货车传动系统匹配与总体设计.doc

太原科技大学汽车理论课程设计（论文）载货汽车动力总成匹配与总体设计摘 要随着我国公路运输业的快速发展，汽车货物运输在综合运输体系中所占比重逐年上升，载货汽车保有量的增加加剧了能源消耗，而动力传动系统匹配是在保障载货汽车动力性基础上改善燃油经济性的有效方法，也是汽车工程和汽车运输工程研究领域的焦点问题之一，因此研究载货汽车动力总成匹配与总体设计具有十分重要的实际意义。本文以载货汽车的动力总成匹配与总体设计为主线，通过对汽车进行动力性计算和传动系总成的选型来设计一款最高时速90Km/h、最大爬坡度30%、最大总质量ma=8700kg的载货汽车。设计主要内容如下：1) 发动机型号的确定：通过发动机的外特性曲线计算出发动机的最大功率及转速、最大转矩及其转速，最终选择中国重汽MC05.14-40型号柴油发动机。2) 传动系最小、最大传动比的确定：通过最高车速和最大爬坡度计算出最小传动比i6=0.733、最大传动比i1=5.864，选择一汽CA6TBX070M型号的六档变速器，中国重汽MCY05J单后桥型号主减速器，主减速比i0=5.293) 动力性计算：通过汽车驱动力和行驶阻力及加速性能计算绘制出汽车驱动力-行驶阻力平衡图、加速度曲线图、加速度倒数曲线图、二挡原地起步加速到70km/h加速时间图，并计算出该车最大爬坡度imax=0.381，最高车速umax=90.01km/h，70公里加速时间t70=30.93s4) 汽车总体布置：该货车采用平头式、4x2前置后驱的布置形式。关键词：载货汽车；传动参数；动力性匹配；发动机及传动系部件定型目 录摘 要I课程设计任务书11设计题目12性能参数要求13具体设计任务14参考文献1第1章整体主要目标参数的初步确定21.1.发动机的选择21.1.1.发动机最大功率及转速的确定21.1.2.发动机最大转矩及转速的确定31.2轮胎的选择41.3.传动系最小传动比的确定51.4传动系最大传动比确定5第2章传动系各总成选型62.1发动机选型62.2离合器的选型72.3变速器的选型72.4传动轴选型82.5驱动桥的选型82.5.1驱动桥结构形式和布置形式的选择82.5.2主减速器结构形式82.5.3驱动桥的选型8第3章整车性能计算93.1汽车动力性能计算93.1.1发动机外特性曲线93.1.2汽车驱动力和行驶阻力103.1.3动力特性因数123.1.4最大爬坡度及附着率133.2汽车加速性能计算143.3汽车功率平衡计算18第4章发动机与传动系部件的确定214.1发动机与传动系部件确定214.2总体布置图21第5章设计总结225.1全文工作总结225.2设计心得体会22参考文献23II课程设计任务书课程设计任务书1 设计题目载货汽车动力总成匹配与总体设计2 性能参数要求根据给定的参数，设计一辆最高速度90km/h、最大爬坡度30%的载货汽车表0-1 设计参数表额定装载质量（kg）最大总质量（Kg）比功率（Kw/t）比转矩（Nm/t）学号500087002047203 具体设计任务1) 查阅相关资料，分析设计题目，进行发动机、离合器、变速箱传动轴、驱动桥以及车轮的选型设计。2) 根据所选总成进行汽车动力性估算，实现整车的优化配置。3) 绘制设计车辆的总体布置图。4) 完成1万字的设计说明书4 参考文献1) 王望予.汽车设计.机械工业出版社.2) 余志生.汽车理论.机械工业出版社.3) 陈家瑞.汽车构造.人民交通出版社.4) 汽车工程手册.机械工业出版社.5) 成大先.机械设计手册（第三版）.1第1章 整体主要参数的确定第1章 整体主要目标参数的初步确定1.1. 发动机的选择在汽车动力传动系统中，发动机是重要的组成部分之一，发动机性能的好坏直接影响到整车的动力性和燃油经济性。除了混合动力汽车外，目前国内应用于货运汽车上的发动机有两类：汽油发动机和柴油发动机1。柴油机与汽油机不仅使用的燃料不同，而且因排放对环境造成的污染、工作噪声、振动、使用可靠性、耐久性及质量大小等诸多方面均有较大的区别2。