轿车传动系统的设计计算毕业论文.doc

安安 徽徽 建建 筑筑 工工 业业 学学 院院 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 专专 业业 机机 械械 设设 计计 制制 造造 及及 其其 自自 动动 化化 班班 级级 0 0 6 6 机机 械 械 4 4 班 班 学生姓名学生姓名 张张 立立 芝芝 学学 号号 0 0 6 6 2 2 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 4 4 3 3 9 9 课课 题题 轿轿 车车 传传 动动 系系 统统 的的 设设 计计 计计 算算 指导教师指导教师 钱钱 德德 猛猛 博博 士士 2010 年 5 月 28 日 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 2 摘要摘要 汽车传动系统的基本功用是将发动机发出的动力传给驱动车轮 组成 现 代汽车普遍采用的是活塞式内燃机 与之相配用的传动系统大多数是采用机 械式或液力机械式的 普通双轴货车或部分轿车的发动机纵向布置在汽车的 前部 并且以后轮为驱动轮 其传动系统的组成和布置发动机发出的动力依 次经过离合器 变速器 或自动变速器 和由万向节与传动轴组成的万向传动 装置 以及安装在驱动桥中的主减速器 差速器和半轴 最后传到驱动车轮 传动系统的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 关键词关键词 离合器 变速器 万向节传动轴 驱动桥 主减速器 差速 器 半轴 驱动车轮 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 3 AbstractAbstract The basic issue of Automotive driveline is to driving force from the engine to drive wheels The modern Motor commonly used is the piston type internal combustion engine and usually use mechanical drive system or hydraulic mechanical drive system to match with it The engine of General biaxial goods or part of the vertical layout are in the front of the car and use the rear wheel for driving wheel the composition of the drive system and arrangement of the engine power to issue the order after clutch gearbox or automatic transmission and the drive shaft gear which make up of the universal section and the composition and the main reducer which installed on the drive axle differential and axle and finally is the drive wheels The primary tasks of transmission is to work together with the engine for ensure that the use of motor vehicles to normal in different traffic conditions and has good power and fuel economy KeyKey wordswords Clutch transmission drive shaft universal joints drive axle main reducer differential axle drive wheels 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 4 目目 录录 目目 录录 4 第第 1 1 章章 绪论绪论 5 1 11 1 课题研究目的及意义课题研究目的及意义 5 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 6 1 31 3 课题研究内容课题研究内容 7 第第 2 2 章章 汽车传动系统的构造及其汽车传动系统的构造及其工工作原理作原理 7 2 12 1 机械式传动系统各部件的布置方案机械式传动系统各部件的布置方案 7 2 22 2 汽车传动系统的各个零部件的简介汽车传动系统的各个零部件的简介 8 2 2 1 动力连接装置 9 2 2 2 变速机构 14 2 2 3 差速器 16 2 2 4 万向传动装置 17 2 2 5 驱动桥 20 第第 3 章章 汽车传动轴的匹配设计理论计算汽车传动轴的匹配设计理论计算 21 3 13 1 引言引言 21 3 23 2 汽车传动轴匹配设计说明以及流程汽车传动轴匹配设计说明以及流程 21 3 2 1 汽车传动轴匹配设计的相关说明 21 3 2 2 汽车传动轴的匹配设计计算流程图 24 3 33 3 汽车传动轴的匹配设计计算过程和结果汽车传动轴的匹配设计计算过程和结果 24 3 3 1 传动轴的扭矩设计 24 3 3 2 传动轴的花键设计计算 