大学生方程式赛车驱动桥的设计【含CAD图纸+CATIA建模】
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毕业设计 (论文 )外文资料翻译 学院 （ 系）： 机械工程学院 专 业： 车辆工程 姓 名： 学 号： 外文出处： 附 件： 指导教师评语： 该生在尊重原文的基础上完成的译文，用词较准确，语句较通顺，表达了原文作者的意图。表明该生的外文阅读与理解能力较强。 签名： 年 月 日 附件 1：外文资料翻译译文 汽车坐标轴系统 引言 假设在任何给定的时间瞬间，车辆上某点在一定方向上会受到一定大小的作用力。这种所谓的外部力或施加的力使车辆保持运动或导致车辆加速。这种力是由轮胎支持力，空气动力，重力所组成。这些不同的力遵循不同的物理法则，因此想要处理其中一个单一的力并不方便。此外，对于车辆底盘来说，这些相互独立的轮胎支持力，空气动力，和重力，作用于不同位置和不同方向。 为了计算在倾向方向的速度，加速度（比如汽车有向前和向后的倾向或向左右方向转弯的行为）， 定义 一个坐标系是十分必要的，而且借助此系统来分析汽车加速度、速度以及产生这些速度和加速度的力 。因为我们生活在一 个 三维世界， 三条相交于一点且相互垂直的参考轴对 于这些坐标系来讲是最基本的也是足够的了。 114 种类型的坐标系 在下面的章节中介绍的两个基本坐标系。 球面坐标系 该坐标系（大写字母系）固定在地面上，用字母 用来表示三个主要方向 , X 轴和 Y 轴在水平方向相互垂直， z 轴是垂直向下的。当且仅当我们需要参考车辆朝某一固定点或方向上的运动时，这个球面坐标系才用于在本文中。在车辆对地运动的相关问题中，从车辆坐标系（下文中介绍）的原点开始讲起是很常见的，其原点与球坐标系的原点相一致。通常，最初这两个系统的轴线也是一致的。然后通过计算或者测量来表明 两类坐标系的相对运动。但是，必须强调的是，球坐标系的位置和方向对车辆来说是独立的并且由用户在便于自己使用的情况下任意决定的。 车辆坐标系 车辆坐标系是从在飞机上使用上发展而来的。汽车研究中采用车辆坐标系的原因和它所基于的假设如下。 这种坐标系的第一次使用是 他的经典论文对汽车转向控制响应的理论预测与实验证明（参考 144 页）。在汽车和飞机上使用这种坐标系的主要原因是它固定在车辆里并随着车辆移动。例如，惯性性质相对于这种坐标系来是保持不变的，但如果参照球面坐标系来讲，惯性性质就是变化的。这种 性质不仅会变，而且对于工程师来说，当车辆被制造出来时，这种性质就失去了意义。 因为车辆坐标系是以不同的方式作为参照，所以可能会造成一定的混乱。 通常情况下，它被称为“移动的坐标系”，因为它是伴随车辆移动的；它也被标示为“车身坐标系”，因为它是固定在车辆上的；通常也把其当做“稳定坐标系”或“定向控制坐标系”来参考。要记住的一点是，它是固定在汽车中而且惯性性能相对于它而言为常数。 115 接下来的问题是：这个轴系统的原点应该放置在什么位置以及这个轴系统在车中应如何朝向？这是在 111 页中详细讨论的，以下是从第 111 页也概括而出的。汽车被认为是一双质量系统。簧下质量作为一个刚性框架和簧载质量被视为刚性体。这两个质量在滚动轴上铰接在一起而且其中一个是可变的。滚动角，指定两个质量之间的关系。 116 在图 的 统中 ,轴 I， J 和 K 被重新标记为 X， Y 和 Z。 Z 这些是正交的，符合右手定则。当车辆沿直线在水平公路上行驶时， X 轴沿运动方向是绝对水平的。 X 轴位于汽车纵向对称面上， y 轴指向驾驶员右侧，在水平方向上与 x 轴成 90 度角， z 轴与其他两个轴垂直，绝对垂直向下。 车辆坐标系的原点对于簧载质量和簧下质量是相同的。对簧载质 量一零滚动角来说，原点位于车辆旋转轴与一条过整车重心并垂直于地面的直线的焦点。 通常假设簧载质量围绕水平方向的 x 轴旋转，而不是绕实际的转轴旋转。同时用于特殊目的的时，系统的原点，可以位于其他位置。 通常假设旋转质量的主轴与车身坐标轴平行，并且假设非旋转质量的重心在 轮胎形变被忽略，车轮中心保持与地面平行。 117 车运动 在车辆运动的车辆动力学研究中，对用户来说通常要修正一定的操作变量，因此，变量值可以被分配到的前进速度和牵引 /制动力中或纵向加速 /减速中。簧下质量的运动可以作为来自稳定速度条件下的扰动来研究；同样，簧载质量的转动可以相对于簧下质量来研究 于车辆稳定性和控制研究来说，扰动速度有。 前进速度 u 侧向速度 v 横摆速度 r 俯仰速度 p 对于稳定性和控制研究，俯仰和垂直扰动来说，俯仰和垂直扰动被忽视。所谓横向方程是指由 V， R 和 P 组成的。 这些固定在汽车上的有关车辆 坐标系的扰动速度的分量必须相对于一些参考进行测量。在飞机实践中，按照惯例要根据另一个坐标系去思考 ,这个坐标系会通过机动飞行跟着飞行器 ,而且在任何给定的时间内这个都与飞行器坐标系保持一致，但可以在某一瞬时固定在空间。扰动速度是根据这个坐标系来测量的。有人可能会说 ,参考轴不断追逐飞机，但当我们测量车辆速度时，参考轴可以方便的被当做瞬时静止。当然，这也就是说扰动速度是相对于惯性空间进行测量的。 