城市公交客车整体设计及仿真分析【三维UG】【3张CAD图纸和说明书所见所得】【QX系列】
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摘要本设计根据社会消费需求,从实际出发,充分考虑汽车整体外形来实现底盘总布置的设计实现最优化,实现车身骨架的设计优化,对公交客车的形式和主要参数进行选择,并对底盘各总成包括发动机、变速箱、离合器、前桥、驱动桥、悬架系统、传向系统等进行选型。同时也做了汽车的动力性,燃油经济性的分析。设计车身骨架以及底盘车架并校核其强度和刚度。基于Siemens NX 建立车身骨架和底盘车架的三位模型,并对底盘骨架做静态有限元分析以及模态分析。通过对车架有限元模型进行无约束的自由模态分析,验证了车架本身结构的合理性。关键词:公交客车;车架设计;有限元;模态分析 Abstract The design is based on the actual needs of the society, starting from the actual conditions, fully considering the overall shape of the car to achieve optimal design and implementation of the chassis layout, optimizing the design of the car body skeleton, selecting the form and main parameters of the bus, and selecting the main parameters of the bus. It includes engines, gearboxes, clutches, front axles, drive axles, suspension systems, transmission systems, and so on. At the same time, it also analyzed the dynamic nature of the car and the fuel economy. Design the body frame and chassis frame and check its strength and stiffness. Based on Siemens NX, a three-dimensional model of the body frame and chassis frame was established, and static finite element analysis and modal analysis were performed on the chassis skeleton. Through the unconstrained free modal analysis of the frame finite element model, the rationality of the frame itself is verified.Key words: bus; frame design; finite element; modal analysisI目录前言11 汽车形式的选择21.1汽车的轴数21.2汽车的驱动形式21.3 汽车布置形式的选择32 汽车主要参数的选择42.1 汽车主要尺寸参数的选择42.1.1外廓尺寸42.1.2 轴距L的选择42.1.3前后轮距B1、B2的选择42.1.4 前悬、后悬的确定52.2 质量参数的确定52.2.1 汽车的转载质量和载客量52.2.2 汽车的整备质量m0的估算52.2.3 汽车的总质量ma的确定52.2.4 汽车的轴荷分配62.3 汽车主要性能参数的选择62.3.1 动力性参数的选择62.3.2 最小转弯直径72.3.3 汽车通过性几何参数72.3.4 汽车操作稳定性参数72.3.5 汽车的制动性参数83 底盘各总成的选择83.1 发动机的选择83.1.1 发动机的计算83.1.2 发动机的选型93.2 离合器113.2.1 离合器的功用113.2.2 离合器的分类113.2.3 离合器的选择113.3 变速器123.3.1 变速器的计算123.3.2 变速器的选型143.4 发动机与离合器及变速器的布置163.5 前桥163.6 驱动桥173.7 万向节传动装置183.8 车架183.9 悬架系统193.10 转向系统203.10.1 设计转向系应满足的要求203.10.2 转向器203.11 制动系213.11.1 制动防抱死系统(ABS)223.11.2 制动器的选择223.12 车轮及轮胎223.12.1 车轮与轮胎的功用223.12.2 车轮与轮胎的选择224 性能分析244.1 汽车的动力性244.1.1 最高车速的计算244.1.2 最大爬坡度的计算274.1.3 动力特性的计算274.2 汽车的燃油经济性295 车身骨架结构尺寸的确定315.1 骨架设计依据315.1.1 设计原则315.1.2 主要技术参数315.1.3 车身骨架材料325.2 骨架结构设计分析325.2.1 左右侧围骨架结构设计分析325.2.2 顶盖骨架结构分析345.2.3 前围骨架结构分析355.2.4 后围骨架结构分析366 车身骨架强度计算分析376.1 车身结构受载分析376.2 车身骨架强度计算377 车身骨架三维建模468 底盘静力学分析468.1 底盘几何模型的建立468.2 底盘有限元模型的建立478.2.1 模型单位制478.2.2 网格的划分478.2.3 载荷488.3 底盘静力分析498.3.1 满载弯曲工况498.3.2 满载扭转工况519 底盘自由模态分析5210 经济性分析5911 结论60致谢62前言1 城市公交车市场的需求与发展随着经济的发展和能源的消耗,我国早已经开始布局绿色出行的计划。