车辆毕业设计车辆坡路起步防溜车装置毕业论文.doc

车辆毕业设计车辆坡路起步防溜车装置毕业论文目录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1手动挡汽车坡路起步溜车情况分析11.2汽车的主要结构概述21.3课题背景51.4主要研究内容72设计方案的选择82.1汽车坡路起步方法82.1.1现象82.1.2原因82.1.3正确的操作方法82.2汽车坡路起步的受力分析92.2.1汽车停在坡路上所受到的作用力92.2.2汽车起步中的受力变化情况102.3方案选择123 汽车坡路防溜车机构设计构思和总体设计143.1机构设计构思143.1.1手动变速箱的基本工作原理143.1.2棘轮机构的工作原理173.1.3花键连接193.2机构的设计203.3本章小结264防溜车装置控制机构设计274.1机构设计构思274.2汽车变速器操控机构的工作原理274.3控制机构的设计314.4机构整体工作过程324.5本章小结345装置平面设计355.1 棘轮盘365.2 棘爪盘365.3 控制拨叉375.4小结386 构件的材料选择与设计计算396.1材料的选取396.2设计计算396.2.1变速器中间轴计算396.2.2棘爪计算416.2.3校核计算427 总结与展望45参考文献47致谢48附录4964山东科技大学学士学位论文1 绪 论虽然当今各种高效变速器已经得到应用，但在日常生活中我们遇到的大多还是以手动机械式变速器为主，而采用手动变速器的汽车不可避免地要遇到一个工况就是汽车在坡路上起步的问题。坡路起步时，许多驾驶员由于经验不足或技术不佳，经常出现坡起熄火或溜车现象，发生事故。随着我国各大城市机动车量迅速增加，堵车跟随的情况时有发生。为提高汽车运行的安全性，汽车坡路起步辅助装置不仅深受驾驶员青睐，也逐渐成为汽车产业中新的增长点。1.1手动挡汽车坡路起步溜车情况分析随着我国汽车工业的飞速发展和人们生活水平的日益提高，轿车走入家庭已成为现实，开车已逐渐成为现代人必须掌握的基本技能之一。但是大量新手新车上路给交通带来了巨大的安全隐患，新手开车的一个主要问题就是坡路起步时溜车（手动挡汽车），从而造成交通事故。手动挡汽车通过离合器的结合将发动机输出的扭矩传递到传动系，使机动车行驶。通过离合器的分离断开发动机与传动系的扭矩传递，使发动机空载运转。当踩下离合器踏板到底端位置时，离合器处于结合状态，此时就断了发动机与传动系之间的动力联系。在机动车运行中，有些情况是需要将离合器踏板踩至顶端与底端之间的中间位置（俗称半联动状态），比如机动车在山坡路面向上起步时，就需要这种状态，以保证机动车的平稳运行。半联动状态需要根据承载载荷以及上坡的坡度大小来调整控制，也就是说，使离合器踏板处于中间什么位置是需要根据实际情况来调整的。对于熟练的手动挡机动车驾驶员来说，根据经验可以较好的控制半联动状态，使汽车平稳起动。但如控制不好离合器踏板和油门踏板，就可能产生向后溜车或发动机熄火现象，这时由于松开了制动，而离合器又未接合汽车处于空挡状态，汽车在重力作用下就会向后溜车，这对新驾驶员尤为严重，产生溜车会造成交通事故。若要正常起步，必须在离合器半联动状态下加油，然后缓慢抬起离合器踏板，这一操作过程会使离合器长时间处于打滑状态，从而降低离合器寿命。这种工况时有发生，尤其在那些丘陵和山地地区，由于坡路情况较多，如果驾驶员操控不好，很容易发生汽车后溜伤人或是与其他汽车发生碰撞，从而导致交通事故的发生，引起不必要的纠纷。为了进一步说明手动挡汽车坡路起步溜车的原因和机理，需要对汽车的工作原理作简要介绍。1.2汽车的主要结构概述汽车是由动力装置、底盘、车身、电器仪表等四部分组成的，是用来在送人员和货物的运输工具。人们从事生产活动离不开汽车。在日常生活中，汽车特别是轿车是经常使用的交通工具。汽车工业出现的高新技术多数在轿车上首先得到应用。目前，轿车的产量、保有量占汽车总产量和保有量的绝大多数。一方面，拥有轿车标志着人们生活水平的提高；另一方面，大量运行着的汽车所造成的公害又降低了人们的生活质量。因此，人们对汽车提出越来越多的要求。这就促使汽车设计人员对汽车各个性能部件加以改进和完善。汽车除了动力系统以外另一大重要系统就是传动系统。汽车传动系统的基本功用是将发动机发出的动力传动给驱动车轮。传动系统的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形势和性能，汽车总体结构形式，汽车形式系及传动系本身的结构形式等许多因素。目前广泛采用的是发动机发出的动力依次经过离合器，变速器，由万向节和传动轴组成的万向传动装置以及安装在驱动桥中的主减速器，差速器和半轴传到驱动轮的结构。如图1.1所示：图1.1 汽车传动结构1离合器 2变速器 3万向节 4驱动桥传动系统的首要任务是与发动机协同工作，以保证汽车能在不同使用条件下正常行驶，并具有较好的动力性和燃油性。