轿车传动系总体方案设计及万向传动轴的设计Word下载.docx
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第3章汽车传动轴的匹配设计计算过程和结果12
3.1传动轴的扭矩设计：
12
3.2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FF4×
2
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
最大爬坡度imax≥30%
汽车总质量ma=1422kg
满载时前轴负荷率58%
外形尺寸总长La×
总宽Ba×
总高Ha=4841×
1821×
1463mm3
迎风面积A≈0.78Ba×
Ha
空气阻力系数CD=0.35
轴距L=2738mm
前轮距B1=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
由于汽车的传动系统的组成有离合器、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。
这两个方案又各自分成不同的小的方案，每个小的方案也有自己不同的零件选择标标准和不同的布置方案方法。
所以说汽车传动系统是一个很大的课题。
本篇论文主要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
在基本的传动系统中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之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。
在扭力转换器中含有一组离合器，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速箱之间，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、差速器当车辆在转向时，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，发动机需要持续运转。
但是为了满足汽车行驶上的需求，车辆必须有停止、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，以视需求中断动力的传递，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有离合器与扭力转换器等两种。
2.2变速机
2.2.1变速机构
汽车在起步加速时须要比较大的驱动力，此时车辆的速度低，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，这时候发动机只要以降低转速来减少动力的输出，即可提供汽车足够的动力。
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，要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“顺序式半自动变速箱”的带有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有更磨擦片的离合器。
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之后，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.自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年开发出世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行驶过程中，驾驶者就不需要再做换档的动作。
现代的自动变速系统里面含有液体扭力转换器、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自动变速箱。
由于液压油在主动叶轮与被动叶轮之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一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，让主动与被动叶轮之间不再有转速的差异，进而提高动力的传送效率。
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时做换档的动作，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，针对自动变速箱的电子控制系统做研究。
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之间的啮合完成，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，满足两边车轮尽可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，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。
如果后轮轴做成一个整体，就无法做到两侧轮子的转速差异，也就是做不到自动调整。
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。
普通差速器由行星齿轮、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，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。
差速器的设计要求满足：
（左半轴转速）+（右半轴转速）=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，而在汽车转弯时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），它自动选择静止（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象，内侧轮有滑转的现象，两个驱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，迫使行星齿轮产生自转，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
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可靠地传递动力。
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铰链式联接传递的；
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有限，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，称为万向节传动装置。
在前置发动机后轮驱动的车辆上，万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之间；
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前桥半轴与车轮之间。
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。
汽车运行中路面不平产生跳动，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之间的夹角和距离发生变化，因此要用一个“以变应变”的装置来解决这一个问题，因此就有了万向节这个东西。
万向节的结构和作用有点象人体四肢上的关节，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又有所不同，它仅允许夹角在一定范围内变化。
