大学生方程式赛车动力系统优化设计_论文定稿

1、毕业论文作者:回振林学号:090278学院:机械工程学院系(专业:车辆工程题目:大学生方程式赛车动力系统优化设计指导者:张小俊副教授评阅者:2013年6月4日题目大学生方程式赛车动力系统优化设计摘要:Formula SAE,是由各国SAE,即汽车工程师协会举办的一项学生方程式赛车比赛。中国年汽车工程师协会于2010年首次举办大学生方程式赛车(CFSAE。中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造一辆小型方程式赛车并参加比赛。赛车整车的设计任务主要体现在车身、车架、发动机动力系统、赛车制动系统、赛车悬架系统、转向系统等几方面。其中,动力系统的设计对赛车的各方面的性能

2、都有很大的影响,在动态比赛中赛车的动力系统直接决定着比赛成绩的高低。本文根据FSAE大赛的要求对赛车的动力系统进行优化设计,其设计内容包括发动机选择、进排气系统、发动机悬置、传动系统、换挡系统等几方面。在进行任何相关设计时,都需要按照大赛的赛规严格进行设计。关键词:FSAE发动机进气系统传动系统换挡系统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目录1绪论 (11.1赛事背景意义 (11.2FSAE大学生方程式汽车大赛简介 (21.3FSAE动力系统规则概况 (52FSAE动力系统设计 (72.1发动机的选择 (72.2换挡系统的设计 (92.2.1机械式换挡机构 (102.2.2液压式换挡机构 (102.2.3电动式换挡机构 (102.3发动机悬置设计 (123发动机进排气

7、系统设计 (153.1进气布置设计选择 (153.2进气系统套件设计选择 (153.3连接件设计 (183.4进气系统的制作 (193.5排气系统设计 (214差速器传动系统设计 (22结论 (28参考文献 (29致谢 (301绪论1.1赛事背景意义中国大学生方程式汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生构想、设计、制造一辆小型方程式赛车并参加比赛。为了给予参赛车队最大的设计灵活性和自由度来表现我们大学生的创新能力和想象能力,大赛对于赛车的整体设计没有太多的限制。每一个参赛队所面临的挑战在于要制作出一辆能够顺利完成规则中的所有比赛项目的赛车。中国大学生方程式汽车大赛给参赛车队创造一个同来各地大

8、学的车队同场竞技的平台,以展示和证明我们大学生的创新能力和工程技术水平。大赛评分规则由静态部分和动态部分两个部分组成,动态部分包括:直线加速测试、8字绕环测试、高速避障测试、耐久测试、燃油经济性测试等。要想在动态项目中取得好的成绩,则对于赛车的动力系统要求又很高的要求。首先要求赛车要匹配一台高性能的发动机,因为动态项目的成绩直接受发动机性能的影响。因此,在赛车设计过程中,发动机的选择以及改进工作将对赛车的性能和在比赛中的成绩起到至关重要的影响。作为一名大学生,平时很少能直接接触到动力系统的相关的一些设计,因此,这次比赛能称得上是对大学生的非常有意义的一次锻炼。大学生方程式赛车活动将以院校为单位

9、组织学生参与,赛事组织的目的主要有:重点培养学生的创新设计能力、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力,使学生能够尽快适应中国企业的需求,为中国企业挑选优秀人才提供了一个很好的平台;通过这项比赛来创造学术竞争的氛围,为各院校提供一个进行交流沟通的平台,进而推动学科建设的提升;大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质,为汽车工业健康、快速和可持续发展培养锻炼人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问,对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言,组成一-1-个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来,是一段极具挑战,同时也受益颇丰的过程。在天马行空

10、的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后,参与者能获得的不仅仅是CATIA、UG、ANSYS以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。与此同时,管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。FSAE赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会3。通过FSAE大赛可以学到很多书本上学不到的东西,并且能够将知识转化为专业技能,同时还能锻炼学生的团队合作能力和责任感。1.2FSAE大学生方程式汽车大赛简介1.2.1Formula SAEFormula SAE,