如果沿着地面的实际路径是理想的 ,车辆坐标系是参考了球坐标系来作为初始条件。根据对与角关系相关联的路径的分析，加速度的各种 组成定义如下。 是车辆一点矢量加速度在 x 方向的分量 是车辆一点矢量加速度在 y 方向的分量 3. 垂直加速度 是车辆一点矢量加速度在 z 方向的分量 车辆一点矢量加速度在与 x 轴相垂直并且与路面相平行方向的分量 在稳态条件下，横向加速度等于该车辆侧滑角的余弦值与向心加速度的乘机，因为在大多数的测试条件下的侧滑角很小，所以实际情况中侧向加速度可以认为等于向心加速度。 5. 向心加速度 是车辆一点矢量加速度在与该点切线相垂直并且与路面相平行方向的分量 6. 航向改变角 是车辆 x 轴 面上的轨迹与地球坐标系上 x 轴的夹角。 7. 侧滑角 是车辆 x 轴 面上的轨迹与汽车某些特殊点的速度矢量的夹角。 是汽车速度矢量在 面上的轨迹与地球坐标系中 x 轴的夹角。 9. 车身侧倾角 是汽车 y 轴与地面的夹角 10. 车辆俯仰角 汽车 x 轴与地面的夹角 11. 纵向力 是牵引力矢量在 x 轴方向的分量 是牵引力矢量在 y 轴方向的分量 是牵引力矢量在 z 轴方向的分量 是力矩矢量使汽车趋于绕 x 轴旋转的分量，从 x 轴正向看，顺时针为正。 矩 是力矩矢量使汽车趋于 y 轴旋转的分量，从 y 轴正向看，顺时针为正。 是力矩矢量使汽车趋于绕 z 轴旋转的分量，从 z 轴正向看，顺时针为正。 119 于使用规定的一些想法 在轮胎坐标系中，侧偏角是指车轮平面与车轮的行进方向之间的夹角。在这个坐标系中，如果车轮向前移动偏向左边，侧偏角为负，但侧偏力是正向的。根据这一规定，轮胎的侧向力数据应该是绘制在第四象限中的。实际上，轮胎数据的使用者常常将所关心的数据绘制在第一象限 120 在创建来自车轮平面的速度分量的两种方式中，使用偏航角呈现来自轮胎试验数据具有很好的的逻辑性。我们已经在第 2 章提到的，这个词“侧偏角”是一个值得怀疑的，因为车轮并没有侧滑，而是在侧向滚动的的条件下行进。根据汽车在横向 /前进方向上的速度比去定义侧偏角的概念，进一步明确了一个概念 轮胎实际上是作为一个整体发生侧向滑移，。事实上，由于轮胎滚动运动，接触印记已经有了一个区域，这个区域由在前方粘滞和后方的滑动组成。在轮胎测试，横向滑移速度是过去从来没有创造出平面速度；而车轮平面转向相对于皮带速度。 如 果“侧偏角”的规定被偏航角取代，下面会发生： 1在 系中，一个正向的偏航角与一个正向的旋转相一致，按顺时针旋转去看。它会和正转向角的定义兼容。 2当汽车向右转时，车轮的偏航角通常是正向的和轮胎侧偏力也是正向的，回转曲线会绘制在第一象限。 3回正力矩的数据将绘制在第四象限，曲线的初始斜率是负的，对于一个“稳定”的情况来讲，这是合适的。 附件 2：外文原文 毕业设计说明书 (论 文 ) 作 者 : 学 号： 学院 (系 ): 机械工程学院 专 业 : 车辆工程 题 目 : 大学生方程式赛车驱动桥设计 指导者： 评阅者： 讲师 本科毕业设计说明书（论文） 第 共 毕业设计说明书（论文）中文摘要 摘 要 本说明书主要介绍了中国大学生方程式赛车后驱动桥的设计。首先介绍了赛车后桥的设计意义和研究现状。然 后就后驱动桥中各个关键部件进行了方案论证分析和选择。其中包括了大链轮、链条、差速器、球笼等外购件和差速器支架、吊耳、半轴、轮毂等自制件。对于外购件，主要通过计算确定了选购原则和购得部件型号。对于自制件，在保证强度、减轻质量，实现最优的原则上进行了设计计算。 利用 件画出了所有零部件的三维视图，并对其中关键部件进行了强度分析校核。尤其对于自制件，根据不同工况，对其进行了有限元分析，从而实现优化。并利用 主要零部件绘制了工程图，确保所设计零件能够满足实际要求。 关键词 ： 后驱动桥 大链轮 轮毂 校核 本科毕业设计说明书（论文） 第 共 of of in on Of as as on of to of to D of on as to AD to to of : 本科毕业设计说明书（论文） 第 共 目 录 1 绪论 . 1 题研究背景 . 1 题研究现状 . 1 课题的主要研究内容 . 1 动形式 . 2 要参数 . 2 量参数 . 2 距 . 2 距 . 2 胎半径 . 2 2 后驱动桥传动部分的设计 . 2 . 2 车传动系的功用 . 2 . 错误 !未定义书签。 . 2 . 5 . 5 兰盘的作用 . 5 . 5 . 6 . 6 3 后驱动桥差速器部分的设计计算 . 7 速器及差速器壳体 . 7 速器的作用 . 7 速器壳的作用 . 8 速器的选择原则 . 8 森差速器参数 . 8 速器轴承 . 9 速器轴承的作用 . 9 择原则 . 9 承校核 . 10 速器支撑 . 11 本科毕业设计说明书（论文） 第 共 速器支撑的作用 . 11 速器支撑的设计 . 11 限元分析 . 11 节吊耳的设计 . 13 节吊耳作用 . 13 节吊耳的设计 . 13 4 后驱动桥其他零部件的计算 . 13 笼 . 13 . 13 . 13 笼参数 . 14 . 14 . 14 . 14 . 14 . 16 计思路 . 16 计步骤 . 16 向工况下，后轮毂的受力分析 . 