（机械工程专业论文）汽车变速器总成交检试验台的研究.pdf

摘要 汽车变速器是汽车传动系统中的主要部件之一，变速器工作状况的好坏直接 影响到汽车整体性能，对变速器的检测至关重要。本文在系统分析了汽车变速器 性能、功用、要求的基础上，综合机械、液压、电气三个方面，设计了汽车变速 器总成交检试验台，完成汽车变速器的下线加载检验。 在该试验台中设计了输入轴驱动和输出轴驱动装置。输入轴驱动( f 拖) 完 成在不同档位时的变速器噪声检测；输出轴驱动( 反拖) 进行不同档位换档测试。 输入端电机转速调节由变频器来完成，输出端电机转速及扭矩设定通过伺服系统 实现。通过电气控制系统控制输入端电机、输出端电机反复动力切换，来实现模 拟汽车工况。同时，该试验台中设计了液压系统用于控制变速器的装夹、向变速 器内注排润滑油、输入端离合器的脱开闭合、输出端尾座的进退；设计_ r 输入总 成机构、输出总成机构及变速器专用的注排油装置。 通过】：控机实现了伺服控制器、变频控制器、p l c 和各个仪表之间的数据通 信以及数据报表的输出，达到了实时控制。传感器系统及仪表完成输出轴扭矩、 输入和输 _ 端转速、变速器噪声、注排油流量、油温等项的测量和监控。 本试验台结构简洁合理，功能齐全，操作方便，具有一套精密完整的数字显 示系统。经使用证实其性能稳定可靠，完全能满足生产检测要求。 关键词：汽车变速器检测试验台 a b s t r a c t a u t o m o b i l et r a n s m i s s i o ni so n eo ft h em a j o rp a r t si nt h ea u t o m o b i l eg e a r i n g s y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a n s m i s s i o nh a sad i r e c ti n f l u e n c e0 1 1t h eo v e r a l l p e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e i ti si m p o r t a n tt ot e s ta u t o m o b i l et r a n s m i s s i o nt h e t l l e s i ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h ep e r f o r m a n c e f u n c t i o na n dr e q u i r e m e n t so ft h e a u t o m o b i l et r a n s m i s s i o n ，i ts y n t h e s i z e sm e c h a n i s m ，h y d r a u l i cp r e s s u r ea n de l e c t r i c s y s t e ma n dd e s i g n st h ea u t o m o b i l et r a n s m i s s i o na s s e m b l yt e s tp l a t f o r mt oc o m p l e t e t h et e s to ft o r q h e1 0 a d e da f t e rt h ea u t o m o b i l et r a n s m i s s i o ni sa s s e m b l y t h ei n p u ta n do u t p u ta x i se q u i p m e n ti sd e s i g n e di nt h et e s tp l a t f o r m t h ei n p u t a x i sp u l l ( p o s i t i v ep u l l ) c o m p l e t e st h en o i s et e s to ft h et r a n s m i s s i o na td i f f e r e n t g e a r s t h eo u t p u ta x i sp u l l ( r e v e r s ep u l l lt e s tt h es h i f t i n ga td i f f e r e n tg e a r st h er o t a t e s p e e da d j u s t m e n to ft h ei n p u te l e c t r o m o t o ri sd o n eb yt r a n s d u c e r , a n dt h er o t a t es p e e d a n dt o r q u ed e s i g no ft h eo u t p u te l e c t r o m o t o ri sc o m p l e m e n t e db yt h es e r v os y s t e m t h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ea n a l o g u ea u t o m o b i l ei sa c h i