11、是由各国SAE,即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或研究生举办的一项学生方程式赛车比赛,要求在一年的时间内制造出一辆在加速、刹车、操控性方面有优异的表现并且足够稳定耐久,能够成功完成规则中列举的所有项目业余休闲赛车。自1981年创办以来,FSAE已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成,并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE方程式(Formula SAE系列赛源于1978年。第一次比赛于1979年在美国波斯顿举行,13支队伍中有11支完赛。当时的规则是制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式(Formula SAE系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、

12、设计与制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间,在整车设计方面将会限制很少。赛前车队通常用8至12个月组的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各地的大学代表队的比较中,赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此,该车必须在加速,制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。此外,考虑到市场销售的因素,该车需美观、舒适,零部件也需要有通用性。制造

13、企业计划每天生产四辆该型车,并要求原型车实际耗资应低于2.5万美元(该规则09年已经取消。设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容1。2008年Formula SAE系列赛包括以下九个比赛:1.美国密歇根,Formula SAE,由SAE举办;2.美国加利福尼亚,Formula SAE West,由SAE举办;3.美国弗吉尼亚,Formula SAE VIR,由SAE协办;4.澳大利亚,Formula SAE Australasia,由澳洲SAE举办;5.巴西,Formula SAE Brasil,由巴西SAE举办;6.意大利,Formula

14、SAE Italy,ATA举办;7.英国,Formula Student,由ImechE举办;8.德国,Formula Student Germany;9.日本,Formula SAE Japan。2009年的比赛包括美国的密歇根、加州和弗吉尼亚赛,以及英国、巴西、意大利、日本、德国、澳大利亚赛。2010年10月,中国第一届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。2011年10月,中国第二届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。2012年10月,中国第三届大学生方程式汽车大赛在上海国际赛车场举办。1.2.2大赛规则简介比赛规则非常开放,以鼓励学生的原创设计和各种形式的赛车的出现。比赛的基

15、本原则如下所示:开轮/开舱使用的发动机为四冲程汽油机且排量不能超过610cc必须安装内径20mm的进气限流阀已控制发动机功率轴距不能小于1525毫米轮辋不能小于8英寸必须能够同时将四个车轮制动悬架行程不能小于50.8毫米大量安全和结构强度要求整车的成本不能大于25000美元(按规则计算21.2.3评定项目简介比赛通过一系列静态和动态的比赛项目来评判赛车的优劣,这些项目包括:技术检验、成本分析、市场陈述、工程设计、单项性能测试、耐久测试、燃油经济性。通过给这些项目进行打分来进一步评判赛车的整体性能。每个项目的分值分配如表1-1所示。表1-1成绩评定项目分值分配表环节名称分值静态项目陈述75工程设

16、计150成本分析100动态项目加速性75弯道性能50操作稳定性150燃油经济性50耐久性300总体两项总分10001.2.4中国大学生方程式大赛简介中国大学生方程式汽车大赛(简称CFSAE是中国汽车工程学会及和其一起合作的会员单位,在学习和总结美国、日本、德国等国家相关经验的基础上,结合中国自身的国情,精心打造出的一项全新的比赛。这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目,并且会对学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案进行评比,以及把赛车制造成产品的过程。这并不是一场竞速比赛或节油比赛,而是对中国汽车人才综合素质的比赛,这项赛事通过全方位考核来进一步

17、提高大学生的设计、制造、成本控制、营销、沟通与协调等五方面的综合能力,从而全面地提高大学生的综合素质。未来支撑中国汽车产业的人才一定会在这些大学生中出现,同时这也是这项比赛的最大意义,举办中国大学生方程式汽车大赛的目的,就是为了中国汽车产业的发展做长期的人才培养和积蓄。中国大学生方程式汽车大赛由各中国高等院校汽车工程或与汽车相关专业的在校学生组队参加。比赛要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准,自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车,并携该车进行参加全部或部分的比赛项目。在比赛过程中,参赛车队不仅要对设计理念进行阐述,还要由裁判对该车进行若干项其他的性能测试。2010年中国举办第一届FS

18、AE,北京理工大学代表队以总分第一的成绩获得总冠军。2011年的中国第二届FSAE北京理工大学代表队以总分第一的成绩蝉联国军。1.3FSAE动力系统规则以下部分为FSAE规则对于动力系统的一些要求,在进行相关设计时必须按照规则要求进行。“8.1发动机限制8.1.1赛车的发动机必须为四冲程、排量不能超过610毫升的活塞式发动机。8.1.2可以在规则的限制范围内对发动机进行一定的改造。8.1.3如果使用多个发动机,那么其总排量不得超过610毫升,并且所有的进气气流必须经过同一个进气限流阀。8.1.4不能使用利用车载储能设备提供能源的混合动力装置。8.2发动机检查组委会将会对发动机的排量进行测量,如

