汽车设计案例

案例分析轻型汽车驱动桥设计驱动桥位于传动系末端，其基本功用是增矩、降速，承受作用于路面和车架或车身之间的作用力。它的性能好坏直接影响整车性能，而对于载重汽车显得尤为重要。当采用大功率发动机输出大的转矩以满足目前载重汽车的快速、重载的高效率、高效益的需要时，必须搭配一个高效、可靠的驱动桥，所以采用传动效率高的单级减速驱动桥已经成为未来载重汽车的发展方向。驱动桥设计应主要保证汽车在给定的条件下具有最佳的动力性和燃油经济性。本设计根据给定的参数，按照传统设计方法并参考同类型车确定汽车总体参数，再确定主减速器、差速器、半轴和桥壳的结构类型，最后进行参数设计并对主减速器主、从动齿轮、半轴齿轮和行星齿轮进行强度以及寿命的校核。驱动桥设计过程中基本保证结构合理，符合实际应用，总成及零部件的设计能尽量满足零件的标准化、部件的通用化和产品的系列化及汽车变型的要求，修理、保养方便，机件工艺性好，制造容易。1、主要内容(1)根据给定的设计参数，参照传统设计方法和现有车型，确定汽车总体设计参数，具体包括主要结构尺寸参数、质量参数和性能参数，并选择发动机和轮胎的结构形式；(2)汽车驱动桥方案的确定：根据总体参数选择主减速器、差速器、半轴和桥壳的选型；(3)设计主减速器、差速器和半轴的主要结构尺寸，并对其进行强度校核。(4)根据设计结果绘制两张零号图纸。2、设计参数汽车最高时速115km/h装载质量2.5t最小转弯半径12.5m最大爬坡度0.3同步附着系数0.412.2汽车形式的确定2.2.1汽车轴数和驱动形式的选择汽车可以有二轴、三轴、四轴甚至更多的轴数。影响轴数的因素主要有汽车的总质量、道路法规对于轴载的限制和轮胎的负荷能力以及汽车的结构等。包括乘用车以及汽车总质量小于19t的公路运输车辆和轴荷不受道路、桥梁限制的不在公路上行驶的车辆，如矿用自卸车等，均采用结构简单、制造成本低廉的两轴方案。总质量在19~26t的公路运输车采用三轴形式，总质量更大的汽车宜采用四轴和四轴以上的形式。所以根据给定的汽车转载质量选择汽车的轴数为2轴。汽车的用途、总质量和对车辆通过性能的要求等，是影响选取驱动形式的主要因素。乘用车和总质量小些的商用车，多采用结构简单、制造成本低的4×2驱动形式。所以选择汽车的驱动形式为4×2式。2.2.2汽车布置形式的选择汽车的布置形式是指发动机、驱动桥和车身的相互关系和布置特点而言。汽车的使用性能除取决于整车和各总成的有关参数外，其布置形式对使用性能也有重要影响。货车可以根据驾驶室与发动机的相对位置不同，分为平头式、短头式、长头式和偏置式四种。货车又可以根据发动机的位置不同分为发动机前置、中置、和后置三种布置形式。平头式货车总长和轴距尺寸短，最小转弯半径小，机动性能良好；不需要发动机罩和翼子板，加上总长缩短等因素的影响，汽车整备质量减小；驾驶员视野得到明显改善；采用翻转式驾驶室时能改善发动机及其附件的接近性；汽车货箱与整车的俯视面积之比称为面积利用率，平头货车的该项指标较高。故本设计采用的布置形式为平头式货车。发动机前置后桥驱动货车的主要优点是：可以采用直列、V型或卧式发动机；发现发动机故障容易；发动机的接近性良好，维修方便；离合器、变速器等操纵2机构的结构简单，容易布置；货箱地板高度较低。并且大多货车均采用该形式的布置方式。2.3汽车主要参数的选择汽车的主要参数包括尺寸参数，质量参数和汽车性能参数。2.3.1汽车主要尺寸的确定汽车的主要尺寸参数包括外廓尺寸、轴距、前悬、后悬、货车车头长度和车厢尺寸等。(1)外廓尺寸汽车的长、宽、高称为汽车的外廓尺寸。汽车长度尺寸小不仅可以减少行驶期间需要的道路长度，同时还可以增加车流密度，在停车时占用的停车场面积也小。除此之外，汽车的整备质量相应减少，这对提高比功率、比转矩和燃油经济性有利。