e v e db ym e a n so ft h e e l e c t r i cc o n t r 0 1s y s t e m sc o n t r o jo v e rt h ei n p u te l e c t r o m o t o ra n dt h eo u t d u t e l e c t r o m o t o r sr e p e a t e dp o w e rs w i t c h a tt h es a m et i m e ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m i s d e s i g n e dt oc o n t r o lt h et r a n s m i s s i o ni n s t a l l a t i o na n dc l a m p t h et r a n s m i s s i o n s i n f u s i n ga n dd i s c h a r g i n go fl u b r i c a t i n go i l ，t h eo p e n i n ga n dc l o s i n go ft h ei n p u tc l u t c h ， a n dt h ea d v a n c ea n dr e t r e a to ft h eo h t p u tr e a rs e a t t h ei n p u ta n dt h eo u t p u ta s s e m b l y f r a m e w o r ki sd e s i g n e d 、a n dt h et r a n s m i s s i o n s p e c i a l i z e di n f u s i n ga n dd i s c h a r g i n g m e c h a n i s mi sd e s i g n e d t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es e r v oc o n t r o l l e r , t r a n s d u c e rc o n t r o l l e r , p l c a n de v e r ym e t e r , a sw e l la st h ed a t ar e p o r tf o r m si sr e a l i z e dt h r o u g ht h ei p c a n d r e a l t i m ec o n t r 0 1i sa l s oa c h i e v e d t h es e n s o rs y s t e ma n dt h em e t e r sc o m p l e t et h e o u t p u tt o r q u e ，i n p u ta n do h t p u tr o t a t es p e e d ，t h en o i s eo ft h et r a n s m i s s i o n ，t h ef l o w c a p a c i t yo ft h ei n f u s i n ga n dd i s c h a r g i n g ，a n dt h eo i lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n d m o n i t o r i n g t h es t r u c t u r eo ft h et e s tp l a t f o r i l li ss i m p l ea n dr e a s o n a b l e t h ef u n c t i o n sa r e f u l l vd e v e l o p e d a n dt h eo p e r a t i o ni sc o n v e n i e n t as e to fa c c u r a t ea n dc o m p r e h e n s i v e d i g i t a ld i s p l a ys y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d i th a sb e e np r o v e dt h r o u g hu s et h a ti t s p e r f o r m a n c ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e a n di tc a nf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so f p r o d u c t i o nt e s t k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e t r a n s m i s s i o n ；t e s t ；t e s tp l a t f o r m 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和墩得的 研究成果，除了文中特z 加以标注和致谢之处外，论文中不包台其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作肴签名：夸宏 签字日期： 2 。