Методические указания к выполнению курсовой работы: Проектирование автомобиля 4 класса и расчет трансмиссии

Введение и постановка задачи

Курсовая работа по проектированию автомобиля является комплексной инженерной задачей, требующей от студента не только теоретических знаний, но и умения применять их на практике для решения конкретных конструкторских проблем. Цель данной работы — спроектировать легковой автомобиль 4-го (представительского) класса, выполнив все необходимые расчеты его ключевых систем, с особым акцентом на трансмиссию. Задачи курсовой работы охватывают весь цикл проектирования: от анализа существующих моделей до детального проверочного расчета элементов коробки передач.

Выбор 4-го класса не случаен. Автомобили этого сегмента, также известного как F-класс или люкс-сегмент, характеризуются повышенными требованиями к комфорту, безопасности, динамике и мощности. Их ключевые особенности — это увеличенные габариты, просторный салон и, как правило, мощный двигатель, что ставит перед инженером сложные и интересные задачи по обеспечению плавности хода, низкого уровня шума и вибраций, а также эффективной передачи высокого крутящего момента.

Проектирование такого автомобиля требует глубокой проработки каждого узла, поскольку все системы должны работать в гармонии, чтобы соответствовать высоким стандартам класса.

Данное методическое руководство представляет собой «дорожную карту» для студента. Работа будет выстроена в следующей логической последовательности:

1. Анализ автомобилей-аналогов и формирование технического задания.
2. Проведение тягового расчета для определения требуемой мощности двигателя и передаточных чисел.
3. Разработка кинематической схемы трансмиссии.
4. Расчет нагрузочных режимов для определения максимальных нагрузок на узлы.
5. Детальный проектировочный и проверочный расчет коробки передач.
6. Формулирование требований к графической части проекта.

Определив цели и задачи, мы должны выбрать отправную точку для нашего проекта. Для этого необходимо проанализировать существующие аналоги.

1. Анализ существующих аналогов и обоснование ключевых параметров проектируемого автомобиля

Проектирование не начинается с чистого листа. Первым и важнейшим шагом является изучение и анализ уже существующих конструкций, которые служат отправной точкой и источником данных для принятия обоснованных инженерных решений. Этот этап позволяет определить актуальные тенденции в отрасли и сформулировать реалистичные требования к будущему автомобилю.

Для корректного выбора автомобилей-аналогов необходимо сформулировать четкие критерии. В рамках данной работы, согласно справочным данным НИИАТ, предлагается использовать следующие параметры:

• Тип АТС: легковой автомобиль.
• Класс: 4-й (представительский).
• Количество мест: 6 и более.
• Максимальная скорость (Vmax): не менее 200 км/ч.

В качестве примера отечественного аналога, соответствующего этим критериям, можно привести легендарный ЗИЛ-41047 — представительский седан, оснащенный мощным 8-цилиндровым двигателем. Помимо него, для анализа следует подобрать 2-3 зарубежных аналога от ведущих мировых производителей (например, Mercedes-Benz S-Class, BMW 7-Series, Audi A8).

На основе собранных данных проводится сравнительный анализ их ключевых технических характеристик, таких как габаритные размеры, снаряженная и полная масса, параметры двигателя (объем, мощность, крутящий момент), тип и характеристики трансмиссии, а также динамические показатели (время разгона, максимальная скорость). Результаты анализа позволяют не просто скопировать чужое решение, а обоснованно выбрать исходные параметры для нашего проектируемого автомобиля, которые будут заложены в техническое задание.

Теперь, когда у нас есть целевые параметры автомобиля, необходимо рассчитать, какой силовой агрегат сможет обеспечить заданные характеристики. Это подводит нас к тяговому расчету.

2. Проведение полного тягового расчета автомобиля

Тяговый расчет — это фундаментальный этап проектирования, который математически связывает характеристики двигателя, параметры трансмиссии и требуемые динамические показатели автомобиля. Его главная задача — определить способность автомобиля преодолевать суммарное сопротивление движению, которое складывается из сопротивления качению, сопротивления воздуха и сопротивления подъему. Расчет выполняется в несколько последовательных этапов.

2.1. Определение требуемой максимальной мощности двигателя

На этом шаге рассчитывается эффективная мощность двигателя, которая необходима для движения автомобиля с заданной максимальной скоростью (Vmax) по горизонтальной дороге с хорошим покрытием. Расчет учитывает все силы сопротивления, действующие на автомобиль в этих условиях. Полученное значение мощности является отправной точкой для выбора или проектирования силового агрегата.

