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機電工程學院
畢業(yè)論文外文資料翻譯
論文題目:GD6126客車設計—傳動軸及懸架設計
譯文題目:聚合物電解質(zhì)燃料電池在零度以下，根據(jù)
工作電流密度控制快速啟動策略
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簽名：單紅衛(wèi) 2016年04月05日
附件1：外文資料譯文（文獻出處：Science Direct）
聚合物電解質(zhì)燃料電池在零度以下，根據(jù)工作電流密度控制快速啟動策略
Geonhui Gwak, Hyunchul Ju
機械工程系，仁荷大學，銀河路100號，仁川751402 ，韓國
關鍵詞：
聚合物電解質(zhì)燃料電池電流密度不飽和階段冷啟動零度以下的溫度
摘要:
在以前的研究中，我們的描述三個不同階段的數(shù)字描述，一種聚合物電解質(zhì)燃料電池（PEFC）在冷啟動時，即凍結(jié)，不飽和，和熔化階段。根據(jù)我們的數(shù)值觀測，我們提出了一個有效的實現(xiàn)快速電池溫度上升，同時快速的啟動策略電池內(nèi)冰積累速率。這一冷啟動策略的關鍵是提高工作電流的PEFC在飽和階段，加速電池內(nèi)部溫度上升。使用一個三維的，短暫的冷起動模型，數(shù)值結(jié)果表明提高電池的電流在飽和階段是非常有效的，顯著提高了PEFC的冷啟動速度。相比之下，增加的電池在冷凍階段的電流有一個負的影響，PEFC冷啟動，氧還原反應使產(chǎn)水率增加，導致更快速的冰增長。這最終導致冷啟動失敗和多孔電極結(jié)構(gòu)的劣化。這項研究清楚地說明了優(yōu)化冷啟動操作是提高冷起動性能的關鍵，同時指出了PEFC冷啟動模擬角色的重要性，用于探索一個最佳的冷啟動策略。
1.簡介
燃料電池汽車能否商業(yè)化的一個先決條件是：在極冷的天氣聚合物電解質(zhì)燃料電池快速穩(wěn)定啟動。在零度以下環(huán)境，氧還原反應產(chǎn)生的水（ORR）的PEFC的陰極側(cè)會凍結(jié)成冰。這種冷凍抑制電極中氧的傳遞，減少了對ORR活性，和損害的電極結(jié)構(gòu)，從而導致電池性能和耐久性的降低。傳統(tǒng)成功的冷啟動的方法是簡單的清洗燃料電池內(nèi)的剩余水。這清除有助于避免對電池破壞的可能性，組件由于在冷卻階段的冰融化同時延緩冰/霜成核期一個PEFC冷啟動。
根據(jù)部門制定的冷啟動目標，PEFCs應該能夠達到50%的操作力在30秒內(nèi)。為了加速電池
從零度以下的溫度，而溫度上升同時抑制冰的形成和生長，大量致力于發(fā)展有效冷啟動方法和冷啟動策略提出的。其中，使用的的核心是要避免外部源，因為做這樣才可以避免燃料電池的尺寸和成本。因此，冷啟動研究的一大重點是在不增加系統(tǒng)容量或成本前提下在零度以下的環(huán)境中PEFCs自啟動。
冷或者熱自加熱方法啟動或原位化學反應熱放熱這些被刊文獻[12-16]。 [12]提出有效的電流斜坡啟動方法實現(xiàn)電池從零度以下的溫度快速升溫。他們發(fā)現(xiàn)使用一個較低的升溫速率是有效的，初始電流密度較低，而電流上升率應增加在較高的初始電流操作密度。[13]允許氫催化反應發(fā)生在陽極催化劑層（氯），有效地加熱零下溫度的電池。保證安全加熱，他們建議使用稀氫小于20%的氫餾分的流。[14]的氫影響的數(shù)值研究，在一個冷起動性能的催化反應。他們的模型預測自啟動成功的初始溫度20度的化學反應。[15]建議使用氧化釩薄膜金屬雙極板增強冷起動性能PEFCs。他們證明了氧化釩薄膜有效地產(chǎn)生額外的歐姆焦耳熱在低電流密度和溫度下降。[16]研究了局部電流密度分布的演化在冷啟動時使用印刷電路板技術。他們表明，較低的電池電壓操作縮短冷啟動時，電池開始在零下10攝氏度或較高的啟動溫度，但較低的啟動溫度，會導致啟動失敗。