GB1589—1989汽车外廓尺寸限界规定如下：货车、整体式客车总长不应超过12m，单铰接式客车不超过18m，半挂汽车列车不超过16.5m，全挂汽车列车不超过20m；不包括后视镜，汽车宽不超过2.5m；空载、顶窗关闭状态下，汽车高不超过4m；后视镜等单侧外伸量不得超过最大宽度处250mm；顶窗、换气装置开启时不得超出车高300mm。参考同类型货车的外廓尺寸，确定本设计中轻型货车的外廓尺寸为：长×宽×高5400×1950×2100mm(2)轴距L轴距L对整备质量、汽车总长、汽车最小转弯直径、传动轴长度、纵向通过半径等有影响。当轴距短时，上述个指标减小。此外轴距还对轴荷分配、传动轴夹角有影响。轴距过短会使车厢长度不足或后悬过长，汽车上坡、制动或加速时轴荷转移过大，使汽车制动性或操作稳定性变坏；车身纵向角振动增大，对平顺性不利；万向节传动轴的夹角增大。原则上对发动机排量大的乘用车、载重量或载客量多的货车或客车，轴距取得长。对机动性要求高的汽车，轴距宜取短些。3表2-1部分汽车的轴距和轮距车型类别轴距L/mm轮距B/mm客车城市客车（单车）4500~50001740~2050长途客车（单车）5000~65004×2货车汽车总质量m/t1700~29002300~36003600~55001150~13501300~16501700~2000≤1.81.8~6.06.0~14.0根据表2-1，本设计中选取轴距L=2800mm(3)轮距B改变汽车轮距B会影响车厢或驾驶室内宽、汽车总宽、总质量、侧倾刚度、最小转弯直径等因素发生变化。增大轮距则车厢内宽随之增加，并有利于增加侧倾刚度，汽车横向稳定性变好；但是汽车的总宽和总质量及最小转弯半径等增加，并导致汽车的比功率、比转矩指标下降，机动性变坏。受总宽不得超过2.5m限制，轮距不宜过大。但在选定的前轮距范围内，应能布置下发动机、车架、前悬架和前轮，并保证前轮有足够的转向空间，同时转向杆系与车架、车轮之间有足够的运动间隙。在确定后轮距时，应考虑车架两纵梁之间的宽度、悬架宽度和轮胎宽度及他们之间应留有必要的间隙。部分汽车的轮距可以参考表2-1提供的数据进行初选。本设计中取为1B=2B=1500mm(4)前悬FL和后悬RL前悬尺寸对汽车通过性、碰撞安全性、驾驶员视野、前钢板弹簧长度、上车和下车的方便性以及汽车造型等均有影响。增加前悬尺寸，减小了汽车的接近角，使通过性降低，并使驾驶员的视野变坏。因在前悬这段尺寸内要布置保险杠、散热器风扇、发动机、转向器等部件，故前悬不能缩短。长些的前悬尺寸有利于在撞车时对乘员起保护作用，也有利于采用长些的钢板弹簧。对于平头汽车，前悬还会影响前门上下车的方便性。初选的前悬尺寸，应当在保证能布置下上述个总成、部件的同时尽可能的短些。对于载客量少的平头车，考虑到正面碰撞能有足够多的结构件吸收碰撞能量，保护前排乘员的安全，这又要求前悬有一定的尺寸。4在本设计中，参考同类型车辆，选取FL=740mm。后悬尺寸对汽车通过性、汽车追尾时的安全性、货箱货行李箱长度、汽车造型等有影响，并取决于轴距和轴荷分配的要求。后悬长，则汽车离去角减小，使通过性降低，总质量在1.8~14.0t的货车后悬一般在1200~2200mm之间，特长货箱的汽车后悬可达到2600mm，但不得超过轴距的55%。本设计中，选取RL=1300mm。(5)货车车头长度货车车头长度系指从汽车的前保险杠到驾驶室后围的距离。车身形式，即长头型还是平头型对车头的长度有绝对影响。此外，车头长度尺寸对汽车的外观效果，驾驶室居住性、汽车面积利用率和发动机的接近性等有影响。平头型货车一般在1400~1500mm之间。(6)货车车厢尺寸要求车厢尺寸在运送散装煤和袋装粮食时能装有足额定吨数。车厢边版高度对汽车质心高度和装卸货物的方便性有影响，一般应在450~650mm范围内选取。车厢内宽应在汽车外宽符合国家标准的前提下适当取宽些，以缩短边板高度和车箱长度。对于能达到较高车速的货车，使用过宽的车箱会增加汽车的迎风面积，导致空气阻力增加。车箱内长应在满足运送上述货物达到额定吨位的条件下尽可能的取短些，以利于减小整备质量。