课程设计 齿轮 飞行汽车.docx

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课程设计齿轮飞行汽车

课题名称：

飞行汽车动力传动系统设计与分析

课题目的：

1.熟悉了解飞行汽车的应用特点及设计要求;

2.熟悉了解飞行汽车的工作原理及结构特点;

3.初步完成飞行汽车动力传动系统方案设计;

课题要求：

飞行汽车技术参数：

最大载重210公斤；

起飞距离10至100米；

着陆距离3至35米；

下降率3.3米/秒；

下滑比约3：

1至4：

1；

空速42至50公里/小时；

爬升速度115至300米/分；

下降速度（发动机熄火） 3.3米/秒；

Rotax582发动机，65马力；

德国 Hirth 3503v发动机，70马力；

伞翼Apco Aviation ltd；.

最大飞行高度4000米；

机身高2.10米；

机身宽1.85米；

机身长2.95米；

机身重155至180公斤 （包括伞翼），实际重量要高于180公斤。

课题内容：

一．飞行汽车应用特点及设计要求概述

飞行汽车主要用于陆地行驶，少数时间用于飞行。

在设计时，既要满足陆地行驶时的性能要求，比如加速快捷，制动距离短，路况适应性强，能源消耗少等。

又要满足飞行时的性能要求，比如质量轻，起飞降落滑跑距离短等。

二．飞行汽车的工作原理及结构特点概述

飞行汽车质量轻，要求陆地行驶时加减速性能好，具有良好的爬坡性能和崎岖路面的通过性能。

因此在陆地行驶动力方案设计时，采用抓地性能强轮胎，另外应尽可能使飞行汽车的重心偏低，以使具备良好的高速弯道通过性以及稳定性。

在飞行过程中，飞行汽车机动性能要好，因此在设计飞行动力系统部分时，应保证发动机的输出功率得到充分利用，并且在发动机稳定工作范围内有强劲的动力输出，发动机空中熄火后重新启动稳定快捷。

三．飞行汽车动力传动系统方案的设计

根据本次课题要求，初步拟定以下三个方案：

方案一（见图一）

本方案采用最简单的传动方式，以一台发动机驱动螺旋桨，通过螺旋桨旋转产生的推力来满足飞行汽车在不同使用场合下的需求。

此方案结构最简单，质量最轻便，成本最低。

其缺点是，在陆地工作时，仅凭螺旋桨产生的推理来驱动整机具有很大的局限性，不能满足各种路况和各种工作条件的要求。

比如整机在速度极低甚至为零的情况下完成爬坡动作时，整机会发生动力不足的现象；再比如整机在完成超车动作时，该驱动方案加速时间可能会比较长。

最主要的是，在陆地工作时，该方案整机工作的稳定性不如下述方案二和方案三。

图一

方案二（见图二）

为满足飞行汽车质量轻、结构简单、经济性好的要求，方案二采用一台发动机通用的方案，即一台发动机同时承担陆地运行和提供空中飞行动力任务。

发动机动力通过不同的传动路径传递到轮胎和螺旋桨，在每个动力路径上都配备有离合器，通过离合器的分离和接合来实现单独轮胎传动，单独螺旋桨传动和轮胎螺旋桨的配合传动三种方式。

在普通陆地工作情况下，一般单独使用轮胎传动；在飞行状态下，单独使用螺旋桨传动；在飞行汽车起飞滑跑或特殊情况下，可使用轮胎和螺旋桨的配合传动。

在本方案中离合器的选择是很关键的，离合器工作的稳定性直接关系到整机工作的稳定性，本方案离合器的工作要求是接合平稳，冲击度小，发热量小，工作寿命长。

此方案优点是陆地工作效率高，成本较低，但是传动系统结构相对复杂。

另外直接利用离合器来控制整机的陆地起步和加速过程个人认为不是最妥当的，由于发动机稳定工作在一定的转速范围内，要实现稳定起步和快速提速，只靠油门调节发动机转速本身是不能满足需求的，这一功能要通过切换和啮合不同传动比的齿轮来实现，这就需要在传动系统中加入变速箱。

图二

方案三（见图三）

采用Rotax582发动机和德国 Hirth 3503v发动机各一台，以其中一台发动机驱动轮胎以提供陆地运行所需动力，另一台发动机驱动螺旋桨以提供飞行所需动力，必要时可以两台发动机同时工作以提供更大功率。

此方案优点是两发动机传动系统结构简单且独立，避免了相互干扰，缺点是整机重量明显增加，起飞时最大载重量有所减少，空中飞行机动性能可能会变差。

另外此方案成本高于前两者，能源消耗大，无法避免使用变速箱。

图三

综合以上三个方案考虑，方案二更具有优势，故在此对方案二初步进行动力传动系统方案的结构设计和零件选择

1.初步选定采用Rotax582发动机（图五），其基本参数和结构简图（图六）如下：

冲程数目：

二冲程

气缸数目：

二汽缸

缸径:

76mm

行程:

64mm

总排量:

580.7ccm

功率:

48kw（64.4ph）@6500rpm

扭矩:

75Nm@6000rpm

最高转速:

6800rpm

冷却方式：

水冷

化油方式：

双化油器

内置发电机输出功率:

170W（AC）@6000rpm

图五.Rotax582发动机

图六.Rotax582发动机结构简图

如上述结构简图所示，在发动机启动轮盘侧加装电起动机，通过电机的带动实现发动机的起动。

动力输出轮盘处加装减速齿轮箱（厂商共有2.00:

1、2.24:

1、2.58:

1、2.62:

1、3.00:

1、3.47:

1、4.00:

1七种变速齿轮箱规格可供选择）。

如图七所示，经减速箱减速后，动力直接传输到动力输出齿轮，动力输出齿轮上下啮合齿轮各一个。

为保证传动比恒定以及微小中心距变化不引起传动比的变化，均初步选定为具有渐开线齿廓的直齿圆柱齿轮。

由于发动机在6000转/分时具有最大转矩75Nm，选用湿式多片摩擦离合器可以满足工作要求（一般使用弹簧压紧方案，也可采用缓冲励磁电路来控制离合器）。

变速箱采用带有倒档的4速或5速小型变速箱。

图七

传动路径1轴上存在较大的轴向力，故其支承方案初选为一对角接触球轴承（强度不够可采用双列或多列角接触球轴承）进行支承（见图八）。

图八

由于离合器工作产生轴向力，初步拟定的传动路径2支承方案见图九所示。

图九

所用角接触球轴承如图十所示，轴承既能承受径向载荷又能承受轴向载荷，单列角接触球轴承接触角有15度、25度、40度三种，接触角越大轴向承载能力越强，一般成对使用。

角接触球轴承的极限转速比一般比较高。

成对安装时共有三种配置形式。

图十

上图配置形式分别是串联（/DT）、背对背（/DB）、面对面（/DF）。

变速箱输出与轮胎间的传动系统如图十一所示，本方案采用相交轴传动，两轴间交角为90度，传动齿轮采用直齿圆锥齿轮（图十二）。

图十一

图十二

制动系统：

采用四轮液压制动。

其基本原理是踩下刹车踏板，向刹车总泵中的刹车油施加压力，液体将压力通过管路传递到每个车轮刹车卡钳的活塞上，活塞驱动刹车卡钳夹紧刹车盘从而产生摩擦力令车辆减速。

各零件材质选择与参数估计

假设动力输出轮盘加装2.00:

1的减速齿轮箱，当发动机达到6500转/分时，经减速后输出的转速为3250转/分。

飞行汽车陆地最高时速限定为30m/s，选用轮径D为0.3m，则轮胎转速为1911转/分。

选用变速箱最高档位时传动比为0.85:

1，变速箱输出与轮胎间的传动系统相交轴传动比为1，则一级减速齿轮传动比为2.03:

1。

经查阅资料考虑使用需求，到初步估计螺旋桨最高转速需要达到2800转/分。

故该级传动比为1.16:

1。

发动机扭矩M=9549P/n，P为功率（单位Kw），n为转速（单位r/min）。

在6500转/分时的扭矩为70.52N.m，而在6000转/分时的扭矩为75N.m。

经减速齿轮箱减速后转速减半。

按扭转条件进行计算以初估轴径，选轴的材料为碳素钢，牌号Q235，其许用扭转切应力为12～20Mpa。

按实心圆截面轴计算τ=T/W≤[τ]，d≥33.0mm。

传动路径一：

转矩T1=9549P1/n1=164N.m，经计算d1≥34.3mm。

传动路径二：

转矩T2=9549P2/n2=282N.m，经计算d2≥41.6mm。

选取动力输出齿轮材料为40MnB调质（硬度为241～286HBS，接触疲劳极限为680～760Mpa，弯曲疲劳极限为580～610Mpa），与其啮合的传动路径一齿轮为45正火（硬度为156～217HBS，接触疲劳极限为350～400Mpa，弯曲疲劳极限为280～340Mpa）。

取Sh=1.5，Sf=2.0，设齿轮按8级精度制造，i=1.16，取载荷系数K=1.5，齿宽系数Ф=0.8，小齿轮转矩为150N.m。

取Ze=188，d1≥114.0mm。

取齿数Z1=40，则Z2≈46，实际传动比i=1.15。

模数m=d1/z1=2.85。

齿宽b=Фd1=91.2mm，b1=100mm,b2=95mm。

取m=3，实际d1=120mm，d2=138mm。

中心距a=0.5（d1+d2）=129mm。

验算齿轮弯曲强度：

查阅图表知，齿形系数Yfa1=2.35，Ysa1=1.68，Yfa2=2.38，Ysa2=1.70。

σf1=2K*T1*Yfa1*Ysa1/z1*b*m²=53.96Mpa，

σf2=2K*T2*Yfa2*Ysa2/z2*b*m²=87.01Mpa。

均符合条件。

由上述已知条件，选取动力输出齿轮材料为40MnB调质（硬度为241～286HBS，接触疲劳极限为680～760Mpa，弯曲疲劳极限为580～610Mpa），选取与其啮合的传动路径二齿轮为45调质（硬度为156～217HBS，接触疲劳极限为350～400Mpa，弯曲疲劳极限为280～340Mpa）。