27 3 43 4 汽车传动轴设计与校核的程序开发汽车传动轴设计与校核的程序开发 31 3 4 1 编辑程序的流程图 31 3 4 2 程序内容 32 3 4 3 程序运行结果 35 3 5 汽车传动轴匹配设计计算的结论 38 第第 4 章章 总结与展望总结与展望 39 4 14 1 总结总结 39 4 24 2 课题展望课题展望 40 参考文献参考文献 41 致致 谢谢 42 附录一附录一 英文科技文献翻译英文科技文献翻译 43 附录二附录二 毕业设计任务书毕业设计任务书 55 附录三附录三 轿车传动系统装配图总成轿车传动系统装配图总成 57 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 5 轿车传动系统的设计计算轿车传动系统的设计计算 机电学院 机械与电气工程系 机械制造及其自动化专业 06 级 四班 张立芝 指导老师 钱德猛博士 第第 1 章章 绪论绪论 1 11 1 课题研究目的及意义课题研究目的及意义 汽车是一种高效率的运输工具 它的运输效率高低很大程度上取决 于汽车的传动系统 汽车传动系的基本功能就是将发动机发出的动力传 给驱动车轮 它的首要任务就是与汽车发动机协同工作 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 动力性是指汽车在良好的路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力 决定的 所能达到的平均行驶速度 汽车的动力性是汽车各种性能中最 基本最重要的性能 它主要受控于汽车传动系统各个参数的选定 燃油经济性是指在保证动力的情况下 汽车以尽量少的燃油消耗量 经济行驶的能力 燃油经济性好 可以降低汽车的使用费用 减少国家 对进口石油的依赖性 节省石油资源 同时降低了发动机产生有害气体 的排放量 起到保护环境的作用 由于节约能源和环境保护是全球可持 续发展的重要内容所以对汽车传动系统的优化设计具有重大的意义 同 时也受到各国政府和汽车制造业的重视 为此 我们设计汽车的传动系统不仅要具备以下的功能 1 减速和变速 2 实现汽车倒驶 3 必要时中断传动 4 差速作用 良好的的动力性和燃油经济性也是重中之重 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 6 1 21 2 国内外研究现状国内外研究现状 汽车在 1898 年以前 发动机动力输出后直接通过齿轮传给驱动轴 因而限 制了发动机的安装位置只能紧靠驱动轮轴 使汽车的造型设计产生了困难 法 国雷诺汽车公司的创始人路易斯 雷诺 通过多年的苦心钻研和实验 终于试 制出了万向节和差动轴齿轮 从而解决了发动机动力必须紧靠驱动轮轴安放的 限制 1898 年 雷诺将公司的雷诺 Dion 汽车由三轮改装成四轮微型汽车 并 将万向节和差动轴齿轮第一次装上汽车 正因为万向节的发明 才有了今天的 前置后驱动 后置前驱动汽车 它标志着汽车传动技术走向成熟 经过一百多 年的发展汽车传动技术已经非常的成熟它已经能够轻易的实现 1 减速增矩 2 可以实现多极乃至无极变速 3 实现汽车的倒驶 4 必要时中断传动系统 的动力传递 5 使两侧的车轮具有差速作用等功能 随着科技的不断进步汽车传动技术的不断提升 汽车传动系统的发展与应 用前景越来越广阔 主要表现在以下几个方面 1 新产品研发 为适应汽车发动机的 个性化 需求 汽车链研发将向着小 节距 高转速 多品种方向发展 而汽车发动机用滚子链 套筒链 齿形链三种 结构型式的应用领域将在 竞争 和 合作 当中不断发展 互相补充 新型的 多功能张紧器 导向器及其附件的耐磨材料也将不断升级换代 2 先进制造技术 为满足主机厂对汽车链产品越来越高的可靠性要求 汽车链产品将不断地采用先 进的设计技术 制造技术 装配技术 表面处理技术 强化技术 检验和试验技 术 3 新的啮合机制 一种新型的数字化设计的内 外复合啮合机制的齿形链 和一种具有非圆异形孔链板的内 外啮合有序交替排列的新型 Hy Vo 链将越来越 广泛地在汽车发动机上应用 4 高性能指标 主要研究汽车链产品的疲劳寿命分 布规律 高可靠度下的耐磨性及其磨损失效机理 在高速区的多冲与胶合特性 严格的清洁度指标以及噪声频谱实时分析等 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 7 1 31 3 课题研究内容课题研究内容 由于汽车的传动系统的组成有离合器 变速器 万向节 驱动桥 差速 器 半轴 主减速器以及传动轴等等零部件 它的布置方案又分为机械式传 动系统的布置方案和液力式传动系统的布置方案 这两个方案又各自分成不 同的小的方案 每个小的方案也有自己不同的零件选择标标准和不同的布置 方案方法 所以说汽车传动系统是一个很大的课题 本篇论文主要阐述汽车 传动系统的工作原理 各个零部件的功能作用以及对轿车版中的设计计算 根据现有参数 对轿车驱动半轴进行扭矩 轴管的扭转应力 传动轴花键齿侧挤压应 力的校核计算 包括 轴管直径选择 花键齿侧挤压应力校核 花键齿侧剪切应力校核 后球笼半轴总成图的绘制 C 语言对部分计算过程的编程 申明本车传动轴设计不是传统 载货车上从变速器到后驱动桥之间长轴传动设计 而是半轴传动设计 而且驱动轴材料采 用高级优质合金钢 且热处理工艺性好 使驱动轴的静扭强度和疲劳强度大为提高 因此 计算中许用应力按照半轴设计采用含铬合金钢 如 40Cr 42CrMo 40MnB 其扭转屈服极 限可达到 784 N mm2左右 轴端花键挤压应力可达到 196 N mm2 第第 2 章章 汽车传动系统的构造及其工作原理汽车传动系统的构造及其工作原理 2 