离合器是汽车传动系中直接与发动机相连的部件，在汽车起步前，先要启动发动机，这时应使变速器处于空挡位置，将发动机与驱动车轮之间的联系断开，并卸除发动机负荷。待发动机已经启动并开始正常的怠速运转后，方可将变速器挂上一挡位，使汽车起步。汽车起步时，是从完全静止的状态逐步加速的。如果传动系与发动机刚性联系，则变速器一挂上挡，汽车将突然向前冲一下，但并未起步。这是因为汽车从静止到前冲时，产生很大惯性力，对发动机造成很大的阻力矩。在这种阻力矩的作用下，发动机的转速在瞬间急剧下降到最低稳定转速以下，发动机即熄火而不能工作，当然汽车也不能起步。传动系统中装设了离合器后，发动机起动后，汽车起步之前，驾驶员先踩下离合器踏板，将离合器分离，使发动机与传动系分开，再将变速器挂上挡，然后逐步松开离合器踏板，使离合器逐渐接合。在离合器接合过程中，发动机所受阻力矩也逐渐地增加，故应同时逐渐踩下加速踏板，即逐步增加发动机的燃料供给量，使发动机的转速始终保持在最低稳定转速以上，而不致熄火。由于离合器的接合紧密程度逐渐增大，发动机经传动系传给驱动车轮的转矩便逐渐增加。到牵引力足以克服起步阻力时，汽车即从静止开始运动并逐步加速。因此，保证汽车平稳起步是离合器的首要功用；其次保证传动系换挡时工作平稳。在换挡前也必须踩下离合器踏板，中断动力传递，便于使原用挡位的啮合脱开，同时有可能使新挡位啮合副的啮合部位的速度逐渐趋于相等，这样可使进入啮合时的冲击大大减轻。变速器的功用是改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，如起步、加速、上坡等，同时使发动机在有利的工况下工作；其次，变速器在发动机旋转方向不变的前提下能使汽车倒退行驶；还有就是利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够起动，怠速，并便于变速器换挡或进行动力输出。万向传动装置一般由万向节和传动轴组成。汽车上任何一对轴线相交且相对位置经常变化的转轴间的动力传递，均须通过万向传动装置。图1.2 汽车透视图驱动桥由主减速器、差速器、半轴和驱动桥壳等组成。其功用是：1.将万向传动装置传来的发动机扭矩通过主减速器，差速器，半轴等传到驱动车轮，实现降速，增大转矩；2.通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩传递方向；3.通过差速器实现两侧车轮差速作用，保证内，外侧车轮以不同转速转向。1.3课题背景虽然当今各种高效变速器已得到应用，但在日常生活中我们遇到的大多还是以手动机械式变速器为主，而采用手动变速器的汽车不可避免地要遇到一个工况就是汽车坡路起步问题。对于手动挡汽车，如控制不好离合器踏板和油门踏板，就可能产生向后溜车或发动机熄火现象，对新驾驶员尤为严重，产生溜车会造成交通事故。若要正常起步，必须在离合器半联动状态下加油，然后缓慢抬起离合器踏板，这一操作过程会使离合器长时间处于打滑状态，从而降低离合器寿命。目前，对坡路防溜车系统的研究并不多，对于坡路上溜车的情况更多的是通过驾驶员的驾驶技术来弥补，这样就增加了驾驶员驾驶汽车的难度，提高了对驾驶员的要求。其中设计方案案例：有人研发出了一种防止汽车坡路溜车的装置，名为机动车坡路起动制动器。该装置按照棘爪与棘轮配合，棘轮只能向一个方向转动的原理设计，主要由坡起刹车开关、电磁阀、棘爪、带棘轮的机动车轮毂、气压缸或液压缸等组成。其电力、气压或液压动力均采取机动车上原有的配置。坡起刹车开关安装在驾驶员能够方便操作的方向盘附近，坡起刹车开关下接电磁阀，电磁阀控制气压缸或液压缸活塞的行程和位置，气压缸或液压缸固定在机动车底架上，棘爪安装在气压缸或液压缸的出轴上，并与机动车轮毂上的棘轮相配合，气压缸或液压缸的活塞运动时棘爪能够方便地卡住或脱离棘轮。机动车需要半坡起步时，首先按下坡起刹车开关，这时通过电磁阀向气压缸或液压缸的一端注入压力流体，活塞带动棘爪向机动车轮毂上的棘轮运动，棘爪卡入棘轮槽中，于是机动车轮胎只能向前方转动，不能向后溜车。此时，驾驶员便可按照平地起步的操作程序操作，起动机动车运行。机动车运行平稳后，断开坡起刹车开关，电磁阀向气压缸或液压缸的另一端冲入压力流体或用弹簧回位，活塞带动棘爪脱离棘轮齿槽回到原位，以减少棘轮与棘爪的磨损。其具体结构如下图：其中，1为坡起刹车开关；2为二位四通电磁阀；3为安装在汽车底盘上的气压缸；4为连接在汽缸出轴上的棘爪；5为汽车轮毂上的直接加工出的棘轮。汽车停在半坡时，拉起手动刹车手柄，使汽车制动，停止下滑。汽车要进行半坡向上起动时，按下坡起刹车开关1，通过电磁阀2向气压缸3的一端充气，活塞带动棘爪4向机动车轮毂上的棘轮5方向运动，棘爪卡在棘轮齿槽内，棘爪与棘轮5的齿槽配合卡紧后，棘轮不能反方向旋转，限制了车体下滑，起到了防止溜车的制动作用。此时，松开手动刹车手柄，机动车起动，由于此时有制动器的作用，车体不会下滑，所以可以像在平地起动一样操作。上坡完成后，松开坡起刹车开关1、气压缸3的活塞在控制电路作用下反方向运动，棘爪4与棘轮5脱离，从而减少不必要的棘爪、棘轮磨损。 