汽车变速器性能试验台的设计

摘 要汽车变速器是汽车底盘的主要部件，换挡频繁，磨损严重，是汽车早期损坏的主要部件之一。利用变速器性能试验台研究它的各项使用性能，对节省材料，降低成本，缩短研发周期，提高变速器的性能、使用寿命和工作效率，都是非常必要和重要的，而闭式变速器试验台具有节约能源的特点，对于降低试验成本有着十分重要的意义。文中阐述了变速器性能闭式试验台的布置结构和工作原理，在确定了设计方案的基础上完成了试验台传动机构的设计，并对设计的结构进行了布置合理性分析和力学刚度、强度的校核，使得此试验台能够完成如变速器效率试验、磨合试验、齿轮磨损试验，并根据所设计的各部分详细参数，利用软件键词：汽车变速器；试验台；闭式；传动机构；结构设计；分析is on its of to on is s of s in s of a on of s to as in a of 摘要. . 论. 课题的来源和意义. 汽车试验装置的发展概况. 汽车变速器性能试验台国内外发展概况. 本课题的研究内容及主要工作.动系统的总体设计. 计方案论证.见的机械式变速器损坏形式.式试验台与开式试验台比较. 传动系统的工作原理. 驱动电机的选择.作条件.择电动机的类型. 传感器型号的选择. 本章小结.速机构的设计. 轮的设计与校核.择齿轮材料及精度等级.定设计准则.齿面接触疲劳强度设计.要尺寸计算.齿根弯曲疲劳强度校核.算齿轮的圆周速度.何尺寸计算. 箱体结构尺寸的计算. 传动机构的设计.齿轮轴的设计与校核.齿轮轴的设计与校核.轴器型号的选择.的选择与校核. 轴承型号的选择与校核.轴上轴承型号的选择与校核.轴上轴承型号的选择与校核.承的润滑与密封.组件轴向固定方式的确定. 轴承端盖.轴上轴承端盖.轴上轴承端盖. 套筒. 杆式油标. 本章小结. 载方法的比较与选择. 蜗杆传动的特点与设计.杆传动的特点.杆传动的设计. 轴的结构设计.轮轴的设计.杆轴的设计.轴器型号的选择.的选择与校核. 加载器箱体的设计. 轴承型号的选择与校核.轮轴上轴承型号的选择与校核.杆轴上轴承型号的选择与校核.承组合设计. 轴承端盖尺寸.轮轴上轴承端盖尺寸.杆轴上轴承端盖尺寸. 本章小结.动轴的设计. . 单向离合器处轴段的设计与校核. 变速器间轴段的设计与校核. 本章小结. 66参考文献. 67致谢. 69附录. 70附录A 英文文献. 70附录B 中文翻译. 72第1章 绪 题的来源和意义我国汽车行业在全世界来说应该属于那种旭日东升，蓬勃发展的一种类型。由于众所周知的原因，我国的汽车工业虽起步于上世纪50年代，但却踯躅于60年代，徘徊在70年代，直到改革开放我国政府提出把汽车工业作为支柱性产业重点发展，才开始快速发展。正是由于这些曲折和波折，使我国汽车业的设计、制造、应用等各领域的技术水平均大幅落后于其他发达国家，汽车试验领域也是没有例外。改革开放以来，受政策的支持和资金的扶持，以及各厂家和相关单位及院校的共同努力，我国的汽车工业大踏步向前发展，取得了不小的进步，我国的汽车产量在2003年已经跃居世界第5位，我国的技术水平也相应取得了飞速的发展，我国汽车的大量出口已指日可待。作为汽车技术一部分的汽车试验领域也取得了一些显著成果。由于一直紧跟国外先进汽车的试验研究方法，从理论上也达到了较高的水平，基本上达到了世界的平均水平，但是受到技术和成本的限制，尚未普遍应用于科研、教学和生产部门。汽车零部件试验在汽车设计和制造领域占据重要的地位，因此试验台的种类也很多，有的结构简单，但耗费较高，有的现代化程度高，适合规模大、效益高的大型试验部门使用，但造价昂贵。而一些小型科研单位以及高等院校受资金、场地、人员、环境等的影响，不可能采用上述那些要求较高的试验台。本课题在于研究一种经济实用而且经久耐用，便于操作，占地较小，适合于室内安装的试验台，以供那些条件有限的单位使用。