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方程式賽車傳動系統關鍵零部件可靠性設計與優化
2019年06月05日 10:39         所屬學院: []          點擊:


附件5

 

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃

項  目  申  報 

 

項目名稱:

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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

王坤

201521030107

機械設計制造及其自動化

2015.9

田競紅

201569030401

車輛工程

2015.9

武彬

201669030410

車輛工程

2016.9

周歡

201521030303

機械設計制造及其自動化

2015.9

汪科

201669030335

車輛工程

2016.9

指導教師

劉鑫

職稱

副教授

項目所屬

一級學科

機械工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

1. 所有成員均參與長沙理工大學學生科技項目,包括:

FSAE離合操縱機構的設計與制造》

FSAE賽車半軸靜扭強度分析及結構優化》

FSAE賽車傳動系的設計、優化與制造》

  2.所有成員均熟練使用UGANSYSHypermesh等相關軟件的使用,對本項目實施有一定的幫助。

 

 

 

 

 

 

 

指導教師承擔科研課題情況

研究方向:

復雜機械裝備的不確定性分析與可靠性優化設計

承擔課程:

《機械優化設計》、《現代汽車控制技術》、《汽車維修工程》等

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

一、研究目的

1.對傳動系統零部件進行分析與計算得到其疲勞壽命,在預期的允許范圍內進行更換零部件,避免不必要的損失。

2.在得到零部件疲勞壽命的基礎上,進一步提高零部件質量,對可靠性進行優化。

二、研究內容

傳動系統的可靠性是衡量方程式賽車性能的一個重要指標,隨著賽制的規范化和新技術的應用,對賽車的可靠性要求也日益提高。本項目從建立可靠性模型、進行疲勞分析、可靠性優化幾方面著手。

1.建立可靠性模型

要提高傳動系統的可靠性,必須先從設計上達到零部件的可靠性要求,然后在加工制造中加以保證,最終達到可靠性設計的要求。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.進行疲勞分析

一般而言,零件發生疲勞破壞時,應力水平往往低于材料本身的強度極限,但機械零件的破壞卻是突然發生的,導致難以想象的事故。

限于目前水平和條件有限,但若只考慮靜強度的分析方法,將無法模擬賽車在實際狀態下承受交變載荷時的情況,因此,本項目以傳動系統關鍵零部件為研究對象,運用CAE技術進行疲勞分析,預測疲勞壽命,最大程度接近實際過程。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.可靠性優化

為了設計的機械零件達到可靠性要求的同時,又是最優的設計結果,需要將兩者結合起來,即可靠性優化設計。依據大賽賽事規則及賽車自身要求,在保證賽車傳動系統強度和剛度的條件下,對關鍵零部件進行可靠性優化設計。

三、解決的主要問題

1.對賽車傳動系統關鍵零部件是否發生疲勞損傷不能采取有效的預防措施。

2.傳動系統零部件可靠性比較低,需要備份更多的零部件,導致制造成本增加。

 

國內外研究現狀和發展動態

研究意義

FSC(即中國大學生方程式汽車大賽)中,賽車的動力性能是取得佳績的關鍵,而賽車傳動系統的可靠性設計與優化的目的是提高零部件的可靠性,使賽車具有更好的動力性能。尤其是在耐久比賽中,對賽車傳動系統可靠性的考驗更為明顯。以往一些針對傳動系統的設計與優化,大多停留在理想階段,并未對傳動系統零部件的可靠性進行詳細的分析,本項目將對賽車傳動系統零部件的可靠性進行分析,并優化為最佳狀態。

對于賽車來說,由于在設計、制造、加工、裝配以及高速運動狀態下等各種因素的影響,零部件可靠性一般會隨著使用時間的增加而出現逐漸減弱的趨勢,必然會導致整車性能的降低。因而,對于提高賽車傳動系統的可靠性有重要的意義。

國內外研究現狀和發展動態

傳動系統作為與發動機協同工作,保證賽車在各種路況下正常行駛的驅動力,傳遞動力給驅動車輪的重要系統之一,對賽車整體有著重要的影響。由于大鏈輪、半軸等傳動系統關鍵零部件承受較大載荷,因此,對大鏈輪、半軸的疲勞可靠性研究有重要的意義。

可靠性模型

一直以來都國內外眾多學者對可靠性的研究均十分的重視,對車輛部件可靠性的研究主要集中在對載荷譜的研究上,因為載荷譜對于疲勞模擬仿真的分析有著重要的作用。可靠性研究發展至今已經歷了較長的時間,目前在各行各業得到了廣泛的應用,也已經從定性分析發展到定量分析的研究階段[1]

疲勞分析研究

目前一些汽車工業強國在疲勞方面傾注了大量的技術研究工作,疲勞理論不斷發展與成熟,各種疲勞分析軟件逐漸呈現出來,為汽車零部件設計提供了有力的支持。最先開發疲勞分析軟件的屬于nCode公司,該公司已形成了數據采集、數據分析、疲勞分析等過程的一整套方案[2]

