摘 要

巴哈（Baja）赛事的比赛工况复杂，地形崎岖多变，对赛车的越野性能要求较高。为了将发动机动力与比赛工况充分匹配，提高动力传输效率，设计了一款性能稳定可靠的、适合越野赛况的巴哈赛车传动系统。

首先针对巴哈赛道各类障碍进行了路况分析，着重考虑了陡坡、泥水等路况的赛车性能；其次综合国内外巴哈赛车总体设计，确定传动系统的结构组成与动力传输路径，并针对CVT无级变速器进行详细的设计计算；接着对传动系统的部件进行理论力学校核和仿真分析；最后完善模型建立并进行装配。

研究结果表明：设计的传动系统能适应越野路况，校核结果与仿真分析数据基本一致，装配结果与巴哈赛车整体设计相符，能满足巴哈赛车的动力需求，结构可靠，工作稳定。

关键词：路况分析；CVT；力学校核；仿真分析；装配

Abstract

Because of the complex working condition and variety of terrain in Baja racing, the requirement of vehicle’s off-road performance is very stringent. In order to fully match engine power with race conditions and improve power transmission efficiency. This graduation design aim to design a transmission system, which possess high stability of performances and can adapted to off-road track.

First of all, according to the analysis of all kinds of obstacles in the track to understand the performances, especially for steep slopes and muddy roads. Secondly, the overall design of the domestic and international racing cars is integrated to determine the structural composition and power transmission path of the transmission system, and detailed design calculation for the CVT continuously variable transmission. Then process the theoretical mechanics analysis and simulation to check the mechanics performances of components. At last, finish the modeling and assembly.

The results show: the design meets all requirements of off-road track. The results of check is consistent with the data of simulation and analysis. The assembly match the overall design of Baja racing vehicle. The transmission system can meet all requirements of power. The structure of transmission system is reliable and stable.

Key Words：Traffic analysis；The CVT transmission；Mechanics checking；The simulation analysis；assemble

目 录

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文研究内容 2

第2章 传动系统总体设计 4

2.1 设计任务与目的 4

2.1.1 设计任务 4

2.1.2 设计要求 4

2.2 巴哈赛道路况分析 4

2.3 传动系统输入参数的确定 6

2.3.1 尺寸参数的确定 6

2.3.2 动力参数的确定 7

2.4 传动方案确定与传动比计算 8

2.4.1 传动方案确定 8

2.4.2 计算整车最大（小）传动比 9

2.5 本章小结 10

第3章 传动系统部件选型、设计 11

3.1 减速器选型与布置 11

3.1.1 减速器选型与参数 11

3.1.2 减速器布置 12

3.2 CVT无级变速器选型、设计 13

3.2.1 无级变速器的选型 13

3.2.2 带式CVT的结构及工作原理 14

3.2.3 CVT传动比确定 14

3.2.4 CVT参数设计 15

3.2.5 CVT密封与防护罩设计 20

3.3 半轴及其附属构件选型、设计 22

3.3.1 半轴设计与选型 22

3.3.2 半轴基本参数的理论计算 23

3.3.3 球笼设计选型 24

3.4 传动系统整体布置 26

3.5 本章小结 26

第4章 主要零件的校核 27

4.1 V带受力分析 27

4.2 CVT轴向压紧力计算 29

4.3 半轴校核 30

4.3.1 半轴理论校核 30

4.3.2 半轴应力分析 33

4.4 本章小结 34

第5章 全文总结 35

5.1 总结 35

5.2 存在的问题和发展方向 35

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

1.1 概述

大学生巴哈赛事从2015年进入我国以来已经举办了四届，已超过百余支高校和职校队伍参赛。相比于大学生方程式系列赛事，巴哈大赛侧重于测试赛车的越野性能，对赛车的综合性能要求较高，是一项能充分考验大学生机械设计制造能力与素质的比赛。

根据巴哈赛事规则，赛车主要由动力与传动系统、转向系统、制动系统、悬架系统以及车身车架构件构成。其中，传动系统主要由变速器、减速器、传动半轴及其附属构件组成。其中变速器与减速器作为决定赛车动力性的关键因素，其具有较大的速比变化范围和可靠的动力传输结构是实现赛车灵活驾驶、适应各类路况的必要条件；传动半轴及其附属构件作为将减速器输出动力传递到车轮上的重要部件，其可靠性是实现赛车稳定行驶的必要条件。

