轎車傳動系總體方案設計及萬向傳動軸的設計

1、懣共丈理彥院汽車設計課程設計題 目 轎車傳動系統總體方案及萬向傳動軸的設計機械與汽車工程學院2011 級院（系）專 業(yè)年 級車輛工程（新能源）學生姓名學 號指導教師鄧利軍四年六月摘要汽車傳動系統的基本功用是將發(fā)動機發(fā)出的動力傳給驅動車輪。 組成 現代汽車普遍采用的是活塞式內燃機，與之相配用的傳動系統 大多數是采用機械式或液力機械式的。普通雙軸貨車或部分轎車的發(fā) 動機縱向布置在汽車的前部，并且以后輪為驅動輪，其傳動系統的組 成和布置發(fā)動機發(fā)出的動力依次經過離合器、變速器（或自動變速器） 和由萬向節(jié)與傳動軸組成的萬向傳動裝置，以及安裝在驅動橋中的主 減速器、差速器和半軸，最后傳到驅動車輪。傳動系統

2、的首要任務是 與發(fā)動機協同工作，以保證汽車能在不同使用條件下正常行駛，并 具有良好的動力性和燃油經濟性。關鍵詞：離合器、變速器、萬向節(jié)傳動軸、驅動橋、主減速器、 差速器、半軸、驅動車輪abstractthe 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 driv

3、e 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 c

4、lutch> gearbox (or automatic transmission) and the drive shaft gear which make up of the universal section and the composition, and the main reducer which instailed on the drive axle 、 differential and axle, and finally is the drive wheels.the primary tasks of transmission is to work together wit

5、h the engine for ensure that the use of motor vehicles to normal in different traffic conditions, and has good power and fuel economy.key words: clutch, transmission, drive shaftuniversal joints, drive axle, main reducer, differential, axle, drive wheels目 錄任務書5第1章概述6第2章 汽車傳動系統的構造及其工作原理62.1汽車傳動系統的各個零

6、部件的簡介62. 2變速機72.2. 1變速機構72.2.2手動變速系統 72. 3萬向傳動裝置92. 3. 1萬向節(jié)92. 3. 2萬向傳動裝置-傳動軸 102. 3.3驅動橋 112.3.4驅動橋-半軸 112. 4汽車傳動軸的匹配設計計算流程圖12第3章 汽車傳動軸的匹配設計計算過程和結果123.1傳動軸的扭矩設計： 123.2傳動軸的花鍵設計計算16參考文獻20任務書車型轎車驅動形式ff4x2發(fā)動機位置前置、橫置發(fā)動機排量1998cm3最大功率(kw/rpm)110/6000最大轉矩(nm/rpm)186/4500最高車速umax=195km/h最人爬坡度= $30%汽車總質量ma=

7、1422kg滿載時前軸負荷率58%外形尺寸總長 la x 總寬 ba x 總高 ha二4841 x 1821 x1463mm3迎風面積a0 78 baxha空氣阻力系數cd二0. 35軸距l(xiāng)=2738mm前輪距bi 二1551mm后輪距b2=1551mm車輪半徑r=367mm離合器單片干式摩擦離合器變速器兩軸式、五擋第1章概述曲于汽車的傳動系統的組成冇離合器、變速器、萬向節(jié)、驅動橋、差速 器、半軸、主減速器以及傳動軸等等零部件。它的布置方案又分為機械式傳 動系統的布置方案和液力式傳動系統的布置方案。這兩個方案乂各自分成不 同的小的方案，每個小的方案也冇自己不同的零件選擇標標準和不同的布置 方案

8、方法。所以說汽車傳動系統是一個很大的課題。本篇論文主耍闡述汽車 傳動系統的工作原理、各個零部件的功能作用以及對轎車版中的設計計算。第2章汽車傳動系統的構造及其工作原理2.1汽車傳動系統的各個零部件的簡介在基木的傳動系統屮包含了負責動力連接的裝置、改變力量大小的變速機構、 克服車輪之間轉速不同的差速器，和聯結各個機構的傳動軸，有了這四個主要的 裝置z后就能夠把發(fā)動機的動力傳送到輪子上了。1、動力連接裝置1).扭力轉換器：這組機構被裝置在發(fā)動機與自動變速箱之間，能夠將 發(fā)動機 的動力平順的傳送到自動變速箱。在扭力轉換器屮含有一組離合器，以增加傳動 效率。2).離合器：這組機構被裝置在發(fā)動機與手動變

