第2章液壓輔助動力裝置總體設計

-PAGEIII-哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文-PAGEII-摘要隨著科學技術的發(fā)展和人們生活品質(zhì)的提高，汽車在人們的出行中扮演者越來越重要的角色。但另一方面，汽車的大量使用也帶來了許多不容忽視的問題，首當其沖的就是環(huán)境污染和能源大量消耗的問題。節(jié)能環(huán)保型汽車恰恰可以減輕環(huán)境污染和減少能源的消耗，而其中混合動力汽車最具有發(fā)展前景?；旌蟿恿τ须妱踊旌虾鸵簤夯旌蟿恿煞N，其中液壓混合動力技術是指在不改變傳統(tǒng)車輛底盤結構形式和發(fā)動機的前提下，通過在地盤上另外裝配一套液壓再生驅(qū)動系統(tǒng)，使大部分在制動過程中被消耗掉的制動能量被有效的回收儲存，并在車輛起步和加速時釋放這些被回收存儲的能量，以此達到減少油耗、降低排放、減小發(fā)動機和制動器的磨損的技術。由于底盤上加裝的液壓系統(tǒng)的液壓泵/馬達的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的差異，因此在實際車輛中需要開發(fā)出能夠調(diào)整液壓泵/馬達轉(zhuǎn)速的變速裝置。本次畢業(yè)設計的題目是設計液壓混合動力車輛中液壓輔助動力裝置轉(zhuǎn)矩耦合器，使耦合器具有一種輸入轉(zhuǎn)速和兩種輸出轉(zhuǎn)速。耦合器采用液壓控制來實現(xiàn)兩種不同的傳動比。本研究對于減少能源消耗，開發(fā)液壓混合動力車輛具有很大的使用價值。關鍵詞液壓混合動力汽車；液壓節(jié)能驅(qū)動系統(tǒng)；轉(zhuǎn)矩耦合器；液壓泵AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementofpeople'squalityoflife,automobilehasbecomeanindispensablemeansforpeopletotravel.Butontheotherhand,theextensiveuseofautomobilesalsobringsmanyproblemsthatcannotbeignored,thefirstisenvironmentalpollutionandenergyconsumption.Energy-savingandenvironment-friendlyvehiclescanreduceenvironmentalpollutionandenergyconsumption,amongwhichhybridelectricvehicleshavethemostdevelopmentprospects.Therearetwokindsofhybridpower,electrichybridandhydraulichybrid,inwhichthehydraulichybridpowertechnologymeansthat,withoutchangingthetraditionalvehiclechassisstructureandengine,anadditionalsetofhydraulicpressureisassembledonthesite.Thebiodrivesystemallowsmostofthebrakingenergyconsumedduringbrakingtobeeffectivelyrecycledandstored,andreleasedasthevehiclestartsandaccelerates,therebyreducingfuelconsumptionandemissions.Techniquesforreducingwearofenginesandbrakes.Becauseofthedifferencebetweenthespeedofhydraulicpump/motorandenginespeedofhydraulicsysteminstalledonchassis,itisnecessarytodevelopaspeedchangingdevicewhichcanadjustthespeedofhydraulicpump/motorinactualvehicle.Thetitleofthisdeviceinhydraulichybridelectricvehicle,sothatcouplerhasoneinputspeedandtwokindsofspeedOutputspeed.Thecoupleradoptshydrauliccontroltorealizetwodifferenttransmissionratios.Thisresearchhasgreatapplicationvalueforreducingenergyconsumptionanddevelopinghydraulichybridelectricvehicle.Keywordshydraulichybridelectricvehicle,hydraulicenergysavingdrivesystem,torquecoupler,hydraulicpump/motor-PAGEVII--緒論混合動力車輛的發(fā)展現(xiàn)狀隨著能源危機和環(huán)境危機的不斷加重，汽車行業(yè)也不得不根據(jù)新的市場需求，開發(fā)出各種節(jié)能的汽車，但是電動汽車存在制造成本高以及電池本身的污染等問題，使得電動汽車的發(fā)展受到了阻礙。而混合動力汽車就避免了電動汽車的缺點。在現(xiàn)階段混合動力汽車具有良好的發(fā)展前景。國外發(fā)展現(xiàn)狀上個世紀90年代以來，混合動力汽車由于其較強的可實施性而成為了許多著名汽車生產(chǎn)商的重點研究對象，在研究混合動力汽車的國家中，日本實力最強。日本生產(chǎn)的混合動力汽車占據(jù)了美國市場的主導地位，中國近年來也在大力發(fā)展混合動力汽車，并取得了許多突破性的成果。二十世紀七十年代末和八十年代初，美國和德國的汽車公司開始研究公共汽車節(jié)能的問題，靜液壓傳動的飛輪蓄能的電力復合驅(qū)動降低油耗更多，可提高汽車的加速性能。后來，液壓和電動技術的成熟使車輛的耗油量大大的降低，而且使車輛的污染物排放量大大的減少了，更加的符合了節(jié)能環(huán)保的要求。除此之外，美國的通用福特、克萊斯勒子在九十年代中期與美國能源部投資了上億美元用于開發(fā)混合驅(qū)動汽車，最近俄羅斯專家考慮用電容器儲能裝置研究混合動力汽車，優(yōu)點是質(zhì)量功率大，且能在極短的時間內(nèi)存儲和釋放能量。隨著世界石油資源的緊張，價格的上漲，對于環(huán)保要求的越來越高，混合動力是今后汽車節(jié)約能源的一種發(fā)展趨勢。據(jù)報道，最近瑞士科學家研制了一種新型的節(jié)能環(huán)保汽車，它是世界上目前最節(jié)省燃料的汽車。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀目前，我國混合動力汽車的開發(fā)和研制也取得了很大的進展，但是以運行的車輛整體為研究對象，通過回收儲存汽車在運行的過程中損失的機械能予以再利用，從而降低能耗和減輕環(huán)境污染的設計還很少，而該系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)方便，可對多種參數(shù)進行控制等優(yōu)點。華中科技大學研制成功了一種新型的電動節(jié)能轎車，據(jù)介紹，這種車輛的傳動取消了離合器，不需要手動變速，其動力源是高性能的鋰離子電池。這種汽車具有電機能量回收制動系統(tǒng)和機械制動系統(tǒng)，一次能量供給可以行駛二百五十公里，能夠適應各種道路狀況，具有運行平穩(wěn)，自動調(diào)速，快速響應，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。現(xiàn)在建立資源節(jié)約型環(huán)境友好型社會已經(jīng)成為了熱門話題，綠色環(huán)保已經(jīng)成為一種產(chǎn)品的價值追求和市場要求。發(fā)展節(jié)能環(huán)保型汽車是一件魚與熊掌兼得的事，不僅能夠緩解資源短缺的壓力，又能夠促進國民經(jīng)濟的快速發(fā)展?；旌蟿恿ζ嚨脑硪郧暗能囕v完全依靠純機械的操作系統(tǒng)，在車輛怠速、剎車和下坡時由于機械摩擦等原因都會損失大量的能量。將汽車減速制動時損失的機械能加以回收儲存，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，在汽車爬坡，起步，加速的情況下釋放這些能量，充當輔助動力與發(fā)動機一起更多的時間在經(jīng)濟狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。