【正文】 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(nèi)燃機動力汽車已成為當今社會的迫切需要。整個小車的核心結(jié)構(gòu)系傳遞小車驅(qū)動力的驅(qū)動橋以及只屬于氣動小車的獨一無二的動力系統(tǒng)；然后本文詳細設(shè)計了驅(qū)動橋的三大組成部分 — 主減速器、差速器和驅(qū)動半軸，分別對上述三部分進行了選型的分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算。而到 2021 年底，汽車總量突破了十億 [1]。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。因此，清潔新能源的開發(fā)與應(yīng)用成為人們越來越關(guān)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。燃油動力車存在的資源供應(yīng)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。發(fā)動機技術(shù)的突破，使得車身結(jié)構(gòu)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。加氣既可以在家中利用空氣壓縮機完成，也可以在建設(shè)好的加氣服務(wù)站完成。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。車的重量減輕 60%70%， 車就顯得輕薄 。 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。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]。 國外研究現(xiàn)狀 法國設(shè)計師 Guy Negre 受 Fl方程式賽車發(fā)動機設(shè)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。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(guān)的研究。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。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。 基本內(nèi)容以及擬解決的主要問題 設(shè)計基本內(nèi)容 本文的主要目的是設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括以下內(nèi)容： 1）、壓縮空氣動力車整體方案的設(shè)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(jié)構(gòu)方案的確定； 2）、空氣動力車的動力傳動結(jié)構(gòu) — 驅(qū)動橋的設(shè)計，包括主減速器的設(shè)計、差速器的設(shè)計和驅(qū)動半軸的設(shè)計； 3）、壓縮空氣動力車制動器的設(shè)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(shè)計，以及相關(guān)選件的選型計算和分析。通過給定的數(shù)據(jù)計算出馬達的額定功率和額定轉(zhuǎn)矩，選擇合適參數(shù)的馬達。 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 。 6 第 2 章 空氣動力車的總體設(shè)計方案 本設(shè)計的主要工作是設(shè)計一個用壓縮空氣為動力的小車，能夠?qū)崿F(xiàn)載人載物運動，小車的機械本體是設(shè)計的關(guān)鍵。該車的傳動機構(gòu)與傳統(tǒng)汽車類似，主要部分為驅(qū)動橋，包括主減速器、差速器和半軸。氣動馬達按結(jié)構(gòu)分類為：葉片式氣動馬達，活塞式氣動馬達。 2) 能夠正轉(zhuǎn)也能反轉(zhuǎn)。 葉片式氣馬達 可在一秒半的時間內(nèi)升至全速；活塞式氣馬達可以在不到一秒的時間內(nèi)升至全速。 4) 有過載保護作用，不會因過載而發(fā)生故障。起動、停止均迅速。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)。葉片式氣馬達主要由定子 轉(zhuǎn)子 葉片 3 及 4 等零件構(gòu)成。這樣由轉(zhuǎn)子的外表面、葉片（兩葉片之間）、定子的內(nèi)表面及兩密封端蓋就形成了若干個密封工作容積。如圖 1，壓縮空氣作用在葉片 3 和 4 上，各產(chǎn)生相矩，但由于葉片 3 伸出長（與葉片 4 伸出相比），作用面積大，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大于葉片 4 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子在 相應(yīng)葉片上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩差作用下按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，做功后的氣體由定子孔 C 排出，剩余殘氣經(jīng)孔B 排出。