轿车传动系总体方案设计及万向传动轴的设计

1、懑共丈理彥院汽车设计课程设计题 目 轿车传动系统总体方案及万向传动轴的设计机械与汽车工程学院2011 级院（系）专 业年 级车辆工程（新能源）学生姓名学 号指导教师邓利军四年六月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

2、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：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 录任务书5第1章概述6第2章 汽车传动系统的构造及其工作原理62.1汽车传动系统的各个零

6、部件的简介62. 2变速机72.2. 1变速机构72.2.2手动变速系统 72. 3万向传动装置92. 3. 1万向节92. 3. 2万向传动装置-传动轴 102. 3.3驱动桥 112.3.4驱动桥-半轴 112. 4汽车传动轴的匹配设计计算流程图12第3章 汽车传动轴的匹配设计计算过程和结果123.1传动轴的扭矩设计： 123.2传动轴的花键设计计算16参考文献20任务书车型轿车驱动形式ff4x2发动机位置前置、横置发动机排量1998cm3最大功率(kw/rpm)110/6000最大转矩(nm/rpm)186/4500最高车速umax=195km/h最人爬坡度= $30%汽车总质量ma=

7、1422kg满载时前轴负荷率58%外形尺寸总长 la x 总宽 ba x 总高 ha二4841 x 1821 x1463mm3迎风面积a0 78 baxha空气阻力系数cd二0. 35轴距l=2738mm前轮距bi 二1551mm后轮距b2=1551mm车轮半径r=367mm离合器单片干式摩擦离合器变速器两轴式、五挡第1章概述曲于汽车的传动系统的组成冇离合器、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。这两个方案乂各自分成不 同的小的方案，每个小的方案也冇自己不同的零件选择标标准和不同的布置 方案

8、方法。所以说汽车传动系统是一个很大的课题。本篇论文主耍阐述汽车 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。第2章汽车传动系统的构造及其工作原理2.1汽车传动系统的各个零部件的简介在基木的传动系统屮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z后就能够把发动机的动力传送到轮子上了。1、动力连接装置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。在扭力转换器屮含有一组离合器，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

9、速箱z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 当车辆在传向时，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，发动机需耍持续运转。但是为了满足汽车行 驶上的需求，车辆必须冇停止、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，以视需求屮断动力

10、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冇离合器与扭力转换器等两种。2. 2变速机2. 2. 1变速机构汽车在起步加速吋须要比较大的驱动力，此吋车辆的速度低，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，这时候发动机只耍以降低转速来减少动力的输出，即可捉供汽车足够 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，耍如 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

11、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“顺序式半门动变速箱”的带 冇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。2.2.2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。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

12、 冇更磨擦片的离合器。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 z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.门动变速系统 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年开发出卅: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

13、行驶过程中，驾驶者就不需耍再做换档的动作。现代的口 动变速系统里面含冇液体扭力转换器、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 力传送到口动变速箱。由于液压油在主动叶轮与被动叶轮z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i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

14、与被动叶轮之间不再有转速的 差异，进而捉高动力的传送效率。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。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吋做换档的动作，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，针对口动变速箱的电了控制系统做研究。 2.2.3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

15、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z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 车轮尽口j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，圆弧的屮心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮 子走的弧线比左侧轮子氏，为了平衡这个差异，就妾左边轮子慢一点，右边轮子 快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。如呆后轮轴做成一个整体，就无法做 到两侧轮了的转速

16、茅异，也就是做不到动调整。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。普通差速器曲行星 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，直接駅动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别駅动左、 右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+ （右半轴转速）二2 （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， 而在汽车转弯吋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

17、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），它口动选择静止（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 现彖，内侧轮有滑转的现彖，两个駅动轮此时就会产生两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，迫使行星齿轮产生门转，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。2. 3万向传动装置力向传动装置一般由力向节、传动轴和中间支承组成。其功用是在

18、轴线相交且相 对位置经常变化的两转轴z间可靠地传递动力。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口j靠地传递动力。2. 3.1万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 力是靠零件的钱链式联接传递的；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冇限，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

19、动装置。 在前置发动机后轮駆动的车辆上，力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z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而桥半轴与车轮z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。汽车运行屮路 面不平产牛跳动，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z间的夹角和距离发生变化，因此耍用一个“以变应变” 的装置來解决这一个问题，因此就有了万向节这个东西。万向节的结构和作用冇 点象人体四肢上的

20、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 的活动形式乂有所不同，它仅允许夹角在一定范围内变化。刀向节有十字轴式刚 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。目而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，十字轴的轴头上装冇 滚针轴承，当轴头接入万向节叉吋，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乂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