电动车,新能源车现在已经开始要遍布大街小巷。这其中城市公交车在城市已经乡镇起着相当重的作用,极大的缓解了交通拥挤的情况,也大大减缓能源的消耗速度。与此同时,公交车的设计制造技术越来越发达,向着高效、节能、快节奏、舒适、甚至豪华的方向发展。经济的发展,能源的消耗也是间接的促进了公交车的发展,反过来公交车的大量运用也大大的减缓的能源的消耗。而且公交车也在向着中大型,尺寸更大的方向发展,提高汽车的燃油经济性。2 国内城市公交客车的发展及现状近些年来,公交车核心市场是纯电动客车已经是无法动摇的地位了,我国新能源汽车的发展起点就在公交车,经过多年的努力,我国在混合动力的公交车的研发制造做出了不少的花销。公交测发展离不开中央政府的大力支持;公交车整车质量的轻量化设计以及各种相关的设施的跟进。以前中国在汽车的技术上是落后者,而现在中国在技术上后来者,在传统汽车技术上与汽车强国差距还是太大。中国实施了对外开放的国策,世界上的所有汽车厂的涌入,与中国的客车厂合资办厂,于是中国出现了高档的客车。但是最终由于中国客车企业与外方合资厂商在文化上的差异,最后都是不欢而散。但是中国客车学到了外国客车的先进的技术,出现了全承载式客车。然后,我国就发展了新能源客车,就再也没有外国客车合资过来了。因为现如今我国的传统客车已经是世界上最先进的了,并且向着“电动化、全球化、高端化”转型。1 汽车形式的选择形式不同的汽车,大部分体现在轴数,布置形式和驱动形式上的差别。由于汽车形式对整车的各种性能(包括操控性能和稳定性能等)、轴荷分配、外廓尺寸和整车设计制造成本的影响很大,因此在设计汽车时应综合考虑以上所有因素。1.1汽车的轴数汽车的轴数分为很多种,有两轴式、三轴式、四轴式等等。其中,汽车总质量、道路法律、汽车结构、轴荷县制以及轮胎的负合能力都会影响汽车轴数的选取。随着设计汽车装载能力的提升,汽车的总质量和整车整备质量也越来越大。在汽车轴数不改变的前提下,使得汽车对道路的负荷增大。为了延长道路的使用寿命,保证道路的行驶安全,相关部门做出有关规定,公路所允许车辆的单后轴最大承载质量为130kN,双后轴最大承载质量为240kN。两轴汽车最大总质量一般不大于190kN。倘若汽车的总体质量不超过19t时,一般就多采用两轴式;倘若汽车的总体质量超过19t未超过26t时,一般就常采用三轴式;但是汽车的总质量已经大于26t时,一般就多采用四轴式。这一次的设计估算汽车总质量不超过18t,因此本次设计选择两轴式。1.2汽车的驱动形式汽车驱动形式根据汽车行驶路况以及汽车总体载荷的不同分成很多种,包括42、44、62、64、66、84、88等等,前边一位数字表示汽车的总轮数,后边的一位数字表示汽车的驱动车轮总数。例如:62就表示该汽车总共有6个车轮,其中有两个车轮作为驱动轮。影响汽车驱动形式的选择主要有汽车的主要用途、总体质量和对车辆通过性能的要求等。驱动轮越多,车辆的通过能力就越大,但也同时会使得汽车底盘结构更繁杂,随之就是使得汽车成本以及质量增加。乘用车和总质量较小的商用车,大多是采取制造成本便宜、结构形式简单的42驱动形式。总质量在2027t的公路运输车,常采用62或者64驱动形式。而对于用于越野的汽车,为提高其通能力性,则可采用44、66、88的全轮驱动形式。本车主要行驶在城市中,对通过性要求不是很高,但是要求承载能力要强。因此该车的设计选取 62驱动形式,这种形式结构单一,汽车承载能力强,制造成本低。适合本车的设计。1.3 汽车布置形式的选择汽车的布置形式是指动力装置(发动机和电动机等)、驱动桥、底盘和车身的相互位置关系。汽车的性能(包括操控性和燃料经济性等)既有整车的相关参数决定也有各总成参数有关系,还有就是它的布置形式对使用性能也是有着相当大的影响。根据客车驱动桥、变速箱和发动机三者的不同布置关系,客车布置形式主要分成三种:1、发动机前置后桥驱动(Front-engine,Rear-drive)。2、发动机后置后桥驱动(Rear-engine,Rear-drive)。3、发动机中置后桥驱动(Middle-engine,Rear-drive)。三种布置形式均有各自的优缺点。作为城市大型公交客车,乘客流动性大,所以要求地板高度尽量降低,并且在城市行驶的各种路况中,对驾驶员的驾驶技术是一个非常严格的考验,因此,在客车的设计中,要提高驾驶员的驾驶舒适性与可靠的操作性。