课程设计飞行汽车动力传动系统设计与分析

1、课题名称：飞行汽车动力传动系统设计与分析课题目的：1. 熟悉了解飞行汽车的应用特点及设计要求；2. 熟悉了解飞行汽车的丁作原理及结构特点；3. 初步完成飞行汽车动力传动系统方案设计；课题要求：飞行汽车技术参数：最大载重210公斤；起飞距离10至100米；着陆距离3至35米；下降率3.3米/秒；下滑比约3： 1至4： 1；空速42至50公里/小时;爬升速度115至300米/分;下降速度(发动机熄火)3.3米/秒；Rotax582发动机,65马力;徳国Hirth 3503v发动机，70马力；伞翼 Apco Aviation ltd；.最人总行高度4000米；机身高2.10米；机身宽1.85米;机身

2、长2.95米；机身重155至18()公斤(包括伞翼)，实际重量要高于18()公斤。课题内容：-飞行汽车应用特点及设计耍求概述飞行汽车主要用于陆地行驶，少数时间用丁飞行。在设计时，既要满足陆地 行驶时的性能耍求，比如加速快捷，制动距离短，路况适丿应性强，能源消耗少等。 乂要满足飞行时的性能要求，比如质量轻，起飞降落滑跑距离短等。二飞行汽车的工作原理及结构特点概述飞行汽车质量轻，要求陆地行驶时加减速性能好，具有良好的爬坡性能和崎 岖路面的通过性能。因此在陆地行驶动力方案设计时，采用抓地性能强轮胎，另 外应尽可能使飞行汽车的重心偏低，以使具备良好的高速弯道通过性以及稳定 性。在飞行过程中，飞行汽车机

3、动性能要好，因此在设计飞行动力系统部分时， 应保证发动机的输出功率得到充分利用，并且在发动机稳定工作范围内有强劲的 动力输出，发动机空中熄火后重新启动稳定快捷。三飞行汽车动力传动系统方案的设计根据本次课题耍求，初步拟定以下三个方案：方案一（见图一）木方案采用最简单的传动方式，以一台发动机驱动螺旋桨，通过螺旋桨旋转 产生的推力来满足飞行汽车在不同使用场合下的需求。此方案结构最简单，质量最轻便，成本最低。其缺点是，在陆地T作时，仅 凭螺旋桨产生的推理来驱动整机具有很大的局限性，不能满足齐种路况和齐种工 作条件的要求。比如整机在速度极低甚至为零的情况下完成爬坡动作时，整机会 发生动力不足的现象；再比

4、如整机在完成超车动作时，该驱动方案加速时间可能 会比较长。最主要的是，在陆地工作吋，该方案整机工作的稳定性不如下述方案 二和方案三。螺旋桨动力输出齿轮 发动机图一方案二（见图二）为满足飞行汽车质量轻、结构简单、经济性好的耍求，方案二采用一台发动 机通用的方案，即一台发动机同时承担陆地运行和提供空屮飞行动力任务。发动机动力通过不同的传动路径传递到轮胎和螺旋桨，在每个动力路径上都 配备有离合器，通过离合器的分离和接合来实现单独轮胎传动，单独螺旋桨传动 和轮胎螺旋桨的配合传动三种方式。在普通陆地工作情况下，一般单独使用轮胎传动；在飞行状态下，单独使用 螺旋桨传动；在飞行汽车起飞滑跑或特殊情况下，可使

5、用轮胎和螺旋桨的配合传 动。在本方案中离合器的选择是很关键的，离合器工作的稳定性直接关系到整机 工作的稳定性，本方案离合器的工作要求是接合平稳，冲击度小，发热量小，工 作寿命长。此方案优点是陆地工作效率高，成本较低，但是传动系统结构相对复杂。另 外直接利用离合器來控制整机的陆地起步和加速过程个人认为不是最妥当的，由 于发动机稳定丁作在一定的转速范围内，要实现稳定起步和快速提速，只靠油门 调节发动机转速本身是不能满足需求的，这一功能耍通过切换和啮合不同传动比 的齿轮来实现，这就需耍在传动系统中加入变速箱。动力输出轮图二方案三（见图三）采用Rotax582发动机和德国Hirth 3503v发动机各

6、一台，以其中一台发动机驱 动轮胎以提供陆地运行所需动力，另一台发动机驱动螺旋桨以提供飞行所需动 力，必耍时可以两台发动机同时工作以提供更大功率。此方案优点是两发动机传动系统结构简单且独立，避免了相互干扰，缺点是 整机重量明显增加,起飞时最大载重量有所减少，空中飞行机动性能可能会变差。 另外此方案成本高于前两者，能源消耗大，无法避免使用变速箱。旋桨动力输出轮图三综合以上三个方案考虑，方案二更具有优势，故在此对方案二初步进行动力 传动系统方案的结构设计和零件选择1初步选定采用Rotax582发动机(图五)，其基本参数和结构简图(图六)如下: 冲程数冃：二冲程气缸数冃：二汽缸缸径：76mm行程:64

