基于巴哈赛车双速式减速器的研究及设计

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430000）

中国于2015 年引进美国的巴哈大赛，随着中国大学生巴哈大赛知名度的提高，越来越多的车队开始关注巴哈大赛。中国汽车工程学会巴哈大赛是由中国汽车工程学会举办，由高等院校职业院校汽车或相关专业在校学生组队后参加的越野汽车设计制造和检测的比赛。以培养高素质技能人才为核心的竞赛平台，可以使参赛学生进一步掌握汽车的结构设计。减速器是巴哈赛车的动力输出终端，是巴哈赛车重要的传动部件。参赛车队可以选择自主设计，也可以选择向外购买。由于比赛普通场地的极端情况分为干燥的砂石路面与有过百毫米积水的泥泞路面，而这两种路况的出现无法进行预测，导致即使绝大部分的巴哈赛车使用的是无级变速器+主减速器的传动系统，但其变速能力仍旧无法满足赛车的行驶需求。

1 国内外巴哈车队减速器研究水平

国外的巴哈赛场上没有出现双速减速器的设计，在这方面的研究为空白。国内有哈尔滨工业大学（威海）、吉林大学、重庆理工大学、广西科技大学鹿山学院、湖北汽车工业学院等十余所高校在巴哈赛车主减速器的多档位方面有深入的研究并进行了相关的实验。

2 双速式减速器的优点

双速式减速器的两个挡位可以在选取传动比时，高速挡更多地根据砂石路况下的较小的传动比选取，从而在耐力赛以及单圈计时取得更好的成绩，而低速档的选取可以照顾到牵引赛事以及泥泞路况，同样能够提高比赛成绩。通过在AVL-cruise 中建立整车动力系统模型，能够快速获得选取的不同传动比对赛车整体性能的影响，极大地节省物力人力的成本，通过正交实验法，能够有效选取需要进行试验的传动比，减少运算量，获得优化的传动比，增强加速性能和爬坡性能。

3 双速式减速器的设计

3.1 减速器构造

本双速式减速器采用同步器进行换挡，同步器换挡能够使减速器在运转过程中平滑顺畅地进行挡位切换，减少齿轮磨损，相较于序列式换挡，显著延长齿轮寿命；壳体设计方面，增加油窗，方便随时观察减速器内部润滑油情况。材料选型方面，壳体采用7050 铝数控加工，齿轮及轴采用加工性能及抗疲劳性能优良的20CrMnTi 渗碳钢，并进行离子氮化处理，提高材料表面硬度，使轮齿具有较高的耐磨抗蚀能力和疲劳强度。

双速式减速器内部结构如图1 所示。

图1 双速式减速器内部结构图

3.2 减速器设计步骤

3.2.1 动力性参数的匹配

确定巴哈赛车的发动机的输出扭矩、整车预期质量、车轮的半径、CVT 的传动比范围等整车基本参数，同时根据比赛要求初步设定整车的动力性指标，如最高车速、最大爬坡度。根据这些基本参数和极端比赛路况下最大最小传动比的计算公式得出整车的两个传动比范围，从而得到合适的减速比。

3.2.2 Optimum 仿真

运用Optimum Lap 搭建晴天和雨天的极限工况赛道，输入整车基本参数，巴哈基本基本参数如表1 所示。将传动比设为扫描参数，用高速挡传动比范围进行晴天赛道的仿真，用低速挡传动比范围进行雨天赛道的仿真，分别得到高速挡和低速挡的最佳传动比。

表1 巴哈基本基本参数表

3.2.3 AVL-cruise 优化

在AVL-cruise 中建立整车模型。在传动模块中分别输入高速挡、低速挡传动比进行动力性仿真。根据仿真结果与优化前的进行对比，确定赛车动力性能得到优化。

3.2.4 减速器三维模型的建立

初步选定校核减速比后进而对齿轮参数进行选择，合理分配减速器的传动比，根据齿轮大致尺寸以及巴哈赛车的结构特点设计出合适的减速器传动轴和减速器外壳。运用CATIA 软件将减速器各个部分进行建模装配，组成一个整体三维模型，双速式减速器三维模型如图2 所示。

图2 双速式减速器三维模型图

3.2.5 ANSYS 分析

结合ANSYS 软件对各个部件进行结构强度分析。运用机械设计的知识对减速器中的轴、齿轮、齿轮轴、轴承进行强度校核与计算分析，再利用ANSYS 软件分析在减速器工作的状况下，壳体、轴以及齿轮的强度是否达到要求，得出其受力分布云图和变形量分布云图，对有问题的结构进行优化设计，ANSYS 仿真分析如图3 所示。

3.2.6 实车数据采集

将加工制作出来的减速器安装到巴哈赛车的实验车上，运用P-box 仪器，在电脑上可以得到多组数据，包括速度、加速度在不同时间的变化，根据这些数据与优化前数据的对比，能够直观地看到传动比优化对动力表现的影响，验证仿真结果。

图3 ANSYS 仿真分析应力图

4 结束语

巴哈大赛是以培养高素质技能人才为核心的竞赛平台，可以使参赛学生进一步掌握汽车的结构设计。研究制作减速器能够使学生对减速器的内外部结构有更深刻的了解，熟悉其结构特点也是优化换挡时机的必要环节。截至2018 赛季巴哈大赛襄阳站结束时，仅有哈尔滨工业大学巴哈车队能够做到在行驶中进行换挡，其他车队仍然处于尝试中，在2018年的研究中，采用的单挡减速器综合考虑了两种天气情况，选择了较为居中的传动比，这也导致赛车的极限速度以及最大牵引力无法同时达到第一梯度的水平。因此，设计中的双速式减速器能够让武汉理工大学巴哈车队的成绩迅速提高，后来居上，打破传统强队的垄断。双速式减速器的两个挡位可以在选取传动比时，高速挡更多地根据砂石路况下的较小的传动比选取，从而在耐力赛以及单圈计时取得更好的成绩，而低速档的选取可以照顾到牵引赛事以及泥泞路况，同样能够提高比赛成绩。通过在AVL-cruise 中建立整车动力系统模型，能够快速获得选取的不同传动比对赛车整体性能的影响，极大地节省物力人力的成本，通过正交实验法，能够有效选取需要进行试验的传动比，节省运算量，获得优化的传动比，增强加速性能和爬坡性能。