19 向工况下，后轮毂的有限元分析 . 22 制工况下，后轮毂的受力分析 . 24 结 论 . 27 致 谢 . 28 参 考 文 献 . 29 本科毕业设计说明书（论文） 第 V 页 共 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 29 页 1 绪论 题研究背景 大学生方程式赛车活 动以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、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企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台； 二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，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、快速和可持续发展积蓄人才 ,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。 本课题的研究设计可适用于 2013 年南京理工大学生方程式赛车的驱动桥总成。对赛车进行差速器，链传动系，后轴强度 的研究。我们将通过对驱动桥的优化设计，来为赛车其他部件的分析优化提供新的思路和方法，以达到对赛车进行整体优化的目的。 题研究现状 赛车的传动系统是赛车动力输出的关键，其首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车能在不同使用条件下正常行驶，并具有良好的动力性和燃油经济性。 滑差速器在赛车上的运用，可对赛车性能的提升起到关键的作用。相比国外学校对限滑差速器的研究以及使用，国内目前仍有一定的差距。调研发现，国外 美车队多采用托森式差速器。由于国外有专门为 轮的厂家，购买方便。而购买摩擦片是限滑差速器的可行性较高。目前国内对于小型车限滑差速器，尤其是对小型方程式赛车限滑差速器的研究比较少，而限滑差速器的设计对赛车的动力性以及操纵稳定性却有很大的影响，在赛车其他条件条件相近的情况下，装备限滑差速器对赛车成绩的提升至关重要。 课题的主要研究内容 大学生方程式赛车的后驱动桥总成设计，主要包括大链轮的设计校核、链条选择、差速器的选择改进及差速器壳的设计、差速器支架的设计校核、法兰盘的设计校核、球笼的设计，差速器左右支撑的设计校核、左右调节吊耳的设计等。 基 于上述零部件的设计，完成后桥总成的装配，并与整车进行匹配调整，进而做局部改进。 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 29 页 动形式 目前大部分高校 力由变速器输出轴传递到差速器壳体采用链传动（在差速器壳体上安装链轮，取消主减速器）。此传动方式有如下优点：省去传动轴与主减速器，减轻了整车装备质量；发动机制动时，由于链条有许多间隙，故能吸收震动。本设计中同样采用中置后驱式。 要参数 量参数 本设计中，赛车的整车整备质量为 300上质量 67 距 轴距是指车轮指向正前方时同侧两车轮的接地面中心点之间的距离。根据大赛规定，赛车的轴距必须至少为 1525设计中，赛车轴距为 L=1575心至前轴的距离 a=841心至后轴的距离 b=734前后轴荷比前：后 = 距 汽车轮距对汽车的总宽、总质量、横向稳定性和机动性都有较大的影响。轮距越大，则悬架的角刚度越大，汽车横向稳定性越好。但轮距也不应过大，应与汽车的总宽相适应。根据大赛规定，赛车较小的轮距必须不小于较大轮距的 75%。本设计中，前 轮距 2=1180 胎半径 轮胎半径 r= 2 后驱动桥传动部分的设计 链轮和链条的设计计算 车传动系的功用 传动系统的主要任务是与发动机协同工作，以保证汽车能在不同的使用条件下正常行驶，并具有良好的动力性和燃油经济性。所以传动系统应具备以下功能：减速增扭；变速；必要时中断传动系统的动力传递；使车轮具有差速功能。 计计算 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 29 页 （ 1） 链轮齿数 i 齿数的选取原则：链传动速度高时，齿数多些；为考虑磨损均匀 ，链轮齿数应取与链节数互质的奇数。 链传动比 i 一般 7。若传动比过大，则链轮包角在小链轮上的包角过小，啮合的齿数太少，这将加速轮齿的磨损，容易出现跳齿，破坏正常啮合。 由变速器输出轴链轮齿数 5，按变速器三档传动比 计，发动机处于最大扭矩时，转速 0885r/轮半径 r= 设定最高车速 50km/h (由公式 得 201zi z （ 由公式 得 5。 （ 2） 排数和节距的确定 在一定的条件下，节距越大，链传动承载能力越强，但链传动的多边形效应越严重。所以为使链传动结构紧凑，寿命长，尽量取小节距的单排链。工况系数的选取见表 表 工作情况系数 作机特性 原动机特性 平稳传动 轻微冲击 中等冲击 平稳运动 等运动 重冲击 取 若传动速度高，传递的功率大；或传动中心距小，传动比大，去小节距的多排链。