汽车变速器是汽车构造上的一个结构复杂、使用条件复杂、可靠性要求高的重要部件，因此从产品开发到生产直至使用都要对其进行大量的试验，以确定其各种性能参数，为汽车的生产、销售以及维修单位和汽车的使用者提供可靠的参考，防止出现重大的事故。在此领域各国都在潜心研究，以不断提高试验的准确性，从而提供更可靠的试验数据，为社会服务。车试验装置的发展概况十九世纪下半叶,德国的戴姆勒国的标致公司、美国的福特公司、意大利的菲亚特公司等先后生产出了第一辆汽车。随着科学技术的发展，汽车结构不断完善，汽车性能也不断提高。由于汽车工业与其他工业、农业、国防和人民的日常生活密切相关，汽车质量引起人们的广泛重视。二十世纪初期，美国人亨利福特创立了流水线作业的生产形式，使生产效率大幅提高，生产成本下降，使用范围急剧扩大，汽车的可靠性、寿命和性能方面的问题突出出来，要求开展试验研究工作。汽车试验的发展历史经历了大致如下三个阶段：第一个阶段从十九世纪末叶到第二次世界大战结束，是汽车试验的逐步建立，主要包括基本试验台的建立，基本试验规范和标准的形成；第二个阶段从第二次世界大战结束到上世纪七十年代，由于相邻工业的发展，相邻学科的发展和渗透，使汽车试验理论、试验设备、试验标准和规范有了长足的发展和进步；第三个阶段的主要标志是电子计算机在汽车试验中的应用和标准法规的完善。车变速器性能试验台国内外发展概况汽车变速器是汽车构造上的一个结构复杂、使用条件复杂、可靠性要求高的重要部件，因此从产品开发到生产到使用都要对其进行大量的试验。目前，传统的汽车变速器试验台的形式主要有以下几种：载装置、测量装置、被试装置等四部分组成，式功率流变速器试验台它的特点是：结构简单，试验方法简单，通用性好，但是由于需采用原动机作为驱动电机来驱动，造价高，耗电量大，尤其是做耗时较长的疲劳寿命试验时，更是如此。目前它适用于科研、教学和小型生产厂，例如吉林大学汽车试验室、哈尔滨齿轮厂研发部等。目前为止国内汽车变速器驱动桥齿轮试验中应用最多的试验台。它的特点是：结构复杂，操作较复杂，控制繁琐，通用性差，但是功耗少、投资省，适用于变速器性能试验。课题的研究内容及主要工作利用机械闭式功率流原理，设计一套变速器机械效率、刚度、疲劳强度和润滑测试装置的传动机构，要求设计并研究可靠的传动系统的结构。由于封闭式功率流试验台只需在事先给系统加载的情况下，选择小的测功机（仅提供封闭系统消耗的机械损失功率），即可完成机械效率的测定以及用时较长的疲劳寿命和润滑等的试验，具有功耗少、投资省、耗电少的特点，而且变速器的机械效率高、功率损失小，因此，本课题将对这种试验台的传动系统部分进行研究。在这部分里主要完成传动机构的设计（包括升速器、传动轴和锁止装置的设计、加载器的设计）以及电动机及传感器、单向离合器的选型。第2章 计方案论证本次设计的题目是汽车变速器性能闭式试验台的设计，是在目前现有的开式试验台的基础上进行的一次改进性设计。坏原因是其强度不够或存在铸造缺陷，在齿轮径向分力的作用下开裂。也常出现因变速器内的金属块（如断齿、轴承碎块等）挤压进齿轮啮合处而将壳体胀裂的情况。1）轮齿折断轮齿折断是指齿轮的一个或多个齿的整体或其局部的折断，轮齿折断通常有疲劳折断和过载折断两种。（2）齿面点蚀轮齿进入啮合时，轮齿齿面接触处在法向力的作用下将产生很大的接触应力，脱离啮合后接触应力即消失。对齿廓工作面上某一固定点来说，它受到的是近似于脉动变化的接触应力。如果接触应力超过了轮齿材料的接触疲劳极限时，齿面上出现不规则的细微的疲劳裂纹，随着裂纹的蔓延、扩展而导致齿面表层上的金属微粒剥落，形成麻点状的凹坑，这种现象称为齿面疲劳点蚀。点蚀发生后，破坏了齿轮的正常工作，引起振动和噪声。实践表明，由于轮齿在节线附近啮合时，同时啮合的齿对数少，且轮齿间相对滑动速度小，润滑油膜不易形成，所以点蚀首先出现在靠近节线的齿根表面上。