除了有效的熱管理PEFC冷啟動，已努力改善燃料的水吸收潛力和蓄能力電池電極。[17] 加入納米二氧化硅陰極發(fā)光，并表現(xiàn)出改善的冷啟動性能，他們認為，在8攝氏度的親水性SiO2增強陰極催化層的吸水能力。[18]數(shù)字顯示，使用更高離子在陰極發(fā)光增強分數(shù)的能力吸收水分，成功延緩冰形成期。[19]建議使用雙重功能的微孔層（MPL），由一具有非常低的鉑載量的粘合劑，而不是典型的聚四氟乙烯（PTFE）。冰蓄冷能電池利用這種雙重功能的MPL大大提高，因為它可以作為陰極的一部分氯在零下的溫度。MPL在80度在一個正常的評價功能。[21]提出了一個擴展的冷啟動在很寬的范圍內(nèi)的瞬態(tài)模擬模型，從低溫到正常操作溫度，其中冰熔融和由此產(chǎn)生的膜水化和潛在的熱吸收過程。仿真結(jié)果表明冰演化的各個階段，即凍結(jié)，不飽和，和熔化。作為受影響的細胞溫度繼續(xù)上升，在冷啟動時釋放的廢物熱，電池進入飽和階段。在此階段，更多水由于蒸汽飽和壓力被儲存在蒸汽相。此外，水的吸收潛力和膜的水擴散率也大大提高，這個階段，這是一個更強大的水回流的結(jié)果。因此，水的損失率在陰極發(fā)光由這兩者的機制超過水生產(chǎn)率ORR和因此量，電池內(nèi)的冰保持不變，沒有任何進一步的產(chǎn)生水的冷凍。這一觀察結(jié)果表明：在這個過程中，電流密度可以進一步增加階段，這反過來又增加了廢物的熱量釋放，從而加快電池溫度上升。
本研究的目的是計算的數(shù)值影響增加的電流在飽和階段的一個PEFC冷起動性能。特別強調(diào)的是研究電流上升階段和電池熱質(zhì)量影響電池溫度升高的速率，電解質(zhì)吸收水的能力，和冰的形成/陰極催化劑層的演化特性（氯）。這項研究清楚地表明，所提出的戰(zhàn)略是加速浪費熱的釋放。沒有進一步的冰積累在電池內(nèi)，因此，大大方便了PEFC快速啟動零度以下環(huán)境。
2.數(shù)值模型
模擬一個PEFC在寬的溫度范圍內(nèi)操作從低溫（-20℃）到正常工作溫度（80）、三維、非等溫PEFC冷起動模型研究[18-24]是增強了包括冰融化和本構(gòu)關系，對于PEFC暫態(tài)仿真0度以上.的PEFC冷起動模型詳細的描述出現(xiàn)在我們以前的論文[24]。因此，我們只存在一個簡短的在這里描述，強調(diào)的新功能在這項研究中發(fā)展。
模型假設
具體的假設模型如下：
（1）不可壓縮層流氣體通道和多孔、 PEFC、壓力梯度和流量；
（2）理想氣體的混合物；
（3）negligible引力效應；
（4）和均勻各向同性多孔層和CLS，即有效孔隙度、滲透率、特征；
（5）飽和水蒸氣瞬時凝結(jié)；
（6） 可以忽略不計的電化學雙電層的充電和放電在CLS。
控制方程：
上述假設下，多相PEFC的模型是由質(zhì)量，動量，能量，和物種，電荷守恒，如下：
質(zhì)量守恒：
(1)
動量守恒:
(2)
種類守恒：
（3）
能量守恒：
（4）
充電保護：
（5）
電子運輸：
（6）
在保持均衡的源匯項。（1）-（6），即，標準，蘇，硅，，列于表1。請注意，源項，Si，在水的輸運方程的CL和GDL地區(qū)包括相變，SSG，描述冰的形成，生長，和冷啟動時的熔化過程。
SSG的詳細描述如下： 當
當
當
當
（7）
在rdesub和Rsub是凝華和升華，相變率；S代表冰分數(shù)，定義為冰多孔介質(zhì)如GDL和CL的空隙的體積分數(shù)，即，
（8）
因此，冰量積累在PEFC成分是冰的分數(shù)來描述，美國的凝華和升華的過程導致潛熱的釋放和吸收，分別。因此，這些影響應在能量守恒方程的源項，考慮ST，為CL和GDL的地區(qū)，如表1。
對于電荷守恒方程的源項，SF的氫氧化反應的帳戶（HOR）在陽極的氯和氧還原反應（ORR）在陰極催化層的電化學反應是通過線性化的水平標準Butlere-Volmer方程導出，并忽略anodic[ 25 ]的Butlere-Volmer方程陽極反應項。
霍爾在陽極Cl：
（9）
霍爾在陰極：
（10）
表面電位，H，為賀和奧爾是利用熱力學平衡電位的定義，U0，在陽極和陰極雙方之間，如下：
（11）
右手邊的物種方程，方程（3），該有效擴散系數(shù)，擴散由作為改性關聯(lián)[26]對孔隙度的影響和曲折的GDL和CL。因為這也是影響冰的分數(shù)，最后形成擴散的冰。
（12）
電解質(zhì)的輸運性質(zhì)依賴于膜的含水量，即水的功能.活動，如下[27]：
（13）
（14a）
(14b)
水蒸汽分壓可以計算出溫度范圍，從零下到正常運行溫度，如下[27-28]：
(15a)
(15b)
3.邊界條件與數(shù)值實現(xiàn)