7、mm总排量：580.7ccm功率：48kw (64.4ph) 6500rpm扭矩：75Nm 6000rpm最高转速：6800rpm冷却方式：水冷化油方式：双化油器内置发电机输出功率：170W(AC) 6000rpm图五.Rotax582发动机图六.Rotax582发动机结构简图如上述结构简图所示，在发动机启动轮盘侧加装电起动机，通过电机的带动 实现发动机的起动。动力输出轮盘处加装减速齿轮箱（厂商共有2.00:1、 2.24:1、2.58:1、2.62:1、3.00:1、3.47:1、4.00:1 七种变速齿轮箱规格 可供选择）。如图七所示，经减速箱减速后，动力直接传输到动力输出齿轮，动力输出齿

8、 轮上下啮合齿轮各一个。为保证传动比恒定以及微小中心距变化不引起传动比的 变化，均初步选定为具有渐开线齿廓的直齿圆柱齿轮。由于发动机在6000转/分时具有最大转矩75Nm,选用湿式多片摩擦离合器 可以满足工作耍求（一般使用弹簧压紧方案，也可采用缓冲励磁电路來控制离合 器）。变速箱采用带有倒档的4速或5速小型变速箱。图七动力输出轮传动路径1轴上存在较大的轴向力，故其支承方案初选为一对角接触球轴承（强度不够可采用双列或多列角接触球轴承）进行支承（见图八）。由于离合器工作产生轴向力，初步拟定的传动路径2支承方案见图九所示。图九所用角接触球轴承如图十所示，轴承既能承受径向载荷乂能承受轴向载荷， 单列和

9、接触球轴承接触幷有15度、25度、40度三种，接触和越大轴向承载能力 越强，一般成对使用。角接触球轴承的极限转速比一般比较高。成对安装时共有 三种配置形式。单列角接鼬時轴承图十上图配置形式分别是串联（/DT）、背对背（/DB）、面对面（/DF）。变速箱输岀与轮胎间的传动系统如图十一所示，本方案采用相交轴传动，两 轴间交角为90度，传动齿轮采用直齿I员I锥齿轮（图十二）。图十一图十二制动系统：采用四轮液压制动。其基本原理是踩下刹车踏板，向刹车总泵 屮的刹车油施加压力，液体将压力通过管路传递到每个车轮刹车卡钳的活塞上, 活寒驱动刹车卡钳夹紧刹车盘从而产生摩擦力令车辆减速。各零件材质选择与参数估计假

10、设动力输出轮盘加装2.00:1的减速齿轮箱，当发动机达到6500转/分时, 经减速后输出的转速为3250转份。飞行汽车陆地最高时速限定为30m/s,选用轮径D为0.3m,则轮胎转速为1911转/分。选用变速箱最高档位时传动比为0.85:1,变速箱输出与轮胎间的传动系统相交轴传动比为1,则一级减速齿轮传动比为2.03:1 o经查阅资料考虑使用需求，到初步估计螺旋桨最高转速需要达到2800转份。故该级传动比为1.16:1。发动机扭矩 M=9549P/n, P为功率（单位Kw）, n为转速（单位r/min）o在6500转/分时的扭矩为70.52 N.m,而在6000转/分时的扭矩为75N.mo经减速

11、齿轮箱减速后转速减半。按扭转条件进行计算以初估轴径，选轴的材料为碳索 钢 牌号Q235,其许用扭转切应力为1220Mpao痂心圆截面轴计算t二T/W Wt, d33.0 mm0 传动路径一：转矩 Tl=9549P1/n1 = 164N.m,经计算 d1 34. 3 mmo 传动路径二：转矩 T2=9549P2/n2=282N.m,经计算 d241.6 mmo 选取动力输出齿轮材料为40MnB调质（硬度为2412861IBS,接触疲劳极限 为680760Mpa,弯曲疲劳极限为580610Mpa）,与具啮合的传动路径一齿轮为 45正火（硬度为156217HBS,接触疲劳极限为350400Mpa,弯

