整车配置课程设计.docx
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整车配置课程设计
整车配置课程设计
汽车动力总成匹配与总体设计说明书
指导老师：
董志强
设计者：
王旭东
班级：
车辆121201
学号：
201212040127
前言
“汽车设计课程设计”是汽车设计制造专业学生的必修的实践教学环节，是锻炼学生解决工程实践与培养创新能力的一种具体手段。
通过完成汽车某一总成的设计，或者解决某一具体设计实例问题，学习选择汽车总成设计方案的思路，确定相应的机械结构，选取合理的参数，绘制的合格的设计图样，进行汽车设计的初步训练，达到对前期所学“汽车构造”、“汽车理论”、“汽车设计”等课程专业知识的综合应用。
而汽车动力总成指的是车辆上产生动力，并将动力传递到路面的一系列零部件组件。
广义上包括发动机，变速箱，驱动轴，差速器，离合器等等，但通常情况下，动力总成，一般仅指发动机，变速器，以及集成到变速器上面的其余零件，如离合器/前差速器等。
关键词：
动力总成、传动系总成选型、整车性能计算
目录
设计任务书························································3
第1章整车主要目标参数的初步确定·································4
1.1、发动机的选择·················································4
1.1.1、发动机的最大功率及转速的确定·······························4
1.1.2、发动机的最大转矩及转速的确定·······························4
1.2、轮胎的选择···················································5
1.3、传动系最小传动比的确定·······································6
1.4、传动系最大传动比的确定·······································7
第2章传动系各总成的选型·········································9
2.1、发动机的选型·················································9
2.2、离合器的初步选型·············································10
2.3、变速器的选型················································11
2.4、传动轴的选型················································11
2.5、驱动桥的选型················································11
2.5.1、驱动桥结构形式和布置形式的选择····························11
2.5.2、主减速器结构形式选择······································12
2.5.3、驱动桥的选型··············································13
第3章整车性能计算··············································14
3.1.汽车动力性能计算·············································14
3.1.汽车经济性能计算·············································20
第4章设计总结·················································22
致谢·····························································24
参考文献·························································24
课程设计任务书
1、设计题目
载货汽车动力总成匹配与总体设计
2、性能参数要求
根据给定参数，设计一辆最高速度≥90km/h、最大爬坡度≥30%的载货汽车。
额定装载质量（Kg）
最大总质量（kg）
最大车速（Kmh-1）
比功率（KWt-1）
比转矩（Nmt-1）
学号
2750
5000
110
24
76
201212040127
3、具体设计任务
1）查阅相关资料，分析设计题目，进行发动机、离合器、变速箱传动轴、驱动桥以及车轮的选型设计。
2）根据所选总成进行汽车动力性、经济性的估算，实现整车的优化配置。
3）绘制设计车辆的总体布置图。
4）完成≥1万字的设计说明书。
4、参考文献
1）王望予.汽车设计.机械工业出版社.
2）余志生.汽车理论.机械工业出版社.
3）陈家瑞.汽车构造.人民交通出版社.
4）汽车工程手册.机械工业出版社.
5）成大先.机械设计手册（第三版）.