本次设计的公交客车采用发动机后置后桥驱动,其优点是:能最大可能产生的减少运行时发动机的热量还有发动机的气味传入车箱内,进而减少影响乘客的舒适性,并减少发动机工作时发出振动和噪声对驾驶员以及乘客的影响;发动机后置方便故障的检查和维修;整车的轴荷分配也相当合理,很大幅度地改善车厢后部乘客的乘坐舒适性;车厢内部面积利用率高,大幅度减少车厢内部的布置(包括座椅以及扶手的布置)的影响;作为城市公交车需要最大化的车厢空间,因此后桥前方的地板下面也没有传动轴,则就是可以很是有效地降低地台高度,增大车厢面积,方便乘员上车、下车。2 汽车主要参数的选择 汽车的主要参数主要有尺寸参数、质量参数以及汽车性能参数。2.1 汽车主要尺寸参数的选择 汽车的主要尺寸参数有外轮廓尺寸、轮距、轴距、前悬、后悬和车厢尺寸等。2.1.1外廓尺寸汽车的外廓尺寸包括长、宽、高。外廓尺寸是由汽车的各种类型、主要用途、设计承载量、路况、车辆的结构选型与布置形式以及有关规定和标准标准、有关法规限制等等因素来确定。在能够满足正常使用要求的前提之下应该尽可能的缩减汽车的外廓尺寸,进而可以大大减小汽车总体质量,降低生产制造研发。GB1595-1995对汽车外的廓尺寸界限作出了规定,限制尺寸:总高超过4米,总宽(除去后视镜)不超过2.5米,总体长:整体式客车总体长度不应超过12米。参考这种相同类型的车型,初步选择是:车体总长度=12500mm,车体总宽度=2550mm,车体总高度=3250mm。2.1.2 轴距L的选择轴距L是会对汽车的整车整备质量、汽车总体长都、汽车最小转弯半径和纵向通过性等等参数有影响。汽车刹车或猛加速时前后轴的轴荷量就会大幅度重新分配,使汽车制动性能变差;车身纵向角激跃会增大,有害车辆行驶的平顺性;同时造成万向节传动轴的传动角加大。本设计中为城市大型公交客车,在50006500范围内选择。轴距赢尽量选的长些,以提高载质量,参考同类型车辆,初选轴距L=6200。2.1.3前后轮距B1、B2的选择轮距为相同车桥两侧轮胎胎截面中心面间的距离。轮距B对汽车的总宽、总体质量、横摆角速度增益、动力性能和燃油的经济性都有影响。根据客车轮距选择参考数据表城市客车和长途客车轮距范围为14702050mm,参考同类型车辆,初选轮距为:B1=2020mm,B2=1880mm。2.1.4 前悬、后悬的确定前悬尺寸对车辆通过能力、防碰撞安全能力、驾驶员可观看面积、前弹性元件长短、上车的便利性还有汽车内外部的造型等都会有影响。大一些的前悬尺寸能够很大程度上减少在车辆发生前部碰撞是对车内乘员的撞击伤害,也有便于选用规格更大的弹性元件。对平头汽车而言,前悬的大小还会影响到乘员在前门进出车内的舒适性和便利性。因此这一次的设计大致初选前悬尺寸,应该可以在保证能全部布置好以上提及各个总成、部件的同时尽最大的可能缩减前悬架的尺寸和规格。汽车的后悬是汽车后侧车轮轴线所在的垂面与依靠在汽车的末端并且垂直于车辆纵向对称平面的垂面二者之间距离。倘若后悬太长,在爬坡或者下陡坡时极易刮蹭到地面,同时导致转向角变大,转向性能受到很大影响,转向不灵便。所以呢选定前悬2545mm,后悬3235mm。2.2 质量参数的确定2.2.1 汽车的转载质量和载客量城市公交车所允许的载客量包括站立乘客数(约每平方米站立面积为810人)和座位数两部分。各种车型的装载量应符合行业产品规划对各类车装载量系列的规定。参考同类车型,本车最大座位数为19座,载客人数93人(包括站立人数和驾驶员)。2.2.2 汽车的整备质量m0的估算汽车的整备质量说的是汽车要正常工作所要的燃料、润滑油、工作液(例如冷却液等)及发动机冷却水和设备(维修工具及备胎等)后但并没有载人和货物时的总质量。这个指标呢是一个很关键的设计指标。经计算,这一次设计中汽车的整备质量约为11300kg。2.2.3 汽车的总质量ma的确定汽车的总质量是指汽车正常工作所需要的燃油、工作有野以及各种设备统统装备齐全并按规定乘载满乘客(包括驾驶员)、货时的总体质量。汽车的总质量不仅仅包含有汽车的整备质量和装载量。 (2.1)为包括车辆驾驶员载客总人数量;为行李系数,取最大值15。每人按65kg计,行李质量:长途客车按每人1015kg计。本车总质量为17800kg。2.2.4 汽车的轴荷分配汽车的轴荷分配是指汽车在空载或满载静止状态下,各车轴对支承平面的垂直负荷,也可以用占空载或满载总质量的百分比来表示。所以在布置汽车底盘各总成时就要合理的选择轴荷分配系数,以保证汽车的在各种使用条件下所要求的使用性能。本设计为发动机后置后轮驱动的乘用车,应满足的轴荷分配要求为:当汽车在满载的情况下前轴所要承载的载荷占到整车质量的40%46%,后轴所要承载的载荷要占到整车质量的54%60%;而在空载的情况下,前轴承载的载荷占到整车质量的38%50%。初选:前轴6500kg,后轴11300kg。2.3 汽车主要性能参数的选择 汽车主要性能参数包括汽车的动力性、经济性、平顺性和操纵稳定性参数等。选择这些参数时应考虑汽车的类型、等级以及相应的技术法规和标准的规定值。2.3.1 动力性参数的选择汽车动力性参数包括最高行驶车速vamax、加速时间t、最大爬坡度imax、比功率Pb和比转矩Tb等。1)选择直接挡和I挡的最大动力因数直接档的最大动力因数D0max是标志着汽车在使用直接档高速行驶时所能够克服道路各种阻力的能力,车辆的加速性的要求高,则D0max就大,可是D0max越大的话,汽车的燃油消耗就会增加,因此为了提高汽车的燃油的经济性,那么则D0max值较小。