背景介绍

2011/2012赛季以来，joanneumracing graz赛车采用自主研发的发动机AMGFS133。自2016年底相关合作到期后，新的动力系统开发被提上日程。研究人员选择BRP-Rotax的一款涡轮增压发动机Rotax600 ACE进行优化替代。与AMGFS133相比，Rotax600 ACE的整个动力传动系统重量减轻了约20%。但由于Rotax600 ACE不具备集成变速箱，因此齿轮箱内部构件必须与相应的变速箱壳体一样定制开发。

该项目首先基于Rotax600ACE发动机，对其传动系统进行分析。并指出，变速箱内部构件，即齿轮数量、轴向距离、负载以及润滑和冷却等是需要重点考虑的影响因素。同时，基于整车性能要求，推导出以下传动装置开发规范：

轻量化：外壳的重量需要尽可能低，同时具有足够的强度和刚度。

包装：变速箱应尽可能集成到整车中，以保证整个动力传动系统的最佳包装。

生产：产品的制造应考虑到joanneum racing graz的现有能力，尽量减少对外部供应商的依赖，以确保生产。

产品设计与开发

为满足轻量化的需求，研究人员选用了轻质CFRP层压板制作变速箱壳体，如图2。但纤维增强塑料在应用时存在耐高温和油液腐蚀的问题，因此采用了玻璃化温度达185℃的高温环氧树脂，通过预浸料在高压釜中固化成型。

结构方面，采用模拟软件3DSSimuliaAbaqus中的有限元方法（FEM）工具进行铺层计算和结构优化。同时，通过纤维取向的设计，在局部通过加强筋进行强度优化。该设计将变速器壳体质量从mI1= 3.7 kg减小到mI6= 2.4 kg，具体如图3。

使用模拟软件3DSSimuliaAbaqus中的有限元方法（FEM）工具计算和优化CFRP结构的铺设，并将几何形状建模为壳单元。进行了几次优化迭代。考虑到光纤和基体的失效模型以及发生变形的最小化，变速器壳体的设计质量可以从mI1= 3.7 kg减小到mI6= 2.4 kg。由于有针对性的纤维取向，这是可能的，使用特殊纤维类型以及使用局部加强筋。

为进一步增加结构强度，需要在层压板中添加金属嵌件，其材料选择为ENAW-7075铝合金。对于碳纤维复合材料与铝合金材料的电位差引起的电化学腐蚀问题，与FS赛车的有限操作时间相比，腐蚀发生的过程较为缓慢，该过程的影响较小。同时，为进一步节省空间，采用一体式成形式插件设计，如图4所示。

新变速器的壳体采用分离式设计，由三个部分组成，具体如图5。该设计可保证结构的高刚度，易于组装以及传动轴的无限制定位。但是轴承点需要在两个单独的夹紧操作中加工，这意味着保证轴承点之间的同心度较为困难。为此，该团队设计了一个特殊的夹紧装置，以便精确加工三个壳体零件。

在安装连接方面，新变速器壳体主要采用螺栓固定。同时采用3D激光烧结技术制造了固定支架，以便与发动机的连接。润滑方面，新变速器设计为没有额外油路的飞溅润滑方式。两个腔体的润滑系统彼此分离，通过专门设计的油挡板，使得其在齿轮转动时出空隙，让润滑油飞溅到旋转齿轮上。

与铝合金相比，用于壳体层压板的CFRP材料具有非常低的导热率，λ=0.4429W/mK，不足以耗散变速器运行时产生的所有热量。因此，还开发了一种小型油水热交换器作为附加冷却元件，并将其集成到发动机冷却回路中。使用CFD模拟计算所需的冷却表面和通过冷却元件的冷却剂质量及流量。通过该方式使得操作温度可以保持在合适的水平。

产品制造与测试

作者：Horst Emathinger, B. Sc.

汽车轻量化在线翻译整理