湿式换挡离合器测试实验平台设计

I摘 要湿式离合器在车辆自动变速器中获得了广泛的应用，其工作特性对自动变速器的工作状况具有重要影响。展开对湿式离合器工作特性的深入研究，对于提高国产自动变速器研究设计水平，促进我国自动变速器行业发展具有重要意义。本文通过对湿式多片离合器结构特点的学习，了解到了湿式多片离合器具有工作性能更稳定、接合更平顺、具有吸收振动、冲击的能力和磨损小，工作寿命长等优点。通过进一步了解国内外针对湿式多片离合器的研究现状，搭建了自己的研究平台。本文首先分析湿式离合器的工作环境，确定了实验平台的布局结构。选择西门子伺服电动机1LG-283-2AB70 作为动力源；加载装置选择洛阳凯迈公司的电涡流测功机 CW100。选用瞬态转矩转速传感器 ZH07-1000G 来输出湿式离合器的接合过程转速、转矩的变化。其次为达到实际的工作环境，设计了两档的增速箱，可将电动机的转速增加到 6600r/min，在此过程中，对增速箱的齿轮和轴进行计算和校核；按照设定的摩擦片尺寸，计算出摩擦片的数量并进行校核；对增速箱油道的设计计算。最后就是增速箱的机构设计和试验台的结构设计。关键词：试验台； 湿式离合器； 液力自动变速器 ； 动态接合特性；主、被动摩擦片； IIAbstractWet clutch automatic transmission in a vehicle to get a wide range of applications, the operating characteristics of the automatic transmission has an important impact on the working conditions. Expand the operating characteristics for wet clutch-depth study of research for improving the design level of domestic automatic transmission, automatic transmission industry to promote the development of great significance.Based on the structural characteristics of wet multi-plate clutch to learn, learned wet multi-plate clutch with a performance more stable, more smooth engagement with the absorption of vibration, shocks and wear, long working life and other advantages. By further understanding of domestic and wet multi-plate clutch for Research, set up their own research platform.The first is the understanding of the wet clutch work environment to determine the experimental platform layout structure. Select Siemens servo motor 1LG-283-2AB70 as a power source; loading device selection Luoyang CAMAs eddy current dynamometer CW100. Optional transient torque and speed sensor ZH07-1000G to output the wet clutch engagement process speed, torque changes.Second, in order to achieve the actual work environment, the design of two tranches of the growth rate box, the motor speed can be increased to 6600r/min, in this process, the growth rate of the gear box and shaft calculation and verification; according to the set the friction plate size, the calculated number of friction plates and be checked; box oil on growth track design calculations.Finally is the growth tank design and test bench institutional structure design.Keywords: test bench; wet clutch; hydraulic automatic transmission; dynamic bonding characteristics; active and passive friction plate III目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第 一 章 综 述 .11.1 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 、 前 景 .11.2 湿 式 离 合 器 的 结 构 与 特 点 .21.2.1 湿 式 多 片 离 合 器 的 结 构 ： .21.2.2 湿 式 离 合 器 的 优 点 :.21.3 对 湿 式 离 合 器 的 研 究 