相比于汽油机，柴油机主要有以下几个优点：1) 柴油发动机动力强劲。相对于汽油发动机来说，柴油发动机在尺寸方面限制较小，因而可以制造出压缩比很高的发动机，产生更大功率与扭矩。2) 柴油发动机的工作方式为压燃式，采用稀薄的混合气燃烧，因此热效率高，工作可靠，工作寿命也要比汽油机高。3) 柴油机排放低，尤其是一氧化碳和碳氢化合物排放低，在环保节能方面性能突出。而且柴油机及价格相对便宜，工作可靠，燃油经济性好，所以在我国载货汽车上得到普遍使用。确定了发动机的基本形式应按照要求合理选择发动机的最大功率。发动机的最大功率愈大汽车的动力性愈好，但发动机功率过大会使发动机利用功率降低，燃油经济性下降，动力传动系质量也要增大3。因此，应合理选择发动机的功率。1.1.1. 发动机最大功率及转速的确定根据所设计汽车应达到的最高车速vamax（km/h），用下式估算发动机最大功率。(1-1)式中：T传动系效率，对驱动桥单级主减速的4X2汽车可取90%ma汽车的总质量（kg）g 重力加速度（m/s2）fr滚动阻力系数，对货车取0.02CD空气阻力系数，货车取0.601.00A汽车正面投影面积（m2）汽车的空气阻力系数与迎风面积参照下表1-1 进行选取A=6m2，CD=0.8。表1-1 汽车的空气阻力系数与迎风面积车型迎风面积A/m2空气阻力系数CDCDA/m2备注货车3-70.6-1.0客车4-70.5-0.8将T=90%，ma=8700kg代入式1-1得为了检验计算的合理性，我们通过式1-2计算其比功率与同级汽车的比功率统计值对比。（1-2）代入数据到式1-2得 表1-2 汽车动力性参数范围汽车类别最高车速（km/h）比功率（kw/t）比转矩（Nm/t）货车最大总质量/t1.86.080-13515-2538-446.014.075-12010-20233-47比功率12.04kw/t在表1-2给定的范围10-20kw/t之内，所以初步选定发动机的功率为102.8kw。柴油机最大功率 对应转速 在1800-4000r/min之间，总质量大些的货车柴油机值在1800-2600r/min之间。采用高转速的发动机虽然能提高功率，同时也有使活塞运动的平均速度增快、热负荷增加、寿命降低等缺陷。1.1.2. 发动机最大转矩及转速的确定发动机的最大功率确定之后，还应考虑发动机的最大扭矩 。发动机最大扭矩对汽车的动力性因数、加速性能和爬坡能力都有直接影响。发动机的扭矩适应系数 则标志着汽车行驶阻力增加时发动机沿着外特性曲线自动增加扭矩的能力。 值越大则换挡次数可显著减小。车用柴油机的 值多在1.05-1.25之间4,这里 取1.2.发动机的最大功率和相应的转速确定后，可按照式（1-3）求发动机最大扭矩 （1-3）初选 =2400r/min，=1.2代入上式1-3得 一般用发动机适应性系数 ，表示发动机转速适应行驶工况的程度， 值越大，说明发动机的转速适应性越好。采用 值大的发动机可以减小换挡次数，减轻司机疲劳、减少传动系的磨损和降低油耗。通常，柴油机取1.2-1.6，以保证汽车具有适当的最低稳定车速。初取 =1450r/min，则 ， 。1.2 轮胎的选择轮胎的尺寸和型号是进行汽车性能计算和绘制总布置图的重要原始数据5。选择的依据是车型、使用条件、轮胎的额定载荷以及汽车的行驶速度。参照汽车轴荷分配表1-3来计算前后轮胎所受的载荷。表1-3 汽车的轴荷分配车型满载空载商用货车4x2后轮单胎前轴后轴前轴后轴32%-40%60%-68%50%-59%41%-50%通过式1-4、1-5来计算前后轮胎满载和空载时的负荷 （1-4）（1-5）将汽车的前后轴距、空载满载的总质量代入，汽车前后轮胎负荷的计算结果见表1-4表1-4 汽车满载、空载状态下轮胎负荷满载空载前轴（N）后轴（N）前轴（N）后轴（N）29841554192699922050通过查阅货车轮胎标准GB2977-2008载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷和参考同类车型所选的轮胎，轮胎规格选择如下表1-5。