這一特性曲線是在一定工作壓力（例如 ）下做出的，在工作壓力不變時，它的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率均依外加載荷的變化而變化。一般說來，這就是氣馬達的額定功率。曲軸旋轉(zhuǎn)的同時，帶動與曲軸固定在一起的配氣閥2 同步轉(zhuǎn)動，使壓縮空氣隨著配氣閥角度位置的改變進入不同的缸內(nèi)（圖示順序為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），依次推動各個活塞運動，各活塞及連桿帶動曲軸連續(xù)運轉(zhuǎn)。特性曲線各值隨馬達工作壓力的變化有較大的變化，工作壓力增高，馬達的輸出功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均大幅度增加；當工作壓力不變時，其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率均隨外加載荷的變化而變化。驅(qū)動橋處于動力傳動系的末端，其基本功能是增大由傳動軸或變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將動力合理的分配給左、右驅(qū)動輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力、縱向力和橫向力。 用途：廣泛載貨汽車、客車、多數(shù)越野車、部分轎車用于上。 優(yōu)點：可以增加 最小離地間隙，減少部分簧下質(zhì)量，減少車輪和車橋上的動載兩半軸相互獨立，抗側(cè)滑能力強可使獨立懸架導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計合理，提高操縱穩(wěn)定性 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高 用途：多用于輕、小型越野車和轎車 (2)主減速器 主減速器一般用來改變傳動方向，降低轉(zhuǎn)速，增大扭矩，保證汽車有足夠的驅(qū)動力和適當?shù)乃倨ぁ? 圖 單級主減速器 雙級主減速 器對一些載重較大的載重汽車，要求較大的減速比，用單級主減速器傳動，則從動齒輪的直徑就必須增大，會影響驅(qū)動橋的離地間隙，所以采用兩次減速。二級齒輪副是斜齒圓柱齒輪。 圖 雙級主減速器 (3)差速器 差速器用以連接左右半軸，可使兩側(cè)車輪以不同角速度旋轉(zhuǎn)同時傳遞扭矩。驅(qū)動橋兩側(cè)的驅(qū)動輪若用一根整軸剛性連接 ,則兩輪只能以相同的角速度旋轉(zhuǎn)。為使車輪盡可能不發(fā)生滑動 ,在結(jié)構(gòu)上必須保證各車輛能以不同的角速度轉(zhuǎn)動。現(xiàn)代汽車上的差速器通常按其工作特性分為齒輪式差速器和防滑差速器兩大類。例如當汽車的一個驅(qū)動輪陷入泥濘路面時 ,雖然另一驅(qū)動輪在良好路面上 ,汽車卻往往不能前進（俗稱打滑）。有效的解決辦法是：挖掉滑轉(zhuǎn)驅(qū)動輪下的稀泥或在此輪下墊干土、碎石、樹枝、干草等。由于輪轂的安裝結(jié)構(gòu)不同，而半軸的受力情況也不同。輪轂通過兩個相距較遠的圓錐滾子軸承文承在半軸套管上。全浮式半軸，外端為凸緣盤與軸制成一體。其外端通過一個軸承直接支承在半軸外殼的內(nèi)側(cè)。 ／ 4 浮式半軸 3／ 4 浮式半軸是受彎短的程度介于半浮式和全浮式之間。 ：分段式橋殼一般分為兩段，由螺栓 1 將兩段連成一體。 (4)制動器的選取 汽車盤式制動器分為定鉗盤式制動器和浮鉗盤式制動器。分泵固定在制動器的底板上固定不動，制動鉗上的兩個摩擦片分別裝在制動盤的兩側(cè)，分泵的活塞受油管輸送來的液壓作用，推動摩擦片壓向制動盤發(fā)生摩擦制 16 動，動作起來就好像用鉗子鉗住旋轉(zhuǎn)中的盤子，迫使它停下來一樣。 由前面介紹的葉片式馬達的工作原理可知，葉片式氣動馬達的額定功率一般指轉(zhuǎn)速在最高轉(zhuǎn)速的一半時的輸出功率，額定扭矩即額定功率下的扭矩。 將數(shù)據(jù)代入式子得： 10094NNF ? 。 小車勻速運動所需的功率為： P FV? () 式中： F—小車勻速運動所需牽引力 ， ； V—小車 勻速運動的速度， 。 m。主減速器的齒輪有弧齒錐齒輪，雙曲面齒輪，圓柱齒輪和蝸輪蝸桿等形式。 主減速器主、從動錐齒輪的支承型式及安置方法 主減速器中心必須保證主、從動齒輪具有良好的嚙合狀況，才能使它們很好地工作。為了減小懸臂長度 a 和增加兩支承的距離 b，以改善支承剛度，應(yīng)使兩軸承圓錐滾子的大端朝外，使作用在齒輪上離開錐頂?shù)妮S向力由靠近齒輪的軸承而反向軸向力則由另一個軸承承受。 轎車和裝載質(zhì)量小于 2t 的貨車，常采用結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小、成本較低的懸臂式結(jié)構(gòu)，所以本次設(shè)計的小車在這里采用懸臂式結(jié)構(gòu)合理。為了使載荷能均勻分配在兩軸承上，應(yīng)是 c 等于或大于 d。 通過式（ 41）的計算得到， ?i 。 