附：
有关公式
；
；
；
；
；
；
；
；
；
第1章整车主要目标参数的初步确定
1.1发动机的选择
1.1.1发动机的最大功率及转速的确定
汽车的动力性能在很大程度上取决于发动机的最大功率。
参考该题目中的参数，要求设计的载货汽车最高车速是ua=110km/h，那么发动机的最大功率应该大于或等于以该车速行驶时，滚动阻力功率与空气阻力功率之和，即
（1-1）
式中，
是发动机的最大功率（KW）；
ηT是传动系效率（包括变速器、辅助变速器传动轴万向节、主减速器的传动效率），ηT=95%*95%*98%*96%=84.9%，传动系各部件的传动效率参考《汽车设计课程设计指导书》表1-1得；
是汽车总质量，
=5000kg；g是重力加速度，g=9.8m/s2；f是滚动阻力系数，由试验测得，在车速大于100km/h的情况下不可认为是常数。
取f=0.008，参考《汽车设计课程设计指导书》表1-2得；CD是空气阻力系数，一般轻型货车可取0.4～0.6，这里取CD=0.5；A是迎风面积（㎡），取前轮距B1*总高H，A=1.983×2.221㎡。
故
参考《汽车理论第5版》图3-1，东风汽车公司货车、跃进汽车公司货车、国产微型货车等同类型汽车，在此初步选择汽车发动机的最大功率为130KW。
1.1.2发动机的最大转矩及其转速的确定
当发动机最大功率和其相应转速确定后，可通过下式确定发动机的最大转矩。
（1-2）
式中，Temax是发动机最大转矩（N·m）；α是转矩适应性系数，标志着当行驶阻力增加时，发动机外特性曲线自动增加转矩的能力，
，Tp是最大功率时的转矩（N·m），α可参考同类发动机数值选取，初取α=1.05；Pemax是发动机最大功率（KW）;np是最大功率是的转速（r/min）。
所以
（其中
是参考东风康明斯柴油机的产品所介绍）
一般用发动机适应性系数
表示发动机转速适应行驶工况的程度，Φ越大，说明发动机的转速适应性越好。
采用Φ值大得发动机可以减少换挡次数，减轻司机疲劳、减少传动系的磨损和降低油耗。
通常，汽油机取1.2～1.4，柴油机取1.2～2.6，以保证汽车具有相当的最低稳定车速。
初取nT=1450r/min，则
，
。
1.2轮胎的选择
轮胎的尺寸和型号是进行汽车性能计算和绘制总布置图的重要原始数据，因此，在总体设计开始阶段就应选定。
选择的依据是车型、使用条件、轮胎的额定负荷以及汽车的行驶速度。
为了提高汽车的动力因数、降低汽车质心的高度、减小非簧载质量，对公路用车，在其轮胎负荷系数以及汽车离地间隙允许的范围内，应尽量选取尺寸较小的轮胎。
同时还应考虑与动力—传动系参数的匹配和对整车尺寸参数（例如汽车的最小离地间隙、总高等）的影响。
参考《汽车设计课程设计指导书》表1-3给出的部分国产汽车轮胎的规格、尺寸及使用条件。
通过查阅货车轮胎标准GB2977-2008《载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》和参考同类车型所选轮胎规格，各轴轮胎规格选择如下：
前后轴轮胎规格为275/70R22.5,轮胎数量4个。
所选轮胎的单胎最大负荷2900kg，气压900KPa，轮胎花纹XZE2+，外直径962mm。
1.3传动系最小传动比的确定
普通载货汽车最高档通常选用直接挡，若无分动器或者轮边减速器，则传动系的最小传动比等于主减速器的主减速比
。
主减速比
是主减速器设计的原始数据，应在汽车总体设计时就确定。
载重货车为了得到足够的功率储备而使最高的车速有所下降，
可按下式选择
（1-3）
式中，
是驱动轮的滚动半径（m），所选轮胎规格为275/70R22.5的子午线轮胎，其自由直径d=962mm，因计算常数F=3.05（子午线轮胎F=3.05）,故滚动半径
np是发动机最大功率时的转速，np=2500r/min;
uamax是最高车速，uamax=110km/h；
igh是变速器最高档传动比，igh=1.0。
所以
，初取i0=4.5。
根据所选定的主减速比
的值，就可基本上确定主减速器的减速形式（单级、双级以及是否需要轮边减速器），并使之与汽车总布置所要求的离地间隙相适应。
汽车驱动桥离地间隙要求参考《汽车设计课程设计指导书》表1-4所示。
其中，轻型载货汽车的离地间隙要求在220～280mm之间。
1.4传动系最大传动比的确定
传动系最大传动比为变速器的Ι挡传动比igΙ与主减速比
