巴哈全地形越野汽車動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)研究

摘 要：基于中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽賽事規(guī)則和百力通公司提供的305CC Vanguard先鋒10馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，通過選配變速器、確定最小傳動(dòng)比和最大傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)主減速器各組件，并采用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證主減速器設(shè)計(jì)合理性，實(shí)現(xiàn)巴哈越野賽車在保證安全性和經(jīng)濟(jì)性條件下，最大限度優(yōu)化動(dòng)力匹配，以適應(yīng)在草原、沙漠、山地和叢林等不同路面上行駛需要。

關(guān)鍵詞：巴哈;越野汽車;動(dòng)力匹配;設(shè)計(jì)分析;計(jì)算驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U469 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.005Open Science Identity（OSID）

作者簡(jiǎn)介：譚滔（1979-），男，湖南常德人，碩士，講師，汽車維修高級(jí)技師，主要從事于汽車制造與檢修專業(yè)課程教學(xué)和研究工作，E-mail：373637693@qq.com。

1 巴哈全地形越野汽車設(shè)計(jì)基本要求

中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽Baja SAE China（簡(jiǎn)稱BSC大賽）于2015年創(chuàng)辦，起源于美國(guó)，是大學(xué)生方程式汽車大賽的前身，主要面向職業(yè)院校和本科院校開展的小型越野汽車設(shè)計(jì)和制作賽事。BSC大賽要求各參賽車隊(duì)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，根據(jù)組委會(huì)提供的百力通同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)制造一輛單座、發(fā)動(dòng)機(jī)中置后驅(qū)的小型越野車，接受包括技術(shù)檢查、賽車設(shè)計(jì)、成本與制造、商業(yè)營(yíng)銷等項(xiàng)目的靜態(tài)檢測(cè)和牽引力測(cè)試、爬坡測(cè)試、直線加速測(cè)試及耐力測(cè)試等項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。巴哈越野車要面對(duì)巖石、淺水、原木、陡坡和泥濘等復(fù)雜的路段以及降雨、結(jié)冰、下雪等惡劣的氣候條件，這就要求汽車必須具備良好的動(dòng)力性和通過性，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性。

巴哈越野車設(shè)計(jì)具有全地形性能，離地間隙在250～350 mm之間，可以承載車手的身高為180 cm，體重為100 kg，整車質(zhì)量為200 kg。考慮空氣動(dòng)力學(xué)因素，其迎風(fēng)面積為1.5 m2，空氣阻力系數(shù)為0.41。出于對(duì)汽車安全性的考量，將巴哈越野車的速度限制在40 km·h-1。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)由BSC大賽賽事主辦方指定，統(tǒng)一由百力通公司提供，其型號(hào)為20S2，要求發(fā)動(dòng)機(jī)可調(diào)整的轉(zhuǎn)速不超過3800 r·min-1，且不得調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部（發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)規(guī)格如表1）。

1.2 無級(jí)變速器的選型

為匹配百利通發(fā)動(dòng)機(jī)，市場(chǎng)上普遍選用效率高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的無級(jí)變速器（CVT）。通過查閱文獻(xiàn)資料，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，初步選配了CVTech-AAB的無級(jí)變速器（CVT），其傳動(dòng)比范圍為1～3。符合汽車輕量化設(shè)計(jì)的要求，另外也簡(jiǎn)化操作機(jī)構(gòu)和節(jié)省動(dòng)力總成空間。

2 巴哈全地形越野汽車動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比的確定

3 仿真分析

3.1 三維模型的建立

根據(jù)動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)的內(nèi)容，利用CATIA繪制成如圖2所示的三維動(dòng)力總成模型，從輕量化的角度考慮，主減速器第一級(jí)大齒輪將采用腹板式結(jié)構(gòu)。

3.2 主減速器斜齒輪仿真分析

在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、無級(jí)變速器和差速器都是現(xiàn)成，因此主減速器是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)主減速器斜齒輪做瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，研究主減速器齒輪的嚙合情況，以此來觀察主減速器是否設(shè)計(jì)得當(dāng)。

通過對(duì)斜齒輪進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，模擬斜齒輪的工作情況，計(jì)算出斜齒輪的最大接觸壓強(qiáng)和最大等效應(yīng)力，并與材料的許用極限接觸應(yīng)力和彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行比較，從而判斷主減速器的設(shè)計(jì)是否合理。

去掉主減速器外殼、軸承、差速器等部件，簡(jiǎn)化主減速器三維圖，如圖3所示，通過CATIA V5和ABAQUS之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，將簡(jiǎn)化后的圖形導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件中完成建模過程，即實(shí)現(xiàn)前處理。

設(shè)置材料屬性。齒輪的材料是40Cr，彈性模量為200 000 MPa，泊松比為0.270，密度為7.85 g·cm-3。

網(wǎng)格劃分。先采用自動(dòng)劃分，獲取初步網(wǎng)格，然后根據(jù)仿真需要，對(duì)齒面網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，這樣有助于計(jì)算更精確。

設(shè)置接觸對(duì)。在創(chuàng)建接觸對(duì)之前，先創(chuàng)建named selections，然后按照named selections定義需要接觸的面，并設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.1，采用拉格朗日算法，相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢即可創(chuàng)建接觸對(duì)，接著為每一個(gè)部件添加joint。

設(shè)置轉(zhuǎn)速和負(fù)載。在輸入軸小齒輪上添加轉(zhuǎn)速，為2600 r·min-1;因?yàn)榘凸揭败囆枰鎸?duì)復(fù)雜的路況和多變的天氣，考慮到駕駛員的安全，在極限工況下求得的負(fù)載可適當(dāng)加大，所以給第二級(jí)大齒輪添加負(fù)載為1100 N·m。

完成前處理的所有操作后，點(diǎn)擊Solve進(jìn)行計(jì)算，待計(jì)算結(jié)束后，在solution一欄下添加equivalent（von-Mises）和Pressure，即可查看圖4接觸應(yīng)力分析圖和圖5等效應(yīng)力分析圖。

從圖4和圖5可知，通過有限元分析斜齒輪的最大接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力分別為150.12 Mpa和69.601 Mpa，而材料屈服強(qiáng)度為σs≥835 MPa，在許用接觸應(yīng)力和彎曲疲勞強(qiáng)度范圍內(nèi)，符合規(guī)定。

綜上所述，主減速器的設(shè)計(jì)是在合理范圍。

4 總結(jié)

主減速器的設(shè)計(jì)是動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在選擇齒輪類型過程中，斜齒輪承載能力大，工作更加平穩(wěn)，且噪聲較小，適于高速傳動(dòng)，基于此，選用了斜齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來傳遞動(dòng)力。越野車行駛在如泥路、砂石等壞路面時(shí)，齒輪之間的沖擊力會(huì)變得很大，容易造成輪齒折斷、齒面磨損等問題，齒輪材料的選擇必須滿足具有較大的接觸疲勞極限和彎曲疲勞極限，綜合之下，選取40Cr作為齒輪和軸的材料。通過傳統(tǒng)的公式法確定了斜齒輪的齒數(shù)、分度圓直徑、齒輪螺旋角、齒寬、法向模數(shù)、減速器軸的最小截面直徑。有限元分析軟件強(qiáng)大的模擬功能能讓設(shè)計(jì)者觀察到自己的設(shè)計(jì)是否合理，哪里亟需改正，為設(shè)計(jì)者尋求最佳的動(dòng)力匹配方案提供了極大的幫助。

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