毕年占月2 ；n 学位沦文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据阼进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供奇阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 否 导师签名 纠鼬丈 签字h 期：如。牛年占月2 开 签字闩期：2 。严年 占月2 jh 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 汽车工业的百年发展史，几乎与2 0 世纪重合。1 8 9 6 年美国的杜里埃兄弟制 造并出售1 3 辆以汽油为燃料的四轮汽车，汽车很快就成了时尚的宠儿。1 9 0 8 年， 美国就有了4 8 5 家汽车制造商。1 9 1 4 年，福特汽车公司已经实现了汽车的流水 线生产。1 9 2 8 年，通用公司雪佛兰汽车的年产量就达到了1 2 0 万辆。在世界上， 这种车型的大量生产首次使汽车从一小部分富人的奢侈品变成大众化的交通工 具。 美国汽车1 一业“三大家”( 通用、福特、克莱斯勒公司) 都是跨国公司，一 直保持着汽车技术上的优势。二次大战前的二、三十年代，法国和英国国力较为 强盛，其汽车产量均曾一度居世界第二位。二次大战后日本汽车工业的发展成为 世界汽车工业发展的第三个高潮。 中国汽车工业从1 9 5 3 年兴建第一汽车制造厂开始，1 9 5 6 年第辆解放牌载 货汽车驶出一汽的大门，中国不能制造汽车的历史从此结束。两年后，第一辆“东 风”牌小轿车和“红旗”牌高级轿车诞生，中国汽车生产史开始由中国人自己谱 写。经过几十年的艰难发展，目前，中国已基本改变了“欢重少轻，轿车近乎空 白”的汽车产品结构，形成了一汽、东汽、重汽、中汽、上海、北京、天津7 个 企业集团，以及兵器、航空及航天3 个部门军转民企业为主的骨干力量。特别是 许多独资、合资企业的加盟，使我国的汽车工业更加突飞猛进地发展“。 如今汽车品种之多，汽车生产技术之先进，已是人们有目共睹的事实。2 1 世纪是汽车工业飞速发展的时代，汽车工业逐步成为许多国家的支柱产业。我国 随着国民经济的快速发展，汽车的年产量和社会保有量也都在迅速增加。汽车质 量的优劣，关系到我国汽车产业能否冲出国门，走向世界。因此对汽车及其相关 产品的检验是相当重要的。 汽车变速器作为汽车传动系的重要部件，其工作状况的好坏直接影响到传动 系统的性能，关系到整车的质量。而构成变速器的齿轮、轴承、轴系、同步器及 箱体的工作情况复杂，并且随着变速器性能的不断完善，结构的进一步复杂，传 统的听、摸、看诊断方法，不能有效检测出变速器的性能优劣，所以汽车变速器 在组装完成后必需有专用设备对其进行严格检测。 汽车在行驶过程中，随着路面、载荷、车速等因素的变化，变速器所传递的 扭矩与转速也是变化的。因此设计汽车变速器总成交检设备，应该能够模拟汽车 第一章绪论 驾驶时的情况，进行有效的检测。 1 2 汽车变速器检测设备概况 汽车变速器检测项目很多，根据文献3 1 1 4 1 1 5 】1 6 】i ”，对以下一些试验台进行介绍。 1 2 1 机械传动试验台 传动试验台是汽车零部件试验的主要设备之一，也是各个汽车部件总成的主 要试验设备，它可以对变速器、联轴器、传动轴、后桥、分动器、轮边减速器以 及各种汽车齿轮进行效率、温升、振动噪声、承载力和疲劳寿命试验，因而它成 为汽车厂的底盘试验室，以及各传动总成配套厂的主要试验设备，在汽车的试验 设备中具有重要的地位，按其工作原理可将其分为三类：丌式试验台、电封闭式 试验台和机械封闭式试验台。 茴氆龇 丞鹕 ( b ， 图1 1应用开式试验台测定变速器效率的装置示意图 1 测功机( 或驱动电机) 2 - 扭矩测量仪( 或传感器) 3 - 被测试变速器 4 陪试变速器5 - 力载装置( 或测功机) n ) 开式试验台和电封闭式试验台。这两种试验台都是由驱动电机、输入传 感器、被试件、输出传感器、升速器、加载装置组成。电封闭试验台和开式试验 台的基本型式如图1 1 所示，两种试验台的工作原理都是由驱动电机驱动被动件， 由加载装置加上给定的载荷，由各种传感器测出各种所需指标，电封闭试验台和 开式试验台的加载装置实际上就是一台测功机，只不过电封闭式试验台所用测功 机是可将电能返回电网的电力测功机，能量基本上形成了个封闭系统，凼而称 为电封闭试验台，而开式试验台的测功机其能量不能回收，因此称之为玎式试验 台。显然电封闭式试验台较开式试验台有明显的优越性，电封闭式试验台具有反 第一章绪论 应灵敏、易于控制、布置方便灵活、不受被测件尺寸和传动比的限制、节能等优 点，在汽车行业得到了越来越广泛的应用。 ( 2 ) 机械封闭式试验台。