分布式独立驱动纯电动方程式赛车传动系设计毕业论文.docx

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分布式独立驱动纯电动方程式赛车传动系设计毕业论文

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摘要

在整个毕业设计过程中，我设计了方程式赛车传动系的各个零件，在毕业设计一开始，我首先根据学校和老师的要求翻译了大约8000字的英语文章，然后根据老师提供的分布式独立驱动纯电动方程式赛车的一些前提条件：

车架，EMRAX电机，并要求分布式独立驱动纯电动方程式赛车一最快的速度行驶完75米的距离。

因为分布式独立驱动纯电动方程式赛车参加的比赛项目是75米直线加速。

知道了这些先决条件之后，先仔细的看了EMRAX电机的说明书，知道电机的各项性能，比如，电机的，转速与功率的关系，电流与转矩的关系，转矩与转速的关系等，然后确定这个传动系的传动比，就要确定传动方式，然后确定传动比，接下来就是要考虑用什么零件把电机的动力通过你确定的传动方式传递到车轮，我设计的传动系用到了电机固定板，法兰盘，小链轮，大链轮，万向节，传动轴，然后把各个零件的样式用catia话出来，然后确定每个零件的受力方式，大小。

用ANSYS分析零件。

确定各个零件的具体尺寸。

最后把所有的ccatia零件给装配起来，导成CAD图，在打印出来。

关键词FSAE，传动系，链传动，万向节

ABSTRACT

Throughoutthegraduationdesignprocess,IdesignedthevariouspartsoftheFormulaOneracingsystem.Atthebeginningofthegraduationproject,Ifirsttranslatedabout8,000wordsofEnglishaccordingtotherequirementsoftheschoolandtheteacher,andthenbasedonthedistributedindependentdriverprovidedbytheteacherSomeoftheprerequisitesforthepureelectricformularacing:

theframe,theEMRAXmotor,andtherequirementsofthedistributedindependentdrivepureelectricformularacingcaratthefastestspeedof75metersaway.Becausethedistributedindependentdrivepureelectricformularacingtoparticipateinthecompetitionprojectis75metersstraightlineacceleration.Knowtheseprerequisites,thefirstcarefullyreadtheEMRAXmotormanual,knowthemotorperformance,suchasmotor,speedandpowerrelationship,therelationshipbetweencurrentandtorque,torqueandspeedrelationship,Andthendeterminethetransmissionratioofthedrivesystem,itisnecessarytodeterminethetransmissionmode,andthendeterminethetransmissionratio,thenextstepistoconsiderwhatpartsofthemotorpowerthroughyoursuretransmissiontothewheel,IdesignedthedrivetothemotorFixedplate,flange,smallsprocket,largesprocket,universaljoint,driveshaft,andthenthevariouspartsofthestylewithcatiaout,andthendeterminetheforceofeachpartoftheway,size.AnalyzepartswithANSYS.Determinethespecificdimensionsofeachpart.FinallyputalltheccatiapartstotheassemblyuptotheCADdrawing,printout.

KeywordsFSAE,driveline,chaindrive,Universaljoint

第一章绪论

中国在2010年引入了FSAE。

中国FSAE的全称是中国大学生方程式汽车比赛。

中国大学生方程式汽车大赛是一个特别严谨而且有意义的比赛，大赛不仅制定了比赛的规则，还制定了制造赛测的标准。

参加比赛的都是一些学习汽车专业或与汽车专业相关的还在念书的大学生，他们一起组队设计并制造一个符合比赛要求的赛车。

大赛规定，参加比赛的学生必须在12个月的时间内依靠自己的力量设计和制造出一辆赛车，大赛还要求设计，制造出来的赛车的必须具有良好的制动性能，操控性能，以及加速性能等，方程式赛车的比赛包括很多项目，对于这些项目，自己设计的赛车呢可以全部参加，也可以只参加一部分。

