大学生方程式赛车变速箱及传动系统.doc
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1、 大学生方程式赛车变速箱及传动系统设计 摘 要 变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。其设计任务是设计一台用于FSAE赛车上的手动变速器。设计中选用本田CBR600-F4i作为方程式赛车的发动机。根据发动机型号,可以得出发动机的最大转矩、最大功率、最高转速等参数。设计的赛车无主减速器,采用链传动,且传动比已知。根据以上参数,结合汽车设计、汽车理论、机械设计、汽车底盘设计等相关知识计算变速器的参数,并验证变速器的合理性。设计中利用了CAD、UG等软件制作了变速器主要总成的模型,并绘制了变速器装配总图及主要零件的二维图。通过设计,我学习和巩固了专业课知识而且了解了不少相关专业的知识,也提高了个人能
2、力,更重要的是锻炼了与人协作的精神。关键词: 汽车工程;变速器;设计;手动The Design of Formula SAE Car Gearbox and Transmission SystemAbstract Gearbox is the one main component of the vehicle transmission.The duty of this design is to design a manual transmission used in the FSAE Racing car. We chose Honda CBR600-F4i as the engine of
3、FSAE Racing car. According to the engine model, we can draw the maximum engine torque, maximum power, maximum speed and other parameters. The design of the car without main gear, using chain drive, and the transmission ratio is known. Based on the above parameters, combining automotive design, autom
4、otive theory, mechanical design, automotive chassis design and other related knowledge ,calculate transmission parameters and verify the reasonableness of the transmission. Duiring design, I use CAD, UG and other softwares to produce the model of main transmission assembly , and the mapping of the t
5、ransmission assembly diagram and major parts of total two-dimensional diagram . By designing, I not only learn and consolidate knowledge ,understanding of a number of specialized courses related professional knowledge, but also improve the ability of individuals, but more importantly is to exercise
6、the spirit of collaboration with others.Key Words:Automotive engineering;Transmission;Design;Manual 目 录摘 要iAbstractii第一章 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究意义11.3 本课题研究的现状及发展21.4 本章小结3第二章 变速器传动机构布置方案 32.1 变速器概述32.2 变速器传动机构布置方案42.3本章总结5第三章 变速器主要参数的选择53.1. 变速器挡数的选择及各挡传动比的确定53.1.1.变速器的挡位数53.1.2.变速器的传动比53.2.中心距63.3.
7、变速器的轴向尺寸73.4.齿轮参数73.4.1齿轮模数73.4.2压力角83.4.3螺旋角83.4.4齿宽计算83.4.5齿轮变为系数的选择原则93.4.6齿顶高系数93.5各挡齿轮齿数的分配10 3.5.1确定1挡齿轮的齿数. 103.5.2对中心距A进行修正113.5.3确定常啮合传动齿轮齿轮副的齿数113.5.4修正螺旋角的值113.5.5确定其它各挡的齿数113.6变速器齿轮的几何尺寸计算133.6.1直齿圆柱齿轮的几何尺寸计算133.6.2斜齿圆柱齿轮的几何尺寸计算143.6.3根据以上公式计算各齿轮参数153.7变速器轮齿强度计算173.7.1变速器齿轮的材料及热处理173.7.2