图1.3 动车坡路起动制动器该制动器能很好地防止汽车坡路起车溜车的现象发生，但个人认为该机构也存在一些不足之处：由于需要开关控制，这就为汽车操纵增加了步骤，也为驾驶员增添了负担，并且如果操纵开关时出现疏忽，将会导致汽车无法倒挡行驶，引起不便。所以若能设计出一套更方便、操纵更简单的机构来实现坡起防溜车的话，意义更加重大。目前，汽车上配有各种制动机构，如盘式制动机构、鼓式制动机构、蹄式制动机构、带式制动机构、箍式制动机构等，这些均是针对汽车的正常制动使用的，很少发现针对坡路起步时防溜车的汽车制动器。这对山路较多地区的初学驾驶者，存在着极大的不便和交通隐患。1.4主要研究内容针对手动挡汽车坡路起步溜车的问题，本课题将设计一套防溜车装置。设计这样一套装置，主要包括以下几项任务：1）分析车辆传动系统的工作原理，确定在哪一个环节上进行设计开发。汽车挂I挡向后溜车时，整个传动系（离合器被动摩擦片至车轮）都会发生倒转，这时在任何一个环节上添加防止倒转的装置都可以起到防止溜车的作用。本课题首先要根据传动系统各环节的特点、设计要求、难易程度等来确定在哪一个环节（离合器、变速器、传动轴、差速器、车轮）设计这样一套装置。 2）防倒转装置设计根据选定环节的工作特点，设计出简单易行的防倒转装置。3）操纵机构设计为延长所设计机构的寿命，降低故障率，设计机构应只在I挡时工作，在其他档位时脱开停止工作，所以要设计成可调的机构。2设计方案的选择2.1汽车坡路起步方法坡路起步是指汽车在一定角度的坡路上起步，是新驾驶员必须具备的基本技能之一。据统计，由于坡路起步后溜造成的车辆事故呈逐年上升趋势，同时，它也是新驾驶员学习的难点。其实汽车坡路起步并不难，只要正确掌握操作要领，把握几个关键点，就可以实现顺利起步。2.1.1现象从汽车坡路起步操作失败的现象来看，主要有两种情况：一是起步熄火；二是起步后溜。2.1.2原因主要有三个方面：一是油门跟不上；二是松手制动的时机不当；三是油门和离合器配合不好。2.1.3正确的操作方法（1）有手制动起步方法。保持正确的驾驶姿势，注意前方道路的各种交通情况，不得低头下看。其操作顺序是左脚踩离合器踏板，加速杆挂入低速档，右脚徐徐踏加速踏板，左脚慢放离合器踏板，当反映至发动机声音有变化或车身稍有抖动时，迅速松开手制动，并再稍踏下加速踏板，慢抬离合器踏板。注意，此时不能立即放松离合器踏板，而是要先跟油门后松离合器。因为上坡时汽车阻力大，起步所需动力也要大一些。关键是松手制动时机。若松得过早，会使车辆后溜；若松得过迟会造成熄火。最佳时机是当离合器踏板抬至半联动位置，发动机声音有变化时，立即松开。坡道起步要领可归纳为：音变、车抖、稍一停，紧跟油门松制动，油门大小看坡度，不溜不冲不熄火。（2）无手制动起步方法。因无手制动或手制动有故障时，应采取无手制动起步方法。操作顺序是左脚踩下离合器踏板，右手将变速杆挂入低速档；右脚脚跟踏下制动板，右脚前掌踏在加速踏板上。起步时，右脚前掌踏下加速踏板，右脚脚跟稍踏下制动板，左脚慢抬离合器。起步后，应完全松开离合器踏板。关键点右脚前掌与脚跟随的配合。这种坡道起步方法难度较大，不易掌握，一般情况下不提倡使用，只作为一种应急方法。2.2汽车坡路起步的受力分析2.2.1汽车停在坡路上所受到的作用力如图2.1所示，若汽车稳定停在坡角度为的道路上，此时汽车的机械状态是：手刹处于拉紧状态，变速杆置于空挡位置。此时，制动器会对车轮产生相应的制动力，通常称为制动器制动力。同时汽车在重力及坡度综合作用下，会产生相对于汽车前进而言的坡度阻力，该力的数值可由表示，其中G为汽车的重量。另外，汽车被制动的车轮会在地面的作用下，受到一个附着力的阻滞作用，该力正是汽车能安全停在坡道上的主要依据。在垂直坡道方向上的投影。此时，汽车所受到的外力应满足下列基本关系式： 式(1.1) 式(1.2)式(1.1)表示沿坡道方向的力是大小相等，方向相反，形成平衡的状态；式(1.2)表示沿垂直坡道方向的力是大小相等，方向相反，形成平衡状态；同时，该力也是形成附着力的基础，为驱动汽车行驶提供条件。图2.1 停在坡路上的汽车受力情况2.2.2汽车起步中的受力变化情况设分析对象是后轮驱动汽车，在挂上前进挡一挡，发动机发出足够大扭矩的前提下,若驾驶员逐渐松开离合器，就会通过传动装置将发动机产生的动力传递到驱动车轮，具体如图2.1中所示。在这一过程中，汽车运动状态集中表现在驱动车轮上。随着驾驶员不断结合离合器的操作，汽车驱动轮上作用的驱动力,制动器制动力 将按照图2.2 所示的趋势发生变生变化,汽车行驶的坡度阻力（该力也是汽车下滑力）将维持固定不变。具体情况分析如下：（1）图2.2中，横坐标为离合器行程，纵坐标为作用在驱动车轮上的力。沿水平坐标段，表示离合器逐渐消除自由间隙，到T点后离合器主、从动片开始结合，手制动器产生的制动力与下滑力（坡度阻力）互相抵消，即使有，保持汽车不发生溜滑。若驾驶员在此工段内松开手制动器，也就是使，则汽车驱动车轮受到合力仅为，汽车在的作用下，无疑地将发生向后溜车。