12 1 机械式传动系统各部件的布置方案机械式传动系统各部件的布置方案 1 前置后驱 U 最早期的汽车绝大部分采用 FR 布局 现在则主要应用在 中 高级轿车中 FR 的优点是 轴荷分配均匀 即整车的前后重量比较平衡 操控稳定性较好 缺点是 传动部件多 传动系统质量大 贯穿乘坐舱的传动 轴占据了舱内的地台空间 2 前置前驱 是现代小 中型轿车普遍采用的布置方案 FF 的优点是 降 低了车厢地台 操控性有明显的转向不足特性 另外其抗侧滑的能力也比 FR 强 缺点是 上坡时驱动轮附着力会减小 前轮由于驱动兼转向 导致结构复杂 工作条件恶劣 3 中置后驱 发动机放置在前 后轴之间 同时采用后轮驱动 类似 F1 赛 车的布置形式 还有一种 前中置发动机 即发动机置于前轴之后 乘员之 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 8 前 类似于 FR 但能达到与 MR 一样的理想轴荷分配 从而提高操控性 MR 的 优点是 轴荷分配均匀 具有很中性的操控特性 缺点是 发动机占去了座舱 的空间 降低了空间利用率和实用性 因此 MR 大都是追求操控表现的跑车 4 后置后驱 早期广泛应用在微型车上 现在多应用在大客车上 轿车上 已很少用 但保时捷 911 的 甩尾 则是因 RR 出名的 RR 的优点是 结构紧 凑 没有沉重的传动轴 也没有复杂的前轮转向兼驱动结构 缺点是 后轴荷 较大 在操控性方面会产生与 FF 相反的转向过度倾向 5 四轮驱动 无论上面的哪种布局 都可以采用四轮驱动 以前越野车上 应用的最多 但随着限滑差速器技术的发展和应用 四驱系统已能精确地调配 扭矩在各轮之间分配 所以高性能跑车出于提高操控性考虑也越来越多采用四 轮驱动 4WD 的优点是 四个车轮均有动力 地面附着率最大 通过性和动力 性好 2 22 2 汽车传动系统的各个零部件的简介汽车传动系统的各个零部件的简介 在基本的传动系统中包含了负责动力连接的装置 改变力量大小的变速机 构 克服车轮之间转速不同的差速器 和联结各个机构的传动轴 有了这四个 主要的装置之后就能够把发动机的动力传送到轮子上了 其构造示意图如下 图 2 1 典型轿车构造示意图 1 动力连接装置 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 9 1 扭力转换器 这组机构被装置在发动机与自动变速箱之间 能够 将发动机的动力平顺的传送到自动变速箱 在扭力转换器中含有一组离合器 以增加传动效率 2 离合器 这组机构被装置在发动机与手动变速箱之间 负责将发 动机的动力传送到手动变速箱 2 变速机构 1 手动变速机构 一般称为 手动变速箱 以手动操作的方式进 行换档 2 自动变速机构 一般称为 自动变速箱 利用油压的作用去改 变档位 3 差速器 当车辆在转向时 左 右二边的轮子会产生不同的转速 因此左 右 二边的传动轴也会有不同的转速 于是利用差速器来解决左 右二边转速不同 的问题 4 传动轴 将经过变速系统传递出来的动力 传递至车轮进而产生驱动力的机构 汽油发动机车辆在运行时 发动机需要持续运转 但是为了满足汽车行驶 上的需求 车辆必须有停止 换档等功能 因此必须在发动机的外连动之处 加入一组机构 以视需求中断动力的传递 以在发动机持续运转的情形之下 达成让车辆静止或是进行换档的需求 这组机构 便是动力连接装置 一般在 车辆上可以看到的动力连接装置有离合器与扭力转换器等两种 2 2 12 2 1 动力连接装置动力连接装置 1 力连接装置 离合器 离合器是手动变速系统的动力连接装置 以机械方式利用离合器片的摩 擦力 达成动力连接的目的 示意图如下 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 10 图 2 2 离合器 离合器这组机构被装置在发动机与手动变速箱之间 负责将发动机的动 力传送到手动变速箱 如图所示 飞轮机构与发动机的输出轴固定在一起 在飞轮的外壳之中 以一圆盘状的弹簧连接压板 其间有一摩擦盘与变速箱 输入轴连接 当离合器踏板释放时 飞轮内的压板利用弹簧的力量 紧紧压住摩擦板 使两者之间处于没有滑动的连动现象 达成连接的目的 而发动机的动力便 可以通过这一机构 传递至变速箱 完成动力传递的工作 而当踩下踏 板时 机构将向弹簧加压 使得弹簧的外围翘起 压皮便与摩擦板脱离 此 时摩擦板与飞轮之间已无法连动 即便发动机持续运转 动力并不会传递至 变速箱及车轮 此时 驾驶者便可以进行换档以及停车等动作 而不会使得 发动机熄火 摩擦离合器是应用得最广也是历史最久的一类离合器 它基本 上是由主动部分 从动部分 压紧机构和操纵机构四部分组成 主 从动部 分和压紧机构是保证离合器处于接合状态并能传动动力的基本结构 而离合 器的操纵机构主要是使离合器分离的装置 发动机飞轮是离合器的主动件 带有摩擦片的从动盘和从动毂借滑动花键与从动轴 即变速器的主动轴 相 连 压紧弹簧则将从动盘压紧在飞轮端面上 发动机转矩即靠飞轮与从动盘 接触面之间的摩擦作用而传到从动盘上 再由此经过从动轴和传动系中一系 列部件传给驱动轮 压紧弹簧的压紧力越大 则离合器所能传递的转矩也越 大 由于汽车在行驶过程中 需经常保持动力传递 而中断传动只是暂时的 需要 因此汽车离合器的主动部分和从动部分是经常处于接合状态的 摩擦 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 11 副采用弹簧压紧装置即是为了适应这一要求 当希望离合器分离时 只要踩 下离合器操纵机构中的踏板 套在从动盘毂的环槽中的拨叉便推动从动盘克 服压紧弹簧的压力向松开的方向移动 而与飞轮分离 摩擦力消失 