2.2. Построение внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя

Внешняя скоростная характеристика — это график зависимости эффективной мощности (Ne) и крутящего момента (Me) от частоты вращения коленчатого вала двигателя при полной подаче топлива. На основе ранее определенной максимальной мощности и с использованием эмпирических данных для двигателей данного класса строится ВСХ. Этот график является «паспортом» двигателя и используется во всех последующих расчетах трансмиссии.

2.3. Определение передаточных чисел трансмиссии

Зная характеристику двигателя и требования к динамике автомобиля, можно рассчитать передаточные числа. Сначала определяется передаточное число главной передачи, исходя из условия движения с максимальной скоростью. Затем рассчитываются передаточные числа для каждой ступени коробки передач. Передаточное число первой передачи выбирается из условия преодоления максимального сопротивления или обеспечения максимальной тяговой силы, а передаточные числа промежуточных ступеней обеспечивают разгон без «провалов» тяги.

2.4. Построение динамической характеристики (динамического паспорта) автомобиля

Динамический паспорт — это графическое представление тяговых возможностей автомобиля. Он представляет собой семейство кривых, показывающих зависимость силы тяги на ведущих колесах от скорости движения на каждой из передач. На этот же график наносятся кривые сил сопротивления движению. Анализ динамического паспорта позволяет оценить максимальную скорость, время разгона, а также способность автомобиля преодолевать подъемы различной крутизны. Как правило, максимальная тяговая сила достигается на низших передачах, что необходимо для трогания с места и преодоления крутых подъемов.

Тяговый расчет дал нам необходимые передаточные числа. Следующий шаг — спроектировать механическую систему, которая будет эти числа реализовывать, то есть разработать кинематическую схему трансмиссии.

3. Разработка и описание кинематической схемы трансмиссии

Кинематическая схема — это «скелет» коробки передач, принципиальная схема, которая наглядно демонстрирует, как взаимодействуют ее основные элементы для передачи и преобразования крутящего момента. Разработка этой схемы является ключевым этапом, предваряющим детальные прочностные расчеты.

Первым шагом является выбор типа коробки передач. Для легкового автомобиля 4-го класса могут применяться различные типы, включая классические автоматические гидромеханические, роботизированные или вариаторы. Однако в рамках учебного проектирования часто выбирают механическую трехвальную коробку передач как классическую и наглядную конструкцию. Выбор должен быть обоснован с точки зрения надежности, КПД и требований к проектируемому автомобилю.

После выбора типа разрабатывается сама кинематическая схема. На ней условно изображаются:

• Ведущий (первичный), ведомый (вторичный) и промежуточный валы.
• Шестерни постоянного зацепления и те, что вводятся в зацепление. Чаще всего в современных МКПП используются косозубые шестерни для снижения шума.
• Синхронизаторы и муфты включения передач.
• Механизм передачи заднего хода (часто с прямозубой промежуточной шестерней).

Каждый элемент на схеме должен быть пронумерован, а в пояснительной записке необходимо подробно описать путь передачи крутящего момента от первичного вала к вторичному для каждой передачи, включая первую, вторую, третью, и так далее, а также для заднего хода.

Когда схема готова, необходимо понять, какие нагрузки будут действовать на её элементы в самых тяжелых условиях эксплуатации, чтобы рассчитать их на прочность.

4. Расчет нагрузочных режимов трансмиссии и ходовой части

Прежде чем приступать к проектированию конкретных деталей (шестерен, валов), необходимо определить максимальные крутящие моменты, которые могут действовать на них в различных условиях эксплуатации. Эти расчетные нагрузки лягут в основу всех последующих прочностных расчетов. Расчет ведется по нескольким критическим режимам.

4.1. Расчетный режим по максимальному крутящему моменту двигателя

Этот режим предполагает, что на трансмиссию действует максимальный крутящий момент, развиваемый двигателем (согласно его ВСХ). Этот сценарий является основным для расчета элементов на усталостную прочность (долговечность), так как он наиболее часто встречается в процессе эксплуатации автомобиля.

4.2. Расчетный режим по максимальному сцеплению ведущих колес с дорогой

Это наиболее тяжелый сценарий для расчета на статическую прочность. Он моделирует ситуацию, когда двигатель глохнет при резком бросании сцепления на низшей передаче, и на трансмиссию действует момент, ограниченный только силой сцепления колес с дорогой. Этот момент может значительно превышать максимальный крутящий момент двигателя и определяет пиковые нагрузки, которые должна выдержать трансмиссия без разрушения.

