大學生方程式賽車動力系統(tǒng)優(yōu)化設計_論文定稿

1、畢業(yè)論文作者:回振林學號:090278學院:機械工程學院系(專業(yè):車輛工程題目:大學生方程式賽車動力系統(tǒng)優(yōu)化設計指導者:張小俊副教授評閱者:2013年6月4日題目大學生方程式賽車動力系統(tǒng)優(yōu)化設計摘要:Formula SAE,是由各國SAE,即汽車工程師協(xié)會舉辦的一項學生方程式賽車比賽。中國年汽車工程師協(xié)會于2010年首次舉辦大學生方程式賽車(CFSAE。中國大學生方程式汽車大賽旨在由各大學車隊的本科生和研究生構想、設計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽。賽車整車的設計任務主要體現(xiàn)在車身、車架、發(fā)動機動力系統(tǒng)、賽車制動系統(tǒng)、賽車懸架系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)等幾方面。其中,動力系統(tǒng)的設計對賽車的各方面的性能

2、都有很大的影響,在動態(tài)比賽中賽車的動力系統(tǒng)直接決定著比賽成績的高低。本文根據(jù)FSAE大賽的要求對賽車的動力系統(tǒng)進行優(yōu)化設計,其設計內(nèi)容包括發(fā)動機選擇、進排氣系統(tǒng)、發(fā)動機懸置、傳動系統(tǒng)、換擋系統(tǒng)等幾方面。在進行任何相關設計時,都需要按照大賽的賽規(guī)嚴格進行設計。關鍵詞:FSAE發(fā)動機進氣系統(tǒng)傳動系統(tǒng)換擋系統(tǒng)Title Optimization Design of Formula SAE RacecarAbstractFormula SAE,is spearheaded by national SAE,the Society of Automotive Engineers hosted a Form

3、ula Student racing.Chinese Society of Automotive Engineers was first held in2010Formula Student racing car(CFSAE. Chinese Formula Student car racing team aimed at various universities undergraduate and graduate conception,design,manufacture a small Formula One racing and race.Racing vehicle design t

4、ask is mainly reflected in the body,frame, engine-powered systems,racing brake system,racing suspension systems, steering systems and other aspects.Among them,the power system design aspects of the car's performance has a significant impact in the race car's dynamic power system directly det

5、ermines the level of competition results. Based on the requirements of the FSAE competition racing to optimize the design of the power system,its design includes engine choices,intake and exhaust systems,engine mount,transmission,shift systems and other aspects.When making any related design,we need

6、 strict accordance with the contest regulations will be designed.Keywords:FSAE Engine Intake system Transmission system Shift system目錄1緒論 (11.1賽事背景意義 (11.2FSAE大學生方程式汽車大賽簡介 (21.3FSAE動力系統(tǒng)規(guī)則概況 (52FSAE動力系統(tǒng)設計 (72.1發(fā)動機的選擇 (72.2換擋系統(tǒng)的設計 (92.2.1機械式換擋機構 (102.2.2液壓式換擋機構 (102.2.3電動式換擋機構 (102.3發(fā)動機懸置設計 (123發(fā)動機進排氣

7、系統(tǒng)設計 (153.1進氣布置設計選擇 (153.2進氣系統(tǒng)套件設計選擇 (153.3連接件設計 (183.4進氣系統(tǒng)的制作 (193.5排氣系統(tǒng)設計 (214差速器傳動系統(tǒng)設計 (22結論 (28參考文獻 (29致謝 (301緒論1.1賽事背景意義中國大學生方程式汽車大賽旨在由各大學車隊的本科生和研究生構想、設計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽。為了給予參賽車隊最大的設計靈活性和自由度來表現(xiàn)我們大學生的創(chuàng)新能力和想象能力,大賽對于賽車的整體設計沒有太多的限制。每一個參賽隊所面臨的挑戰(zhàn)在于要制作出一輛能夠順利完成規(guī)則中的所有比賽項目的賽車。中國大學生方程式汽車大賽給參賽車隊創(chuàng)造一個同來各地大

8、學的車隊同場競技的平臺,以展示和證明我們大學生的創(chuàng)新能力和工程技術水平。大賽評分規(guī)則由靜態(tài)部分和動態(tài)部分兩個部分組成,動態(tài)部分包括:直線加速測試、8字繞環(huán)測試、高速避障測試、耐久測試、燃油經(jīng)濟性測試等。要想在動態(tài)項目中取得好的成績,則對于賽車的動力系統(tǒng)要求又很高的要求。首先要求賽車要匹配一臺高性能的發(fā)動機,因為動態(tài)項目的成績直接受發(fā)動機性能的影響。因此,在賽車設計過程中,發(fā)動機的選擇以及改進工作將對賽車的性能和在比賽中的成績起到至關重要的影響。作為一名大學生,平時很少能直接接觸到動力系統(tǒng)的相關的一些設計,因此,這次比賽能稱得上是對大學生的非常有意義的一次鍛煉。大學生方程式賽車活動將以院校為單位

9、組織學生參與,賽事組織的目的主要有:重點培養(yǎng)學生的創(chuàng)新設計能力、制造能力、成本控制能力和團隊溝通協(xié)作能力,使學生能夠盡快適應中國企業(yè)的需求,為中國企業(yè)挑選優(yōu)秀人才提供了一個很好的平臺;通過這項比賽來創(chuàng)造學術競爭的氛圍,為各院校提供一個進行交流溝通的平臺,進而推動學科建設的提升;大賽在提高和檢驗汽車行業(yè)院校學生的綜合素質(zhì),為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展培養(yǎng)鍛煉人才,增進產(chǎn)、學、研三方的交流與互動合作等方面具有十分廣泛的意義。毫無疑問,對于對汽車的了解僅限于書本和個人駕乘體驗的大學生而言,組成一-1-個團隊設計一輛純粹而高性能的賽車并將它制造出來,是一段極具挑戰(zhàn),同時也受益頗豐的過程。在天馬行空