图2.2 汽车坡路起步受力分析（2）段，离合器将发动机的扭矩通过传动系传到车轮，对车轮施加一个逐渐增大的驱动力，直至达到与点对应的，具体如图2.2中段所示。与此同时，手制动产生的摩擦制动力逐渐减小，直至与点对应的为止。在这一段中，汽车是在手动制动器制动力及离合器通过传动系传到驱动车轮的驱动力的共同作用下，保持自身不向后溜滑的。若此时分离离合器，制动器的摩擦制动力会自动适应，保持汽车稳定地停在原地不动；但若此时松开手制动器（如图中m点所示），则驱动力（对应点）不足以克服汽车的下滑力，即，致使汽车发生向后溜车的现象。但此处的点是临界点，在该点手动制动器的摩擦制动力彻底消失（），若在点松开手刹，则可保持汽车原地不动。（3）段，过点后，继续结合离合器，致使传动到驱动轮的驱动力超过了行驶阻力的极限值（如图2.2中点所示）；但此时手制动器仍处于制动状态，其所产生的摩擦制动力不是防止汽车向后溜滑，而是阻碍汽车前进行驶（如图2.2中点所示）。故由图2.2可看出此时手制动器产生的制动力已经变成了负值，若此时松开手刹，消除反向制动力，汽车已经可以实现顺利起步向前行驶。（4）段，继续结合离合器，使驱动力超过手制动器逆向制动力与下滑力之和，即有:，此时手制动器动力已经达到逆向制动的极限值，车轮开始转动；汽车开始起步上坡行驶。在这种情况下，发动机及传动系所发出的牵引力不仅克服坡道造成的阻力，而且还克服手制动器的阻滞制动力，强行走车，此时将造成油耗升高，刹车片异常磨损。故汽车在此段内工作时应尽早松开手制动器。2.3方案选择通过对汽车结构详细分析后，发现要控制汽车坡路起步不溜车，可通过多方面途径实现，上文中提到的方案案例不失为可行的办法，但由于其在一定的不足之处。下面，简单介绍一下几种思考方案：（1）在离合器中添加机构控制汽车坡路起步溜车。汽车起步时，离合器发挥着重要的作用，通过其分离与结合可实现汽车起步与换挡的动作。如果在离合器上添加相应机构，使其分离与接合在瞬间能够完成，即使离合器不出现打滑状态，也可以很好地控制汽车起步。但是，这种控制机构要求很高且结构相当复杂，很难完成。况且，当今自动挡变速器中，由于电脑参加了其相应的控制过程，使离合器的工作达到了很精确的程度，也已实现了控制汽车坡路起步后溜的目的，这也就是为什么自动挡汽车不会发生溜车现象的原因。（2）在汽车传动轴上添加控制机构。汽车在坡路上发生溜车时，传动轴由于车轮倒转的作用也会伴随其进行倒转，如果在传动轴上添加一个防止其倒转的机构是不是就可以防止溜车了呢？答案是否定的。的确，防止传动轴倒转后汽车不会后溜车，但是，这样一来，汽车的倒车运动也将随之无法实现，即使为其添加控制机构，使其在倒车时不工作也是非常不便的，不但增加了操控难度，也干扰了汽车正常工作，不是一个很好的办法。（3）在汽车主减速器上添加控制机构。主减速器的功用是将输入的转矩增大并相应降低转速。其内部的齿轮和轴的转动方向与驱动轮和传动轴的转动方向也是同步的，如果控制了主减速器，其结果与控制汽车传动轴无异。也不能达到预期的目的。得不到理想的效果。（4）在变速器内添加控制机构。变速器是汽车中相当重要的一个机构，并且其结构虽然复杂但其中有不少规律。研究发现，汽车无论是前进、加速还是倒车，变速器都起到相当重要的作用，并且加速器中间轴在这一系列的工作中始终保持相同的转速和转向。如果控制好变速器中间轴的转向，就能控制好其后各阶段轴的转向，从而达到控制其不溜车的目的。并且，由于其转向不与汽车运动状态有关，无论汽车进行何种操作都不会受到影响。机构的添加不影响汽车的正常行驶。通过对各种想法方案的分析比较，发现方案（4）最具合理性和可行性。图2.3为汽车三轴变速器传动示意图，通过分析发现，汽车无论起步、前进还是倒车，动力传递都要通过2中间轴。并且，在各个动作过程中，2中间轴始终保持匀速同转向转动。而发生后溜车现象时，3倒挡轴转动将带动2中间轴倒转。这样如果控制了中间轴的转向，使其不能进行倒转，则可避免汽车后溜车现象发生。可根据这一思路进行坡路防溜车装置的设计。 图2.3 汽车五挡三轴变速器传动示意图3 汽车坡路防溜车机构设计构思和总体设计3.1机构设计构思发生坡路溜车的汽车均为手动挡汽车，这是由手动变速箱的结构特点所决定的。手动变速器，也称手动挡，即用手拨动变速杆改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。踩下离合器时，方可拨得动变速杆。自动变速器，利用行星齿轮机构进行变速，它能根据油门踏板程度和车速变化，自动地进行变速。而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。因此通过对手动挡汽车传动系统的学习及分析可断定该装置可从汽车手动变速器入手。下面先来了解一下汽车手动变速器的工作原理。3.1.1手动变速箱的基本工作原理为了更好的理解变速箱的工作原理，下面先来看一个2挡变速箱的简单模型，看看各部分之间是如何配合的。