串聯(lián)式混合動力中，液壓輔助系統(tǒng)的作用實際上是用來平衡電動機的輸入功率和發(fā)動機的輸出功率。并聯(lián)式混合動力則是指由發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動汽車?；炻?lián)式結構具有以上兩種結構的特點。耦合器的設計內(nèi)容設計要求耦合器有2種速比（1.5和3），適配滿載車重4t，常用車速50km/h，最高車速90km/h。工作內(nèi)容1、設計具有兩種速比的耦合器；2、設計液壓輔助動力裝置并計算參數(shù)。液壓輔助動力裝置總體設計液壓輔助動力裝置是混合動力汽車的重要組成部分，其作用是通過對車輛在制動時的制動動能加以回收和儲存，從而達到降低能耗，減少環(huán)境污染的目的。液壓輔助動力裝置主要包括液壓蓄能器，液壓馬達/泵，耦合器，發(fā)動機，整車控制器及其它輔件組成。液壓輔助動力裝置結構形式的選擇液壓混合動力裝置分為三種，串聯(lián)式結構、并聯(lián)式結構和混聯(lián)式結構。串聯(lián)式液壓混合動力結構形式如圖2.1所示，串聯(lián)式結構由二次元件，變速器，離合器，變量泵液壓蓄能器，發(fā)動機等組成，當車輛加速或啟動時，二次元件6作為液壓馬達，將變量泵2的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能輸出，有的時候發(fā)動機1和變量泵2也可以集成在一起工作。當車輛制動時，二次元件6作為液壓泵將制動動能儲存在液壓蓄能器中，待車輛加速或爬坡時釋放，使發(fā)動機始終處于經(jīng)濟的工況下，但串聯(lián)結構中環(huán)節(jié)較多，各個環(huán)節(jié)都有功率損失，因而總的效率也比較低。圖2.1串聯(lián)式液壓混合動力原理圖2.1.2并聯(lián)式液壓混合動力結構形式并聯(lián)式混合動力車輛的結構形式如圖2.2所示，與串聯(lián)式不同的是其在變速器后面增加了一個轉(zhuǎn)矩耦合器，這樣就使得該系統(tǒng)有多種動力輸出方式，該系統(tǒng)的動力輸出可以分別單獨由發(fā)動機和變量泵輸出，也可以通過耦合器把發(fā)動機與變量泵的輸出耦合后輸出，這樣就可以在發(fā)動機和變量泵功率很低時得到大功率的輸出。當車輛低速行駛時也可以由蓄能器釋放的能量來驅(qū)動車輛前進。圖2.2并聯(lián)式液壓混合動力原理圖2.1.3混聯(lián)式液壓混合動力結構形式混聯(lián)式混合動力車輛的結構形式如圖2.3所示，它是串聯(lián)式和并聯(lián)式結構的綜集合，發(fā)揮兩種結構形式的優(yōu)點，但是混聯(lián)式的結構形式過于復雜，而且控制困難，生產(chǎn)成本會非常的高。在以上結構形式中，并聯(lián)式混合動力車輛是在傳統(tǒng)車輛其它結構基本保持不變的的基礎上加裝一套液壓輔助動力系統(tǒng)，因此可以直接在汽車的地盤上進行改造，，改裝起來相對容易，成本低，且因為并聯(lián)式本身的結構優(yōu)點，所以本文決定采用該結構形式。圖2.3混聯(lián)式液壓混合動力原理圖液壓泵/馬達液壓泵/馬達的工作原理傳統(tǒng)車輛在減速過程中是通過車輪與摩擦片的摩擦，將車輛的動能和勢能轉(zhuǎn)化為摩擦熱來達到減速的目的的，這種制動方式加速了制動系統(tǒng)的失效，而且沒有將制動動能得到合理的利用。混合動力車輛則通過利用能夠在四象限工作的液壓泵/馬達將車輛的制動動能和勢能進行回收轉(zhuǎn)化，使之變?yōu)樾钅芷髦写鎯Φ囊簤耗堋Ｍㄟ^這種能量的回收再利用方式，將傳統(tǒng)車輛浪費掉的制動能量回收，在車輛起步，爬坡，加速時迅速反饋給車輛，可達到節(jié)能的效果，同時也為車輛提供了更大的動力?？刂圃饔孟?，使其在液壓馬達和液壓泵之中轉(zhuǎn)化，當車輛發(fā)生制動時，二次元件就作為液壓泵，將制動動能轉(zhuǎn)化成液壓能存進蓄能器中。當車輛加速，爬坡時，二次元件作為液壓馬達，由液壓能轉(zhuǎn)換為機械能使車輛前進，蓄能器也將釋放儲存的液壓能從而為車輛提供更大的動力。液壓泵/馬達的選擇根據(jù)本次設計需要，選取一款內(nèi)斯曼力士樂公司的液壓泵/馬達裝置。其型號為A4VS0250DS1。機構如圖2.4。圖2.4A4VSO250DS1液壓泵/馬達此液壓泵/馬達的排量為，閉環(huán)控制，最高轉(zhuǎn)速為，重量為。