FSEC方程式賽車傳動系統的設計與優化

項澤遠，萬成，韋鋒

FSEC方程式賽車傳動系統的設計與優化

項澤遠1，萬成2，韋鋒1

（1.江蘇大學京江學院，江蘇 鎮江 212100；2.江蘇大學，江蘇 鎮江 212013）

文章運用MATLAB及其Simulink模塊建立汽車動力學模型，結合Optimum Lap進行動力學仿真，得到主減速比，并借助ANSYS靜力結構模塊對傳動系統結構進行分析與優化。

FSEC；FSAE賽車；大學生方程式；傳動

引言

FSEC（中國大學生電動方程式大賽）于2015年開辦，影響力逐年提升，很多院校都從傳統燃油方程式轉投電動方程式。本文將以江蘇大學20賽季賽車馭風III為例，針對不同的主減速比，運用MATLAB及其Simulink模塊建立汽車動力學模型，結合Optimum Lap進行圈速仿真，從而找到適合的主減速比。借助ANSYS對傳動系統的機械結構進行分析與優化。

1 主減速比的確定

在比賽中，賽車所要面對的工況與乘用車完全不同。比賽的動態項目由直線加速、八字繞環、高速避障以及耐久賽組成。其中耐久賽的分值占比最高，故設計時要對耐久賽圈速的仿真結果多加考慮。針對AutoCross類型賽道的特點、動力單元的水平以及耐久經濟性的要求，要保證車輛低扭的充沛，而對極速的要求可以適當放低，當然車手的駕駛習慣與反饋也不可忽視。

1.1 電機臺架數據處理

馭風III采用來自EMRAX的228電機作為驅動源，單電機結構。對電機進行重新標定后，我們對電機做了基于奧地利AVL測試平臺的電機標定臺架實驗以獲取電機的外特性曲線圖，為之后的分析找到依據。

借助MATLAB，得到電機各項參數關于轉速的擬合函數，最后用poltyy函數，將扭矩、功率曲線以雙坐標系繪制在一張表上。

但發現無論怎么調整多式的擬合次數，都不能得到理想的曲線，出現Runge現象。故考慮分段插值，使用MATLAB 自帶的插值interpret1，method為linear。得到修正后的電機外特性曲線圖1。

1.2 動力性分析

以實驗數據為基礎，參考往年經驗，對一系列預選的主減速比進行動力學分析。

圖1 電機全特性擬合曲線

由于本賽車采用鏈傳動作為傳動系統的減速裝置，故主減速比的選擇相比于齒輪傳動比較離散，故先從大小齒輪可能有的齒數配對來預選主減速比。參考去年的主減速比（3.36）。同時為了保證鏈條強度，盡量不使用過渡鏈節，優先考慮齒數互質的大小鏈輪。

小鏈輪齒數：保證強度的情況下，考慮大小鏈輪磨損壽命差不宜過大、減小多邊形效應帶來的沖擊，在9齒和11齒間選取質數11。

大鏈輪齒數：參考去年的37齒，并且互質原則，并且考慮到傳動系布置的緊湊型要求，故將41齒作為齒數上限。并由此得到待選的主減速比，利用MATLAB及Simulink模塊建立整車級別的動力學仿真模型，得到一系列動力性指標結果。

圖2 Simulink動力學模型

仿真結果如下表1所示：

表1 仿真結果

大鏈輪齒數主減速比75 m成績/s極速/(km/h)極速耗時/s起步加速度/(m/s2) 333.005.0099.835.605.9 353.185.0099.795.486.2 373.365.0099.755.586.5 393.544.9398.566.967.0 413.724.8695.195.797.2

除了動力性外，還要依據珠海航展中心耐久賽道的實際工況對賽車的圈速和經濟性作進一步分析。在Optimum LAP中建模不同主減速比的車輛，導入珠海航展中心賽道，圈速、車速及電機轉速工況仿真結果如下。

圖3 Optimum Lap 仿真結果

仿真結果分析：

由圖3 圈速成績得，不同主減速比下，圈速差距不大。但結合車輛在賽道中跑動時的電機轉速工況圖以及車速工況圖，可以發現，車輛的極速并不能在珠海航展中心賽道得到很好的發揮。并且由電機的Map圖得，電機在3 000 rpm左右是一個高效的水平。

綜上，考慮到車輛更靈活的動態的需求，以及傳動系統布置的方便，主減速比定為3.54。

2 主減速器的設計與優化

主減速器的設計主要包括聯軸器、鏈傳動系統及鏈條張緊系統的設計。查閱機械設計手冊，借助Excel建立函數表格，得到一系列設計參數。

2.1 鏈傳動系統的計算

鏈傳動系的優化方向主要是偏心輪張緊裝置以及大鏈輪的輕量化。在滿足強度與剛度的前提下盡可能做到質量的減輕。

2.2 大鏈輪的優化

（1）鏈輪的受力參數如表2所示：

表2 鏈輪的受力參數

項目 參數 離心拉力/N37.27 懸垂拉力/N152.18 有效圓周力/N6 871.87 緊邊壓力/N7 061.32 松邊壓力/N189.45 壓軸力/N8 246.24 小鏈輪包角/N139.80