从而中 断了动力的传递 当需要重新恢复动力传递时 为使汽车速度和发动机转速 变化比较平稳 应该适当控制离合器踏板回升的速度 使从动盘在压紧弹簧 压力作用下 向接合的方向移动与飞轮恢复接触 二者接触面间的压力逐渐 增加 相应的摩擦力矩也逐渐增加 当飞轮和从动盘接合还不紧密 二者之 间摩擦力矩比较小时 二者可以不同步旋转 即离合器处于打滑状态 随着 飞轮和从动盘接合紧密程度的逐步增大 二者转速也渐趋相等 直到离合器 完全接合而停止打滑时 汽车速度方能与发动机转速成正比 摩擦离合器所 能传出的最大转矩取决于摩擦面间的最大静摩擦力矩 而后者又由摩擦面间 最大压紧力和摩擦面尺寸及性质决定 故对于一定结构的离合器来说 静摩 擦力矩是一个定值 输入转矩一达到此值 离合器就会打滑 因而限制了传 动系所受转矩 防止超载 因此 对于离合器的具体结构的要求就有这三点 首先是在保证传动发动机最大转矩的前提下 满足两个基本性能要求 即分 离彻底和接合柔和 其次 离合器从动部分的转动惯量要尽可能小 如果这 个转动惯量大的话 当换档时 虽然由于分离了离合器 使发动机与变速器 之间联系脱开 但离合器从动部分较大的惯性力矩仍然输入给变速器 其效 果相当于分离不彻底 就不能很好地起到减轻轮齿间冲击地作用 此外 还 要求离合器散热良好 因为在汽车行驶过程中 驾驶员操纵离合器地次数是 很多的 这就使离合器中由于摩擦面间频繁地相当滑磨而产生大量地热 离 合器接合愈柔和 产生地热量愈大 这些热量如不技术散出 对离合地工作 将产生严重地影响 以上就是摩擦离合器的总体构造和工作原理了 而随着所用摩擦面的数目 从动盘的数目 压紧弹簧的形式及安装位置 以及操纵机构形式的不同 其 总体构造也有差异 因此摩擦离合器又可分为 1 单盘离合器 只有一片从 动盘 其前后两面都装又摩擦片 因而具有两个摩擦面 双盘离合器 即增加 了一个从动盘 周布弹簧离合器 采用若干个螺旋弹簧作压紧弹簧 并沿摩擦 盘圆周分布 2 中央弹簧离合器 仅具有一个或两个较强力的螺旋弹簧并安 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 12 置在中央 3 膜片弹簧离合器 是以膜片弹簧作为压紧弹簧的 离合器是汽 车传动系中直接与发动机相联系的部件 其作用就是使其主动和从动部分可在 驾驶员操纵下彻底分离 随后再柔和接合 这里 我们将进一步阐述其功用 1 保证汽车平稳起步这是离合器的首要功能 在汽车起步前 自然要先起动发动机 而汽车起步时 汽车是从完全静止 的状态逐步加速的 如果传动系 它联系着整个汽车 与发动机刚性地联系 则变速器一挂上档 汽车将突然向前冲一下 但并不能起步 这是因为汽车从 静止到前冲时 产生很大惯性力 对发动机造成很大地阻力矩 在这惯性阻力 矩作用下 发动机在瞬时间转速急剧下降到最低稳定转速 一般 300 500RPM 以下 发动机即熄火而不能工作 当然汽车也不能起步 因此 我们就需要离 合器的帮助了 在发动机起动后 汽车起步之前 驾驶员先踩下离合器踏板 将离合器分离 使发动机和传动系脱开 再将变速器挂上档 然后逐渐松开离 合器踏板 使离合器逐渐接合 在接合过程中 发动机所受阻力矩逐渐增大 故应同时逐渐踩下加速踏板 即逐步增加对发动机的燃料供给量 使发动机的 转速始终保持在最低稳定转速上 而不致熄火 同时 由于离合器的接合紧密 程度逐渐增大 发动机经传动系传给驱动车轮的转矩便逐渐增加 到牵引力足 以克服起步阻力时 汽车即从静止开始运动并逐步加速 2 保证传动系换档时工作平顺 在汽车行驶过程中 为适应不断变化的行驶条件 传动系经常要更换不同 档位工作 实现齿轮式变速器的换档 一般是拨动齿轮或其他挂档机构 使原 用档位的某一齿轮副推出传动 再使另一档位的齿轮副进入工作 在换档前必 须踩下离合器踏板 中断动力传动 便于使原档位的啮合副脱开 同时使新档 位啮合副的啮合部位的速度逐步趋向同步 这样进入啮合时的冲击可以大大的 减小 实现平顺的换档 3 防止传动系过载 当汽车进行紧急制动时 若没有离合器 则发动机将因和传动系刚性连接 而急剧降低转速 因而其中所有运动件将产生很大的惯性力矩 其数值可能大 大超过发动机正常工作时所发出的最大扭距 对传动系造成超过其承载能力的 载荷 而使机件损坏 有了离合器 便可以依靠离合器主动部分和从动部分之 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 13 间可能产生的相对运动以消除这一危险 因此 我们需要离合器来限制传动系 所承受的最大扭距 保证安全 通过上面的了解 我们可以知道 离合器应该使这样一个传动机构 其主 动部分和从动部分可以暂时分离 又可以逐渐接合 并且在传动过程中还要有 可能相对转动 所以离合器的主动件与从动件之间不可采用刚性联系 而是借 二者接触面之间的摩擦作用来传动扭距 即摩擦离合器 或是利用液体作为传 动的介质 即液力偶合器 或是利用磁力传动 即电磁离合器 我们将在后 面专门介绍这几种离合装置 2 连接装置 扭力转换器 当汽车工业继续发展 一般消费者开始对于控制油门 剎车以及离合器 等三个踏板的复杂操作模式感到厌烦 机械工程师开始思考如何以利用机构 来简化操作过程 扭力转换器便是在这样的情形之下被导入汽车产品的 成 就了全新的使用感受 扭力转换器导入 改变了人们驾驶汽车的习惯 扭力转换器取代了传统的机械式离合器 被安装在发动机与自动变速箱 之间 能够将发动机的动力平顺的传送到自动变速箱 扭力转换器的离作方式与离合器之间截然不同 在扭力转换器之中 左 侧为发动机动力输出轴 直接与泵轮外壳连接 而在扭力转换器的左侧 则 有一组涡轮 透过轴与位于右侧的变速系统连接 导轮与涡轮之间没有任何 直接的连接机构 