國外介入疲勞耐久性分析的研究較早,基于疲勞理論,圍繞各種疲勞分析方法,在車輛、機械等方面的疲勞研究成果較多,列舉如下:

Sridhar Srikantan等人通過MSC.Nastran對卡車的結構進行應力的計算,然后在MSC.Fatigue中進行疲勞分析,獲取的結果對后續的改進和優化有一定的指導意義。

Jaap Schijve從材料的疲勞特性和各種載荷特性出發,基于疲勞理論,總結了變幅載荷作用下材料性能、裂紋擴展疲勞分析、高溫疲勞、結構的抗疲勞設計等內容,對后續的疲勞分析工作,尤其在材料疲勞性能領域奠定了良好的基礎[2]

西南交通大學的金鼎昌、陽光武博士對架構進行了疲勞可靠性分析,提出了一套系統的疲勞分析方法,此外,另一博士提出了一套多體動力學與有限元分析相結合的疲勞分析方法[2]

西南交通大學的金鼎昌、陽光武博士對架構進行了疲勞可靠性分析,提出了一套系統的疲勞分析方法,此外,另一博士提出了一套多體動力學與有限元分析相結合的疲勞分析方法[2]

可靠性優化

可靠性分析技術在機械設計領域中的應用已深入到結構設計、機械零部件的強度設計、選材和失效分析以及機械產品設計中,為機械結構可靠性分析與設計提供了理論基礎[5]

 

 

 

參考文獻

[1]庹奎. 基于隨機有限元法的機械零部件靜動態可靠性分析[D].重慶交通大學,2015.

[2]吳道俊. 車輛疲勞耐久性分析、試驗與優化關鍵技術研究[D].合肥工業大學,2012.

[3]王彥偉,羅繼偉,葉軍,陳立平.基于有限元的疲勞分析方法及實踐[J].機械設計與制造,2008(01):22-24.

[4]蔣春明. 汽車機械式變速器變速傳動機構可靠性優化設計[D].南京航空航天大學,2007.

[5]聶超. 汽車零部件貝葉斯可靠性設計若干關鍵問題的研究[D].大連工業大學,2011.

 

 

 

 

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

所有成員均參加2017年中國大學生方程式汽車大賽,參與賽車傳動系統的設計、加工、制造等各階段。

在2017年中國大學生方程式汽車大賽中,我校賽車隊取得成本答辯第十四名、燃油效率測試第六名、耐久性能測試第一名、獲得2017年中國大學生方程式汽車大賽一等獎。

 

項目的創新點和特色

1.利用ANSYS疲勞分析模塊得到傳動系統關鍵零部件的疲勞壽命;

2.在不增加傳動系統零部件質量的前提下,利用HyperMesh OptiStruct優化結構,提高零部件的可靠性。

項目的技術路線及預期成果

 

 

 

1.建立模型

大鏈輪、半軸等傳動系統重要零部件承擔著傳遞動力的重要任務,不僅要有一定的強度和剛度,還要滿足良好的可靠性。當賽車在高速運動狀態,半軸和大鏈輪在變載荷作用下會變形,發生疲勞累積,零部件極易產生疲勞破壞。

對此,根據發動機最大功率、最大轉矩、轉速等數據確定大鏈輪參數,計算其受力情況,進行可靠性分析。

有效圓周力:

Fe=1000P/v

壓軸力:

Fp=Kfp Fe

式中P為最大功率,v為平均鏈速,Kfp為壓軸力系數。

 

2.疲勞分析

方程式賽車傳動系統的半軸是傳遞扭矩給驅動輪的全浮式半軸,軸上所受扭轉和彎曲應力分別為:

 

  

對其進行疲勞強度校核時,需要對零件施加最危險工況下的受力,超過其許用應力證明零件失效。

載荷與疲勞的關系是采用S-N曲線來表示,而S-N曲線是通過對試件做疲勞測試得到的,由于條件限制,對零件進行疲勞分析采用的S-N曲線是在理論經驗及查閱資料得出的。

在此基礎上,利用ANSYS自帶的疲勞分析模塊,進行疲勞分析,得到預估的疲勞壽命。

3.仿真優化

在已知材料屬性,邊界條件的情況下,使用ANSYS軟件作為仿真和優化的工具,定義材料屬性,劃分網格,確定約束條件,進行有限元分析。在滿足強度和剛度的條件下,優化零部件結構,達到可靠性設計的目標。

 

二、預期成果

1.設計出所需要的傳動系統,制造出實體樣件裝在整車上,并可得到傳動系統關鍵零部件的預期壽命。

2.發表關于方程式賽車傳動系統零部件可靠性設計研究的論文。

 

年度目標和工作內容(分年度寫)

20183月前,設計傳動系統各部件;

20188月前,取回加工件,整車試裝配;

20189月前,完成整車調試,調至最優狀態;

201810月 ,參加比賽;

201812月前,完成相關資料的總結。

指導教師意見

 

簽字:                   日期:

 

注:本表欄空不夠可另附紙張


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