同时，参加比赛的队伍不仅要讲清楚自己的设计理念，并且还要由大赛的评审员对赛车的若干项性能进行测试。

1.1FSAE的发展历史

FormulaSAE（FSAE）最初是由国际汽车工程师学会（SAEInternational）于1978年开办，其想法来自于一家虚拟制作工厂，他们希望在校大学生可以设计并制造一辆小型方程式赛车，而且希望制造出来的小型方程式赛车拥有良好，稳定并且足够耐久的的加速性能，制动性能以及操控性能。

国际汽车工程师学会在1979年举办了第一届比赛，比赛地点是在美国的休斯顿，比赛的名字叫做迷你印地车赛（SAEMini-Indy），参加第一届比赛参赛的一共有13支队伍。

其中只有有11支完成比赛。

当时的比赛规则是制作一台5马力的木制赛车，在整车设计方面受到的限制很少，目的呢是为了给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间。

而这一理念延续至今。

在参加比赛之前，每个车队一般会用8至12个月的时间去设计、建造、测试和准备赛车。

然后呢来自世界各地的大学生会聚在一起进行比赛。

比赛过程中，大赛会给大学生一个证明创造力和工程技术能力的机会。

为了更好的完成比赛，学生可以把自己想象成一个汽车工程师。

有一家汽车公司要请他们去设计、制造一辆原型车，然后呢用他们设计的原型车去评估该公司的一个量产项目，参加比赛的大学生可以把周末业余汽车比赛当作销售市场。

因此，该原型车必须具有良好的在加速性能，制动性能和操控性能。

同时该车必须成本低廉、容易维修、可靠性好。

此外，考虑到市场销售的因素，该车需美观、舒适，零部件也需要有通用性。

而参加比赛的大学生要做的就是设计和制造一辆满足各种要求的车。

各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。

随着汽车技术的日新月异，汽车的驱动技术也在不断发展，以前只有内燃机来驱动汽车，现在混合动力汽车，纯电动汽车也随处可见，而大学生方程式大赛也紧跟社会发展潮流。

举办了以混合动力、纯电动汽车为主的大学方程式比赛，第一个举办混合动力方程式赛车比赛的项目的国家是America；而电动方程式赛车比赛则是在德国的提议下迅速发展起来。

从方程式汽车比赛的诞生到现在已经有将近40年了，方程式汽车比赛的成功也是有目共睹的，现在每年由15个国家举办20场赛事，参加比赛的大学生都来自全球顶级高校，参赛队伍达到数百支。

到目前为止举办方程式汽车比赛的国家有:

中国，美国、加拿大、德国、英国、奥地利、意大利、西班牙、匈牙利、捷克共和国、巴西、澳大利亚、日本、印度及泰国。

1.2中国FSAE的介绍

中国汽车工程学会以及与其合作的会员单位在认真研究了欧美国家的大学生方程式汽车大赛，学习相关经验，汲取精华，去其糟粕之后，精心组织了一项符合中国国情，符合中国大学生的全新比赛。

2010年中国在上海举办了第一届中国大学生方程式汽车大赛，参加第一届中国大学生方程式汽车大赛的车队有20多支，400多人，他们来自十几个不同省市。

所以，中国大学生方程式汽车大赛不仅仅是一个比赛，更是一个汽车类专业人才齐聚的盛会。

中国自2010年开始引进FSAE赛事以来，国内高校车队发展迅猛，据2016年的报名情况，比赛已扩展至超过60支车队的参赛规模，成绩喜人。

现今已有长安大学，浙江大学，清华大学，西华大学，西安交通大学，北京航空航天大学，南昌大学，江苏大学，重庆理工大学，福州大学，辽宁工业大学，山东理工大学，燕山大学，中山大学，四川交通职业技术学院，桂林电子科技大学，西安汽车科技职业学院等专科院校参与其中。

中国FSAE秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，为了把方程式汽车比赛变成一个培育中国汽车行业未来领导者以及中国汽车工程师的交流盛会，成为与国际汽车工程师的交流平台。

