課程設(shè)計(jì)---飛行汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1、<p><b>　　課題名稱：</b></p><p>　　飛行汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　　課題目的：</b></p><p>　　熟悉了解飛行汽車的應(yīng)用特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求;</p><p>　　熟悉了解飛行汽車的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn);</p><

2、p>　　初步完成飛行汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì);</p><p><b>　　課題要求：</b></p><p>　　飛行汽車技術(shù)參數(shù)：最大載重 210公斤； 起飛距離 10至100米； 著陸距離 3至35米； 下降率 3.3米/秒； 下滑比 約3：1至4：1； 空速 42至50公里/小時(shí)； 爬升速度 115至300米/分； 下降速度 (發(fā)動(dòng)機(jī)熄火

3、) 3.3米/秒； Rotax582發(fā)動(dòng)機(jī)，65馬力； 德國 Hirth 3503v發(fā)動(dòng)機(jī)，70馬力； 傘翼 Apco Aviation ltd；. 最大飛行高度 4000米； 機(jī)身高 2.10米； 機(jī)身寬 1.85米； 機(jī)身長 2.95米； 機(jī)身重 155至180公斤 (包括傘翼)，實(shí)際重量要高于180公斤。</p><p><

4、b>　　課題內(nèi)容：</b></p><p>　　一．飛行汽車應(yīng)用特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求概述</p><p>　　飛行汽車主要用于陸地行駛，少數(shù)時(shí)間用于飛行。在設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足陸地行駛時(shí)的性能要求，比如加速快捷，制動(dòng)距離短，路況適應(yīng)性強(qiáng)，能源消耗少等。又要滿足飛行時(shí)的性能要求，比如質(zhì)量輕，起飛降落滑跑距離短等。</p><p>　　二．飛行汽車的工作原理及結(jié)

5、構(gòu)特點(diǎn)概述</p><p>　　飛行汽車質(zhì)量輕，要求陸地行駛時(shí)加減速性能好，具有良好的爬坡性能和崎嶇路面的通過性能。因此在陸地行駛動(dòng)力方案設(shè)計(jì)時(shí)，采用抓地性能強(qiáng)輪胎，另外應(yīng)盡可能使飛行汽車的重心偏低，以使具備良好的高速彎道通過性以及穩(wěn)定性。</p><p>　　在飛行過程中，飛行汽車機(jī)動(dòng)性能要好，因此在設(shè)計(jì)飛行動(dòng)力系統(tǒng)部分時(shí)，應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率得到充分利用，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作范圍內(nèi)有

6、強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出，發(fā)動(dòng)機(jī)空中熄火后重新啟動(dòng)穩(wěn)定快捷。</p><p>　　飛行汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)本次課題要求，初步擬定以下三個(gè)方案：</p><p><b>　　方案一（見圖一）</b></p><p>　　本方案采用最簡單的傳動(dòng)方式，以一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，通過螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力來滿足

7、飛行汽車在不同使用場合下的需求。</p><p>　　此方案結(jié)構(gòu)最簡單，質(zhì)量最輕便，成本最低。其缺點(diǎn)是，在陸地工作時(shí)，僅憑螺旋槳產(chǎn)生的推理來驅(qū)動(dòng)整機(jī)具有很大的局限性，不能滿足各種路況和各種工作條件的要求。比如整機(jī)在速度極低甚至為零的情況下完成爬坡動(dòng)作時(shí)，整機(jī)會(huì)發(fā)生動(dòng)力不足的現(xiàn)象；再比如整機(jī)在完成超車動(dòng)作時(shí)，該驅(qū)動(dòng)方案加速時(shí)間可能會(huì)比較長。最主要的是，在陸地工作時(shí)，該方案整機(jī)工作的穩(wěn)定性不如下述方案二和方案三。&l

8、t;/p><p><b>　　圖一</b></p><p><b>　　方案二（見圖二）</b></p><p>　　為滿足飛行汽車質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性好的要求，方案二采用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)通用的方案，即一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)承擔(dān)陸地運(yùn)行和提供空中飛行動(dòng)力任務(wù)。</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過不同的傳動(dòng)路徑傳遞

