Baja赛车传动系统的设计与优化

赵海洋 骆佼

摘要：在校期间有幸接触到Baja赛车，本次创新是在已有传动系统的基础上，通过融入更加创新的思维，设计出一种新的，能够运用于Baja赛车进行参赛的传动系统。Baja大赛的比赛项目决定了一辆赛车要有良好的牵引力以及耐力，因此一套优秀的传动系统必不可缺。传动系统除了要有足够的强度之外，也要有良好的传动效率以及稳定性，同时要与其他系统，例如悬架系统与发动机等形成良好的配合，才能使赛车的动力性能良好发挥。本次设计优化的内容包括：传动重要参数设计、CVT的选择、变速箱的设计与定位，传动轴的设计与加工，力求较全面地概括Baja赛车传动系统的完整设计流程。本文大量参考了国内外的越野赛车设计资料及视频。希望本文能让对巴哈赛车有过简单了解的读者能够更加清晰地了解传动系统的设计流程。

关键词：巴哈赛车、传动系统、运动分析、传动轴

1绪论

巴哈大赛简介

中国汽车工程学会巴哈大赛（Baja SAE China，简称BSC）是一项由高等院校、职业院校汽车及相关专业在校生组队参加的越野汽车设计、制造和检测的比赛。此项赛事起源于美国，是大学生方程式汽车大赛的前身。

大赛要求各参赛车队在规定时间内，使用同一型号发动机，设计制造一辆单座、发动机中置、后驱的小型越野车，参加包括多种静态与动态项目的测试。其中动态项目包括牵引力测试，操控性测试、耐力测试等。车辆的动力性一直都是关注的重点。车辆动力性不足会造成行驶无力、爬坡费劲、油耗上升等一系列缺问题，在拉力赛以及赛车通过滚木、乱石堆赛道时，如果没有一套优秀的传动系统，赛车会难以顺利完成比赛。同时在耐力赛中，动力性不足造成的油耗升高会导致赛车加油频率上升，影响比赛成绩。

巴哈赛车传动系统介绍

赛车动力由发动机提供，组委会规定参赛队伍必须使用百力通公司（Briggs&Stratton）提供的10马力OHV Intek发动机。发动机具体参数如下表所示。

由官方提供的发动机参数以及赛事规则来看：

（1）发动机不能改装，其最大马力为定值。

（2）发动机净功率随转速提高，转速达到3600rmp时达到最高。

（3）净扭矩随转速提高先上升后下降，且扭矩变化不大基本为恒定值，在2600-2800rmp时达到最大。

本次设计的传动系统具体传动路线由发动机产生的动力通过无级变速器（CVT）传到减速箱，再通过传动轴以及万向传动装置将动力传输至后轮，实现传动功能。

2设计思路

本次设计主要从传动系统的整体布置，发动机的保养，CVT（机械式无级变速器）的选择，减速箱的设计制造，传动轴的设计制造几方面来着手。利用分析软件，测试车辆在不同工况下的运动情况，在保证刚度的前提下，不断优化结构并尝试新材料，达到轻量化的目标，同时提高传动效率。最后通过实际测试，寻找设计中的不足，再进行优化。

传动系统布置

巴哈大赛的操控性赛事的主要障碍有滚木和乱石堆，要求赛车要有很高的通过性，以防车手在操作不当时发生侧翻的情况。因此此次传动系统的整体布置相较于上一代赛车，提高了传动系统的紧凑性，缩小了体积占比，降低了赛车的重心，同时考虑到与悬架系统、车架系统相配合，尽量使传动轴与轮芯在同一水平线上，从而减小传动摩擦，提高传动寿命。发动机根据赛方要求不能进行改装，主要对发动机进行保养，具体方法参照百利通公司提供的方法，为发动机更换了机油，机油型号采用10w-30。同时清洗了燃油系统，使发动机保持最佳状态。

减速箱的设计

考虑到二级圆柱齿轮减速器具有加工方便，结构简单，质量较小的优点。因此减速箱采用自主设计制造的二级圆柱齿轮减速箱，箱体采用轻质的7075-T6铝合金作为材料，减速箱齿轮材料选用P20钢。

