【正文】 tion and the calculation of structural parameter of the abovementioned parts are made respectively. Then three main ponent elements of driving axle are designed in detail main reducing gear, pensating gear and jackshaft. In addition, the braking of the vehicle is designed and the type selection of braking is analyzed and calculated. Finally, the power system of the pressedair powered vehicle is designed in this paper. Key words: Compressedair powered vehicle； Vane motor； Driving axle； differential黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒 論 在 21 世紀的今天，汽車已從原來的奢侈品成了必不可少的代步工具。業(yè)內專家指出，到 2021 年底，包括重型卡車等車型在內，估計全球共有 億量汽車在路上行駛，比 2021 年增加 3000 萬輛。而到 2021 年底，汽車總量突破了十億 [1]。汽車的普及的確給人們的生活帶來了便捷，但 正因為汽車的普及，帶來的一系列社會問題也顯而易見。首當其沖的是能源問題和環(huán)境問題， 隨著人們對環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高 ，使用對環(huán)境友好的清潔汽車替代消耗石油等不可再生礦物資源并對城市空氣污染嚴重的內燃機動力汽車已成為當今社會的迫切需要。因此，環(huán)保的“綠色汽車”成為了新型汽車設計的基本理念，“零排放”與可循環(huán)能源的利用成為汽車發(fā)展的新的主題。人們期待著一種沒有污染、用之不竭的新型能源出現(xiàn)，壓縮空氣能源正是滿足了這樣的要求。空氣動力車利使用壓縮的空氣作為動力源，空氣作為介質，在汽車運行時通過動力裝置把壓縮空氣儲存的壓能轉化為汽車的動能，發(fā)動機內無化學變化，不產生破環(huán)環(huán)境的物質，是一種真正的“綠色汽車”。綜上所述，空氣動力車的設 計課題的研究目的就是為了設計出一款能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)內燃機汽車的綠色汽車。 長期以來，資源緊缺、環(huán)境污染嚴重成為困擾人類的巨大難題，而隨著人類文明的進步，城市的規(guī)模也在逐漸擴大，在城市中穿梭著的車輛數(shù)量與日俱增，車輛排放的尾氣的處理問題成為城市污染的巨大難題。因此，清潔新能源的開發(fā)與應用成為人們越來越關注的話題，生物能、太陽能汽車和電池動力車等可再生的清潔能源作動力的新型車輛開始逐漸走進我們的生活，然而對于日益嚴峻的危機，這些努力顯得杯水車薪。空氣動力車的出現(xiàn)，為解決能源與環(huán)境問題提供了嶄新 的思路，相比生物能、太陽能、電池動力車，空氣動力車具有無與倫比的優(yōu)勢，相信不遠的將來，它必將在人們生活中扮演不可或缺的角色。