基于 Baja 赛车的主减速器设计与优化 基于 Baja 赛车的主减速器设计与优化
Taiyu Ning、Chao He*、Jifei Chen、Xueyuan Liu、Wengang Chen、Shuheng Wang 和 Jie Tang宁泰宇、何超*、陈继飞、刘学元、陈文刚、王淑恒 和 唐杰 Taiyu Ning、Chao He*、Jifei Chen、Xueyuan Liu、Wengang Chen、Shuheng Wang 和 Jie Tang 西南林业大学机械与运输学院，中国 昆明 西南林业大学机械与运输学院，中国 昆明
抽象
主减速器是整车的主要部件，其主要功能是实现减速和扭矩增加。对于巴哈赛车来说，为了提高整车的动态性能，从布局、传动比分配、换挡方式、整体尺寸和外壳结构等方面设计了主减速器。根据传动部件的性能参数计算减速机的传动比范围，验证传动比的合理性;然后根据传动比和相关参数确定齿轮的参数，最后根据传动比和相关参数设计齿轮的参数，最后设计减速机其他部件的参数。根据确定的参数，使用3D建模软件UG构建减速器各部件的3D模型，使用有限元分析软件ANSYS对部件进行仿真分析，以检查综合机械性能是否满足要求。本文对主减速器的设计实现了体积小、重量轻、传动比分布合理、可靠性高、行驶时换档等综合设计，综合机械性能也满足要求。
关键词： BSC赛车主减速机优化设计的ANSYS分析
1 引言
Baja SAE China 是一项越野车设计、制造和测试的竞赛，是一项全新的技术教育和工程实践过程，由大学和职业学院的汽车及相关专业学生组织
[
1
]
[
1
]
^([1]) { }^{[1]} .减速器是 Baha 越野赛车的重要组成部分
[
2
]
[
2
]
^([2]) { }^{[2]} .本文通过数据比对，ANSYS软件对设计的主传动等进行瞬态动力学分析
[
2
]
[
2
]
^([2]) { }^{[2]} ，从布局、传动比分配、换挡方式、整体尺寸、壳体结构等方面对主传动进行了优化，从而设计出性能更好的主传动。 2 Baja 减速机现状分析
对设计的减速机进行分析（如图 1 所示），并在此基础上进行优化设计。
图 1.减速机的三维模型。图 1.减速机的三维模型。
3 传动比的计算
3.1 计算赛车的运行阻力
整车基本参数如表 1 所示：整车的基本参数如表 1 所示：
基本参数
符号
参数值
满载重量
/
(
kg
)
/
(
kg
)
//(kg) /(\mathrm{kg}) 加语
250
车辆重量
(
kg
)
(
kg
)
(kg) (\mathrm{kg})
M
1
M
1
M_(1) M_{1} 185
驱动器重量
/
(
kg
)
/
(
kg
)
//(kg) /(\mathrm{kg})
M
2
M
2
M_(2) M_{2} 65
迎风区
/
(
m
2
)
/
m
2
//(m^(2)) /\left(\mathrm{m}^{2}\right) 一个
1.2
车轮半径
(
m
)
(
m
)
(m) (\mathrm{m}) r
0.28
Basic parameters Symbols Parameter values
Full load weight //(kg) Ga 250
Vehicle weight (kg) M_(1) 185
Driver weight //(kg) M_(2) 65
Windward area //(m^(2)) A 1.2
wheel radius (m) r 0.28 | Basic parameters | Symbols | Parameter values |
| :---: | :---: | :---: |
| Full load weight $/(\mathrm{kg})$ | Ga | 250 |
| Vehicle weight $(\mathrm{kg})$ | $M_{1}$ | 185 |
| Driver weight $/(\mathrm{kg})$ | $M_{2}$ | 65 |
| Windward area $/\left(\mathrm{m}^{2}\right)$ | A | 1.2 |
| wheel radius $(\mathrm{m})$ | r | 0.28 |