9、速箱z間，負責將發(fā)動機的 動力傳送到手動變速箱。2、變速機構1)手動變速機構：一般稱為“手動變速箱”，以手動操作的 方式進行 換檔。 2).自動變速機構：一般稱為“自動變速箱”，利用油壓 的作用去改變檔位。3、差速器 當車輛在傳向時，左、右二邊的輪子會產生不同的轉速，因此 左、右二邊的傳動軸也會有不同的轉速，于是利用差速器來解決左、右二邊轉速 不同的問題。4、傳動軸將經過變速系統傳遞出來的動力，傳遞至車輪進而產生驅動力的 機構。 汽油發(fā)動機車輛在運行時，發(fā)動機需耍持續(xù)運轉。但是為了滿足汽車行 駛上的需求，車輛必須冇停止、換檔等功能，因此必須在發(fā)動機的外連動之處， 加入一組機構，以視需求屮斷動力

10、的傳遞，以在發(fā)動機持續(xù)運轉的情形之下，達 成讓車輛靜止或是進行換檔的需求。這組機構，便是動力連接裝置。一般在車輛 上可以看到的動力連接裝置冇離合器與扭力轉換器等兩種。2. 2變速機2. 2. 1變速機構汽車在起步加速吋須要比較大的驅動力，此吋車輛的速度低，而發(fā)動機卻必須以 較高的轉速來輸出較大的動力。當速度逐漸加快之后，汽車所須要的行駛動力也 逐漸降低，這時候發(fā)動機只耍以降低轉速來減少動力的輸出，即可捉供汽車足夠 的動力。汽車的速度在由低到高的過程中，發(fā)動機的轉速卻是由高變到低，耍如 何解決矛盾現象呢？于是通稱為“變速箱”的這種可以改變發(fā)動機與車輪之間換 轉差異的裝置為此而生。變速箱為因操作上

11、的不同而有“手動變速箱”與“自動 變速箱”二種系統，這二種變速箱的工作方式也不相同。近年來由于消費者的需 求以及技術的進步，汽車廠開發(fā)稱為“手自一體變速箱”的可以手動操作的自動 變速箱；此外汽車廠也為高性能的車輛開發(fā)出稱為“順序式半門動變速箱”的帶 冇自動操作功能的手動變速箱。目前的f1賽車全面使用“順序式半自動變速箱”, 因此使用此類型手動變速箱的車輛均標榜采用來自f1的科技。2.2.2手動變速系統 在手動變速系統里面含有離合器、手動變速箱二個主要部 份。離合器：是用來將發(fā)動機的動力傳到變速箱的機構，利用磨擦片的磨擦來傳 遞動力。一般車型所使用的離合器只有二片磨擦片，而賽車和載重車輛則使用具

12、 冇更磨擦片的離合器。離和器還有干式與濕式二種，濕式離合器目前幾乎不再被 使用于汽車上面。 手動變速箱：以手動方式操作變速箱去做變換檔位的動作， 使手動變速箱內的輸入軸和輸出軸上的齒輪嚙合。多組不同齒數的齒輪搭配嚙合 z后，便可產生多種減速的比率。目前的手動變速箱均是使用同步齒輪的嚙合機 構，使換檔的操作更加的簡易，換檔的平順性也更好。3.門動變速系統 為了 使汽車的操作變得簡單，并讓不擅于操作手動變速箱的駕駛者也能夠輕松的駕駛 汽車，于是制造一種能夠自動變換檔位的變速箱就成為一件重要的工作，因此汽 車工程師在1940年開發(fā)出卅:界首具的自動變速箱。從此以后駕駛汽車在起步、 停止以及在加減速的