就必须从中国汽车工程教育和汽车行业的现实基础出发，学习欧美国家成功举办方程式汽车比赛的经验。

中国举办方程式汽车比赛目的是为了建立一个培育，挑选优秀汽车人才的公共平台，通过多方位的考查，提高学生们的设计、制造等能力，提高汽车专业学生的实际动手能力，为中国汽车产业的发展积累人才，促进中国汽车工业从“制造大国”向“制造强国”的战略方向迈进。

中国方程式汽车比赛是一项不盈利的公益事业，但是功在当代，利在千秋。

项目的运营和发展结合优秀高等院校资源、整车和零部件制造商资源，获得了政府部门和社会各界的大力支持以及品牌企业的资助。

社会各界对项目投入的人力支持和资金赞助全部用于赛事组织、赛事推广和为参赛学生设立赛事奖金。

1.3举办FSAE的意义

新中国最早的汽车制造厂是一汽，但是当时中国处于一穷二白的状态，各种汽车技术十分落后，汽车技术几乎都是由苏联提供。

改革开放以前，中国的汽车技术发展缓慢，改革开放之后，人民的收入不断提高，对生活质量的要求也不断提高，对汽车的需求也越来越大，但是中国的汽车产量很低，根本无法满足人民的需求，导致外国车开始进入中国，然后中国汽车企业开始与国外的车企进行合资，学习国外的先进技术，在中国汽车人的艰苦奋斗下，中国汽车工业发展迅猛，除了国有汽车企业之外，还有发展很不错的民营车企，比如长城，吉利等。

现在，中国已经是一个汽车工业大国，汽车产量的增长速度和汽车销量的增长速度都很快，而且汽车的保有量已经突破两亿辆，但我们还不是汽车工业强国，因为我国还没有一个可以拿得出手的中国自主汽车品牌，很多与汽车有关的核心技术我们还没有掌握。

所以从汽车制造大国变成汽车制造强国已成为中国汽车人的首要目标，想要实现这个目标就必须大批培养汽车人才。

而学生通过参加中国大学生方程式汽车大赛可以培养自己的学习能力，设计能力以及团队合作能力，而汽车公司所需要的就是拥有这些能力学生，这些学生进入汽车公司以后，也可以更好，赶快的适用公司。

中国大学生方程式汽车大赛也给开设汽车专业的高等院校提供了一个相互交流的平台，创造一个良好的教学以及学术氛围，推动学科建设。

参加比赛的学生不仅可以将自己在书本上学到的理论知识用于实践当中。

同时，还能提高自身的综合素质，培养良好的人际沟通能力和团队合作精神，增长自己的见识，开阔自己的眼界，成为符合社会需求的全面人才。

也为汽车行业的健康、快速和可持续发展积累了人才。

举办中国大学生方程式汽车比赛也是为了促进中国自主汽车品牌的创新能力，以前中国汽车发展模式是把国外的优秀汽车品牌引进中国，建立合资企业，学习国外汽车品牌先进的管理理念和生产技术，然后再自主创新。

从引进国外汽车品牌到今天也有三十多年的时间了，所以现在是中国自主汽车品牌创新的关键阶段，也迫切的需要大量并且专业的汽车人才，加快中国从汽车大国向汽车强国的转变的步伐。

充分利用社会资源培养创新型人才，搭建一个国际汽车技术交流平台，让中国汽车行业紧跟世界汽车技术发展的潮流。

1.4长安大学列风车队

长安大学FSAE猎风车队成立于2011年5月，主要由长安大学汽车学院在校研究生、本科生组成，汽车学院车辆工程专业蔡红民老师担任指导老师。

2011年10月首次参加了第二届中国大学生方程式汽车大赛，是西北地区唯一一所参加中国大学生方程式汽车比赛的211院校。

车队口号：

猎舞惊云动，风卷盛长安。

本文是在赛车车架和电机给定的情况下对方程式赛车的传动系进行设计，计算以及校核。

设计过程中运用CATIA三维画图软件，画出传动系所需要的每一个零件，然后用根据《汽车理论》这本书所讲的知识对方程式赛车的受力分析，确定传动系每一个零件的受力情况，确定各个零件的大致尺寸，然后用ANSYS进行分析，看零件的应变，应力是否符合要求。