一般闭式传动中软齿面易发生点蚀失效，设计时就应保证齿面有足够的接触强度。（3）齿面胶合在高速重载的齿轮传动中，由于齿面间的压力较大，相对滑动速度较高，因而发热量大，使啮合区温度升高、油膜破裂而引起润滑失效，相啮合两个齿面的局部金属直接接触并在瞬间互相粘连。当两齿面相对转动时，较软齿面上的金属从表面被撕落下来，而在齿面上沿滑动方向出现条状伤痕，这种现象称为齿面胶合。在低速重载的传动中，由于齿面间压力大，因而不易形成油膜，也会出现胶合。（4）齿面磨损齿面磨损是齿轮在啮合传动过程中，轮齿接触表面上的材料摩擦损耗的现象。齿轮的磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。（5）塑性变形当轮齿材料较软而载荷较大时，轮齿表面的材料将沿着摩擦力方向发生塑性变形，导致主动轮齿面节线附近出现凹沟，从动轮齿面节线附近出现凸棱，齿面的正常齿形被破坏，影响齿轮的正常啮合，这种现象称为齿面塑性变形。这种失效主要出现在低速、过载严重和起动频繁的齿轮传动中。1）断裂（2）花键磨损因花键磨损而导致轴类零件报废，多见于变速器第一轴与离合器从动盘连接的花键，主要由于侧键磨损严重而报废。（3）轴颈剥落由于变速器第二轴有的部位以轴颈作为轴承内滚道用，直接与滚针接触，所以在使用过程中易于出现轴颈剥落。动轴承的损坏主要有：（1）滚子、滚道表面剥落（接触疲劳）。（2）保持架断裂。（3）内外圈断裂。要是由于同步环磨损，致使后备行程消失造成的。就其功率循环的方式而言，都可以归纳为两大类，即开式试验台和闭式试验台，现分别阐述如下：开式试验台与闭式试验台相比较而言各有各的优点和缺点，开式试验台的特点是：由驱动电机输出功率，通过被试变速器和陪试变速器后，即被负载装置（各种测功机）全部吸收并消耗掉，下图为几种方案（图中的几种联接方式都是针对变速器传动效率试验的，但也可以用来进行变速器总成疲劳试验，只是不需要测量输出扭矩的装置）。驱动电机）传感器）载装置（测功机）（a）被试变速器位于传感器中间式（b）传感器位于两变速器间式（c）式试验台的机构简单，它主要是由驱动电机、负载装置、被试变速器和陪试变速器几部分组成：（1）驱动电机驱动电机多用转速可调的直流电机或电力测功机。（2）负载装置负载装置种类很多，常见的有：直流电机或电力测功机（作为负载装置用时是发电机）、电涡流测功机、水力测功机 （其负荷调节较为困难，不易稳定，所以在变速器试验台中这些年已很少使用了）和磁粉加载器。这种负荷装置是近几年才用于汽车试验领域的，其主要特点是：负荷控制方便、噪声小、低速加载性能好，但其滑差功率小（大扭矩时允许的转速很低），所以只适用于小吨位车辆变速器疲劳寿命试验。上述四种负载装置中，目前应用最多的是电涡流测功机和电力测功机。（3）载荷测定装置如果应力测功机作为驱动装置，则载荷即可应用测功设备配备的测力装置测量，若应用其他电机驱动，则多使用扭矩测量仪。（4）陪试变速器的作用开式试验台的结构对陪试变速器的要求与机械封闭式变速器试验台不同。在机械封闭式试验台上，陪试变速器的速比一定要与被试变速器相同，而且每次试验时一定要挂同一挡位。在开式试验台上，陪试变速器实际只起到一般升降速器的作用，为了满足负载装置的特性要求，而利用它将转速变到一定范围。因此，陪试变速器的速比可以与被试变速器不同。这一特点显示了如下优越性：可以选用被试变速器承载能力大得多的变速器做为陪试变速器，使其在试验中根本不会损坏。这样，既可以降低陪试变速器的损耗，又能减少拆装工作量，缩短试验辅助时间，加快试验进度。这一点是闭式变速器试验台难以办到的。因此，开式试验台的优缺点归纳为：优点：降低陪试变速器的损耗，缩短试验辅助时间，加快试验进度。此外还有结构简单，控制方便和便于进行变负荷试验等优点。