本选题将充分分析巴哈比赛赛况，并从巴哈赛车传动系统整体入手，设计各部件参数，对部件进行必要的理论力学校核和仿真分析，提升传动系统整体性能，提升发动机动力与比赛工况的匹配度。同时基于巴哈赛车运行工况，着重设计一款反应灵敏、适合于小型越野车辆的CVT无级变速器。

因此可以总结出本选题意义：为巴哈一类小型越野车提供反应灵敏、性能可靠、效率更高的传动解决方案；为小型越野车传动系统的理论研究提供补充材料。

1.2 研究现状

现阶段，国内外对于大学生巴哈赛车的研究还不够系统化。传动系统方面虽说有比较成熟的方案，但仍需要不断完善。以下从国外、国内两个方面浅析巴哈赛车传动系统的研究现状。

国外方面。巴哈（Baja）大赛最早起源于1976年的美国南卡罗来纳大学，经过多年的发展与革新，国外诸多大学的巴哈赛车技术已达到较高水准。在传动系统设计方面，美国、巴西等高校学生凭借着对工业知识的扎实掌握和浓厚的汽车文化氛围熏陶，在高校通用的设计方案上敢于创新、标新立异，萌生了许多优秀的设计方案。

例如密歇根大学Baja车队自制了不可伸缩的传动半轴，在结构上承担了一部分悬架的功能，从而代替下摆臂，在材料上使用碳纤维包裹，使整车减重近6千克。这套方案将传动与悬架联动，在材料选用和实验验证的基础上不断优化。最终，密歇根大学在2017年美国巴哈大赛三场赛事中分别斩获第二、第一、第三名。

图1.1 密歇根大学传动半轴

国内方面。2015年8月26日中国汽车工程学会在山东省潍坊市成功举办了第一届巴哈大赛，我国成为世界上第六个举办大学生巴哈大赛的国家，至此，国内高校对于巴哈赛车的研究正式拉开帷幕。目前，国内各高校的传动部分变速器多为CVT，参赛队伍可选不同长度的皮带和不同磅数的弹簧来调整速比，也有部分高校使用手动变速器，减速器则多为两级主减速器，结构简单，性能可靠。

国内强队厦门理工学院在变速器上大胆选用Schafer DANA H-12 FNR，该变速器主要为高尔夫车一类轻型车设计的，价格昂贵但性能极为稳定，有倒档和差速器，速比可选，并且可选手动差速器锁模块，厦门理工学院对其进行了深度改装，在拆除了差速器和倒档后，速比也进行了相应调整，使其更加符合巴哈赛车工况。

1.3 本文研究内容

为了深入研究巴哈赛车传动系统的结构与设计，探究更适宜的传动部件匹配方案，本文以巴哈赛车传动系统整体为研究对象，重点设计了一款性能可靠、匹配度高的巴哈赛车CVT带式无级变速器，对传动系统其他部件进行了选型设计和强度校核，利用CATIA、MATLAB、ANSYS等软件对传动系统进行了必要的建模、装配、分析。

本文的主要研究内容如下：

（1）传动系统整体设计，比赛工况分析，传动系统参数的选定；

（2）传动系统部件（减速器、CVT、半轴及其附属构件）的选型与设计；

（3）传动系统主要部件的理论力学校核和仿真分析。

第2章 传动系统总体设计

本文先从巴哈赛车传动系统整体入手，通过确定发动机动力参数源数据和后舱（发动机舱）尺寸范围，选定适合巴哈赛车的传动系统结构布置方案；其次，根据总体设计依次对减速器、CVT、半轴及其附属构件进行设计选型和强度校核；最后回归系统总体，整合各部件进行虚拟装配，探究整体匹配情况。因此，本章的设计内容为传动系统总体设计。