利用壓縮空氣作為推動汽車的動力，與傳統(tǒng)的燃燒汽油或者利用化學電池提供動力相比有著以黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 2 下幾點優(yōu)勢 [2]。 1）、零污染 空氣動力車與傳統(tǒng)燃油動力車不同，依靠壓縮空氣膨脹做功輸出動力，真正做到無污染、零排放。燃油動力車存在的資源供應緊張、尾氣排放污染嚴重與治理困難等問題使其必然遭到歷史的淘汰。電池動力車依靠充電電池驅動電機提供動力，看似清潔無污染，但是廢舊電池的處理為其廣泛應用埋下了隱患， 電池內的重金屬以及廢酸液如果不能得到妥善回收，其對土壤和地下水的危害十分嚴重且難以治理?？諝鈩恿嚒紵諝?，排放出的也是空氣，利用水力、風力和太陽能發(fā)出的可再生清潔電力供給空氣壓縮機，大氣中無窮的空氣將成為我們取之不盡的能源，毫無污染并且可以循環(huán)利用。 2）、造價低 空氣的可循環(huán)再利用決定了空氣動力車的經濟特點，它十分廉價。發(fā)動機技術的突破，使得車身結構變得簡單，減少了車身的成本；行駛耗能方面，即使使用汽油混合動力， 空氣 動力 汽車平均能達到每加侖 106 英里，是現(xiàn)在最省油的豐田普銳斯（ Pirus）混合動力 車的兩倍多。 壓縮空氣膨脹過程中吸熱，因此還可以作為汽車的空調系統(tǒng)加以利用。 3）、加氣快 空氣動力車特有的儲氣罐，讓我們可以像加油一樣在加氣站幾分鐘的時間加滿壓縮空氣，而不必像電動汽車一樣要花上幾個小時為電池充電。壓縮空氣在儲氣罐中不會緩慢泄露，而電動汽車的電池隨著時間的推移電量會逐漸喪失。加氣既可以在家中利用空氣壓縮機完成，也可以在建設好的加氣服務站完成。 4）、節(jié)約能源 在溫室效應日益嚴重的今天，各國對于節(jié)能減排已經逐步達成共識。未來幾年，二氧化碳排放量將受到各國的嚴厲限制，低耗能汽車是大勢所趨。 插電 式混合動力能大幅消減尾氣排放， 但造價較高 ，若要推廣則需要改良基礎設施，如大規(guī)模建立充電站。目前技術上制造燃燒氧氣產生水的燃料電池仍有困難。 空氣動力發(fā)動機利用空氣分子間隙大、易壓縮的特點，能量的存儲和釋放都是物理過程，而且空氣采集容易并可循環(huán)利用。 5）、結構簡單 因為氣動發(fā)動機是可以無級變速 ， 又可以帶負荷起動 ， 所以不必 安 裝變速箱 、散熱器、 傳動軸 等 。又因氣動發(fā)動機可以正轉和反轉 ， 所以不需要倒檔。車的重量減輕 60%70%， 車就顯得輕薄 。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 3 6）、費用低 與傳統(tǒng)汽車相比，其發(fā)動機工作時無燃料燃燒過程，所以發(fā)動 機對材料要求低，結構簡單、尺寸小、質量輕、造價低，設計和制造容易。整車使用維護和生產費用低，且可利用現(xiàn)有氣動技術、汽車設計和制造技術，研制和開發(fā)周期短。 綜上來說，本課題的意義在于能夠滿足人們對新型能源且無污染的汽車的需求，而且該車優(yōu)勢顯著，可行性可見一斑。 在 19 世紀，法國著名科幻小說家儒勒 .凡爾納就曾描繪過這樣一幅圖景 —— 滿街跑著用空氣作動力的汽車。在 2021 年在巴黎舉行的國際汽車展上，展出了一種不用燃油而使用高壓空氣推動發(fā)動機的小型汽車“城市之貓”（ CityCAT），發(fā)明者為居伊 內格爾（ Guy Negre）。 如今，對空氣動力車的研究與應用已經引起世界各國的廣泛關注，許多汽車公司也爭相投入到空氣動力車的研發(fā)與推廣，試圖搶先占領市場制高點。法國 MDI 公司的推出壓縮空氣動力車，一罐 300 升、 300 個大氣壓的壓縮空氣，可以行駛 300公里以上，最大時速達 100 公里 [3]。