最后把所有的CATIA零件图和车架图，电机图进行装配，在导成二维图。

第二章动力部分

2.1确定传动比

赛车的比赛项目是75米直线加速项目，驾驶员体重60kg。

电车的动力是EMRAX207电机，它的最大转矩呢是80N*M，方程式赛车的驱动方式是后轮驱动，单个后轮的载荷是82.5Kg，后轮半径r=235mm。

而良好沥青路面的附着系数是0.8，所以粗略的计算一下车轮受到的最大地面切向力是82.5*9.8*0.8=646.8N，则车轮中心所受到的最大力矩约为646.8N*235mm=151.998N*m。

大于电机的最大转矩80N*m，所以需要一个传动比大于1的传动系来满足方程式赛车对转矩的需要。

确定方程式赛车传动系的传动方式。

如果传动系用齿轮来传递动力的话，不太合适，因为，齿轮是一个特别复杂的零件，制造特别困难，安装的时候对误差要求很高，从而导致成本高，所以不太合适。

而带传动虽然结构简单，价格低廉，但是带传动可能会打滑。

所以链传动相对来说比较合适，因为链条对制造和安装的要求都不高，而且还不会打滑，传动效率高，而且它是通过链轮上的齿和链条进行力的作用，所以，安装链条时张紧力可以取一个比较小的值，这样的话轴受到的径向压力比较小。

而且链条传动整体尺寸比较小，成本低，对环境工作的要求也比较低，例如在温度较高，空气湿度较大的的情况下，链条可以正常工作。

所以，方程式赛车的传动系使用链传动比较合适。

确定传动系的传动比。

链条的传动比不宜取得很大，因为传动比过大的话，链条包裹大链轮的角度就会很大，则链条与小链轮相互配合的齿数就会减少，链轮上每个齿所承受的力就会增大，轮齿的寿命就会变短，所以一般情况传动比要小于等于6，一般情况下传动比都大于等于2，小于等于3.5，而链轮的齿数都是正整数，所以传动比可以取一个整数，这样的话，计算比较简单，也不用对链轮的齿数进行圆整。

因为车轮中心所受到的最大力T轮≈646.8N*235mm=151.998N*m，而电机的最大转矩为80N*m。

所以传动比可以取为3，传动效率0.9。

这样的话，需要电机发出的最大转矩约为51N*m，小于80N*m。

2.2设计链条和链轮

确定大小链轮的齿数。

大链轮的齿数少，传动比一定，则小链轮的齿数少，大链轮和小链轮的分度圆直径直径就小，大链轮和小链轮的质量也就会小。

但是，如果小链轮的齿数过少，会导致在一个传动周期内，大链轮瞬时转速的最大值与最小值的差值与其平均转速的比值以及链条的动载荷都会增加，链节在与链轮刚接触或是刚分开的时候，链节间的相对转角会增大，链传动的圆周力增加，链轮的寿命就会减小。

链轮的最小齿数Zmin=9。

在这里取小链轮的齿数为11，则大链轮的齿数为33。

确定链条规格和参数。

想要确定链条规格和参数，可以先粗略的分析方程式赛车的运动状况和受力情况。

赛车运动过程中地面会沿赛车运动方向给赛车后轮一个切向力，这个切向力的最大值Ftmax=2*82.5*9.8*0.8=1293.6N，切向力由零到最大所需要的时间可以忽略不计。