本研究的細胞幾何和計算網(wǎng)格如圖1所示。詳細的理化參數(shù)，組件的屬性，細胞尺寸和操作條件在表2和表3列出。如圖1所示，除了進出口區(qū)計算域的大小是利用全細胞的幾何周期從而對稱條件應用于計算單元的外表面減少，除了進出口區(qū)域。
陽極/陰極入口速度可以從它們各自的化學計量比的確定（XA，XC）和工作電流密度（I），如下：
陽極入口：
（19）
陰極入口：
（20）
在哪里的入口截面分別的陽極和陰極氣體通道，氫和氧eCH2和CO2T入口摩爾濃度可以計算出入口壓力、增濕條件，和溫度，根據(jù)理想氣體定律。
在第2.1和2.2節(jié)所描述的瞬態(tài)冷啟動模型進行了數(shù)值實現(xiàn)與市售的計算流體動力學程序，使用流暢的用戶定義函數(shù)。所有物種和能量殘差的收斂標準被設置為107。
4．結(jié)果與討論
探討一種現(xiàn)行的策略對不飽和階段，我們定義了七個仿真案例，稱為例1至7（見表4）。恒流密度為0.1和0.15個/厘米是在冷啟動的應用期2和1，分別。另一方面，案例3和4采取了一種策略，由此提出了從0.10.15 A/cm2。0.1 A/cm2的初始電流密度是應用在第一階段，然后隨后提高到0.15一個/平方厘米。3和4之間的區(qū)別在于是否在凍結(jié)階段（案例3）或在飽和階段（案例4）。另外5至7例定義為確定的MEA設計和熱的影響在飽和階段的質(zhì)量開始。對于所有的模擬情況下，初始含水量在電解質(zhì)相中被假定為10。
陰極
陽極
系統(tǒng)邊界
催化劑層
氣體擴散層
空氣通道
冷卻通道
雙極板
陰極入口
陽極入口
截面
圖1單直通道燃料電池的計算域和網(wǎng)格的邊界條件幾何。
圖2顯示整體的細胞溫度和冰積累1，3，2，和4的曲線。第一，比較例1和2表明，冰的增長率陰極氯離子具有較高的初始電流密度，導致或者水生產(chǎn)率越高。因此，一個較高的水平的累積冰預測案例2（0.267毫克/平方厘米），相對于1（0.225毫克/平方厘米）。在另一方面，一個更快的細胞溫度上升也實現(xiàn)，在2個案例中，由于其較高的電流密度和較大的釋放的熱量，被釋放。因此，冰融化，由于冰堆積的突然下降曲線，發(fā)生在2例早期比案例1。當前的提高策略應用，增加了電流在冷凍階段（從0.1到0.15 A/cm 10 s），即，案例3，結(jié)果在一個冰的質(zhì)量累積病例2相似的水平（0.267毫克/平方厘米）。另一方面，案例4，在其中的電流增加飽和階段（從0.1到0.15 A/cm2 30）展品與其他情況相比，一個優(yōu)越的冷啟動行為。在案例4中，案例4中的累積冰塊相似例1（0.225毫克/平方厘米），但快速增長的細胞溫度達到，即可比的情況下，2和3和比1的情況要快得多。因此，圖2清楚地顯示認為目前提出的4種情況下的策略是有效的，領先的一個更成功的自我啟動的電池。
圖2電子溫度和冰積累的演化曲線。平均在陰極的冰積累CL為1--4。
圖3電子電壓和水含量的演化曲線。水分含量平均為1--4
圖3給出的電壓變化曲線為1，2，3，和4。可以看出，突然下降的幅度電池電壓對應于電流的大小密度，因為它主要取決于程度電滲（EOD）流量和由此產(chǎn)生的陽極干涸。特別是3和4的情況下表現(xiàn)出第二次電壓降在10秒和30秒，這是一個電流密度增加。相對于電池溫度圖2所示曲線，二次電壓降期3和4的情況下準確地對應的時間電池溫度上升和/或冰積累增加率，也就是說，由增加的電流密度驅(qū)動。然而，一旦電池通過不飽和階段，電池電壓開始恢復的情況下，這意味著水回流起作用，使膜補液開始。
圖4所示的陽極和陰極平均含水量分布，表示一個復雜的相互之間的相互作用冰積累，電池溫度上升。最初在陽極側(cè)水下排放之前，從陰極到陽極的水回流效果。其結(jié)果是，在陽極氯離子的水含量和膜下降明顯，導致電池電壓迅速下降（見圖3）。相比之下，水含量在
陰極發(fā)光急劇增加，達到飽和值（14）由于所產(chǎn)生的水的綜合結(jié)果。隨后，水含量陰極氯開始下降，這意味著水回流從陰極到陽極，電池的增加的溫度，從而提高了吸水和水膜的擴散。這些都是主要的在飽和階段的現(xiàn)象。這表明，在任何情況下，其中的水含量和電壓跳躍對應近0攝氏度的冰融化期，可以看到水含量突躍的幅度和電池電壓成正比的冰積累量，如圖2所示。案例4，其中最適當前提高策略應用于不飽和階段，表現(xiàn)出類似的水含量的演變，案例1在零度以下的溫度，水的含量跳躍較早發(fā)生。
