丰田小霸王传动系的设计
(福州大学机械工程及自动化学院2007车辆工程  学号:2107 )
汽车传动系是位于发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，其基本功用是将发动机发出的动力传给驱动轮。因此，汽车传动系统是汽车上最主要的动力传动装置。很多汽车故障与传动系统的故障有关。汽车传动系将直接影响着汽车行驶性和启动性。随着经济水平的迅速发展和人们生活水平的提高以及生活节奏的不断加快，保证行车方便、快捷、舒适，汽车传动系的工作可靠性显得日益重要。也只有性能良好、传动系工作可靠的汽车，才能充分发挥汽车的动力性能。而传动系统的总成是由十字轴万向节、传动轴、主减速器、差速器等组成的，是传递驱动力驱动汽车车轮，其性能直接影响到传动系统的稳定性和可靠性。
汽车从1886年诞生至今，经历了100多年的发展历史。汽车在1898年以前，发动机动力输出后直接通过齿轮传给驱动轴，因而限制了发动机的安装位置只能紧靠驱动轮轴，使汽车的造型设计产生了困难。法国雷诺汽车公司的创始人路易斯·雷诺，通过多年的苦心钻研和实验，终于试制出了万向节和差动轴齿轮，从而解决了发动机动力必须紧靠驱动轮轴安放的限制。1898年，雷诺将公司的雷诺Dion汽车由三轮改装成四轮微型汽车，并将万向节和差动轴齿轮
第一次装上汽车。正因为万向节的发明，才有了今天的前置后驱动，后置前驱动汽车，它标志着汽车传动技术走向成熟[1]。
汽车传动系可分为机械传动、液力—机械传动和电传动等类型，机械传动系由离合器、变速器、传动装置和驱动桥等组成。万向节传动应适应所联两轴的夹角机相对位置在一定范围内的不断变化且能可靠而稳定地传递动力，保证所联两轴能等速旋转，且由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动机噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。此外，万向节传动还要求传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易。
汽车传动系总任务是传递发动机的动力，使之适应于汽车行驶的需要。在一般汽车的机械式传动中，有了变速器还不能完全解决发动机特性与汽车行驶要求间的矛盾和结构布置上的问题。首先是因为绝大多数的发动机在汽车上是纵向安置的，为使其转矩能传给左、右驱动桥的主减速器来改变转矩的传递方向，同时还得有驱动桥的差速器来解决左、右驱动车轮间的转矩分配问题和差速要求。其次是因为变速器的主要任务仅在于通过选择适当的档位数及各档传动比，以使内燃机的转矩—转速特性能适应汽车在各种行驶阻力下对动力
性与经济性的要求，而驱动桥主减速器的功用则在于当变速器处于最高档位时，使汽车有足够的牵引力、适当的最高车速和良好的燃料经济性。
    对于汽车传动系中的十字轴万向节、传动轴、主减速器、差速器的设计和汽车其他零部件的设计有着相似的发展过程，主要是经过了经验设计、以科学实验和技术分析为基础的设计[2]。目前出现的以电子计算机为手段，以网络为基础，建立在现代管理技术之上，运用工程设计的新理论和新方法[3]丰田bb。
经验设计，即产品设计以生产技术中的经验数据为依据，运用一些附有经验常数的计算公式为主要方法，这样的设计由于缺乏准确的设计数据和科学的计算方法，使产品的结构安全系数取得偏大，所设计零件过于笨重。从设计计算到投产的过程要动用大量的人力物力和经历比较长的时间，这样造成产品的设计周期长，生产成本也非常的高。
到了五、六十年代，测试技术有了很大的提高，汽车设计及零部件的开发由经验设计发展到以科学实验和技术分析为基础的设计阶段，特点是采用模拟技术等新的测试方法，在新产品技术设计前进行了燃烧循环、热循环、冷起动、应力与应变、材料疲劳和振动等试验，
从各方面对产品结构和零部件的性能、强度进行测试。对于这种设计方法虽然在零部件的性能上有了保证，但是产品开发的周期长，动用的人力和物力还是比较大，产品的设计成本还是很高。
基于计算机技术的现代设计方法能实现计算结果最优化，设计过程高效化和自动化则大大提高了产品设计的质量、精度和效率，并将产品的适应性、经济性、可靠性统一起来，能够设计出性能优良、经济效益显著的新型产品，完全可以适应剧烈竞争的市场需要。
近代力学的基本理论和基本方程在19世纪末20世纪初已基本完备了。后来的
科学家大多致力于寻求各种具体问题的解，但由于许多问题相当复杂，很难获得具有较高精度的解析解，同时用数值方法求解也遇到计算工作量过于庞大的困难。通常只能通过各种假设把问题简化到可以处理的程度，以得到某种近似的解答，或是借助于实验手段来谋求问题的解决[4]。
传动系是三维复杂结构，属于非线性结构分析的领域，同样受到了相同的限制。传动系的分析都是在理论和经验的基础上，通过一定的假设和简化进行的，通过简化所获得的结果
却又重新累计为复杂的模型，因此缺乏有效的使用性。这是数学推导中很难避免的现象。因为理论模型采用的一般都是连续性的近似曲线公式，而现实中的数据大多是离散的，是宏观上的有规律性和微观上的无规律性的对立统一。因此，理论分析的对象始终受到了技术上的限制而无法扩展到更加复杂的研究领域。