若传动中心距大而传动比小，取大节距的单排链。链排数的选取见表 表 排数系数 数 1 2 3 4 主动链轮齿形系数 用单排链 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 29 页 因为 0 A Z K P K 初定链条型号 525，节距 p= （ 3）大链轮分度圆直径 22s 8 0d p z（ 由公式 得 220 . 5 4 c o t (1 8 0 / z ) （ 由公式 得 同理， 可得 （ 4）初选中心距 a0 a 小，传动结构紧凑。但 a 太小，链条总长太短，单位时间里每一链节参与啮合次数过多，加剧链的磨损和疲劳。 载好，但链条长，横向振动大。 一般 0 (3 0 5 0 ) 。初定 0p=474 （ 5）链节数 0 1 2 2 102 ()22pa z z z z （ 由公式 得 8。 （ 6）确定实际中心距 221 2 1 2 2 1 ) 8 ( )4 2 2 2p z z z z z L (由公式 得 a=477 （ 7）链轮包角 1 2 11 8 0 ( d d ) 5 7 . 3 a （ 由公式 得 1 158 。 根据小链轮包角最小为 1200，可得中心距 a=121中心距可在 12177据总布置规划，取中心距 a=16p=260轮包角 1 152 。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 29 页 结 综上所述，决定购买型号为 520的链轮，链轮厚度 8料 45 钢，并加工成如图 方面可减轻链轮质量，降低惯性，另一方面也保证了链轮强度。其中间六个螺栓孔予以和法兰盘连接，具体尺寸见工程图。 图 链轮示意图 兰盘的设计计算 兰盘的作用 法兰连接是管道施工的重要连接方式，分螺纹连接（丝接）法兰和焊接法兰。本设计中，法兰盘用以连接大链轮与差速器外壳，起到差速器输入轴的作用。 计 法兰所用材料为 40计成如图 示样式，外圈六个螺纹孔用以和大链轮连接，中间凸台部分的外圈和差速器壳可通过花键连接进行传动。周围镂空部分的设计，可在保证其工作强度的同时减轻惯性。其外花键齿数由差速器外壳的参数决定。具体尺寸见工程图。 图 兰盘示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 29 页 兰盘受力计算 法兰盘所受最大螺栓剪力 m 21（ 00 i i （ 其中 6发 动 机 所 传 递 最 大 扭 矩 M ， 本款发动机中，有内置变速器，变速比为 将上述数据代入式 式 得 490N。 兰盘有限元分析 已知零件材料为 40性模量 10N/松比 08N/ （ 1）根据装配关系，对法兰与差速器壳连接的外花键部分施加夹紧约束，约束如图 图 兰所受约束示意图 （ 2）由强度校核部分可假设，六个螺纹孔所受合力均为 1500N。并且合力方向始终与螺纹孔的运动方向平行。故若假设最上端螺纹孔所受合力的大小为 1500N（沿 那么按照法兰回转方向，螺纹孔二所受力为 750N（沿 X 轴正方向）、 1300N（沿 Z 轴负方向）；螺纹孔三所受力为因为 750N(沿 X 轴负方向 )、 1300N（ 沿 Z 轴负方向）；由对称性可知，螺纹孔四、五、六所受的力分别与螺纹孔一、二、三所受的 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 29 页 力大小相等，方向相反。法兰盘与大链轮之间通过螺栓实现运动，所以对螺纹孔施加轴承负载，受力形式为正弦，受力方向如图 （ 3）计算完成后，其网格划分效果图 塞斯应力图 移图 图 兰网格划分示意图 图 兰米塞斯应力图 图 兰位移图 （ 4）结果表明，在施加的载荷作用下，法兰盘边最大位移约为 临近法兰支撑肋底部的附近，零件 承受的较大应力为 08N/08N/为钢材屈服应力值的四分之一，应力情况合格。 3 后驱动桥差速器部分的设计计算 速器及差速器壳体 速器的作用 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 29 页 汽车差速器主要是消除汽车在转弯时左右轮转速不一致而造成的机械干涉现象，如果没有差速器，就会因左右轮转速不一致而导致机械性损坏。 核心是蜗轮、蜗杆齿轮啮合系统，正是双蜗轮、蜗杆结构相互啮合互锁以及扭矩单向地从蜗轮传送到蜗杆齿轮的构造实现了差速器锁止功能，这一特性限制了滑动。托森差 速器外形如图 图 学生特别版托森差速器示意图 速器壳的作用 速器壳的形状是根据不同车型及差速器的结构确定的。有左右盖合拢式、花蓝式等。差速器壳是差速齿轮和半轴齿轮及十字轴等的骨架，差速器壳将它们组合在一起，其外部与大八字齿轮或外齿环相连接。差速器壳是差速器的主体，其作用如下 :安置十字轴或一字横轴；可保持差速器与后桥驱动车轮的传动轴线不变；力矩通过差速器传动出去。 速器的选择原则 本次比赛我校所用差速器，本着体积小，成本低，惯性小的原则，选择了大学生特别版托 森差速器，其限滑功能大大提高了赛车的过弯性能。 森差速器参数 大学生特别版托森差速器参数如图 示，与法兰啮合的内花键齿数为 46，与球笼啮合的内花键齿数为 28。 