19、果有必要,甚至可能会对某些发动机惊醒拆卸,以便于对其排量进行测量。初步排量检查将使用测量精度为1%的测量工具,并从火花塞安装孔处测量。该工具长381mm,直径30mm。车队可以在设计时为每个火花塞孔上方留出足够的空间,以避免赛车检查的时间过于太长。8.3启动机赛车必须安装车载启动机,并且能在比赛中,在没有外界的辅助的情况下将赛车启动。8.4进气系统8.4.1进气系统位置发动机进气系统与供油系统的所有零部件(包括节气门或化油器,以及整个进气系统:包括空气滤清器和进气室必须安装在整车的外框内。8.4.2进气系统的任何部分如果离地面的高度小于350毫米,为了抵挡来自侧面或背面的碰撞必须安装保护罩对其

20、进行保护。8.4.3进气歧管必须使用支架或者机械连接,牢固地与发动机体或者气缸盖连接固定在一起。不允许使用钳夹,塑料扎带或者安全绳等进行连接。可以使用橡胶套管或者软管以实现气密,但是不允许将其用于结构固定。8.4.4在气缸顶有很大质量或者悬臂结构的进气系统,必须配备有效支撑防止压迫进气系统。支撑结构必须可靠稳固。用于车架的支撑结构必须能吸收一些震动以此允许发动机的移动和车架的屈曲。8.5节气门和节气门控制8.5.1化油器/节气门赛车必须装有化油器或节气门。化油器或节气门的设计及尺寸不限。8.5.2节气门控制节气门必须为机械控制,比如通过拉线或连杆系统进行操作。禁止使用电子节气门或类似的线控系统

21、。8.5.3油门拉线或连杆必须运动平顺,不能有任何的阻滞。8.5.4节气门控制系统必须至少有两个复位弹簧位于节气门体。使节气门系统的某部分如果出现故障时,节气门依然可以顺利回到闭合的位置。备注:不可将复位弹簧作为节气门位置传感器。8.5.5油门拉线与排气系统部件之间必须至少相距50.8毫米,并且远离排气气流。8.5.6油门踏板必须安装有限位块,当油门拉线或节气门控制系统超载时用以及时切断总电源。8.6进气系统限流阀8.6.1为限制发动机功率,在进气系统的节气门与发动机之间必须安装一个内部截面为圆形的限流阀,并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀。8.6.2禁止在限流阀和发动机之间使用任何可以

22、控制进气流量的装置。8.6.3限流阀内部截面的最大直径为:-使用汽油燃料20.0毫米-使用E-85燃料19.0毫米8.6.4限流阀必须安放在技术检查对其进行测量时方便的位置。8.6.5任何情况下,限流阀的内部截面都不能任何发生变化(例如限流阀不能作为节气门可动部件的一部分。8.6.6如果使用了多台发动机,所有发动机的进气气流都必须流经限流阀。8.13传动系统防护罩及保护装置8.13.1暴露在外的高速旋转部件,如变矩器、离合器、带传动系统、离合器传动系统,都必须安装防护罩以防止其失效。8.13.2不能使用有通孔的材料作为传动链和传动带的防护罩。8.13.3传动链的防护罩必须使用厚度至少为2.66

23、毫米的钢板制成,其宽度至少为链条宽度的三倍。8.13.4传动带的防护罩必须使用厚度至少为3.0毫米的6061-T6铝合金制成,其宽度至少为传动带宽度的1.7倍,且左右各宽出传动带宽度的35%。8.13.5安装用紧固件防护罩必须使用至少8.8级M6螺栓安装。8.13.6安全罩必须在任何情况下在横向上与链或带保持平行。8.13.7使用轻质材料制作护手网用以防止高速旋转部件打伤手部。4”2FSAE动力系统设计在赛车技术中占据主要地位的有发动机制造技术、整车设计和空气动力学技术、轮胎技术、电子技术等,其中的每一项技术创新都会推动赛车产品的创新5。整车性能匹配过程通常是先确定发动机资源,然后合理匹配传动