直到计算机技术的发展，以及相应的大批的具有CAD/CAE/CAM功能的工程软件ANSYS、ADINA、SOLIDWORKS、UG、I-DEAS等的广泛的应用，才使得对复杂的制动器研究对象的分析得到了飞速的发展，现在对汽车传动系的设计可以在得出相关参数后直接利用三维制图软件进行离合器各个零部件的三维实体建模、装配，这样可以立体的直观的看到所设计的汽车传动系的实体以使所开发设计的产品的性能达到最优的目的。这样利用电脑软件辅助制图不仅缩短了产品的开发周期，而且也提高了产品的质量，大大降低了产品的开发成本，这样也就使产品在激烈的市场经济竞争中更具有竞争力。如下一些专门进行具体问题分析的研究：
●吉林工业大学汽车教研室主编的《汽车设计》[5]和刘惟信主编的《汽车设计》[6]，还有韩德恩译文的《汽车的传动装置》[7]中的十字轴万向轴颈抗弯强度和滚针轴承的接触应力
以及传动轴的强度、花键轴的强度进行分析校核，来研究十字轴万向节和传动轴的磨损情况的判定。
●廖林清等在重庆工业管理学院学报上发表的“汽车主减速器双曲面齿轮结构参数优化设计”[8]，还有刘惟信主编的《圆锥齿轮与双曲面齿轮传动》[9]中对汽车主减速器双曲面齿轮的基本参数进行稳健优化设计，较好的解决了汽车主减速器双曲面齿轮传统设计中的问题，得到了满足设计要求的最优参数组合及其容差值,以达到优化的目标。
●张晋西和郭学琴在重庆理工大学学报（自然科学）上发表的“基于《SolidWorks及COSMOSMotion》的汽车转向及行驶运动仿真[J]”[10]，还有《SolidWorks 及COSMOSMotion 机械仿真设计》[M][11]等进行汽车传动装置的十字轴万向节、传动轴和主减速器、差速器的三维图的构建与机构模拟。实现汽车机构三维实体造型、运动仿真无缝连接的方法. 通过在汽车方向盘上加分段的转向函数, 实现汽车梯形机构转向模拟; 给轮胎和地面添加三维碰撞接触和摩擦, 模拟车轮滚动带动汽车行驶的过程. 此方法为进一步实现车辆行驶避障、设置路面模型、研究车身振动等打下基础。
利用计算机技术，基于相应的软件对于具体问题的研究，对于计算机技术在辅助设计工程领域现在还发展到更加深入的地步。
●叶秉良在浙江理工大学学报上发表的“基于MATLB算法的圆柱齿轮减速器优化设计［J］”[12]分析计算。传统的减速器设计是以设计者的经验为基础的,因此设计方案往往不是最优的.为了在不影响性能的基础上实现体积和重量的最小化,本研究运用可靠性设计与优化设计相结合的方法建立了减速器的可靠性优化设计模型.利用MATLAB优化工具箱具有编程工作量少、语法符合工程设计要求等特点,以减速器箱体壁厚作为自变量.以箱体体积最小为目标函数,在约束函数中充分考虑可靠性的要求,对该减速器进行可靠性优化设计.优化结果表明,可靠性优化是一种更科学、更符合客观实际的设计方法院,而且该方法应用到工程实际中会大幅地节约成本,提经济效益.
    这些，都表明了工程分析软件应用的优越性，它跨越了进行理论分析所需的大量复杂公式的推理、诸多的简化，乃至必须的某些特定理论知识，从而扩展 了研究者和研究对象的范围。但是，这并不表明理论研究的没落，毕竟它们是进行各类研究的基础，甚至是这些工程分析软件建立的核心。这两种分析模式实际上是互补的，理论分析适用于对通用理论进行的研究，可以立足于有限元分析所获得的各项数据和规律而工程分析软件的应用需要
大量的真实数据的输入，所以比较适用于对具体问题的研究和解决。并且在研究中，后者可以立足于己有的理论知识来建立对象的实体模型和相应的环境设置。
随着科学技术的飞速发展，新技术不断涌现，产品的科技含量和性能价格比不断提高，企业间的竞争日益激烈，而且已成为世界范围内技术水平、经济实力的全面竞争，企业要在不断变化的产品需求和激烈的市场竞争中占有一席之地，就必须改进设计理念，使用先进的设计制造技术提高产品质量、降低成本、提高生产率，生产出符合用户需求的高科技产品，这也是未来制动器设计的发展方向。
参考文献：
[1]  汽车传动系统的历史发展和演变简介baike.baidu/view/2576966.htm#3
[2]  陈欣，张立红.汽车动力—传动系方案设计专家系统研究.《机械》.2004.7
[3]  杨利花，等.现代设计方法及其发展趋势.甘肃科学学报.2004(6)第16卷 第二期
    [4]  陈建辉.圆柱齿轮的三维参数化建模与应力分析[D].西北工业大学.2005年
[5]  吉林工业大学汽车教研室 主编.《汽车设计》.北京：机械工业出版社.1981.7
[6]  刘惟信．主编.《汽车设计》．北京： 清华大学出版社. 2001
[7]  韩德恩 译 《汽车的传动装置》.北京：机械工业出版社.2001
[8]  廖林清 等“汽车主减速器双曲面齿轮结构参数优化设计”;重庆工业管理学院学报.1997VoL 11 No.5
[9]  刘惟信 主编.《圆锥齿轮与双曲面齿轮传动》.北京：人民交通出版社.2004
[10] 张晋西,郭学琴,张甲瑞.基于《SolidWorks及COSMOSMotion》的汽车转向及行驶运动仿真[J].重庆理工大学学报（自然科学）.2010,第4 期
[11] 张晋西,郭学琴.SolidWorks 及COSMOSMotion 机械仿真设计[M].北京： 清华大学出版社. 2007
    [12] 叶秉良.“基于MATLB算法的圆柱齿轮减速器优化设计［J］”.浙江理工大学学报.2006，23（3）：321-352.