滚动阻力系数f=0.018，则滚动阻力Ff=300*9.8*0.018=52.92N。

先忽略空气阻力和赛车车轮的转动惯量。

则方程式赛车的最大加速度a=（1293.6－52.92）/300=4.14m/s2。

赛车行驶距离为75米时，赛车的速度V=√（2*4.14*75）=24.9m/s。

小链轮的转速可根据车速求解，ω小=V*3/r=318rad/s。

小链轮的转矩T小=56.3N*m。

由此得到小链轮所传递的功率P小=318*51≈16.2KW。

当量的单排链计算功率Pca=Ka*Kz*P小

（1）。

Ka是工况系数，取1，Kz主动链轮齿数系数，取2.5。

Pca=16.2*2.5=40.545kw。

查机械设计手册，同时考虑到赛车只进行75米加速运动，链条的工作时间短，所以选择的链条型号为10A。

至于链节的数目，我是确定完大链轮和小链轮的具体位置后，再确定链节的具体数目[1]。

设计链轮。

链轮的基本参数是配用链条的节距P，滚子的直径Dr，齿数Z。

我所采用的链轮画法是三圆弧一直线画法，如图2-1所示，圆弧与圆弧之间，圆弧与直线直径均为圆滑过渡。

链条的主要参数：

内链节内宽b1=10mm销轴直径=5mm链板宽=1.5mm

内链节高度h2=15mm销轴长度=18mm套筒内径=5.2mm外链节高度h1=13mm

内链节外宽b3=13.8mm外链节内宽b4=14mm

链轮公式：

1.节距P=15.875mm2.滚子直径=10.16mm3.小链轮齿数Z小=11

4.大链轮齿数Z大=335.齿沟圆弧半径r1=0.5025*dr+0.05mm

（2）

6.工作段圆弧半径r2=1.3025*dr+0.05mm（3）

7.齿顶圆弧半径r3=dr*（1.3025*cosγ+0.8*cosβ-1.3025mm）-0.05mm（4）

8.齿沟圆弧的圆心与工作段圆弧圆心的水平距离T=0.8*dr*cosα（5）

9.齿沟圆弧的圆心与工作段圆弧圆心的垂直距离W=0.8*dr*sinα（6）

10.齿沟圆弧圆心与齿顶圆弧圆心的水平距离W=1.3*dr*cos（180°/Z）（7）

11.齿沟圆弧圆心与齿顶圆弧圆心的垂直距离V=1.3*dr*sin（180°/Z）（8）

12.β=18°-56°/Z（8）13.α=55°-60°/Z（9）14.γ=17°-64°/Z（10）

15.顶圆半径da/2=d/2-dr/2+1.1P/2-0.4P/Z（11）

16.分度圆半径d/2=P*0.5/sin（180°/Z）（12）[2]

图2-1

2-3设计法兰盘

方程式赛车由电机驱动，而电机与并不是直接与小链轮连接，而是通过法兰盘连接，EMRAX207电机的说明书中给出了几种法兰盘的外形（图2-2），以及电机与法兰盘的连接样式（图2-3），也给出了电机与法兰盘相互接触的面（图2-4）。

图2-2[3]

图2-3[4]图2-4[5]

EMRAX207电机的说明书中给出的几种法兰盘与电机的连接方式是通过花键连接，花键连接和平键连接应该是电机与法兰盘的最常见的连接方式，花键连接与平键连接相比，在同轴径的情况下，花键所能传递的扭矩比平键所能传递的扭矩大，花键的受力比平键更均匀，应力集中比较小，使用寿命长，对中性好。

花键的导向性比平键的导向性要好，花键在使用时可以有适当的轴向移动。

但是花键的加工精度比平键的要求高，成本也比平键的高。

综合考虑一下，我决定使用平键连接，因为在这个方程式赛车中，电机传递的转矩不是很大，电机所传递的最大转矩约为51N*m，所以使用平键比较好。

而我在EMRAX207电机的说明书中给出的几种法兰盘的外形的基础上，做出了一些改动，

改动之后的样式如图2-5，图2-6所示。

图2-5图2-6

我改动后的法兰盘和电机说明书里给的法兰盘形式差不多，图2-5所示的法兰盘的最左侧的凸台是为了法兰盘与电机安装更容易，起到定位作用，从图2-4可以看出，电机与法兰盘相连的面（银白色部分）有一部分向内凹陷，此凹陷部分正好与法兰盘最左侧凸起部分相配合，起定位作用，如果法兰盘最左侧没有凸起的话，电机与法兰盘用螺栓连接时，一个螺栓拧紧，其他的螺栓孔可能就会错开，此时再拧其他螺栓的话，会不太容易拧上去。