圖4陽極的平均含水量演化曲線CL，膜和陰極CL為1--4
結(jié)論
一個有效的電流上升的戰(zhàn)略已經(jīng)提出了促進在極其寒冷的環(huán)境下的PEFC的快速啟動。這個概念是基于這樣一個事實：在陰極冰生長在CL不再飽和階段由于聯(lián)合作用提高水回流，水蒸氣儲存電位，這使得在電流密度進一步增加，以加速的廢物的熱釋放和細胞溫度的增加，在冷啟動沒有形成任何進一步的冰。3D冷啟動模擬結(jié)果清楚地表明，提高電流密度是有效的只有當這個策略應用于不飽和階段，其中電池的溫度上升率是成功加速沒有任何進一步的蓄冰。相反，如果在凍結(jié)階段的電流密度提高，冰的增長率大大增加，導致在一個細胞內(nèi)的冰積累的程度較高。這些結(jié)果清楚地表明，所提出的currentraising策略應該應用于飽和階段，進一步突出，冷啟動時的細胞是欠期是對電池的溫度上升率高度敏感。因此，電池的熱質(zhì)量，操作電流密度的大小，和電池電壓的關鍵因素是要考慮時，制定最佳的電流提高冷啟動計劃。另一方面，電池溫度上升率并非由Cl設計參數(shù)如氯離子含量、氯厚度影響顯著，或重量比鉑碳支持（wt% PTEC），這表明目前的籌資策略并不一定修改時，CL的設計改變。冷啟動現(xiàn)象，包括冰積累，水的吸收，膜水的運輸，廢熱釋放，細胞溫度上升的非線性依賴性，可以預測僅通過多維冷啟動建模和仿真。因此，建議冷啟動模型可以作為一個有價值的工具，尋找一個最佳的電流提高策略，根據(jù)不同的細胞設計和操作條件。
致謝
這項工作是由技術創(chuàng)新支持計劃（no.10052823，開發(fā)堆棧和元件數(shù)減少，堆積在燃料電池汽車設計）由貿(mào)易部資助，工業(yè)和能源（MI，韓國）
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附件2：外文資料原文
機電工程學院
畢業(yè)設計方案
論證報告
設計題目:GD6126客車設計—傳動軸及懸架設計
學生姓名：
學 號：
專業(yè)班級：
指導教師：
20xx年03月20日
2
目 次
1 汽車懸架、傳動軸發(fā)展趨勢分析 1
1.1 現(xiàn)代汽車懸架形式 1
1.2 現(xiàn)代汽車懸架上的組成 1
1.3 汽車懸架的發(fā)展趨勢 2
1.4 汽車傳動軸的發(fā)展現(xiàn)狀 4
2 懸架設計概述 5
3 懸架的結(jié)構(gòu)方案分析 6
3.1 獨立懸架與非獨立懸架 6
3.2 前、后懸架方案的選擇 7
4 傳動軸設計概述 9
4.1 傳動軸的組成與要求 9
4.2 傳動軸組成結(jié)構(gòu) 9
5 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析 9
5.1 十字軸式萬向節(jié) 10
5.2準等速萬向節(jié) 10
論證結(jié)果 11
參考文獻 12
15
1 汽車懸架、傳動軸發(fā)展趨勢分析
1.1 現(xiàn)代汽車懸架形式
所謂汽車懸掛,就是指汽車車身和車輪彈性地連接起來的機構(gòu)。俗稱汽車的避震、懸掛和懸架的意思都一樣，都是指車輪與車身之間的連接物，避震是通俗叫法，而懸掛和懸架均是"學名"。??
? 懸架是將車身與車橋、車輪彈性相連，傳遞作用在車輪和車身之間的力和力矩，緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊，并衰減由此引起的振動，以保證汽車正常行駛時的平順性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性。目前多數(shù)汽車的懸架都是被動式懸架，即汽車的車輪和車身狀態(tài)只能被動地取決于路面及行駛狀況以及汽車的彈性支承元件、減振器和導向機構(gòu)。??
汽車上的懸掛結(jié)構(gòu)大體可分為兩種：一種是左、右車輪用一根剛性軸連起來并與車身相連的叫非獨立懸掛。常見卡車使用的鋼板彈簧避震系統(tǒng)就是非獨立懸掛。它具有結(jié)構(gòu)簡單、強度高、穩(wěn)定性好、容易制造、維修方便、輪胎磨損小和價格低廉等優(yōu)點。其缺點是當汽車在高速或在不平路面行駛時，容易顛簸，使人感到不舒服。??