机械封闭式试验台的基本型式如图1 2 所示，机械封 闭式试验台是由驱动电机、两个传动箱、输入扭矩转速传感器、被试件、输出扭 矩转速传感器、加载器等组成，其工作原理是被试件通过两个传动箱形成一个封 闭的传动系统通过加载器使该封闭系统产生一个内扭矩t ，当驱动电机拖动整个 系统以转速n 运转时，被试件就相当于正在传递功率p = tn ，此时，驱动电机 只需克服整个传动系统的阻力，当系统效率较高时，驱动电机所消耗能量就很少， 一般只占试验功率的5 2 0 ，由于这种试验台试验时相当于有一个封闭环功 率流在这个封闭的机械传动系统内流动，因此称之为机械封闭式试验台，机械封 闭式试验台具有节能、控制方便、可靠性好、造价低等优点，同电封闭式试验台 相比，它在同等投资下可以进于亍更大功率的试验，这是它的主要优点，其缺点是 被试件必须成对进行试验，需受封闭系统尺寸的限制。 图1 2 应用闭式试验台测定变速器的装置示意图 1 一电动机2 辅助齿轮箱3 一扭矩传感器4 被测试变速器5 描试变速器6 加载器 近年来，国内已有单位研制出了机械封闭和电封闭兼用的传动试验台，其作 法是在电封闭试验台的基础上配备合适的传动箱和加载器可使其成为机械封闭 式试验台，这样只需很小的投资便可使试验台的试验功率得以扩大几倍。 1 2 2 变速器换档机构试验台 变速器换档机构试验台，其主要特点是利用一组或两组可变惯量飞轮组合来 模拟汽车行驶时被试件的工作状况。变速器换档机构试验台如图1 _ 3 所示。 幽如 第一章绪论 应灵敏、易于控制、布置方便灵活、不受被测件尺寸和传动比的限制、节能等优 点，在汽车行业得到了越来越广泛的应用。 ( 2 ) 机械封闭式试验台。机械封闭式试验台的基本型式如图1 2 所示，机械封 闭式试骑台是由驱动电机、两个传动箱、输入扭矩转运传感器、被试件、输出扭 矩转速传感器、加载器等组成，其工作原理是被试件通过两个传动箱形成一个封 闭的传动系统通过加载器使该封闭系统产生一个内扭矩r ，当驱动电机拖动整个 系统以转速1 1 运转时，被试件就相当于正在传递功率p tn ，此时，驱动电机 只需克服整个传动系统的阻力，当系统效率较高时，驱动电机所消耗能量就很少， 一般只占试验功率的5 一2 0 ，由于这种试验台试验时相当于有一个封闭环功 率流在这个封闭的机械传动系统内流动，因此称之为机械封闭式试验台，机械封 闭式试验台具有节能、控制方便、可靠性好、造价低等优点，同电封闭式试验台 相比，它在同等投资下可以进行更大功率的试验，这是它的主要优点，其缺点是 被试件必须成对进行试验，需受封闭系统尺寸的限制。 正歌， 图1 2 应用闭式试验台测定变速器的装置示意圈 电动机2 一辅助齿轮箱3 扭矩传感器4 一被测试变速嚣5 暗试变速器6 加戴器 近年来，国内已有单位研制山了机械封闭和电封闭兼用的传动试验台，其作 法足存电封闭试验台的基础上配备合适的传动箱和加载器可使其成为机械封闭 式试验台，这样只需很小的投资便可使试验台的试验功率得阱扩大几倍。 1 2 2 变速器换档机构试验台 变速器换档机构试验台，其主要特点是利用一组或两组可变惯量飞轮组合米 模拟汽车行驶时被试件的工作状况。变速器换档机构试验台如图1 3 所示。 模拟汽车行驶时被试件的。怍状况。变速器换档机构试验台如图1 - 3 所示。 幽鳓 第一章绪论 图1 3 换档试验台不意图 1 测速发动机2 一离合器从动盘3 测力传感器4 位移传感器5 被试变速器 6 一转速扭矩仪7 飞轮8 电动机 该试验台主要由驱动电机、飞轮、转速扭矩传感器、被试变速器、力传感器、 换档执行机构组成，该试验台可用于进行同步器和换档机构的性能与寿命试验， 也可用来进行非同步变速器换档齿轮或啮合齿轮的齿轮冲击磨损试验。 1 2 3 汽车传动系综合性能试验台 国外也有人称传动系万能试验台，该试验台结构型式如图1 - 4 所示。汽车传 动系是汽车底盘中最重要的一部分，它包括了底盘中如变速器、离合器、传动轴、 后桥、制动器等主要的几个总成，因此人们十分重视传动系统试验设备的研制， 到目前为止，传动系的几个主要总成都有了其专用的试验装置，也有了相应的试 验规范，但是由于汽车的行驶是一个复杂的过程，要在单个总成试验台模拟被试 件在实际行驶时的：i 二况是十分困难的，所以各总成的试验数据都是建立在一种极 限工况下( 如最大扭矩下试验) 取得的。而汽车毕竟在这种极限下行驶的时间很 少，因此台架试验结果同汽车实际行驶试验的结果有较大的差距。因此现有的台 架试验只能说是一种对比试验，如何解决这一1 问题，国内外许多学者和研究机构 都在进行这方面的探索。1 9 8 9 年德国大众汽车公司开始研制一种将整个汽车传 动系联接起来进行寿命试验的试验台，称之为传动系万能试验台。1 9 9 1 年，大 众公司开始研制模拟汽车行驶工况的传动系统综合试验台，这种试验台能模拟汽 车的各种行驶工况，进行试验，并能同时进行变速器、离合器、传动轴、后桥的 第一章绪论 寿命试验。与此同时日本有关学者也在进行传动试验台上用电机模拟发动机工况 的研究，并申请了专利。另外，法国、美国有些汽车公司也在进行传动系统室内 道路模拟试验的研究，我国的重庆工业管理学院车辆工程学院车辆工程系在建设 汽车零部件试验室的同时，开展了汽车传动系室内道路模拟试验的研究，并将此 课题上报兵总，己被列为部级课题，当前，结构强度的疲劳试验设备己实现了在 室内模拟道路使用工况进行试验，如美国的mts 公司和德国的申克公司都己推 出类似设备并已在世界上得到广泛的应用。而关于旋转零部件的室内疲劳道路模 拟却仍处于初始研究阶段，因此这方面的研究己成为国内外有关学者关注的热 点。 