表1-5载货汽车轮胎的规格、尺寸及使用条件轮胎规格层数主要尺寸/mm使用条件断面宽外直径最大负荷/N相应气压P/（0.1Mpa）标准轮辋允许使用轮辋普通花纹10.00R20162781055263006.37.57.5V1.3. 传动系最小传动比的确定载货汽车若无分动器，则传动系的最小传动比等于主减速器的主减速比乘以最高档的传动比 。主减速器比 是主减速器设计的原始数据，在汽车总体设计时确定的。普通载货汽车最高档通常选用直接档6 , 主减速器比可按下式（1-6）进行估算 （1-6）式中： 驱动轮滚动半径（m），近似等于自由半径r发动机最大功率时转速（r/min）货车最高车速，=90km/h变速器最高档传动比，=1所以 ，初取 =5.29确定了主减速器减速比在反过来进一步确定变速器最高档传动比，按照下式（1-7）进行计算（1-7）代入数据到式（1-7）得1.4 传动系最大传动比确定确定最大传动比时要考虑三方面问题：最大爬坡度、附着率及汽车最低稳定车速。就普通载货汽车而言，传动系最大传动比 是变速器的I挡传动比 与主减速器传动比 的乘积。当已知时，确定传动系最大传动比也就是确定变速器I挡传动比。7汽车爬大坡时车速很低，可忽略空气阻力，汽车最大驱动力通过下式（1-8） （1-8） （1-9）前面已经计算得到r=0.527，发动机最大转矩=491；主减速器比 ，数据代入式（1-9）得。根据驱动车轮与路面附着条件按下式（1-10）计算 （1-10）求得变速器I挡传动比为 （1-11）式中：道路系数，在良好道路面上取 汽车满载静止于水平路面时驱动桥承受的载荷（N）设计采用单桥驱动，轴荷分配见表1-3，则综上所述，初步选取变速器I挡传动比 第2章 传动系各总成选型2.1 发动机选型根据所需发动机的最大功率和最大转矩及相应转速，初步选择中国重汽MC05.14-40型号柴油发动机主要技术参数如表2-1所示表2-1 MC05.14-40型号柴油发动机主要技术参数型号中国重汽MC05.14-40额定功率（kw）103最大扭矩时转速（r/min）1400额定转速（r/min）2400怠速时转速（r/min）700最大扭矩（Nm）5357第2章 传动系各总成选型2.2 离合器的选型离合器是汽车传动系统中直接与发动机相联系的部件，主要功用是：保证汽车平稳起步、保证传动系统换挡时工作平顺、防止传动系统过载8。为了保证离合器在任何工况下都能可靠传递发动机的最大转矩，离合器的静摩擦力矩 应满足下式（2-1） （2-1）式中： 离合器的后备系数后备系数是离合器设计的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度，在选择时，应考虑摩擦片在使用中磨损后离合器仍能可靠传递发动机转矩、防止离合器滑磨时间过长、防止传动系过载及操纵轻便等因素9。为可靠传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨时间过长，值不宜选的太大；采用柴油机时，由于工作粗暴，选取值应偏大些。汽车离合器的取值范围见表2-2表2-2 离合器后备系数的取值范围车型后备系数乘用车及最大总质量小于6t的商用车1.20-1.75最大总质量为6-14t的商用车1.50-2.25挂车1.80-4.00根据表2-2，初步选取。所以离合器静摩擦力矩由式（2-1）求得 。根据 ，我们初步选定了东风传动轴有限公司生产的，转矩容量为1050Nm的DSP220拉式膜片弹簧离合器。2.3 变速器的选型轻型货车和中型货车比功率小，所以一般采用五档变速器，重型货车的比功率更小，使用条件也更为复杂。重型车辆发动机工作时间长，油耗量大，且本身自重很大，一般采用6档甚至十几个档的变速器，以适应复杂的使用条件，使汽车具有足够的动力性与良好的燃油经济性10。由前面的计算我们知道变速器的最小传动比 ，最大传动比 ，所以我们选择一汽CA6TBX070M型号的六档变速器，具体参数如下表表2-3 一汽CA6TBX070M型号六档变速器参数系列最大扭矩档位123456CA6TBX070M685超速档5.8643.5252.111.28610.7332.4 传动轴选型该车前后轴距不大，传动轴不需要分段处理。