【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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 在 21 世紀(jì)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(nèi)專家指出，到 2021 年底，包括重型卡車等車型在內(nèi)，估計(jì)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?yàn)槠嚨钠占?，帶來的一系列社?huì)問題也顯而易見。首當(dāng)其沖的是能源問題和環(huán)境問題， 隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展要求的不斷提高 ，使用對(duì)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(duì)城市空氣污染嚴(yán)重的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車已成為當(dāng)今社會(huì)的迫切需要。因此，環(huán)保的“綠色汽車”成為了新型汽車設(shè)計(jì)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(dòng)力車?yán)褂脡嚎s的空氣作為動(dòng)力源，空氣作為介質(zhì)，在汽車運(yùn)行時(shí)通過動(dòng)力裝置把壓縮空氣儲(chǔ)存的壓能轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)能，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)無化學(xué)變化，不產(chǎn)生破環(huán)環(huán)境的物質(zhì)，是一種真正的“綠色汽車”。綜上所述，空氣動(dòng)力車的設(shè) 計(jì)課題的研究目的就是為了設(shè)計(jì)出一款能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的綠色汽車。 長(zhǎng)期以來，資源緊缺、環(huán)境污染嚴(yán)重成為困擾人類的巨大難題，而隨著人類文明的進(jìn)步，城市的規(guī)模也在逐漸擴(kuò)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(yīng)用成為人們?cè)絹碓疥P(guān)注的話題，生物能、太陽能汽車和電池動(dòng)力車等可再生的清潔能源作動(dòng)力的新型車輛開始逐漸走進(jìn)我們的生活，然而對(duì)于日益嚴(yán)峻的危機(jī)，這些努力顯得杯水車薪?？諝鈩?dòng)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(dòng)力車，空氣動(dòng)力車具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，相信不遠(yuǎn)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(dòng)汽車的動(dòng)力，與傳統(tǒng)的燃燒汽油或者利用化學(xué)電池提供動(dòng)力相比有著以黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì) [2]。 1）、零污染 空氣動(dòng)力車與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力車不同，依靠壓縮空氣膨脹做功輸出動(dòng)力，真正做到無污染、零排放。燃油動(dòng)力車存在的資源供應(yīng)緊張、尾氣排放污染嚴(yán)重與治理困難等問題使其必然遭到歷史的淘汰。電池動(dòng)力車依靠充電電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，看似清潔無污染，但是廢舊電池的處理為其廣泛應(yīng)用埋下了隱患， 電池內(nèi)的重金屬以及廢酸液如果不能得到妥善回收，其對(duì)土壤和地下水的危害十分嚴(yán)重且難以治理?？諝鈩?dòng)力車‘燃燒’空氣，排放出的也是空氣，利用水力、風(fēng)力和太陽能發(fā)出的可再生清潔電力供給空氣壓縮機(jī)，大氣中無窮的空氣將成為我們?nèi)≈槐M的能源，毫無污染并且可以循環(huán)利用。 2）、造價(jià)低 空氣的可循環(huán)再利用決定了空氣動(dòng)力車的經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，它十分廉價(jià)。發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的突破，使得車身結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，減少了車身的成本；行駛耗能方面，即使使用汽油混合動(dòng)力， 空氣 動(dòng)力 汽車平均能達(dá)到每加侖 106 英里，是現(xiàn)在最省油的豐田普銳斯（ Pirus）混合動(dòng)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(diào)系統(tǒng)加以利用。 3）、加氣快 空氣動(dòng)力車特有的儲(chǔ)氣罐，讓我們可以像加油一樣在加氣站幾分鐘的時(shí)間加滿壓縮空氣，而不必像電動(dòng)汽車一樣要花上幾個(gè)小時(shí)為電池充電。壓縮空氣在儲(chǔ)氣罐中不會(huì)緩慢泄露，而電動(dòng)汽車的電池隨著時(shí)間的推移電量會(huì)逐漸喪失。