缺点：试验功率不能循环，能量不能反馈，而是全变为热能散失掉了，所以耗电量大，不适用于进行大吨位车辆的变速器试验。此意义闭式试验台又可分为两类：机械封闭式和电封闭式。（1）电封闭式电封闭式试验台的机械装置与开式试验台相同，但其负载必须是电机或者发电机，所发电流通过控制系统反馈到驱动电机或输入电网，以便达到能量循环的目的。因此，电封闭式试验台耗能少，适用于大吨位车辆的变速器试验。但是，电封闭试验台的缺点是操纵控制系统结构复杂，造价高。（2）机械封闭式试验台机械封闭式试验台，是目前为止国内汽车变速器驱动桥齿轮试验中应用最多的试验台，其结构形式和加载方式有多种方案。介绍如下：尽管机械封闭式变速器疲劳试验台都是由两个辅助齿轮箱、两个变速器通过传动轴和联轴器连接而成的，但因其布置方案不同，可以分为如下三种布置方式的机械封闭式试验台，b、种方案各有特点，下面对它们一一进行论述：个辅助齿轮箱的受力情况不同，与变速器第一轴相连的辅助齿轮箱承受的扭矩小，但转速高。与变速器第二轴连接的辅助齿轮箱承受的扭矩大但转速低，这种方案的优点是：可以使辅助齿轮箱的速比不等于1，即让陪试变速器的扭矩低于被试变速器的扭矩，从而可以大大提高被试变速器的寿命。但因此也会使试验台的震动和噪声加大，这也是不利的。方案为方案以受力较小，因而辅助齿轮箱及其内部的零件可以尺寸较小，但是这种方案因为辅助齿轮箱和与其相联的传动轴转速较高，所以试验台的噪声和振动较大。与之相反，其是在试验低速挡时），所以在试验中噪声小，振动轻。因此，可将试验转速提高，加快试验进度，只要辅助齿轮箱的设计尺寸加大，使其有足够的使用寿命，a）两个变速器不同轴布置（b）两变速器同轴相对布置（c）械封闭式变速器试验台传动机构三种布置方案示意图但是方案上图可以看出驱动电机与被试变速器同处在一个轴上，由于变速器的转速较高，电机很难达到变速器各种工况下的转速要求，为此，将方案助箱内采用齿轮传动，电机输出轴与大齿轮轴通过联轴器连接在一起，变速器输入轴与小齿轮轴通过联轴器连接在一起，达到升速的目的，即下图所示的为机械封闭式变速器性能闭式试验台的最佳方案。电机齿轮箱 加 载 器齿轮箱传感器 变速器 传感器 械封闭式变速器性能闭式试验台传动系统布置示意图机械闭式试验台与电封闭式试验台相比，它们的共同点就是耗能少，适用于大吨位车辆的变速器试验，但是电封闭试验台操纵控制系统复杂，造价高，所以很少被采用。因此，我们这次选择机械封闭式试验台，而不选择电封闭式试验台。机械闭式与机械开式试验台相比，它们有各自的优点和缺点，开式试验台的优点为降低陪试变速器的损耗，减少拆装工作量，缩短试验辅助时间，结构简单，控制方便和便于进行变负荷试验等优点。缺点为试验功率不能循环能量不能反馈，而是全部变为热能散失掉了，所以耗电量大，不适于进行较大吨位车辆的变速器试验，而闭式试验台正好弥补了这一缺点，它通过能量循环，实现了能量再利用。因而大大节省了能量，可以进行较大吨位的车辆的变速器试验。但闭式试验台缺点是难以降低陪式变速的损耗，为了降低噪声，必须增大尺寸。但是这些缺点若通过合理的优化设计是可以避免或降低的。综上所述，本次设计采用机械闭式试验台，是合理的也是最佳的。试验台传动系统是由驱动电机、转矩传感器、转矩加载器、两个齿轮箱、传动轴和两个变速器（一个被试变速器，一个陪试变速器）组成的一个封闭的传动系统。传动系统的工作过程为：方面在试验中保持系统工作转速不变，另一方面要对系统进行多种转速情况下试验，因此应选择调速电机并采用操纵方便数据读取准确的单片机通过键盘对系统进行模式输入。持系统运转，并且保证所测试变速器满足在实际状态工作的条件，应事先给系统加载，以使内部保持有相当的内力转矩，因此设有转矩加载装置，转矩加载装置形式多样，传统的加载方式为平衡力矩加载法和行星齿轮加载法，在应用中不便于对变速器进行加载，为使加载方式可靠、操纵方便，本课题采用蜗轮蜗杆加载方式。