另一種是左、右車輪不連在一根軸上，而是單獨通過懸掛與車身連接的叫獨立懸掛。往往轎車的舒適性比卡車好,?是因為這些車采用了獨立懸掛，其結(jié)構(gòu)是用輕便的杠桿、擺臂代替了整體車軸，當一側(cè)車輪駛?cè)氚纪共黄铰访鏁r，不會牽動另一側(cè)車輪而引起沖擊振動，這就提高了乘座舒適性。但采用獨立懸掛后也相應使結(jié)構(gòu)復雜，成本上升。常見的獨立懸掛結(jié)構(gòu)型式有：螺旋彈簧雙橫臂獨立懸掛、扭桿式獨立懸掛、滑柱擺臂式獨立懸掛和麥弗遜式獨立懸掛等。??
現(xiàn)代轎車的前輪都采用獨立懸掛，后輪雖然比前輪采用獨立懸掛的要少，但中、高級轎車一般都是四輪獨立懸掛。
1.2 現(xiàn)代汽車懸架上的組成
典型的汽車懸掛結(jié)構(gòu)由彈性元件、減震器以及導向機構(gòu)等組成，這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。絕大多數(shù)懸掛多具有螺旋彈簧和減振器結(jié)構(gòu)，但不同類型的懸掛的導向機構(gòu)差異卻很大，這也是懸掛性能差異的核心構(gòu)件。
圖1 懸架的組成
彈性元件：彈性元件用來承受并傳遞垂直載荷、緩和不平路面、緊急制動、加速和轉(zhuǎn)彎引起的沖擊或車身位置的變化。常見的彈性元件包括鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、油氣彈簧、空氣彈簧和橡膠彈簧。
減震器：減振器用來衰減由于彈性系統(tǒng)引起的振動。減振器的類型有筒式減振器、阻力可調(diào)式減振器和充氣式減振器。用于限制彈簧的自由振蕩，提高乘坐舒適性。
導向裝置：導向裝置用來使車輪按一定運動軌跡相對車身運動，同時起傳遞力作用。通常導向裝置由控制擺臂式桿件組成，有單桿式和連桿式的。鋼板彈簧作為彈性元件時，它本身兼導向作用，可不另設導向裝置。用于使上述部件定位，并控制車輪的橫向和縱向運動。
橫向穩(wěn)定器：橫向穩(wěn)定器也歸屬于導向裝置。在有些轎車和客車上，為防止車身在轉(zhuǎn)向等情況下發(fā)生過大的橫向傾斜，在懸架系統(tǒng)中加設有橫向穩(wěn)定桿，目的是提高側(cè)傾剛度，使汽車具有不足轉(zhuǎn)向特性，改善汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。用于防止汽車橫向擺動。
1.3 汽車懸架的發(fā)展趨勢
被動懸架是傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu),剛度和阻尼都是不可調(diào)的,依照隨機振動理論,它只能保證在特定的路況下達到較好效果.但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠,成本相對低廉且不需額外能量,因而應用最為廣泛.在我國現(xiàn)階段,仍然有較高的研究價值。
被動懸架性能的研究主要集中在三個方面:通過對汽車進行受力分析后,建立數(shù)學模型,然后再用計算機仿真技術或有限元法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù);研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器,使懸架在絕大部分路況上保持良好的運行狀態(tài)研究導向機構(gòu),使汽車懸架在滿足平順性的前提下,穩(wěn)定性有大的提高。
半主動懸架的研究集中在兩個方面:執(zhí)行策略的研究;執(zhí)行器的研究.阻尼可調(diào)減振器主要有兩種,一種是通過改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼,一種是通過改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻尼.節(jié)流孔的大小一般通過電磁閥或步進電機進行有級或無級的調(diào)節(jié),這種方法成本較高,結(jié)構(gòu)復雜.通過改變減振液的粘性來改變阻尼系數(shù),具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無噪音和沖擊等特點,因此是目前發(fā)展的主要方向.在國外,改變減振液粘性的方法主要有電流變液體和磁流變液體兩種。
主動懸架研究也集中在兩個方面:可靠性;執(zhí)行器.由于主動懸架采用了大量的傳感器、單片機、輸出輸入電路和各種接口,元器件的增加降低了懸架的可靠性,所以加大元件的集成程度,是一個不可逾越的階段.執(zhí)行器的研究主要是用電動器件代替液壓器件.電氣動力系統(tǒng)中的直線伺服電機和永磁直流直線伺服電機具有較多的優(yōu)點,今后將會取代液壓執(zhí)行機構(gòu).運用電磁蓄能原理,結(jié)合參數(shù)估計自校正控制器,可望設計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應主動懸架,使主動懸架由理論轉(zhuǎn)化為實際應用。