两者均密封在扭力转换器的外壳之中 而扭力转换器之内 则是充满了黏性液体 当发动机低速运转时 整个扭力转换器会同样低速运转 泵轮上的叶片 会带动扭力转换器内的黏性液体 使其进行循环流动 但是由于转速太低 液体对于涡轮施加的力量 并不足以推动车辆前进 车辆便可静止不动 便 可达到如同离合器分离的状况 当油门踏下 发动机转速提升 泵轮的转速将会同步提升 扭力转换器 内的液体流速持续增加 对于涡轮的施力继续增加 当其超过运转的阻力时 车辆便可以前进 动力便可传递至变速系统及车轮 达成动力传递的目的 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 14 2 2 2 变速机构变速机构 1 变速机构 汽车在起步加速时须要比较大的驱动力 此时车辆的速度低 而发动机 却必须以较高的转速来输出较大的动力 当速度逐渐加快之后 汽车所须要 的行驶动力也逐渐降低 这时候发动机只要以降低转速来减少动力的输出 即可提供汽车足够的动力 汽车的速度在由低到高的过程中 发动机的转速 却是由高变到低 要如何解决矛盾现象呢 于是通称为 变速箱 的这种可 以改变发动机与车轮之间换转差异的装置为此而生 变速箱为因操作上的不 同而有 手动变速箱 与 自动变速箱 二种系统 这二种变速箱的工作方 式也不相同 近年来由于消费者的需求以及技术的进步 汽车厂开发称为 手自一体变速箱 的可以手动操作的自动变速箱 此外汽车厂也为高性能 的车辆开发出称为 顺序式半自动变速箱 的带有自动操作功能的手动变速 箱 目前的 F1 赛车全面使用 顺序式半自动变速箱 因此使用此类型手动 变速箱的车辆均标榜采用来自 F1 的科技 图示如下 图 2 3 变速机构 2 手动变速系统 在手动变速系统里面含有离合器 手动变速箱二个主要部份 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 15 离合器 是用来将发动机的动力传到变速箱的机构 利用磨擦片的磨擦 来传递动力 一般车型所使用的离合器只有二片磨擦片 而赛车和载重车辆 则使用具有更磨擦片的离合器 离和器还有干式与湿式二种 湿式离合器目 前几乎不再被使用于汽车上面 手动变速箱 以手动方式操作变速箱去做变换档位的动作 使手动变速 箱内的输入轴和输出轴上的齿轮啮合 多组不同齿数的齿轮搭配啮合之后 便可产生多种减速的比率 目前的手动变速箱均是使用同步齿轮的啮合机构 使换档的操作更加的简易 换档的平顺性也更好 3 自动变速系统 为了使汽车的操作变得简单 并让不擅于操作手动变速箱的驾驶者也能 够轻松的驾驶汽车 于是制造一种能够自动变换档位的变速箱就成为一件重 要的工作 因此汽车工程师在 1940 年开发出世界首具的自动变速箱 从此以 后驾驶汽车在起步 停止以及在加减速的行驶过程中 驾驶者就不需要再做 换档的动作 现代的自动变速系统里面含有液体扭力转换器 自动变速箱 电子控制 系统三个主要部份 在电子控制系统里面加入手动换档的控制程序 就成了 具有手动操作功能的 手自一体变速箱 液体扭力转换器 在主动叶轮与被动叶轮之间 利用液压油作为传送动 力的介质 将动力自输入轴传送到对向的输出轴 经由输出轴再将动力传送 到自动变速箱 由于液压油在主动叶轮与被动叶轮之间流动时会消耗部份的动力 为了 减少动力的损失 在主动与被动叶轮之间加入一组不动叶轮使能量的传送效 率增加 以及在液体扭力转换器内加入一组离合器 并在适当的行驶状态下 利用离合器将主动与被动叶轮锁定 让主动与被动叶轮之间不再有转速的差 异 进而提高动力的传送效率 自动变速箱 以行星齿轮组构成换档机构 利用油压推动多组的摩擦片 去控制行星齿轮组的动作 以改变动力在齿轮组的传送路径 因而产生多种 不同的减速比率 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 16 电子控制系统 早期的机械式自动变速箱的换档控制是以油压的压力变 化去决定何时做换档的动作 即使经过多年的研究及改良 机械式自动变速 箱的换档性能仍然不尽人意 于是电子式自动变速箱便因应而出了 为了使 换档的时机更加的精确 以及获得更加平顺的换档质量 各汽车制造厂均投 入大量的资源 针对自动变速箱的电子控制系统做研究 2 2 32 2 3 差速器差速器 汽车发动机的动力经离合器 变速器 传动轴 最后传送到驱动桥再左右 分配给半轴驱动车轮 在这条动力传送途径上 驱动桥是最后一个总成 它的 主要部件是减速器和差速器 减速器的作用就是减速增矩 这个功能完全靠齿 轮与齿轮之间的啮合完成 比较容易理解 汽车差速器是驱动轿的主件 作用 就是在向两边半轴传递动力的同时 允许两边半轴以不同的转速旋转 满足两 边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶 减少轮胎与地面的摩擦 拐弯时 车轮的轨线是圆弧 汽车向左转弯 圆弧的中心点在左侧 在相同的时间里 右侧轮子走的弧线比左侧轮子长 为了平衡这个差异 就要左边轮子慢一点 右边轮子快一点 用不同的转速来弥补距离的差异 如果后轮轴做成一个整体 就无法做到两侧轮子的转速差异 也就是做不到自动调整 为了解决这个问题 法国雷诺汽车公司的创始人路易斯 雷诺就设计出了差速器这个玩意 普通差速 器由行星齿轮 行星轮架 差速器壳 半轴齿轮等零件组成 发动机的动力经 传动轴进入差速器 直接驱动行星轮架 再由行星轮带动左 右两条半轴 分 别驱动左 右车轮 差速器的设计要求满足 左半轴转速 右半轴转速 2 行星轮架转速 当汽车直行时 左 右车轮与行星轮架三者的转速相等处 于平衡状态 而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏 导致内侧轮转速减小 外 侧轮转速增加 这种调整是自动的 这里涉及到 最小能耗原理 也就是地球 上所有物体都倾向于耗能最小的状态 例如把一粒豆子放进一个碗内 豆子会 自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁 因为碗底是能量最低的位置 位能 它 自动选择静止 动能最小 而不会不断运动 同样的道理 车轮在转弯时也会 自动趋向能耗最低的状态 自动地按照转弯半径调整左右轮的转速 当转弯时 由于外侧轮有滑拖的现象 内侧轮有滑转的现象 两个驱动轮此时就会产生两 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 17 个方向相反的附加力 由于 最小能耗原理 必然导致两边车轮的转速不同 从而破坏了三者的平衡关系 并通过半轴反映到半轴齿轮上 迫使行星齿轮产 生自转 使外侧半轴转速加快 内侧半轴转速减慢 从而实现两边车轮转速的 差异 示意图如下 图 2 4 差速器 2 2 42 2 4 万向传动装置万向传动装置 万向传动装置一般由万向节 传动轴和中间支承组成 其功用是在轴线相 交且相对位置经常变化的两转轴之间可靠地传递动力 示意图如下 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 18 图 2 5 万向传动装置 万向节按其刚度的大小可分为刚性万向节和挠性万向节 前者的动力是靠 零件的铰链式联接传递的 而后者的动力则是靠弹性零件传递的 如橡胶盘 橡胶块等 由于弹性元件的变形量有限 因而挠性万向节一般用于两轴间夹角 不大以及有微量轴向位移的轴间传动 刚性万向节分为不等速万向节 如常见的 十字轴式 准等速万向节 双联式 三销轴式 和等速万向节 球叉式 球笼式 等 1 万向传动装置 万向节 万向节与传动轴组合 称为万向节传动装置 在前置发动机后轮驱动的车 辆上 万向节传动装置安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间 而 前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴 万向节安装在既负责驱动又负责转 向的前桥半轴与车轮之间 汽车是一个运动的物体 在后驱动汽车上 发动 机 离合器与变速器作为一个整体安装在车架上 而驱动桥通过弹性悬挂与车 架连接 两者之间有一个距离 需要进行连接 汽车运行中路面不平产生跳动 负荷变化或者两个总成安装位置差异 都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速 器输入轴之间的夹角和距离发生变化 因此要用一个 以变应变 的装置来解 决这一个问题 因此就有了万向节这个东西 万向节的结构和作用有点象人体 四肢上的关节 它允许被连接的零件之间的夹角变化 但它与肢体关节的活动 形式又有所不同 它仅允许夹角在一定范围内变化 万向节有十字轴式刚性万 向节 准等速万向节 双联轴式和三销轴式 等速万向节 球叉式和球笼式 扰性万向节 目前后驱动汽车上应用最广的一种普通万向节由万向节叉 十字 轴等基本零件构成 十字轴装配在万向节叉上做连接 十字轴的轴头上装有滚 针轴承 当轴头接入万向节叉时 十字轴与万向节叉之间就可以有相对旋转 也就产生了多角度变化 万向节叉上的花键连接又可以做小许的轴向移动 这 样就适应了夹角和距离同时变化的需要 单个的万向节不能使输出轴与轴入轴 的瞬时角速度相等 容易造成振动 加剧机件的损坏 产生很大的噪音 因此 后驱动汽车的万向节传动形式都采用双万向节 就是传动轴两端各有一个万向 节 其作用是使传动轴两端的夹角相等 保证输出轴与轴入轴的瞬时角速度始 终相等 为了满足动力传递 转向和汽车运行时所产生的上下跳动所造成的角 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 19 度变化 前驱动汽车的驱动桥 半轴与轮轴之间也常用万向节相连 由于受轴 向尺寸的限制 要求偏角又比较大 普通万向节难以胜任 所以广泛采用各式 各样的等速万向节 在一般前驱动汽车上 每个半轴用两个等速万向节 靠近 变速驱动桥的万向节是半轴内侧万向节 靠近车轴的是半轴外侧万向节 在各 种等速万向节中 常见是球笼式万向节 它用六个钢球传力 主动轴与从动轴 在任何交角的情况下 钢球都位于两园的交点上 即位于两轴交角的平分面上 从而保证主 从动轴等角速度传动 2 万向传动装置 传动轴 由发动机输出的动力 经过变速系统的转换之后 传送至驱动轮 方能 够对车辆产生驱动力 而负责将动力传送至驱动轮的机构 便是传动轴 而 依据不同的传动系统配置 还可以分为传动轴与轮轴等两种 传动轴在前置发动机后轮驱动 FR 或是前置发动机四轮驱动车型之中 由于后轮需担负驱动的工作 因此必须将动力传动到后轴的差速器 以进而 将动力传输至后轮 这只穿过整个车体下方的长连杆 便是传动轴 而在前 置发动机前轮驱动车型 FF 后置发动机后轮驱动车型 RR 中置发动机 后轮驱动车型 MR 这三种传动方式的汽车上则没有装设传动轴 变速箱与 差速器的动力输出后 便直接连接轮轴 轮轴将动力从差速器传送到轮子的轴 轮轴亦称为 半轴 或 驱动轴 在一般前置前驱的车辆上 传动系统的配置便如图所示 发动机 变速箱 及差速器是连接在一起的 直接连接轮轴后 将动力直接传递至左右车轮 以驱动车体示意图如下 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 20 图 2 6 传动轴 2 2 52 2 5 驱动桥驱动桥 驱动桥由主减速器 差速器 半轴和驱动桥壳等几部分组成 其功用是将 