2.3.2汽车质量参数的确定汽车的质量参数包括整车装备质量0m，载客量、装载质量、质量系数0m、汽车总质量am、轴荷分配等。(1)整车整备质量0m整车整备质量是指车上带有全部装备（包括随车工具、备胎），加满燃料、水，但没有装货和载人时的整车质量。整车整备质量对汽车的制造成本和燃油经济性有影响。目前，尽可能减少整5车整备质量的目的是：通过减轻整备质量增加加载质量或载客量，抵消因满足安全标准、排气标准和噪声标准所带来的整备质量的增加、节约燃料。减少整车整备质量是从事汽车设计工作必须遵守的一项总要原则。整车整备质量在设计阶段需估算确定。在日常生活中，收集大量同类型汽车总成、部件和整车的有关质量数据，结合新车设计的结构特点、工艺水平等初步估算各总成、部件的质量，再累计构成整车整备质量。乘用车和商用客车的整备质量也可按每人所占汽车整备质量的统计平均值估计。在没有样车参考时，先初选一恰当的质量系数0m（定义为装载质量与整车质量之比），再按给定的装载质量推算出整备质量。根据表2-2，初取0m=1，可得0m=em/0m=2t表2-2货车的质量系数0m参数车型总质量am/t0m货车1.8~6.00.8~1.106.0~14.01.20~1.3514.01.30~1.70(2)汽车的载客量n和装载质量em（简称载质量）普通轻型货车的载客量：2~4，选定载客量为3座。汽车载重量em是指在硬质良好的路面上行驶时所允许的额定载质量。本设计中装载质量为给定参数，em=2t(3)质量系数0m质量系数是指汽车载重量与整车整备质量的比值，即0m=em/0m。该系数反应了汽车的设计水平和和工艺水平，0m越大，说明该汽车的结构和制造工艺越先进。本设计中以选取0m=1.0(4)汽车的总质量am汽车的总质量是指装备齐全，并按规定装满客、货时的整车质量。商用货车6的总质量am由整备质量、载质量和驾驶员以及随行人员质量三部分组成，即am=0m+em+n65kg本设计中n=3,故am=2t+2t+3×65kg=4.195t(5)轴荷分配汽车的轴荷分配是指在空载或满载静止状态下，各车轴对支承平面的垂直负荷，也可以用站空载或满载总质量的百分比来表示.轴荷分配对轮胎寿命和汽车的许多性能有影响。从各轮胎磨损均匀和寿命相近考虑，各个车轮的负荷应相差不大；为保证汽车有良好的动力性和通过性，驱动桥应有足够大的负荷，而从动轴上的负荷可以适当减小，以利减小从动轮滚动阻力和提高在坏路面上的通过性；为了保证汽车有良好的操纵稳定性，又要求转向轴的负荷不应过小。因此，可以得出作为很重要的轴荷分配参数，各使用性能对其要求是相互矛盾的，这就要求设计时应根据对整车的性能要求、使用条件等，合理的选取轴荷分配。汽车的驱动形式与发动机位置、汽车结构特点、车头形式和使用条件等均对轴荷分配有显著影响。如发动机前置前轮乘用车和平头式商用货车前轴负荷较大，而长头式货车前轴负荷较小。常在坏路面上形式的越野汽车，前轴负荷应该小些。参考各类汽车的轴荷分配表，取满载时前轴轴荷为35%，后轴轴荷为65%；空载时前轴轴荷为50%，后轴轴荷为50%。表2-3各类汽车的轴荷分配车型（商用货车）满载空载前轴后轴前轴后轴4×2后轮单胎4×2后轮双胎，长、短头式4×2后轮双胎，平头式6×4后轮双胎32%~40%25%~27%30%~35%19%~25%60%~68%73%~75%65%~70%75%~81%50%~59%44%~49%48%~54%31%~37%41%~50%51%~56%46%~52%63%~69%72.3.3汽车性能参数的确定(1)动力性参数a)最高车速maxav随着道路条件的改善，特别是高速公路的修建，汽车尤其是发动机排量大些的乘用车最高车速有逐渐提高的趋势。在本设计中，该参数给定为115km/h。b)加速时间t汽车在平直的良好路面上，从原地起步开始以最大加速度加速到一定车速所用去的时间，称为加速时间。对于最高车速maxav100km/h的汽车，加速时间常用加速到100k