加氣既可以在家中利用空氣壓縮機(jī)完成，也可以在建設(shè)好的加氣服務(wù)站完成。 4）、節(jié)約能源 在溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重的今天，各國對(duì)于節(jié)能減排已經(jīng)逐步達(dá)成共識(shí)。未來幾年，二氧化碳排放量將受到各國的嚴(yán)厲限制，低耗能汽車是大勢(shì)所趨。 插電 式混合動(dòng)力能大幅消減尾氣排放， 但造價(jià)較高 ，若要推廣則需要改良基礎(chǔ)設(shè)施，如大規(guī)模建立充電站。目前技術(shù)上制造燃燒氧氣產(chǎn)生水的燃料電池仍有困難。 空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)利用空氣分子間隙大、易壓縮的特點(diǎn)，能量的存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 因?yàn)闅鈩?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是可以無級(jí)變速 ， 又可以帶負(fù)荷起動(dòng) ， 所以不必 安 裝變速箱 、散熱器、 傳動(dòng)軸 等 。又因氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) ， 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(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 6）、費(fèi)用低 與傳統(tǒng)汽車相比，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)無燃料燃燒過程，所以發(fā)動(dòng) 機(jī)對(duì)材料要求低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、造價(jià)低，設(shè)計(jì)和制造容易。整車使用維護(hù)和生產(chǎn)費(fèi)用低，且可利用現(xiàn)有氣動(dòng)技術(shù)、汽車設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，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(duì)新型能源且無污染的汽車的需求，而且該車優(yōu)勢(shì)顯著，可行性可見一斑。 在 19 世紀(jì)，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(dòng)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的小型汽車“城市之貓”（ CityCAT），發(fā)明者為居伊 內(nèi)格爾（ Guy Negre）。 如今，對(duì)空氣動(dòng)力車的研究與應(yīng)用已經(jīng)引起世界各國的廣泛關(guān)注，許多汽車公司也爭(zhēng)相投入到空氣動(dòng)力車的研發(fā)與推廣，試圖搶先占領(lǐng)市場(chǎng)制高點(diǎn)。法國 MDI 公司的推出壓縮空氣動(dòng)力車，一罐 300 升、 300 個(gè)大氣壓的壓縮空氣，可以行駛 300公里以上，最大時(shí)速達(dá) 100 公里 [3]。美國華盛頓大學(xué)的一個(gè)科研小組正在研制一種利用液氮提供動(dòng)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(dòng)機(jī)中 ,迅速汽化成氣體 ,體積急劇膨脹 ,推動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)汽車。澳大利亞 Engineair 公司更是依賴壓縮空氣動(dòng)力發(fā) 動(dòng)機(jī)開發(fā)研制了一系列車型。 國外研究現(xiàn)狀 法國設(shè)計(jì)師 Guy Negre 受 Fl方程式賽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的啟發(fā)，于 1991 年獲得了壓縮空氣動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的專利，并創(chuàng)建了 MDI 公司，于 1998 年推出了第一臺(tái)壓縮空氣動(dòng)力汽車樣車。在當(dāng)?shù)卣膮f(xié)助下， MDI 公司現(xiàn)正在南非約翰內(nèi)斯堡、墨西哥城推廣基于二壓縮空氣動(dòng)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(lǐng)導(dǎo)的研究小組，他們已獲得相關(guān)的專利 20余項(xiàng)，其設(shè)計(jì)出的氣動(dòng)汽車已經(jīng)定型并投入了商業(yè)生產(chǎn)。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(jìn)行相關(guān)的研究。美國華盛頓大學(xué)在美國能源部的資助下，于 1997 年研制了一臺(tái)以液氮為動(dòng)力的氣動(dòng)原型黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 汽車 [4]。其基本原理與壓縮空氣動(dòng)力汽車相同，只是動(dòng)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(diǎn)在于液氮無須使用高壓儲(chǔ)存和高壓罐，安全性較好。