图3.1 变速箱简易模型输入轴通过离合器和发动机相连，轴和上面的齿轮是一个部件。中间轴和齿轮一起旋转，输入轴旋转通过啮合的齿轮带动中间轴的旋转，这时，中间轴就可以传输发动机的动力了。花键轴，直接和驱动轴相连，通过差速器来驱动汽车。车轮转动会带着花键轴一起转动。齿轮在花键轴上自由转动。在发动机停止，但车辆仍在运动中时，花键轴上的齿轮和中间轴都在静止状态，而花键轴依然随车轮转动。另一齿轮和花键轴是由套筒来连接的，套筒可以随着花键轴转动，同时也可以在花键轴上左右自由滑动来啮合齿轮。图3.2 变速箱简易模型挂进一挡时，套筒就和花键轴上右边的齿轮啮合.如图3.2所示，输入轴带动中间轴，中间轴带动花键轴上右边的齿轮，齿轮通过套筒和花键轴相连，传递能量至驱动轴上。同时，花键轴左边的齿轮也在旋转，但由于没有和套筒啮合，所以它不对花键轴产生影响。当套筒在两个齿轮中间时，变速箱在空挡位置。两个齿轮都在花键轴上自由转动，速度是由中间轴上的齿轮和花键轴上齿轮间的变速比决定。注意，倒挡是通过增加一个小齿轮简单实现的。换挡杆通过三个连杆连接着三个换挡叉。在换挡杆的中间有个旋转点，当拨入一挡时，实际上是将连杆和换挡叉往反方向推；左右移动换挡杆时，实际上是在选择不同的换挡叉（不同的套筒）；前后移动时则是选择不同的齿轮（蓝色）。5挡手动变速箱应用已经很普遍了，以下是其模型。图3.3 手动五挡变速箱简易模型倒挡是通过一个中间齿轮来实现。如图3.3所示，倒挡齿轮始终朝其他齿轮相反的方向转动。因此，在汽车前进的过程中，是不可能挂进倒挡的，套筒上的齿和倒挡齿轮不能啮合，但是会产生很大的噪音。图3.4 同步装置同步装置使套筒上的齿和输出轴上的齿轮啮合之前产生一个摩擦接触。输出轴齿轮上的锥形凸出刚好卡进套筒的锥形缺口，两者之间的摩擦力使得套筒和输出轴齿轮同步，套筒的外部滑动，和齿轮啮合。通过以上仔细分析和研究，发现无论汽车处于哪个挡位变速器内的中间轴总是向着一个方向转动，即中间轴的转向始终不变。而汽车在坡路起车时，如果发生溜车现象即为变速器处于一挡位时中间轴发生了倒转。因此，如果在一挡时添加机构使中间轴只能按原方向转动，不能发生倒转，就可以解决溜车现象的发生。3.1.2棘轮机构的工作原理棘轮机构是由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构，主动摇杆作连续的往复摆动，从动棘轮作单向间歇运动，止动棘爪可阻止棘轮的逆向转动。棘轮轮齿通常用单向齿，棘爪铰接于摇杆上，当摇杆逆时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮齿以推动棘轮同向转动；当摇杆顺时针方向摆动时，棘爪在棘轮上滑过，棘轮停止转动。为了确保棘轮不反转，常在固定构件上加装止逆棘爪。摇杆的往复摆动可由曲柄摇杆机构、齿轮机构或摆动油缸等实现，在传递很小动力时，也有用电磁铁直接驱动棘爪的。棘轮每次转过的角度称为动程。动程的大小可利用改变驱动机构的结构参数或遮齿罩的位置等方法调节，也可以在运转过程中加以调节。如果希望调节的精度高于一个棘齿所对应的角度，可应用多棘爪棘轮机构。 按结构形式分为齿式棘轮机构和摩擦式棘轮机构。齿式棘轮机构结构简单，制造方便，运动可靠；主从动关系可互换，动程可在较大范围内调节，动与停的时间比可通过选择合适的驱动机构实现。该机构的缺点是动程只能作有级调节；噪音、冲击和磨损较大，故不宜用于高速。摩擦式棘轮机构是用偏心扇形楔块代替齿式棘轮机构中的棘爪，以无齿摩擦代替棘轮。特点是传动平稳、无噪音，传递扭矩较大；动程可无级调节。但因靠摩擦力传动，会出现打滑现象，虽然可起到安全保护作用，但是传动精度不高。适用于低速轻载的场合。按啮合方式分外啮合棘轮机构和内啮合棘轮机构。 外啮合式棘轮机构的棘爪或楔块均安装在棘轮的外部，而内啮合棘轮机构的棘爪或楔块均在棘轮内部。外啮合式棘轮机构由于加工、安装和维修方便，应用较广，其缺点是占用空间较大。内啮合棘轮机构的特点是结构紧凑，外形尺寸小。棘轮机构工作时常伴有噪声和振动，因此它的工作频率不能过高。棘轮机构常用在各种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的转位上，也常用在千斤顶上。在自行车中棘轮机构用于单向驱动，在手动绞车中棘轮机构常用以防止逆转。 棘轮防逆转应用机构如图3.5、图3.6所示：图3.5 带式制动器 图3.6 棘轮机构根据以上对棘轮机构的介绍，在本设计机构中，只需要棘轮棘爪配合使轴不发生逆转即可，则可将该棘轮机构简化，只利用其中一部分原理即可达到目的。3.1.3花键连接花键联接由内花键和外花键组成。内、外花键均为多齿零件，在内圆柱表面上的花键为内花键，在外圆柱表面上的花键为外花键。显然，花键联接是平键联接在数目上的发展。因结构形式和制造工艺的不同，与平键联接比较，花键联接在强度、工艺和使用方面有下列特点： （1）.因为在轴上与毂孔上直接而均匀地制出较多的齿与槽，故联接受力较为均匀； （2）.因槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较少； （3）.齿数较多，总接触面积较大，因而可承受较大的载荷； （4）.轴上零件与轴的对中性好，这对高速及精密机器很重要； （5）.导向性好，这对动联接很重要； （6）.可用磨削的方法提高加工精度及联接质量； （7）.制造工艺较复杂，有时需要专门设备，成本较高。花键适用于定心精度要求高、传递转矩大或经常滑移的联接。花键联接按齿形的不同，可分为矩形花键和渐开线花键两类，这两类花键均已标准化。矩形花键 按齿高的不同，矩形花键的齿形尺寸在标准中规定两个系列，即轻系列和中系列。轻系列的承载能力较低，多用于静联接或轻载联接；中系列用于中等载荷。矩形花键的定心方式为小径定心，即外花键和内花键的小径为配合面。其特点是定心精度高，定心的稳定性好，能用磨削的方法消除热处理引起的变形。矩形花键联接是应用最为广泛的花键联接。应用广泛，如航空发动机、汽车、燃气轮机、机床、工程机械、拖拉机、农业机械及一般机械传动装置等等。 渐开线花键 渐开线花键的齿廓为渐开线，分度圆压力角有30及45两种。齿顶高分别为0.5m和0.4m（m为模数）。渐开线花键可以用制造齿轮的方法来加工，工艺性较好，易获得较高的制造精度和互换性。渐开线花键的定心方式为齿形定心。受载时齿上有径向力，能起自动定心作用，有利于各齿受力均匀，强度高，寿命长。用于载荷较大，定心精度要求较高以及尺寸较大的联接，如航空发动机、燃气轮机、汽车等。压力角45的花键多用于轻载、小直径和薄型零件的联接。3.2机构的设计首先，在变速箱内利用棘轮结构的话，要保证棘轮或棘爪有一方是固定不动的。方案（一）.将棘轮盘固定在箱体上，棘爪盘固定在中间轴上随中间轴转动；方案（二）.将棘爪盘固定在箱体上而棘轮随轴进行转动。但方案（一）存在一定的不足之处：当棘爪与棘轮脱离接触，棘轮盘沿轴往回径向运动时。机构停止工作。但此时，汽车在行驶过程中，中间轴不停止旋转，则棘爪盘也随轴同步轴向转动，棘爪盘内由弹簧连接的棘爪在离心力的作用下，在棘轮盘圆孔内做伸缩运动，难免会碰到棘轮盘，引起振动和噪声，同时也对棘爪造成一定的磨损。于是，可选择方案（二）。具体结构如下：图3.7 安装于箱体上的棘爪盘图3.7为安装在箱体上的棘爪盘，中间可添加轴承以支撑和固定中间轴。棘爪盘与箱体采用过盈联接，结构简单，定心性好，承载能力搞，承受变载荷和冲击的性能好。棘爪位于圆孔内，由弹簧与棘爪盘相连，可在孔内伸缩运动。该结构中挖取一部分减轻了棘爪盘的重量，同时节省材料。当棘轮盘轴向运动至棘爪盘处，棘爪在棘爪盘内弹簧作用下沿棘轮齿曲面运动，由于弹簧力作用，棘爪滑至棘轮齿根。 图3.8安装于中间轴上的棘轮盘图3.8为随中间轴转动的棘轮盘，其上的花键槽通过轴上的花键与轴相连，棘轮盘与轴周向固定，保持二者随时同步转动，同时，花键也起到导轨作用，由于花键较长，棘轮盘可在轴上运动，便于棘爪与棘轮的结合与分离。棘轮盘随轴旋转，当轴一挡顺时针旋转时，随轴重复运动。如果一挡时发生溜车现象，则中间轴进行逆时针转动，此时棘轮齿由于有棘爪的阻挡，棘轮盘不能随轴逆时针转动，又因为棘轮盘与中间轴是同步旋转的，则此时中间轴也无法逆时针旋转，达到了不溜车的目的。 图3.9棘爪图3.9为棘爪，圆头状处为棘爪与棘轮齿相结合处，设计成球面是因为棘爪与棘轮齿相结合时，棘轮盘不但随中间轴同步转动同时还进行轴向运动，棘爪圆头状处可沿棘轮齿斜面滑动，球面设计可减少摩擦阻力和磨损，便于棘爪尽快到位。棘爪另一端通过弹簧在棘爪盘圆孔内与棘爪盘相连，可在圆孔内伸缩，保持工作时随时与棘轮齿和齿根相接触。图3.10 弹簧图3.10为连接棘爪盘与棘爪的弹簧图3.11中间轴图3.11为变速器中间轴，中间轴的转动带动棘轮盘转动，同时棘轮盘的运动对中间轴也有控制作用，它们之间通过花键相联接，并且棘轮盘可通过花键轴向移动，从而控制棘爪与棘轮齿的结合与分离。中间轴上还安装有各档位齿轮，两端均通过轴承固定于箱体上。该机构只是在中间轴上添加了花键，为了机构的添加改变了中间轴的一部分尺寸，其余中间轴上的结构于一般变速器内中间轴相同。图3.12控制拨叉图3.13控制拨杆图3.12为控制棘轮盘的控制拨叉，控制拨叉采用不封闭的结构是为了便于其在棘轮盘槽内的安装，同时也可减重和节省材料。（a）（b）图3. 14 装配总图(a)、（b）图3.14为机构装配总图，各零件按装配配合安装。图3.15爆炸图图3.15为装配体爆炸视图，详细表现了各零件的装配位置和装配形式。由于变速箱中结构复杂，各结构的位置一定要紧凑，避免变速箱出现较大的改动。3.3本章小结通过认真研究变速器的工作过程和原理以及棘轮机构的运动特点，逐步设计出了机构的大体结构形式及装配方式。该结构满足了对中间轴转动方向的控制，有效抑制了中间轴倒转的情况出现，达到了预期目的。4防溜车装置控制机构设计4.1机构设计构思上文对汽车坡路防溜车机构的设计进行了说明，但对于这套机构的控制方式却很难入手，因为要求该机构在汽车前进一档时发挥作用，当汽车进入二挡后，为了减少摩擦阻力和出于对机构的保护的目的要求机构在二挡后（包括二挡时）停止作用，以免干扰汽车的正常行驶。