万向传动装置传来的发动机转矩传给驱动车轮 实现降速以增大转矩 示意图 如下 图 2 7 驱动桥 1 驱动桥 主减速器 主减速器是汽车传动系中减小转速 增大扭矩的主要部件 对发动机纵置 的汽车来说 主减速器还利用锥齿轮传动以改变动力方向 2 驱动桥 差速器 差速器的作用为使车轮尽可能不发生滑动 保证车轮能以不同的角速度转 动 通常从动车轮用轴承支承在心轴上 使之能以任何角速度旋转 而驱动车 轮分别与两根半轴刚性连接 在两根半轴之间装有差速器 差速器通常按其工作特性分为齿轮式差速器和防滑差速器两大类 齿轮式差速器 当左右驱动轮存在转速差时 差速器分配给慢转驱动轮的 转矩大于快转驱动轮的转矩 这种差速器转矩均分特性能满足汽车在良好路面 上正常行驶 但当汽车在坏路上行驶时 却严重影响通过能力 防滑差速器 防滑差速器的特点是 当一侧驱动轮在坏路上滑转时 能使 大部分甚至全部转矩传给在良好路面上的驱动轮 以充分利用这一驱动轮的附 着力来产生足够的驱动力 使汽车顺利起步或继续行驶 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 21 3 驱动桥 半轴 图 2 8 半轴与桥壳 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 驱动桥 桥壳驱动桥壳是安装主减速器 差速器 半轴 轮毂和悬架的基础 件 主要作用是支承并保护主减速器 差速器和半轴等 同时 它又是行驶系 的主要组成件之一 第第 3 章章 汽车传动轴的匹配设计理论计算汽车传动轴的匹配设计理论计算 3 13 1 引言引言 这一章主要内容和目的包括 传动轴扭矩的计算 以校核传动轴的静扭 强度 首先我们得确定传动轴的直径 然后再确定花键的相关尺寸 设计计算结 束后我们还要对各个设计所得的尺寸进行校核 确认所得的尺寸满足设计要求 3 23 2 汽车传动轴匹配设计说明以及流程汽车传动轴匹配设计说明以及流程 3 2 13 2 1 汽车传动轴匹配设计的相关说明汽车传动轴匹配设计的相关说明 给定发动机的最高转速 发动机的最大功率 发动机的最大扭矩 变速器 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 22 当速比 变速器五档速比 终速比 车轮滚动半径车轮静态加载半径 轮胎附着 系数 增扭系数 驱动轴总成最小扭转强度 启动时的扭矩增量系数去设计传动 轴 来设计计算轴的直径 扭矩以及花键的大径小径的尺寸等参数 注意传动轴的杆部直径应该小于或等于传动轴花键的底径 以便使传动轴各 部分基本达到等强度 传动轴的破坏形式大多是扭转疲劳损坏 所以结构设计中 应尽量增大各个过渡部分的圆角半径 尤其是凸缘和杆部 花键与杆部的过渡部 分 以减小应力集中 当杆部较粗凸缘也比较大时 可以采用两端用花键连接的 结构 设计传动轴杆部的强度储备应该小于驱动桥其他传动零件的强度储备 使 半传动轴起一个熔丝的作用 计算分类如下 1 全浮式传动轴 传动轴只承受转矩 而两端均不承受任何反力和弯矩应 用于各种类型的载货汽车上 2 半浮式传动轴 只能使传动轴内端免受弯矩 而外端却承受全部弯矩应 用于反力弯矩较小的各类轿车上 3 3 4 浮式传动轴 与半浮式传动轴类似 只是传动轴的危险断面不同 危险断面位于传动轴与轮毂相配表面 传动轴与传动轴齿轮一般采用花键连接 对花键应进行挤压应力和键齿切应力的验算 如图 图 3 1 半轴的支撑类型 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 23 说明无论半轴怎样受力其扭矩图总是 一个闭合图形 而半轴只有变速 扭矩和附着扭矩 所以T Jmax取两者 中的最小值 图 3 2 传动轴的扭矩图 本车传动轴设计不是传统载货车上从变速器到后驱动桥之间长轴传动设计 而是半轴传动设 而且驱动轴材料采用高级优质合金钢 且热处理工艺性好 使 驱动轴的静扭强度和疲劳强度大为提高 因此计算中许用应力按照半轴设计采用 含铬合金钢 如 40Cr 42CrMo 40MnB 其扭转屈服极限可达到 784 N mm2左右 轴端花键挤压应力可达到 196 N mm2 示意图如下 图 3 3 半轴 所校核花键样板如下图所示 图 3 4 花键 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 24 3 2 23 2 2 汽车汽车传动轴的匹配传动轴的匹配设计计算流程图设计计算流程图 花键齿侧挤压应力的校核花键齿侧剪切应力校核 挤压应力 计算挤压应力 计算 判定条件 判定条件 驱动轴的校核计算 轴管直径选择 扭转应力 计算 判定条件 合格 图 3 5 传动轴的匹配设计计算流程图 3 33 3 汽车传动轴的匹配设计计算过程和结果汽车传动轴的匹配设计计算过程和结果 3 3 13 3 1 传动轴的扭矩设计 传动轴的扭矩设计 计算中所需的参数及其来源如下表所示 名称代号参数值来源 发动机最高转速 nemax7000r min 设计任务书 发动机最大功率 Pemax73 6KW 6000 设计任务书 发动机最大转矩 Temax133 3 N m 设计任务书 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 25 4500 变速器一挡速比 I13 583 设计任务书 变速器五档速比 I50 804 设计任务书 终速比 I04 052 设计任务书 车轮滚动半径 Rr0 303m 设计任务书 车轮静态加载半 径 Rs0 288m 设计任务书 轮胎附着系数 0 8 纳铁福 增扭系数 最大 附着扭矩起动 fs1 2 纳铁福 增扭系数 最大 发动机扭矩启动 fc1 7 纳铁福 