但液氮的制取和存儲(chǔ)需很低的溫度，制氮成本不低，儲(chǔ)氮費(fèi)用也較大。使用過程中存在氮?dú)庖輾饬看?，液氮?dú)饣臒峤粨Q量也很大。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)近來也有人提出液態(tài)空氣動(dòng)力汽車的設(shè)想，但液態(tài) 空氣動(dòng)力汽車也同樣存在液氮?dú)怏w動(dòng)力 汽車的問題。壓縮空氣動(dòng)力汽車的研究，目前國內(nèi)尚無文獻(xiàn)報(bào)道。浙江大學(xué)的氣動(dòng)汽車課題組已存氣動(dòng)摩托車動(dòng)力平臺(tái)上分別進(jìn)行了凸輪配氣、閥配氣的尊缸和雙缸壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究，已取得了一定的成果。該課題組還同時(shí)進(jìn)行了液氮?dú)怏w動(dòng)力汽車的有關(guān)項(xiàng)目研究 [5]。 汽車性能對(duì)比 為了進(jìn)一步說明以壓縮空氣為動(dòng)力的氣動(dòng)汽車的特點(diǎn)．以人們普遍看好的氫燃料電池電動(dòng)汽車作為全面的比較對(duì)象，表 列出了壓縮空氣動(dòng)力汽車與氫燃料電池電動(dòng)汽車常用的使用特性的對(duì)比情況 [6]。 表 與氫燃料電池電動(dòng)汽車的特性比較 由此可見，氣動(dòng)汽車在制造、使用和安全性等方面都具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力和實(shí)用黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 性，特別是壓縮空氣動(dòng)力汽車具有良好的環(huán)保特性和較低的制造成本，這些獨(dú)特的特性必將在未來社會(huì)發(fā)揮其獨(dú)特作用。 基本內(nèi)容以及擬解決的主要問題 設(shè)計(jì)基本內(nèi)容 本文的主要目的是設(shè)計(jì)一款完整的，可靠的，能運(yùn)動(dòng)的空氣動(dòng)力汽車，重點(diǎn)是空氣動(dòng)力車動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括以下內(nèi)容： 1）、壓縮空氣動(dòng)力車整體方案的設(shè)計(jì)與選擇，包括 發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇，小車整體參數(shù)的確定，動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案的確定； 2）、空氣動(dòng)力車的動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu) — 驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)，包括主減速器的設(shè)計(jì)、差速器的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)半軸的設(shè)計(jì)； 3）、壓縮空氣動(dòng)力車制動(dòng)器的設(shè)計(jì)，包括制動(dòng)器的選型，和主要參數(shù)的計(jì)算； 4）、壓縮空氣動(dòng)力車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及相關(guān)選件的選型計(jì)算和分析。 擬解決的主要問題 1）、傳動(dòng)系能量的傳送路線的確定。即主減速器的主動(dòng)齒輪將發(fā)動(dòng)機(jī)的能量傳遞給差速器殼上的從動(dòng)錐齒輪，從動(dòng)錐齒輪帶動(dòng)差速器殼旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力傳遞給半軸齒輪，最后半軸齒輪帶動(dòng)半軸使輪轂旋轉(zhuǎn)，汽車啟 動(dòng)。 2）、發(fā)動(dòng)機(jī)馬達(dá)的選擇。通過給定的數(shù)據(jù)計(jì)算出馬達(dá)的額定功率和額定轉(zhuǎn)矩，選擇合適參數(shù)的馬達(dá)。 3）、驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)。包括確定主減速器的傳動(dòng)比、齒輪的載荷計(jì)算；選擇差速器的結(jié)構(gòu)形式，差速器的結(jié)構(gòu)型式有多種，有普通對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器和防滑差速器；半軸的設(shè)計(jì)參數(shù)及校核。 4）、制動(dòng)器的選擇與設(shè)計(jì)。 汽車所用都制動(dòng)器幾乎都是摩擦式的，可分為鼓式和盤式兩大類 。通過計(jì)算，確定制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 5）、氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)。縮空氣動(dòng)力汽車本質(zhì)上是一套氣動(dòng)設(shè)備，與常規(guī)的氣動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成只是一些元器件上的差別，也包括了氣源、 氣閥、氣動(dòng)管道、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（在此為壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)）和控制元件等。