12、曲疲劳极限为 280340Mpa）o取Sh二15, Sf二2.0,设齿轮按8级精度制造，i二1. 16,取载荷 系数K二1. 5,齿宽系数二0.8,小齿轮转矩为150N.mo取Ze=188,d1 N114. 0mm。 取齿数Zl=40,则Z246,实际传动比i二1.15。模数m=dl/zl=2. 85齿宽 b=0dl=91.加m, bl=100mm, b2=95mmo 取 m二3,实际 dl=120mm, d2=138mmo 中心 距a=0. 5（dl+d2）=129mm0验算齿轮弯曲强度：查阅图表知，齿形系数Yfal二2. 35, Ysal=l. 68, Yfa2=2. 38, Ysa2=l

13、. 70。o f 1 二2K*Tl*Yfal*Ysal/zl*b*ni2二53. 96Mpa, o f2二2K*T2*Yfa,2*Ysa2/z2*b*ni2二87. 01Mpac 均符合条件。由上述己知条件，选取动力输出齿轮材料为40MnB调质（硬度为241 286HBS,接触疲劳极限为680760Mpa,弯曲疲劳极限为580610Mpa）,濒 与 其啮合的传动路径二齿轮为45调质（硬度为1562171 IBS,接触疲劳极限为350 400Mpa,弯曲疲劳极限为280340Mpa）o取Sh二1.25, Sf二1.6,设齿轮按8级精 度制造，1=2. 03,取载荷系数K二1.5,齿宽系数=0.8

14、,小齿轮转矩为150N.mo 取 Ze=188, d32112. 3mm。取齿数 Z3=40,则 Z482,实际传动比 22.05。模 数 m=d3/z3=2. 81 o 齿宽 b=0d3=89. 9mm, b4= 100mm, b3=95mmo 取 m=3,实际 d3=120mm, d4=246mm0 中心距 a=0. 5 （d3+d4）二 183mm。验算齿轮弯曲强度：查 阅图表知,齿形系数 Yfa3=2. 35, Ysa3=l. 68, Yfa4=2.25, Ysa4=l. 78O o f3=2K*T2*Yfa3*Ysa3/z3*b*m2二97. 67Mpa, o f4二2K*T2*Yf

15、M*YsM/z4*b*m2二45. 91Mpa。均符合条件。传动路径一上齿轮圆周力Ftl=2Tl/d2=2376. 8N。径向力Frl= Ftl*tana o 其中a为分度圆压力加。取a二20。估算Frl二865. 1N。传动路径二上齿轮圆周 力 Ft2=2T2/d4=2292. 7N。估算 Fr2=834. 5N。按弯扭合成强度进行轴径的精确计算：传动路径一上存在转矩T1二 =164000N.mm, Ft 1=2376. 8N,Frl=865.叮。初定齿轮与离合器间的轴长度120mm, 合成弯矩 Ml=303521N.mmo 強弯矩 Mec 1=344994 N. mm0 由。b二 Mecl

16、/WW 。b, 可矢口 dM34 63mm传动路径二上存在转矩 T2= =282000N.mm, Ft2二2292. 7N, Fr2=834. 5NO 初定齿轮与离合器间的轴长度120mm,同样算得d243 62mm。传动路径一齿轮与离合器间滚动轴承参数估计：作用在轴上的最大轴向力按 6600N径向力按1000N计算，压紧侧当量动载荷约为12000No (查表选取7408AC 型号的角接触球轴承(内径40mm,夕|径110mm,宽度27mm,额定动载荷62000N), 经过计算，寿命2758. 9ho经验算，满足此内径尺寸的轴，其轴向拉压应力小 于极限应力值。离合器与螺旋桨间轴主要承受扭矩，沿

17、用上述标准即可。 传动路径二齿轮与离合器间滚动轴承参数估计：变速箱前轴上轴向力约为 1600N,径向力按1000N估算。故压紧侧轴承当量动载荷约为3800No查表选取 7209C型号的角接触球轴承(内径45mm,外径85mm,宽度19mm,额定动载荷 29800N),经过计算,寿命L=11078.4hc经验算,满足此内径尺寸的轴,其轴向 拉压应力小丁极限应力值。离合器与变速箱间轴主要承受扭矩，沿用上述标准即 可。考虑到飞行汽车以陆地行驶为主，空中飞行为辅，上述轴承寿命值属丁可接 受范围。摩擦片材料选取铸铁-钢，在油中工作。离合器上传递转矩T二zfFR, z为摩 擦面数冃，F为轴向压力，f为摩擦系数。R=0. 25 (D1+D2) ,D1为外摩擦片内经， D2为内摩擦片外径。传动路径一：取z二10, f=0. 08, D 1=150mm, D2=200mm, 0. 25Mpap 0. 30Mpa,估算 Fl二2342. 8N。验算压强,pl=4Fl/n (D22-DI2 ) =0. 17Mpa p,符合条件。传动路径二:取 z二 10, f=0.0