Baja賽車傳動系統的設計與優化

趙海洋 駱佼

摘要：在校期間有幸接觸到Baja賽車，本次創新是在已有傳動系統的基礎上，通過融入更加創新的思維，設計出一種新的，能夠運用于Baja賽車進行參賽的傳動系統。Baja大賽的比賽項目決定了一輛賽車要有良好的牽引力以及耐力，因此一套優秀的傳動系統必不可缺。傳動系統除了要有足夠的強度之外，也要有良好的傳動效率以及穩定性，同時要與其他系統，例如懸架系統與發動機等形成良好的配合，才能使賽車的動力性能良好發揮。本次設計優化的內容包括：傳動重要參數設計、CVT的選擇、變速箱的設計與定位，傳動軸的設計與加工，力求較全面地概括Baja賽車傳動系統的完整設計流程。本文大量參考了國內外的越野賽車設計資料及視頻。希望本文能讓對巴哈賽車有過簡單了解的讀者能夠更加清晰地了解傳動系統的設計流程。

關鍵詞：巴哈賽車、傳動系統、運動分析、傳動軸

1緒論

巴哈大賽簡介

中國汽車工程學會巴哈大賽（Baja SAE China，簡稱BSC）是一項由高等院校、職業院校汽車及相關專業在校生組隊參加的越野汽車設計、制造和檢測的比賽。此項賽事起源于美國，是大學生方程式汽車大賽的前身。

大賽要求各參賽車隊在規定時間內，使用同一型號發動機，設計制造一輛單座、發動機中置、后驅的小型越野車，參加包括多種靜態與動態項目的測試。其中動態項目包括牽引力測試，操控性測試、耐力測試等。車輛的動力性一直都是關注的重點。車輛動力性不足會造成行駛無力、爬坡費勁、油耗上升等一系列缺問題，在拉力賽以及賽車通過滾木、亂石堆賽道時，如果沒有一套優秀的傳動系統，賽車會難以順利完成比賽。同時在耐力賽中，動力性不足造成的油耗升高會導致賽車加油頻率上升，影響比賽成績。

巴哈賽車傳動系統介紹

賽車動力由發動機提供，組委會規定參賽隊伍必須使用百力通公司（Briggs&Stratton）提供的10馬力OHV Intek發動機。發動機具體參數如下表所示。

由官方提供的發動機參數以及賽事規則來看：

（1）發動機不能改裝，其最大馬力為定值。

（2）發動機凈功率隨轉速提高，轉速達到3600rmp時達到最高。

（3）凈扭矩隨轉速提高先上升后下降，且扭矩變化不大基本為恒定值，在2600-2800rmp時達到最大。

本次設計的傳動系統具體傳動路線由發動機產生的動力通過無級變速器（CVT）傳到減速箱，再通過傳動軸以及萬向傳動裝置將動力傳輸至后輪，實現傳動功能。

2設計思路

本次設計主要從傳動系統的整體布置，發動機的保養，CVT（機械式無級變速器）的選擇，減速箱的設計制造，傳動軸的設計制造幾方面來著手。利用分析軟件，測試車輛在不同工況下的運動情況，在保證剛度的前提下，不斷優化結構并嘗試新材料，達到輕量化的目標，同時提高傳動效率。最后通過實際測試，尋找設計中的不足，再進行優化。

傳動系統布置

巴哈大賽的操控性賽事的主要障礙有滾木和亂石堆，要求賽車要有很高的通過性，以防車手在操作不當時發生側翻的情況。因此此次傳動系統的整體布置相較于上一代賽車，提高了傳動系統的緊湊性，縮小了體積占比，降低了賽車的重心，同時考慮到與懸架系統、車架系統相配合，盡量使傳動軸與輪芯在同一水平線上，從而減小傳動摩擦，提高傳動壽命。發動機根據賽方要求不能進行改裝，主要對發動機進行保養，具體方法參照百利通公司提供的方法，為發動機更換了機油，機油型號采用10w-30。同時清洗了燃油系統，使發動機保持最佳狀態。

減速箱的設計

考慮到二級圓柱齒輪減速器具有加工方便，結構簡單，質量較小的優點。因此減速箱采用自主設計制造的二級圓柱齒輪減速箱，箱體采用輕質的7075-T6鋁合金作為材料，減速箱齒輪材料選用P20鋼。

