摘 要

大学生巴哈赛车的传动系统由于安装空间的限制与整车轻量化的要求，一般采用橡胶带式CVT变速器搭配主减速器的方案。但这种匹配方案所提供的传动比范围较小，无法满足复杂路况下赛车对动力性的需求。本文提出设计一款两档变速器替换原有的固定传动比的主减速器，与橡胶带式CVT变速器进行匹配的传动方案。该方案可使赛车的传动比范围更大，提升赛车的动力性。论文首先对变速器的传动机构进行参数设计，接着使用CATIA软件建立各零部件的三维模型进行结构设计，使用Ansys软件对部分关键零部件进行有限元分析，随后完成换档操纵机构与壳体的设计，最后进行附件的设计或选型与加工图纸的绘制，最终完成一款巴哈赛车两档变速器设计。该两档变速器结构较为合理，能满足巴哈赛车动力性要求。

关键词：巴哈赛车 两档变速器 三维建模 有限元分析

Abstract

Because of the limitation of the installation space and the demand of the light weight of the driving system of the university student baja racing car, the rubber belt CVT transmission with the main reducer is generally adopted. However, the transmission ratio range provided by this matching scheme is small, which can not meet the demand for power performance in complex road conditions. This paper proposes to design a two-speed transmission to replace the original fixed transmission ratio of the main reducer, and rubber belt CVT transmission to match the transmission scheme. The scheme can make the transmission ratio of the car wider and improve the dynamic performance of the car. Paper first describes the transmission parameters of the transmission mechanism is designed, then the use of CATIA software to establish three-dimensional model of parts of the structure design, the use of Ansys software of finite element analysis was carried out on the part of the key parts, and then complete the shift operating mechanism and the design of the shell, the last attachment design or selection and processing drawings, drawing, finishing a baja racing two gears transmission design. The structure of the two - speed transmission is reasonable and it can meet the requirement of power performance.

Key Words：Baja racing car Two-speed transmission 3D modeling Finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容及技术路线 3

1.3.1研究内容 3

1.3.2技术路线 3

第2章 传动比计算与分配 4

2.1整车传动比范围的确定 5

2.1.1 设计初始参数 5

2.1.2 整车最小传动比的确定 6

2.1.3 整车最大传动比的确定 6

2.2 两档变速器传动比计算与分配 8

2.2.1 两档变速器传动比计算 8

2.2.2 传动形式与齿轮传动比分配 9

2.3 本章小结 9

第3章 变速传动机构的设计与分析 10

3.1 变速传动机构的形式 10

3.2 齿轮的设计计算 10

3.2.1 齿轮材料的选取 10

3.2.2 齿轮的设计计算 11

3.2.3 齿轮的建模 15

3.2.4 齿轮的有限元分析与优化 15

3.3 轴的设计 19

3.3.1轴的材料选取 19

3.3.2轴的设计计算 19

3.3.3轴的计算校核 21

3.3.4 轴的建模 23

3.4轴承的选用 24

3.4.1轴承的选型 24

3.4.2轴承寿命计算 25

3.4.3轴承建模 25

3.5同步器的选型 26

3.5.1同步器选型 26

3.5.2同步器建模 27

3.6变速传动系统示意图 27

3.7本章小结 28

第4章 变速操纵机构的设计 29

4.1变速操纵机构的设计 29

4.1.1变速操纵机构的设计 29

4.1.2变速自锁机构的设计 30

4.2变速操纵机构的示意图 31

4.3本章小结 32

第5章 变速器壳体及其他零件的设计 33

5.1变速器壳体的设计与分析 33

5.1.1变速器壳体的材料 33

5.1.2变速器壳体的设计 33

5.1.3变速器壳体的有限元分析 34

5.2其他零件的设计与紧固件选型 35

5.3巴哈赛车两档变速器装配 36

5.4本章小结 37

第6章 总结 38

6.1 研究结论 38

6.2 研究展望 38

参考文献 40

致谢 41

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

自大学生巴哈大赛2015年引入中国，迄今为止已连续举办了4届，规模逐年扩大，2018中国汽车工程学会巴哈大赛共吸引了全国85支高校车队参加。巴哈大赛要求各车队在规定的时间内自主设计、制造一台发动机中置后轮驱动的小型越野赛车，并参加包括四小时耐力赛在内的多项动态与静态比赛。赛车使用的发动机由组委会统一提供且不可改装，其相关参数如下表所示：

表1.1 百力通20S232 0036发动机参数

汽车的传动系统是指发动机与驱动轮之间的动力传动装置，使车辆能够适应复杂的使用工况。对于大学生巴哈赛车而言，由于安装空间限制与整车轻量化的需求，目前大多数赛车采用体积较小的CVT变速器搭配固定传动比的二级主减速器的匹配方案，动力由发动机输出轴传递到CVT后，再经主减速器减速增矩后传递到半轴，随后传递到两侧轮胎。

目前大学生巴哈赛车使用的橡胶带式CVT变速器传动比变化范围一般为0.45-2.5，主减速器传动比比范围处于11-13之间，整车传动比可以较好地适应比赛中的泥泞障碍赛道与弯道需要频繁加速的复杂工况，但在高速直线赛道时，较大的传动比限制了赛车的最大速度,使成绩受到影响。