驱动轴总成最小 扭 转强度 TY2000 N m 纳铁福 启动时的扭矩增 量系数 fc 1 6 纳铁福 表格 3 1 设计所需参数 1 首先计算由发动机最大扭矩 Temax传递来的最大变速扭矩 TEgmax如下 手动变速器 TEGmax Temax iG Z 3 1 然后计算最大附着扭矩 TAmax TAmax QF 2 RS 9 8 fs 3 2 比较 TEGmax与 TAmax的大小 取其中的较小值作为最大承受载荷 TJmax 由扭 矩图得的结论 在此基础上计算应用扭矩 TAPP TAPP TJmax fc 3 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 26 3 驱动轴屈服扭矩应大于或等于 TAPP 式中 iG 从发动机到驱动轴的总传动比 Z 驱动轮数 QF 前桥载荷 车轮附着系数 RS 车轮静态加载半径 fs 汽车最大附着扭矩起动时的增扭系数 fc 汽车最大发动机扭矩启动时的增扭系数 计算过程如下 TEGmax Temax iG Z 133 3 3 583 4 052 2 967 6 N m TAmax QF 2 RS 9 8 fs 800 2 0 288 0 8 9 8 1 2 1083 8 N m 由于 TEGmax TAmax 所以 TJmax TEgmax TAPP TJmax fc 967 6 1 7 1644 92 N m 本车驱动轴总成最小扭转强度 TY 为 2000 N m 大于 TAPP 所以满足要求 按试验数据最大转矩 2 校核驱动轴扭转应力 N mm2 16 3 D TJ 3 4 许用应力 取 539N mm2 高合金钢 40Cr 40MnB 等 中 频淬火抗拉应力 980 N mm2 工程应用中扭转应力为抗拉应力的 0 5 0 6 取该系数为 0 55 由此可取扭转应力为 539 N mm2 参考 GB 3077 88 Tj 传动系计算转矩 N mm N m 3 d01emaxj kiiTT 5 Temax 发动机最大转矩 N mm 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 27 i1 变速器一档传动比 i0 主减速器传动比 kd 动载系数 传动效率 差速器的转矩分配系数 对于圆锥行星齿轮差速器可取 0 6 各参数取值如下 Temax 133 3 N m i1 3 583 i0 4 052 kd 1 85 计算过程如下 Tj 133 3 3 583 4 052 1 0 85 0 6 987 N m 3 33 100098716 16 D mmN D Tj 6 取安全系数 1 5 得 3 5 1 7 取 539N mm2 高合金钢 40Cr 40MnB 等 中频淬火抗拉应力 980 N mm2 工程应用中扭转应力为抗拉应力的 0 5 0 6 取该系数为 0 55 所 以半轴最小直径 24 099 3 5 1 16 j T D 3 539 10005 198716 mmN mmN 则可以取轴的取直径为 27mm 0 3 3 2 传动轴的花键传动轴的花键设计计算设计计算 计算中所需的参数及其来源如下表所示 车轮毂端花键参数 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 28 齿数28 模数1 齿宽0 5 m 大径29 35 29 15mm 小径27 225 27 996 花键有效长度47 3min 表格 3 2 车轮毂端花键参数 变速器端外花键参数 齿数28 模数1 齿宽0 5 m 大径30 90 0 055 小径28 90 0 1 花键有效长度30 5 表格 3 3 变速器端外花键参数 1 驱动轴花键齿侧挤压应力的设计以及校核 N mm2 3 2 4 2121 j j ZL DDDD T 8 式中 Tj 计算转矩 N mm D1 D2 花键的大径和小径 mm Z 花键齿数 L 花键有效长度 载荷分布不均匀系数 计算时可取 0 75 许用挤压应力 花键取 j j 2 196mmN 2 驱动轴花键齿侧剪切应力的校核 3 9 zLb DD Tj 4 21 式中 Tj 计算转矩 N mm 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 29 D1 D2 花键的外径和内径 mm Z 花键齿数 L 花键有效长度 b 花键齿宽 mm 载荷分布不均匀系数 计算时可取 0 75 许用挤压应力 花键取 71 05 N mm2 j 3 把公式 3 8 与 3 9 连列成不等式组并得出不等式的解 mmN zLb DD T mmN ZL DDDD T j j j 05 71 4 196 2 4 21 2 2121 Tj 987 N m z 28 0 75 花键的有效长度应该小于轮毂端花键有效长度 的参数根据受力可以取 L 30 b 0 5 对车轮端和对变速器端 2 1 98975 0 14 3 5 03028mmmmmmzLb 2 63075 0 3028mmmmzL 把所得的结果分别带入不等式组中得 zLbmmN T DD zLmmN T DDDD j j 2 21 2 2121 05 71 4 196 2 4 解得 1 56 14 1 21 21 DD DD 则可得理论取值范围如下图阴影部分 21 DD 与 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 30 图 3 6 传动轴花键大径与小径的取值范围 可以由机械设计手册中花键部分介绍取花键 表 22 451 0 0 004 27 691 格 3 4 设计所选花键参数 校核 代入得车轮端花键轴 安徽建筑工业学院毕业设计 论文 31