9、到輪胎和螺旋槳，在每個(gè)動(dòng)力路徑上都配備有離合器，通過離合器的分離和接合來實(shí)現(xiàn)單獨(dú)輪胎傳動(dòng)，單獨(dú)螺旋槳傳動(dòng)和輪胎螺旋槳的配合傳動(dòng)三種方式。</p><p>　　在普通陸地工作情況下，一般單獨(dú)使用輪胎傳動(dòng)；在飛行狀態(tài)下，單獨(dú)使用螺旋槳傳動(dòng)；在飛行汽車起飛滑跑或特殊情況下，可使用輪胎和螺旋槳的配合傳動(dòng)。</p><p>　　在本方案中離合器的選擇是很關(guān)鍵的，離合器工作的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整機(jī)工作的

10、穩(wěn)定性，本方案離合器的工作要求是接合平穩(wěn)，沖擊度小，發(fā)熱量小，工作壽命長。</p><p>　　此方案優(yōu)點(diǎn)是陸地工作效率高，成本較低，但是傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。另外直接利用離合器來控制整機(jī)的陸地起步和加速過程個(gè)人認(rèn)為不是最妥當(dāng)?shù)?，由于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定起步和快速提速，只靠油門調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速本身是不能滿足需求的，這一功能要通過切換和嚙合不同傳動(dòng)比的齒輪來實(shí)現(xiàn)，這就需要在傳動(dòng)系統(tǒng)中加入變速箱

11、。</p><p><b>　　圖二</b></p><p><b>　　方案三（見圖三）</b></p><p>　　采用Rotax582發(fā)動(dòng)機(jī)和德國 Hirth 3503v發(fā)動(dòng)機(jī)各一臺(tái)，以其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪胎以提供陸地運(yùn)行所需動(dòng)力，另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳以提供飛行所需動(dòng)力，必要時(shí)可以兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)

12、工作以提供更大功率。</p><p>　　此方案優(yōu)點(diǎn)是兩發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且獨(dú)立，避免了相互干擾，缺點(diǎn)是整機(jī)重量明顯增加，起飛時(shí)最大載重量有所減少，空中飛行機(jī)動(dòng)性能可能會(huì)變差。另外此方案成本高于前兩者，能源消耗大，無法避免使用變速箱。</p><p><b>　　圖三</b></p><p>　　綜合以上三個(gè)方案考慮，方案二更具有優(yōu)勢，故在

13、此對(duì)方案二初步進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件選擇</p><p>　　1.初步選定采用Rotax582發(fā)動(dòng)機(jī)（圖五），其基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)簡圖（圖六）如下：</p><p>　　沖程數(shù)目：二沖程氣缸數(shù)目：二汽缸</p><p><b>　　缸徑: 76mm</b></p><p><b>　　行程: 64m

14、m</b></p><p>　　總排量: 580.7ccm</p><p>　　功率: 48kw (64.4ph) @ 6500rpm</p><p>　　扭矩: 75Nm @ 6000rpm</p><p>　　最高轉(zhuǎn)速: 6800rpm</p><p><b>　　冷卻方式：水冷</b&

15、gt;</p><p><b>　　化油方式：雙化油器</b></p><p>　　內(nèi)置發(fā)電機(jī)輸出功率: 170W(AC) @ 6000rpm</p><p>　　圖五.Rotax582發(fā)動(dòng)機(jī)</p><p>　　圖六.Rotax582發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　如上述結(jié)構(gòu)簡圖所示，在發(fā)動(dòng)

16、機(jī)啟動(dòng)輪盤側(cè)加裝電起動(dòng)機(jī)，通過電機(jī)的帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。動(dòng)力輸出輪盤處加裝減速齒輪箱（廠商共有2.00:1 、 2.24:1 、 2.58:1 、 2.62:1 、 3.00:1 、 3.47:1 、 4.00:1七種變速齒輪箱規(guī)格可供選擇）。</p><p>　　如圖七所示，經(jīng)減速箱減速后，動(dòng)力直接傳輸?shù)絼?dòng)力輸出齒輪，動(dòng)力輸出齒輪上下嚙合齒輪各一個(gè)。為保證傳動(dòng)比恒定以及微小中心距變化不引起傳動(dòng)比的變化，均初步