13、行駛過程中，駕駛者就不需耍再做換檔的動作?，F代的口 動變速系統里面含冇液體扭力轉換器、自動變速箱、電子控制系統三個主要部份。 在電子控制系統里面加入手動換檔的控制程序，就成了具有手動操作功能的“手 自一體變速箱”。 液體扭力轉換器：在主動葉輪與被動葉輪之間，利用液壓油 作為傳送動力的介質。將動力自輸入軸傳送到對向的輸出軸，經由輸出軸再將動 力傳送到口動變速箱。由于液壓油在主動葉輪與被動葉輪z間流動時會消耗部 份的動力。為了減少動力的損失，在主動與被動葉輪之間加入i組不動葉輪使能 量的傳送效率增加；以及在液體扭力轉換器內加入一組離合器，并在適當的行駛 狀態(tài)下利用離合器將主動與被動葉輪鎖定，讓主動

14、與被動葉輪之間不再有轉速的 差異，進而捉高動力的傳送效率。自動變速箱：以行星齒輪組構成換檔機構， 利用油壓推動多組的摩擦片，去控制行星齒輪組的動作，以改變動力在齒輪組的 傳送路徑，因而產生多種不同的減速比率。電子控制系統：早期的機械式自動 變速箱的換檔控制是以油壓的壓力變化去決定何吋做換檔的動作，即使經過多年 的研究及改良，機械式自動變速箱的換檔性能仍然不盡人意。于是電子式自動變 速箱便因應而出了。為了使換檔的時機更加的精確，以及獲得更加平順的換檔質 量，各汽車制造廠均投入大量的資源，針對口動變速箱的電了控制系統做研究。 2.2.3差速器 汽車發(fā)動機的動力經離合器、變速器、傳動軸，最后傳送到驅

15、動 橋再左右分配給半軸驅動車輪，在這條動力傳送途徑上，驅動橋是最后一個總成, 它的主要部件是減速器和差速器。減速器的作用就是減速增矩，這個功能完全靠 齒輪與齒輪z間的嚙合完成，比較容易理解。汽車差速器是驅動轎的主件。作用 就是在向兩邊半軸傳遞動力的同時，允許兩邊半軸以不同的轉速旋轉，滿足兩邊 車輪盡口j能以純滾動的形式作不等距行駛，減少輪胎與地面的摩擦。拐彎時車輪 的軌線是圓弧，汽車向左轉彎，圓弧的屮心點在左側，在相同的時間里，右側輪 子走的弧線比左側輪子氏，為了平衡這個差異，就妾左邊輪子慢一點，右邊輪子 快一點，用不同的轉速來彌補距離的差異。如呆后輪軸做成一個整體，就無法做 到兩側輪了的轉速

16、茅異，也就是做不到動調整。為了解決這個問題，法國雷諾 汽車公司的創(chuàng)始人路易斯.雷諾就設計出了差速器這個玩意。普通差速器曲行星 齒輪、行星輪架（差速器殼）、半軸齒輪等零件組成。發(fā)動機的動力經傳動軸進 入差速器，直接駅動行星輪架，再由行星輪帶動左、右兩條半軸，分別駅動左、 右車輪。差速器的設計要求滿足：（左半軸轉速）+ （右半軸轉速）二2 （行星輪架 轉速）。當汽車直行時，左、右車輪與行星輪架三者的轉速相等處于平衡狀態(tài)， 而在汽車轉彎吋三者平衡狀態(tài)被破壞，導致內側輪轉速減小，外側輪轉速增加。 這種調整是自動的，這里涉及到“最小能耗原理”，也就是地球上所有物體都傾 向于耗能最小的狀態(tài)。例如把一粒豆子

17、放進一個碗內，豆子會自動停留在碗底而 絕不會停留在碗壁，因為碗底是能量最低的位置（位能），它口動選擇靜止（動 能最小）而不會不斷運動。同樣的道理，車輪在轉彎時也會自動趨向能耗最低的 狀態(tài)，自動地按照轉彎半徑調整左右輪的轉速。當轉彎時，由于外側輪有滑拖的 現彖，內側輪有滑轉的現彖，兩個駅動輪此時就會產生兩個方向相反的附加力， 由于“最小能耗原理”，必然導致兩邊車輪的轉速不同，從而破壞了三者的平衡 關系，并通過半軸反映到半軸齒輪上，迫使行星齒輪產生門轉，使外側半軸轉速 加快，內側半軸轉速減慢，從而實現兩邊車輪轉速的差異。2. 3萬向傳動裝置力向傳動裝置一般由力向節(jié)、傳動軸和中間支承組成。其功用是在