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 29 页 图 大学生特别版托森差速器参数示意图 速器轴承 速器轴承的作用 差速器轴承位于差速器壳左、右两侧，安装在减速器壳承座孔上，本设计中安装在差速器支撑上。它的作用是承受并传递差速器和减速器的驱动力，并减小传动摩擦阻力，提高传动效率。 择原则 差速器轴承的类型定为深沟球抽成，内径 大小由差速器外壳的参数决定。并尽量选取质量轻，外形小的轴承。 最终选定差速器左侧轴承型号为 6306，其基本参数如表 表 6306轴承基本参数 基 本 尺 寸（ d 30 安装尺寸（ 72 19 1 差速器右侧轴承型号为 6305，其基本参数如表 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 29 页 表 6305轴承基本参数 基 本 尺 寸（ d 25 安装尺寸（ 62 17 1 承校核 (1) 轴承压轴力的计算 1） 已知大小链轮齿数 5， 0，发动机最大输出功率 P=35节数 8，工况系数 K （ 由公式 算功率 5 2） 已知链条所传 递功率的效率 为 （ 由公式 得实际功率 0 。 3） 已知链节距 p=节数 8 1000 （ 由公式 得链长 =已知发动机最大功率时所对应转速 105r/ 116 0 1 0 0 0n z （ 由公式 得链速 28.2 m 。 5）工作拉力 1 0 0 0 1 1 2 5 e 故轴上的径向压力 Q= （ 2） 轴承寿命校核 已知 6305 轴承基本额定载荷 ( 6306 轴承基本额定载荷（ 基本额定载荷 的轴承进行寿命计算。已知极限转速（脂润滑）为9000r/ 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 29 页 6 0 （ 其中 =3 ，当量动载荷 由公式 得 h =10833 根据往届比赛经验，可知轴承寿命符合比赛使用。 速器支撑 速器支撑的作用 差速器支撑用以承放差速器轴承，并实现差速器在车架上的定位。 速器支撑的设计 差速器支撑所用材料为 7075结构如图 3取这样三角板式设计，可以有效避免差速器、大链轮与车架干涉，板中间掏空，并设计加强筋，既可以减轻重量，同时也保证了支架的工作强度，保证两支架可以对差速器进行有效定位。其中大圆用来承放差 速器轴承，两端小圆用来与差速器调节吊耳连接。左右两差速器支撑的具体尺寸，见工程图。 图 速器支撑示意图 限元分析 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 29 页 已知零件材料为 氏模量 10N/松比 08N/过对左右支撑进行对比可知，左侧支撑受力较大。故对左侧支撑进行有限元分析。 （ 1）根据装配关系，对左支撑安装吊耳的两个螺栓孔施加夹紧约束。由上述轴承校核中压轴力的计算过程可知，支架所受最大压轴力为 1351N，故对左支撑施加轴承负载，合力取 1400N。因为差速器支 撑主要用于差速器的定位，所以其在竖直方向所受的力要远大于其在水平方向的受力，故设定其受力为 650N（沿 Y 轴负方向），1250N(沿 ,设定其受力形式为正弦，方向如图 图 速器支撑所受约束示意图 （ 2）计算完成后，其网格划分效果图 塞斯应力图 移图 图 格划分效果图 图 塞斯应力图 图 移图 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 29 页 （ 3）结果表明，在施加的载荷作用下，左支撑最大位移约为 临近左支 撑下部加强肋的附近，零件承受较大应力为 06N/08N/应力情况合格。 节吊耳的设计 节吊耳作用 调节吊耳一可以防止差速器支架在赛车 可以通过调整拧入的牙数来调整链轮与车架的位置。 节吊耳的设计 采用材料为 45 钢 ，其设计如图 具体尺寸见工程图。 图 耳示意图 4 后驱动桥其他零部件的计算 笼 笼作用 球笼也叫做等速万向节，作用是将 发动机 的动力从变速器传递到两个驱动 车轮 ，驱动 轿车 高速行驶。内球笼是连接变速箱差速器部位的，外球笼是连接车轮部位的，外球笼的作用不管是动力输出的还有车辆转弯时都是外球笼在起作用。 择原则 本设计中，赛车内球笼采用伸缩式万 向节，外球笼为固定式万向节。球笼外形尺寸和花键齿数由差速器参数决定。决定采用奥拓汽车上的球笼，并加以修改。其中左 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 29 页 侧内球笼与右侧相比，因为其要穿过链轮法兰与差速器齿轮相啮合，所以凸起部分加工得比右侧稍长。内球笼外形图 图 笼示意图 球笼参数 与差速器啮合的花键，齿数为 28，与半轴啮合花键，齿数为 21。 轴设计 轴作用 半轴 是 差速器 与驱动轮之间传递扭矩的实心轴，其内端一般通过花键与 半轴齿 轮连接，外端与 轮毂 连接。半轴将差速器传 来的扭矩再传给车轮，驱动车轮旋转，推动汽车行驶。本设计采用全浮式半轴，其内端用花键与差速器的半轴 齿轮 相连接，半轴的外端锻出凸缘，用螺栓和轮毂连接。 