2D 可根據(jù)經(jīng)驗公式初選，即 32 2 cD TKD ? （ ） 2DK —— 直徑系數(shù)，一般取 ～ Tc —— 從動錐齒輪的計算轉(zhuǎn)矩， mN? ，為 Tce 和 Tcs 中的較小者 所以 2D =（ ～ ） 3522 =（ ～ ） mm 初選 2D =117mm 則 tm = 2D / 2z =117/39=3mm 初選 tm =3mm， 則 2D =117mm 根據(jù) tm = 3 cm TK 來校核 tm =3 選取的是否合適，其中 mK =（ ～ ） 此處， tm =（ ～ ） 3522 =（ ～ ），因此滿足校核。但齒面過窄，輪齒表面的耐磨性和輪齒的強度會降低。而商用車選用較小的 ? 值以防止軸向力過大，通常取 35176。 6) 法向壓力角 加大壓力角可以提高齒輪的強度，減少齒輪不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)，但對于尺寸小的齒輪，大壓力角易使齒頂變尖及刀尖寬度過小，并使齒輪的端面重疊系數(shù)下降，一般對于“格里森”制主減速器螺旋錐齒輪來說，在此輕型轎車選擇壓力角??20? 7) 具體參數(shù)如下表 25 表 主減速器齒輪參數(shù)表 名 稱 計 算 公 式 和 說 明 計算結(jié)果 大端模數(shù) 3mm 齒數(shù) 39Z11,Z21 ?? 軸交角 按需要確定，一般 ????? 17010 ，最常用?90 ??? 90 螺旋角 通常 ??? 40~35m? ，最常用 ??35m? 。主減速器錐齒輪的材料應(yīng)滿足如下的要求： a. 具有高的彎曲疲勞強度和表面接觸疲勞強度，齒面高的硬度以保證有高的耐磨性。 汽車主減速器錐齒輪與差速器錐齒輪目前常用滲碳合金鋼制造，主要有20CrMnTi、 20MnVB、 20MnTiB、 22CrNiMo 和 16SiMn2WMoV。其主要缺點是熱處理費用較高，表面硬化層以下的基底較軟，在承受很大壓力時可能產(chǎn)生塑性變形，如果滲碳層與芯部的含碳量相差過多，便會引起表面硬化層的剝落。對于滑動速度高的齒輪，可進行滲硫處理以提高耐磨性。 m. 0K —— 超載系數(shù)；在此取 sK —— 尺寸系數(shù)，反映材料的不均勻性，與齒輪尺寸和熱處理有關(guān)， 當ｍ ? 時， 4 ?，在此 4?sK＝ mK —— 載荷分配系數(shù)，跨置式，取 1。 J —— 計算彎曲應(yīng)力的綜合系數(shù)（或幾何系數(shù)），它綜合考慮了齒形系數(shù)。 輪齒的表面接觸強度計算 錐齒輪的齒面接觸應(yīng)力為 bJK KKKKC vfmspj 30z1102D T ??? N/ 2mm （ ） 式中： T —— 主動齒輪的計算轉(zhuǎn)矩； T1 = 0K ， vK ， mK —— 與上一式相同； sK —— 尺寸系數(shù)，它考慮了齒輪的尺寸對其淬透性的影響，在缺乏經(jīng)驗的情況下，可取 ； fK —— 表面質(zhì)量系數(shù)，決定于齒面最 后加工的性質(zhì)（如銑齒，磨齒等），即表面粗糙度及表面覆蓋層的性質(zhì)（如鍍銅，磷化處理等）。這樣，如果驅(qū)動橋的左、右車輪剛性連接，則不論轉(zhuǎn)彎行使或直線行使，均會引起車輪在路面上的滑移或滑轉(zhuǎn)，一方面會加劇輪胎磨損、功率 和燃料消耗，另一方面會使轉(zhuǎn)向沉重，通過性和操縱穩(wěn)定性變壞。 差速器結(jié)構(gòu)形式選擇 汽車上廣泛采用的差速器為對稱錐齒輪式差速器，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量較小等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。 強制鎖止式差速器就是在對稱式錐齒輪差速器上設(shè)置差速鎖。 普通的對稱式圓錐行星齒輪差速器由差速器左、右殼， 2 個半軸齒輪， 4 個行星齒輪 (少數(shù)汽車采用 3 個行星齒輪，小型、微型汽車多采用 2 個行星齒輪 )，行星齒輪軸 (不少裝 4 個行星齒輪的差逮器采用十字軸結(jié)構(gòu) )，半軸齒輪及行星齒輪墊片等組成。本車差速器應(yīng)選行星齒輪數(shù)為 2 個（輕載乘用車汽車） 2) 行星齒輪球面半徑 BR 的確定 差速器的尺寸通常決定于 BR ，它就是行星齒輪的安裝尺寸，可根據(jù)公式3 eBB MKR ? 來確定。根據(jù)這些要求初定半軸齒輪齒數(shù)為 15；差速器行星輪個數(shù)為 2，齒數(shù)為 10。所以初定壓力角為 ? 8) 行星齒輪安裝孔直徑 ? 及其深度 L 的確定 ? ?nlMce?? 10 3?? () 10522 3 ???? ?? 32 mmL ???? ? 式中： eM — 差速器傳遞的轉(zhuǎn)矩， ； n — 行星齒輪數(shù)； 2 l — 為行星齒輪支撐面中點到錐頂?shù)木嚯x（ ?? dl ， ?2d 為半軸齒輪齒面寬中點處的直徑，而 ?2d d? ），計算結(jié)果為 18mm； ? ?c? — 支撐面的許用擠壓應(yīng)力，取為 69N/mm2 。 半軸結(jié)構(gòu)形式 從差速器傳出來的扭矩經(jīng)過半軸，輪轂最后傳給車輪，所以半軸是傳動系中傳遞扭矩的一個重要零件。 1) 半浮式半軸 半浮式半軸除傳遞扭矩外，還要承受垂直力 ,側(cè)向力 2Y 及縱向力 2X 所作用的彎矩 bZ2 、 rY2 ,。 2) 3/4 浮式半軸 半軸外端承裝在后軸殼端上，車輪轂裝在此軸承上。全浮式半軸要采用比較復(fù)雜的輪轂，在它上面安裝兩個錐頂相對的圓錐