18、軸線相交且相 對位置經常變化的兩轉軸z間可靠地傳遞動力。萬向傳動裝置一般由萬向節(jié)、傳動軸和中間支承組成。其功用是在軸線相交且相 對位置經常變化的兩轉軸之間口j靠地傳遞動力。2. 3.1萬向節(jié)按其剛度的大小可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)，前者的動 力是靠零件的錢鏈式聯接傳遞的；而后者的動力則是靠彈性零件傳遞的，如橡膠 盤、橡膠塊等，由于彈性元件的變形量冇限，因而撓性萬向節(jié)一般用于兩軸間夾 角不大以及有微量軸向位移的軸間傳動。剛性萬向節(jié)分為不等速萬向節(jié)（如常見 的十字軸式）、準等速萬向節(jié)（雙聯式、三銷軸式）和等速萬向節(jié)（球叉式、球籠式 等）。1.萬向傳動裝置-萬向節(jié) 萬向節(jié)與傳動軸組合，稱為萬向節(jié)傳

19、動裝置。 在前置發(fā)動機后輪駆動的車輛上，力向節(jié)傳動裝置安裝在變速器輸出軸與驅動橋 主減速器輸入軸z間而前置發(fā)動機前輪驅動的車輛省略了傳動軸，萬向節(jié)安裝 在既負責驅動又負責轉向的而橋半軸與車輪z間。汽車是一個運動的物體。在 后驅動汽車上，發(fā)動機、離合器與變速器作為一個整體安裝在車架上，而驅動橋 通過彈性懸掛與車架連接，兩者之間有一個距離，需要進行連接。汽車運行屮路 面不平產牛跳動，負荷變化或者兩個總成安裝位置差異，都會使得變速器輸出軸 與驅動橋主減速器輸入軸z間的夾角和距離發(fā)生變化，因此耍用一個“以變應變” 的裝置來解決這一個問題，因此就有了萬向節(jié)這個東西。萬向節(jié)的結構和作用冇 點象人體四肢上的

20、關節(jié)，它允許被連接的零件之間的夾角變化。但它與肢體關節(jié) 的活動形式乂有所不同，它僅允許夾角在一定范圍內變化。刀向節(jié)有十字軸式剛 性萬向節(jié)，準等速萬向節(jié)（雙聯軸式和三銷軸式），等速萬向節(jié)（球叉式和球籠 式），擾性萬向節(jié)。目而后驅動汽車上應用最廣的一種普通萬向節(jié)由萬向節(jié)叉、 十字軸等基本零件構成。十字軸裝配在萬向節(jié)叉上做連接，十字軸的軸頭上裝冇 滾針軸承，當軸頭接入萬向節(jié)叉吋，十字軸與萬向節(jié)叉之間就可以有相對旋轉， 也就產生了多角度變化。萬向節(jié)叉上的花鍵連接乂可以做小許的軸向移動，這樣 就適應了夾角和距離同時變化的需要。單個的萬向節(jié)不能使輸出軸與軸入軸的瞬 時角速度相等，容易造成振動，加劇機件的損

21、壞，產生很大的噪咅。因此，后驅 動汽車的萬向節(jié)傳動形式都采用雙萬向節(jié)，就是傳動軸兩端各有一個萬向節(jié)，其 作用是使傳動軸兩端的夾角相等，保證輸出軸與軸入軸的瞬吋角速度始終相等。 為了滿足動力傳遞、轉向和汽車運行時所產生的上下跳動所造成的角度變化，前 驅動汽車的驅動橋,半軸與輪軸之間也常用萬向節(jié)相連。由于受軸向尺寸的限制， 要求偏角又比較大,普通萬向節(jié)難以勝任，所以廣泛采用各式各樣的等速萬向節(jié)。 在一般前驅動汽車上，每個半軸用兩個等速萬向節(jié)，靠近變速驅動橋的萬向節(jié)是 半軸內側萬向節(jié)，靠近車軸的是半軸外側萬向節(jié)。在各種等速萬向節(jié)屮，常見是 球籠式力向節(jié)，它用六個鋼球傳力，主動軸與從動軸在任何交角的情