大客车的D0max也随其总长度的增加而下降,在0.040.12之间变化。参考同类型同级客车,初步选定D0max=0.08;2)I档最大动力因数D1max的选择I挡最大动力因数D1max表征了汽车的爬坡能力,通过能力和加速能力。它和汽车总体质量的线性或者非线性的关系不明显,而主要根据汽车设计及使用时所要求的最大爬坡能力和道路的附着条件决定。对于大型客车,D1max多在0.30.38之间。参考同类同级客车,初选定D1max=0.38。3)最高车速vamax的确定选择时应考虑汽车的设计的类型、主要的用途、路面形式路况条件、相关的安全条件和发动机额定功率等,并根据汽车行驶的发动机的功率平衡为来定夺。车辆的最高行驶车速不要设计的太高,否则的话既会大量的消耗燃油燃料还会极大的影响车辆行驶的安全性。对于城市大型公交客车的用途和使用条件,初步选定vamax=80km/h。4)加速时间t城市公交车或者长途旅游大客车从原地起步加速时速度从0到70km/h所要的时间业内大多数设定在3365s。2.3.2 最小转弯直径汽车的最小转弯直径是评价汽车转向的能力和汽车转向安全性的能力的相当重要的指标。是有汽车的主要用途,行驶时道路的路况、车辆的设计类型等等因素来共同决定汽车的最小转弯直径。对于城市公交客车Dmin在1722m之间。本设计中最小转弯半径选取18m。2.3.3 汽车通过性几何参数参考同级客车,最小离地间隙的在选定前后桥后确定为:前桥hmin= 0.27 m,后桥hmin= 0.24m,纵向通过半径1= 9m。2.3.4 汽车操作稳定性参数汽车的操纵稳定性的评测指标有很多很多,与汽车设计关系很大的并且还能作为设计指标的有以下各参数:(1) 转向特性参数汽车转向行驶时产生的侧偏就会使前轴和后轴出现相应的侧向偏离角,简称侧偏角。 (2)车身侧倾角车身侧倾角应小于3,最大不超过7。2.3.5 汽车的制动性参数评测汽车的制动性的指标有一定车速下紧急完全制动所达到的最短制动距离st、完全踩下制动踏板的制动脚踏板力、整个制动过程的 平均制动减速度还有在紧急情况下完全踩下制动踏板的制动操纵力。最短制动距离是指在路面状况良好的道路上和并且在规定好的车速下,松开油门,紧急完全踩下制动踏板直到到完全停车的距离。我们国家通常以行驶车速为30km/h和50km/h时的最小制动距离来考量不同车型车辆的制动能力。这个设计呢是以30km/h车速时的最小制动距离st来设计制动性能的指标。由于对制动性能的分析要通过汽车的路面试验才能进行,因此对制动性的计算分析在这里不做具体说明。与同车型类似,暂时取st10m。3 底盘各总成的选择3.1 发动机的选择汽车的全部动力都是来自于发动机,所以发动机的气缸的排列形式和发动机的参数怎么选择就成为决定汽车设计的重中之重的内容。汽车所有的性能参数,包括令人兴奋的发动机马力,发动机能到发出的最大扭矩、全力加速时汽车的最短加速时间、在低速爬坡时汽车所能达到的最大爬坡度、以最高功率输出,汽车所能达到的最高行驶车速等等,这些都是有汽车的发动机来决定的。而发动机是汽车故障来源之一,且占了整车故障的很大比例,燃油消耗量,车辆的使用保养费用都特别大的程度上取决于发动机。现如今,往复活塞式内热机成为各大车企及零部件成产公司的主要选择,客车多数都是配置安装柴油发动机。3.1.1 发动机的计算 Pemax=1Tmagft3600vamax+CDA76140vamax3 (3-1)式中:Pemax发动机最大额定功率;T传动系统传动效率;ma汽车总体质量;g重力加速度;ft滚动阻力系数,对乘用车f=0.01651+0.01va-50。CD空气阻力系数,客车取0.600.70;A汽车正侧投影面积,m2。初选最高车速Vamax=80km/h;总质量ma=17800kg;重力加速度g=9.8m/s2;滚动阻力系数f:当Va50km/h时, f=0.01651+0.01va-50 (3-2)代入已知数据,得f=0.01651+0.0180-50=0.02145迎风面积:A=1.0HB1 (3-3)式中:H汽车总体高度 B1前轮轮距 A=1.023.202.020=6.59328m2将各数值代入式(3.1),得Pemax=10.9178009.80.02145360080+0.66.5932876140803=121.95kW本车发动机转速初选为2400r/min。3.1.2 发动机的选型能决定发动机该如何选型的原因有很多,比如说汽车的主要设计用途,汽车的种类,汽车的道路使用情况,气候情况,底盘个总成的布置情况,汽车总体质量等等;还要考虑汽车的动力储备能力,燃料的经济性,考虑环境污染资源浪费,保护环境,减少排放的问问题;更要考虑发动机生产设计制造条件,技术发展状况,市场需求情况以及后期维修保养等等。