4.3. Определение нагрузок для расчета на долговечность (статистическое моделирование)

Для более точного расчета на долговечность (усталостную выносливость) необходимо учитывать не только максимальные, но и все эксплуатационные нагрузки, а также время их действия. Для этого строится так называемая «кривая нагруженности» — график, показывающий, какой процент времени трансмиссия работает в том или ином диапазоне нагрузок. Этот подход, часто основанный на статистическом моделировании дорожных условий, позволяет более точно спрогнозировать ресурс деталей.

Зная максимальные нагрузки, мы можем перейти к самому ответственному этапу — детальному проектировочному расчету основного агрегата, коробки передач.

5. Проектировочный и проверочный расчет коробки передач

Это наиболее объемный и ответственный раздел курсовой работы, в котором теоретические нагрузки преобразуются в конкретные геометрические размеры, материалы и параметры деталей. Цель этого этапа — спроектировать и проверить все ключевые элементы КПП, подтвердив их прочность и долговечность.

5.1. Выбор материала и определение допускаемых напряжений

Основой прочности является материал. Для шестерен и валов КПП применяются высокопрочные легированные и цементируемые стали (например, 20ХН3А, 18ХГТ), которые после термообработки обеспечивают высокую твердость на поверхности зуба (износостойкость) и вязкую сердцевину (сопротивление ударным нагрузкам). На основе свойств выбранного материала и требуемого ресурса определяются допускаемые контактные напряжения и напряжения изгиба.

5.2. Проектировочный расчет зубчатых передач

На этом этапе определяются основные геометрические параметры для каждой пары шестерен: межосевое расстояние, модуль зацепления, число зубьев, угол наклона зубьев и ширина венцов. Расчет ведется, как правило, из условия контактной прочности, чтобы избежать выкрашивания рабочих поверхностей зубьев.

5.3. Проверочный расчет зубьев на прочность по изгибным напряжениям

После определения геометрии зубья проверяются на изгиб. Этот расчет гарантирует, что зуб не сломается у основания под действием максимальной нагрузки. Напряжения изгиба особенно критичны для шестерен низших передач, где действуют наибольшие крутящие моменты.

5.4. Проверочный расчет зубьев на контактную выносливость

Это основной проверочный расчет, который подтверждает, что рабочие поверхности зубьев выдержат циклические контактные нагрузки в течение всего срока службы без появления усталостного выкрашивания (питтинга). Важную роль в обеспечении долговечности играют и правильно подобранные смазочные материалы.

5.5. Проектировочный расчет валов КПП

Определяются диаметры первичного, вторичного и промежуточного валов. Расчет начинается с эскизного определения диаметров в местах посадки шестерен и подшипников, исходя из крутящих моментов и конструктивных соображений.

5.6. Проверочный расчет валов на статическую прочность и усталостную выносливость

Валы проверяются в наиболее опасных сечениях (где есть концентраторы напряжений — канавки, галтели) на совместное действие изгиба и кручения. Расчет на статическую прочность ведется по максимальным нагрузкам, а на усталостную выносливость — по эквивалентным нагрузкам, определенным на этапе 4.3.

5.7. Выбор и проверка подшипников по статической и динамической грузоподъемности

На основе реакций в опорах валов, которые определяются после их расчета, по каталогам производителей подбираются подшипники. Затем выполняется их проверочный расчет по статической (на максимальную нагрузку) и динамической (на требуемый ресурс) грузоподъемности.

Для выполнения столь сложных и итерационных расчетов сегодня широко применяется специализированное ПО, такое как KissSoft или MATLAB/Simulink, которое позволяет автоматизировать процесс и повысить точность результатов.

После того как все элементы рассчитаны, необходимо оформить результаты в виде графических материалов.

6. Требования к графической части работы

Графическая часть является неотъемлемым элементом курсовой работы, визуализирующим результаты инженерных расчетов и конструкторских решений. Она должна наглядно демонстрировать устройство спроектированных узлов и агрегатов. Все чертежи и схемы должны быть выполнены в строгом соответствии с требованиями ГОСТ Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Состав графической части обычно включает:

1. Сборочный чертеж коробки передач. Это основной конструкторский документ, который показывает взаимное расположение всех деталей КПП, содержит спецификацию, габаритные и присоединительные размеры.
2. Деталировка. Рабочие чертежи 2-3 наиболее ответственных деталей, например, вторичного вала и одной из ведущих шестерен. На этих чертежах указываются все размеры, допуски, посадки, требования к шероховатости поверхностей и технические требования к материалу и термообработке.
3. Кинематическая схема трансмиссии. Принципиальная схема, разработанная на этапе 3, выполненная по стандартам ГОСТ.
4. Динамическая характеристика автомобиля. График (динамический паспорт), построенный в результате тягового расчета.