万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。
目前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，十字轴的轴头上装有滚针轴承，当轴头接入万向节叉时，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又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，加剧机件的损坏，产生很大的噪音。
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时角速度始终相等。
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。
在各种等速万向节中，常见是球笼式万向节，它用六个钢球传力，主动轴与从动轴在任何交角的情况下，钢球都位于两园的交点上，即位于两轴交角的平分面上，从而保证主、从动轴等角速度传动。
2.3.2万向传动装置-传动轴由发动机输出的动力，经过变速系统的转换之后，传送至驱动轮，方能够对车辆产生驱动力。
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之中，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）、中置发动机后轮驱动车型（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。
轮轴将动力从差速器传送到轮子的轴。
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驱动桥驱动桥由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等几部分组成，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，实现降速以增大转矩。
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。
2.驱动桥-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，使之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，在两根半轴之间装有差速器。
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时，差速器分配给慢转驱动轮的转矩大于快转驱动轮的转矩。
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附着力来产生足够的驱动力，使汽车顺利起步或继续行驶。
2.3.4驱动桥-半轴半轴是差速器与驱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，主要作用是支承并保护主减速器、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
计算中所需的参数及其来源如下表所示：
名称
代号
参数值
来源
发动机最高转速
nemax
7000r/min
设计任务书
发动机最大功率
Pemax
73.6KW/6000
发动机最大转矩
Temax
133.3N·
m/4500
变速器一挡速比
I1
3.583
变速器五档速比
I5
0.804
终速比
I0
4.052
车轮滚动半径
Rr
0.303m
车轮静态加载半径
Rs
0.288m
轮胎附着系数
μ
0.8
纳铁福
增扭系数（最大附着扭矩起动）
fs
1.2
增扭系数（最大发动机扭矩启动）
fc
1.7
驱动轴总成最小扭
转强度
TY
2000N·
m
启动时的扭矩增量系数
fc’
1.6
表格3-1设计所需参数
1.）首先计算由发动机最大扭矩Temax传递来的最大变速扭矩TEgmax如下：
手动变速器：
TEGmax=Temax×
iG/Z（3-1）
然后计算最大附着扭矩TAmax,
TAmax＝QF/2×
RS×
μ×
9.8×
fs（3-2）
比较TEGmax与TAmax的大小，取其中的较小值作为最大承受载荷TJmax,（由扭矩图得的结论）
在此基础上计算应用扭矩TAPP,
TAPP=TJmax×
fc（3-3）
驱动轴屈服扭矩应大于或等于TAPP。
式中iG——从发动机到驱动轴的总传动比
Z——驱动轮数
QF——前桥载荷
μ——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时的增扭系数
fc——汽车最大发动机扭矩启动时的增扭系数。
计算过程如下：
iG/Z=133.3×
3.583×
4.052/2=967.6N·
fs=800/2×
0.288×
0.8×
1.2=1083.8N·
由于TEGmax<
TAmax
所以TJmax=TEgmax
fc=967.6×
1.7=1644.92N·
本车驱动轴总成最小扭转强度TY为2000N·
m,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：
＝
（N/mm2）（3-4）
……许用应力，取
＝539N/mm2[高合金钢（40Cr、40MnB等）、中频淬火抗拉应力≥980N/mm2，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539N/mm2，参考GB3077-88
Tj……传动系计算转矩，N·
mm，
N·
m（3-5）
Temax—发动机最大转矩N·
mm；
i1—变速器一档传动比
i0—主减速器传动比
kd—动载系数
η—传动效率
ζ—差速器的转矩分配系数，对于圆锥行星齿轮差速器可取0.6
各参数取值如下：
Temax＝133.3N·
i1＝3.583
i0＝4.052
kd＝1
η=85％
Tj=133.3×
4.052×
1×
0.85×
0.6＝987N·
=
（3-6）
取安全系数1.5得
'
（3-7）
＜
取
＝539N/mm2[高合金钢（40Cr、40MnB等）、中频淬火抗拉应力≥980N/mm2，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，所以半轴最小直径
=24.099
则可以取轴的取直径为27mm。
.0
3.2传动轴的花键设计计算
车轮毂端花键参数：
齿数
28
模数
1
齿宽
0.5πm
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：
30.90-0.055
28.90-0.1
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·
D1,D2－花键的大径和小径，mm；
Z………花键齿数
L………花键有效长度
φ………载荷分布不均匀系数，计算时可取0.75
……许用挤压应力，花键取
。
2、）驱动轴花键齿侧剪切应力的校核
（3-9）
D1,D2－花键的外径和内径，mm；
b………花键齿宽，mm
=71.05N/mm2。
3、）把公式（3-8）与（3-9）连列成不等式组并得出不等式的解
Tj＝987N·
mz=28φ=0.75花键的有效长度应该小于轮毂端花键有效长度的参数根据受力可以取L=30b=0.5π
对车轮端和对变速器端：
把所得的结果分别带入不等式组中得：
解得：
（1）
则可得
理论取值范围如下图阴影部分：
图3-6传动轴花键大径与小径的取值范围
可以由机械设计手册中花键部分介绍取花键
表格3-4设计所选花键参数
校核：
代入得车轮端花键轴：
代入得变速器端花键轴：
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