通过计算,选定发动机型号为东风康明斯ISB5.9型发动机,其主要参数如表3.1所示:表3-1 东风康明斯ISB5.9型发动机参数Table 3-1 Engine parameters of Dongfeng KangMingSi ISB 5.9型号型式质量(kg)最大功率(kW)最大扭矩(Nm)额定转数排量(L)进气方式排放标准适配车型东风康明斯ISB5.9直列六缸25020080025005.9增压中冷国V9.3-12米客车图3-1 东风康明斯ISB5.9型发动机Fig.3-1 Dongfeng KangMingSi ISB 5.93.2 离合器3.2.1 离合器的功用 离合器在发动机的输出端,来保证动力可以平顺的传输至变速箱,而且能快速的切断动力的传输。3.2.2 离合器的分类离合器有摩擦式离合器、液力耦合器和电磁式离合器。摩擦式离合器是借助接触面之间的摩擦作用来传递转矩的。液力耦合器是利用液体作为传动的介质;而电磁式离合器则是用电磁力来传递转矩。目前,汽车上广泛采用的是以弹簧压紧的摩擦式离合器。3.2.3 离合器的选择这次设计选用单片干式、膜片弹簧离合器,它的摩擦片尺寸规格为3500mm。拉式膜片弹簧离合器具有以下优点:(1)结构简洁明了,总成尺寸很小的,而且整体的零件也少,质量轻;(2)尺寸相同的压盘,拉式膜片弹簧离合器还能够采用膜片直径更加大的弹簧,具有更高的转矩容量比;(3)拥有尺寸更大个的分离杠杆,能够缩减近三分之一的脚踏板的踩踏力;(4)这种离合器的默片弹簧会一直没有任何缝隙的挨着接触着支撑环,并没有那种推式默片吗弹簧的缺憾;(5)这种离合器的压盘可以为了增大热量的散失,就可以将它的压盘设计的很厚,从而就可以容纳更多的热量,也就更容易散热,所以有着更长的寿命;(6)汽车装有不带同步器的变速器时,这种离合器有着特殊的制动装置,能够使换挡便利,所以更加适用。本次设计选用的离合器是:380DB型适配车型:客牵引车等,最大传递扭矩在6001500N/m该离合器是湖北三环离合器有限公司与武汉理工大学合作研制出的,可以传递大马力、高扭矩、低转数发动机的默片弹簧离合器。极大地降低了该总成的重量,既避免离合器在高速运转时出现爆裂的风险,同时该离合器还有一个优点,就是他的螺旋弹簧在离合器压紧的时候,压紧的力大,再分离的时候,分离力又小又,结构简化、紧凑,扭矩容量大,操纵轻便,分离效率高,使用寿命长的优点。380DB离合器见下图3-2:图3-2 380DB离合器Fig.3-2 380DB Clutch3.3 变速器变速器作用:(1)改变传动比,变速器可以实现减速增距,也可以实现增速减距,将发动机的力矩传改变传递到车轮,以适应车辆在行驶途中又遇到的各种路况,同时改善发动机的工作条件,保护发动机以及传动系;(2)发动机一直演一个方向转动,倘若没有变速箱,很难实现车辆的前进和倒退的转换,所以变速箱可以在发动机保持旋转方向一致的前提下,实现车辆前进和倒退的变换。3.3.1 变速器的计算1) 主减速比i0的确定对于城市大型公交客车来说,在给合发动机最大功率及其转速的情况下,所选择的i0 应按式3.2来计算: i0=0.377rrnpvamaxig (3-4)式中:rr 轮胎的滚动半径;ig变速箱各个档位的传动比;np发动机发出最大功率时的转速。简化计算取最高档为直接档,即ig=1,但是照多数实际的情况的话,汽车是有有超速档的,所以ig的实际所取得的值应当是理论计算结果的110%120%。车轮的工作半径估算:rr=0.0254d2+b(1-)选定轮胎规格:11R20式中:d轮辋直径,20in;b轮胎宽度,11in。注:(1in=25.4mm)-轮胎变形系数;代入以上数据即有:rr=0.0254202+111-0.3=0.44958mnp=2400r/min;将已知数据代入计算:i0=0.3770.449582400801=5.085 2)变速器传动比的确定在综合考虑公交客车的所要的最大爬坡度,路面状况,传动系的传动比,车轮的状况等等因素之后,就可选择变速器的最低传动比。发动机最低转速n=800 r/min1) 由最大爬坡度要求的变速器一档传动比为: ig1(mgmaxrr)(Temaxi0T) (3-6)式中:ma汽车总质量,17800kg;g重力加速度,g=9.8m/s2;初定最大爬坡度tan=28% ;max最大道路阻力系数,max=fcosmax+sinmax,其中,f为滚动阻力系数,max为最大爬坡度。 max=0.021450.9634+0.2697=0.2904 rr驱动车轮的滚动半径,0.44958m;Temax发动机所能发出的最大转矩800Nm;i0主减速比为5.085;T传动系统传动效率 ;将已知数据代入计算得:ig1178009.80.29040.449588205.0850.9=6.06882)根据驱动车轮与接触路面附着条件来确定变速器一档传动比为:ig1G2rrTemaxi0T (3-7)式中:G2汽车满载静止水平路面时驱动桥作用在车轮接触路面的垂在和。G2=11300kg9.8m/s2道路附着系数 ; 将已知数据代入计算得:ig1113009.80.449580.58205.0850.9=6.633即:6.0688ig16.6333.3.2 变速器的选型根据上述,选定綦江宏洋齿轮传动有限公司的ZF S6-160型变速器。