蓄能器的選擇圖2.5NXQ囊式蓄能器根據(jù)設計需求決定選用蓄能器類型為NXQ囊式蓄能器，其型號為NXQ-16/31.5-L-Y。此囊式蓄能器的結構如上圖2.5所示。表1-1NXQ囊式蓄能器基本參數(shù)容積/L公稱壓力/MPa連接方式1631.5螺紋連接液壓蓄能器是液壓系統(tǒng)中不可缺少的液壓輔助元件，它具有穩(wěn)定壓力，減小脈動，存儲能量，吸收沖擊，補償容量和補償泄露等作用。其工作原理很簡單，蓄能器內(nèi)有一個裝有氣體的氣囊，當液壓泵將低壓液壓油加壓進蓄能器的罐體時，氣囊內(nèi)內(nèi)的氣體被壓縮，氣體壓力升高，能量被存儲起來，當需要釋放時，壓縮的高壓氣體膨脹將液壓油擠出并推動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，從而將存儲的能量釋放出來。本章小結本章主要介紹了液壓混合動力輔助裝置串聯(lián)，并聯(lián)，混聯(lián)三種不同的結構形式，根據(jù)其各自的優(yōu)缺點最終選擇了效率高，結構簡單，易于改裝的并聯(lián)式結構形式。其次，還介紹了液壓混合動力裝置的主要元件——液壓泵/馬達和蓄能器它們各自的工作原理，而且對它們的型號進行了合理的選擇。耦合器的設計整體設計本次設計的耦合器有兩個檔位，傳動比分別為1.5和3，輸入軸的轉(zhuǎn)速為、輸入轉(zhuǎn)矩為。耦合器的示意圖如圖3.1所示，因為該耦合器中的兩個液壓離合器需要在軸上有油路，且為了使輸入軸的轉(zhuǎn)向和輸出軸的轉(zhuǎn)向一致，所以設計了一對傳動比為1:1的齒輪將車橋主軸的動力傳到II軸上，II軸和III軸上都裝有一個液壓離合器，離合器的離合通過控制器進行控制，并保證兩個離合器不能同時結合。圖3.1耦合器傳動示意圖如上圖3.1所示，車橋主軸的動力傳到I軸，經(jīng)過1:1的齒輪傳動傳到了II軸，II軸上與離合器結合時，III軸上與齒輪相連的離合器分開，III軸上與離合器相連的大齒輪空轉(zhuǎn)，III軸的輸出轉(zhuǎn)速。當II軸上的離合器分離時，III軸上的離合器結合，此時II軸上與離合器相連的大齒輪空轉(zhuǎn)，III軸的輸出轉(zhuǎn)速。齒輪的設計傳動比為的齒輪設計計算齒輪材料選擇：小齒輪：35CrMo調(diào)質(zhì)+表面淬火HRC45~55大齒輪:40Cr調(diào)質(zhì)+表面淬火HRC48~55按照中等質(zhì)量等級(MQ級)要求,查機械設計手冊得到大齒輪和小齒輪的齒根彎曲疲勞極限及其基本值和兩齒輪的齒面接觸疲勞極限如下：此設計齒輪是閉式硬齒面，所以需按齒根彎曲疲勞強度設計，接下來校核齒面接觸疲勞強度。運用人字齒公式設計計算，據(jù)齒根彎曲疲勞強度來初步確定齒輪的模數(shù)：(3-1)式中：k為載荷系數(shù)，它是考慮到載荷分布不均產(chǎn)生的綜合影響系數(shù)，取k=1.4；為保證不發(fā)生根切且傳動平穩(wěn)連續(xù)，現(xiàn)取小齒輪齒數(shù),因此大齒輪的齒數(shù)：（3-2）；（3-3）復合齒形系數(shù)為:依據(jù)、、、、等條件，查圖機械設計手冊得。齒寬系數(shù):；，那么大齒輪的許用彎曲應力為：（3-4）將上面確定的參數(shù)帶入公式（3-1）：?。恢行木酁椋海?-5）；：（3-6）；校核齒面接觸疲勞強度：（3-7）確定公式（3-7）中的各個參數(shù)：分度圓上的圓周力：（3-8）使用系數(shù):因為工作裝置載荷平穩(wěn)，故查機械手冊取。動載荷系數(shù)：（3-9）；由齒輪的圓周速度及增速器的用途，查表取齒輪的,。將相關的參數(shù)值代入式（3-9）得：查表得齒輪的齒向載荷分布系數(shù)：（3-10）：：表3-1齒間載荷分配系數(shù),精度等級組567895級以下經(jīng)表面硬化的直齒輪1.01.11.2經(jīng)表面硬化的斜齒輪1.01.11.21.4未經(jīng)表面硬化的直齒輪1.01.11.2未經(jīng)表面硬化的斜齒輪1.01.11.21.4節(jié)點區(qū)域系數(shù)：按照，查機械設計手冊得：；根據(jù)大小齒輪的材料，查表3-2得材料彈性系數(shù)；表3-2材料彈性系數(shù)小齒輪材料大齒輪材料鋼鑄鐵球墨鑄鐵鑄鐵錫青銅鑄錫青銅織物層壓朔料鋼鑄鋼球墨鑄鐵鑄鐵189.8188.9188.0181.4180.5173.9162.0161.4156.6143.7159.8155.056.4：當量齒數(shù)計算：，，，查機械設計手冊有：,有因為、，查機械設計手冊縱向重合度按、、查機械設計手冊有；將確定后的數(shù)值帶入公式（3-7）中有：確定安全系數(shù)：（3-11）應力循環(huán)次數(shù)：（3-12）將系數(shù)帶入式（3-12）中：：根據(jù)計算出的循環(huán)次數(shù)值，查機械設計手冊可知接觸強度的計算壽命系數(shù)：、：。