10、的幻想、大腦一片空白的開始、興奮的初步設計、激烈的爭執(zhí)、毫無方向的采購和加工、無可奈何的妥協(xié)、令人抓狂的一次次返工、絞盡腦汁的解決難題之后,參與者能獲得的不僅僅是CATIA、UG、ANSYS以及焊接、定位、機加工技能,更有汽車工程師的基本素養(yǎng)和豐富實踐經(jīng)驗。與此同時,管理和運營整個團隊讓未來的企業(yè)管理者接受了一次難度十足的鍛煉。FSAE賽事也給了汽車廠商發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀人才和創(chuàng)意想法的機會3。通過FSAE大賽可以學到很多書本上學不到的東西,并且能夠將知識轉化為專業(yè)技能,同時還能鍛煉學生的團隊合作能力和責任感。1.2FSAE大學生方程式汽車大賽簡介1.2.1Formula SAEFormula SAE,

11、是由各國SAE,即汽車工程師協(xié)會舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個月以內(nèi)的本科生或研究生舉辦的一項學生方程式賽車比賽,要求在一年的時間內(nèi)制造出一輛在加速、剎車、操控性方面有優(yōu)異的表現(xiàn)并且足夠穩(wěn)定耐久,能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項目業(yè)余休閑賽車。自1981年創(chuàng)辦以來,FSAE已發(fā)展成為每年由7個國家舉辦的9場賽事所組成,并有數(shù)百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。SAE方程式(Formula SAE系列賽源于1978年。第一次比賽于1979年在美國波斯頓舉行,13支隊伍中有11支完賽。當時的規(guī)則是制作一臺5馬力的木制賽車。SAE方程式(Formula SAE系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團隊構思、

12、設計與制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為給車隊最大的設計彈性和自我表達創(chuàng)意和想象力的空間,在整車設計方面將會限制很少。賽前車隊通常用8至12個月組的時間設計、建造、測試和準備賽車。在與來自世界各地的大學代表隊的比較中,賽事給了車隊證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術能力的機會。為了達到比賽的目的、學生可以把自己假想設計人員。某一制造公司聘請他們?yōu)槠湓O計、制造和論證一輛用來評估該公司某一量產(chǎn)項目的原型車。預期的銷售市場是周末業(yè)余汽車比賽。因此,該車必須在加速,制動和操控性能方面表現(xiàn)出色。該車必須成本低廉、易于維修、可靠性好。此外,考慮到市場銷售的因素,該車需美觀、舒適,零部件也需要有通用性。制造

13、企業(yè)計劃每天生產(chǎn)四輛該型車,并要求原型車實際耗資應低于2.5萬美元(該規(guī)則09年已經(jīng)取消。設計小組受到的挑戰(zhàn)是設計和組裝一輛滿足各種要求的車。各個設計環(huán)節(jié)將作為競賽比較和評判的內(nèi)容1。2008年Formula SAE系列賽包括以下九個比賽:1.美國密歇根,Formula SAE,由SAE舉辦;2.美國加利福尼亞,Formula SAE West,由SAE舉辦;3.美國弗吉尼亞,Formula SAE VIR,由SAE協(xié)辦;4.澳大利亞,Formula SAE Australasia,由澳洲SAE舉辦;5.巴西,Formula SAE Brasil,由巴西SAE舉辦;6.意大利,Formula

14、SAE Italy,ATA舉辦;7.英國,Formula Student,由ImechE舉辦;8.德國,Formula Student Germany;9.日本,Formula SAE Japan。2009年的比賽包括美國的密歇根、加州和弗吉尼亞賽,以及英國、巴西、意大利、日本、德國、澳大利亞賽。2010年10月,中國第一屆大學生方程式汽車大賽在上海國際賽車場舉辦。2011年10月,中國第二屆大學生方程式汽車大賽在上海國際賽車場舉辦。2012年10月,中國第三屆大學生方程式汽車大賽在上海國際賽車場舉辦。1.2.2大賽規(guī)則簡介比賽規(guī)則非常開放,以鼓勵學生的原創(chuàng)設計和各種形式的賽車的出現(xiàn)。比賽的基

15、本原則如下所示:開輪/開艙使用的發(fā)動機為四沖程汽油機且排量不能超過610cc必須安裝內(nèi)徑20mm的進氣限流閥已控制發(fā)動機功率軸距不能小于1525毫米輪輞不能小于8英寸必須能夠同時將四個車輪制動懸架行程不能小于50.8毫米大量安全和結構強度要求整車的成本不能大于25000美元(按規(guī)則計算21.2.3評定項目簡介比賽通過一系列靜態(tài)和動態(tài)的比賽項目來評判賽車的優(yōu)劣,這些項目包括:技術檢驗、成本分析、市場陳述、工程設計、單項性能測試、耐久測試、燃油經(jīng)濟性。通過給這些項目進行打分來進一步評判賽車的整體性能。每個項目的分值分配如表1-1所示。表1-1成績評定項目分值分配表環(huán)節(jié)名稱分值靜態(tài)項目陳述75工程設