法兰盘上最大的一个圆盘面上有六个孔，与图2-4电机银白色面上的六个孔一一对应，而且六个孔是均布排列用来上螺栓。

同时电机说明书里已经对螺栓的尺寸，规格做了说明。

螺栓的规格是M8*1。

25mm，拧进电机的长度至少15mm，最多16。

5mm。

图2-6中最右侧的轴与小链轮相配合，轴上的孔用来安装普通平键，轴左侧的一小段轴的右侧的面会与小链轮的侧面相接触，我认为与小链轮侧面相接触的面需要精加工，保证小链轮的侧面与段轴的侧面紧密接触，如果没有这一小段轴的话，可能需要对最大圆盘的整个右侧面进行精加工。

另外，可以看到法兰盘右侧最长轴的最右端有一个孔，这个孔是内螺纹孔，孔的大小呢是M4。

因为小链轮需要横向固定，因此，可以用一个端盖（图2-7，图2-8）来挡住小链轮，然后用螺栓把端盖与法兰盘右侧最长轴相固定。

法兰盘各个部分的具体尺寸需要用ANSYS进行分析之后再确定。

2-4设计电机固定板

设计电机固定板。

要把电机固定在车架上的话，需要用到电机固定板，而EMRAX207电机的说明书上也给出了一种电机固定板的形式作为参考（图2-9）。

在设计电机固定板除了需要考虑电机固定板的钢度，强度之外，还需要注意不能遮挡电机上的一些孔，电机上的的孔有的是与电机固定板相连接时拧螺栓用的，有的是电线插孔，有的是冷却电机用的（图2-10），EMRAX207电机的冷却方式是水冷，电机上有一个进水孔，一个出水孔。

同时呢，在设计电机固定板时还要考虑电机固定板的减重，例如图2-9所示的EMRAX207电机说明书中所给出的电机固定板，它的两端各有3个圆，目的就是在满足电机固定板钢度和强度的情况下，减轻电机固定板的重量，方程式赛车的重量也随之减少。

图2-7图2-8

图2-9[6]

在固定电机时一个电机我只有用了一个电机固定板，电机固定板的各个地方都是圆滑过渡。

形式如图2-11。

电机固定板与电机的是通过螺栓连接，电机说明书中对连接电机固定板和大家的螺栓做了说明，螺栓的规格呢是M8，而且是内六角螺栓，一共需要8个。

拧进电机内的螺栓长度至少要25mm。

电机固定板的尺寸需要用ANSYS分析之后在确定。

图2-10[7]图2-11

第三章传动系后桥

3.1万向节的介绍。

电机固定板，法兰盘的结构设计已经完成，链轮，链条的各个参数以及确定，根据动力的输出路径：

电机到法兰盘，法兰盘到小链轮，小链轮通过链条把动力传给大链轮，大链轮把动力传递给传动轴，最后传动轴再把动力传给车轮，方程式赛车在行驶过程中，车轮可能会上下跳动，也可能会轴向移动，引起传动轴的上下跳动，或者是轴向移动，而同时呢电机是固定在车架上不动的，电机不动，则法兰盘就不动，法兰盘不动，则小链轮就不动，小链轮不动，大链轮就不能动，否则的话，链轮之间的运动传递就会出问题。

所以如果传动轴与大链轮之间是直接钢性相连接的话，传动轴的上下跳动，或是轴向移动，大链轮就会受到损坏，而且运动的传递也会出问题。

所以大链轮与传动轴之间不能简单的钢性接来传递运动和转矩，必须要有一个万向节。

在汽车或者是其他机械中，经常会遇到需要