鏈條緊邊水平，為便于在ANSYS中施加邊界條件，算得松邊拉力的水平和豎直方向上的分力：

F2=2*sin (33.37°) =95.56 N

F2=2*cos (33.37°) =112.1 N

（2）對大鏈輪進行輕量化處理

將鏈輪鏈條裝配，大鏈輪預輕量化。

設置邊界條件，借助Topology Optimizaton模塊對大鏈輪進行輕量化處理，參照拓撲優化結果，修改大鏈輪的孔形參數。

圖4 拓撲優化結果

（3）驗證

再使用ANSYS Workbench的Statical Structure和Tran- sient Structural模塊對小鏈輪及優化后的大鏈輪進行分析、驗證，驗證得最低安全系數為2.823，最大應力201.91 MPa，最大形變0.3 mm，符合設計要求，減重34%。

圖5 優化后的大鏈輪

3 聯軸器的設計與優化

聯軸器的本質是一個法蘭盤，其作用是將旋轉的電機與小鏈輪裝配成一個整體，將電機輸出的扭矩傳遞到大鏈輪上，采用矩形花鍵，傳遞扭矩。為了減少切削量、提高材料利用率、降低加工難度，進而減少加工成本，采用分體式設計，以卡壞限位小鏈輪。同時為了更好保證與電機轉子的同軸度，在法蘭底部增加了能與電機的凹坑相配合的凸臺。并適當減少花鍵筒和柄的長度，避免加工或裝配誤差導致的端面不平整。

圖6 優化后的聯軸器

聯軸器驗證如下所示：

工況參數：電機轉速3 000轉，輸出功率50 kW，傳遞扭矩：=9 550*=159 Nm，壓軸力取合力10 000 N，最大應力為200.83 MPa，符合設計要求。

4 鏈條張緊機構的設計與優化

4.1 張緊機構的選擇

經過近十多年的發展，目前在FSC中傳動系的鏈條張緊機構中，絲杠調節、墊片調節以及偏心輪較為主流。絲杠調節方便、節省空間但調節精度尤其是水平度較差。墊片調節的水平度好但質量相比之下最重；偏心輪調節的空間經濟性和質量上不是最占優的，但是可以較好地保證調節時的水平度。

傳動系的傾斜會給鏈輪鏈條傳遞系帶來額外的軸向循壞應力，容易造成大鏈輪崩齒，故在布置空間允許的情況下，選用偏心輪調節。

4.2 偏心距的設計

偏心輪張緊機構的原理是使軸承座同心的圓的圓心隨著偏心盤在支架上以偏心距為半徑旋轉，使得中心距在正負偏心距的范圍內變化，從而達到了鏈條張緊的目的，所設計的偏心距要求能夠使得鏈條有兩個鏈條節距的調節范圍（放松和收緊各有一個節距），查閱機械設計手冊，根據非圓整的鏈條長度的預估公式去驗證設計的偏心距。預選偏心距取為6 mm，以1 mm為步長遞增偏心距，鏈條節數的變動范圍如下表3所示：

表3 鏈條節數的變動范圍

偏心距/mm最小中心距對應鏈條長度/mm最大中心距對應鏈條長度/mm長度差/mm 6821.69540.3113.35 7819.79541.5315.60 8818.04848.0430.00 9816.13849.9533.81

馭風III選用DID520VX系列鏈條，鏈節距為15.875 mm。由表不難看出，偏心距為9 mm時即可保證有兩個鏈條節距的調節范圍的設計要求。

拓撲優化后，最終偏心輪張緊機構的設計如圖7所示：

圖7 偏心輪張緊裝置

5 結論

（1）傳動比的選取要綜合考量效率、圈速、布置空間和車手的駕駛習慣，故要依據車架留給傳動系統布置的空間預估傳動比的下限，結合仿真軟件的仿真結果確定最終傳動比。

（2）大鏈輪的設計中要參考ANSYS Topology Optimiza- tion模塊所得的形狀反復修改、驗證，可預先挖槽再進行優化，可以提高設計的效率。

（3）聯軸器底部的凸臺雖然會額外增加一些質量，但在裝配中能夠更好地保證與電機的同軸度，從而降低了因偏心給大鏈輪帶來的附加載荷，使大鏈輪失效的風險。

（4）偏心輪的偏心距受原始中心距的影響較小，9 mm的偏心距已經可以滿足張緊要求，過大會帶來不必要的增重，但在保證鏈條質量的情況下，可以適當減小以換取輕量化。

Design and Optimization of FSEC Formula Racing Transmission System

XIANG Zeyuan1, WAN Cheng2, WEI Feng1

( 1.Jingjiang College,Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212100; 2.Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013 )

This article uses MATLAB and its Simulink module to establish a vehicle dynamics model, combined with Optimum Lap for dynamic simulation, obtains the main reduction ratio, and analyzes and optimizes the transmission system structure with the help of ANSYS static structure module.

FSEC; FSAE racing; Formula student; Transmission

B

1671-7988(2021)22-53-04

U464.334

B

1671-7988(2021)22-53-04

CLC NO.:U464.334

項澤遠（2000—），男，本科，就讀于江蘇大學京江學院，研究方向：機械設計制造及其自動化方向。

江蘇大學2020年度大學生科研立項項目（編號：19A237）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.013