16、計150成本分析100動態(tài)項目加速性75彎道性能50操作穩(wěn)定性150燃油經(jīng)濟性50耐久性300總體兩項總分10001.2.4中國大學生方程式大賽簡介中國大學生方程式汽車大賽(簡稱CFSAE是中國汽車工程學會及和其一起合作的會員單位,在學習和總結美國、日本、德國等國家相關經(jīng)驗的基礎上,結合中國自身的國情,精心打造出的一項全新的比賽。這項比賽包括工藝、環(huán)保、動力系統(tǒng)、現(xiàn)場操作系統(tǒng)、動態(tài)測試和靜態(tài)測試等多個項目,并且會對學生的設計理念、工藝水平、成本控制能力和營銷方案進行評比,以及把賽車制造成產(chǎn)品的過程。這并不是一場競速比賽或節(jié)油比賽,而是對中國汽車人才綜合素質(zhì)的比賽,這項賽事通過全方位考核來進一步

17、提高大學生的設計、制造、成本控制、營銷、溝通與協(xié)調(diào)等五方面的綜合能力,從而全面地提高大學生的綜合素質(zhì)。未來支撐中國汽車產(chǎn)業(yè)的人才一定會在這些大學生中出現(xiàn),同時這也是這項比賽的最大意義,舉辦中國大學生方程式汽車大賽的目的,就是為了中國汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做長期的人才培養(yǎng)和積蓄。中國大學生方程式汽車大賽由各中國高等院校汽車工程或與汽車相關專業(yè)的在校學生組隊參加。比賽要求各參賽隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準,自行設計和制造方程式類型的小型單人座休閑賽車,并攜該車進行參加全部或部分的比賽項目。在比賽過程中,參賽車隊不僅要對設計理念進行闡述,還要由裁判對該車進行若干項其他的性能測試。2010年中國舉辦第一屆FS

18、AE,北京理工大學代表隊以總分第一的成績獲得總冠軍。2011年的中國第二屆FSAE北京理工大學代表隊以總分第一的成績蟬聯(lián)國軍。1.3FSAE動力系統(tǒng)規(guī)則以下部分為FSAE規(guī)則對于動力系統(tǒng)的一些要求,在進行相關設計時必須按照規(guī)則要求進行。“8.1發(fā)動機限制8.1.1賽車的發(fā)動機必須為四沖程、排量不能超過610毫升的活塞式發(fā)動機。8.1.2可以在規(guī)則的限制范圍內(nèi)對發(fā)動機進行一定的改造。8.1.3如果使用多個發(fā)動機,那么其總排量不得超過610毫升,并且所有的進氣氣流必須經(jīng)過同一個進氣限流閥。8.1.4不能使用利用車載儲能設備提供能源的混合動力裝置。8.2發(fā)動機檢查組委會將會對發(fā)動機的排量進行測量,如

19、果有必要,甚至可能會對某些發(fā)動機驚醒拆卸,以便于對其排量進行測量。初步排量檢查將使用測量精度為1%的測量工具,并從火花塞安裝孔處測量。該工具長381mm,直徑30mm。車隊可以在設計時為每個火花塞孔上方留出足夠的空間,以避免賽車檢查的時間過于太長。8.3啟動機賽車必須安裝車載啟動機,并且能在比賽中,在沒有外界的輔助的情況下將賽車啟動。8.4進氣系統(tǒng)8.4.1進氣系統(tǒng)位置發(fā)動機進氣系統(tǒng)與供油系統(tǒng)的所有零部件(包括節(jié)氣門或化油器,以及整個進氣系統(tǒng):包括空氣濾清器和進氣室必須安裝在整車的外框內(nèi)。8.4.2進氣系統(tǒng)的任何部分如果離地面的高度小于350毫米,為了抵擋來自側面或背面的碰撞必須安裝保護罩對其

20、進行保護。8.4.3進氣歧管必須使用支架或者機械連接,牢固地與發(fā)動機體或者氣缸蓋連接固定在一起。不允許使用鉗夾,塑料扎帶或者安全繩等進行連接?？梢允褂孟鹉z套管或者軟管以實現(xiàn)氣密,但是不允許將其用于結構固定。8.4.4在氣缸頂有很大質(zhì)量或者懸臂結構的進氣系統(tǒng),必須配備有效支撐防止壓迫進氣系統(tǒng)。支撐結構必須可靠穩(wěn)固。用于車架的支撐結構必須能吸收一些震動以此允許發(fā)動機的移動和車架的屈曲。8.5節(jié)氣門和節(jié)氣門控制8.5.1化油器/節(jié)氣門賽車必須裝有化油器或節(jié)氣門?；推骰蚬?jié)氣門的設計及尺寸不限。8.5.2節(jié)氣門控制節(jié)氣門必須為機械控制,比如通過拉線或連桿系統(tǒng)進行操作。禁止使用電子節(jié)氣門或類似的線控系統(tǒng)

21、。8.5.3油門拉線或連桿必須運動平順,不能有任何的阻滯。8.5.4節(jié)氣門控制系統(tǒng)必須至少有兩個復位彈簧位于節(jié)氣門體。使節(jié)氣門系統(tǒng)的某部分如果出現(xiàn)故障時,節(jié)氣門依然可以順利回到閉合的位置。備注:不可將復位彈簧作為節(jié)氣門位置傳感器。8.5.5油門拉線與排氣系統(tǒng)部件之間必須至少相距50.8毫米,并且遠離排氣氣流。8.5.6油門踏板必須安裝有限位塊,當油門拉線或節(jié)氣門控制系統(tǒng)超載時用以及時切斷總電源。8.6進氣系統(tǒng)限流閥8.6.1為限制發(fā)動機功率,在進氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機之間必須安裝一個內(nèi)部截面為圓形的限流閥,并且所有發(fā)動機的進氣氣流都應流經(jīng)此限流閥。8.6.2禁止在限流閥和發(fā)動機之間使用任何可以