1.1.2研究目的及意义

传动系统对于大学生巴哈赛车的动力性有重要的影响，也是目前设计的难点之一。目前大多数巴哈赛车所使用的传动匹配方案传动比范围较小，无法满足严苛多变的越野赛道路况对赛车动力性的要求。因此，需要设计一套传动比范围更为合理的传动系统，以提升赛车的动力性，适应比赛时的复杂路况。

在主变速器仍选用橡胶带式CVT无极变速器的情况下，设计一款有级变速器，该变速器整合了副变速器与主减速器功能，替代原有的固定传动比的主减速器。但因巴哈赛车布置空间、整车轻量化等因素的限制，该变速器体积不能过大，所以档位数不宜设置过多，设置为高速与低速两个档位较为适合，在达到对传动比的需求之外，还可以保证该变速器较小的重量与体积。

在车辆行驶在坡道以及泥泞障碍赛道时，可选用该变速器低速档位，可使赛车获得更好的爬坡与加速能力；而在高速直线赛道时，选用该变速器高速档位，可以使赛车达到更高的车速。针对不同的赛道路况选用不同的传动比，可使赛车更好地应对赛道中的复杂路况，获得更好的成绩。

1.2国内外研究现状

目前乘用车领域多选用多档变速器，如常见的5档、6档手动变速器，该类型的变速器设计与应用已经非常成熟。而两档变速器目前多应用于电动汽车等领域，其研究也多在提高纯电动车续航里程的方向。如长安汽车公司汽车工程研究总院的岳明^[1]利用MATLAB建立了纯电动汽车动力经济型仿真分析模型，得到在不同的速比组合可对整车续航里程起到明显的提升作用。辽宁工业大学的王天利^[2]等设计了一种行星齿轮两档双离合自动变速器，也可应用在电动汽车上并实现自动换档。

在大学生巴哈赛车领域，由于布置空间与整车轻量化等限制原因，多选用两档变速器。目前厦门理工学院、广西科技大学鹿山学院等都已经设计出了巴哈赛车两档变速器并投入使用，并在比赛中取得了优秀的成绩。但也同时了解到部分学校赛车队所设计的两档变速器存在一些问题，仍有较大的改良空间，如：

（1）变速器整体尺寸与质量较大

目前许多高校赛车队在设计巴哈赛车两档变速器时重点关注变速器的功能性，而忽略了部件尺寸与重量，使得制造出的变速器体积和质量普遍较大，不利于整车的轻量化。

（2）变速操纵机构操作设计不合理

许多高校车队变速操纵机构采用柔性连接（如钢制拉线），在换档过程中往往存在无法换档的问题，影响变速器的正常使用。

针对上述存在的问题，本文以大学生巴哈赛车的比赛实际需求出发，设计合理的传动比，设计变速操纵机构，使该变速器的换档更加便捷。因此本文将着重对巴哈赛车两档变速器的变速传动机构与操纵机构进行研究与设计。

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

本文以设计一款巴哈赛车两档变速器为目的，使用汽车设计的相关理论知识计算传动参数，后使用机械设计的相关理论知识计算并校核变速器传动机构的零件参数，对轴承等零件进行选型，设计变速操纵机构以及其他部件。同步使用CATIA软件对减速器的各机构零部件进行设计与建模，并使用Ansys有限元分析软件对齿轮等重要零件进行有限元分析。最后进行装配设计与图纸绘制。主要研究内容如下：

（1）传动比的计算与分配

使用汽车设计相关知识，根据比赛时的路况条件，对巴哈赛车整车传动比以及两档变速器的传动比进行计算，并对两档变速器各级传动比进行分配。

（2）变速传动机构的设计

对变速器传动机构的输入轴、中间轴、输出轴以及各传动齿轮参数进行设计与校核，同步进行轴承等标准件的选型与零件参数调整；然后对传动机构零件进行结构设计并建立CATIA三维模型；最后对重要的传动零件进行有限元分析，以验证设计的可行性。

（3）变速操纵机构的设计

确定变速操纵机构的形式与参数，完成结构设计后使用CATIA软件建立变速操纵机构模型。

（4）壳体及其他附件的设计

确定壳体、轴承盖等其他零件的参数与结构，选用紧固件，并建立各零件的模型。最后对变速器整体进行装配设计。

1.3.2技术路线

在充分研读巴哈大赛的设计规则与调研各参赛车队赛车传动系统设计的前基础上，使用相关的理论知识进行该两档变速器的参数计算，后完成结构设计，并合理利用CAD/CAE软件进行辅助设计，最终完成该变速器的设计。技术路线如下图所示：

第2章 传动比计算与分配

图1.1 技术路线图

本章将进行巴哈赛车整车传动比以及两档变速器的传动比的确定，并确定变速器的形式及完成两档变速器各级传动比的分配。

2.1整车传动比范围的确定

2.1.1 设计初始参数

计算巴哈赛车整车传动比，需要对巴哈赛车的整车设计参数以及部分系数进行设定，参考武汉理工大学巴哈赛车队2018年U15巴哈赛车的相关数据与查阅其他相关资料，设定赛车数据与外部参数如表2.1所示：

表2.1 巴哈赛车设计参数

2.1.2 整车最小传动比的确定

根据赛车设计最高车速计算整车的最小传动比，整车的设计最高车速，整车最小传动比应使得发动机以最高转速（3600rpm）运转时，赛车能在赛道中达到设计最高车速。赛车在以最高车速在平直土路稳定行驶时，受到滚动阻力与空气阻力的作用，无需考虑加速阻力与坡度阻力，其行驶方程可表示如下：

（2.1）

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：