图3-3 ZF S6-160变速器Fig.3-3 ZF S6-160 transmission綦江宏洋齿轮传动有限公司的ZF S6-160型变速器的详细参数见表3-2表3-2 ZF S6-160变速器参数Table 3-2 parameters of ZF S6-160 transmission总重量最大输入扭矩(Nm)机油容量档位标准传动比超速档直接档225kg680830水平安置13.0L,垂直安置10.0L6.5487.6243.8244.3852.6133.1601.4341.9841.0001.3700.8501.000R6.0576.9463.4 发动机与离合器及变速器的布置在布置底盘动力传动系统(发动机、离合器、变速器、万象传动装置和驱动桥)时,最主要的问题是布置好发动机后的隔板,车厢的地板的位置。发动机曲轴轴线相对于车架上平面线向下偏斜14。所选择的这一倾斜度数应使当汽车爬最大坡度时,发动机油底可壳中机油的油面高于集滤器的滤网。3.5 前桥本车选用的车桥型号为汉德客车桥的8.0t低地板式前桥。汉德低地板的前转向桥就是基于入口极低的城市客车来研发的,该车桥的最鲜明的特征就是以工字梁型的整体锻压成型,从而从而就形成了很大的咯都差别,进而使得前桥的承载能力大大提升。而且整个车桥距离地面的距离是很小很小的,大大的缩减了车辆整体的离地距离,使得汽车的整体重心高度变小,汽车的平顺性也变好了,并且转向轻便灵活、极限转角大;还可以选择性地装配ABS防抱死系统。表3-3 汉德前桥性能指标Table 3-3 parameters of Hande Bridge front axle项目额定载荷(Kg)适用车轮距(mm)前束(mm)主销内倾角()主销后倾角()制动器规格(mm)适用轮辋制动力矩(Nm)参数80002020-108.53.5盘式430458.2522.529600图3-4 汉德低地板转向桥Fig.3-4 Hande Bridge front axle3.6 驱动桥驱动桥是传动系最末尾的部分,承载着车辆在路面上行驶时由车轮传递给车桥的各个方向的力。并且实现增大扭矩的作用,使车轮获得更大的扭矩。由此前算得的主减速比及分配的后轴轴荷,选定采用汉德车桥生产的汉德13吨驱动桥。这款驱动桥的主减速器总成采用双曲线齿轮传动,整体的速度传动比要小,但是扭矩确实很大,非常符合本次设计的预期,并且在各个齿轮经过磨床的精磨,使得齿轮便面粗糙度变得很小很小,因此传动平稳安静,大大的见笑了噪音,也大幅度提高了传动精度,保证了齿轮在工作时的平稳性,延长了减速器的使用时间。采用410x220制动器总成,制动盘材料制动敏热性好,能够快速的降低制动盘的温度,而且制动的能力也很强,可靠性很高。见图3-5:图3-5 汉德13t驱动桥Fig.3-5 Hande 13t drive axle表3-4 汉德13吨驱动桥技术参数Table3-4 Parameters of Hande 13t drive axle项目额定轴荷(Kg)轮距(mm)最大输出扭矩(Nm)制动器规格(mm)制动力矩(Nm)自重(Kg)参数13000186043000盘式43045370008203.7 万向节传动装置万向传动装置的组成是主要有传动轴和万向节两部分。用了在两轴之间传递动力,改变动力传递的方向,性的链接两轴。此车设计采用汽车上常用的盖板式十字轴刚性万向节。因为设计的客车底盘为发动机后置后轮驱动,所以此万向传动装置连接变速器和后桥。3.8 车架车架本次设计的车架采用三段式冲压铆接结构,纵梁为槽形断面,断面长11490,对应轴距6200。图3-6 三段式车架结构图Fig. 3-6 Three-section frame structure3.9 悬架系统本次悬架系统的设计选用采埃孚主动悬架系统,简单讲就是悬浮技术,不妨理解为驾驶室的减震技术,采埃孚的CDC技术同样可以应用在客车悬架系统中,这样很好的保证了舒适性和稳定性要求。正常行驶的时候,悬挂是柔软舒适的,在车辆急加速减速,转向的时候保持很好的稳定性。CDC减震器的一个重要组成部分是电子控制比例阀,系统通过持续不断的计算和对该电磁阀进行动作调整,进而实现对减震器的阻尼进行快速调整,使得几毫秒的时间内使悬架在最佳水平。人们习惯用眨眼间来形容很快,而人眨一次眼的时间为十分之一秒,可见其调整速度远远的要比眨眼要块。空气悬挂系统的优点:1.提高乘坐舒适性、货物运输安全性;2.改善车辆的行驶平顺性;3.使得车辆上各个部件以及零件减少由颠簸造成的损伤,得以延长使用时间,降低后期维修保养的消费;4.显著降低车辆对燃油的消耗;5.可以改变弹性元件的刚度,升高降低车身高度,保证车辆行驶的稳定性;6.减少车辆颠簸时车轮对路面的伤害,以增加路面的使用时间,减少养护成本。3.10 转向系统在行驶过程中,车辆必须根据驾驶员的意愿,即汽车的转向来改变其方向。就轮式车辆而言,实现汽车转向的方法是驾驶员通过一组专门的机构使桥(前轴)上的车轮(方向盘)相对于汽车的纵轴偏离一定的角度。当车辆直线行驶时,方向盘也会受到道路的横向干扰力的影响,并自动偏转和改变车辆的方向。此时,驾驶员也可以利用该机构在相反方向上偏转方向盘,从而使车辆能够返回到其原来的方向。这套专用车辆改变或恢复车辆的方向已成为汽车的转向系统。因此,汽车转向系统的功能是确保汽车能够根据驾驶员的意愿转向驾驶员。