22、控制進氣流量的裝置。8.6.3限流閥內(nèi)部截面的最大直徑為:-使用汽油燃料20.0毫米-使用E-85燃料19.0毫米8.6.4限流閥必須安放在技術檢查對其進行測量時方便的位置。8.6.5任何情況下,限流閥的內(nèi)部截面都不能任何發(fā)生變化(例如限流閥不能作為節(jié)氣門可動部件的一部分。8.6.6如果使用了多臺發(fā)動機,所有發(fā)動機的進氣氣流都必須流經(jīng)限流閥。8.13傳動系統(tǒng)防護罩及保護裝置8.13.1暴露在外的高速旋轉部件,如變矩器、離合器、帶傳動系統(tǒng)、離合器傳動系統(tǒng),都必須安裝防護罩以防止其失效。8.13.2不能使用有通孔的材料作為傳動鏈和傳動帶的防護罩。8.13.3傳動鏈的防護罩必須使用厚度至少為2.66

23、毫米的鋼板制成,其寬度至少為鏈條寬度的三倍。8.13.4傳動帶的防護罩必須使用厚度至少為3.0毫米的6061-T6鋁合金制成,其寬度至少為傳動帶寬度的1.7倍,且左右各寬出傳動帶寬度的35%。8.13.5安裝用緊固件防護罩必須使用至少8.8級M6螺栓安裝。8.13.6安全罩必須在任何情況下在橫向上與鏈或帶保持平行。8.13.7使用輕質(zhì)材料制作護手網(wǎng)用以防止高速旋轉部件打傷手部。4”2FSAE動力系統(tǒng)設計在賽車技術中占據(jù)主要地位的有發(fā)動機制造技術、整車設計和空氣動力學技術、輪胎技術、電子技術等,其中的每一項技術創(chuàng)新都會推動賽車產(chǎn)品的創(chuàng)新5。整車性能匹配過程通常是先確定發(fā)動機資源,然后合理匹配傳動

24、系統(tǒng)參數(shù)以實現(xiàn)整車綜合性能的設計目標,這是典型的優(yōu)化設計過程,必須通過專業(yè)的汽車性能仿真軟件和專業(yè)的優(yōu)化軟件相結合來完成這個優(yōu)化過程6。2.1發(fā)動機的選擇我校于2011第一次參加的中國大學生方程式汽車大賽,當時使用的發(fā)動機為組委會贈送的春風CF188單杠發(fā)動機。與當時其他學校使用的本田CBR600的四缸發(fā)動機相比,動力性相差很大。2012年我校第二次參加比賽,使用的發(fā)動機為本田CBR600-F5發(fā)動機,CBR600-F5發(fā)動機技術規(guī)范如下表所示:表2-1本田CBR600發(fā)動機技術規(guī)范項目類型/規(guī)格氣缸安排四缸、四沖程、傾斜38°缸徑和行程67.0*42.5mm排氣量599ml壓縮比1

25、2.2:1發(fā)動機干重57kg發(fā)動機怠速轉速1400rpm啟動方式電啟動空氣過濾器紙芯過濾式油泵類型余擺線齒輪泵冷卻系統(tǒng)液體冷卻工作點火順序1243配氣機構DOHC/鏈條傳動潤滑系統(tǒng)壓力潤滑和濕油底殼傳動系統(tǒng)離合器濕式多盤離合器變速器6檔常嚙合齒數(shù)比一檔 2.750(33/12二檔 2.000(32/16三檔 1.667(30/18四檔 1.444(26/18五檔 1.304(30/23六檔 1.208(29/24換檔模式1-N-2-3-4-5-6本田CBR600發(fā)動機的三維模型如下圖: 圖2-1發(fā)動機三維模型2.2換擋機構的設計上一次的賽車上的換擋方式為一套機械式的換擋機構,這種方式比較簡單,

26、但是其不太靈敏,操作起來比較笨重,但是其比較可靠,不容易發(fā)生失靈的后果。大賽對于換擋機構沒有任何的限制要求,為了保證能順利的換擋,而且不會楚翔失靈的現(xiàn)象,于是我想在賽車上裝有兩套換擋機構,其中一套是機械式的,另一套的初步設想是在方向盤上安裝有控制機構(如按鈕,通過操作此控制機構來實現(xiàn)某執(zhí)行機構的換擋動作。兩套換擋機構互不影響,互不干涉,其中一套換擋機構出現(xiàn)故障仍舊可以使用另一套換擋機構來實現(xiàn)換擋。可以采用機械換擋方式和另一種換擋方式共同來保證換擋。2.2.1機械式換擋機構通過安裝在駕駛艙右側的搖臂拉動連接在搖臂和換擋轂之間的拉繩或者拉桿來控制換擋。搖臂位置視駕駛員坐入駕駛艙后,其舒適位置而定。