工作硬化系數(shù)。選取尺寸系數(shù)：查圖3.2可得。圖3.2接觸強度計算的尺寸系數(shù)將求出的數(shù)帶入（3-11）中去，確定出安全系數(shù)：；由以上步驟可得出齒輪的齒面接觸強度符合其安全要求。知齒根彎曲疲勞強度公式為：(3-13)。：根據(jù)、、、、查圖3-4可知：、。重合度與螺旋角系數(shù)：根據(jù)、等數(shù)據(jù)可以通過查找機械設計手冊得。把所求出的數(shù)帶入式（3-13）中：安全系數(shù)：（3-14）上面公式中：壽命系數(shù)可據(jù)、查找機械設計手冊得、。相對齒根圓角敏感系數(shù)：由和都大于1.5，查下表3-3可知：表3-3相對齒根圓角敏感系數(shù)齒根圓角參數(shù)范圍值疲勞強度計算時靜強度計算時110.950.7尺寸系數(shù)查圖3.3可知：。圖3.3尺寸系數(shù)將上述所求出數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計算公式（3-14）可知：選取高可靠度由于，故安全。根據(jù)上面的計算可知，傳動比為i=1.04的齒輪設計符合要求，齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度均符合要求。整理計算得到的結果匯總成表3-4：表3-4傳動比為1.04的齒輪設計參數(shù)名稱符號計算公式及參數(shù)選擇螺旋角分度圓直徑齒頂高齒根高齒頂圓直徑齒根圓直徑中心距190.526m傳動比的齒輪設計計算材料的選擇：大齒輪：40Cr調(diào)質(zhì)+表面淬火HRC48~55小齒輪：35CrMo調(diào)質(zhì)+表面淬火HRC45~55按照中等質(zhì)量等級(MQ級)要求,查圖表得到大齒輪和小齒輪的齒根彎曲疲勞極限及其基本值和兩齒輪的齒面接觸疲勞極限為：由于設計的齒輪為閉式硬齒面，所以應該按照齒根彎曲疲勞強度進行設計，然后校核齒面接觸疲勞強度。采用人字齒公式進行設計計算，并依據(jù)齒根彎曲疲勞強度來初步確定齒輪的模數(shù)：載荷系數(shù)k：它是考慮到載荷分布不均產(chǎn)生的綜合影響系數(shù)，??；：：，；：、、、查圖3-4知。取值:；：；把上面確定的參數(shù)帶入公式（3-1）里：?。话焉厦娴臄?shù)值帶到中心距a的計算公式（3-5）里：：故：經(jīng)校核齒輪安全。將以上計算結果匯總成表3-5。表3-5傳動比為1.52的齒輪設計參數(shù)名稱符號計算公式及參數(shù)選擇螺旋角分度圓直徑齒頂高齒根高齒頂圓直徑齒根圓直徑中心距180.133mm傳動比的齒輪設計計算材料的選擇：大齒輪：40Cr調(diào)質(zhì)+表面淬火HRC48~55小齒輪：35CrMo調(diào)質(zhì)+表面淬火HRC45~55按照中等質(zhì)量等級(MQ級)要求,查圖表得出大小齒輪的齒根彎和兩齒輪的齒面為：因為設計閉式硬齒面齒輪，所以應按齒根彎曲疲勞強度進行設計，然后校核齒面接觸疲勞強度。采用人字齒公式進行設計計算，并依據(jù)齒根彎曲疲勞強度來初步確定齒輪的模數(shù)：；載荷系數(shù)k：它是考慮到載荷分布不均產(chǎn)生的綜合影響系數(shù)，取k=1.4。：,則大齒輪的齒數(shù)為：；根據(jù)一對相互嚙合的齒輪的齒數(shù)；初取螺旋角：根據(jù)、、、，查圖3-4知。取值：。：，那么大齒輪的許用彎曲應力為：；將上面確定的參數(shù)帶到公式（3-1）里：，取依據(jù)中心距a的計算公式（3-5）：；：故：經(jīng)校核齒輪安全。把以上的結果匯總后得到表格3-6如下：表3-6傳動比為3.11的齒輪設計參數(shù)名稱符號計算公式及參數(shù)選擇螺旋角分度圓直徑齒頂高齒根高齒頂圓直徑齒根圓直徑中心距180.133mm軸的設計輸入I軸的設計1.軸的材料的選擇耦合器的I軸所承受的轉(zhuǎn)矩最大，為了使軸的結構尺寸盡可能的小且滿足強度要求，因此決定選用40CrNi作為輸入軸的材料。