22、況下，鋼球 都位于兩園的交點上，即位于兩軸交角的平分而上，從而保證主、從動軸等角速 度傳動。2. 3.2萬向傳動裝置-傳動軸 曲發(fā)動機輸出的動力，經過變速系統的轉換之后， 傳送至驅動輪，方能夠對車輛產牛驅動力。而負責將動力傳送至驅動輪的機構， 便是傳動軸。而依據不同的傳動系統配置，還可以分為傳動軸與輪軸等兩種。傳 動軸在前置發(fā)動機后輪驅動（fr）或是前置發(fā)動機四輪驅動車型z中，由于后輪 需擔負驅動的工作，因此必須將動力傳動到后軸的差速器，以進而將動力傳輸至 后輪。這只穿過整個車體下方的長連桿，便是傳動軸。而在前置發(fā)動機前輪驅動 車型（ff）、后置發(fā)動機后輪驅動車型（rr）、屮置發(fā)動機后輪驅動車

23、型（mr）,這 三種傳動方式的汽車上則沒有裝設傳動軸，變速箱與差速器的動力輸出后，便直 接連接輪軸。輪軸將動力從弟速器傳送到輪了的軸。輪軸亦稱為“半軸”或“驅 動軸”。在一般前置前驅的車輛上，傳動系統的配置便如圖所示，發(fā)動機、變速 箱及差速器是連接在一起的，直接連接輪軸后，將動力直接傳遞至左右車輪。2. 3.3馭動橋 張動橋由主減速器、差速器、半軸和張動橋殼等兒部分組成， 其功用是將萬向傳動裝置傳來的發(fā)動機轉矩傳給驅動車輪，實現降速以增大傳 矩。驅動橋 1.驅動橋-主減速器 主減速器是汽車傳動系中減小轉速、增大 扭矩的主要部件。對發(fā)動機縱置的汽車來說，主減速器還利用錐齒輪傳動以改變 動力方向。

24、2.騾動橋-差速器 差速器的作用為使車輪盡可能不發(fā)生滑動，保 證車輪能以不同的角速度轉動。通常從動車輪用軸承支承在心軸上，使z能以任 何角速度旋轉，而驅動車輪分別與兩根半軸剛性連接，在兩根半軸z間裝有差速 器。 差速器通常按其工作特性分為齒輪式差速器和防滑差速器兩大類。 齒 輪式差速器：當左右驅動輪存在轉速差吋，差速器分配給慢轉驅動輪的轉矩大于 快轉馭動輪的轉矩。這種差速器轉矩均分特性能滿足汽車在良好路面上正常行 駛。但當汽車在壞路上行駛時，卻嚴重影響通過能力。防滑差速器：防滑差速 器的特點是，當一側驅動輪在壞路上滑轉時，能使大部分甚至全部轉矩傳給在良 好路面上的驅動輪，以充分利用這一驅動輪的

25、附著力來產生足夠的驅動力，使汽 車順利起步或繼續(xù)行駛。2. 3. 4馭動橋-半軸半軸是差速器與馭動輪之間傳遞扭矩的實心軸，其內端一般 通過花鍵與半軸齒輪連接，外端與輪轂連接。驅動橋-橋殼驅動橋殼是安裝主 減速器、差速器、半軸、輪轂和懸架的基礎件，主耍作用是支樂并保護主減速器、 差速器和半軸等。同時，它又是行駛系的主要組成件之一。2. 4汽車傳動軸的匹配設計計算流程圖圖3-5傳動軸的匹配設計計算流程圖第3章汽車傳動軸的匹配設計計算過程和結果3. 1傳動軸的扭矩設計:計算中所需的參數及其來源如卜表所示:名稱代號參數值來源發(fā)動機最高轉速lemax7000r/min設計任務書發(fā)動機最大功p emax7

26、3.6kw/6000設計任務書率發(fā)動機最犬轉矩temax133. 3 n m/4500設計任務書變速器一擋速比113. 583設計任務書變速器五檔速比150. 804設計任務書終速比io4. 052設計任務書車輪滾動半徑ii0. 303m設計任務書車輪靜態(tài)加載半徑rs0. 288m設計任務書輪胎附著系數u0.8納鐵福增扭系數（最大附著扭矩起動）fs1.2納鐵福增扭系數（最大發(fā)動機扭矩啟 動）fc1.7納鐵福驅動軸總成最 小扭轉強度ty2000 n m納鐵福啟動時的扭矩增量系數fc'1.6納鐵福表格3-1設計所需參數1. ）首先計算由發(fā)動機最大扭矩t®傳遞來的最大變速扭矩tt如