24、系统参数以实现整车综合性能的设计目标,这是典型的优化设计过程,必须通过专业的汽车性能仿真软件和专业的优化软件相结合来完成这个优化过程6。2.1发动机的选择我校于2011第一次参加的中国大学生方程式汽车大赛,当时使用的发动机为组委会赠送的春风CF188单杠发动机。与当时其他学校使用的本田CBR600的四缸发动机相比,动力性相差很大。2012年我校第二次参加比赛,使用的发动机为本田CBR600-F5发动机,CBR600-F5发动机技术规范如下表所示:表2-1本田CBR600发动机技术规范项目类型/规格气缸安排四缸、四冲程、倾斜38°缸径和行程67.0*42.5mm排气量599ml压缩比1

25、2.2:1发动机干重57kg发动机怠速转速1400rpm启动方式电启动空气过滤器纸芯过滤式油泵类型余摆线齿轮泵冷却系统液体冷却工作点火顺序1243配气机构DOHC/链条传动润滑系统压力润滑和湿油底壳传动系统离合器湿式多盘离合器变速器6档常啮合齿数比一档 2.750(33/12二档 2.000(32/16三档 1.667(30/18四档 1.444(26/18五档 1.304(30/23六档 1.208(29/24换档模式1-N-2-3-4-5-6本田CBR600发动机的三维模型如下图: 图2-1发动机三维模型2.2换挡机构的设计上一次的赛车上的换挡方式为一套机械式的换挡机构,这种方式比较简单,

26、但是其不太灵敏,操作起来比较笨重,但是其比较可靠,不容易发生失灵的后果。大赛对于换挡机构没有任何的限制要求,为了保证能顺利的换挡,而且不会楚翔失灵的现象,于是我想在赛车上装有两套换挡机构,其中一套是机械式的,另一套的初步设想是在方向盘上安装有控制机构(如按钮,通过操作此控制机构来实现某执行机构的换挡动作。两套换挡机构互不影响,互不干涉,其中一套换挡机构出现故障仍旧可以使用另一套换挡机构来实现换挡。可以采用机械换挡方式和另一种换挡方式共同来保证换挡。2.2.1机械式换挡机构通过安装在驾驶舱右侧的摇臂拉动连接在摇臂和换挡毂之间的拉绳或者拉杆来控制换挡。摇臂位置视驾驶员坐入驾驶舱后,其舒适位置而定。

27、这种方式比较简单。其简单示意图如下: 图2-2机械换挡简单示意图2.2.2液压式换挡机构对于实现液压式换挡,我设想的是通过操纵方向盘上的按钮开关来实现一液压泵的运作,再通过液压泵来操纵一液压缸,由液压缸的直线往复运动再通过其他机构来实现换挡轴换挡。然后我考虑了关于一些费用和其他的事项,发现对于液压式换挡机构的实现有难度,液压缸需要购买,比较傲难购买到合适的,且要考虑其固定,液压缸如果购买的话,比较难够买到合适的,如果自行制作加工的话,其精度要求又很高,难于加工制作且费用高,而且其油路密封要求高,如果其发生故障,会导致油的泄漏。考虑到这些问题后,我决定放弃这套方案。2.2.3电动式换挡机构对于实

28、现电动式换挡,最初设想的是将其分为控制电路、中间电路和执行电路三部分。控制电路由方向盘上的控制开关和一电磁铁串联组成,控制开关闭合,电磁铁产生吸引力,控制开关是常开的,且其手动闭合,自动断开,即手离开控制开关后,其会自动断开;中间电路由一电磁铁、两限位开关和一小铁片开关串联组成,小铁片开关是常开的,其闭合,则中间电路电磁铁通电而具有吸引力,两限位开关是常闭的,且装在换挡轴两侧的,当换挡完毕后,换挡轴会触碰限位开关,使限位开关断开,切断中间电路,使中间电路电磁铁的吸引力消失;执行电路由一小铁片开关和一个电机串联组成,电机带动换挡轴转动实现换挡,小铁片开关是常开的。中间电路和控制电路的小铁片开关同