传动轴中由滑动叉和矩形或渐开线型花键轴组成的滑动花键来实现长度变化。当传递转矩的花键伸缩时，产生的轴向阻力 为 （2-2）一般驱动桥传动轴均采用一对十字轴万向节。十字轴万向节两轴夹角不宜过大，当 由4增至16时，滚针轴承寿命下降至原来寿命的1/4.十字轴万向节夹角的允许范围如表2-4所示表2-3 十字轴万向节夹角的允许范围万向节安装位置或相连两总成不大于驱动桥传动轴汽车满载静止一般汽车6越野汽车12行驶中的极限夹角一般汽车15-20短轴距越野汽车302.5 驱动桥的选型驱动桥处于传动系的末端，其基本功用是增大又传动轴传来的转矩，将转矩分配给左右车轮，并使左右车轮具有差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架之间的垂向力、纵向力和横向力。11 2.5.1 驱动桥结构形式和布置形式的选择驱动桥的结构形式和布置形式有关，货车的驱动轮采用非独立悬架，相应的采用非断开式驱动桥。2.5.2 主减速器结构形式减速器形式的选择与汽车的类型和使用条件有关，主要取决于动力性、经济性等整车性能所要求的主减速比 的大小及驱动桥的离地间隙、驱动桥的数目及减速形式等。单级主减速器具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、制造成本低等优点，因而广泛应用于主减速比 的汽车上。由于所设计的载货汽车的轴数和驱动形式为 型，所以选用单级主减速器。2.5.3 驱动桥的选型根据计算的主减速比，初步选择中国重汽生产的MCY05J单级减速驱动桥，具体参数见下表2-4表2-4 MCY05J单级主减速器驱动桥型号MCY05J单后桥型式中央单级减速器额定轴荷5500速比5.29板簧座中心距（mm）940标准轮距（mm）1595差速器锁止装置无制动器形式鼓式制动器重量不包括润滑油305第3章 整车性能计算3.1 汽车动力性能计算3.1.1 发动机外特性曲线发动机外特性曲线我们无法直接计算，我们参考经验公式（3-1）来进行发动机数据的估算：（3-1）式中： 最大扭矩（Nm）最大功率时对应的扭矩（Nm）最大功率时对应的转速（r/min）最大转矩时对应的转速（r/min）利用matlab绘制的发动机外特性曲线如下图（3-1）11第3章 整车性能计算图3-1 发动机外特性曲线Matlab程序如下：n=700:10:2400;Mx=535-0.00008025.*(1400-n).2;Pe=Mx.*n/9550;plotyy(n,Pe,n,Mx);title(发动机外特性曲线图);xlabel(n(r/min);ylabel(P/kw);3.1.2 汽车驱动力和行驶阻力汽车行驶过程中必须克服滚动阻力 和空气阻力 的作用，加速时会受到加速阻力 的作用，上坡时会受到重力沿坡道分力坡度阻力 的作用。汽车行驶时驱动力与行驶阻力的平衡方程为 （3-2）发动机在转速n下发出的转矩 ，经汽车传动系传递到驱动轮上的驱动力 按下式计算 （3-3） 式中： 发动机转矩（Nm） 变速器速比 转减速器速比，在驱动轮不打滑的情况下，发动机转速n（r/min）所对应的汽车的车速（km/h） 为 （3-4）滚动阻力 （3-5）式中：f滚动阻力系数 坡道的坡度角空气阻力 为 （3-6）利用matlab绘制出汽车行驶-阻力平衡图（3-2）图3-2 驱动力-行驶阻力平衡图从图3-2可以看出，选用中国重汽MC05.14-40型号柴油发动机的载货汽车最高车速在90km/h附近。