董清泉

(青島大學(xué) 車輛工程系，山東 青島 266071)

0 引言

汽車傳動(dòng)系統(tǒng)是位于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)車輪之間的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，其作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)車輪。傳動(dòng)系統(tǒng)的首要任務(wù)是與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同工作，以保證汽車在各種行駛條件下正常行駛所必需的驅(qū)動(dòng)力與車速，并使汽車具有良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。為此，任何形式的傳動(dòng)系統(tǒng)都必須具有：實(shí)現(xiàn)減速增扭；實(shí)現(xiàn)汽車變速；實(shí)現(xiàn)汽車倒車；必要時(shí)中斷傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞；應(yīng)使兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪具有差速作用，差速器使左右兩驅(qū)動(dòng)輪可以以不同的角速度旋轉(zhuǎn)。

此外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和變速器固定在車架上，而驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)輪一般是通過(guò)彈性懸架與車架聯(lián)系的，因此在汽車行駛過(guò)程中，變速器與驅(qū)動(dòng)輪之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在此情下，兩者之間不能用簡(jiǎn)單的整體傳動(dòng)軸傳動(dòng)，應(yīng)采用由萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸組成的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置[2]。汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及其在汽車上的布置形式，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的形式和性能、汽車總體結(jié)構(gòu)形式、汽車行駛系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)形式等許多因素。賽車一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)中置后輪驅(qū)動(dòng)的MR方案。MR方案是將發(fā)動(dòng)機(jī)置于駕駛室后面的汽車中部，后輪驅(qū)動(dòng)。該方案布置有利于實(shí)現(xiàn)前、后軸的軸荷分配。MR方案中發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)離合器、變速器、由萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸組成的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置以及安裝在驅(qū)動(dòng)橋的主減速器、差速器和半軸，最后傳到 驅(qū)動(dòng)車輪。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)車隊(duì)仔細(xì)的考慮和商榷，最后決定用雅馬哈R6的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸比較大，而車架的布置空間有限，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)的布置對(duì)賽車動(dòng)力系統(tǒng)有很大的影響。通過(guò)考慮比較后，采用發(fā)動(dòng)機(jī)總成橫置，傳動(dòng)系統(tǒng)為鏈傳動(dòng)。

1.1 差速器的確定

差速器是驅(qū)動(dòng)轎的主件。普通差速器由行星齒輪、行星輪架（差速器殼）、半軸齒輪等零件組成，其作用是向兩邊半軸傳遞動(dòng)力的同時(shí)，允許兩邊半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，滿足兩邊車輪盡可能以純滾動(dòng)的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦[3]。

差速器的設(shè)計(jì)要求滿足：（左半軸轉(zhuǎn)速）+（右半軸轉(zhuǎn)速）=2（行星輪架轉(zhuǎn)速）。當(dāng)汽車直行時(shí)，左、右車輪與行星輪架三者的轉(zhuǎn)速相等處于平衡狀態(tài)，而在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)三者平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)速減小，外側(cè)輪轉(zhuǎn)速增加。差速器有多種形式，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，我們最終選用沙灘車的限滑差速器。

1.2 主減速器

主減速器是系統(tǒng)中減小轉(zhuǎn)速、增大扭矩的主要部件。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的汽車來(lái)說(shuō)，主減速器還利用錐齒輪傳動(dòng)以改變動(dòng)力方向。賽車正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通常在7000至12000r/min左右，如果將這么高的轉(zhuǎn)速只靠變速箱來(lái)降低下來(lái)，那么變速箱內(nèi)齒輪副的傳動(dòng)比則需很大，而齒輪副的傳動(dòng)比越大，兩齒輪的半徑比也越大。所以，在動(dòng)力向左右驅(qū)動(dòng)輪分流的差速器之前設(shè)置一個(gè)主減速器，可使主減速器前面的傳動(dòng)部件如變速箱、分動(dòng)器、萬(wàn)向傳動(dòng)裝置等傳遞的扭矩減小，也可以使變速箱的尺寸、質(zhì)量減小，操縱省力。我們采用的是鏈傳動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)降速增扭的目的。本設(shè)計(jì)采用的主減速器如圖1。

1.3 主減速比的優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算出合適的傳動(dòng)比來(lái)保證賽車具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

圖1 主減速器

1.3.1 計(jì)算的相關(guān)參數(shù)

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 YZF—R6外特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)