40CrNi的各項力學性能指標由機械手冊查得為：QUOTEσb=900Mpa,σs=735Mpa,σ-12.軸直徑的初步估算，最大轉(zhuǎn)速為，?？捎靡韵鹿焦浪爿S的最小直徑：（3-15）將數(shù)值代入（3-15）中，。3.軸的結構設計（1）確定軸的各段直徑和長度考慮到I-II軸段左端需要加工出一軸肩用于定位，并考慮到軸承端蓋中密封圈的內(nèi)徑尺寸，，因為軸和半聯(lián)軸器相配合部分孔的長度是82mm，為使軸向固定準確可靠，故?、?Ⅱ段軸的長度為80mm，Ⅲ-Ⅳ段軸上需要安裝擋油環(huán)，軸承，軸套，根據(jù)這些零件尺，長度為45mm。Ⅳ-Ⅴ段需要做齒輪的軸向及周向固定，，根據(jù)齒輪的輪轂寬度可知此段軸的長度為88mm。Ⅶ-Ⅷ段與Ⅲ-Ⅳ相同，Ⅷ-Ⅸ與Ⅱ-Ⅲ相同，Ⅸ-Ⅹ段與I-II結構相同。（2）軸上零件的周向定位本設計考慮具體情況決定采用平鍵中的A型普通平鍵連接方法。根據(jù)齒輪的輪轂寬度和鍵所在的軸的截面尺寸，通過機械手冊查得平。選擇軸與齒，保證二者配合具良好的對中性；采用過渡配合來保證軸與滾動軸承的周向定位，此處選。4．按彎扭合成強度條件計算根據(jù)所確定的機構簡圖，。由此求得軸上各段所受的彎矩扭矩。畫出軸受力的簡圖為便于計算，把軸所受的作用力分解為水平面內(nèi)的力和垂直面內(nèi)的力，然后進行計算。取集中力作用在軸上零件寬度的中點。對于支反力的作用位置，則隨軸承類型的不同而不同。(2）軸上作用力的計算齒輪的圓周力：（3-16）齒輪的徑向力：（3-17）齒輪的軸向力：（3-18）（3）計算支反力水平面內(nèi)支反力：(3-19)（3-20）（3-21）垂直面內(nèi)支反力：（3-22）（3-23）（3-24）（4）計算軸彎矩，畫彎矩圖水平面內(nèi)的彎矩：（3-25）垂直面內(nèi)的彎矩：（3-26）水平面和垂直面彎矩圖如圖3.4：合成彎矩：（3-27）合成彎矩圖：（5）畫轉(zhuǎn)矩圖（圖3.4）(6）計算并畫出當量彎矩圖（圖3.4）轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變應力計算，取α=0.6得：（3-28）在校核過程中，通常只對軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的危險截面的強度進行校核，即截面2的右端。（3-29）得到軸的強度足夠。圖3.4軸彎矩轉(zhuǎn)矩示意圖傳動軸II的設計及校核1.選擇軸的材料Ⅱ軸是傳動軸，耦合器的作用是增加速度減小扭矩，Ⅱ軸承受的扭矩比Ⅰ軸小，為了能夠盡可能的減小Ⅱ軸的結構尺寸，選?、蜉S的材料為40CrNi并且作調(diào)制處理。根據(jù)機械設計手冊上關于材料性能的圖表查得其力學性能，取A=92。2.初步估算軸的直徑，。估算軸的最小直徑可根據(jù)下面的公式（3-15）計算，有3.軸的結構設計（1）確定軸的各段長度和直徑Ⅰ-Ⅱ段軸需要安裝軸承，軸套和擋油環(huán)，根據(jù)軸套，軸承及擋油環(huán)的長度，可確定Ⅰ-Ⅱ軸的長度為44mm，；Ⅱ-Ⅲ軸上要安裝齒輪并且保證齒輪的定位，根據(jù)齒輪輪轂的厚度可以確定Ⅱ-Ⅲ軸的長度為88mm，；Ⅲ-Ⅳ軸肩是用來做兩對齒輪的定位用的，需要安裝套筒，由套筒的長度可以確定該段軸的長度為10mm，；Ⅳ-Ⅴ段軸與齒輪配合并且要求齒輪可靠定位，根據(jù)齒輪輪轂的厚度可以確定此段軸的長度為78mm，直徑；Ⅵ-Ⅶ軸與離合器配合，根據(jù)離合器的尺寸可確定該段軸長為80mm，直徑；Ⅶ-Ⅷ段軸同樣需要與齒輪配合，根據(jù)已經(jīng)計算出的齒輪尺寸可以確定該段軸的長；Ⅷ-Ⅸ段軸上需要固定軸承，套筒，及擋油環(huán)，根據(jù)所選軸承，套筒，及擋油環(huán)的尺寸可確定。Ⅱ-Ⅲ軸各段的直徑及長度基本確定完畢。（2）軸上零件的周向定位由于A型的圓頭平鍵連接，軸上的槽是使用指狀銑刀加工出來，因此，鍵與槽同形，定位精度高，工程上最常用。所以，決定采用A型普通平鍵連接來做齒輪的周向定位，由齒輪的輪轂寬度為90mm來確定鍵的長度，再由鍵所在軸的截面尺寸即軸的直徑確定鍵寬和鍵高，由此確定平鍵的截面尺寸為。根據(jù)Ⅱ-Ⅲ段軸上與之配合的齒輪的輪轂寬度和軸的直徑，查機械手冊得A型普通平鍵的截面尺寸為，軸上Ⅵ-Ⅶ段需要與離合器配合，為確保離合器的周向定位，同樣選用A型普通平鍵連接，根據(jù)配合軸段長度和該軸段的直徑，查機械手冊得A型普通平鍵的截面尺寸為，同時為了使齒輪與軸配合后具有很高的旋轉(zhuǎn)精度，；運用過渡配合方式來確保軸與滾動軸承的周向定位，選取4.