2.1 设计任务与目的

2.1.1 设计任务

传动系统的总体设计任务为：通过分析巴哈赛车比赛路况，结合后舱（发动机舱）尺寸范围和发动机动力参数，拟定符合越野性能要求的传动方案。

2.1.2 设计要求

为了确保传动系统内部机构之间、传动系统与其他系统之间高度匹配，保证比赛过程中良好的动力性和稳定性，确定传动系统总体设计要求：

（1）保证传动系统在比赛中的可靠运行；

（2）保证传动系统有较高的传动效率；

（3）做到传动系统的轻量化设计；

（4）做到传动系统能够保证稳定和安全；

2.2 巴哈赛道路况分析

巴哈比赛赛道为越野赛道，在长达4个小时的耐力赛中，车辆不仅要通过长距离的直线赛道，更要多次通过水坑、陡坡、炮弹坑、轮胎阵等复杂路况，在不同路况行驶时对车辆有不同的动力需求。下面针对几种有代表性的赛道进行定性分析。

（1）长直道

在四个小时的耐力赛中存在许多长直道。作为提速超车的最佳位置，这类赛道极大考验车辆的动力性和轻量化。尤其在动力性方面，传动系统需要配合发动机，对车轮尽可能多的输出较高转速，以满足充沛的动力需求，达到最高车速。

在这种情况下，传动系统的总传动比应尽可能小，尤其在减速器的传动比固定的情况下，CVT的传动比也就成为了决定最高车速的关键。

图2.1 耐力赛长直道

（2）牵引力测试

在牵引力比赛中，赛车需要牵动近2吨重的皮卡，在平直赛道上行驶40米。这对车辆的抓地力和动力性有着较高要求。在使用摩擦系数高的轮胎的同时，也需要低转速、高扭矩的动力输出保证足够的牵引力。

在这种情况下，传动系统的传动比应偏大，降低输出转速以提高输出扭矩，为赛车提供更大牵引力。

图2.2 牵引力比赛

（3）爬坡障碍

单圈计时比赛赛道中有左右斜坡障碍，耐久赛比赛中有30°斜坡障碍，这些路段需要赛车进行高速爬坡，在确保稳定性的同时还要使车速尽可能快，这对传动系统的综合性能是极大考验。

在这种情况下，传动系统动力输出应偏向平衡，不应过于激进，不能单纯为了高扭矩而忽视转速，也不能一味地“冲坡”而忽视了扭矩影响，导致赛车失速翻车。

图2.3 左右斜坡 图2.4 30°斜坡

2.3 传动系统输入参数的确定

巴哈赛车为中置后驱汽车，发动机舱置于驾驶舱之后，因此在设计巴哈赛车传动系统时，首先要根据巴哈赛车整体设计加工尺寸确定后舱（发动机舱）的尺寸范围，同时综合车辆各项原始动力参数进行必要的计算，对后文中计算CVT变速器和其他部件时提供数据支撑。

2.3.1 尺寸参数的确定

确定尺寸初期查阅了近年来国内外大学生巴哈赛车的整体框架设计，调取了我校巴哈赛车队近两个赛季的设计参数。

图2.5 美国密歇根大学2017赛季赛车 图2.6 中国大学生巴哈大赛赛车

图2.7 我校赛车队2017赛季车架 图2.8 我校赛车队2018赛季车架

表2.1 武汉理工大学巴哈赛车主要输入参数

通过上表可以看出，后舱（发动机舱）尺寸纵向长度一般在600-700mm之间。

2.3.2 动力参数的确定

根据组委会要求，所有参赛队伍必须使用百力通公司（Briggs amp; Stratton）提供的 10 马力 OHV Intek 发动机，其具体参数如下表所示。

表2.2 巴哈赛车官方指定发动机具体参数

从官方给出的性能曲线中可以看出：（1）发动机的转速越高，在一段区间内可获得的扭矩越大；（2）发动机在转速区间（1800-3500rpm）内的扭矩是基本恒定的；（3）发动机的最大马力大约为 10 马力，约为7.35kw；（4）发动机的马力在 3600 rpm后显着下降，因此说明在最高车速时，发动机转速不可超过 3600 rpm。

图2.9 百力通OHV Intek发动机性能曲线

2.4 传动方案确定与传动比计算

2.4.1 传动方案确定

巴哈赛车为小型越野赛车，传动系统在传递动力时，不仅要考虑适当的输出转速范围，还需要保证充足的扭矩。因此，传动系统要起到减速增扭的作用，不仅要满足发动机舱狭小的空间要求，同时还要在一定程度上做到轻量化。

现针对三种可行方案进行分析：

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