实现该机构的控制也有多种方式，比如用人为的控制，通过开关控制机构的运行与否，但这样做的话，不但增加了汽车操纵的步骤，也没有实现机构的自动控制。通过学习汽车变速器的结构，可以利用变速器的控制机构形式，将防溜车机构的控制与汽车档位的控制相统一，这样，汽车一挡操纵后，该机构也随之启动并开始工作，当汽车二挡操纵后，机构由于操纵杆的变化也随之停止工作，能够达到同步工作的目的，满足要求。下面先来看一下汽车变速器操控机构的工作原理：4.2汽车变速器操控机构的工作原理变速器的操纵机构应保证驾驶员能准确可靠地使变速器挂入所需要的任一挡位工作，并可随之退到空挡。大多数汽车变速器布置在驾驶员座位附近，变速杆由驾驶室底板伸出，驾驶员可直接操纵。这种机构称为直接操纵式变速器操纵机构。它一般由变速杆、拨块、拨叉、拨叉轴以及安全装置等组成，多安装于上盖或侧盖内，结构简单，操纵方便。下图所示为解放CA1091型汽车六挡变速器操纵机构的组成与布置示意图。拨叉轴的两端均支承于变速箱盖的相应孔中，可以轴向滑动。所有的拨叉和拨块都以弹性销固定于相应的拨叉轴上。三四挡拨叉的上端具有拨块。三四挡拨叉和一二挡拨块，五六挡拨块，倒挡拨块的顶部有凹槽。变速器处于空挡时，各凹槽在横向平面内对齐，叉形拨杆下端的球头即深入这些凹槽中。选挡时可使变速杆绕其中部球形支点横向摆动，则其下端推动叉形拨杆绕换档轴的轴线摆动，从而使叉形拨杆下端球头对准与所选挡位对应的拨块凹槽，然后使变速杆纵向摆动，带动拨叉轴及拨叉向前或向后移动，即可实现挂挡。例如，横向摆动变速杆使叉形拨杆下端球头深入一二挡拨块顶部凹槽中，一二挡拨块连同一二挡拨叉轴和一二挡拨叉即沿纵向向前移动一定距离，便可挂入二挡；若向后移动一定距离，则挂入一挡。当使叉形拨杆下端球头深入倒挡拨块的凹槽中，并使其向前移动一段距离时，便挂入倒挡。图4. 1变速器操控机构不同变速器的挡数和操纵机构的结构与布置都有所不同，因而，应用于各挡位的变速杆上端手柄位置排列，即挡位排列也不相同。因此，汽车驾驶室仪表板上应标有该车变速器挡位排列图。在有些汽车上，由于变速器离驾驶员座位比较远，则需要在变速杆与拨叉之间加装一些辅助杠杆或一套传动机构，构成远距离操纵。这种远距离操纵机构称为间接操纵式变速器操纵机构。该操纵机构应有足够的刚性，且各连接件间隙不能过大，否则换档时手感不明显。由于布置上的原因，它多用在轿车和轻型汽车上。锁止装置工作过程：图4.2自锁装置（1）自锁装置1）多数变速器的自锁装置由自锁钢球和自锁弹簧组成。2）每根拨叉轴的上表面沿轴向分布有三个凹槽，当任何一根拨叉轴连同拨叉轴向移动到空档或某一工作档位的位置时，必有一个凹槽正好对准自锁钢球。于是自锁钢球在自锁弹簧压力作用下嵌入该凹槽内，拨叉轴轴向位置被固定，从而拨叉连同滑动齿轮(或接合套)也被固定在空档或某一工作挡位上，不能自行脱出。3）换挡时，驾驶员对拨叉轴施加一定轴向力，克服自锁弹簧2的压力将钢球由拨叉轴的凹槽中挤出推回孔中，拨叉轴和拨叉轴向移动。（2）互锁装置 1）主要由互锁钢球及互锁销组成。互锁销装在中间拨叉轴的孔中，其长度相当于拨叉轴直径减去互锁钢球的半径，互锁钢球装于变速器盖的横向孔中。2）在空挡位置时，左右拨叉轴在对着钢球处有深度相当于钢球半径的凹槽，中间拨叉轴则左右均开有凹槽，凹槽中开有装锁销的孔。3）这种互锁装置可以保证变速器只有在空档位置时，驾驶员才可以移动任一个拨叉轴挂挡。若某一拨叉轴被移动而挂挡时，另两个拨叉轴便被互锁装置固定在空档位置而不可能再轴向移动。图4.3互锁装置图4.4倒挡锁（3）倒挡锁1）倒挡锁的作用是驾驶员挂倒挡时，必须对变速杆施加较大的力，才可换上倒挡，起提醒作用，以防误挂倒挡。变速器上多采用弹簧锁销式倒挡锁。2）倒挡锁一般由倒挡锁销和倒挡锁弹簧组成。倒挡锁销的杆部装有倒挡锁弹簧，其右端的螺母可调整弹簧的预紧力和倒挡锁销的长度。3）驾驶员要挂倒挡时，必须用较大的力使变速杆的下端压缩倒挡弹簧，将倒挡锁销推向右方后，才能使变速杆下端进入倒挡拨块的凹槽内，以拨动一、倒挡拨叉轴而推入倒挡。4.3控制机构的设计要达到对机构的控制目的并不简单，因为机构在工作的时候不但做随中间轴的周向转动，还要在控制机构的控制下做轴向移动，并且这一系列的动作都要与变速器的操纵机构相同步。图4.5控制拨叉图4.5为与变速器操纵机构中相似的控制拨叉，它与棘爪盘始终保持相连，以达到时刻对棘爪盘的同步控制，连接面与棘爪盘上的槽之间始终保持高度润滑，以减少摩擦阻力和磨损。图4.6 拨叉与控制连杆装配图图4.6为拨叉与控制连杆的装配图。控制拨杆与控制拨叉由螺母固定，并且控制拨杆设计成阶梯状，则控制拨叉被严格固定，使其不能在杆上窜动，只能随杆的移动而移动。杆的另一端通过相关的连接装置连接到变速器的一二挡拨块上。这样汽车在进行一挡挂挡动作时，会同步带动机构控制杆的运动，控制杆又会带动控制拨叉的运动，最后将运动传给棘轮盘，使其沿轴运动靠近棘爪盘，机构开始工作。