3.10.1 设计转向系应满足的要求1)当汽车需要转向时,汽车的转向轮就必须要沿着车轮的瞬间转向轴线转动,所有的车轮呢不可以出现侧滑的现象;2)汽车完成转向后,在驾驶员手臂放松的情况下,即驾驶员不对方向盘加作用力,汽车的转向轮应该有回正力矩的作用下,可以自己恢复的原位,汽车直线行驶;3)行驶过程中,车轮尽可能小的自振,减小摆动幅度;4)车轮转向,要指向精准,操控灵敏;5)转向盘的力要小,转向轻快;6)转向系统能够吸收车轮受颠簸时作用给转向系统的作用力,不得将力传递给驾驶员,造成“打手”现象;3.10.2 转向器为满足上面的要求,本次设计采用循环球式转向器。型号:ZJ120,见图3-10:图3-7 ZJ120 转向器Figure 3-7 ZJ120 steering gear表3-5 ZJ120 转向器技术参数Table3-5 Parameters of ZJ120 steering gear型号适用前轴负荷(Kg)角传动比臂轴摆角()转向器圈数输入扭矩(Nm)理论最大输出扭矩(Nm)ZJ12090001209466.58.568453.11 制动系汽车制动就是汽车在以一定车速行驶时,车辆可以根据驾驶员的意愿,能够迅速的制动,减小汽车的行驶速度,甚至停车。并且在制动的过程中保持一定的稳定性,使车辆稳定减速。现如今生活的节奏越来越快,技术也越来越发达,车速在不断的增快,这就是使得汽车的制动性能也要提高性能。增加工作的可靠性。此次设计要用前后独立双管路式气压制动系统。并且装备ABS刹车防抱死系统等。此制动系可以满足如下要求:1)能符合有关标准和法规的规定;2)具有足够的制动效能;3)工作可靠,有独立的两套系统(行车制动和驻车制动);4)制动效能的稳定性好;5)制动的操纵机构符合人机工程学,易于操作,减少驾驶员的疲劳操作;3.11.1 制动防抱死系统(ABS)制动防抱死系统(ABS),就是防止汽车制动时车轮抱死,并把车轮的滑移率保持在平均滑移率左右的一定范围内,以保证车轮与地面有良好的纵向、横向附着力,有效防止制动时汽车侧滑、甩尾、失去转向等现象发生,提高了制动稳定性;同时,将制动力保持在最佳的范围内,缩短了制动距离。这样也减弱了轮胎与地面的剧烈摩擦,减少了对轮胎的磨损。3.11.2 制动器的选择前轴已选制动器结构形式规格:S凸轮滚轮式400150mm。后桥已选制动器结构形式规格:S凸轮滚轮式400185mm。综上所述,充分考虑到汽车的安全性能,本设计选用前后双管路气动制动系统。3.12 车轮及轮胎3.12.1 车轮与轮胎的功用现代汽车几乎都采用充气轮胎。轮胎安装在轮辋上,直接与路面接触,它的作用是:1)与汽车悬架一起用来缓和汽车行驶时所受到的冲击,并衰减由此而产生的振动,以保证汽车有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性。2)保证车轮和路面有良好的附着性,以提高汽车的牵引性、制动性和通过性。3)承受汽车的重力,并传递其他方向的力和力矩。因此,轮胎必须有适宜的弹性和承受载荷的能力。同时,在其与路面直接接触的胎面部分,应具有用以增强附着作用的花纹。3.12.2 车轮与轮胎的选择根据所选的前后轴,选米其林 XZE2+ 轮胎,规格为11R-20,16层的子午胎。充气压力为800Kpa,断面宽为259mm,外直径为1018mm,最大负荷3650kg。子午线轮胎优点:(1)子午线轮胎滚动阻力比普通轮胎小25%,因而能有效地降低油耗,使燃油消耗量降低8左右;(2)轮胎胎面耐磨性能好,提高了抗穿刺性减少了轮胎在在行驶中切向变形及与道路之间的相对滑移,使用寿命延长;(3)胎体生热低。试验证明单胎负荷208kg,速度50kg/h条件下,钢丝子午线轮胎体温度仅为83,而棉线斜交轮胎体温度则为130;(4)缓冲性能好,弹性较好,垂直刚度小,振动小,乘坐舒适,提高了平顺性。4 性能分析4.1 汽车的动力性汽车的动力性是指汽车动力性能,具体评价指标有汽车的最高车速uamax;2、汽车的加速时间t;3、汽车能爬山的最大坡度imax。汽车的最高车速越高,加速时间越短,所能爬上的坡度越高,则表示汽车的动力越强。汽车是一种高效的工具,而动力性的大小很大程度上决定着汽车的效率。所以说动力性是汽车很重要的指标。4.1.1 最高车速的计算东风康明斯ISB5.9型发动机外特性数据见表4-1:表 4-1 东风康明斯ISB5.9型发动机外特性数据Table 4-1 Dongfeng KangMingSi ISB 5.9 engine external characteristics datane(rmin)Pe(kw)Me(Nm)ge(gkwh)800475562321000696612111200937422071400117793205150012579620316001327882041800146773205200015875421622001677252272400173685242车速: va=0.377rrnei0ig (4-1)式中:va汽车的行驶速度,kmhne发动机转速,rminrr车轮滚动半径,rr=0.44958mig变速器传动比,i1=6.624,i2=4.385,i3=3.160,i4=1.984,i5=1.370,i6=1.00,id=6.946i0主减速器传动比,i0=5.085驱动力: Ft=MeigioTrr (4-2)式中:Me发动机的扭矩(Nm)T传动系的机械效率,T=0.9滚动阻力:Ff=Gaf(N) (4-3)式中:Ga汽车满载质量,Ga=178009.8=174440Nf滚动阻力系数。