美國華盛頓大學的一個科研小組正在研制一種利用液氮提供動力的無污染汽車。這種汽車貯存超低溫液氮 ,液氮通過管道輸送到發(fā)動機中 ,迅速汽化成氣體 ,體積急劇膨脹 ,推動活塞驅動汽車。澳大利亞 Engineair 公司更是依賴壓縮空氣動力發(fā) 動機開發(fā)研制了一系列車型。 國外研究現(xiàn)狀 法國設計師 Guy Negre 受 Fl方程式賽車發(fā)動機設計的啟發(fā)，于 1991 年獲得了壓縮空氣動力汽車發(fā)動機的專利，并創(chuàng)建了 MDI 公司，于 1998 年推出了第一臺壓縮空氣動力汽車樣車。在當?shù)卣膮f(xié)助下， MDI 公司現(xiàn)正在南非約翰內斯堡、墨西哥城推廣基于二壓縮空氣動力的城市用出租車。目前國外的研究工作主要集中在法國工程 Guy Negre 領導的研究小組，他們已獲得相關的專利 20余項，其設計出的氣動汽車已經定型并投入了商業(yè)生產。美國人 Roger Lee 也提出了類似的專利。荷蘭的國際汽車研究中心，以及奧地利等一些歐洲國家也正積極進行相關的研究。美國華盛頓大學在美國能源部的資助下，于 1997 年研制了一臺以液氮為動力的氣動原型黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 4 汽車 [4]。其基本原理與壓縮空氣動力汽車相同，只是動力來源于液氮在受熱蒸發(fā)后氣體膨脹做功。其主要優(yōu)點在于液氮無須使用高壓儲存和高壓罐，安全性較好。但液氮的制取和存儲需很低的溫度，制氮成本不低，儲氮費用也較大。使用過程中存在氮氣逸氣量大，液氮氣化的熱交換量也很大。 國內研究現(xiàn)狀 國內近來也有人提出液態(tài)空氣動力汽車的設想，但液態(tài) 空氣動力汽車也同樣存在液氮氣體動力 汽車的問題。壓縮空氣動力汽車的研究，目前國內尚無文獻報道。浙江大學的氣動汽車課題組已存氣動摩托車動力平臺上分別進行了凸輪配氣、閥配氣的尊缸和雙缸壓縮空氣動力發(fā)動機的試驗研究，已取得了一定的成果。該課題組還同時進行了液氮氣體動力汽車的有關項目研究 [5]。 汽車性能對比 為了進一步說明以壓縮空氣為動力的氣動汽車的特點．以人們普遍看好的氫燃料電池電動汽車作為全面的比較對象，表 列出了壓縮空氣動力汽車與氫燃料電池電動汽車常用的使用特性的對比情況 [6]。 表 與氫燃料電池電動汽車的特性比較 由此可見，氣動汽車在制造、使用和安全性等方面都具有很強的競爭力和實用黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 5 性，特別是壓縮空氣動力汽車具有良好的環(huán)保特性和較低的制造成本，這些獨特的特性必將在未來社會發(fā)揮其獨特作用。 基本內容以及擬解決的主要問題 設計基本內容 本文的主要目的是設計一款完整的，可靠的，能運動的空氣動力汽車，重點是空氣動力車動力傳動結構的設計，包括以下內容： 1）、壓縮空氣動力車整體方案的設計與選擇，包括 發(fā)動機的選擇，小車整體參數(shù)的確定，動力傳動結構方案的確定； 2）、空氣動力車的動力傳動結構 — 驅動橋的設計，包括主減速器的設計、差速器的設計和驅動半軸的設計； 3）、壓縮空氣動力車制動器的設計，包括制動器的選型，和主要參數(shù)的計算； 4）、壓縮空氣動力車動力系統(tǒng)的設計，以及相關選件的選型計算和分析。 擬解決的主要問題 1）、傳動系能量的傳送路線的確定。即主減速器的主動齒輪將發(fā)動機的能量傳遞給差速器殼上的從動錐齒輪，從動錐齒輪帶動差速器殼旋轉，將動力傳遞給半軸齒輪，最后半軸齒輪帶動半軸使輪轂旋轉，汽車啟 動。 