轴设计 半轴采用材料为 40质处理，其直径由球笼确定为 22据赛车总布置参数，可知半轴长度 360轴两端花键齿数为 21。具体参数见工程图。 轴有限元分析 已知零件材料为 40性模量 10N/松比 08N/ （ 1）根据装配关系，对半轴一端施加夹紧约束。由上述法兰强度校核过程可知，半轴所传递扭矩为 M，对半轴另一端添加扭矩 570 N M。其约束受力如图 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 29 页 图 轴所受约束示意图 （ 2）计算完成后，其网格划分效果图 塞斯应力图 移图 图 轴网格图 图 轴 网格图 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 29 页 图 轴位移图 （ 3）结果表明，在施加的载荷作用下，半轴最大位移约为 临近左支撑下部加强肋的附近，零件承受最大应力为 08N/08N/所受最大 约为钢材屈服应力的六分之五，应力情况合格。 毂 计思路 轮毂又称轮盘，是车轮上安装轮胎的零件。我校赛车轮毂设计思路如下，先竖立轮辋，在轮毂内放置立柱，卡钳，刹车盘，测量轮辋深度，观察并测量剩余空间，根据具体布置来设计外形，并不断改善，做校核分析。 计步骤 （ 1）各个零件规格参数如下： 轮辋规格： 10 轮辋单边：如下图 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 29 页 图 轮辋单边尺寸示意图 刹车盘：直径 160 4间大孔直径 60个螺纹孔的孔径为 8布直径 80 卡钳：卡钳尺寸如图所示。 图 钳尺寸示意图 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 29 页 立柱：参照工程图 立柱内部轴承：型号为 32910,基本参数见表 表 轴承 32910基本参数 外 形 尺 寸（ 内径 d 50 公称宽度 T 15 外径 D 72 外圈宽度 C 12 内圈宽度 B 15 倒 角 1 （ 2）将刹车盘、立柱、卡钳、轴承在轮辋中按照规定位置布置后，其三维效果图 图 置布置图 （ 3）设计过程中，按照轮毂在后车架的作用，先确定其与轮辋单片的连接位置。固定销的长度，十字轴式的固定结构外形，不仅能确保在运动过程中轮毂的强度，也有效减轻了质量，减小惯性，将轮毂与轮辋单片中间进行轴向定位的凸台铣出深孔，也是为了减轻轮毂质量。 （ 4）为避免卡钳与轮毂连接刹车盘的固定孔的干涉，要在轮毂的轴向留出足够空间。 （ 5）轮毂与刹车盘的固定原则基本同（ 3），并根据刹车盘螺纹孔的规 格选定螺栓和螺母。 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 29 页 （ 6）轮毂轴向与轮边球笼连接部分的外径，由轴承决定，内径和花键尺寸，有球笼决定。 （ 7）轮毂三维图 体尺寸见工程图。 图 辋示意图 向工况下，后轮毂的受力分析 设侧向加速度 a= （ 1） 地面垂直力的计算 静载下情况下， 前轴受力 4 6 1 3 7 0m g N 故其中单侧车轮受力 685轴受力 5 3 . 4 % 1 5 7 0m g N , 故其 中单侧车轮受力 785 由于车轮转向时会引起内外侧车轮受地面垂直载荷发生转移，导致内侧车轮受力减少，外侧车轮受力增加。 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 29 页 图 向工况下车轮受力示意图 内外侧车轮载荷转移量相等 ，示意图 力矩平衡得到： 20 1 . 3 5 3 . 4 % L m g H （ 将数据带入式 得 4 6 1 后轮内侧车轮（右侧车轮）受地面垂直力 为 2 3 2 3 r r F N 后轮外侧车轮（左侧车轮）受地面垂直力 为 1 1 2 4 6 r r F N （ 2） 地面侧向力的计算 后轮所受侧向力 2 1 3 2 0 4 0 LF m g 。 （ 3） 以左后轮为研究对象 忽略轮胎自重，其受力如下图 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 29 页 图 向工况下左后轮受力示意图 根据受力平衡，有 2210 c o s 7 c o s 4 2 . 40 s i n 7 s i n 4 2 9 5x u c a L l c a p rz u c a pL u c ar g rF r F c o F F F (式中 车架对上横臂的作用力。 车架对斜推杆的作用力。 车架对下横臂的作用力。 地面对左后车轮的侧向力。 地面对左后轮的法向载荷。 r 为轮胎半径。 上横臂，斜推杆与水平方向夹角分别为 7 , 由方程组 得， （ 4） 以左后轮毂为研究对象 忽略轮毂自重，其受力分析如图 示 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 29 页 图 向工况下轮毂示意图 根据受力平衡，有 2222Ll u mu m F F F FF r F r （ 式中 轮毂通过与轮辋连接处四个螺栓作用在轮胎上的力 r 连接处螺栓到轮毂回转轴线的距离。 =54r 轮胎半径 由方程组解 得 4 9 0 1 . 9 3 8 8 1 . 4 5 1 0 . 2 N 4 3 9 1 . 7l u 。 垂直方向上，假设四个螺栓受力相等有 14 z 解 得 。 （ 5）轮毂受力与上述力大小相等，方向相反。 向工况下，后轮毂的有限元分析 已知零件材料为 40性模量 10N/松比 08N/ （ 1）根据装配关系，对轮毂与半轴的连接端施加夹紧约束，对轮毂与轮辋连接处的螺栓施加夹紧约束。由上述法兰强度校核过程可知，半轴传递到轮毂的扭矩为 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 29 页 未找到引用源。 M，故对轮毂与半轴的连接端添加扭矩 570 未找到引用源。 M。对螺栓添加 5）中计算所得的力，已知螺栓径向截面面积 对照图 4示，中间两个螺栓所受平均轴向压力载荷为 06N/部螺栓所受平均轴向压力载荷为 07N/上部螺栓施加分布力 3900N。 （ 2）同时根据轮毂所传递的最大扭矩，未找到引用源。 M，故可对四个螺栓施加如图 4受力方向均与螺栓的运动方向平行，大小均为 1866N。 图 向工况轮毂所受约束示意 图 （ 3）计算完成后，其网格划分效果 塞斯应力图 移图 下所示。 图 毂网格划分图 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 29 页 图 向工况轮毂米塞斯应力图 图 向工况轮毂位移图 （ 4）结果表明，在施加的载荷作用下，轮毂边最大位移约为 轮毂与球笼连接处的附近，零件承受较大应力为 08N 为钢材屈服应力值的五分之三，应力情况合格。 制工况下，后轮毂的受力分析 设制动减速度 a= （ 1） 地面垂直力计算 赛车在制动过程中会发生前 后轮的载荷转移。 根据受力平衡 ,有 1122 1 . 4/2 m g b m g G （ 式中 本科毕业设计说明书（论文） 第 25 页 共 29 页 地面对单个前轮的法向作用力。 地面对单个后轮的法向作用力。 为质心高度。 由方程组 4得 121 0 3 3 . 9 4 3 6 . 1 F N。 （ 2） 面制动力计算 11221 . 4 1 4 4 7 . 4 61 . 4 6 1 0 . 5 4 N 前 轮后 轮（ 3） 以后轮胎和后轮毂为研究对象 其受力分析如下图 图 动工况下轮毂受力分析 根据受力平衡，有 222?222004b h w xz h w zh w T r F r （ 式中 轮毂与轮辋连接处螺栓对轮辋作用力。 轮毂对车轮作用 轮毂对车轮作用 本科毕业设计说明书（论文） 第 26 页 共 29 页 r 轮毂与轮辋连接处螺栓半径， r=54 由方程组 得 2226 1 0 4 3 6 6 w xh w zh w （ 4）以刹车盘与轮毂的连接螺栓孔为研究对象 根据力矩平衡，有 114F R F R （ 式中 2500N。 72 为 40 由式 F=1125N。 （ 5）结论 上述计算结果与 知，后轮毂的设计满足制动工况下的受力要求。 本科毕业设计说明书（论文） 第 27 页 共 29 页 结 论 设计并选定了后驱 动桥中各个零部件，包括链轮、链条、差速器、球笼、轴承的选购以及半轴、差速器支撑、吊耳、轮毂的设计、计算、校核。 所选用差速器在保证了后轮能以汽车动力学所要求的差速滚动外，还保证能将转矩平稳而连续的传递给左右驱动轮。在关键零部件的校核中，根据赛车的不同工况，对零件进行有限元分析，并在分析过程中对零件结构进行改善。所以各零部件在保证了强度、刚度、可靠性和使用寿命的前提写，也减轻了质量，改善了赛车的平顺性。 但在设计过程中同样暴露出一些问题，比如外购件无法完全匹配使用，需进行局部修改；自制件无法完全按照设计图纸进 行加工，成本较高；有限元分析时所提供数据不足，无法完全正确的模拟出实际工况等，这些都有待解决。 本科毕业设计说明书（论文） 第 28 页 共 29 页 致 谢 首先，感谢母校给我提供了这样的一个机会，让我再走上社会之前弥补了自己学习上的不足。此次的毕业设计历时三个月，是我在大学过程中遇到的耗时最长，工作量最大，设计内容最广的一次设计，是对我大学四年所学的一个回顾与提升。四年的大学生涯即将结束，而我也将面对一个新征程的开始。 其次，在论文完成之际，要感谢我的导师王霞，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，深深地感染和激励着我。从课题的选定到 论文的最终完成，王老师始终在给予我细心的指导和不懈的支持。她精益求精的工作作风也将永远是我学习的榜样。 此外还要感谢我的同学，他们用一次次无私的帮助再次展现了的团队合作的强大力量。他们也会成为我一生不可或缺的朋友。 再次对所有在我大学生涯里提供过帮助的人表示感谢，也祝愿你们工作顺利、身体健康！ 本科毕业设计说明书（论文） 第 29 页 共 29 页 参 考 文 献 1 陈家瑞 主编 . 汽车构造 M 第三版 机械工业出版社 , 2007 2 王望予 主编 . 汽车设计 M 第四版 机械工业出版社 , 2004. 3 余生志 主编 . 