27、下: 手動變速器：tegimx二teicax x ie/z（3-1）然后計算最大附著扭矩t.s,tx=q,./2xrsx u x9.8xfs(3-2)比較丁畑占t.®的大小，取其中的較小值作為最大承受載荷tt （曲扭矩 圖得的結論）在此基礎上計算應用扭矩t.,pp,tapp 二tg x f c(3-3)驅動軸屈服扭矩應大于或等于tapp。式屮ia從發(fā)動機到驅動軸的總傳動比z騾動輪數qh前橋載荷u車輪附著系數rs車輪靜態(tài)加載半徑fs汽車最大附著扭矩起動吋的增扭系數fc汽車最大發(fā)動機扭矩啟動時的增扭系數。計算過程如下：te=tcmaxxig/z=133. 3x3. 583x4. 052/

28、2=967. 6 n mtwx=qb/2xrsx p x9. 8xfs=800/2x0. 288x0.8x9.8x1.2=1083.8 n m由于所以t葉x二teaixtapp=tmlxxfc=967. 6x1. 7=1644. 92 n m木車驅動軸總成最小扭轉強度ty為2000 n h1,大于tapp,所以滿足要求。按試驗數據最大轉矩2. ）校核驅動軸扭轉應力：16t,(n/mmj)(3-4)t許用應力,取r=539n/mm2高合金鋼（40cr、40mnb等）、中 頻淬火抗拉應力2980 n/mn?,工程應用中扭轉應力為抗拉應力的0. 5-0.6, 取該系數為0. 55,由此可取扭轉應力為

29、539 n/mm參考gb 3077-88tj傳動系計算轉矩，n-mm,tj=remaxiiiokdz7 nm(3-5)化喚一發(fā)動機最大轉矩n mm；譏一變速器一檔傳動比io一主減速器傳動比匕一動載系數傳動效率© 弟速器的轉矩分配系數，對于圓錐行星齒輪弟速器可取0. 6 各參數取值如下：人窗x= 133. 3 n mii = 3 583i0=4. 052kd= 1n=85%計算過程如下：tj=133. 3x3. 583x4. 052x1x0. 85x0.6 = 987 n m_167； _ 16x987n 加加 xlooo(3-6)取安全系數1.5得=1.5x(3-7)廠kl取r=53

30、9n/mm2高合金鋼(400、40mnb等)、中頻淬火抗拉應力2980n/mm工程應用中扭轉應力為抗拉應力的0. 50. 6,取該系數為0. 55,所以半軸最小直徑qn?16*1.5*7； 316x987nw5>d000 識 099539n mm.兀則可以取軸的取直徑為27mmo .03.2傳動軸的花鍵設計計算計算中所需的參數及其來源如卜表所示: 車輪轂端花鍵參數：齒數28模數1齒寬0.5 兀 m大徑29.35/29.15mm小徑27.225/27.996花鍵有效長度47.3min表格3-2車輪轂端花鍵參數變速器端外花鍵參數:齒數28模數1齒寬0.5 nm大徑3o.9o o.o55小徑2

31、8.90.0.1花鍵有效長度30.5表格3-3變速器端外花鍵參數1、）驅動軸花鍵齒側擠壓應力的設計以及校核(n/mm2)(3-8)式中：tj 計算轉矩，n mm；口衛(wèi)一花鍵的大徑和小徑，mm；z花鍵齒數l花鍵有效長度e載荷分布不均勻系數，計算吋可取0.75引許用擠壓應力，花鍵取9二l96n/mm2、）驅動軸花鍵齒側剪切應力的校核£） + d2zlb 0(3-9)式中:tj 計算轉矩，n mm；u, d2花鍵的外徑和內徑，mm；z花鍵齒數l花鍵有效長度b花鍵齒寬，mm©載荷分布不均勻系數，計算吋可取0.75tj許用擠壓應力，花鍵取r=71.05 n/mm%3、)把公式(3-8)