董清泉

(青岛大学 车辆工程系，山东 青岛 266071)

0 引言

汽车传动系统是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其作用是将发动机发出的动力传给驱动车轮。传动系统的首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车在各种行驶条件下正常行驶所必需的驱动力与车速，并使汽车具有良好的动力性和燃油经济性[1]。为此，任何形式的传动系统都必须具有：实现减速增扭；实现汽车变速；实现汽车倒车；必要时中断传动系统的动力传递；应使两侧驱动车轮具有差速作用，差速器使左右两驱动轮可以以不同的角速度旋转。

此外，由于发动机、离合器和变速器固定在车架上，而驱动桥和驱动轮一般是通过弹性悬架与车架联系的，因此在汽车行驶过程中，变速器与驱动轮之间有相对运动。在此情下，两者之间不能用简单的整体传动轴传动，应采用由万向节和传动轴组成的万向传动装置[2]。汽车传动系统的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形式和性能、汽车总体结构形式、汽车行驶系统及传动系统本身的结构形式等许多因素。赛车一般采用发动机中置后轮驱动的MR方案。MR方案是将发动机置于驾驶室后面的汽车中部，后轮驱动。该方案布置有利于实现前、后轴的轴荷分配。MR方案中发动机发出的动力经过离合器、变速器、由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥的主减速器、差速器和半轴，最后传到 驱动车轮。

1 传动系统的设计

经过车队仔细的考虑和商榷，最后决定用雅马哈R6的发动机。由于发动机尺寸比较大，而车架的布置空间有限，因此，发动机和传动的布置对赛车动力系统有很大的影响。通过考虑比较后，采用发动机总成横置，传动系统为链传动。

1.1 差速器的确定

差速器是驱动轿的主件。普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成，其作用是向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦[3]。

差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。差速器有多种形式，从技术和经济角度考虑，我们最终选用沙滩车的限滑差速器。

1.2 主减速器

主减速器是系统中减小转速、增大扭矩的主要部件。对发动机纵置的汽车来说，主减速器还利用锥齿轮传动以改变动力方向。赛车正常行驶时，发动机的转速通常在7000至12000r/min左右，如果将这么高的转速只靠变速箱来降低下来，那么变速箱内齿轮副的传动比则需很大，而齿轮副的传动比越大，两齿轮的半径比也越大。所以，在动力向左右驱动轮分流的差速器之前设置一个主减速器，可使主减速器前面的传动部件如变速箱、分动器、万向传动装置等传递的扭矩减小，也可以使变速箱的尺寸、质量减小，操纵省力。我们采用的是链传动，通过链传动来实现降速增扭的目的。本设计采用的主减速器如图1。

1.3 主减速比的优化设计

通过计算出合适的传动比来保证赛车具有良好的动力性和经济性。

图1 主减速器

1.3.1 计算的相关参数

表1 发动机参数

表2 YZF—R6外特性实验参数

整车部分参数:满载质量(kg)：320kg；轮胎对地面的附着系数：1.25；迎风面积：0.75m2；滚阻系数：0.014；空气阻力系数：0.667；初级减速比：2.073；主级减速比：未知；变速比 1st：2.846；2nd：1.947；3rd：1.556；4th：1.333；5th：1.190；6th：1.083

1.3.2 最高车速与功率的关系及外特性曲线的绘制

最高车速是汽车动力性的评价指标之一。最高车速是指汽车满载时在水平良好的路面上所能达到的最高行驶速度。基于汽车行驶方程式，列出功率与车速的关系，绘制功率车速曲线，以求初步拟定最高车速。在正常直线匀速行驶状态下，发动机最高功率Pemax（kW）与最高车速vmax（km/h）之间存在如下关系：

式中，η——传动系的传动效率，考虑到轴传动，且加工精度上的误差，取0.89；m——赛车总质量，320kg；f——滚动阻力系数，考虑到最高车速，取f=0.0165+0.0001(v-50)；CD——空气阻力系数，根据设计情况，取0.667；A——赛车正面投影面积，估算取0.75m2。