汽车理论 M. 第五版 机械工业出版社 , 2006. 4 郑英娟 . 我国重型汽车车桥历史、现状及发展趋势 J. 汽车实用技术 , 2010(2)： 195 莫思剑 . 浅析我国商用汽车车桥的发展及趋势 J. 装备制造技术 , 2005(1)： 376 杨秀峰 . 国内驱动桥技术特点 N. 中国县域经济报 , 20105). 7 孙忠云 . 基于可靠性优化的汽车驱动桥壳设计研究 D. 南京： 南京理工大 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 专 业 ： 车辆工程 设计 (论文 )题目 ： 大学生方程式赛车驱动桥的设计 指 导 教 师 : 王霞 年 月 日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 1. 课题研究的背景 大学生方程式赛车活动以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、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企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台； 二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，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、快速和可持续发展积蓄人才 ,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。 汽车驱动桥主要由主减速器、差速器、半轴、万向节、驱动车轮和桥壳组成。 汽车驱动桥技术工艺，是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力，是否能不断领先于竞争者的重要依据 1。 本课题的研 究 设计 可 适用于 2013 年南京理工大学生方程式赛车的驱动桥总成。 对赛车进行差速器，链传动系，后轴强度的研究。 我们将 通过对驱动桥的优化设计，来为赛车其他部件的分析优化提供新的思路和方法，以达到对赛车进行整体优化的目的。 2. 驱动桥 总成 的发展现状 （ 1）汽车驱动桥总成的现状 国外汽车驱动桥已普遍采用限滑差速器、湿式行车制动器等先进技术 7。限滑差速器大大减少了轮胎的磨损，而湿式行车制动器则提高了主机的安全性能，简化了维修工作。限滑差速器成本较高，因而在多数国产驱动桥上一直没有得到应用。 与国外先进产品相比，国内驱 动桥齿轮传动装置技术水平仍相对较低，不足之处主要有两个方面：一是齿轮、轴类、壳体等零件材料与制造工艺与国外产品相比存在一定差距，存在整体重量与体积较大，使用寿命短等缺陷；二是技术性能相对落后，普遍没有采用自锁式防滑差速器和湿式制动器等先进装置 4。 在西欧，带轮边减速的双级主减速器后驱动桥只占整个产品的 40%，且有呈下降趋势，在美国只占 10%。其原因是这些地区的道路较好，采用单级减速双曲线螺旋锥齿轮 副成本较低，故大部分均采用这种结构。而亚洲、非洲和南美国家则采用带轮边减速的双级主减速器的驱动桥， 用于非道路和恶劣道路使用的车辆 (工程自卸车、运水车等 )。因此可以得出结论 :一个国家的道路愈差，则采用带轮边减速双级主减速器驱动桥愈多，反之，则愈少 6。 （ 2）大学生方程式赛车驱动桥总成 的现状 赛车的传动系统是赛车动力输出的关键， 其首要任务 是与发动机协同工作，以保证汽车能在不同使用条件下正常行驶，并具有良好的动力性和燃油经济性。 目前大部分高校 车采用的都是中置后驱形式，动力由变速器输出轴传递到差速器壳体采用链传动（在差速器壳体上安装链轮，取消主减速器）。此传动方式有如下优点：省去传动轴与主 减速器，减轻了整车装备质量；发动机制动时，由于链条有许多间隙，故能吸收震动 10。 限滑差速器在赛车上的运用，可对赛车性能的提升起到关键的作用。相比国外学校对限滑差速器的研究以及使用，国内目前仍有一定的差距。调研发现，国外 队差速器多采用限滑差速器。欧美车队多采用托森式差速器。由于国外有专门为 工托森差速器齿轮的厂家，购买方便。而购买摩擦片是限滑差速器的可行性较高。目前国内对于小型车限滑差速器，尤其是对小型方程式赛车限滑差速器的研究比较少，而限滑差速器的 设计对赛车的动力性以及操纵稳定性却有很大 的影响，在赛车其他条件条件相近的情况下，装备限滑差速器对赛车成绩的提升至关重要 10。 综合分析 ,虽然汽车科技发展迅速 ,但在目前的状态下车桥的结构并没有多大的变化 ,车桥技术的进展主要是 :改变桥壳的制造工艺以提高制造的效率、增加车桥附件的技术含量以提高车辆行驶安全性、提高车桥的自润滑能力以提高车桥的使用寿命、增加电子技术在车桥的上应用以减少人工操纵的疲劳、减少维修费用、提高服务质量、降低车桥成本以提高车桥的竞争力等方面开发车桥 ,从最大限度上满足车桥高速、重载、智能发展的需要 ,以生产出具
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