二級大齒輪結構為腹板與齒條。材料分別為P20鋼與H13鋼，根據齒輪嚙合傳動的力學關系，在齒頂圓上施加載荷，分為法向分力和切向分力，根據之前的計算，法向分力為9580N，切向分力為3276N。同時對于齒輪，輪心內部表面進行固定約束。使用Fusion 360軟件的仿真功能進行分析，其結果如圖三齒輪根部受到的彎曲應力最大，最大彎曲應力達到了394MP，符合實際要求。

上一代主減速器箱體質量重達8.1kg，本次設計減到了2.85kg，相比較于以前減重了64.8%，對傳動系統的減重起到了很大的幫助。

選擇二級齒輪式減速箱不僅能夠使巴哈賽車在極端的環境下工作，還可以縮小整個減速箱的體積，節省空間，以此來縮減整車的體積大小。

CVT無級變速器的選擇

帶式CVT的結構及工作原理

本車采用膠帶式無級變速器，速比可實現無級變化的變速器，稱為無級變速傳動（Continuous Variable Transmission），CVT的型號選擇CVTech ABB。傳動比范圍為0.43-3.00。選用CVT無級傳動縮短了加速時間，改善了動力性，傳動效率高且零件數量少。缺點是燃油經濟性不如機械式有級變速器，制造成本高。經測試所選CVT型號正常，接合轉速正常。

傳動軸以及等速萬向節

經測試傳動軸與水平的極限夾角為α=57°，花鍵結合處長度為18mm，傳動軸處于水平狀態時可得最小長度Lmin。

Lmin=325.498+2*18=361.498mm

當傳動軸與水平達成極限夾角時可得最大長度Lmax。

Lmax=325.498/cos57°+2*18=633.640mm

由上下極限可以取傳動半軸長度L=504.99mm，球籠選用六珠式球籠，半軸材料方面采用焊接空心鈦管的方式，半軸兩端采用花鍵配合，鈦管具有硬度大，質量輕，耐腐蝕等優點，使用鈦合金能在提高半軸強度的同時也能達到減重的目的，還可以保證軸的旋轉精度并減少轉軸與支撐之間的摩擦和磨損。

半軸應力分析

利用Fusion的分析功能，給傳動軸的花鍵部分施加扭矩，經過分析由圖可知，傳動軸最高可以承受0.9975Mpa的壓力，極大的超過了BAJA賽車在極端工況下，半軸高速運轉時承受的扭矩。這樣的傳動軸可以保證汽車的動力性以及穩定性。同時，巴哈賽道符合賽車實際要求。同時輕量化的設計使整車的重量減輕，傳動效率增高。

3.總結

本文對巴哈賽車傳動系統得設計和優化進行了簡要的概括，通過不同的方面對傳動系統進行了介紹，并且通過設計優化對新車進行了制造。最終求得的巴哈賽車傳動系統參數為：主減速比為13.3;反饋系數為0.9。最高速度為14.2m/s，最大加速度為4.1m/s2，運動距離為103m，相對于去年最高速度提高了6.7%，最大加速度提升了5.1%，運動距離增加了4.2%。巴哈賽車的動力性有了良好提升。也希望讀者看完這篇文章后能對巴哈賽車的傳動系統有一個比較清楚的認知，同時能夠對傳動系統的設計有一定的了解。

參考文獻：

[1]《汽車理論》/余志生主編.—.北京：機械工業出版社，2009.3

[2]《汽車設計》/王望予主編.—.北京：機械工業出版社，2004.8.

[3]何晨曦.巴哈賽車懸架系統設計.

[4]羅海英，梁童健.基于優化傳動系統的Baja賽車設計研究，2020.11

[5]陸建康，方勇，趙嘯林，唐海莉.巴哈賽車傳動系統傳動比設計，2020.3.

基金項目：大學生創新訓練項目（cx2001032）

1第一作者：趙海洋（2000-），男，本科，研究方向為車輛工程。E-mail：1778273515@qq.com

1通訊作者：駱佼，（1984-），女，講師，碩士，研究方向：汽車物流，健康管理。E-mail：jiao-luo@qq.com

上海工程技術大學 上海市松江區 201620