確定軸上倒角和圓角尺寸根據(jù)機械設計手冊來確定各軸肩處圓角半徑，軸端倒角均取。5．按彎扭合成強度條件計算按彎扭合成強度條件校核后軸的強度合格。輸出軸的設計1.選擇軸的材料輸出軸承受扭矩和彎矩不是很大，為了使軸的尺寸盡可能的小，選用40CrNi作為軸的材料并做調(diào)制處理。查機械設計手冊得其力學性能指標，，QUOTEσb=900Mpa,σs=735Mpa,σ-1=430Mpa,τ-2.初步估算軸的直徑，。估算軸的最小直徑：將數(shù)據(jù)代入（3-15）中，得。3.設計軸的結構（1）軸各段直徑和長度的確定Ⅰ-Ⅱ段軸需安裝軸承及擋油環(huán)，根據(jù)二者的長度，可確定Ⅰ-Ⅱ軸段的；Ⅲ-Ⅳ段軸與齒輪配合，根據(jù)齒輪的輪轂寬度可確定該段軸的；Ⅳ-Ⅴ軸段需要與離合器配合，由離合器長度可以確定該段軸的；Ⅶ-Ⅷ段軸也要與齒輪配合，由已經(jīng)計算出的齒輪的尺寸可以確定此段軸的長度為78mm，直徑；Ⅷ-Ⅸ段軸上安裝軸承，套筒及擋油環(huán)。根據(jù)所選軸承，套筒及擋油環(huán)尺寸可確定該段軸長為62mm，。各段軸的直徑和長度基本確定完畢，軸的結構詳見A1圖。（2）軸上零件的周向定位運用A型普通平鍵連接方式作齒輪Ⅲ的周向定位，由齒輪的輪轂寬度為80mm以及該段軸的直徑，查機械設計手冊得A型普通平鍵的截面尺寸為。Ⅴ-Ⅵ軸段需要與離合器配合，為保證離合器的周向定位，采用A型普通平鍵連接，由配合軸段長度以及該軸段的直徑，查機械設計手冊得平鍵截面尺寸為，同時為了保證軸與齒輪配合時具較好的對中性，；運用過渡配合來確保滾動軸承與軸的周向定位，選取。4.確定軸上圓角及倒角尺寸查機械設計手冊得到各軸肩處的圓角半徑，詳見A1零件圖，軸端倒角均取為。5.按彎扭合成強度條件計算按照彎扭合成強度的條件進行校核后，得出軸的強度是合格的。軸承和鍵的校核軸承校核本次耦合器設計采用軸承對各軸進行周向定位，相對于滑動軸承，滾動軸承具有啟動快、摩擦阻力小、效率高，維護和潤滑方便等優(yōu)點。因為耦合器的輸入轉(zhuǎn)速較高，所以運用球軸承。本次設計選用角接觸球軸承，其具有極限轉(zhuǎn)速高、可同時承受徑向和軸向載荷、摩擦力矩比較小、靜載荷容量大、同樣的外型尺寸比深溝球軸承動、噪音小、旋轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)點。對Ⅱ軸上所用軸承進行校核，，查機械設計手冊選用46111型角接觸球軸承。1.軸承徑向載荷的計算將軸系部件受到的空間力系分解，得到垂直面與水平面內(nèi)的兩個平面力系，由軸Ⅱ校核時知：水平方向支反力：（3-30）（3-31）垂直方向支反力：合成支反力：（3-32）2．軸承軸向載荷的計算查機械設計手冊，66309軸承的徑向基本額定動載荷為,。對與66309型軸承系數(shù)，。由上式可知，軸承1“壓緊”，軸承2“放松”,故：（3-33）（3-34）3.計算軸承的當量動載荷：查機械設計手冊得軸向動載荷系數(shù)和徑向動載荷系數(shù)：軸承1軸承2軸承工作時有中等，則根據(jù)公式（3-35）有：（3-35）4.校核軸承壽命因為，該對軸承的最短壽命為：（3-36）軸承壽命滿足要求。鍵的校核耦合器中齒輪和軸的周向定位大多采用普通平鍵連接，其型號都是A型平鍵，故其校核方法都是一樣的。在這里僅選擇Ⅰ軸上的平鍵進行校核。選用的鍵型號為A型圓頭平鍵，平鍵截面尺寸為。。動連接時平鍵校核需要對耐磨性進行檢驗，其校核公式為：(3-37)把各個參數(shù)的數(shù)值代入公式（3-37），計算得：p=32.48MPa＜[p]=40MPa所以，鍵符合要求。離合器的選擇離合器的種類很多,相比較于其它形式的離合器由于液動離合器結合與分離平穩(wěn)，液壓油可以緩沖和吸震而且液壓離合器在工作中磨損很小，液壓油的循環(huán)可以帶走離合器工作時產(chǎn)生的部分摩擦熱，使整個系統(tǒng)的溫度不至于過高，工作過程中噪音小等優(yōu)點，所以此次設計采用液壓離合器。液壓油通過離合器的旋轉(zhuǎn)接頭導入使活塞受到壓力，活塞脫開了制動器摩擦盤，直到與離合器的摩擦盤接觸上，離合器變成嚙合狀態(tài)，使齒輪旋嚙合轉(zhuǎn)實現(xiàn)不同的傳動比。耦合器選用的離合器為液壓驅(qū)動Sinius多盤離合器（濕式標準），為奧林豪斯多盤離合器0021-007-27-000000與0021-007-32-000000系列，工作壓力為20bar。