二级大齿轮结构为腹板与齿条。材料分别为P20钢与H13钢，根据齿轮啮合传动的力学关系，在齿顶圆上施加载荷，分为法向分力和切向分力，根据之前的计算，法向分力为9580N，切向分力为3276N。同时对于齿轮，轮心内部表面进行固定约束。使用Fusion 360软件的仿真功能进行分析，其结果如图三齿轮根部受到的弯曲应力最大，最大弯曲应力达到了394MP，符合实际要求。

上一代主减速器箱体质量重达8.1kg，本次设计减到了2.85kg，相比较于以前减重了64.8%，对传动系统的减重起到了很大的帮助。

选择二级齿轮式减速箱不仅能够使巴哈赛车在极端的环境下工作，还可以缩小整个减速箱的体积，节省空间，以此来缩减整车的体积大小。

CVT无级变速器的选择

带式CVT的结构及工作原理

本车采用胶带式无级变速器，速比可实现无级变化的变速器，称为无级变速传动（Continuous Variable Transmission），CVT的型号选择CVTech ABB。传动比范围为0.43-3.00。选用CVT无级传动缩短了加速时间，改善了动力性，传动效率高且零件数量少。缺点是燃油经济性不如机械式有级变速器，制造成本高。经测试所选CVT型号正常，接合转速正常。

传动轴以及等速万向节

经测试传动轴与水平的极限夹角为α=57°，花键结合处长度为18mm，传动轴处于水平状态时可得最小长度Lmin。

Lmin=325.498+2*18=361.498mm

当传动轴与水平达成极限夹角时可得最大长度Lmax。

Lmax=325.498/cos57°+2*18=633.640mm

由上下极限可以取传动半轴长度L=504.99mm，球笼选用六珠式球笼，半轴材料方面采用焊接空心钛管的方式，半轴两端采用花键配合，钛管具有硬度大，质量轻，耐腐蚀等优点，使用钛合金能在提高半轴强度的同时也能达到减重的目的，还可以保证轴的旋转精度并减少转轴与支撑之间的摩擦和磨损。

半轴应力分析

利用Fusion的分析功能，给传动轴的花键部分施加扭矩，经过分析由图可知，传动轴最高可以承受0.9975Mpa的压力，极大的超过了BAJA赛车在极端工况下，半轴高速运转时承受的扭矩。这样的传动轴可以保证汽车的动力性以及稳定性。同时，巴哈赛道符合赛车实际要求。同时轻量化的设计使整车的重量减轻，传动效率增高。

3.总结

本文对巴哈赛车传动系统得設计和优化进行了简要的概括，通过不同的方面对传动系统进行了介绍，并且通过设计优化对新车进行了制造。最终求得的巴哈赛车传动系统参数为：主减速比为13.3;反馈系数为0.9。最高速度为14.2m/s，最大加速度为4.1m/s2，运动距离为103m，相对于去年最高速度提高了6.7%，最大加速度提升了5.1%，运动距离增加了4.2%。巴哈赛车的动力性有了良好提升。也希望读者看完这篇文章后能对巴哈赛车的传动系统有一个比较清楚的认知，同时能够对传动系统的设计有一定的了解。

参考文献：

[1]《汽车理论》/余志生主编.—.北京：机械工业出版社，2009.3

[2]《汽车设计》/王望予主编.—.北京：机械工业出版社，2004.8.

[3]何晨曦.巴哈赛车悬架系统设计.

[4]罗海英，梁童健.基于优化传动系统的Baja赛车设计研究，2020.11

[5]陆建康，方勇，赵啸林，唐海莉.巴哈赛车传动系统传动比设计，2020.3.

基金项目：大学生创新训练项目（cx2001032）

1第一作者：赵海洋（2000-），男，本科，研究方向为车辆工程。E-mail：1778273515@qq.com

1通讯作者：骆佼，（1984-），女，讲师，硕士，研究方向：汽车物流，健康管理。E-mail：jiao-luo@qq.com

上海工程技术大学 上海市松江区 201620