21、坏，产生很大的噪咅。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吋角速度始终相等。 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。在各种等速万向节屮，常见是 球笼式力向节，它用六个钢球传力，主动轴与从动轴在任何交角的情

22、况下，钢球 都位于两园的交点上，即位于两轴交角的平分而上，从而保证主、从动轴等角速 度传动。2. 3.2万向传动装置-传动轴 曲发动机输出的动力，经过变速系统的转换之后， 传送至驱动轮，方能够对车辆产牛驱动力。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z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）、屮置发动机后轮驱动车

23、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。轮轴将动力从弟速器传送到轮了的轴。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。2. 3.3驭动桥 张动桥由主减速器、差速器、半轴和张动桥壳等儿部分组成， 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，实现降速以增大传 矩。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。

24、2.骡动桥-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z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z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吋，差速器分配给慢转驱动轮的转矩大于 快转驭动轮的转矩。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

25、附着力來产生足够的驱动力，使汽 车顺利起步或继续行驶。2. 3. 4驭动桥-半轴半轴是差速器与驭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，主耍作用是支乐并保护主减速器、 差速器和半轴等。同时，它又是行驶系的主要组成件之一。2. 4汽车传动轴的匹配设计计算流程图图3-5传动轴的匹配设计计算流程图第3章汽车传动轴的匹配设计计算过程和结果3. 1传动轴的扭矩设计:计算中所需的参数及其來源如卜表所示:名称代号参数值來源发动机最高转速lemax7000r/min设计任务书发动机最大功p emax7

26、3.6kw/6000设计任务书率发动机最犬转矩temax133. 3 n m/4500设计任务书变速器一挡速比113. 583设计任务书变速器五档速比150. 804设计任务书终速比io4. 052设计任务书车轮滚动半径ii0. 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u0.8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t®传递来的最大变速扭矩tt如

27、下: 手动变速器：tegimx二teicax x ie/z（3-1）然后计算最大附着扭矩t.s,tx=q,./2xrsx u x9.8xfs(3-2)比较丁畑占t.®的大小，取其中的较小值作为最大承受载荷tt （曲扭矩 图得的结论）在此基础上计算应用扭矩t.,pp,tapp 二tg x f c(3-3)驱动轴屈服扭矩应大于或等于tapp。式屮ia从发动机到驱动轴的总传动比z骡动轮数qh前桥载荷u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吋的增扭系数fc汽车最大发动机扭矩启动时的增扭系数。计算过程如下：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叶x二teaixtapp=tmlxxfc=967. 6x1. 7=1644. 92 n m木车驱动轴总成最小扭转强度ty为2000 n h1,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：16t,(n/mmj)(3-4)t许用应力,取r=539n/mm2高合金钢（40cr、40mnb等）、中 频淬火抗拉应力2980 n/mn?,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

29、539 n/mm参考gb 3077-88tj传动系计算转矩，n-mm,tj=remaxiiiokdz7 nm(3-5)化唤一发动机最大转矩n mm；讥一变速器一档传动比io一主减速器传动比匕一动载系数传动效率© 弟速器的转矩分配系数，对于圆锥行星齿轮弟速器可取0. 6 各参数取值如下：人窗x= 133. 3 n mii = 3 583i0=4. 052kd= 1n=85%计算过程如下：tj=133. 3x3. 583x4. 052x1x0. 85x0.6 = 987 n m_167； _ 16x987n 加加 xlooo(3-6)取安全系数1.5得=1.5x(3-7)厂kl取r=53

30、9n/mm2高合金钢(400、40mnb等)、中频淬火抗拉应力2980n/mm工程应用中扭转应力为抗拉应力的0. 50. 6,取该系数为0. 55,所以半轴最小直径qn?16*1.5*7； 316x987nw5>d000 识 099539n mm.兀则可以取轴的取直径为27mmo .03.2传动轴的花键设计计算计算中所需的参数及其來源如卜表所示: 车轮毂端花键参数：齿数28模数1齿宽0.5 兀 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 nm大径3o.9o o.o55小径2

31、8.90.0.1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)(3-8)式中：tj 计算转矩，n mm；口卫一花键的大径和小径，mm；z花键齿数l花键有效长度e载荷分布不均匀系数，计算吋可取0.75引许用挤压应力，花键取9二l96n/mm2、）驱动轴花键齿侧剪切应力的校核£） + d2zlb 0(3-9)式中:tj 计算转矩，n mm；u, 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，计算吋可取0.75tj许用挤压应力，花键取r=71.05 n/mm%3、)把公式(3-8)