率可以满足最高车速，即六挡情况下发动机转速10500rpm达到最大车速，设定最高车速为150Km/h。
根据公式（3-1）：
（3-1）
式中：
=汽车最高行驶速度
n—发动机最高转速，取10500；
—发动机内一级主减速比，取1.822；
—发动机六档传动比，1.166；
—所需计算的传动系主减速比，；
代入式（3-1）得到主减速比
=3.066
3.2.2赛车驱动力的计算
1、赛车驱动力计算公式（3-2）
（3-2）
—发动机转矩50Nm；
—变速器传动比，取一档2.666；
—主减速器减速比3.066
—发动机内减速比1.822；
—传动效率，取0.9；
—滚动半径0.23m；
代入式（3-2）得到Ft=3000N
2、赛车行驶速度公式（3-3）（在驱动轮不打滑的情况下）
（3-3）
—汽车行驶速度；
—发动机转速10500r/min；
—滚动半径0.25m；
代入式（3-3）得到
=162km/h
3、滚动阻力系数公式（3-4）
（3-4）
—滚动阻力系数；
—汽车行驶速度，取最高km/h；
代入式（3-4）得到f=4
4、空气阻力公式（3-5）
（3-5）
-空气阻力；
—迎风面积，取1
；
—空气阻力系数，取0.5；
5、动力因数公式（3-6）
（3-6）
—动力因数；
—赛车驱动力；
—空气阻力；
6、滚动阻力公式（3-7）
（3-7）
—整备质量或满载质量；
7、加速度计算汽车旋转质量换算系数按照经验值取取1.2
3.3赛车动力性的验证与优化
通过上一节计算得到了一些基本的动力性计算结果，在这一节中，利用Matlab软件对上述计算结果进行程序分析运算，得出曲线图，进一步说明赛车的动力性。
3.3.1拟合外特性曲线图
根据表大致得到发动机外特性曲线如下：
图3-1加装限流阀后的CBR600外特性曲线
3.3.2驱动力-行驶阻力平衡图
图3-2驱动力-行驶阻力平衡图
上图为驱动力-行驶阻力平衡图，从图中可以得到FSAE赛车的最高车速Vmax为162.1326KM/H。
而比赛之中速度一般不会超过100KM/H，所以最高车速对于该赛车的设计而言不是特别有参考价值。
3.3.3发动机功率-行驶阻力功率平衡图
图3-3发动机功率-行驶阻力功率平衡图
从上述功率平衡图可以从另一个方面看到赛车可达到的最高时速，并且在最高时速是发动机仍有向外做功的能力，即仍然拥有爬坡能力。
3.3.4加速度特性曲线
图3-4加速度特性曲线
从上图中可以明显得看到，在一档时赛车的最高加速度达到将近
。
根据去年我校车队去年在单圈为1.234km的上海国际赛车场卡丁车赛道上最快成绩为1分15秒，平均时速约为60km/h，在一些长直道末端可能回达道110km/h的极端，但大部分时候，赛车基本上不会超过90km/h，根据赛车传动比的一些经验：
（1）尽量在连续弯中不频繁在两个档位跳动；
（2）尽量不要在直道末端将要进弯的时候不得不升档等原则，以上传动比的选取几乎完全符合要求。
大部分使用二档行驶，在某几个直道末端会使用三档，可见理论上，该赛车应具有良好的动力性。
3.3.5动力因数图
图3-5动力因数图
该图中可以看到赛车的动力性比较大，具有较高的加速性。
通过计算可以得到最大爬坡度imax，此赛车虽在实际中无需考虑爬坡性能，但计算得到的结果可作为赛车动力性的一个参考数据。
3.4传动方式确定
赛车传动系统的动力由发动机输出。
已确定赛车使用CBR600型号发动机。
目前发动机确定布置方式为横置，即发动机输出轴与赛车的行驶方向垂直，与车轮的转动平面平行。
可选用轴传动，链传动，带传动这三种布置方式，随后动力传入至差速器，差速器通过将转矩配位到两侧的半轴，半轴与立柱由万向节、花键相连，最后动力被传递到车轮驱动赛车行驶。
方程式赛车传动总成图示如下：
图3-6赛车传动系
车传动系统的动力由发动机输出。
我们初步计划赛车使用的CBR600发动机总成外形尺寸较大，而车架布置空间有限，因此发动机在车架上的布置情况对传动系统设计有重大影响。
发动机图示如下：
图3-7CBR600发动机简图
赛车车身体积狭小，所以传动系统方案布置紧凑。
在有限的空间内实现传动系统设计目标，系统设计可选方案有二：
链传动和轴传动。
方案一：
传动系统为链传动，发动机总成横置
优点：
发动机总成输出轴转动方向和驱动轮转动方向一致，不需要换向机构；
缺点：
发动机总成横置后输出轴过于偏离车架中轴线，基本紧贴车架外壁内侧，这样后桥左右半轴长短悬殊，不利于车辆行驶稳定。
方案二：
传动系统为轴传动，此方案发动机总成纵置。
发动机总成输出轴轴线可以与车架中轴线重合，左右半轴长度接近；
主减速器同时实现动力换向和减速增扭两大功能。
因密封和润滑要求，主减速器和差速器需要外罩一个箱体。
箱体体积较大，后桥布置较为拥挤。
轴传动系统重量较链传动大。
考虑发动机总成在车架上的布置情况和后续设计难易程度，传动组在仔细分析了以上两种传动方案的布置情况后，最后选择链传动-发动机总成横置形式。
传动系统初步布置如下：
传动链传递发动机输出的动力和扭矩，主减速器连接传动链和差速器。
后悬架独立悬架，所以后桥有左右半轴两根传动轴，左右半轴由差速器连接。
综上，传动系统初始方案为：
发动机总成-传动链-主减速器-左右半轴-左右驱动轮，如下图：
图3-8传动系方案
第四章动力总成与车架的连接及与驱动轮的传动设计
4.1差速器固定
由于没有驱动桥壳，所以差速器需要单独固定，因此设计差速器固定吊耳来固定差速器，在行驶过程中由于震动的原因传动链会产生松动，需要张紧装置对链条进行张紧。
差速器固定设计两套方案
通过吊耳将差速器总成固定在车架上，吊耳形状如图4-1
图4-1吊耳
将吊耳一端直接固定在车架上，另一端通过调整装置与车架连接，张紧装置是带有正反螺纹的套筒螺母，通过调整螺母进行张紧。
结构如图4-2
图4-2方案一
结构简单，加工工艺简单，加工成本低，质量小。
稳定性不好，大小链轮对中困难。
将固定板与差速器固定，再通过固定板与差速器连接在车架上，固定方式如图4-3
图4-3方案二
通过调整固定板的位置对链条进行张紧，结构如图4-4
图4-4固定板
差速器稳定性好，滑道固定方式简单，不用焊接，拆卸维修方便，大小链轮对中行好。
结构复杂，加工成本高，质量大。
4.2车轮法兰设计
发动机动力由差速器传到半轴，半轴与外球笼连接，最后动力由外球笼传到车轮轮芯，最后传到轮毂。
车轮轮芯作用是连接轮毂与半轴，同时安装制动盘。
车轮轮芯需要自己设计加工。
车轮轮芯设计时考虑
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