17、選定為具有漸開線齒廓的直齒圓柱齒輪。</p><p>　　由于發(fā)動(dòng)機(jī)在6000轉(zhuǎn)/分時(shí)具有最大轉(zhuǎn)矩 75Nm，選用濕式多片摩擦離合器可以滿足工作要求（一般使用彈簧壓緊方案，也可采用緩沖勵(lì)磁電路來控制離合器）。</p><p>　　變速箱采用帶有倒檔的4速或5速小型變速箱。</p><p><b>　　圖七</b></p><

18、p>　　傳動(dòng)路徑1軸上存在較大的軸向力，故其支承方案初選為一對(duì)角接觸球軸承（強(qiáng)度不夠可采用雙列或多列角接觸球軸承）進(jìn)行支承（見圖八）。</p><p><b>　　圖八</b></p><p>　　由于離合器工作產(chǎn)生軸向力，初步擬定的傳動(dòng)路徑2支承方案見圖九所示。</p><p><b>　　圖九</b></p

19、><p>　　所用角接觸球軸承如圖十所示，軸承既能承受徑向載荷又能承受軸向載荷，單列角接觸球軸承接觸角有15度、25度、40度三種，接觸角越大軸向承載能力越強(qiáng)，一般成對(duì)使用。角接觸球軸承的極限轉(zhuǎn)速比一般比較高。成對(duì)安裝時(shí)共有三種配置形式。</p><p><b>　　圖十</b></p><p>　　上圖配置形式分別是串聯(lián)（/DT）、背對(duì)背（/DB

20、）、面對(duì)面（/DF）。</p><p>　　變速箱輸出與輪胎間的傳動(dòng)系統(tǒng)如圖十一所示，本方案采用相交軸傳動(dòng)，兩軸間交角為90度，傳動(dòng)齒輪采用直齒圓錐齒輪（圖十二）。</p><p><b>　　圖十一</b></p><p><b>　　圖十二</b></p><p>　　制動(dòng)系統(tǒng)：采用四輪液壓制動(dòng)

21、。其基本原理是踩下剎車踏板，向剎車總泵中的剎車油施加壓力，液體將壓力通過管路傳遞到每個(gè)車輪剎車卡鉗的活塞上，活塞驅(qū)動(dòng)剎車卡鉗夾緊剎車盤從而產(chǎn)生摩擦力令車輛減速。</p><p>　　各零件材質(zhì)選擇與參數(shù)估計(jì)</p><p>　　假設(shè)動(dòng)力輸出輪盤加裝2.00:1的減速齒輪箱，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到6500轉(zhuǎn)/分時(shí)，經(jīng)減速后輸出的轉(zhuǎn)速為3250轉(zhuǎn)/分。飛行汽車陸地最高時(shí)速限定為30m/s，選用輪徑D為0

22、.3m，則輪胎轉(zhuǎn)速為1911轉(zhuǎn)/分。選用變速箱最高檔位時(shí)傳動(dòng)比為0.85:1，變速箱輸出與輪胎間的傳動(dòng)系統(tǒng)相交軸傳動(dòng)比為1，則一級(jí)減速齒輪傳動(dòng)比為2.03:1。經(jīng)查閱資料考慮使用需求，到初步估計(jì)螺旋槳最高轉(zhuǎn)速需要達(dá)到2800轉(zhuǎn)/分。故該級(jí)傳動(dòng)比為1.16:1。</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 M=9549P/n，P為功率（單位Kw），n為轉(zhuǎn)速（單位r/min）。</p><p>　　在6

