基于ANSYS的本田节能赛车传动系统优化设计

王新建

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

目前，有很多文献介绍了节能车的设计与优化、车架的优化仿真等，但几乎没有针对链传动系统的设计与优化，因赛事本身的特殊性，需考虑将赛车在赛场上的实际加速策略与整车传动系统性能相结合，另外传动系统的好坏又直接影响发动机动力输出和整车在赛场的滑行量。如果单纯地从传统的机械角度去优化，那么就失去了赛事本身的创立意义，所以该文在传统机械优化的基础上着重利用ANSYS Workbench中的灵敏度分析来对本田节能赛车进行优化仿真。

1 大链轮参数计算

1.1 参数初步确定

本赛车使用的125cc单缸风冷四冲程发动机最大扭矩为9.7 nm/5 000 rpm，扭矩平台出现在高转速，而发动机经济转速将会出现在3 000 rpm～4 000 rpm。考虑到赛车燃油的经济性，传动装置传动比越大，赛车后备功率越大，燃油消耗率越大，这与前文的动力性相矛盾，也不符合本田节能赛事的宗旨。所以，将通过计算，取得最佳传动比。

已知发动机转速与行驶速度的关系式：ua=0.377×r×n/i0，将赛车常处速度，发动机经济转速以及赛车车轮半径带入，可得最佳传动比为8～9，经过链条传动仿真，将传动比定在8.2。大链轮齿数为142，材料为7075-T6铝合金材料，固溶处理后塑性好，热处理强化效果特别好，并采用镂空辐条减重设计，在保证强度的同时，也达到节能车轻量化的目的。

1.2 大链轮结构分析

根据本田节能竞技大赛的赛事规则以及比赛中赛车的实际需要，赛车发动机的输出功率固定2速挡，需靠提高发动机的旋转速度来获取输出功率，因此将发动机本变速箱切除，用发动机曲轴直接驱动后轴车轮。但若驱动力不足，赛车很难起步。所以利用传动系统的减速比来减少起步和加速冲击。由于小链轮运用发动机本身的变速装置，所以只需考虑大链轮在冲击最大的起步工况即可。

赛车起步时大链轮各齿所受力总和乘以理论安全系数K，即总受力为Fcj，为

式中，Tfmax为发动机输出最大扭矩，N·m，此时发动机转速n为4000（r/min）；ig为变速系统传动比，i0为末级传动比，nch为传动系统效率；K为安全系数，因为链轮所受冲击载荷较大，通过查找手册确定K为0.94～0.96，计算得出Fcj=2548.112N。

大链轮齿数受可容纳链条的最大磨损伸长量限制。而当这种磨损伸长量超过啮合弧长约半个节距时，链条便可以产生跳齿而损坏链条或链轮。大链轮可接受的最大磨损伸长用比值表示为200/N（N为大链轮齿数），对容许链条最大磨损伸长量为3 %的大链轮最大受力齿数应为67齿，经测量大链轮实际受力齿数为64齿，符合标准值，即每个齿面受力为Fc=40.6N。

2 ANSYS有限元分析

2.1 有限元分析的前处理过程

2.1.1 模型建立

建立分析结构的几何模型并导入，导入后定义材料及进行几何处理。材料选择了7075-T6铝合金。

2.1.2 划分网格

根据分析的目的并结合模型的特点划分网格，建立有限元分析的计算模型。使用 Multizone 多区域网格划分，适用于复杂单体部件，Multizone 通过自动分解几何，将分解成可扫掠体，用扫掠的方法得到六面体。其对几何体可分解成映射区域和自由区域，并自动判断区域生成纯六面体，对不满足条件采用更好的非结构网格划分。且所选用的六面体网格单元计算量小，且分析精度高。所以首选六面体网格（Hex Dominant）。

网格质量的检查与提高是由雅克比率（Jacobian Ratio）与纵横比（Aspect Ratio）来体现的，雅克比率是在单元的一些特定点上计算出雅克比矩阵行列式。其值就是最大值与最小值的比率，值为1最好，值越大说明单元越扭曲。纵横比按法则判断，当Aspect Ratio值为1时，说明此时划分的网格质量最好。

通过分析网格的雅克比率与纵横比，雅克比率平均值为0.87；纵横比平均值为2.213。说明此时划分的网格质量适中，能够满足之后的静态应力分析。

2.1.3 边界条件处理

根据上述计算分析，对大链轮施加相应载荷和约束条件。

2.2 计算结果后处理

根据有限元仿真结果，赛车起步时，大链轮的最大应力为出现在链轮链轮节圆其数值为433.9 MPa，起步瞬间此处受链条拉压应力较大。由于反复切换发动机驱动和惯性形式，链条产生的转矩会造成大链轮的变形，有限元仿真的最大变形为0.03501 mm，这个变形在可运行范围内。

2.3 RS减重孔优化

该文中选用Design Explorer中的响应曲面 （Response Surface）来实现大链轮的优化分析，通过计算输入参数与输出参数的灵敏度计算，用图表表达出来。将小孔直径D、角度以及距链轮中心距离L等输入参数进行参数化；最大应力、最小安全系数、最大形变位移为输出参数。系统默认将当前输入值的正负10 %作为输入值的初始变动范围。通过计算得到系统生成的一组设计点。

从参数灵敏度分析可以看出，大链轮质量主要受小直径和角度的负影响，其次受阵列个数的正影响，最小安全系数主要受减重孔直径的负影响和陈列个数的正影响。从这些分析可以得出：降低大链轮质量可以适当地增减重孔直径，但不能过于增加；可以适当增加阵列个数，因为它会大幅度增加安全系数，而又不至于过多地增加结构质量。优化完成后最终确定下来的3个设计点DPI、DP2、DP3，比较确定出最优点。此时结构质量为0.1506，比原来减少了2.64 %，安全系数是2.02，综上所述，优化效果明显，整个优化过程是有意义的。

3 结语

通过ANSYS workbench对大链轮进行建模，计算和优化，分析了腹板各参数与大链轮质量和最小安全系数的关系确定了大链轮的最优参数，通过优化前后各参数的对比，从而确定适合于本田节能赛车传动系统的优化设计分析。