风阻力:Fw=CDAva221.15 (4-4)式中:CD空气阻力系数,CD=0.5 A汽车迎风面积(m2), A=6.59328m2va车速(kmh)驱动力计算表见表4-2:表4-2 驱动力计算表Table 4-2 Driving force calculationne(rmin)Me(Nm)Ft1Ft2Ft3Ft4Ft5Ft6Ftd8005563749024818178851122977545660393131200742500323312023868149851034875535246414007935347135397255081601511059807256070160078853673361742534815914109898021558611800773521233450424865156121078078695465620007545084133656242541522810515967553313220072548886323622332114642101117380512622400685461893057622034138349553697348434行驶阻力计算表见表4-3:表4-3 行驶阻力计算表Table 4-3 Calculation of running resistanceva(kmh)fFf(N)va2Fw(N)100.01652878.210015.58200.01652878.240062.35300.01652878.2900140.28400.01652878.21600249.39500.01652878.22500389.67600.01823174.83600561.63700.01983453.94900763.76800.02153750.46400997.56驱动力行驶阻力平衡图见图4-2:图4-2 驱动力行驶阻力平衡图Fig.4-2 Driving force - running resistance balance diagram4.1.2 最大爬坡度的计算汽车的上坡能力是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示的。显然,最大爬坡度是指一挡最大爬坡度。max=1max=sin-1D1max-f1-D1max+f21+f2 (4-5)式中:D1max一挡最大动力因素,D1max=0.38 f滚动阻力系数,f=0.0165代入求得:max=21.7 最大爬坡度为i1max=tan21.7=0.394.1.3 动力特性的计算各挡动力因数的确定:D=(Ft-Fw)Ga (4-6)式中:D汽车的动力因数Ft驱动力Fw空气阻力Ga汽车总重,Ga=174440N动力因数计算表见表4-4:表4-4 动力因数计算表Table 4-4 Power Factor Calculation Tableva1D1va2D2va3D3va4D4va5D5va6D6vadDd4.00.216.10.148.40.1013.40.0619.50.0426.70.033.830.235.00.267.60.1710.50.1216.80.0724.30.0533.30.044.800.277.00.3110.60.2014.80.1523.60.0934.10.0646.70.046.720.327.50.3111.40.2015.80.1525.20.0936.50.0650.00.047.200.328.10.3012.20.2016.90.1516.90.0938.90.0653.30.047.680.329.10.3013.70.1919.00.1430.20.0843.80.0660.00.048.640.3110.10.2915.20.1921.10.1433.60.0848.70.0566.70.049.600.3011.10.2816.70.1823.20.1337.00.0853.50.0573.30.0310.560.2912.10.2618.20.1725.30.1240.30.0758.40.0580.00.0311.520.28动力因数图见图4-3:图4-3 动力因数图Fig. 4-3 Power Factor Calculation在汽车三位行驶过程中,汽车的驱动力等于行驶阻力两者就是平衡的,而且同时汽车发动机输出功率和汽车行驶的阻力功率也是相等的。发动机的有效功率:Pe=1T(Pf+Pw) (4-7)汽车行驶时要克服滚动阻力所需要的发动机功率: (4-8)克服空气阻力所需功率: (4.9)功率平衡计算表见表4-5:表4-5 功率平衡表Table 4-5 Power Balance Table参数va1(kmh)Pf(kw)P(kw)Pf+PT数据1010.30.0411.52020.70.3423.4
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