27、這種方式比較簡單。其簡單示意圖如下: 圖2-2機械換擋簡單示意圖2.2.2液壓式換擋機構對于實現(xiàn)液壓式換擋,我設想的是通過操縱方向盤上的按鈕開關來實現(xiàn)一液壓泵的運作,再通過液壓泵來操縱一液壓缸,由液壓缸的直線往復運動再通過其他機構來實現(xiàn)換擋軸換擋。然后我考慮了關于一些費用和其他的事項,發(fā)現(xiàn)對于液壓式換擋機構的實現(xiàn)有難度,液壓缸需要購買,比較傲難購買到合適的,且要考慮其固定,液壓缸如果購買的話,比較難夠買到合適的,如果自行制作加工的話,其精度要求又很高,難于加工制作且費用高,而且其油路密封要求高,如果其發(fā)生故障,會導致油的泄漏?？紤]到這些問題后,我決定放棄這套方案。2.2.3電動式換擋機構對于實

28、現(xiàn)電動式換擋,最初設想的是將其分為控制電路、中間電路和執(zhí)行電路三部分。控制電路由方向盤上的控制開關和一電磁鐵串聯(lián)組成,控制開關閉合,電磁鐵產(chǎn)生吸引力,控制開關是常開的,且其手動閉合,自動斷開,即手離開控制開關后,其會自動斷開;中間電路由一電磁鐵、兩限位開關和一小鐵片開關串聯(lián)組成,小鐵片開關是常開的,其閉合,則中間電路電磁鐵通電而具有吸引力,兩限位開關是常閉的,且裝在換擋軸兩側的,當換擋完畢后,換擋軸會觸碰限位開關,使限位開關斷開,切斷中間電路,使中間電路電磁鐵的吸引力消失;執(zhí)行電路由一小鐵片開關和一個電機串聯(lián)組成,電機帶動換擋軸轉動實現(xiàn)換擋,小鐵片開關是常開的。中間電路和控制電路的小鐵片開關同

29、時安裝在一個小鐵片上,此小鐵片上安裝有一個軟復位彈簧。三個電路都單獨接電源。電動是換擋的原理為:當按下方向盤上的操縱按鈕,控制電路通電,控制電路的電磁鐵產(chǎn)生吸引力,克服小鐵片復位彈簧,吸引小鐵片使小鐵片產(chǎn)生運動,使安裝在小鐵片上的兩個小鐵片開關同時接通中間電路和執(zhí)行電路。中間電路通電后,中間電路的電磁鐵會產(chǎn)生吸引力,其也會克服小鐵片復位彈簧吸引著小鐵片,這樣當方向盤上的操縱按鈕斷開時,小鐵片仍然被中間電路的電磁鐵吸引著而保證中間電路和執(zhí)行電路的通電。此時,執(zhí)行電路通電,電機轉動,帶動著換擋軸轉動,實現(xiàn)換擋。當換擋成功,換擋軸轉到極限位置時,觸動限位開關,使中間電路斷電,中間電路的電磁鐵產(chǎn)生的吸

30、引力消失,小鐵片在復位彈簧的拉力下回到最初位置,使兩個小鐵片開關斷開,從而使執(zhí)行電路斷電,電機停轉,換擋軸自動回到最初位置,限位開關在其彈簧作用下中心閉合,但是中間電路的小鐵片開關已經(jīng)斷開,則其電磁鐵沒有吸引力。這樣就實現(xiàn)了一次次的換擋。在方向盤上安裝兩個操縱按鈕,一個實現(xiàn)從低檔換高檔,一個實現(xiàn)高檔換低檔,則兩個操縱開關實現(xiàn)操縱電路的正反接?？紤]到如果我們自己制作電磁鐵,其質(zhì)量可能會不可靠,則我們決定購買。購買的電磁鐵,其允許通過的電流在0.3A左右,電機允許通過的電流為20A左右,則需要變壓。變壓后將操縱電路和中間電路同時接在同一電壓下,將電機單獨接在令一電壓下。其電路示意圖如下: 圖2-3

31、電動換擋電路示意圖2.3發(fā)動機懸置設計發(fā)動機懸置是汽車上比較重要的零件,其性能直接影響汽車發(fā)動機的振動乃至整車的舒適性和發(fā)動機的壽命7。汽車發(fā)動機懸置的設計,既要保證發(fā)動機懸置系統(tǒng)具有支承。緩沖和減振的功能,又要考慮發(fā)動機的傾角、共振和裝配等多方面的因素,是汽車底盤設計很重要的方面之一8。結合對懸置件靜、動剛度關系的大量試驗研究和考慮到懸置實際承載工況,提出了在發(fā)動機懸置匹配計算中懸置靜、動剛度的采用原則,在計算靜變形時采用靜剛度,在計算剛體模態(tài)時采用動剛度,在計算動力總成一些關鍵點位移量時應靜、動剛度同時合理采用9。本田CBR600RR發(fā)動機結構緊湊,并提供了3個可靠的懸置固定點,為發(fā)動機的

32、合理穩(wěn)定安裝準備了基礎條件。發(fā)動機的安裝位置會影響到賽車的多項性能以及賽車其它部件的正確安裝,因此,確定發(fā)動機安裝位置的工作必須綜合考慮與之相關的各項因素,并找出最優(yōu)方案。首先,考慮到賽車的操縱穩(wěn)定性,合理分配前后軸載荷,整車的重心位置需要合理確定,而重57kg的發(fā)動機的位置對整車重心影響極大,發(fā)動機重心太靠后會導致轉向不穩(wěn)定,而位置太靠前則不利于傳動系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的安裝。同時還需使發(fā)動機重心居于賽車中軸線上,以保持整車平衡;為了在賽車轉向、加、減速行駛時減輕懸架系統(tǒng)負擔,并保持平穩(wěn),發(fā)動機重心高度應盡量降低;進氣系統(tǒng)布置在發(fā)動機頂部,需要在發(fā)動機與主環(huán)斜撐之間留出足夠的空間以便安裝進氣系統(tǒng);