汽车行驶时会遇到滚动阻力、空气阻力、斜坡阻力和加速阻力，因此赛车遇到的总阻力为
Σ
F
=
F
f
+
F
w
+
F
i
+
F
j
[
3
]
Σ
F
=
F
f
+
F
w
+
F
i
+
F
j
[
3
]
Sigma F=F_(f)+F_(w)+F_(i)+F_(j)^([3]) \Sigma F=F_{f}+F_{w}+F_{i}+F_{j}^{[3]} . 根据公式 （1），巴赫赛车主要在砾石和泥泞的道路上行驶：根据公式 （1），巴赫赛车主要在砾石和泥泞的道路上行驶：
F
f
=
G
a
f
F
f
=
G
a
f
F_(f)=G_(a)f F_{\mathrm{f}}=G_{\mathrm{a}} f 空气阻力的计算方法如公式 （2） 所示
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} : 空气阻力的计算方法如公式 （2） 所示
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} ：
F
w
=
(
C
D
A
u
a
2
)
/
21.15
F
w
=
C
D
A
u
a
2
/
21.15
F_(w)=(C_(D)Au_(a)^(2))//21.15 F_{\mathrm{w}}=\left(C_{\mathrm{D}} A u_{\mathrm{a}}^{2}\right) / 21.15 加速度阻力的计算方法如下：公式（3）
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} : 加速度阻力的计算方法如下：公式（3）
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} ：
F
j
=
δ
m
d
u
d
t
F
j
=
δ
m
d
u
d
t
Fj=delta m(du)/(dt) F j=\delta m \frac{d u}{d t} 路阻是赛车上坡时坡阻和滚动阻力之和，计算方法如下
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} : 路阻是赛车上坡时坡阻和滚动阻力之和，计算方法如下
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} ：
F
Ψ
=
F
f
+
F
i
=
G
f
cos
a
+
G
sin
a
F
Ψ
=
F
f
+
F
i
=
G
f
cos
a
+
G
sin
a
F_(Psi)=F_(f)+F_(i)=Gfcos_(a)+Gsin_(a) F_{\Psi}=F_{\mathrm{f}}+F_{\mathrm{i}}=G f \cos _{\mathrm{a}}+G \sin _{\mathrm{a}} 赛车的附着力
30
%
30
%
30% 30 \% 坡道（泥泞路面的粘附系数
λ
λ
lambda \lambda 为 0.4 ），根据公式 （5）
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} : 赛车的附着力
30
%
30
%
30% 30 \% 坡道（泥泞路面的粘附系数
λ
λ
lambda \lambda 为 0.4 ），根据公式 （5）
[
3
]
[
3
]
^([3]) { }^{[3]} ：
F
Φ
=
Ga
λ
cos
α
F
Φ
=
Ga
λ
cos
α
F_(Phi)=Galambda cos alpha \mathrm{F}_{\Phi}=\mathrm{Ga} \lambda \cos \alpha 经过计算，粘附力
F
Φ
F
Φ
F_(Phi) \mathrm{F}_{\Phi} 是
938.67
N
,
F
Ψ
<
F
Φ
938.67
N
,
F
Ψ
<
F
Φ
938.67N,F_(Psi) < F_(Phi) 938.67 \mathrm{~N}, \mathrm{~F}_{\Psi}<\mathrm{F}_{\Phi} ，因此满足启动条件。 3.2 计算传动比：
根据CVT速度检查表，可以得出结论，此时CVT传动比为0.59，因为最大发动机转速为
3800
r
/
min
[
1
]
3800
r
/
min
[
1
]