23、500轉(zhuǎn)/分時(shí)的扭矩為70.52 N.m，而在6000轉(zhuǎn)/分時(shí)的扭矩為75N.m。經(jīng)減速齒輪箱減速后轉(zhuǎn)速減半。按扭轉(zhuǎn)條件進(jìn)行計(jì)算以初估軸徑，選軸的材料為碳素鋼，牌號(hào)Q235，其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為12～20Mpa。按實(shí)心圓截面軸計(jì)算 τ=T/W≤[τ]，d≥33.0 mm。傳動(dòng)路徑一：轉(zhuǎn)矩T1=9549P1/n1=164N.m，經(jīng)計(jì)算d1≥34.3 mm。傳動(dòng)路徑二：轉(zhuǎn)矩T2=9549P2/n2=282N.m，經(jīng)計(jì)算d2≥41.6 mm。&

24、lt;/p><p>　　選取動(dòng)力輸出齒輪材料為40MnB調(diào)質(zhì)（硬度為241～286HBS，接觸疲勞極限為680～760Mpa，彎曲疲勞極限為580～610Mpa），與其嚙合的傳動(dòng)路徑一齒輪為45正火（硬度為156～217HBS，接觸疲勞極限為350～400Mpa，彎曲疲勞極限為280～340Mpa）。取Sh=1.5，Sf=2.0，設(shè)齒輪按8級(jí)精度制造，i=1.16，取載荷系數(shù)K=1.5，齒寬系數(shù)Ф=0.8，小齒輪轉(zhuǎn)矩

25、為150N.m。取Ze=188，d1≥114.0mm。取齒數(shù)Z1=40，則Z2≈46，實(shí)際傳動(dòng)比i=1.15。模數(shù)m=d1/z1=2.85。齒寬b=Фd1=91.2mm，b1=100mm,b2=95mm。取m=3，實(shí)際d1=120mm，d2=138mm。中心距a=0.5（d1+d2）=129mm。驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度：查閱圖表知，齒形系數(shù)Yfa1=2.35，Ysa1=1.68，Yfa2=2.38，Ysa2=1.70。σf1=2K*T1*Yf

26、a1*Ysa1/z1*b*m²=53.96Mpa，</p><p>　　σf2=2K*T2*Yfa2*Ysa2/z2*b*m²=87.01Mpa。均符合條件。</p><p>　　由上述已知條件，選取動(dòng)力輸出齒輪材料為40MnB調(diào)質(zhì)（硬度為241～286HBS，接觸疲勞極限為680～760Mpa，彎曲疲勞極限為580～610Mpa），選取與其嚙合的傳動(dòng)路徑二齒輪為45調(diào)

27、質(zhì)（硬度為156～217HBS，接觸疲勞極限為350～400Mpa，彎曲疲勞極限為280～340Mpa）。取Sh=1.25，Sf=1.6，設(shè)齒輪按8級(jí)精度制造，i=2.03，取載荷系數(shù)K=1.5，齒寬系數(shù)Ф=0.8，小齒輪轉(zhuǎn)矩為150N.m。取Ze=188，d3≥112.3mm。取齒數(shù)Z3=40，則Z4≈82，實(shí)際傳動(dòng)比i=2.05。模數(shù)m=d3/z3=2.81。齒寬b=Фd3=89.9mm，b4=100mm,b3=95mm。取m=3，

28、實(shí)際d3=120mm，d4=246mm。中心距a=0.5（d3+d4）=183mm。驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度：查閱圖表知，齒形系數(shù)Yfa3=2.35，Ysa3=1.68，Yfa4=2.25，Ysa4=1.78。</p><p>　　σf3=2K*T2*Yfa3*Ysa3/z3*b*m²=97.67Mpa，</p><p>　　σf4=2K*T2*Yfa4*Ysa4/z4*b*m²

29、;=45.91Mpa。均符合條件。</p><p>　　傳動(dòng)路徑一上齒輪圓周力Ft1=2T1/d2=2376.8N。徑向力Fr1= Ft1*tanα。其中α為分度圓壓力角。取α=20°。估算Fr1=865.1N。傳動(dòng)路徑二上齒輪圓周力Ft2=2T2/d4=2292.7N。估算Fr2=834.5N。</p><p>　　按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行軸徑的精確計(jì)算：傳動(dòng)路徑一上存在轉(zhuǎn)矩T1=