國外汽車空氣懸架發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復合式懸架→被動全空氣懸架→主動全空氣懸架”的變化型式。主動全空氣懸架應用了電子控制系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，汽車在各種路面、各種工況條件下能實現(xiàn)主動調(diào)節(jié)、主動控制，并增加了許多輔助功能(如故障診斷功能等)。目前ECAS系統(tǒng)在歐洲國家的大客車上已經(jīng)大量應用，隨著人們生活水平的提高，對汽車舒適性的要求也越來越高，可以預見，ECAS這一先進的空氣懸架系統(tǒng)在汽車上的應用將越來越普及。
近幾年，我國空氣懸架的需求主要是與高等級客車的銷售量直接相關，2002年高級客車銷售量為4000臺左右，2003年突破6000臺，據(jù)統(tǒng)計高級客車的需求以每年15％的速度增長。根據(jù)國家汽車行業(yè)“十五規(guī)劃”要求：我國的客車將重點發(fā)展適應高速公路需要的大中型客車，專用客車底盤及關鍵總成。及根據(jù)市場需求適當發(fā)展高檔旅游客車。十五規(guī)劃預測，2005年大中型客車年需求量為12～16萬輛，交通部頒布實施JT/T325-2002的行業(yè)標準，對大中型客車配置懸架類型作了規(guī)定，其中高級大中型客車必須采用空氣懸架。這為空氣懸架產(chǎn)品的推廣使用創(chuàng)造了一個良好的外部環(huán)境。
1.4 汽車傳動軸的發(fā)展現(xiàn)狀
目前，十字軸式剛性萬向節(jié)傳動軸在汽車傳動系中用得比較廣泛。另外一個重要的組成部分是滑動花鍵副，由內(nèi)、外花鍵組成，用于傳遞長度的變化。傳動軸的萬向節(jié)擺角和滑動花鍵副的最大伸縮量，是根據(jù)整車布置時進行的傳動軸跳動校核而確定的。一般的情況下還可能有傳動軸管，空心的軸管具有較小的質(zhì)量但能傳遞較大的扭矩，并且比相同外徑的實心軸具有更高的臨界轉(zhuǎn)速的特點。
“為滿足汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，應全面提升傳動軸行業(yè)的綜合水平，全面優(yōu)化行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，與汽車產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展”。平心而論，傳動軸行業(yè)要完成這個目標確實還需要走很長的一段路。
針對傳動軸行業(yè)的現(xiàn)狀，我們就行業(yè)未來發(fā)展提出幾點思路：
一、推進傳動軸行業(yè)企業(yè)兼并重組，機制改革。結(jié)合本行業(yè)企業(yè)實際，深入抓好企業(yè)機制改革，解決好融資渠道和資本運作問題、資源整合問題、結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化問題、勞資關系問題、利益分配問題等，為企業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展提供根本保證。
二、緊跟世界汽車技術發(fā)展趨勢，確定傳動軸零部件研發(fā)方向，開展產(chǎn)品研發(fā)和技術升級遵循原則。
（1）適應汽車標準法規(guī)在安全、環(huán)保、節(jié)能方面日趨嚴格的要求；
（2）應用新型輕質(zhì)、環(huán)保材料、適應汽車輕量化、潔凈化要求；
（3）發(fā)展再制造技術，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟。
三、加快技術創(chuàng)新平臺建設。著重抓好傳動軸行業(yè)前10名重點企業(yè)的技術創(chuàng)新能力平臺建設，積極支持和推薦國家級企業(yè)技術中心的建立和第三方傳動軸零部件公共檢測機構(gòu)項目、產(chǎn)品開發(fā)能力改造提升項目及零部件企業(yè)技術改造項目等，提高傳動軸產(chǎn)品檢測能力和水平。加大行業(yè)企業(yè)技術改造投資力度。
四、實施自主品牌戰(zhàn)略。引導傳動軸行業(yè)企業(yè)將發(fā)展自主品牌作為企業(yè)戰(zhàn)略重點，支持企業(yè)通過自主開發(fā)、聯(lián)合開發(fā)、國內(nèi)外并購等多種方式發(fā)展自主品牌。通過消化吸收引進技術再創(chuàng)新以及產(chǎn)學研相結(jié)合開發(fā)新產(chǎn)品等渠道，通過科技投入，積極開展研究與試驗，充分調(diào)動科技人員的積極性，開發(fā)新產(chǎn)品和發(fā)展自主品牌，提高企業(yè)的影響力。
2 懸架設計概述
懸架是現(xiàn)代汽車上的重要總成之一，它把車架與車軸彈性連接起來。其主要任務是傳遞作用在車輪和車架之間的一切力和力矩；緩和路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定，使汽車獲得高速行駛能力。
懸架由彈性元件、導向裝置、減震器、緩沖塊、橫向穩(wěn)定器等組成。
導向裝置由導向桿系組成，用來決定車輪相對于車架的運動特性，并傳遞除彈性元件傳遞的垂直力以外的各種力和力矩。當用縱置鋼板彈簧作彈性元件時，它兼起導向裝置的作用。緩沖塊用來減輕車軸對車架的直接沖撞，以防彈性元件產(chǎn)生過大的變形。裝有橫向穩(wěn)定器的汽車，能減少汽車轉(zhuǎn)彎行駛時的側(cè)傾角和橫向角振動。
對懸架提出的設計要求有：
1）保證汽車有良好的行駛平順性。
2）具有合適的衰減振動的能力。
3）保證好的操縱穩(wěn)定性。