29、时安装在一个小铁片上,此小铁片上安装有一个软复位弹簧。三个电路都单独接电源。电动是换挡的原理为:当按下方向盘上的操纵按钮,控制电路通电,控制电路的电磁铁产生吸引力,克服小铁片复位弹簧,吸引小铁片使小铁片产生运动,使安装在小铁片上的两个小铁片开关同时接通中间电路和执行电路。中间电路通电后,中间电路的电磁铁会产生吸引力,其也会克服小铁片复位弹簧吸引着小铁片,这样当方向盘上的操纵按钮断开时,小铁片仍然被中间电路的电磁铁吸引着而保证中间电路和执行电路的通电。此时,执行电路通电,电机转动,带动着换挡轴转动,实现换挡。当换挡成功,换挡轴转到极限位置时,触动限位开关,使中间电路断电,中间电路的电磁铁产生的吸

30、引力消失,小铁片在复位弹簧的拉力下回到最初位置,使两个小铁片开关断开,从而使执行电路断电,电机停转,换挡轴自动回到最初位置,限位开关在其弹簧作用下中心闭合,但是中间电路的小铁片开关已经断开,则其电磁铁没有吸引力。这样就实现了一次次的换挡。在方向盘上安装两个操纵按钮,一个实现从低档换高档,一个实现高档换低档,则两个操纵开关实现操纵电路的正反接。考虑到如果我们自己制作电磁铁,其质量可能会不可靠,则我们决定购买。购买的电磁铁,其允许通过的电流在0.3A左右,电机允许通过的电流为20A左右,则需要变压。变压后将操纵电路和中间电路同时接在同一电压下,将电机单独接在令一电压下。其电路示意图如下: 图2-3

31、电动换挡电路示意图2.3发动机悬置设计发动机悬置是汽车上比较重要的零件,其性能直接影响汽车发动机的振动乃至整车的舒适性和发动机的寿命7。汽车发动机悬置的设计,既要保证发动机悬置系统具有支承。缓冲和减振的功能,又要考虑发动机的倾角、共振和装配等多方面的因素,是汽车底盘设计很重要的方面之一8。结合对悬置件静、动刚度关系的大量试验研究和考虑到悬置实际承载工况,提出了在发动机悬置匹配计算中悬置静、动刚度的采用原则,在计算静变形时采用静刚度,在计算刚体模态时采用动刚度,在计算动力总成一些关键点位移量时应静、动刚度同时合理采用9。本田CBR600RR发动机结构紧凑,并提供了3个可靠的悬置固定点,为发动机的

32、合理稳定安装准备了基础条件。发动机的安装位置会影响到赛车的多项性能以及赛车其它部件的正确安装,因此,确定发动机安装位置的工作必须综合考虑与之相关的各项因素,并找出最优方案。首先,考虑到赛车的操纵稳定性,合理分配前后轴载荷,整车的重心位置需要合理确定,而重57kg的发动机的位置对整车重心影响极大,发动机重心太靠后会导致转向不稳定,而位置太靠前则不利于传动系统和排气系统的安装。同时还需使发动机重心居于赛车中轴线上,以保持整车平衡;为了在赛车转向、加、减速行驶时减轻悬架系统负担,并保持平稳,发动机重心高度应尽量降低;进气系统布置在发动机顶部,需要在发动机与主环斜撑之间留出足够的空间以便安装进气系统;

33、发动机的布置还需充分考虑到传动系统,安装时必须保证发动机上的主动链轮足够竖直,以保证链传动系统稳定工作,发动机与后桥之间也应留出足够的空间以便于布置从动链轮和链条。 图2-4俯视图综合分析和协调各个因素后,我们将发动机的位置确定为:排气口与防火墙的最近距离为228mm;进气口与主环斜撑平面的最近距离为266mm;发动机最低点距离车架底面28mm;发动机重心距离后轴约340mm。至此,整车重心位置,车手安全,进排气系统布置等各项要求都得到了兼顾。 图2-5侧视图 图2-6后视图发动机支撑架的设计主要需要兼顾三方面的考虑,首先要有足够的强度和刚度以保证安全,其次需要尽量减少材料的使用以减轻车重,另