白4 舀 图1 4 传动系统综合试验台简图 l _ 驱动电机2 一输入传感器3 一离台器4 变速器5 后桥6 一飞轮7 - 传感器 8 加载电机9 e 轮1 0 传感器11 - 力口载电机1 2 传动轴 1 2 4 静强度试验设备 这一类试验设备主要由以下几种试验设备组成： ( 1 ) 静扭试验机。j = j i 于传动轴、半轴、变速器以及所有需要校核扭转强度的 零部件； ( 2 墙z 压试验设备。用于桥壳、车架、车身、前桥、传动轴等零部件的弯曲 强度和刚度试验以及车身、弹簧等零部件的拉压试验。 第一章绪论 1 2 5 振动疲劳强度试验设备 这类试验设备主要用于结构件的弯曲疲劳强度试验、扭转疲劳强度试验和拉 压疲劳寿命试验，如车桥、车架、驾驶室、前轴等部件的弯曲疲劳寿命试验和半 轴、传动轴、转向杆等零部件的扭转疲劳试验以及减振器、弹簧、车身等部件的 拉压振动疲劳试验。其主要的设备种类有：液压脉动疲劳试验机、机械式振动疲 劳试验机和扭转疲劳试验机等。 近年来，国内外在结构件的疲劳强度试验设备和试验方法上的研究取得了重 大进展，以电液伺服技术和计算机技术为基础的汽车室内道路模拟试验设备得到 了广泛的应用。在国际上以美国的mts 公司和德国的申克( schencr ) 公 司开发的道路模拟试验设备能够在室内模拟汽车的实际使用工况进行试验，这样 可以调节和缩短试验周期，试验的重复性好、精度高。可以排除许多外界因素的 影响，因而具有广泛的适应性和先进性。国外主要汽车厂家几乎都具备了道路模 拟试验设备的手段和能力，我国的许多汽车厂家和科研单位如一汽、二汽、南汽 所、上汽所、重庆公路所、吉林工大、兵器2 0 1 所等单位都相继引进了这种类型 的试验设备，开展了不少有成果的科研工作。 1 3 课题的提出及研究的意义 国外利用汽车变速器总成交检设备对变速器各项性能的综合测试的研究，一 直是汽车行业一个非常活跃的领域，检测手段向多样化、智能化方向发展，基本 实现了对汽车变速器各项性能的有效检测。但直接从国外进口设备，价格非常昂 贵。 近年来，我国随着汽车工业水平的大幅度发展，对汽车变速器的性能要求越 来越高，因此对汽车变速器检测设备的合理性、可靠性也提出了更高的要求。困 汽车变速器总成交检设备是汽车传动系统中试验内容最多、技术难度最大的试验 设备之一，所以设计一套合理、可靠的检测设备，实现检测设备的国产化，对实 现汽车工业的国产化，会起到一定的推动作用。我们在消化吸收国外先进技术的 同时，根据国产汽车变速器的现状，设计配套实用的检测殴备，= ；_ f ：仅具有较高的 现实意义，而且具有极大的经济价值。 本试验台是用于汽车变速器组装完成后，出前性能检测而设计的，能够模 拟汽车工况。与前面提到的各种检测设备有所不同。 第一章绪论 1 4 本课题研究的内容 本课题研究的内容包括： ( 1 ) 分析汽车变速器的原理、结构及对变速器性能要求，进而提出对汽车 变速器总成交检设备的要求。 ( 2 ) 进行汽车变速器总成交检设备的总体设计。 ( 3 ) 进行汽车变速器总成交检设备的结构和参数设计。 ( 4 ) 根据设计，制造出汽车变速器总成交检设备试验台，并投入运行使用。 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 设计汽车变速器交检试验台必须对汽车传动系有所了解，故以下对汽车传动 系原理和结构进行介绍” 1 。 2 1 汽车传动系原理和结构 汽车可分为四个主要系统或基本部件： ( 1 ) 作为动力源的发动机； ( 2 ) 将发动机的动力传至车轮的传动系： ( 3 ) 支承发动机和车体，包括制动装置、转向机构和悬架系统的底盘； ( 4 ) 包括了座椅、暖风、空调器、灯、挡风玻璃刮水器以及其它舒适和安全 设施的车身、内饰和附件。 传动系基本上有四个主要用途：接通和断开发动机至车轮的动力；选择不同 的传动比：提供倒车的传动路径；控制使汽车安全转弯传至驱动车轮的动力。传 动系的主要部件有离合器、变速器和驱动桥( 图2 一1 ) 。 图2 1 典型的后轮驱动汽车的传动系部件 卜离台器总成2 一变速器3 一万向节4 一后桥总成5 一传动轴6 一发动机 2 1 1 发动机 发动机本身是一个主系统，其输出被认为是传动系的一个部件。发动机产 生的旋转运动或转矩，推动汽车在各种条件下运动，其转矩通过变速器齿轮增大。 发动机通过在其燃烧室内将燃油与空气的混气进行燃烧，产生动力。燃烧在气缸 中产生高压，迫使活塞向下运动。连杆将活塞向下的运动传至曲轴，并将动力作 用在传动系上。 在试验台中设计的电动机，相当于传动系中发动机的作用。 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 2 1 2 变速器及变速器齿轮 试验台用于测试变速器的性能，以下分析变速器的档位及其传动路线。 ( 1 ) 变速器 变速器固定在发动机后部( 见图2 1 中的后轮驱动) ，可使汽车前进和后退。 它有一空档位置，在此位置上，发动机能运行但不传递动力至驱动轮。因此，尽 管在汽车位于空档位置时有动力输入至变速器，但由于驱动齿轮并未与输出轴接 合，故变速器无动力输出。 当今，大多数手动变速器有四或五个前进档。称为一档、二档、三档、四档、 五档( 图2 - - 2 ) 。因为发动机在低速时产生的功率几乎微乎其微，发动机必须以相 当高的转速转动才能提供足以使汽车行驶的功率，因此有必要设置不同的传动 比。通过选择适当的传动比，作用至驱动轮的转矩才可以增大。