取Sh=1.25，Sf=1.6，设齿轮按8级精度制造，i=2.03，取载荷系数K=1.5，齿宽系数Ф=0.8，小齿轮转矩为150N.m。

取Ze=188，d3≥112.3mm。

取齿数Z3=40，则Z4≈82，实际传动比i=2.05。

模数m=d3/z3=2.81。

齿宽b=Фd3=89.9mm，b4=100mm,b3=95mm。

取m=3，实际d3=120mm，d4=246mm。

中心距a=0.5（d3+d4）=183mm。

验算齿轮弯曲强度：

查阅图表知，齿形系数Yfa3=2.35，Ysa3=1.68，Yfa4=2.25，Ysa4=1.78。

σf3=2K*T2*Yfa3*Ysa3/z3*b*m²=97.67Mpa，

σf4=2K*T2*Yfa4*Ysa4/z4*b*m²=45.91Mpa。

均符合条件。

传动路径一上齿轮圆周力Ft1=2T1/d2=2376.8N。

径向力Fr1=Ft1*tanα。

其中α为分度圆压力角。

取α=20°。

估算Fr1=865.1N。

传动路径二上齿轮圆周力Ft2=2T2/d4=2292.7N。

估算Fr2=834.5N。

按弯扭合成强度进行轴径的精确计算：

传动路径一上存在转矩T1==164000N.mm，Ft1=2376.8N，Fr1=865.1N。

初定齿轮与离合器间的轴长度120mm,合成弯矩M1=303521N.mm。

当量弯矩Mec1=344994N.mm。

由σb=Mec1/W≤[σb]，可知d≥34.63mm

传动路径二上存在转矩T2==282000N.mm，Ft2=2292.7N，Fr2=834.5N。

初定齿轮与离合器间的轴长度120mm，同样算得d≥43.62mm。

传动路径一齿轮与离合器间滚动轴承参数估计：

作用在轴上的最大轴向力按6600N径向力按1000N计算，压紧侧当量动载荷约为12000N。

（查表选取7408AC型号的角接触球轴承（内径40mm，外径110mm，宽度27mm，额定动载荷62000N），经过计算，寿命L=2758.9h。

经验算，满足此内径尺寸的轴，其轴向拉压应力小于极限应力值。

离合器与螺旋桨间轴主要承受扭矩，沿用上述标准即可。

传动路径二齿轮与离合器间滚动轴承参数估计：

变速箱前轴上轴向力约为1600N，径向力按1000N估算。

故压紧侧轴承当量动载荷约为3800N。

查表选取7209C型号的角接触球轴承（内径45mm，外径85mm，宽度19mm，额定动载荷29800N），经过计算，寿命L=11078.4h。

经验算，满足此内径尺寸的轴，其轴向拉压应力小于极限应力值。

离合器与变速箱间轴主要承受扭矩，沿用上述标准即可。

考虑到飞行汽车以陆地行驶为主，空中飞行为辅，上述轴承寿命值属于可接受范围。

摩擦片材料选取铸铁-钢，在油中工作。

离合器上传递转矩T=zfFR,z为摩擦面数目，F为轴向压力，f为摩擦系数。

R=0.25（D1+D2）,D1为外摩擦片内经，D2为内摩擦片外径。

传动路径一：

取z=10，f=0.08，D1=150mm，D2=200mm，0.25Mpa<[p]<0.30Mpa，估算F1=2342.8N。

验算压强，p1=4F1/π（D2²-D1²）=0.17Mpa<[p]，符合条件。

传动路径二：

取z=10，f=0.08，D3=160mm，D4=220mm，0.25Mpa<[p]<0.30Mpa，估算F2=3710.5N。

验算压强，p2=4F2/π（D4²-D3²）=0.21Mpa<[p]，符合条件。

课题总结

通过本次课程设计，对飞行汽车的应用特点、设计要求、工作原理以及结构特点有了一定的了解。

过查阅相关书籍和资料，已经初步完成了飞行汽车传动系统的方案设计，在总结比较三种不同方案的基础上，明确和深化了方案二的设计。

此次课程设计为后续本方案的改进，优化和定型奠定了一定的基础。

本次课程设计中尚存在一定的不足之处，有待以后具体的计算和校核加以改进。