通过旋转蜗杆和观察转矩转速传感器上的读数，控制加载力矩的大小。另外，由于蜗轮蜗杆的相互制约，系统被锁死，保持系统储备内力而不运转。力既经辅助齿轮箱经传动轴带动变速器输入轴转动并同时带动辅助齿轮箱从动齿轮转动。由于变速器输入轴和输出轴转速不同，为保证系统主动部分轴及齿轮转速一致，特增加一台陪试变速器，而且保持两台变速器相对布置即被试变速器的输出轴和陪试变速器的输出轴相连，动力传递的方式是：力传递路线则所测机械效率为: = 12度、强度和润滑试验这些试验为长期试验，一方面要测定变速器工作到疲劳失效的时间及早期失效发生的部位，另一方面要根据观察并测定在各挡位工作参数的变化情况。由于变速器从开始正常工作到发生疲劳失效需很长的时间，因此在试验台上需要按与实际相近的循环作长期连续的工作。在此期间要加强对系统尤其是对箱体的冷却。作条件本试验台选择宝来（车变速器技术参数为基准。该车发动机的最大功率120800r/大转矩220Nm/4700r/了满足试验台应用的广泛性，选择储备系数K=来汽车的各挡传动比如下表所示。来汽车各挡传动比挡 位 1档 2档 3档 4档 5档 倒 档传动比 择电动机的类型试验台总传动效率等于各传动件传动效率的乘积，试验台总传动效率= 试验台在工作过程中损失的功率由电机提供，根据宝来汽车发动机的最大功率120800r/定电机所需容量为：P (1120 机的电动机 第一辅助齿轮箱主动齿轮轴 被试变速器输入轴 被试变速器输出轴陪试变速器输出轴第二辅助齿轮箱主动齿轮轴 陪试变速器输入轴储备系数K=所选电机功率为：同步转速为1500r/机械设计课程设计后，选用驱动电机型号为参数为：额定功率42载转速1480r/m；m。感器型号的选择在进行变速器性能试验时，需要一个装置能够记录加载器加载转矩的大小、显示电机提供转速是否达到了变速器在不同挡位时需要的转速，以及工作后陪试变速器输入轴的转矩，比较被试变速器输入轴转矩与陪试变速器输入轴的转矩就可得到变速器的效率。因此需要在被试变速器输入轴前、陪试变速器输入轴后连接转矩转速传感器。由于市面上传感器的型号很多，只需根据需要选择一个能够满足要求的传感器即可。组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。将传感器的这两组电信号用专用屏蔽电缆线送入可得到转矩、转速及功率的精确值。一种测量各种动力机械转动力矩、转速、及机械功率的精密测量仪器。其用途十分广泛，在电机、风机、水泵、齿轮及减速箱、铁路机车、汽车拖拉机、飞机、船舶、矿山机械、液压气动元件等几乎所有机械制造部门及其科研院所、大专院校均有广泛的应用。章小结本章分析比较了开式试验台与闭式试验台的优缺点，在此基础上对设计方案的可行性进行了可靠的论证，确定了传动机构总体布置方案，阐述了传动系统的各部分工作原理，在粗估整个试验台的功率损失后，为系统选择电动机的型号及传感器的型号。第3章 变速机构的设计由驱动电机的参数可见，电机最大转速为1500 r/m。为满足系统所需高转速、小转矩的需要，应增加一套变速机构，即升速器。升速器由单级斜齿圆柱齿轮副构成，主要功能是在电动机带动变速器旋转过程中提高输出轴的转速，降低转矩。升速器的设计包括齿轮、轴、箱体的设计以及计算，轴承的选择与校核，油封的选择等，该套升速机构的传动比为4。择齿轮材料及精度等级制造齿轮最常用的材料为45号钢，45号钢经过不同的热处理方法可以满足不同的应用范围。正火是将钢件加热到相变点以上3050，保温一段时间，然后在空气中冷却，冷却速度比退火快，常用来处理低碳和中碳结构钢材及渗碳零件，使其组织细化，增加强度及韧度，减小内应力，改善切削性能。调质处理是在淬火后高温回火，用来使钢获得高的韧度和足够的强度，很多重要零件是经过调质处理的。 15 在此次设计中，小齿轮选用4