的乘积。
igΙ应根据汽车最大爬坡度、驱动车轮与路面的附着条件、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动车轮的滚动半径等综合确定。
汽车爬坡度时车速不高，空气阻力可以忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。
故有
（1-4）
则由最大爬坡度要求的变速器Ι档传动比为
（1-5）
式中，αmax是道路最大坡度角，设计要求最大爬坡度为大于30%，取坡度角
，此时最大爬坡度为57.7%，Ψmax是道路最大阻力系数。
前面已将计算得rr=0.467m；发动机最大转矩Temax=533N.m；主减速比i0=4.5；传动系传动效率ηT=0.849。
所以
根据驱动车轮与路面附着条件
（1-6）
求得变速器的Ι档传动比为
（1-7）
式中，
是道路的附着系数，在良好的路面上取
=0.8；
是汽车满载静止于水平路面时，驱动桥承受的载荷（N），初步设计采用双联车桥驱动，每个驱动桥承受的质量为13t，则
通过《汽车理论第五版》第三章了解到轿车的变速器普遍采用5挡变速器，也有六挡变速器，轻型货车和中型货车一般采用5挡变速器，如果超过五个（指前进挡）一般采用组合变速器。
实际上，汽车传动系的传动比大体上是按等比级数分配的，所以可以认为，一般汽车的各档传动比大致符合如下关系
（1-8）
式中q为常数，也就是各档的公比，而且挡与挡之间的比值不宜大于1.7～1.8。
由上述计算得知5.7≤
≤6.74，所以有
计算各档传动比档位：
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
倒挡
6.35
3.74
2.33
1.55
1
0.83
6.34
第2章传动系各总成的选型
2.1发动机的选型
根据所需发动机的最大功率和最大转矩及相应转速，初步选择东风康明斯柴油机有限责任公司的ISDe18030，它的主要技术参数以及外特性曲线如下表2-1、图2-1所示。
表2-1康明斯柴油发动机ISDe18030的主要技术参数
发动机：
康明斯ISDe18030
系列：
发动机厂商：
东风康明斯
适配范围：
以轻型卡车、越野车（SUV）、皮卡车、轻型客车、多功能车（MPV）等为主要配套对象，市场前景非常广阔
进气形式：
增压中冷
汽缸数：
6
燃料种类：
柴油
汽缸排列形式：
直列
排量：
6.7L
排放标准：
国三/国四
最大输出功率：
133kW
额定功率转速：
2500rpm
最大马力：
180马力
最大扭矩：
650N.m
最大扭矩转速：
1400rpm
全负荷最低燃油耗
发动机形式：
直列六缸电控系统增强型高压共轨颗粒滤清器
发动机净重：
280kg
发动机尺寸：
603×676×702mm
缸径x行程：
96x102.5mm
康明斯ISDe18030
图2-1康明斯ISDe18030外特性曲线
2.2离合器的初步选型
后备系数β为离合器的后备系数，定义为离合器所能传递的最大静摩擦力矩与发动机最大转矩之比，必须大于1。
β是离合器设计时用到的一个重要参数，它反映了离合器传递发动机最大转矩的可靠程度。
在选择β时，应考虑以下几点：
1）摩擦片在使用中磨损后，离合器还应能可靠地传递发动机最大转矩；
2）防止离合器滑磨时间过长；
3）防止传动系过载以及操纵轻便等。
显然，为可靠传递发动机最大转矩和防止离合器滑磨过大，β不宜选取太小；为使离合器尺寸不致过大，减少传动系过载，保证操纵轻便，β又不宜选取太大；当发动机后备功率较大、使用条件较好时，β可选取小些；当使用条件恶劣，需要拖带挂车时，为提高起步能力、减少离合器滑磨，β应选取大些；货车总质量越大，β也应选得越大；采用柴油机时，由于工作比较粗暴，转矩较不平稳，选取的β值应比汽油机大些；发动机缸数越多，转矩波动越小，β可选取小些；膜片弹簧离合器由于摩擦片磨损后压力保持较稳定，选取的β值可比螺旋弹簧离合器小些；双片离合器的β值应大于单片离合器。
各类汽车离合器β的取值范围见表2-3。
表2-3离合器后备系数β的取值范围
车型
后备系数β
乘用车及最大总质量小于6t的商用车
1.20～1.75
最大总质量为6～14t的商用车
1.50～2.25
挂车
1.80～4.00