4）汽車制動或加速時，要保持車身穩(wěn)定，減少車身縱傾，轉(zhuǎn)彎時的側(cè)傾角要合適。
5）隔聲能力好。
6）結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小。
7）可靠地傳遞車身與車輪之間的各種力和力矩，在滿足零部件質(zhì)量要小的同時，還要保證有足夠的強度和壽命。
為滿足汽車具有良好的行駛平順性，要求由簧上質(zhì)量與彈性元件組成的振動系統(tǒng)的固有頻率應在合適的頻段，并盡可能低。前、后懸架固有頻率的匹配應合理，對乘用車，要求前懸架固有頻率小于后懸架的固有頻率，還要盡量避免懸架撞擊車架。在簧上質(zhì)量變化的情況下，成身高度變化要小，因此，應采用非線性彈性特性懸架。
汽車在不平路面上行駛時，由于懸架的彈性作用，使汽車產(chǎn)生垂直振動。為了迅速衰減這種振動和抑制車身、車輪的共振，減小車輪的振幅，懸架應裝有減震器，并使之具有合理的阻尼。利用減震器的阻尼作用，使汽車振動的振幅連續(xù)減小，直至振動停止。
要正確地選擇懸架方案和參數(shù)，在車輪上、下跳動時，使主銷定位角變化不大、車輪運動與導向機構(gòu)運動要協(xié)調(diào)，避免前輪擺振；汽車轉(zhuǎn)向時，應使之具有不足轉(zhuǎn)向特性。
獨立懸架導向桿系鉸鏈處多采用橡膠襯套，能隔絕車輪所受來自路面的沖擊向車身的傳遞。近年來，主動懸架的出現(xiàn)不僅能很好地提高汽車行駛性能，而且能更好地保持車廂姿態(tài)，減小側(cè)傾、縱傾。
3 懸架的結(jié)構(gòu)方案分析
3.1 獨立懸架與非獨立懸架
圖2 獨立懸架與非獨立懸架
?非獨立懸架的車輪裝在一根整體車軸的兩端，當一邊車輪跳動時，影響另一側(cè)車輪也作相應的跳動，使整個車身振動或傾斜，汽車的平穩(wěn)性和舒適性較差，但由于構(gòu)造較簡單，承載力大，目前仍有部分轎車的后懸架采用這種型式。??
?獨立懸架的車軸分成兩段，每只車輪用螺旋彈簧獨立地安裝在車架(或車身)下面，當一邊車輪發(fā)生跳動時，另一邊車輪不受波及，汽車的平穩(wěn)性和舒適性好。但這種懸架構(gòu)造較復雜，承載力小?，F(xiàn)代轎車前后懸架大都采用了獨立懸架，并已成為一種發(fā)展趨勢。???
獨立懸架的結(jié)構(gòu)可分有燭式、麥弗遜式、連桿式等多種，其中燭式和麥克弗遜式形狀相似，兩者都是將螺旋彈簧與減振器組合在一起，但因結(jié)構(gòu)不同又有重大區(qū)別。燭式采用車輪沿主銷軸方向移動的懸架形式，形狀似燭形而得名。特點是主銷位置和前輪定位角不隨車輪的上下跳動而變化，有利于汽車的操縱性和穩(wěn)定性。麥克弗遜式是絞結(jié)式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞著它轉(zhuǎn)動。特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，這點與燭式懸架正好相反。這種懸架構(gòu)造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。所以，目前轎車使用最多的獨立懸架是麥弗遜式懸架。
3.2 前、后懸架方案的選擇
方案1：鋼板彈簧非獨立懸架
鋼板彈簧被用做非獨立懸架的彈性元件，由于它兼起導向機構(gòu)的作用，使得懸架系統(tǒng)大為簡化。這種懸架廣泛用于貨車的前、后懸架中。它中部用U型螺栓將鋼板彈簧固定在車橋上。懸架前端為固定鉸鏈，也叫死吊耳。它由鋼板彈簧銷釘將鋼板彈簧前端卷耳部與鋼板彈簧前支架連接在一起，前端卷耳孔中為減少摩損裝有襯套。后端卷耳通過鋼板彈簧吊耳銷與后端吊耳與吊耳架相連，后端可以自由擺動，形成活動吊耳。當車架受到?jīng)_擊彈簧變形時兩卷耳之間的距離有變化的可能。
圖3 鋼板彈簧非獨立懸架
為了提高汽車的平順性，有些輕型貨車采用主簧下加裝副簧，實現(xiàn)漸變剛度鋼板彈簧。其主簧由厚度為9mm的4片（或3片）和副簧厚度為15mm的2片（或3片）組成幾種車型漸變剛度鋼板彈簧。在小載荷狀況時，僅主簧起作用，而當載荷增到一定值時，主簧與副簧接觸，共同發(fā)揮作用，懸架剛度得到提高，彈簧特性變?yōu)榉蔷€性的，當副簧全部參加工作后，彈簧特性又變成線性的。這類懸架特點是副簧逐漸隨載荷增加而參加工作，因此懸架剛度的變化平穩(wěn)，改善了汽車行駛平順性能。
方案2：空氣彈簧非獨立懸架
汽車在行駛時由于載荷和路面的變化，要求懸架剛度隨著變化。當空車時車身被抬高，滿載時車身則被壓得很低，會出現(xiàn)撞擊緩沖塊的情況。因而對于不同類型汽車提出不同的要求，礦山及大型客車要求 其空車與滿載時的車身高度變化不大；對于轎車要求在好路上降低車身高度，提高車速行駛；在壞路上提高車身，可以增大通過能力。因而要求車身高度隨使用要求可以調(diào)節(jié)。空氣彈簧非獨立懸架可以滿足要求。
如圖D－X5－13所示。囊式空氣彈簧5的上下端分別固定在車架和車橋上。經(jīng)壓氣機1產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)油水分離器10和壓力調(diào)節(jié)器9進入貯氣筒8。壓力調(diào)節(jié)器可使貯氣筒中的壓縮空氣保持一定壓力。儲氣罐8通過管路與2個空氣彈簧相通。儲氣罐和空氣彈簧中的空氣壓力由車身高度調(diào)節(jié)閥3控制，空氣彈簧只承受垂直載荷，因而必加設減振器，其縱向力和橫向力及其力矩由懸架中的縱向推力桿和橫向推力桿來傳遞。