33、發(fā)動機的布置還需充分考慮到傳動系統(tǒng),安裝時必須保證發(fā)動機上的主動鏈輪足夠豎直,以保證鏈傳動系統(tǒng)穩(wěn)定工作,發(fā)動機與后橋之間也應留出足夠的空間以便于布置從動鏈輪和鏈條。 圖2-4俯視圖綜合分析和協(xié)調(diào)各個因素后,我們將發(fā)動機的位置確定為:排氣口與防火墻的最近距離為228mm;進氣口與主環(huán)斜撐平面的最近距離為266mm;發(fā)動機最低點距離車架底面28mm;發(fā)動機重心距離后軸約340mm。至此,整車重心位置,車手安全,進排氣系統(tǒng)布置等各項要求都得到了兼顧。 圖2-5側視圖 圖2-6后視圖發(fā)動機支撐架的設計主要需要兼顧三方面的考慮,首先要有足夠的強度和剛度以保證安全,其次需要盡量減少材料的使用以減輕車重,另

34、外,易于加工及能使發(fā)動機方便地拆卸也是需要考慮的一個重點。利用發(fā)動機前部和后下部兩對安裝孔作為主要支撐點,分別用4根鋼管支撐起發(fā)動機,并使之與車架相對固定。發(fā)動機后上部安裝孔作為輔助支撐點,用一根鋼管支撐承載縱向作用力,主要作用是減小由于支架剛度不足引起的發(fā)動機與車架之間的相對振動幅度,以使傳動系統(tǒng)更可靠地工作。發(fā)動機前支撐點通過兩個細牙螺栓與支架連接,后兩個支撐點分別用一根螺桿和一根長螺栓與支架固定,并均用12防松螺母緊固。另外,為了方便發(fā)動機拆裝,左前支架被設計成可拆卸的。3發(fā)動機進排氣系統(tǒng)設計把空氣或混合氣導入發(fā)動機氣缸的零部件集合體稱為發(fā)動機進氣系統(tǒng),主要組件有原始進氣道、空氣濾清器、

35、連接管路、增壓器、中冷卻器等。其功能是為發(fā)動機提供清潔、干燥、充足的空氣10。由于大賽對于進氣系統(tǒng)的限流閥的要求,所以一套進氣系統(tǒng)包括:空濾、節(jié)氣門、限流閥、穩(wěn)壓箱、進氣歧管。連接包括:節(jié)氣門-限流閥(連接1、限流閥-穩(wěn)壓箱(連接2、穩(wěn)壓箱-進氣歧管(連接3、進氣歧管-氣缸(連接4。布置包括:從上方進氣(主環(huán)下面、側向進氣、沖后進氣。3.1進氣布置設計選擇a上方進氣:理論上這里的進氣效果應該是最好的,進氣壓力高,空氣干凈較穩(wěn)定。不過這樣進氣歧管較長,氣體的沿程損失較大,而且因為布置空間的原因(發(fā)動機高度,主環(huán)高度,限流閥長度,很可能布置不開。b側向進氣:布置方便,進氣效果也較好,不足是因為側向

36、吸氣,可能導致各缸的進氣不均勻度提高;下部的進氣較臟,側翼的空氣也可能會由于車輛運行而不穩(wěn)定?？梢詮姆€(wěn)壓箱設計上減小這問題,但是制造上可能有問題(異形,從進氣處到尾端由大到小漸縮,后面會有穩(wěn)壓箱設計。唯一要考慮的是不能超過進氣系統(tǒng)設置的范圍(不大可能超出。c沖后進氣:理論上車輛后面有個正壓區(qū),但是這個區(qū)域隨著車速而變化,而且車后空氣較臟,此處進氣效果較差,但是進氣管可以做的比較短,降低沿程損失,布置也是最方便。3.2進氣系統(tǒng)套件設計選擇a空濾:選用冬菇頭,如有可能比賽時可以改用一層濾網(wǎng),能減少進氣阻力。另外應該注意如果使用冬菇頭的話,選用合適形狀的冬菇頭,避免冬菇頭超出外框。b節(jié)氣門:購買,節(jié)

37、氣門喉口不宜過大,因為節(jié)氣門將變得同原機比相差過多。同樣由于原機ECU,故而需要考慮節(jié)氣門位置傳感器的安裝位置。由于怠速空氣控制閥和原機不匹配,故而不適用怠速空氣控制閥,改用節(jié)氣門預開一個小開度來保證怠速的時候的進氣。可以通過節(jié)氣門上的螺釘進行微調(diào)。節(jié)氣門位置傳感器的全閉電壓可選用0.330.5v,低于0.32v將會報警。全開電壓在4.0v左右。c限流閥:限流閥基本構型為文丘里管式的漸縮漸擴管,考慮兩種母線形式: 圖2-7減縮為圓弧-漸擴為錐角 圖2-8減縮漸擴為錐角,圓弧過渡根據(jù)資料,減縮錐角為2040°,漸擴為410°(5°左右最佳,圓弧半徑為(0.51.0*

38、最小直徑。考慮加工方便,使用方案2.在喉管處留有2mm左右的過渡段,保證20mm的精度要求。 圖2-9限流閥d穩(wěn)壓箱設計:穩(wěn)壓箱設計有三套方案:i.方形:設計、制造、連接,噴油座布置簡單方便,但是流場不好看。ii.圓柱形:制造簡單(鈑金+焊接或管件+焊接,連接(與歧管、噴油座可能較復雜。內(nèi)燃所制造為管件車薄了再焊接,結構還行。iii.異形:可以最大限度的優(yōu)化流場,但是設計制造復雜,異形最好使用fluent優(yōu)化后再確定,至少保證過渡圓滑。根據(jù)論文資料,穩(wěn)壓箱容積越大則高轉扭矩提升,但是低轉扭矩減低,另外穩(wěn)壓箱容積提升所造成的油門遲滯感并不十分明顯(60ms附近穩(wěn)壓箱容積暫定為34L。e進氣歧管:

39、進氣歧管是發(fā)動機進氣系統(tǒng)中最重要的部分,進氣系統(tǒng)決定著發(fā)動機的進氣效率和各缸充氣均勻性,對發(fā)動機的性能有著很大的影響,進氣歧管與發(fā)動機的氣缸蓋相連接固定,承受氣缸蓋燃燒室燃燒傳遞的熱和振動11。利用諧振效應,9000rpm對應的進氣歧管長度在50mm左右,內(nèi)徑為40mm。進氣歧管上布置有噴油座以及為測量進氣歧管壓力所鉆孔。有四套方案:i.原歧管:在原歧管基礎上,銑平上表面(方便連接、拆除原怠速裝置與節(jié)氣門裝置,將所有多余孔洞用填料或板焊死。優(yōu)點:不改變噴油器位置,歧管長度適宜,可直接使用原歧管與新作進氣系統(tǒng)連接,成本低。ii.機加工新歧管:有兩種方案1.用管料,在管外焊接噴油座,并打孔。優(yōu)點:

40、加工簡單;缺點:焊接精度不能保證,可能導致噴油器不能良好落座;因為原連接件4(歧管-氣缸為偏心結構,故而需要重做連接件(不難做。2.用棒料,打偏心孔,在管外焊接噴油座,并打孔。優(yōu)點:可使用原連接件,加工也不難;缺點:較浪費材料成本可能會高些,焊接精度可能不夠。iii.鑄造新歧管:做一個歧管模子,鑄四個歧管。優(yōu)點:可保證噴油座位置,可使用原連接件;缺點:成本高,新歧管模型較難設計(測量精度與鑄造要求。另外新的歧管應該注意布置MAP的連接口,其位置應該注意不要和油軌干涉,而且應注意不要讓噴油直接對著該口。油軌的固定可以在時候比劃著來。注:注意到說明書中MAP故障的時候發(fā)動機工作為正常,而TPS故障

41、的時候為加速問題,可以認為原機ECU為兩者都能控制噴油,而TPS的變化同時能影響加速。檢查TPS 可以用示波器檢查全閉到全開再到全閉的時候的波形,如果TPS有問題可能會在2.8v 左右出現(xiàn)尖刺波谷。 圖2-10進氣歧管3.3連接件設計a節(jié)氣門-限流閥(連接1:節(jié)氣門為方法蘭連接,可將連接件與限流閥做為一體。b限流閥-穩(wěn)壓箱(連接2:由于側向進氣有個方向變化的問題,故而需要使用彎管連接,彎管可以套在限流閥出口與穩(wěn)壓箱入口上。c穩(wěn)壓箱-進氣歧管(連接3:有兩個方案i.連接件焊接在穩(wěn)壓箱上,與進氣歧管用方法蘭連接。優(yōu)點:方便拆卸;缺點:不能保證法蘭的位置角度。如果使用原歧管可能使用這形式較好。ii.

42、歧管直接焊接在穩(wěn)壓箱上:優(yōu)點:結構緊湊;缺點:需要保證歧管角度。d進氣歧管-氣缸(連接4:保留原歧管,將新做的進氣系統(tǒng)通過法蘭與原歧管相連。3.4進氣系統(tǒng)的制作有兩種方法可以進行加工制作進氣系統(tǒng),一種是使用鋁材料進行焊接,但是這種方法不能加工異形的工件,且其制作比較粗糙,會對進氣造成阻礙;另一種是使用快速成型技術,這種方法可以加工任何形狀的工件,而且加工的誤差很小,加工件的內(nèi)壁很光滑,利于氣體在內(nèi)部流通,加工出的工件的質(zhì)量也很輕。對于只用鋁材料進行焊接的方法加工的進氣系統(tǒng)的整體圖如下: 圖2-11向后進氣的進氣系統(tǒng)對于使用快速成型技術的方法加工的進氣系統(tǒng)如下圖: 圖2-12向上進氣的進氣系統(tǒng)使

43、用快速成型技術加工,有兩種材料可以使用,一種是ABS材料,一種是PC材料,其中ABS材料的耐溫為4050攝氏度,而PC材料的耐溫為100110攝氏度。在價錢方面PC材料要高于ABS材料。由于進氣系統(tǒng)的下半部分與發(fā)動機的原歧管直接相連,因此其會承受較高的溫度。在考慮到價錢的同時也要考慮到其不會熱變形,所以進氣系統(tǒng)的下半部分采用耐溫較高的PC材料,其上半部分則采用ABS材料。兩部分再通過法蘭相連接。下圖為使用ABS材料加工的部分 圖2-13進氣系統(tǒng)ABS部分下圖為使用PC材料加工的部分 圖2-14進氣系統(tǒng)PC部分3.5排氣系統(tǒng)設計汽車排氣歧管的用途是將發(fā)動機排出的廢氣引向排氣總管,其所處的空間位置