34、外,易于加工及能使发动机方便地拆卸也是需要考虑的一个重点。利用发动机前部和后下部两对安装孔作为主要支撑点,分别用4根钢管支撑起发动机,并使之与车架相对固定。发动机后上部安装孔作为辅助支撑点,用一根钢管支撑承载纵向作用力,主要作用是减小由于支架刚度不足引起的发动机与车架之间的相对振动幅度,以使传动系统更可靠地工作。发动机前支撑点通过两个细牙螺栓与支架连接,后两个支撑点分别用一根螺杆和一根长螺栓与支架固定,并均用12防松螺母紧固。另外,为了方便发动机拆装,左前支架被设计成可拆卸的。3发动机进排气系统设计把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体称为发动机进气系统,主要组件有原始进气道、空气滤清器、

35、连接管路、增压器、中冷却器等。其功能是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气10。由于大赛对于进气系统的限流阀的要求,所以一套进气系统包括:空滤、节气门、限流阀、稳压箱、进气歧管。连接包括:节气门-限流阀(连接1、限流阀-稳压箱(连接2、稳压箱-进气歧管(连接3、进气歧管-气缸(连接4。布置包括:从上方进气(主环下面、侧向进气、冲后进气。3.1进气布置设计选择a上方进气:理论上这里的进气效果应该是最好的,进气压力高,空气干净较稳定。不过这样进气歧管较长,气体的沿程损失较大,而且因为布置空间的原因(发动机高度,主环高度,限流阀长度,很可能布置不开。b侧向进气:布置方便,进气效果也较好,不足是因为侧向

36、吸气,可能导致各缸的进气不均匀度提高;下部的进气较脏,侧翼的空气也可能会由于车辆运行而不稳定。可以从稳压箱设计上减小这问题,但是制造上可能有问题(异形,从进气处到尾端由大到小渐缩,后面会有稳压箱设计。唯一要考虑的是不能超过进气系统设置的范围(不大可能超出。c冲后进气:理论上车辆后面有个正压区,但是这个区域随着车速而变化,而且车后空气较脏,此处进气效果较差,但是进气管可以做的比较短,降低沿程损失,布置也是最方便。3.2进气系统套件设计选择a空滤:选用冬菇头,如有可能比赛时可以改用一层滤网,能减少进气阻力。另外应该注意如果使用冬菇头的话,选用合适形状的冬菇头,避免冬菇头超出外框。b节气门:购买,节

37、气门喉口不宜过大,因为节气门将变得同原机比相差过多。同样由于原机ECU,故而需要考虑节气门位置传感器的安装位置。由于怠速空气控制阀和原机不匹配,故而不适用怠速空气控制阀,改用节气门预开一个小开度来保证怠速的时候的进气。可以通过节气门上的螺钉进行微调。节气门位置传感器的全闭电压可选用0.330.5v,低于0.32v将会报警。全开电压在4.0v左右。c限流阀:限流阀基本构型为文丘里管式的渐缩渐扩管,考虑两种母线形式: 图2-7减缩为圆弧-渐扩为锥角 图2-8减缩渐扩为锥角,圆弧过渡根据资料,减缩锥角为2040°,渐扩为410°(5°左右最佳,圆弧半径为(0.51.0*

38、最小直径。考虑加工方便,使用方案2.在喉管处留有2mm左右的过渡段,保证20mm的精度要求。 图2-9限流阀d稳压箱设计:稳压箱设计有三套方案:i.方形:设计、制造、连接,喷油座布置简单方便,但是流场不好看。ii.圆柱形:制造简单(钣金+焊接或管件+焊接,连接(与歧管、喷油座可能较复杂。内燃所制造为管件车薄了再焊接,结构还行。iii.异形:可以最大限度的优化流场,但是设计制造复杂,异形最好使用fluent优化后再确定,至少保证过渡圆滑。根据论文资料,稳压箱容积越大则高转扭矩提升,但是低转扭矩减低,另外稳压箱容积提升所造成的油门迟滞感并不十分明显(60ms附近稳压箱容积暂定为34L。e进气歧管:

39、进气歧管是发动机进气系统中最重要的部分,进气系统决定着发动机的进气效率和各缸充气均匀性,对发动机的性能有着很大的影响,进气歧管与发动机的气缸盖相连接固定,承受气缸盖燃烧室燃烧传递的热和振动11。利用谐振效应,9000rpm对应的进气歧管长度在50mm左右,内径为40mm。进气歧管上布置有喷油座以及为测量进气歧管压力所钻孔。有四套方案:i.原歧管:在原歧管基础上,铣平上表面(方便连接、拆除原怠速装置与节气门装置,将所有多余孔洞用填料或板焊死。优点:不改变喷油器位置,歧管长度适宜,可直接使用原歧管与新作进气系统连接,成本低。ii.机加工新歧管:有两种方案1.用管料,在管外焊接喷油座,并打孔。优点:

40、加工简单;缺点:焊接精度不能保证,可能导致喷油器不能良好落座;因为原连接件4(歧管-气缸为偏心结构,故而需要重做连接件(不难做。2.用棒料,打偏心孔,在管外焊接喷油座,并打孔。优点:可使用原连接件,加工也不难;缺点:较浪费材料成本可能会高些,焊接精度可能不够。iii.铸造新歧管:做一个歧管模子,铸四个歧管。优点:可保证喷油座位置,可使用原连接件;缺点:成本高,新歧管模型较难设计(测量精度与铸造要求。另外新的歧管应该注意布置MAP的连接口,其位置应该注意不要和油轨干涉,而且应注意不要让喷油直接对着该口。油轨的固定可以在时候比划着来。注:注意到说明书中MAP故障的时候发动机工作为正常,而TPS故障

41、的时候为加速问题,可以认为原机ECU为两者都能控制喷油,而TPS的变化同时能影响加速。检查TPS 可以用示波器检查全闭到全开再到全闭的时候的波形,如果TPS有问题可能会在2.8v 左右出现尖刺波谷。 图2-10进气歧管3.3连接件设计a节气门-限流阀(连接1:节气门为方法兰连接,可将连接件与限流阀做为一体。b限流阀-稳压箱(连接2:由于侧向进气有个方向变化的问题,故而需要使用弯管连接,弯管可以套在限流阀出口与稳压箱入口上。c稳压箱-进气歧管(连接3:有两个方案i.连接件焊接在稳压箱上,与进气歧管用方法兰连接。优点:方便拆卸;缺点:不能保证法兰的位置角度。如果使用原歧管可能使用这形式较好。ii.

42、歧管直接焊接在稳压箱上:优点:结构紧凑;缺点:需要保证歧管角度。d进气歧管-气缸(连接4:保留原歧管,将新做的进气系统通过法兰与原歧管相连。3.4进气系统的制作有两种方法可以进行加工制作进气系统,一种是使用铝材料进行焊接,但是这种方法不能加工异形的工件,且其制作比较粗糙,会对进气造成阻碍;另一种是使用快速成型技术,这种方法可以加工任何形状的工件,而且加工的误差很小,加工件的内壁很光滑,利于气体在内部流通,加工出的工件的质量也很轻。对于只用铝材料进行焊接的方法加工的进气系统的整体图如下: 图2-11向后进气的进气系统对于使用快速成型技术的方法加工的进气系统如下图: 图2-12向上进气的进气系统使

43、用快速成型技术加工,有两种材料可以使用,一种是ABS材料,一种是PC材料,其中ABS材料的耐温为4050摄氏度,而PC材料的耐温为100110摄氏度。在价钱方面PC材料要高于ABS材料。由于进气系统的下半部分与发动机的原歧管直接相连,因此其会承受较高的温度。在考虑到价钱的同时也要考虑到其不会热变形,所以进气系统的下半部分采用耐温较高的PC材料,其上半部分则采用ABS材料。两部分再通过法兰相连接。下图为使用ABS材料加工的部分 图2-13进气系统ABS部分下图为使用PC材料加工的部分 图2-14进气系统PC部分3.5排气系统设计汽车排气歧管的用途是将发动机排出的废气引向排气总管,其所处的空间位置

44、受多种因素制约,为了不使各缸排气相互干扰及不出现排气倒流现象,并尽可能地利用惯性排气,应使排气歧管内表面光滑,降低排气阻力,而且各缸歧管应该相互独立12。排气系统的目的是是发动机在尽量均匀的排气被压下顺畅排气并且能有效降低发动机噪声已达到规格规定的范围。因此排气系统的设计包括排气歧管和哨声器两部分的设计。赛车在匹配发动机的过程中,除进气系统外并没有对发动机进行重大改造,因此原机排气系统的设计应该是完美的。原发动机排气歧管采取的是1、2排气汇总并与3、4缸汇总的排气汇总最后由一根排气总管通过被压调节阀、催化转换器和消声器排向大气。但是原机排气系统是从发动机油底壳下侧面经过并且有很长的总管和三元催