圖4 空氣彈簧非獨立懸架
1. 壓氣機；2.7. 空氣濾清器；3. 車身高度控制閥；4. 控制桿； 5. 空氣彈簧；6. 儲氣罐；8. 貯氣筒；9. 壓力調(diào)節(jié)器；10. 油水分離
根據(jù)設計任務：GD6126客車、總質(zhì)量16000kg，最高車速120km/h，比功率11kw/t，前、后懸架都采用成本低廉，容易制造，工作可靠的縱置鋼板彈簧非獨立懸架。
4 傳動軸設計概述
4.1 傳動軸的組成與要求
萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支承組成。主要用于在工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。
萬向傳動軸設計應滿足如下基本要求：
1.保證所連接的兩根軸相對位置在預計范圍內(nèi)變動時，能可靠地傳遞動力。
2.保證所連接兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)。
3.由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應在允許范圍內(nèi)。
4.傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。
變速器或分動器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，多采用等速萬向傳動軸。當后驅(qū)動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。
4.2 傳動軸組成結(jié)構(gòu)
由傳動軸及其兩端焊接的花鍵軸和萬向節(jié)叉組成。一般設有由滑動叉和花鍵軸組成的滑動花鍵，以實現(xiàn)傳動長度的變化。為了減小滑動花鍵的軸向滑動阻力和磨損，對花鍵齒進行磷化處理或噴涂尼龍層。在花鍵槽中放入滾針、滾柱或滾珠等滾動元件，以滾動摩擦代替滑動摩擦，提高傳動效率。對于有嚴重沖擊載荷的傳動，采用彈性傳動軸?；ㄦI應有潤滑及防塵措施，花鍵齒與鍵槽間隙不宜過大，且應按對應標記裝配，以免裝錯破壞傳動軸總成的動平衡。
5 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析
剛性萬向節(jié)可分為不等速萬向節(jié)（如十字軸式）、準等速萬向節(jié)（如雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式等）和等速萬向節(jié)（如球叉式、球籠式等）。?
不等速萬向節(jié)是指萬向節(jié)連接的兩軸夾角大于零時，輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)。?
準等速萬向節(jié)是指在設計角度下工作時以等于1的瞬時角速度比傳遞運動，而在其它角度下工作時瞬時角速度比近似等于1的萬向節(jié)。?
輸出軸和輸入軸以等于1的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)，稱之為等速萬向節(jié)。???
撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動力的，具有緩沖減振作用。?
5.1 十字軸式萬向節(jié)
典型的十字軸萬向節(jié)主要由主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成。?
??十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產(chǎn)成本低。但所連接的兩軸夾角不宜過大，當夾角由4°增至16°時，十字軸萬向節(jié)滾針軸承壽命約下降至原來的1/4。?
5.2準等速萬向節(jié)?
???雙聯(lián)式萬向節(jié)是由兩個十字軸萬向節(jié)組合而成。為了保證兩萬向節(jié)連接的軸工作轉(zhuǎn)速趨于相等，可設有分度機構(gòu)。偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)取消了分度機構(gòu)，也可確保輸出軸與輸入軸接近等速。?
??雙聯(lián)式萬向節(jié)的主要優(yōu)點是允許兩軸間的夾角較大（一般可達50°，偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)可達60°），軸承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺點是結(jié)構(gòu)較復雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。
綜合上述萬向節(jié)的特點，結(jié)合轎車所用非斷開時車橋，采用十字軸式萬向節(jié)既符合要求，花費又小。
論證結(jié)果
通過論證，GD6126客車的前、后懸架都采用縱置鋼板彈簧非獨立懸架，縱置鋼板彈簧作為彈性元件又可作導向裝置，這樣結(jié)構(gòu)簡單，而且符合客車的行駛平順性要求。
本次設計的萬向傳動軸的萬向節(jié)采用十字軸式萬向節(jié)，定位方式為蓋板式軸承軸向定位。
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