8、计算变速器各轴所传递的转矩173.7.3轮齿强度计算183.8本章小结24第四章变速器轴设计计算244.1轴的功用及要求244.2轴的结构形状244.3 初选轴的直径254.4轴的刚度和强度的计算254.4.1第一轴的刚度验算264.4.2中间轴的刚度验算274.4.3第二轴的刚度验算304.4.4轴的强度验算324.5本章小结34第五章变速器的同步器设计355.1同步器的设计355.1.1惯性式同步器355.1.2同步器工作原理355.1.3同步器主要参数的确定355.2变速器的操纵机构375.3轴承及平键的校核385.3.1轴承选择及校核385.3.2键的校核435.4变速器壳体435.5
9、本章小结44第六章大学生方程式赛车链传动系的设计456.1 概述456.2 FSAE方程式赛车传动系的功用456.3 滚子链传动的设计计算456.3.1 链轮齿数、和传动比i456.3.2节距和排数的确定466.3.3链轮分度圆直径与齿顶圆直径的计算466.3.4初选中心距466.3.5链节数466.3.6确定实际中心距476.3.7链轮包角476.4本章总结47总结48参考文献49致谢49第一章 绪论1.1 课题研究背景 2010年第一届中国大学生方程式汽车大赛(简称“中国FSAE”)在上海举行。中国大学生方程式汽车大赛是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比
10、赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准,在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车,能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。 中国FSAE比赛项目主要有高速避障、耐久性测试、制动测验、动态试车、8字环绕以及直线竞速等。各参赛队伍为了取得优异的成绩,在提高赛车动力性、燃油经济性、操作稳定性等方面都下了很多功夫。其中耐力赛与直线竞速对赛车的动力性及燃油经济性要求颇高。这就要求赛车不仅要求发动机性能良好,还要变速箱工作可靠。 变速箱作为汽车的重要组成部分,它有以下几个作用:(1)改变传动比,扩大驱动轮转矩和转速的变化范围,以适应经常变化的行驶条件,同
11、时使发动机在有利(功率较高而油耗较低)的工况下工作;(2)在发动机旋转方向不变情况下,是汽车能倒退行驶;(3)利用空挡,中断动力传递,以发动机能够起动、怠速,并便于变速器换档或进行动力输出。 由此可见,变速箱的设计对赛车的动力性及经济性的有一定的影响。赛车的动力性与经济性是一对矛盾体。赛车高速行驶时要求动力性好,这会导致燃油消耗量大;赛车以中等速度行驶时经济性较好。为了使赛车获得良好的动力性及燃油经济性,设计一款性能优异的变速箱是我们的迫切需要。1.2 课题研究意义 汽车自问世以来就得到了迅猛发展。汽车作为现代化社会大工业的产物,它的发展促进了国民经济的发展,提高了人民的生活水平。将人们带入现
12、代化生活的同时也带来了能源与环境等诸多问题。近年来汽车产量的激增,使世界石油资源愈发紧张,石油价格不断上涨。与此同时,大气污染也变得严重了。今年中国几大城市的雾霾事件正好说明了这一点。因此降低燃油消耗成为了节能的关键。 赛车作为汽车家族中的特殊一员,需要在各式各样的赛道上驰骋。这就要求在保证赛车动力性的前提下,兼顾燃油经济性与操纵稳定性。为了达到目标,需对变速箱优化设计。设计一款全新的变速箱或在现有变速箱的基础上进行优化对实现降低油耗目标有很大的现实意义。 此外,赛车传动系统的重要性也不容小觑。它将发动机输出的转矩传给驱动车轮,以保证赛车在不同条件下正常行驶,并具有良好的动力性和燃油经济性。可
13、见,传动系统的设计对整车性能有重要影响。它的设计必将会为赛车的动力性及燃油经济性带来突出贡献。 1.3 本课题研究的现状及发展 现如今变速器种类繁多,有无级变速器、自动变速器、手自一体变速器等。无级变速器( Continuously VariableTransmission) 由于能够适应机器运转中多变或转速连续变化的要求,不仅广泛应用于纺织、食品、造纸、橡胶等轻工业部门,而且也用于工作母机(机床) 、起重运输、石油化工等各类机械设备中,特别是近些年来它在汽车变速上的成功应用更使人们耳目一新。作为无级变速器的代表,金属带式无级变速器不仅能够满足传递较大功率、适应高转速等条件,还具有如下几方面的
14、特性: (1) 经济性。该变速器通过传动比的连续变化,使车辆外界行驶条件与发动机负载实现最佳匹配,使发动机在最佳工作区稳定运转从而充分发挥了发动机的潜力,燃烧完全,提高了整车的燃料经济性,减少了废气排放,有利于环境保护。 (2) 动力性。在汽车起步、停止和变速过程中不至于产生冲击和抖动,减少了噪音,满足了汽车行驶多变的条件,使汽车在良好的性能状态下行驶。 (3) 舒适性。驾驶平稳、舒适,简化了操作,减轻了驾驶员的劳动强度,提高了行车安全,符合人们日益增长的舒适性要求。 (4) 可靠性。据1993 年的统计,在装车的60万套金属带式CVT 中,由于金属带传动系统出现故障返还的只有120 套,占总