45、化转化器。考虑到赛车的特点和安装要求,将原机的三元催化转化器和被压调节阀去掉,调整发动机排气总管长度和方向,使得排气歧管在油按照原机的方式在油底壳侧下部穿出并与排气总管利用喉箍结合。排气歧管在差速器下方斜向上伸出直到车架外侧,完成整个排气系统的布置。汽车排出的废气是高速和高温脉动气流,由于流体的流动导致消声器的消声量和消声频率发生改变。此外,由于流体流动产生涡流和冲击消声器壳体形成再生噪声,严重情况下,消声器不消声,还可能成为新的噪声源13。另外,为了固定排气系统,在哨声器的侧面通过橡胶片和螺栓将其与焊接在发动机上的两根梁连接在一起,使排气消声器能有小范围的振动幅度的同时能良好的固定。4差速器

46、传动系统设计CBR600rr发动机内部安装有湿式多片线圈弹簧离合器和常时齿和使6段变速箱。离合器和变速箱均为手动。变速箱输出轴和换档轴均在发动机侧面。该发动机在原装摩托车上是链传动布置,发动机横置,输出轴和换档轴均在驾驶员左侧。动力总成部在考虑传动系统布置是有两条思路:链传动和轴传动。链传动布置:在车架上,发动机横置,输出轴接小链轮,通过链条将动力传至驱动桥的大链轮处,大链轮带动与其螺栓组连接的差速器,将动力传至左右半轴。即传动路线为:发动机-离合器-变速箱-链传动-差速器-半轴。链传动布置的优点:发动机横置,输出轴轴线和驱动轮轴线平行,不需要动力换向机构,传动系统简单;换档轴在发动机侧面,换

47、档操纵机构设计简单,换档简便;发动机布置在车架中轴线左右,车辆左右轴荷基本一致。链传动布置的缺点:链传动可靠性不如轴传动,如不能承受侧向载荷,链条可能断裂、脱落等;传动效率比轴传动低;链传动开式布置,无有效润滑,易受外界污染,易受破坏。 图2-15国外大学链传动布置图轴传动布置在车架上,发动机纵置,输出轴和换档轴指向车尾。输出轴接万向传动轴或直接接主减速器,动力以此传入差速器、左右半轴。传动路线为:发动机-离合器-变速箱-万向传动轴-主减速器-差速器-半轴。轴传动布置的优点:轴传动比链传动效率高,可靠性强;轴传动闭式,可润滑,抗污染,抗破坏。轴传动布置的缺点:发动机纵置,换档轴朝车尾,换档操纵

48、机构不易布置,换档操作较困难;轴传动闭式,需要设计驱动桥壳,限于技术,壳体较重,不利于轻量化;发动机纵置,输出轴处于车架中轴线,发动机在车架两侧质量相差较大,车辆左右轴荷不等。 图2-16国外大学轴传动布置图机械链传动是以链条为中间挠性件的啮合传动,广泛应用于石油、化工、冶金、农业、采矿、起重、运输、纺织等各种机械和动力传动中14。考虑发动机总成在车架上的布置情况和后续设计难易程度,动力总成部在仔细分析了以上两种传动方案后,最后选择链传动。链传动传递发动机输出的动力和扭矩。后悬架为独立悬架,所以后桥有左右半轴两根传动轴,左右半轴由差速器连接。综上,动力总成系统初始方案为:发动机-链传动-差速器-左右半轴-左右驱动轮。差速器是汽车驱动桥的重要总成,按照工作场合的不同分为轴间差速器和轮间差速器;按照工作性能不同分为普通差速器和防滑差速器(LSD15。因为赛道有很多弯道,所以对于差速器的要求也很高,因此选用托森差速器能有效的防滑,能产生很好的效果。下图为托森差速器012000的实物图: 图2-17托森差速器012000此差速器要求油封,因此要制作一个外壳,保证其能在布满润滑油的空