Matlab程序如下：for ig=5.864,3.525,2.11,1.286,1,0.733 Ua=0.377*r*n/ig/i0; Ft=Mx*ig*i0*eff/r; plot(Ua,Ft); hold on;endFf=G*f;ua=0:0.1:max(Ua)Fw=CdA*ua.2/21.15;plot(ua,(Ff+Fw);title(驱动力-行驶阻力图);xlabel(Ua/(Km/h);ylabel(Ft/N);gtext(Ft1),gtext(Ft2),gtext(Ft3),gtext(Ft4),gtext(Ft5),gtext(Ft6),gtext(Ff+Fw);x,y=ginput(1);disp(汽车最高车速);disp(x);disp(Km/h);3.1.3 动力特性因数分析汽车的动力性我们也可以通过汽车的动力特性图来分析，动力因数以符号D表示。 （3-7）通过matlab绘制出的动力特性图如下图（3-3）所示图3-3 动力特性图Matlab程序如下：for ig=5.864,3.525,2.11,1.286,1,0.733 Ua=0.377*r*n/ig/i0; Ft=Mx*ig*i0*eff/r; Fw=CdA*Ua.2/21.15; Dmax=(Ft-Fw)/G; plot(Ua,Dmax); hold on;endtitle(汽车动力特性图);xlabel(Ua/(km/h);ylabel(Dmax);gtext(1),gtext(2),gtext(3),gtext(4),gtext(5),gtext(6);3.1.4 最大爬坡度及附着率最大爬坡度 为I挡时的最大爬坡度。最高档的最大爬坡度亦引起注意，特别是货车，因为货车经常是以最高档行驶的，如果最高档的爬坡度过小，迫使货车在遇到较小的坡度时经常换挡，这样就影响了行驶的平均车速。 （3-8）即最大坡度： （3-9）克服最大爬坡度时的附着率C （3-10）式中：C汽车驱动轮附着率a汽车质心至前轴距离（m）L汽车轴距（m） 汽车质心高度（m）利用matlab绘制的各挡爬坡度如下图（3-4）图3-4 汽车各档爬坡度Matlab程序如下：for ig=5.864,3.525,2.11,1.286,1,0.733 Ua=0.377*r*n/ig/i0; Ft=Mx*ig*i0*eff/r; Ff=G*f; Fw=CdA*Ua.2/21.15; i=tan(asin(Ft-(Ff+Fw)/G); plot(Ua,i); axis(0 90 0 0.4) hold on;endtitle(汽车爬坡度);xlabel(Ua/(km/h);ylabel(i(%);gtext(1),gtext(2),gtext(3),gtext(4),gtext(5),gtext(6);3.2 汽车加速性能计算汽车的加速能力可用它在水平良好路面上行驶时能产生的加速度评价，由于加速度数值不易测量，实际中常用加速时间来表示汽车加速能力。比如用直接挡行驶时，由最低稳定车速加速到一定距离所需时间表明汽车的加速能力。 （3-11）式中： 汽车旋转质量换算系数在这里取道路坡度为零的平直路面上行驶进行计算，即 。通过计算得汽车各挡加速度曲线如图3-5所示图3-5 加速度曲线图Matlab加速度程序如下：for ig=5.864,3.525,2.11,1.286,1,0.733 Ua=0.377*r*n/ig/i0; q=1+Iw/(m*r2)+If*ig2*i02*eff/(m*r2); Ft=Mx*ig*i0*eff/r; A=(Ft-(Ff+Fw)/q/m; plot(Ua,A); hold on;endtitle(加速度曲线);xlabel(Ua/(km/h);ylabel(a);gtext(a1),gtext(a2),gtext(a3),gtext(a4),gtext(a5),gtext(a6);进而绘制各档加速度倒数曲线如图3-6图3-6 加速度倒数曲线图Matlab加速倒数曲线程序如下：for ig=5.864,3.525,2.11,1.286,1,0.733 Ua=0.377*r*n/ig/i0; q=1+Iw/(m*r2)+If*ig2*i02*eff/(m*r2); Ft=Mx*ig*i0*eff/r; A=(Ft-(Ff+Fw)/q/m; plot(Ua,1./A); hold on;endtitle(加速度倒数曲线);xlabel(Ua/(km/h);ylabel(1/a);gtext(1/a1),gtext(1/a2),gtext(1/a3),gtext(1/a4),gtext(1/a5),gtext(1/a6);由 得 （3-12）通过上式可求得汽车从初始车速0全力加速到70km/h的加速时间，结合汽车的行驶性能曲线，可以作出汽车连续换挡加速时间曲线如图3-7所示。