15、数的0.02 % ,而在这120 套中因为金属带本身有问题的只有40例,可见其故障率极低。实践表明金属带CVT 能达到与汽车相同的寿命。 金属带式无级变速器本身就是一种自动变速器,而且它比目前在汽车上占主导地位的液力机械式自动变速器结构更加简单紧凑,更加节能,动力性能更加优良。它与目前流行的4 档自动变速器(AT) 相比,燃油消耗节约12 %17 % ,加速性能提高7.5 %11.5 % ,发动机排放减少10 % ,价格不比AT 贵19。 大众公司最近推出DSG(直接换挡变速器),是该集团将手动变速器和自动变速器的优点结合在一起所研发出来的新一代六速变速器。由于此变速器的最大特点在于采用了双离
16、合器,能够提供无间断的动力输出,所以也称为“双离合变速器”。DSG采用手/自一体控制模式(Tiptronic)在行驶中,手/自动两种控制模式之间可以随时切换。因此,在结构上,DSG除了具有自动变速器的挡位外,车辆转向盘上还配有手动控制的换挡拨片。选用手动模式时,只要把变速杆推往右边,既可以上下拨动完成升、降挡,此时,如果不做升挡操作,即使将加速踏板踩到底,DSG也不会自动升挡。并且在手动控制模式下,也可以实现跳跃降挡。为避免错误换挡所造成的发动机损伤,Tiptronic系统即使在手动模式下操作,若发动机转速过高而驾驶人仍未换挡,电控单元将适时介入执行换挡;相反,驾驶人在不适当的发动机转速下换挡
17、,电控单元也会立刻作出判断,避免对车辆造成损伤18。 除此以外,人们还对变速器的控制进行了分析,还利用软件对传动系及变速箱进行模态分析。比如应用于手自一体变速器换挡的非线性控制。它包括许多不同的控制任务,并且它允许发动机作为部分动力传动系统的执行机构。现如今一种基本换挡控制规律已经产生。利用后推方法设计控制器。该控制器含有转矩传递控制及发动机转速控制规律。仿真结果表明了换挡控制器良好性能21。为了得到一台性能优秀的FSAE赛车,依据计算机数据分析、模型的三维扫描和计算机虚拟装配,可以将无级变速器改为4挡手动变速器。该设计的原则和基础建立在FSAE赛车的制造和试验上22。传动系统(发动机,离合器
18、,变速箱,等等。)所有主要部分都可借助POG图形处理技术建立了模型。通过仿真可以显示模型在设计过程中的实用性23。 总之, 变速器是汽车除发动机外的主要装置之一, 伴随着汽车技术更新换代和市场需求,在向实现理想变速器发展过程中将会取得更加巨大的成就。变速器会应对市场要求朝操纵舒适、轻柔、传动效率高、低油耗、环保与低噪声方向发展, 汽车变速器市场的需求量将继续持续增长17。 1.4 本章小结 本章分析了课题的研究背景及其意义,对先进变速器进行了简单的介绍。第二章 变速器传动机构布置方案2.1 变速器概述 变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速,原地起步,爬坡,转弯,加速等各种行驶工况下,使
19、汽车获得不同牵引力和速度,同时使发动机在最有利工况范围内工作。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。变速器的结构对汽车的动力性、经济性、操纵的可靠性与轻便性,传动的稳定性和效率都有着直接的关系,变速器与主减速器以及发动机的参数做优化的匹配,可得到良好的动力性、经济性,采用自锁及互锁装置,倒挡安全装置,可使操作可靠,不跳挡,不乱挡,自动换挡和误挂挡,采用同步器可使换挡轻便,无冲击以及噪声。变速器采用飞溅润滑第一和第二轴承为了保证变速器具有良好的工作性能,对变速器应具有如下的设计要求: 保证汽车有必要的动力性和经济性。 设置空挡,用来切断发动机动力向驱动轮的传输。 设置倒挡,使汽车能
20、倒退行驶。 设置动力输出装置,需要时能进行功率输出。 换挡迅速,省力,方便。 工作可靠。汽车行驶过程中,变速器不得有跳挡,乱挡以及换挡冲击等现象发生。 变速器应当有高的工作效率。 变速器的工作噪声低。 除此以外,变速器应当满足轮廓尺寸和质量小,制造成本低,维修方便等要求。满足汽车有必要的动力性和经济性指标,这与变速器的挡数,传动比范围和各挡传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂,比功率越小,变速器的传动比范围越大。变速器由传动机构和操纵机构组成。变速器传动机构可按前进挡数或轴的形式不同分类,具体分类如下:变速器按挡数分为三挡变速器、四三档变速器、五挡变速器及多挡变速器。按轴分为固定轴式和旋转轴式
21、。固定轴式又可以分为两轴式、中间轴式、双中间轴式和多中间轴式。 在原有变速传动机构基础上,再加上一个副箱体,这就在结构变化不大的基础上,达到增加变速器挡数的目的。近年来,变速器操纵机构有向自动操纵机构方向发展的趋势15。2.2 变速器传动机构布置方案 机械式变速器因具有结构简单,传动效率高,制造成本低和工作可靠等优点,在不同形式的汽车上得到广泛应用。我们根据汽车总布置的要求、结构工艺性、变速器的径向尺寸、变速器齿轮的寿命、变速器的传动效率,选择三轴式变速器3。主要原因有:三轴式变速器第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各挡齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合,且第一、二轴同心,将第一、二轴直接连接起来传递
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