3800r//min^([1]) 3800 \mathrm{r} / \mathrm{min}^{[1]} .主减速机的传动比按预设的最大速度计算。根据公式 （6）
[
4
]
[
4
]
^([4]) { }^{[4]} , 根据CVT速度检查表，可以得出结论，此时CVT传动比为0.59，因为最大发动机转速为
3800
r
/
min
[
1
]
3800
r
/
min
[
1
]
3800r//min^([1]) 3800 \mathrm{r} / \mathrm{min}^{[1]} .主减速机的传动比按预设的最大速度计算。根据公式 （6）
[
4
]
[
4
]
^([4]) { }^{[4]} ，
u
a
=
0.377
r
n
i
g
i
o
u
a
=
0.377
r
n
i
g
i
o
u_(a)=0.377(rn)/(i_(g)i_(o)) u_{a}=0.377 \frac{r n}{i_{g} i_{o}} 3.3 验证传动比是否合理：
有一些
30
%
30
%
30% 30 \% （坡度角约为
16.7
∘
16.7
∘
16.7^(@) 16.7^{\circ} ） 赛道上的上坡路段。指定用于比赛的发动机的最大扭矩为
21.3
N
m
[
4
]
21.3
N
m
[
4
]
21.3Nm^([4]) 21.3 \mathrm{~N} \mathrm{~m}^{[4]} 当速度为
2600
r
/
min
2600
r
/
min
2600r//min 2600 \mathrm{r} / \mathrm{min} ，此时 CVT 传动比为 1.34。上坡路段是一条土路，因此将滚动阻力系数 f 取 0.025 。按公式 （7）
[
4
]
[
4
]
^([4]) { }^{[4]} 可以发现，此时终传动的传动比 i 0 应大于等于 9.48 。
T
tqaxx
i
0
i
1
η
T
r
≥
G
f
cos
α
max
+
G
sin
α
max
T
tqaxx
i
0
i
1
η
T
r
≥
G
f
cos
α
max
+
G
sin
α
max
(T_("tqaxx ")i_(0)i_(1)eta_(T))/(r) >= Gf cos alpha_(max)+G sin alpha_(max) \frac{T_{\text {tqaxx }} i_{0} i_{1} \eta_{T}}{r} \geq G f \cos \alpha_{\max }+G \sin \alpha_{\max } 为防止赛车上坡时车轮打滑，驱动力应小于或等于粘附力。上坡路段是土路，赛车使用的越野轮胎附着力很大，所以附着系数
Φ
Φ
Phi \Phi 是
0.4
[
3
]
0.4
[
3
]
0.4^([3]) 0.4^{[3]} .根据公式（8），终传动的传动比应小于或等于 12.99。
F
max
≤
F
f
=
F
z
Φ
F
max
≤
F
f
=
F
z
Φ
F_(max) <= F_(f)=F_(z)Phi F_{\max } \leq F_{f}=F_{z} \Phi 综上所述，为了确保赛车有足够的驱动力爬坡而不造成车轮打滑，传动比
i
0
i
0
i_(0) i_{0} 的最终减速器应在 10.49 和 12.99 之间，并且通过比较计算的两个传动比都在这个范围内，所以两个传动比都是可用的。 4. 齿轮和轴的设计
4.1 确定传动比
当主减速机处于低速档时，按传动比分配公式 （9）
[
2
,
5
]
[
2
,
5
]
^([2,5]) { }^{[2,5]}
1.2
X
1
2
=
12.23
1.2
X
1
2
=
12.23
1.2X_(1)^(2)=12.23 1.2 X_{1}^{2}=12.23 可以发现，第一级传动比为 3.19，第二级传动比为 3.83。为了增加齿轮的受力面积，增强齿轮的强度，提高传动质量，降低主减速机运行过程中的噪音，所有齿轮均采用斜齿
[
6
]
[
6
]
^([6]) { }^{[6]} .最后，确定总传动比在低速时为 12.64，在高速时为 9.87。 4.2 确定齿轮的刻度圆直径和齿轮齿宽.最后，确定总传动比在低速时为 12.64，在高速时为 9.87。4.2 确定齿轮的刻度圆直径和齿轮齿宽 一对钢标准螺旋的齿面接触应力和强度条件