根据发动机的最大转矩及上述要求，初步选择长春华众离合器有限公司生产，转矩容量为850N·m的DKS255膜片弹簧离合器。
该离合器与康明斯ISDe18030匹配时，其后备系数为1.31。
2.3变速器的选型
由于轻型汽车的装载质量小，使用条件复杂，同时，轻型货车满载与空载的质量变化极大，欲保证轻型汽车具有良好的动力性、经济性和加速性，需要采用多档变速器。
因为，档位越多，发动机发挥最大功率附近高功率的机会就越大，可以提高汽车的加速与爬坡能力；同时也能增加发动机在地燃油消耗率的转速范围工作的机会，可以提高汽车的燃油经济性。
目前，机械变速器已经成为轻型汽车的主要形式。
根据发动机最大转矩和变速器的I挡传动比，初步选择万里扬WLY6T150变速箱，最大扭矩5000N·m，该变速器最高档采用直接挡，传动比范围为1～6.25。
变速器各挡速比见表2-4。
表2-4所选变速器各挡速比
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
倒
6.25
3.58
2.217
1.363
1
0.737
5.75
2.4传动轴的选型
该车前后轴距较大，为了提高传动轴的的临界转速，避免共振以及考虑整车总布置上的需要，常将传动轴分段。
当传动轴分段时，需要加设安装在车架横梁上的弹性中间支撑，以补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差，以及车辆行驶过程中由于弹性支承的发动机的传动和车架等变形所引起的位移。
弹性元件能吸收传动轴的震动，降低噪声。
这种弹性中间支撑不能传递轴向力，它只要承受传动轴因动不平衡，偏心等因素引起的径向力，以及万向节上的附加弯矩所引起的径向力。
一般驱动桥传动轴均采用一对十字轴万向节。
十字万向节两轴的夹角
不宜过大，当α由
增至
时，滚针轴承寿命将下降至原寿命的1/4。
十字轴万向节夹角的允许范围参照《汽车设计课程设计指导书》表1-8。
初步选取重庆重型汽车集团传动轴有限责任公司生产的重型汽车传动轴总成，编号为002，工作转矩为6000N·m。
2.5驱动桥的选型
驱动桥处于传动系的末端，其基本公用是增大由传动轴传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动轮具有差速功能；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车价之间的垂向力、纵向力和横向力。
2.5.1驱动桥结构形式和布置形式的选择
驱动桥的结构形式与驱动车轮的悬架形式有关。
绝大多数载货汽车的驱动车轮采用非独立悬架，相应的采用非断开式车桥。
2.5.2主减速器结构形式选择
主减速器形式的选择与汽车的类型及使用条件有关，主要取决与动力性、经济性等整车性能所要求的主减速比
的大小以及驱动桥的离地间隙、驱动桥的数目及减速形式等。
双级主减速器有两集齿轮减速组成，结构复杂、质量大，制造成本也显著增加，仅用于主减速比较大（
）且采用单级减速器不能满足既定的主减速比和离地间隙要求的重型汽车上。
单级贯通式主减速器用于多桥驱动汽车的贯通桥上，其优点是结构简单，主减速器的质量较小，尺寸紧凑，并可使中、后桥的大部分零件，尤其是使桥壳、半轴等主要零件具有互换性。
综上所述，由于所设计的载货汽车的轴数和驱动形式为
，以及单级减速双联主减速器具有结构简单等诸多优点，又能满足使用要求。
所以，选用单级减速双联主减速器。
2.5.3驱动桥的选型
根据计算的主减速比，初步选择杭州汇丰车桥有限公司的单级减速双联驱动桥，产品型号：
HF1058B。
后桥采用冲焊桥壳，后驱动桥承载能力为4t，最大输入转矩为4500N·m，大于输入转矩650×6.25N·m=4062.5N·m，主减速器传动比
=4.875和5.125两种。
因车速要求较高，就选
=4.875计算，如果汽车阻力功率曲线与发动机功率曲线不能交在其最大功率点上，再进行调整。
第3章整车性能计算
3.1汽车动力性能计算
（1）汽车驱动力和行驶阻力
汽车行驶过程中必须克服滚动阻力
和空气阻力
的作用，加速时会受到加速阻力
的作用，上坡时会受到重力沿坡道的分力——坡度阻力
的作用。
汽车行驶时驱动力与行驶阻力的平衡方程式为
（3-1）
发动机在转速n下发出的转矩
，经汽车传动系传递到驱动轮上的驱动力Ft按下式计算
（3-2）
