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FSAE赛车差速器悬置偏心轮调节机构的设计与分析

范文

李稳才

摘要：本文在满足赛场安全规则[[1]中国大学生方程式规则委员会.中国大学生方程式汽车大赛规则，2020]前提下，针对赛车链传动系统中，链的长度随着链轮的运转时间增加而变长状况，提出一种可靠的偏心调节方案。首先根据传动系统参数，利用数学模型计算出偏心轮的偏心距与偏心轮旋转调节角度的最优解。其次，利用NX对偏心轮进行3D建模，在通过静力学受力分析后，导入ANSYSWorkbench中进行拓扑优化。最后在用該软件对整个偏心轮调节机构进行静力学分析与校核[[2]刘明，朱瑞峰.FSAE赛车链传动张紧装置拓扑优化设计[J].科学技术创新，2020（25）：154-155.]。通过试验，设计出一个满足轻量化且调节精度更好的偏心轮调节机构。

关键词：偏心调节;最优解;NX建模;ANSYS仿真分析

0、引言

大学生方程式汽车大赛（简称FSAE）是一项由高等院校汽车相关专业在校生参加的汽车设计与制造比赛。各参加车队按照大赛规则在一年之内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控稳定性等各方面优异的单人赛车。

以某一赛车为例，通过分析链传动中心距，以及链轮的相对位置，设计出偏心轮与其支架。偏心轮调节机构中偏心轮与支架配合固定在车架上。可通过旋转偏心轮的角度来改变差速器轴线的位置，来实现调节链条的松紧。在实车调试过程中偏心轮调节机构为提高传动系统的效率提供了极大的帮助。因此偏心轮调节机构的设计有着重要的意义。

1、偏心轮调节机构原理

设计偏心轮调节机构需要先研究偏心轮调节机构的原理和偏心轮的运动规律，由偏心轮的运动规律可以确定偏心轮调节机构的具体参数。如图一，在使用时支架固定在车架上，偏心轮外圆S1与支架内圆配合，偏心轮内圆S2与差速器轴承配合使差速器与偏心轮内圆S2在同一轴线上，偏心轮内圆的圆心O2与偏心轮外圆的圆心O1之间的距离为e，在旋转偏心轮时，偏心轮内圆圆心O2绕偏心轮外圆圆心O1做圆周运动，通过旋转偏心轮改变差速器轴线的位置，起到调剂链轮中心距的作用。偏心轮每旋转一定角度差速器轴线移动一定的距离，相应的链条中心距也会有所改变，在满足最大调节距离的情况下确定偏心距，通过每次调节的距离确定偏心轮调节孔的角度。

2、计算链轮中心距

在偏心轮调节机构中要调节的偏心距主要与链轮的中心距有关，而中心距的大小主要取决于主、从动轮齿数、链条节距和链条节数，这可根据赛车的动力性和整体布置等确定。

2.1计算所用的链条节数

为使得传动系统磨损均匀，提高传动寿命，在链条节数选取时，一般取链条的节数为偶数，链轮的齿数取奇数，根据动力要求，选取参数如下。

LP：链条的节数;P：链条节距;Z1：小链轮的齿数;Z2：大链轮的齿数。根据赛车的设计：P=15.875mm，Z1=11，Z2=41。

计算得LP=55.36根据实际情况对链条节数取偶取整得LP=56。

2.2计算实际中心距

根据使用的链条节数和大小链轮的齿数确定实际装配使用到的中心距，这避免在实际装配需要调节中心距的麻烦。

带入数据得实际中心距a=225.4mm。

3、计算偏心距

偏心距的大小决定了偏心轮调节机构调节中心距的最大距离。合适的偏心距可以在满足调节过程中的准确性，而且还能满足轻量化要求。

在图二中a1：实际中心距;a2：链条达到最大拉伸长度时的中心距;x：实际中心距在水平方向的投影;y：实际中心距在竖直方向的投影;e：偏心距。其中a2可以根据实际所用链节数加二之后所得的链节数对应的中心距计算出，x、y可以根据小链轮和差速器的相对位置确定。

带入数据得e=8.5mm，由于在实际装配过程中存在装配误差，故e应该取偏大的值，即e=9mm。

4、计算旋转角度

偏心轮内圆圆心O2在绕外圆圆心O1做圆周运动时每转动一定的角度中心距就会增大一定的距离，不同的角度对应着不同的调节精度，如图三所示。在满足调节精度前提下便可确定旋转角度。根据往年调车经验每次调链条在2mm左右，所以偏心轮每旋转一个角度中心距移动的距离在2mm之内即可满足要求。

可知偏心轮每旋转一个角度θ调节的中心距Δa<2mm，基本满足调试的要求。故在偏心轮外圆圆周和支架内圆圆周上均匀打30个螺栓孔，偏心轮每旋转一个孔所调节的距离就是上述旋转一个角度θ所调节的距离。

5、偏心轮和支架结构的设计

偏心轮内圆的尺寸和偏心轮的宽度可以根据选用轴承的外径和宽度来确定，偏心轮和支架配合的外圆要根据具体的强度需求来定，但必须满足偏心轮的外圆半径大于偏心轮内圆半径与偏心距之和。在偏心轮调节机构中差速器左右支架受力不同，所选用的差速器轴承尺寸也不同，在满足调节范围和强度需求的同时右偏心轮可以适当比左偏心轮小，这适当减少了加工成本也起到了轻量化的作用。

6、轻量化处理

由于偏心轮和支架的材料都采用7075T6-Al，7075T6-Al有优异的力学性能且其密度仅为钢的36%，能为整车的轻量化提供极大的帮助。

为了使整车重量更轻提高整车动力性和经济性，将偏心轮导入Workbench中的Shape Optimization模块进行拓扑优化处理。

6.2、条件设置

偏心轮主要和支架配合通过螺栓紧固，对偏心轮的约束为固定偏心轮与支架配合的端面和螺栓孔。

偏心轮受到的载荷主要是来自差速器的轴承力，轴承力的来源为链条对链轮拉力作用在压轴力。赛车左右偏心轮受到的轴承力分别为：将其施加在左右偏心轮上进行38%的拓扑优化，分别得到如图所示的结果。

6.3、镂空处理

为了使偏心轮能达到轻量化的目的，在满足强度的需求情况下对偏心轮上可去除部分进行镂空。镂空后的偏心轮如图七所示。

7、结论

根据偏心轮调节机构原理与总体传动布局计算出偏心距，在确定支架的受力情况下，选取合适的轴承。通过轴承的型号确定偏心轮的厚度尺寸，运用NX建模建立模型。在此基础上进拓补优化与校核检验，以在使用安全情况下，实现轻量化目标，经检验符合赛车规则。

参考文献

[1]中国大学生方程式规则委员会.中国大学生方程式汽车大赛规则，2020

[2]刘明，朱瑞峰.FSAE赛车链传动张紧装置拓扑优化设计[J].科学技术创新，2020（25）：154-155.

[3]魏琛琛，刘浩凌，王燕妮，赵云海，刘攀，吉祥豪.FSAE方程式赛车传动系统的优化设计及LSD的调教[J].汽车实用技术，2017（12）：67-71.

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