驾驶员可在变速 器中选择不同的档位，来同时确定合适的转速和转矩。低档可提供较低的车速， 但转矩较大；高档可提供较小的转矩，较高的车速。 图2 2 在典型五速变速器中齿轮与轴的安排 l 一一二挡同步器2 一一档齿轮3 一五档齿轮4 - - 第二轴 5 车速里程表传动齿轮 6 一五档齿轮同步器7 一倒档齿轮8 一倒档中问齿轮9 一二档齿轮 1 0 一_ 三档齿轮 1 1 一中间轴常啮合传动齿轮1 2 一第一轴 1 3 一第一轴常啮合传动齿轮( 四档齿轮) 1 4 一三四档同步器 ( 2 ) 变速器齿轮 变速器包括大、小齿轮的几种组合。在低档或一档状态下，第一+ 轴上的小齿 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 轮( 常啮合传动齿轮) 驱动中间轴上的大齿轮( 中间轴常啮合传动齿轮) ，由此降低 了大齿轮的转速，但增加了大齿轮的转矩。动力传递至与中间轴固结的小齿轮， 该小齿轮驱动与第二轴相联接的大齿轮，第二轴又联接于驱动桥。由此降低了车 速并增大了转矩，产生较大的传动比，可用于汽车起步或重载时。一档主要用于 汽车起步，其传动比在变速器的所有档位中最大，产生的转矩也最大( 图2 3 ) 。 二：档与低档使用同样一对常啮合传动齿轮。然而，第二轴一档齿轮与第二轴 不相联，动力通过另一对齿轮( 二档齿轮) 传动。在中间轴上的一较大齿轮( 较一 档大) 驱动联于第二轴上的较小齿轮( 较一档小) 。传动速比要比一档小。二档使 用于转矩增大的需要程度次于车速和加速度的需要时。由于汽车已在行驶，因此 推动汽车前进所需的转距较起动时小( 图2 _ 4 ) 。 图2 3 一档传动路线 图2 4 二档传动路线 当要增加汽车速度和希望考虑燃油经济性时，可采用三档，使发动机转速和 转矩的增大进。步降低( 图2 5 ) 。 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 吲2 5 二档传动路线 四档通常为直接传动( 传动比l ：1 ) ，因而变速器的输入转矩与变速器输出转 矩相同( 图2 6 ) 。这档位用于经济行驶速度( 也称巡行速度) 可提高燃油经济性。 当汽车处于四档状态时，汽车的后备功率较二档和三档时小。要超过行驶较慢的 汽车，变速器常须降低档位至三档，利用三档转矩较四档稍大的优点，从而产生 足够的加速度。 图2 6 四档传动路线 图2 7 五档传动路线 许多当今的变速器还有一个五档，称为超速档。超速档的传动比小于1 ：1 。 其传动比的获得通过使用一大主动齿轮与一小从动齿轮啮合( 圈2 7 ) 。输出转速 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 增加，转矩减小。超速档的作用是提高燃油经济性，并在高速公路保持经济行驶 速度时降低运行噪声。 图2 8 倒档传动路线 通过使用一倒档中间齿轮，输入与输出的转矩方向反向，变速器第二轴以前 进档的反方向转动( 图2 8 ) 。一般来说，倒档使用与一一档大小大致相同的齿轮再 加上一个倒档中间齿轮，因此倒档仅能获得低速。 2 1 3 离合器 在试验台设计中，选用汽车实际使用的离合器。 在汽车传动系中，作为离合器的驱动件即一大质量的圆盘( 飞轮) ，连于曲 轴的后端。飞轮的后端面为很光滑的机加工平面。当离合器接合时，发动机曲轴 的旋转运动从飞轮通过离合器传至变速器。此旋转运动接着通过变速器传至主减 速器，然后通过半轴传至轮胎，使汽车运行。 图29 离合器的工作原理图 l 一离合器盖2 一离合器从动盘3e 轮 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 离合器总成固定在发动机后部，并通过飞轮直接连于发动机曲轴。离合器的 作用是平稳地接合并断开通往传动系其余部分的发动机动力。其中飞轮的作用是 用来减小曲轴的振动，对曲轴转动施加惯性力，以及作为起动电动机传动的大齿 轮。 离合器的工作原理：离合器从动盘夹在飞轮和压盘组件中作为离合器总成的 从动部件( 图2 9 ) 。飞轮驱动离合器从动盘的前侧，压盘驱动离台器从动盘后侧。 在离合器从动盘的中心有一带花键的毂，与变速器轴上花键相啮合。压盘通过弹 簧张力保持与离合器从动盘的后摩擦镶面相接触。 若要分离离合器，驾驶员应踩下离合器踏板。操纵机构迫使分离轴承和分离 叉向前，使压盘与从动盘分离( 图2 一l o ) 。由于离合器从动盘不再与飞轮和压盘 接触，贝| j 离合器为分离状态。若要接合离合器，驾驶员应松开离合器踏扳，使之 从地板向上移，控制操纵机构使分离轴承和分离杆向后移，压盘弹簧的张力迫使 压盘和从动盘顶住飞轮。发动机转矩再次作用在离合器从动盘摩擦面和带花键的 毂上，从而驱动变速器的输入轴。 恻2 1 0 离合器总成的主要部件 l 一变速驱动桥壳2 一离台器从动盘3 一压盘4 一离合器盖5 一分离轴承 6 分离叉7 一分离杆8 一分离杠杆碟形弹簧 9 一减振器弹簧l o 一发动机飞轮 2 1 4 万向传动装置 汽车的传动轴及其万向节常称为万向传动装置。万向传动装置将转矩从变速 第二章汽车变速器总成交捡试验台的设计要求分析 器传至驱动车轮。后轮驱动( r w d ) 汽车除发动机外传动系均固定在车身底下，发 动机固定在底盘前部，相关的动力系部件延伸至后驱动车轮。