FSC赛车链轮传动系统设计分析

李任任，胡顺安，许凯

(常熟理工学院，江苏苏州 215500)

0 引言

FSC是Formula Student China的简写，其中文名称为中国大学生方程式汽车大赛[1]。该赛事从2010年开始举办，2018年预期有近80所高校参加该项赛事。参赛队伍数量逐年增加，影响力也不断扩大。FSC作为中国汽车工程学会举办的三大赛事之一，能够促进大学生自主学习、积极参与赛事，培养大学生的设计能力和动手能力，是一种较好的大学生培养方式。

在大学生方程式赛车中，主减速器主要采用链轮系统传动，它位于变速器与主动桥之间，由主动链轮将变速器输出的运动和力传递给从动链轮，从而传递至驱动桥。链轮系统主要由链轮和链条组成，其中的链传动参数设计及链轮结构设计分析尤为重要。

1 链传动主要参数的确定

链传动的承载能力与其失效形式有关。工况不同，承载能力也不同，依据在一定使用寿命和润滑条件下绘制出的功率曲线选择链条型号，发现所选取链条型号过大。所以依据以往经验，选取10A链条，其节距为15.875 mm。CIT16赛车选取525链条导致链轮防护罩过宽及链条过重，现更换同样节距的520链条，有效地减小链条的质量和防护罩的宽度。

选用较小齿数的链轮可以有效减小链轮的尺寸，从而有效地减小传动系统的质量和转动惯量。而齿数过少，将极大地影响链传动的平稳性和使用寿命，造成链传动的动载荷、传动的圆周力、传动的不均匀性增大，从而加剧链轮和链条的磨损[2]。同时考虑到，奇数的链轮齿轮可以使链轮及链条的磨损更加均匀。最终确定11齿数的小链轮、34齿的大链轮，主减速器比为3.09。减小链轮中心距，可以使赛车尾部更加紧凑，减少不必要的钢管使用数量，有效地减小整车质量。但过小的链轮中心距，会导致链条在小链轮上的包角过小，参与齿合的齿数减少，使得轮齿承受的载荷变大，加剧链轮磨损，易出现跳齿、脱链现象。最终，确定链轮中心距为192.9 mm，小链轮包角为145.6°。

2 大链轮传动的受力计算

小链轮作为驱动轮，安装在发动机上，直接承受发动机输出的力矩，且由于选用的链轮齿数较少，链轮本身的尺寸已经很小，同时考虑到小链轮一旦失效，将会对发动机造成无法挽回的损失[3]。据此，小链轮采用较为保守的设计，选用40Cr材料，不对其进行过多的优化。

大链轮作为从动轮，安装在驱动桥上，主要承受来自链条的紧边拉力。由于大链轮的尺寸较大，选用强度更高且密度更小的7075航空铝，可以有效减轻链轮质量[4]。同时对链轮进行镂空，进一步减轻其质量。链轮作为主减速器，其安全性及可靠性尤为重要。考虑到CIT15赛车由于大链轮断裂造成发动机变速箱的损坏，对大链轮工况的计算要求更加准确。

赛车实际行驶时，遇到的工况非常复杂，但可主要分为：匀速、弹射起步、紧急制动3个工况。经过分析，发现大链轮的危险工况为弹射起步工况，发动机将力矩传递给小链轮，小链轮通过链条将力矩传递给大链轮，在起步瞬间，可以假设大链轮静止，承受来自链条的全部拉力[5]。

小链轮传递的最大扭矩：

M0=Tmaxi0i1η

(1)

式中：M0为一挡时小链轮传递的最大扭矩；Tmax为发动机提供的最大扭矩，48.33 N·m；τ0为发动机初始传动比，2.11；τ1为变速箱一挡传动比，2.75；η为传动效率，100%。

将上述数据代入公式(1)得

M0=48.33×2.11×2.75×100%=280.44 N·m

小链轮的分度圆直径：

(2)

式中：d为小链轮分度圆直径；P为链条节距，15.875 mm；z为小链轮齿数，11。

则得到

此时，大链轮所承受的紧边拉力：

(3)

式中：F0为大链轮所承受的紧边拉力；M0为一挡时小链轮传递的最大扭矩，280.44 N·m；d为小链轮分度圆直径，56.35 mm。

将上述数据代入公式(3)得

3 大链轮建模

大链轮的三维模型如图1所示。

图1 大链轮三维数模

大链轮建模过程为：运用SoildWorks的插件迈迪工具集，选用链轮命令，输入大小链轮齿数、链条型号及选定链轮中心距，生成大链轮，并将文件导成中间格式。在CATIA中导入该中间格式，导入齿轮模型。并运用投影命令将德雷克斯勒差速器的花键模型投影到链轮模型上，建立花键，进一步对链轮进行镂空。由于链轮的使用工况较为极限、链轮中心距较短、且链轮较紧，将增大链齿倒角，以防止链条跳齿。

4 大链轮验证分析

在Engineering Data中建立材料7075铝，并输入弹性模量7.20×1010Pa、泊松比0.330。利用CAD/CAE之间接口，将大链轮与链条装配的igs三维数模导入ANSYS WorkBench软件中。大链轮与链条的约束采用ANSYS自动生成。采用网格密度为1.5 mm的四面体网格，划分大链轮的网格质量大于0.8。在大链轮花键的一端施加Fix Support约束，在其中一个链节上施加链轮切向、大小为9 953.33 N的力，如图2所示。有限元分析结果如图3、图4所示。

图2 大链轮的约束与切向拉力施加

图3 大链轮应力云图分布

图4 大链轮变形量云图分布

由图3可知，链轮在局部产生最大应力为387.89 MPa，远小于7075铝的屈服强度(503 MPa)。由图4可知，链轮在链齿处产生最大变形量为0.229 mm，满足使用要求。因此，大链轮符合设计要求。

通过训练和磨合跑合后，将大链轮拆解下来，检查其运行情况，结果良好。如图5所示为大链轮跑合后的运行情况。

图5 大链轮跑合后情况

5 结论

通过对链传动主要参数的设计和选取，计算链轮的受力情况，应用有限元分析验证链轮设计的合理性，并应用于2018年FSC赛车上，经验证设计合理。其结构比以往FSC赛车的链轮传动系统更为紧凑，质量更轻，结构更为合理。