整車部分參數(shù):滿載質(zhì)量(kg)：320kg；輪胎對(duì)地面的附著系數(shù)：1.25；迎風(fēng)面積：0.75m2；滾阻系數(shù)：0.014；空氣阻力系數(shù)：0.667；初級(jí)減速比：2.073；主級(jí)減速比：未知；變速比 1st：2.846；2nd：1.947；3rd：1.556；4th：1.333；5th：1.190；6th：1.083

1.3.2 最高車速與功率的關(guān)系及外特性曲線的繪制

最高車速是汽車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。最高車速是指汽車滿載時(shí)在水平良好的路面上所能達(dá)到的最高行駛速度?；谄囆旭偡匠淌?，列出功率與車速的關(guān)系，繪制功率車速曲線，以求初步擬定最高車速。在正常直線勻速行駛狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)最高功率Pemax（kW）與最高車速vmax（km/h）之間存在如下關(guān)系：

式中，η——傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，考慮到軸傳動(dòng)，且加工精度上的誤差，取0.89；m——賽車總質(zhì)量，320kg；f——滾動(dòng)阻力系數(shù)，考慮到最高車速，取f=0.0165+0.0001(v-50)；CD——空氣阻力系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)情況，取0.667；A——賽車正面投影面積，估算取0.75m2。

Pemax應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)在裝有全部附件下測(cè)定時(shí)得到的最高有效功率或凈輸出功率，應(yīng)比發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線的最高功率值低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣要經(jīng)過(guò)限流，所以取Pemax=50.1kW。運(yùn)用Matlab軟件根據(jù)式（1）繪制出圖2，表示發(fā)動(dòng)機(jī)最高功率Pemax(kW)與最高速Vmax(km/h)之間的關(guān)系。并用MATLAB繪制出其外特性曲線如圖3。

節(jié)氣門(mén)全開(kāi)或高壓油泵在最大供油位置時(shí)的速度特性稱為發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性表示發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高性能[4]。從外特性曲線上可以體現(xiàn)出發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率、最大轉(zhuǎn)矩及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)值。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線，進(jìn)行下面的優(yōu)化分析，確定最終的主減速比和最高車速。

圖2 最高車速與功率的關(guān)系

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

圖4 MATLAB運(yùn)行結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的YZF-R6發(fā)動(dòng)機(jī)功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系近似畫(huà)出外特性曲線，如圖2。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率和扭矩也在增加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到14000r/min時(shí)，功率近似達(dá)到最大值50.1kW，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到12000r/min時(shí)，扭矩最大值接近53.2N·m。1.3.3 動(dòng)力性計(jì)算

汽車的動(dòng)力性指汽車在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的、所能達(dá)的平均行駛速度[5]。運(yùn)輸效率之高低在很大程度上取決于汽車的動(dòng)力性，所以動(dòng)力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能。

驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式：Ft=Tq×iq×i0×η/r （2）

式中：Tq—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩（Nm）；ig—變速器傳動(dòng)比；i0—主減速器傳動(dòng)比；η—傳動(dòng)效率；r為滾動(dòng)半徑(m).

汽車行駛速度公式（在驅(qū)動(dòng)輪不打滑的情況下）：

ua=0.377r×n/(ig*i0)（3）

式中：ua—汽車行駛速度（km/h）；n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；

滾動(dòng)阻力系數(shù)公式：f=0.014×(1+ua2/19440) （4）

空氣阻力公式：FW=CD×A×ua2/21.15 （5）

式中，F(xiàn)w——空氣阻力；A—迎風(fēng)面積；CD—空氣阻力系數(shù).

滾動(dòng)阻力公式：Ff＝Gf

式中：G—整備質(zhì)量或滿載質(zhì)量；

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主減速比的取值通常在3.0～3.5之間，考慮到賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和參賽的實(shí)際情況，通過(guò)計(jì)算分析，決定采用3.5的主減速比。

2 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

利用matlab軟件程序進(jìn)行運(yùn)算[6-8]，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

由圖可得，各檔的最高車速為：一檔 76.924km/h、二檔 113.15km/h、三檔 141.59km/h、四檔 165.27km/h、五檔 185.14km/h、六檔203.42km/h。最后在主減速比i0=3.5的情況下，計(jì)算出的75m加速時(shí)間為4.356s，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過(guò)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出了傳動(dòng)系的參數(shù)，并用MATLAB仿真出了其外特性曲線，為制造出后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提供了對(duì)比依據(jù)。為制造參賽的FSAE方程式賽車提供了理論技術(shù)支持和實(shí)際制造的指導(dǎo)作用。

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