后轮驱动车型采用 长传动轴，连接变速器与后桥。 图2 一1 1 典型传动轴 l 一套筒叉( 滑动叉)2 - - 传动轴3 一联接凸缘 后轮驱动车型的万向传动装置的传动轴通常为由两万向节和一滑套联接组 成的钢管( 图2 1 1 ) 。传动轴将动力从变速器输出轴传至后驱动桥。经过桥壳中 的差速器将动力传至后驱动车轮，然后使车向前或向后运动。 2 1 5 后桥总成和驱动桥 ( 1 ) 后桥总成 后桥壳内安装了整个后车轮驱动桥总成。后桥壳除了容纳零件，也作为固定 车辆后悬架和制动系统的部位。后桥总成还有三种其他主要功能：使动力流线的 方向转变9 0 ；使驱动车轮在转弯时能分别以不同转速转动；用作主减速器齿轮 减速装置。 ( 2 ) 驱动桥 在后轮驱动车型上，半轴位于驱动桥壳的空心水平管内，半轴的作用是将转 矩从差速器半轴齿轮传至驱动车轮。半轴由高强度钢材制成，其内端开有键槽， 与差速器中半轴齿轮孔相啮合。驱动车轮通过螺栓连于半轴外端的车轮凸缘上。 车轮随轴转动，从而使车行驶。 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 2 2 汽车变速器的功能、要求 2 2 1 汽车变速器的功能 由汽车传动系的构成可看出，变速器是汽车传动系统中主要部件之，其功 能主要包括： ( 1 ) 改变发动机传递到驱动轮上的转矩和转速； ( 2 ) 在发动机旋转方向不变的前提下使汽车能倒向行驶； ( 3 ) 在发动机不熄火的情况下切断发动机与传动系统的动力传递，使汽车 停车、滑行和起步。 22 2 对变速器的要求 变速器应有合理的档位数及传动比，换档性能要稳定、可靠、轻便，不应有 自动脱档、乱档等现象发生，另外变速器在高速转动中应有严格的噪声要求。 2 3 手动变速器与自动变速器的性能比较 目前有级机械式手动变速器和自动变速器应用都很广泛，但各有优缺点，比 较如下f l o 1 i 】f l “1 1 3 1 。 23 1 机械式手动变速器 汽车传统的传动系统应用的是有级机械式手动变速器，使用这种变速器有如 下特点： ( 1 ) 结构简单 传动机件均使用齿轮、花键毂、接合套等机械性零部件组装而成，传动可靠、 结构简单是传动系统中最传统的设计思想，并得到了广泛的应用。 f 2 ) 体积较小 由于结构简单，制造起来可以使其变速箱体设计较小，所以汽车传动系统结 构紧凑，有利于减小汽车整体的外形尺寸。 ( 3 ) 制造成本低 由于结构简单，机械零件设计与制造精度不十分高，装配精度也较低，所以 工人装配与修理均比较容易。 f 4 ) 传动效率高 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 传统变速器最主要特点是，传动效率高。由于是机械传动，动力传递损失可 以控制在很小范围之内，基本上只有摩擦损失与搅油损失，所以功率浪费较少。 由此可以达到节油之目的，传动十分可靠。 f 5 1 操作复杂 汽车在行驶中，驾驶员要根据车辆运行不同工况与行驶中特殊条件，要不断 选择不同档位进行更换。这样势必给驾驶员造成操作上的复杂与劳累，同时在频 繁的换档与离合过程中，机件会造成频繁的磨损，以致影响换档的精确性与平顺 性。 ( 6 ) 传动负荷率低下 尽管有级变速器能够基本满足汽车行驶中的需要，但是由于档位设计有限， 驾驶员操作强度有限，所以功率浪费是可观的，这样造成油耗增加。 ( 7 ) 热负荷稳定性差 机械式有级变速器总是与摩擦式离合器相匹配，但是离合器的热稳定性直接 与其动力传递质量如何有直接关系。其中，离合器容量设计与选择是否合理，对 汽车行驶与传动系寿命如何有很大的影响。有级变速器的动力偶合形式有很大不 足，造成热负荷不稳定，而直接影响传动系统的稳定工作。 以上是机械有级变速器在汽车中使用时所出现的特点。有优点也有缺点，所 以至今仍不失为主要的汽车变速系统，并得到广泛应用。 2 3 2 液力偶合自动变速器 随着汽车技术日新月异的发展，在本世纪4 0 年代末与5 0 年代初，汽车i 二出 现了可根据车速与节气门的位置，而自动切换档位的液力自动变速器。并有如下 特点： ( 1 ) 动力偶合自动完成 此种变速器最大特点是省去了机械摩擦式离合器。动力自动偶合于传动系 统，并降低了驾驶员劳动强度，使其操作简单可靠。 ( 2 ) 提高了传动系统寿命 由于自动变速器中没有了机械式离合器，这样使其传动机件免除了高强度的 摩擦与磨损，有效地提高了传动机件的寿命，并保障了使用的可靠性。 f 3 ) 提高了汽车通过性能 这是自动变速器与机械有级变速器最本质的区别。由于是液力传动，驱动轮 上的驱动力是逐渐增加，可以自动根据其汽车行驶工况的不同与需要，来适当地 输出应有的动力，因而减少了汽车起步时驱动车轮的滑转。使起步容易并且平稳。 尤其重要的是可以使汽车稳定车速降得很低，并能保证发动机正常工作而不至于 第一章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 熄火。其主要原因是，由于液力偶合，发动机输出扭矩可以完全与传动系匹配。 汽车传动系统在行驶中的需求，可以得到充分的满足。把原来离合器中较硬的连 接，变成软连接：死连接即固定式连接，变成活连接即可变连接。由此发动机 二 作可获得可靠性与连续性，进而提高了汽车在不同条件下的通过性。 ( 4 1 提高了汽车的舒适性 自动变速器的切换档位是自动完成的。