44、受多種因素制約,為了不使各缸排氣相互干擾及不出現(xiàn)排氣倒流現(xiàn)象,并盡可能地利用慣性排氣,應使排氣歧管內(nèi)表面光滑,降低排氣阻力,而且各缸歧管應該相互獨立12。排氣系統(tǒng)的目的是是發(fā)動機在盡量均勻的排氣被壓下順暢排氣并且能有效降低發(fā)動機噪聲已達到規(guī)格規(guī)定的范圍。因此排氣系統(tǒng)的設計包括排氣歧管和哨聲器兩部分的設計。賽車在匹配發(fā)動機的過程中,除進氣系統(tǒng)外并沒有對發(fā)動機進行重大改造,因此原機排氣系統(tǒng)的設計應該是完美的。原發(fā)動機排氣歧管采取的是1、2排氣匯總并與3、4缸匯總的排氣匯總最后由一根排氣總管通過被壓調(diào)節(jié)閥、催化轉換器和消聲器排向大氣。但是原機排氣系統(tǒng)是從發(fā)動機油底殼下側面經(jīng)過并且有很長的總管和三元催

45、化轉化器?？紤]到賽車的特點和安裝要求,將原機的三元催化轉化器和被壓調(diào)節(jié)閥去掉,調(diào)整發(fā)動機排氣總管長度和方向,使得排氣歧管在油按照原機的方式在油底殼側下部穿出并與排氣總管利用喉箍結合。排氣歧管在差速器下方斜向上伸出直到車架外側,完成整個排氣系統(tǒng)的布置。汽車排出的廢氣是高速和高溫脈動氣流,由于流體的流動導致消聲器的消聲量和消聲頻率發(fā)生改變。此外,由于流體流動產(chǎn)生渦流和沖擊消聲器殼體形成再生噪聲,嚴重情況下,消聲器不消聲,還可能成為新的噪聲源13。另外,為了固定排氣系統(tǒng),在哨聲器的側面通過橡膠片和螺栓將其與焊接在發(fā)動機上的兩根梁連接在一起,使排氣消聲器能有小范圍的振動幅度的同時能良好的固定。4差速器

46、傳動系統(tǒng)設計CBR600rr發(fā)動機內(nèi)部安裝有濕式多片線圈彈簧離合器和常時齒和使6段變速箱。離合器和變速箱均為手動。變速箱輸出軸和換檔軸均在發(fā)動機側面。該發(fā)動機在原裝摩托車上是鏈傳動布置,發(fā)動機橫置,輸出軸和換檔軸均在駕駛員左側。動力總成部在考慮傳動系統(tǒng)布置是有兩條思路:鏈傳動和軸傳動。鏈傳動布置:在車架上,發(fā)動機橫置,輸出軸接小鏈輪,通過鏈條將動力傳至驅動橋的大鏈輪處,大鏈輪帶動與其螺栓組連接的差速器,將動力傳至左右半軸。即傳動路線為:發(fā)動機-離合器-變速箱-鏈傳動-差速器-半軸。鏈傳動布置的優(yōu)點:發(fā)動機橫置,輸出軸軸線和驅動輪軸線平行,不需要動力換向機構,傳動系統(tǒng)簡單;換檔軸在發(fā)動機側面,換

47、檔操縱機構設計簡單,換檔簡便;發(fā)動機布置在車架中軸線左右,車輛左右軸荷基本一致。鏈傳動布置的缺點:鏈傳動可靠性不如軸傳動,如不能承受側向載荷,鏈條可能斷裂、脫落等;傳動效率比軸傳動低;鏈傳動開式布置,無有效潤滑,易受外界污染,易受破壞。 圖2-15國外大學鏈傳動布置圖軸傳動布置在車架上,發(fā)動機縱置,輸出軸和換檔軸指向車尾。輸出軸接萬向傳動軸或直接接主減速器,動力以此傳入差速器、左右半軸。傳動路線為:發(fā)動機-離合器-變速箱-萬向傳動軸-主減速器-差速器-半軸。軸傳動布置的優(yōu)點:軸傳動比鏈傳動效率高,可靠性強;軸傳動閉式,可潤滑,抗污染,抗破壞。軸傳動布置的缺點:發(fā)動機縱置,換檔軸朝車尾,換檔操縱

48、機構不易布置,換檔操作較困難;軸傳動閉式,需要設計驅動橋殼,限于技術,殼體較重,不利于輕量化;發(fā)動機縱置,輸出軸處于車架中軸線,發(fā)動機在車架兩側質(zhì)量相差較大,車輛左右軸荷不等。 圖2-16國外大學軸傳動布置圖機械鏈傳動是以鏈條為中間撓性件的嚙合傳動,廣泛應用于石油、化工、冶金、農(nóng)業(yè)、采礦、起重、運輸、紡織等各種機械和動力傳動中14?？紤]發(fā)動機總成在車架上的布置情況和后續(xù)設計難易程度,動力總成部在仔細分析了以上兩種傳動方案后,最后選擇鏈傳動。鏈傳動傳遞發(fā)動機輸出的動力和扭矩。后懸架為獨立懸架,所以后橋有左右半軸兩根傳動軸,左右半軸由差速器連接。綜上,動力總成系統(tǒng)初始方案為:發(fā)動機-鏈傳動-差速器-左右半軸-左右驅動輪。差速器是汽車驅動橋的重要總成,按照工作場合的不同分為軸間差速器和輪間差速器;按照工作性能不同分為普通差速器和防滑差速器(LSD15。因為賽道有很多彎道,所以對于差速器的要求也很高,因此選用托森差速器能有效的防滑,能產(chǎn)生很好的效果。下圖為托森差速器012000的實物圖: 圖2-17托森差速器012000此差速器要求油封,因此要制作一個外殼,保證其能在布滿潤滑油的空