2）、發(fā)動機馬達的選擇。通過給定的數(shù)據(jù)計算出馬達的額定功率和額定轉矩，選擇合適參數(shù)的馬達。 3）、驅動橋的設計。包括確定主減速器的傳動比、齒輪的載荷計算；選擇差速器的結構形式，差速器的結構型式有多種，有普通對稱式圓錐行星齒輪差速器和防滑差速器；半軸的設計參數(shù)及校核。 4）、制動器的選擇與設計。 汽車所用都制動器幾乎都是摩擦式的，可分為鼓式和盤式兩大類 。通過計算，確定制動器的結構參數(shù)。 5）、氣動回路的設計。縮空氣動力汽車本質上是一套氣動設備，與常規(guī)的氣動系統(tǒng)的構成只是一些元器件上的差別，也包括了氣源、 氣閥、氣動管道、執(zhí)行機構（在此為壓縮空氣動力發(fā)動機）和控制元件等。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 6 第 2 章 空氣動力車的總體設計方案 本設計的主要工作是設計一個用壓縮空氣為動力的小車，能夠實現(xiàn)載人載物運動，小車的機械本體是設計的關鍵。就本設計而言，機械本體包括驅動器，傳動機構以及制動機構。傳統(tǒng)的汽車已內燃機作為驅動器，將化學能轉化為機械能。而本設計是以壓縮空氣為動力，所以利用氣動馬達將氣體的內能轉化為機械能，作為驅動裝置。該車的傳動機構與傳統(tǒng)汽車類似，主要部分為驅動橋，包括主減速器、差速器和半軸。制動裝置的設計跟傳統(tǒng)汽車相同。 氣動馬達也稱為 風動馬達 ，是指將壓縮空氣的壓力能轉換為旋轉的機械能的裝置。一般作為更復雜裝置或機器的旋轉動力源。氣動馬達按結構分類為：葉片式氣動馬達，活塞式氣動馬達。氣動馬達有如下特點： 1) 可以無級調速。只要控制進氣閥或 排氣閥 的開度，即控制壓縮空氣的流量，就能調節(jié)馬達的輸出功率和轉速 。便可達到調節(jié)轉速和功率的目的。 2) 能夠正轉也能反轉。大多數(shù)氣馬達只要簡單地用操縱閥來改變馬達進、排氣方向，即能實現(xiàn)氣馬達輸出軸的正轉和反轉，并且可以瞬時換向。在正反向轉換時，沖擊很小。氣馬達換向工作的一個主要優(yōu)點是它具有幾乎在瞬時可升到全速的能力。 葉片式氣馬達 可在一秒半的時間內升至全速；活塞式氣馬達可以在不到一秒的時間內升至全速。利用操縱閥改變進氣方向，便可實現(xiàn)正反轉。實現(xiàn)正反轉的時間短，速度快，沖擊 性小，而且不需卸負荷。 3) 工作安全，不受振動、高溫、電磁、輻射等影響，適用于惡劣的工作環(huán)境，在易燃、易爆、高溫、振動、潮濕、粉塵等不利條件下均能正常工作。 4) 有過載保護作用，不會因過載而發(fā)生故障。過載時，馬達只是轉速降低或停止，當過載解除，立即可以重新正常運轉，并不產生機件損壞等故障?？梢蚤L時間滿載連續(xù)運轉，溫升較小。 5) 具有較高的起動力矩，可以直接帶 載荷 起動。起動、停止均迅速?？梢詭ж摵蓡印?、停止迅速。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 7 6) 功率范圍及轉速范圍較寬。功率小至幾百瓦，大至幾萬瓦；轉速可從零一直到每分鐘萬轉。 7) 操縱方便，維護檢修較容易 氣馬達具有結構簡單，體積小，重量輕，馬力大，操縱容易，維修方便。 8) 使用空氣作為介質，無供應上的困難，用過的空氣不需處理，放到大氣中無污染 壓縮空氣可以集中供應，遠距離輸送。 葉片式氣馬達 反方向的轉葉片式氣馬達的原理見圖 。葉片式氣馬達主要由定子 轉子 葉片 3 及 4 等零件構成。定子上有進、排氣用的配氣槽或孔，轉子上銑有長槽，槽內有葉片。定子兩端有密封蓋，密封蓋上有弧形槽