30、=164000N.mm，F(xiàn)t1=2376.8N，F(xiàn)r1=865.1N。初定齒輪與離合器間的軸長度120mm,合成彎矩M1=303521N.mm。當(dāng)量彎矩Mec1=344994 N.mm。由σb= Mec1/W≤[σb]，可知d≥34.63mm</p><p>　　傳動(dòng)路徑二上存在轉(zhuǎn)矩T2= =282000N.mm，F(xiàn)t2=2292.7N，F(xiàn)r2=834.5N。初定齒輪與離合器間的軸長度120mm，同樣算得d≥43

31、.62mm。</p><p>　　傳動(dòng)路徑一齒輪與離合器間滾動(dòng)軸承參數(shù)估計(jì)：作用在軸上的最大軸向力按6600N徑向力按1000N計(jì)算，壓緊側(cè)當(dāng)量動(dòng)載荷約為12000N。（查表選取7408AC型號(hào)的角接觸球軸承（內(nèi)徑40mm，外徑110mm，寬度27mm，額定動(dòng)載荷62000N），經(jīng)過計(jì)算，壽命L=2758.9h。經(jīng)驗(yàn)算，滿足此內(nèi)徑尺寸的軸，其軸向拉壓應(yīng)力小于極限應(yīng)力值。離合器與螺旋槳間軸主要承受扭矩，沿用上述標(biāo)準(zhǔn)

32、即可。</p><p>　　傳動(dòng)路徑二齒輪與離合器間滾動(dòng)軸承參數(shù)估計(jì)：變速箱前軸上軸向力約為1600N，徑向力按1000N估算。故壓緊側(cè)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷約為3800N。查表選取7209C型號(hào)的角接觸球軸承（內(nèi)徑45mm，外徑85mm，寬度19mm，額定動(dòng)載荷29800N），經(jīng)過計(jì)算，壽命L=11078.4h。經(jīng)驗(yàn)算，滿足此內(nèi)徑尺寸的軸，其軸向拉壓應(yīng)力小于極限應(yīng)力值。離合器與變速箱間軸主要承受扭矩，沿用上述標(biāo)準(zhǔn)即可。

33、</p><p>　　考慮到飛行汽車以陸地行駛為主，空中飛行為輔，上述軸承壽命值屬于可接受范圍。</p><p>　　摩擦片材料選取鑄鐵-鋼，在油中工作。離合器上傳遞轉(zhuǎn)矩T=zfFR,z為摩擦面數(shù)目，F(xiàn)為軸向壓力，f為摩擦系數(shù)。R=0.25（D1+D2）,D1為外摩擦片內(nèi)經(jīng)，D2為內(nèi)摩擦片外徑。傳動(dòng)路徑一：取z=10，f=0.08，D1=150mm，D2=200mm，0.25Mpa<

34、;[p] <0.30Mpa，估算F1=2342.8N。驗(yàn)算壓強(qiáng)，p1=4F1/π（D2²-D1²）=0.17Mpa< [p]，符合條件。傳動(dòng)路徑二：取z=10，f=0.08，D3=160mm，D4=220mm，0.25Mpa<[p] <0.30Mpa，估算F2=3710.5N。驗(yàn)算壓強(qiáng)，p2=4F2/π（D4²-D3²）=0.21Mpa< [p]，符合條件。</

35、p><p><b>　　課題總結(jié)</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)飛行汽車的應(yīng)用特點(diǎn)、設(shè)計(jì)要求、工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有了一定的了解。過查閱相關(guān)書籍和資料，已經(jīng)初步完成了飛行汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，在總結(jié)比較三種不同方案的基礎(chǔ)上，明確和深化了方案二的設(shè)計(jì)。此次課程設(shè)計(jì)為后續(xù)本方案的改進(jìn)，優(yōu)化和定型奠定了一定的基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計(jì)中尚存在一定的不足之處，有待以后