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 2 章 空氣動(dòng)力車的總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)一個(gè)用壓縮空氣為動(dòng)力的小車，能夠?qū)崿F(xiàn)載人載物運(yùn)動(dòng)，小車的機(jī)械本體是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。就本設(shè)計(jì)而言，機(jī)械本體包括驅(qū)動(dòng)器，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及制動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的汽車已內(nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。而本設(shè)計(jì)是以壓縮空氣為動(dòng)力，所以利用氣動(dòng)馬達(dá)將氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，作為驅(qū)動(dòng)裝置。該車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)汽車類似，主要部分為驅(qū)動(dòng)橋，包括主減速器、差速器和半軸。制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)跟傳統(tǒng)汽車相同。 氣動(dòng)馬達(dá)也稱為 風(fēng)動(dòng)馬達(dá) ，是指將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的裝置。一般作為更復(fù)雜裝置或機(jī)器的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源。氣動(dòng)馬達(dá)按結(jié)構(gòu)分類為：葉片式氣動(dòng)馬達(dá)，活塞式氣動(dòng)馬達(dá)。氣動(dòng)馬達(dá)有如下特點(diǎn)： 1) 可以無級(jí)調(diào)速。只要控制進(jìn)氣閥或 排氣閥 的開度，即控制壓縮空氣的流量，就能調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出功率和轉(zhuǎn)速 。便可達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和功率的目的。 2) 能夠正轉(zhuǎn)也能反轉(zhuǎn)。大多數(shù)氣馬達(dá)只要簡(jiǎn)單地用操縱閥來改變馬達(dá)進(jìn)、排氣方向，即能實(shí)現(xiàn)氣馬達(dá)輸出軸的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以瞬時(shí)換向。在正反向轉(zhuǎn)換時(shí)，沖擊很小。氣馬達(dá)換向工作的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它具有幾乎在瞬時(shí)可升到全速的能力。 葉片式氣馬達(dá) 可在一秒半的時(shí)間內(nèi)升至全速；活塞式氣馬達(dá)可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)升至全速。利用操縱閥改變進(jìn)氣方向，便可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的時(shí)間短，速度快，沖擊 性小，而且不需卸負(fù)荷。 3) 工作安全，不受振動(dòng)、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(dòng)、潮濕、粉塵等不利條件下均能正常工作。 4) 有過載保護(hù)作用，不會(huì)因過載而發(fā)生故障。過載時(shí)，馬達(dá)只是轉(zhuǎn)速降低或停止，當(dāng)過載解除，立即可以重新正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并不產(chǎn)生機(jī)件損壞等故障。可以長(zhǎng)時(shí)間滿載連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫升較小。 5) 具有較高的起動(dòng)力矩，可以直接帶 載荷 起動(dòng)。起動(dòng)、停止均迅速?？梢詭ж?fù)荷啟動(dòng)。啟動(dòng)、停止迅速。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 6) 功率范圍及轉(zhuǎn)速范圍較寬。功率小至幾百瓦，大至幾萬瓦；轉(zhuǎn)速可從零一直到每分鐘萬轉(zhuǎn)。 7) 操縱方便，維護(hù)檢修較容易 氣馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhì)，無供應(yīng)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(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送。 葉片式氣馬達(dá) 反方向的轉(zhuǎn)葉片式氣馬達(dá)的原理見圖 。葉片式氣馬達(dá)主要由定子 轉(zhuǎn)子 葉片 3 及 4 等零件構(gòu)成。定子上有進(jìn)、排氣用的配氣槽或孔，轉(zhuǎn)子上銑有長(zhǎng)槽，槽內(nèi)有葉片。定子兩端有密封蓋，密封蓋上有弧形槽