Pemax应为发动机在装有全部附件下测定时得到的最高有效功率或净输出功率，应比发动机外特性曲线的最高功率值低，发动机进气要经过限流，所以取Pemax=50.1kW。运用Matlab软件根据式（1）绘制出图2，表示发动机最高功率Pemax(kW)与最高速Vmax(km/h)之间的关系。并用MATLAB绘制出其外特性曲线如图3。

节气门全开或高压油泵在最大供油位置时的速度特性称为发动机的外特性，发动机的外特性表示发动机所能达到的最高性能[4]。从外特性曲线上可以体现出发动机的最大功率、最大转矩及其相应的转速数值。根据发动机的外特性曲线，进行下面的优化分析，确定最终的主减速比和最高车速。

图2 最高车速与功率的关系

图3 发动机外特性曲线

图4 MATLAB运行结果

根据实验测得的YZF-R6发动机功率与转速关系近似画出外特性曲线，如图2。随着发动机转速的增加，发动机发出的功率和扭矩也在增加，当发动机转速达到14000r/min时，功率近似达到最大值50.1kW，当发动机转速达到12000r/min时，扭矩最大值接近53.2N·m。1.3.3 动力性计算

汽车的动力性指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达的平均行驶速度[5]。运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性，所以动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。

驱动力计算公式：Ft=Tq×iq×i0×η/r （2）

式中：Tq—发动机转矩（Nm）；ig—变速器传动比；i0—主减速器传动比；η—传动效率；r为滚动半径(m).

汽车行驶速度公式（在驱动轮不打滑的情况下）：

ua=0.377r×n/(ig*i0)（3）

式中：ua—汽车行驶速度（km/h）；n—发动机转速（r/min）；

滚动阻力系数公式：f=0.014×(1+ua2/19440) （4）

空气阻力公式：FW=CD×A×ua2/21.15 （5）

式中，Fw——空气阻力；A—迎风面积；CD—空气阻力系数.

滚动阻力公式：Ff＝Gf

式中：G—整备质量或满载质量；

根据设计经验，主减速比的取值通常在3.0～3.5之间，考虑到赛车的发动机和参赛的实际情况，通过计算分析，决定采用3.5的主减速比。

2 计算过程及结果

利用matlab软件程序进行运算[6-8]，运行结果如图4所示。

由图可得，各档的最高车速为：一档 76.924km/h、二档 113.15km/h、三档 141.59km/h、四档 165.27km/h、五档 185.14km/h、六档203.42km/h。最后在主减速比i0=3.5的情况下，计算出的75m加速时间为4.356s，满足设计要求。

3 结论

通过分析计算，设计出了传动系的参数，并用MATLAB仿真出了其外特性曲线，为制造出后的实测数据提供了对比依据。为制造参赛的FSAE方程式赛车提供了理论技术支持和实际制造的指导作用。

［1］陈家瑞.汽车构造（下册）[M].5 版.北京：人民交通出版社，2006.

［2］宋宝玉，任秉银.汽车传动系参数优化设计系统的研究[J].哈尔滨工业大学学报，200l(2)：179-182.

［3］王望予.汽车设计[M].4 版.北京:机械工业出版社，2004.

［4］周永光，阳林，吴发亮.FSAE 赛车车架结构优化和轻量化[J].农业装备与车辆工程，2012，50(11)：37-41.

［5］余志生.汽车理论[M].5 版.北京：机械工业出版社，2009，3.

［6］徐中明，张志飞，官发霖，等.摩托车动力性和燃油经济性的计算机仿真[J].机械与电子，2005(1).

［7］杨林，吴志成，倪俊.面向 FSAE 竞赛的某赛车动力学仿真及试验验证[J].北京理工大学学报，2012(11)：1121-1124.

［8］魏来生，赵春霞，张洪彦.某 4×4 车动力传动系统扭振计算与试验[J].机械设计，2010，27(6)：56-59.