图3-7 二挡原地起步加速到70km/h时间曲线图从图3-7可以看出，该货车二挡原地加速到70km/h的加速时间为30s。Matlab加速时间程序如下：u(1)=0.377*r*700/i0/3.525;dt=0.01;w=1;t(1)=0;ig=3.525;while(u(w)=0.377*2400*r/3.525/i0) ig=2.11 end if(u(w+1)=0.377*2400*r/2.11/i0) ig=1.286 end if(u(w+1)=0.377*2400*r/1.286/i0) ig=1 end if(u(w+1)=0.377*2400*r/1/i0) ig=0.733 end t(w+1)=(w+1)*dt; w=w+1;endfigure;plot(t,u);title(二挡原地加速起步加速到70km/h时间曲线);xlabel(时间t/s);ylabel(车速u/(km/h);x1,y1=ginput(1);disp(加速到70km/h的时间);disp(x1);3.3 汽车功率平衡计算汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力平衡，发动机功率和汽车的行驶阻力功率也总是平衡的。汽车功率行驶平衡方程式： （3-13）与力的平衡处理方式相同，功率平衡方程可用图解法表示。若以纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动机功率 、汽车经常遇到的阻力功率 对车速的关系曲线绘制在坐标图上，得到汽车功率平衡图如图3-8.图3-8 汽车功率平衡图Matlab功率平衡图程序如下：for ig=5.864,3.525,2.11,1.286,1,0.733 Ua=0.377*r*n/ig/i0; Pe=Mx.*n/9550; plot(Ua,Pe); hold on;endua=0:0.1:max(Ua);Pf=G*f.*ua/3600;Pw=CdA.*ua.3/76140;plot(ua,(Pf+Pw)/eff);hold on;plot(ua,114,-);title(汽车功率平衡图);xlabel(Ua/(km/h);ylabel(P/kw);gtext(1),gtext(2),gtext(3),gtext(4),gtext(5),gtext(6),gtext(Ff+Fw)/eff);x,y=ginput(1);disp(汽车最高车速);disp(x);disp(Km/h);我们称为汽车的后备功率。就是说在一般情况下维持汽车的等速行驶所需的发动机功率并不大，发动机节气门开度较小。当需要爬坡或加速时，驾驶员加大节气门开度，使汽车的全部或部分后备功率发挥作用。因此，汽车的后备功率越大，汽车的动力性越好。利用Matlab绘制的后备功率如下图（3-9） 图3-9 汽车后备功率Matlab程序如下：for ig=5.864,3.525,2.11,1.286,1,0.733 Ua=0.377*r*n/ig/i0; Pe=Mx.*n/9550; Pf=G*f.*Ua/3600; Pw=CdA.*Ua.3/76140; Ph=Pe-(Pf+Pw)/eff; plot(Ua,Pe-(Pf+Pw)/eff) hold on;endtitle(汽车后备功率);xlabel(Ua/(km/h);ylabel(Ph/kw);gtext(1),gtext(2),gtext(3),gtext(4),gtext(5),gtext(6);22第4章 发动机与传动系部件的确定第4章 发动机与传动系部件的确定4.1 发动机与传动系部件确定根据前面的计算，可以确定