式中，Te是发动机转矩（N·m）；ig是变速器速比；i0是主减速器速比，io=4.875；ηT是传动系效率，ηT=0.849；rr是车轮的滚动半径（m），rr=0.5249m。
在驱动轮不打滑的情况下，发动机转速n（r/min）所对应的汽车车速ua（Km/h）为
（3-3）
滚动阻力Ff为
（3-4）
式中，g是重力加速度，g=9.8m/s2;α是坡道的坡度角（º）；f是滚动阻力系数，同式（1-1）说明。
空气阻力Fw为
（3-5）
式中，CD是空气阻力系数，CD=0.5；A是迎风面积，即汽车行驶方向的投影面积，A=2.065×3.390㎡；ρ是空气密度，一般取ρ=1.2258N·s2·m-4；ua是汽车行驶速度（m/s）,若ua以km/h计，则
。
坡度阻力Fi为
（3-6）
式中，i是道路坡度，计算时i取值从0%到60%。
坡度阻力
随坡度角α的增加而增大，且与变速器档位和车速无关。
将各挡驱动力Ft随车速Ua的变化关系和不同坡度i时的
随Ua的变化关系画在同一张纸上，则形成汽车的行驶性能曲线（图3-1）。
由汽车的行驶性能曲线可知该车的最高车速、最大爬坡度、档位的使用情况及各档位某车速的爬坡能力。
选用康明斯ISDe18030时，汽车的行驶性能曲线如图3-1、图3-2所示。
各档位的转速（r/min）以及车速（km/h）关系如下：
转速\档位1档2档3档4档5档6档
───────────────────────────────────────
500|3.135.4648.82414.89919.56226.543（km/h）
600|3.7566.55710.58817.87923.47531.851（km/h）
700|4.3827.6512.35320.85827.38737.16（km/h）
800|5.0088.74314.11823.83831.29942.469（km/h）
900|5.6349.83615.88326.81835.21247.777（km/h）
1000|6.2610.92917.64729.79839.12453.086（km/h）
1100|6.88612.02119.41232.77743.03758.394（km/h）
1200|7.51213.11421.17735.75746.94963.703（km/h）
1300|8.13814.20722.94238.73750.86169.012（km/h）
1400|8.76415.324.70641.71754.77474.32（km/h）
1500|9.3916.39326.47144.69658.68679.629（km/h）
1600|10.01617.48628.23647.67662.59984.937（km/h）
1700|10.64218.57930.00150.65666.51190.246（km/h）
1800|11.26819.67131.76553.63670.42495.554（km/h）
1900|11.89420.76433.5356.61574.336100.863（km/h）
2000|12.5221.85735.29559.59578.248106.172（km/h）
2100|13.14622.9537.05962.57582.161111.48（km/h）
2200|13.77224.04338.82465.55586.073116.789（km/h）
2300|14.39825.13640.58968.53489.986122.097（km/h）
2400|15.02426.22942.35471.51493.898127.406（km/h）
2500|15.6527.32144.11874.49497.811132.714（km/h）
2600|16.27628.41445.88377.474101.723138.023（km/h）
2700|16.90229.50747.64880.453105.635143.332（km/h）
各档位的转速（r/min）以及驱动力（kN）关系如下：
转速\档位1档2档3档4档5档6档
───────────────────────────────────────
500|7.6484.3812.
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