巴哈全地形越野汽车动力匹配设计研究
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摘 要：基于中国汽车工程学会巴哈大赛赛事规则和百力通公司提供的305CC Vanguard先锋10马力发动机，通过选配变速器、确定最小传动比和最大传动比，设计主减速器各组件，并采用仿真软件进行验证主减速器设计合理性，实现巴哈越野赛车在保证安全性和经济性条件下，最大限度优化动力匹配，以适应在草原、沙漠、山地和丛林等不同路面上行驶需要。
关键词：巴哈;越野汽车;动力匹配;设计分析;计算验证
中图分类号：U469 文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.005Open Science Identity（OSID）
作者简介：谭滔（1979-），男，湖南常德人，硕士，讲师，汽车维修高级技师，主要从事于汽车制造与检修专业课程教学和研究工作，E-mail：373637693@qq.com。
1 巴哈全地形越野汽车设计基本要求
中国汽车工程学会巴哈大赛Baja SAE China（简称BSC大赛）于2015年创办，起源于美国，是大学生方程式汽车大赛的前身，主要面向职业院校和本科院校开展的小型越野汽车设计和制作赛事。BSC大赛要求各参赛车队在规定时间内，根据组委会提供的百力通同一型号发动机，设计制造一辆单座、发动机中置后驱的小型越野车，接受包括技术检查、赛车设计、成本与制造、商业营销等项目的静态检测和牵引力测试、爬坡测试、直线加速测试及耐力测试等项目的动态检测。巴哈越野车要面对岩石、浅水、原木、陡坡和泥泞等复杂的路段以及降雨、结冰、下雪等恶劣的气候条件，这就要求汽车必须具备良好的动力性和通过性，同时还要考虑经济性和安全性。
巴哈越野车设计具有全地形性能，离地间隙在250～350 mm之间，可以承载车手的身高为180 cm，体重为100 kg，整车质量为200 kg。考虑空气动力学因素，其迎风面积为1.5 m2，空气阻力系数为0.41。出于对汽车安全性的考量，将巴哈越野车的速度限制在40 km·h-1。
1.1 发动机的参数
发动机由BSC大赛赛事主办方指定，统一由百力通公司提供，其型号为20S2，要求发动机可调整的转速不超过3800 r·min-1，且不得调整发动机内部（发动机具体参数规格如表1）。
1.2 无级变速器的选型
为匹配百利通发动机，市场上普遍选用效率高、质量轻、结构简单的无级变速器（CVT）。通过查阅文献资料，参考行业标准，初步选配了CVTech-AAB的无级变速器（CVT），其传动比范围为1～3。符合汽车轻量化设计的要求，另外也简化操作机构和节省动力总成空间。
2 巴哈全地形越野汽车动力匹配设计
2.1 传动系最小传动比的确定
3 仿真分析
3.1 三维模型的建立
根据动力匹配设计的内容，利用CATIA绘制成如图2所示的三维动力总成模型，从轻量化的角度考虑，主减速器第一级大齿轮将采用腹板式结构。
3.2 主减速器斜齿轮仿真分析
在设计过程中，发动机、无级变速器和差速器都是现成，因此主减速器是整个设计的重点。利用ABAQUS有限元分析软件对主减速器斜齿轮做瞬态动力学分析，研究主减速器齿轮的啮合情况，以此来观察主减速器是否设计得当。
通过对斜齿轮进行瞬态动力学分析，模拟斜齿轮的工作情况，计算出斜齿轮的最大接触压强和最大等效应力，并与材料的许用极限接触应力和弯曲疲劳强度进行比较，从而判断主减速器的设计是否合理。
去掉主减速器外壳、轴承、差速器等部件，简化主减速器三维图，如图3所示，通过CATIA V5和ABAQUS之间实现联动，将简化后的图形导入ABAQUS有限元分析软件中完成建模过程，即实现前处理。
设置材料属性。齿轮的材料是40Cr，弹性模量为200 000 MPa，泊松比为0.270，密度为7.85 g·cm-3。
网格划分。先采用自动划分，获取初步网格，然后根据仿真需要，对齿面网格进行精细划分，这样有助于计算更精确。
设置接触对。在创建接触对之前，先创建named selections，然后按照named selections定義需要接触的面，并设置摩擦接触，摩擦系数为0.1，采用拉格朗日算法，相关参数设置完毕即可创建接触对，接着为每一个部件添加joint。
设置转速和负载。在输入轴小齿轮上添加转速，为2600 r·min-1;因为巴哈越野车需要面对复杂的路况和多变的天气，考虑到驾驶员的安全，在极限工况下求得的负载可适当加大，所以给第二级大齿轮添加负载为1100 N·m。
完成前处理的所有操作后，点击Solve进行计算，待计算结束后，在solution一栏下添加equivalent（von-Mises）和Pressure，即可查看图4接触应力分析图和图5等效应力分析图。
从图4和图5可知，通过有限元分析斜齿轮的最大接触应力和等效应力分别为150.12 Mpa和69.601 Mpa，而材料屈服强度为σs≥835 MPa，在许用接触应力和弯曲疲劳强度范围内，符合规定。
综上所述，主减速器的设计是在合理范围。
4 总结
主减速器的设计是动力匹配设计的重点，在选择齿轮类型过程中，斜齿轮承载能力大，工作更加平稳，且噪声较小，适于高速传动，基于此，选用了斜齿轮传动机构来传递动力。越野车行驶在如泥路、砂石等坏路面时，齿轮之间的冲击力会变得很大，容易造成轮齿折断、齿面磨损等问题，齿轮材料的选择必须满足具有较大的接触疲劳极限和弯曲疲劳极限，综合之下，选取40Cr作为齿轮和轴的材料。通过传统的公式法确定了斜齿轮的齿数、分度圆直径、齿轮螺旋角、齿宽、法向模数、减速器轴的最小截面直径。有限元分析软件强大的模拟功能能让设计者观察到自己的设计是否合理，哪里亟需改正，为设计者寻求最佳的动力匹配方案提供了极大的帮助。
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