汽车进行二挡动作时，运动经由一二挡拨块，控制杆，控制拨叉，又传到棘轮盘，使其沿轴反向运动，脱离棘爪盘停止工作。从而达到了同步控制机构的目的。4.4机构整体工作过程汽车在半坡停车时，手刹制动拉起，使汽车制动，停止下滑。汽车要进行坡路起步时，松开手刹，挂入一挡，此时，由于控制拨杆与一挡控制拨叉相连，一挡动作时该机构也随之同步开始工作，控制拨杆带动控制拨叉左移，移动量由机构与一挡拨叉同时控制，并且，此时处于一挡挡位的中间轴是匀速顺时针转动的，由于棘轮盘与中间轴之间由花键固定连接，所以棘轮盘也是匀速顺时针转动的。棘轮盘在转动的同时又向左朝着安装在箱体上的棘爪盘移动。棘轮盘上的棘轮齿设计成了斜坡形式，并且棘爪与棘爪盘之间连有弹簧，则棘爪可沿着斜坡移动，直至棘爪卡入棘轮齿槽内。此时，由于棘爪与棘轮齿的作用，棘轮盘不能倒转，只能顺时针转动，这样就限制了中间轴的转动方向，即中间轴只能顺时针旋转。因此，就限制了车体下滑，不会向后溜车。汽车一挡起步平稳后，挂挡进入二挡。此时，由于一二挡拨叉的回位变化，带动控制拨杆右移，控制拨杆又带动控制拨叉右移，这样，棘轮盘也右移，退出与棘爪盘的结合，这时棘爪或沿棘轮齿斜面退出，或直接从齿槽中退出。这样机构就脱离了工作状态。棘轮盘除了与轴同步转动外再没有其他动作，从而避免了机构对汽车行驶的影响，也减少了棘爪、棘轮不必要的磨损，提高了机构的使用寿命。图4.7 机构整体图该机构不需要驾驶员必须熟练掌握使用离合器与油门的半联动作，减小了坡路起车的难度，消除了由于汽车溜坡造成的碰撞事故，减轻了驾驶员坡路起步的压力。此外，该机构最大的优点还在于其自动控制方面，纯机械控制方式，巧妙地利用了汽车原有结构，免去了驾驶员对机构的主观控制，起步动作可与普通手动挡汽车起步的操纵一样。从而简化了起车步骤，减小了起车难度，收到了比较好的效果。4.5本章小结本章通过对变速器操纵机构的学习理解，设计出了通过变速器操纵机构控制坡路防溜车机构，通过比较简单的控制机构，实现了防溜车机构的同步自动控制，满足了要求，达到了预期目的。5装置平面设计以上为对装置的立体设计，下面为了更好地表现各零件的装配情况以及各零件之间的联系，对装置的平面图形进行说明。如图5.1：图5.1装置平面总图1箱体 2螺栓 3轴承端盖 4轴承 5棘爪盘 6棘爪 7弹簧 8花键 9螺母 10控制拨叉 11控制拨杆 12棘轮盘 13中间轴图5.1中，装置工作时通过6棘爪与12棘轮盘上棘轮齿的结合来控制棘轮盘的转向。又因为12棘轮盘与13中间轴通过8花键结构相连，这样，通过对棘轮盘的控制就可以控制中间轴的转向。10为控制拨叉，它与11控制拨杆通过螺母9连接。11控制拨杆连接在变速器操控机构的一二挡拨叉上，汽车进入一挡时，控制拨杆11被同步带动，从而带动10控制拨叉运动，由于控制拨叉与12棘轮盘相连接，这样就能控制棘轮盘的轴向滑动，从而使6棘爪与12棘轮盘上的棘齿结合或分离，达到了控制装置运行与否的目的。图5.1中1为箱体，5棘爪盘与其过盈配合，以起到将棘爪盘固定在箱体上的作用。3为轴承端盖，它将轴承4固定在箱体上，起到使轴承支承中间轴转动的目的。下面通过各零件图，对各零件进行简要说明：5.1 棘轮盘图5.2为棘轮盘的二维视图，图中棘轮齿在棘轮上成圆周分布，设计成六齿形式，并且每个齿上均有斜坡，便于棘爪与棘轮齿的结合,及时起到防溜车作用。与中间轴结合部位采用花键连接形式，选择了GB/T 1144-74矩形花键。图5.2 棘轮二维图5.2 棘爪盘图5.3为棘爪盘的二维视图，棘爪盘圆周内均匀分布六个与棘爪结合的部位，棘爪通过弹簧与棘爪盘相连，圆周内为了减重挖掉了部分材料，但能保持应有强度。 图5.3 棘爪盘二维图5.3 控制拨叉图5.4为控制拨叉的二维视图，图中拨叉下部与棘爪盘连接的部位采用半封闭的结构，便于控制拨叉的安装，拨叉与棘爪盘间要时刻保持较好的润滑，以减少磨损，提高装置的适用寿命。图5.4控制拨叉二维图5.4小结本章通过各二维图对装置的装配以及各零件的具体设计进行更加具体的说明。对前面各章的立体结构设计进行了很好的补充，完善了一些细节方面的设计。6 构件的材料选择与设计计算6.1材料的选取由于机构是安装在汽车减速器内的，中间轴、箱体、相关轴承都是变速器本身的部件，添加的部件有棘轮盘、棘爪盘、棘爪、弹簧、和控制机构。棘轮盘在机构中与棘爪在工作时接合，处于摩擦状态，因此其材料性能应以耐磨抗磨损为主，再考虑到经济性与适用性，选择铸造合金钢类材料。可延长其使用寿命，增大使用安全性。棘爪也由于长期处于磨损状态要选用抗磨损能力较高的材料，考虑到各方面因素，选择铸造高锰钢，高耐磨强度，可使其使用寿命延长，提高工作准确性。铸造高锰钢（如Mn13）是耐磨钢,它的热处理方法是进行水韧处理（淬火）,之后不进行回火。如果回火会导致碳化物的析出而增加脆性.其水韧处理后的硬度并不高,为180220HB,可以进行钻孔攻丝。只有在有冲击或高压力作用下才能引起强烈的加工硬化而使硬度提高到450550HB,从而具