Качественное выполнение графической части демонстрирует не только инженерные навыки, но и знание стандартов оформления конструкторской документации.

Проект подходит к своему логическому завершению. Осталось подвести итоги проделанной работы.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы был пройден полный цикл проектирования легкового автомобиля 4-го класса и его механической коробки передач. Начиная с анализа аналогов и формирования технического задания, были последовательно решены все ключевые инженерные задачи. Проведенный тяговый расчет позволил определить требуемую мощность двигателя и рассчитать оптимальные передаточные числа трансмиссии для обеспечения заданных динамических характеристик.

На основе этих данных была разработана кинематическая схема трехвальной механической КПП и выполнен детальный проектировочный и проверочный расчет ее основных элементов. В результате были определены:

• Ключевые технические характеристики спроектированного автомобиля (мощность, масса, динамика).
• Передаточные числа всех ступеней КПП и главной передачи.
• Геометрические параметры зубчатых зацеплений (модули, числа зубьев, ширина).
• Диаметры валов в наиболее нагруженных сечениях.
• Типоразмеры подшипников для всех опор.

Проверочные расчеты на статическую прочность и усталостную выносливость подтвердили, что спроектированные детали способны выдерживать эксплуатационные нагрузки с необходимым запасом прочности. Таким образом, можно сделать вывод, что полученные результаты полностью соответствуют исходному техническому заданию, а поставленные во введении цели и задачи были успешно достигнуты. В качестве возможного пути дальнейшей модернизации конструкции можно рассмотреть применение более современных типов трансмиссий, например, роботизированной КПП с двумя сцеплениями, для улучшения динамики и топливной экономичности.

Финальным элементом любой академической работы является список источников, на которые опирался автор.

Список использованных источников

Академическая добросовестность требует указания всех источников, которые использовались при выполнении расчетов и написании пояснительной записки. Правильно оформленный список литературы демонстрирует глубину проработки темы и позволяет проверить достоверность приведенных данных. Список должен быть составлен в соответствии с требованиями ГОСТ 7.1-2003 или актуальными методическими указаниями вашего учебного заведения.

Рекомендуется группировать источники по типу для удобства навигации:

1. Основная учебная литература: учебники по теории, конструкции и расчету автомобилей.
2. Справочная литература: справочники для конструкторов-машиностроителей, автомобильные справочники (в частности, справочник НИИАТ).
3. Стандарты: ГОСТы системы ЕСКД и другие нормативные документы.
4. Научные статьи и публикации: материалы из профильных журналов и конференций, если они использовались.

Тщательно составленный список литературы является логическим завершением курсовой работы и показывает уровень профессиональной подготовки студента.

Список использованной литературы

1. Бухарин Н.А., Прозоров В.С., Щукин М.М. Автомобили. Конструкция, нагрузочные режимы, рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля: учебное пособие для вузов. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд.-ние, 1973. – 504 с.
2. Конструирование и расчет автомобиля: Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы»/ П.П. Лукин, Г.А. Гаспарянц, В.Ф. Родионов. – М.: Машиностроение, 1984. – 376 с.
3. Устиненко В.Л., Киркач Н.Ф., Баласанян Р.А. – Основы проектирования деталей машин. – Харьков: Вища школа, изд-во при Харьк. ун-те, 1983. – 184 с.
4. Курсовое проектирование деталей машин: Учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов — / В.Н. Кудрявцев, Ю.А. Державец, И.И. Арефьев и др. – Под общ. ред. В.Н. Кудрявцева. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд.-ние, 1984. – 400 с.
5. Зубчатые передачи: Справочник — / Е.Г. Гинзбург, Н.Ф. Голованов, Н.Б. Фирун, Н.Т. Холебский: 2-е изд. перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд.-ние, 1980. – 416 с.
6. Андрющенко В.М. Математические таблицы для расчета зубчатых передач. – М.: Машиностроение, 1980. – 438 с.
7. Пpоектиpование тpансмиссий автомобилей: Спpавочник./ Под общ. ред. А.И. Гpишкевича — М.: Машиностpоение, 1984 – 272 с. Кpаткий автомобильный спpавочник НИИАТ . – М.: Тpанспоpт, 1984.- 220 с.
8. Планетарные передачи: Справочник./ Под ред. В.Н. Кудрявцева, Ю.Н. Кирдяшева – Л.: Машиностроение, Ленингр. От-ние, 1977. – 536 с.