本章小結本章首先對耦合器在結構上進行了整體的設計，然后對耦合器的各個齒輪進行了設計計算，并且校核了它們的齒根彎曲強度和齒面接觸強度，以及材料的選擇和熱處理方法；對耦合器內(nèi)的各根軸進行了設計計算，并且校核了各根軸的強度；最后根據(jù)各種離合器的優(yōu)缺點對離合器的類型及具體型號進行了合理的選擇。液壓系統(tǒng)離合器液壓系統(tǒng)設計由于設計的離合器傳遞的扭矩較大，因此決定采用液壓傳動。液壓傳動具有許多的優(yōu)點，重量輕、體積小、能容量大、調(diào)速范圍廣，易于實現(xiàn)無極調(diào)速等。液壓傳動與微電子技術結合之后易于實現(xiàn)自動控制，而且液壓傳動可以實現(xiàn)過載保護。本次設計，采用兩個液壓離合器分別安裝在兩根軸上，通過兩個離合器的交替動作來控制兩對齒輪的結合與分離，從而實現(xiàn)兩種不同的傳動比。如下圖所示，該液壓回路中有一個三位四通電磁換向閥，兩個單向節(jié)流閥，兩個液壓蓄能器，液壓蓄能器可以使離合器結合時動作更加迅速，單向節(jié)流閥則可以使離合器的動作更加平穩(wěn)。當離合器嚙合時，在液壓蓄能器中的油壓會使活塞迅速壓向摩擦盤。離合器的液壓系統(tǒng)原理圖如圖4.1所示。圖4.1離合器液壓系統(tǒng)原理圖蓄能器的選擇蓄能器是將液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力能儲存，在需要的時候重新釋放出來。其作用有：1.作為輔助動力的源頭有時候，當工作機的功率突然增大時，油路中油壓一時間很難快速的供應，導致工作機無法正常工作或產(chǎn)生振動，在這種情況下如果在油路中加裝蓄能器作為輔助動力源，就可以及時的響應負載的變化，保證系統(tǒng)的正常工作。2.保壓補漏有時候由于系統(tǒng)的泄露會降低油路的壓力，通過在回路中加裝蓄能器就能夠使系統(tǒng)保持相對穩(wěn)定的壓力。油箱的設計在液壓系統(tǒng)中，油箱是儲存液壓油的作用的，為液壓系統(tǒng)提供充足的液壓油供給的裝置，它還能夠散發(fā)油液的熱量，使油液中的雜質(zhì)沉下來而去除。油箱可分成整體式和分離式，整體式具緊湊結構，回收漏掉的油十分容易，但散熱性不好；分離式油箱易于保養(yǎng)，因油箱和主機分開，所以油箱發(fā)出的熱與振動不會對主機的工作產(chǎn)生影響。根據(jù)以上的分析，本次設計擬采用分離式結構的油箱。其它液壓元件的選擇現(xiàn)將選好的液壓元件繪制成表格，如下表：表4-1液壓元件表序號元件名稱規(guī)格型號數(shù)量1過濾器WU-63X18012內(nèi)嚙合齒輪油泵NB3-G20F13電機Y160L-414卸荷溢流閥HUR-G03-3-3015電磁換向閥4WE6D7X/HG24N9K416節(jié)流閥MG8G1.217單向節(jié)流閥MK8G1.228油箱160L19空氣過濾器QUQ2-10X1.01本章小結本章主要對于離合器液壓系統(tǒng)原理圖進行了說明及設計，并對蓄能器，油箱做了解釋，對于其它的一些液壓元件如過濾器，油泵，電機等進行了選擇。液壓輔助動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩耦合器技術經(jīng)濟分析概述隨著社會的不斷發(fā)展，科學技術日新月異，各行各業(yè)都充斥著巨大的競爭壓力，因此人們在開發(fā)新的產(chǎn)品時不光注重它的技術性能，而且非常重視它的經(jīng)濟效益。技術指標和經(jīng)濟指標是一項產(chǎn)品設計能否成功的兩個關鍵要素，因此，我們在開發(fā)設計一個新的產(chǎn)品時應該對其進行必要的技術經(jīng)濟分析，使技術和經(jīng)濟達到最優(yōu)的結合，從而使獲取最合適的設計研究方案。技術經(jīng)濟，從字面意思不難看出它就是對所研究設計的項目進行技術層面和經(jīng)濟層面的雙重考慮，從而達到使所設計研究的項目在經(jīng)濟和技術兩個方面都達到最好的成果。技術經(jīng)濟研究主要是對各種技術實踐進行經(jīng)濟效果計算、評價及優(yōu)選等工作，技術經(jīng)濟分析就是找到方案使經(jīng)濟效果最好，經(jīng)濟分析中最為常見的方法為價值分析。價值技術分析中主要的是功能分析，也就是要想辦法除去產(chǎn)品多余的