汽车根据其不同车速与节气门的位置 开度不同，由各传感器接受不同信号而自动传输到各执行部件，使其自动判别艿 切换档位。在其切换过程中动作是平滑有序的，故而大大提高了汽车行驶中的平 顺性与乘座中的舒适性。 ( 5 ) 提高了尾气排放净化性 由于自动变速器采用液力传动方式，发动机扭矩输出与外负荷之间的匹配比 较准确，因而使用负荷率可以大大提高，发动机可以工作在经济动力区域。这样 燃料净化程度较高，相当于减少了动力浪费。并使尾气排放污染大大减少，对环 境保护起到重要作用。 ( 6 1 提高运输生产率 自动变速器在动力切换变更过程中是连续完成，中间没有中断，连续性传递 动力，可以减小油耗，消除车速的脉动性，故而保证了汽车的平均车速，提高了 运输生产率并相应减少了运输成本，增加了大修里程。 ( 7 ) 结构复杂、制造困难、成本高 自动变速器中增加了液力传动机构、传感系统、判别系统、执行系统。其中 利用了电子装置、液压装置等高科技技术。因而结构复杂，制造困难，成本自然 高。修理技术相应复杂，并且培训修理工也有一定难度。 ( 8 ) 传动效率低 自动变速器由于采用了液力传动，液力传动特点是可塑性强、适应性好，但 是其传动损失较大，动力有一定浪费。另外，在其动力传递与输出中，执行部件 较多、传递路线较复杂，所以其动力消耗较大。从某种意义上讲，油耗会有一定 增高。可是，就总体而苦，在汽车行驶中。基本处于节油曲线之内，利还是大于 弊，所以汽车自动变速器得到了广泛应用。 目前一些先进的设计是：设计5 速手动、自动一体变速器，变速器中具有一 个智能式控制软件，该控制软件根据驾驶员的开车风格、驾驶情形做适应。5 速 手、自动一体变速器可以让驾驶员利用方向盘一l 的拨片进行手动换档，随意享受 手动变速器的快捷提速和自动变速器的驾驶便利。 第二章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 2 4 机械式手动变速器的主要类型 设计的试验台主要针对手动变速器( 同步啮合变速器) 进行交检测试。 汽车工业中一直使用三种主要类型的手动变速器：滑动齿轮、接合套换档和 同步啮合设计。 ( 1 ) 滑动齿轮变速器 滑动齿轮变速器采用两根或多根平行排列的轴，通过滑动直齿轮相互进行啮 合，提供速度或方向上的变化。驾驶员移动变速杆，变速杆接着移动相应的齿轮 与其配对齿轮进入啮合。若二齿轮中有一齿轮征在转动，则齿轮进入啮合非常困 难，通常要碰撞发出声响才能进入啮合。这种类型的变速器目前仅用于农用和工 业机器。但也有些汽车变速器采用滑动齿轮机构来接合倒档。 ( 2 ) 接合套换档变速器 接合套换档变速器具有装有常啮合齿轮的平行轴。传动比的改变是通过使用 滑动接合套锁定空转齿轮于其轴上来实现的。滑动接合套将相应的齿轮与其轴进 行联接和锁定。齿轮的一侧带有短花键，与滑动接合套的内花键相啮合。由于接 合套用键槽连于轴上，接合套与齿轮的联接即将齿轮与旋转的轴相连。尽管齿轮 和接合套上的花键均有圆角便于换档，但在变换齿轮或接合时仍会发生齿轮碰 撞。 ( 3 ) 同步啮合变速器 同步啮合变速器为装备有同步器的常啮合( 图2 1 2 ) 接合套换档变速器，i _ j j 在接合前对轴和齿轮的速度进行控制。齿轮始终处于啮合，通过同步器的接合和 脱开来选择档位。同步器的作用是消除齿轮碰撞，使齿轮换档平稳。同步啮合变 速器使用在所有现代轿车上，并常在需要进行移动换档的一些其他机器中使用。 图2 1 2 变速器常啮合、完全同步设计 1 一一档和二档同步器和倒档从动齿轮2 一一档齿轮3 一输出轴轴承 4 一车速里程表传动主动齿轮5 一输出轴6 一后轴承弹性挡圈 7 一倒档中间齿轮8 一齿轮组 9 一中间轴1 0 输入轴和齿轮1 卜前轴承弹性挡圈 1 2 一输入轴轴承 1 3 三档和四档同步器1 4 一三档齿轮1 5 一二档齿轮 第一章汽车变速器总成交检试验台的设计要求分析 当离合器接合时，发动机转矩作用在变速器输入轴( 第一轴) 上。第一一轴伸入 变速器箱内，由一大型球轴承支承并有一个与第一轴一体的齿轮。输出轴( 第二二 轴) 轴前端插入第一轴轴端孔中，但可独立旋转。第二轴由第一轴端孔中轴承和 变速箱后部一轴承支承。各种速度的齿轮在第二轴上旋转。第一轴和第二：轴组件 的下部或侧面固定一中间轴，其上装有几种尺寸的齿轮。这些齿轮除一个齿轮外， 均与第二轴上齿轮保持常啮合。还有一个齿轮与第一轴齿轮保持常啮合。 当驾驶员选定一齿轮，该齿轮被锁定或连于第二轴，则出现齿轮换档。这是 通过一个将齿轮与轴相连的接合套的运动来实现的。仅当齿轮和轴以同速旋转 时，换档才可能很平稳无噪声，这就是同步器的主要功能。同步器带动以不同速 度旋转的部件成为一个同步速度，也可用来使这些部件锁定在一起。所有现代汽 车变速器的前进档均为同步的。一个单同步器放在两个不同速度齿轮之间，因此 变速器具有两个或三个同步器组件。倒档通常不用同步器，因为同步器作用要求 齿轮旋转，而当选择倒档时，通常汽车处于不动状态。 2 5 变速器噪声和异晌 变速器的检测中，对噪声和异响有严格的要求，以下简单分析噪声和查找异 响的办法。 2 5 1 噪声 虽然设计上采用各种优化设计来降低噪声，但是仅仅按设计要求制造并不能 完全解决噪声问题，解决噪声问题应注重制造工艺。为了进一步了解总成噪声与 零件设计制造的关系，必须进行深层次的研究，明确技术