现 状 .31.3.1 湿 式 离 合 器 空 损 特 性 研 究 进 展 ： .31.3.2 湿 式 离 合 器 动 态 接 合 特 性 的 研 究 概 况 ： .31.4 离 合 器 试 验 台 的 发 展 现 状 .3第 二 章 试 验 平 台 布 置 方 案 确 定 .52.1 试 验 台 布 置 方 案 一 ： .52.2 试 验 台 布 置 方 案 二 ： .6第 三 章 实 验 台 设 备 的 选 取 .73.1 动 力 源 的 选 取 .73.2 加 载 装 置 的 选 取 .73.3 测 试 装 置 的 选 择 .83.3.1 传 感 器 的 选 择 .83.3.2 转 矩 测 量 基 本 原 理 ： .93.4 试 验 平 台 台 架 的 设 计 .10第 四 章 试 验 台 增 速 箱 的 设 计 计 算 .114.1 增 速 箱 的 结 构 的 确 定 .114.2 增 速 箱 齿 轮 的 计 算 .124.2.1 齿 轮 的 设 计 .124.2.2 齿 轮 弯 曲 强 度 的 校 核 .144.3 增 速 箱 轴 的 设 计 计 算 .154.3.1 各 轴 最 小 轴 径 的 确 定 ： .154.3.2 轴 I 设 计 计 算 .154.3.3 轴 II 的 设 计 计 算 ： .164.3.4 各 轴 轴 承 的 选 择 ： .164.3.5 各 轴 花 键 尺 寸 的 确 定 ： .17第 五 章 增 速 箱 湿 式 离 合 器 结 构 的 设 计 计 算 .185.1 离 合 器 结 构 .185.2 湿 式 多 片 离 合 器 的 计 算 转 矩 .185.3 湿 式 多 片 离 合 器 的 摩 擦 转 矩 .195.4 被 试 件 多 片 湿 式 离 合 器 摩 擦 副 数 .225.5 被 试 件 湿 式 多 片 离 合 器 油 道 设 计 .225.6 试 验 台 减 速 箱 的 设 计 .25总 结 .26参 考 文 献 .27湿式换挡离合器测试试验平台1第 一 章 综 述离合器是汽车传动系统的重要组成部件，它直接与汽车发动机相联。它起到控制汽车动力系统与传动系统的结合与分离的作用。汽车从启动到行驶的整个过程当中，离合器是使用最多的部件。有了离合器的存在，就能够控制发动机与变速器二者的接合过程，从而保证汽车起步平稳；通过踏下离合器踏板，暂时切断发动机与变速器之间的联系，从而是换档顺畅，同时减少换档过程中的冲击；当汽车紧急制动时，离合器分离，防止变速器等传动系统过载，起到一定的保护作用。离合器类似于开关，起到接合或断开动力传递的作用，因此，任何形式的汽车都有离合装置，只是形式不同而已。1.1 课 题 研 究 的 背 景 和 意 义 、 前 景汽车工业在过去的一百多年中取得了飞速的发展，这一方面得益于科学技术的不断进步。但是在汽车工业的迅速发展给人类带来了高度物质文明的同时，也带来了许多负面的影响，如因燃油的大量消耗引起的石油资源的枯竭、排气中氮化物和游离粒子引起的城市大气污染以及二氧化碳带来的越来越严重的地球温室效应等。因此，节约能源及保护环境已成为汽车发展乃至人类发展的主题。然而汽车传动系的性能直接关系到燃油经济性和排放指标，因此设法提高变速箱的性能是我们的首选。目前，离合器在整个变速过程中仍然是必不可少的单元，对离合器的控制也一直是自动变速器产品开发和设计的关键技术之一。用在液力自动变速器上的湿式离合器是主要的摩擦组件，在包括换挡和闭锁在内的各工况中，需要对湿式离合器摩擦片进行精确控制，其关键技术的核心内容是对湿式离合器主、被动摩擦片动态接合特性的掌握。在双离合器自动变速器上的离合器湿式和干式的都有，对双离合器自动变速器的控制问题主要是对两个离合器的重叠度控制和车辆的起步控制，而其关键技术的核心内容也是对湿式离合器主、被动摩擦片动态接合特性的掌握。对于没有液力变矩器的无级自动变速器，要加起步用的湿式离合器，对湿式离合器的控制是无级变速器的核心技术之一。掌握湿式离合器的动态接合特性是对湿式离合器进行精准控制的前提。湿式离合器动态接合特性的研究是自动变速器研发的重要共性技术之一。湿式离合器是典型的非线性系统，它接合过程数学模型建立的难点在于，不止涉及了液粘传动，还涉及到热弹等问题。表现出的传递转矩和动力的能力是很多复杂因素共同作用的结果。目前国外也没有令人们满意的数学模型，是研究的一大热点，国内对湿式离合器接合过程特性的研究更是远远不够。湿式换挡离合器测试试验平台121.2 湿 式 离 合 器 的 结 构 与 特 点1.2.1 湿 式 多 片 离 合 器 的 结 构 ：图 1-1 湿式多片离合器结构简图湿式多片离合器的结构如图 1-1，其摩擦副由环形对偶钢片和摩擦片组成,对偶钢片和摩擦片相间布置,均可作为主动端或从动端,一般摩擦片作为主动端，主动端通过内花键与连接输入轴的离合器内毅外花键配合,从动端通过外花键与连接输出轴的离合器外毅内花键配合，主从动端处于封闭在壳体内的冷却润滑油中,湿式离合器工作时用润滑油冷却摩擦片和对偶钢片,它受产生热量的速度限制,但不受产生总热量的限制，其输入轴及连在其上的主动片旋转,通过操纵油压力压紧活塞使主从动部分逐渐压紧,产生摩擦转矩,所以它适用于在离合器接合过程中压力逐步增加,发热速度较慢的场合。这样的接合过程,尽管会产生较多的热,但冷却油不断地把热量带走,因此离合器仍能稳定地工作。1.2.2 湿 式 离 合 器 的 优 点 :(1)工作性能更稳定，湿式离合器工作在变速箱全封闭环境中，可以免受外界条件的影响如温度。(2) 接合更平顺，湿式离合器其分离和接合过程平顺柔和，传递转矩平稳。(3)能够使车辆传动系避免共振,湿式离合器具有吸收振动、冲击的能力，且工作噪声低。(4)具有更可靠的刚度和强度，满足高转速下动不平衡和离心油压的要求。(5)更高、更稳定的传动转矩容量，能可靠地保证传递转矩并具有一定的储备系数。(6)摩擦副工作面积大，采用多片结构,可在较小径向尺寸和一比压下获得较大的摩擦转矩。(7)磨损小，工作寿命长。从国内外离合器的发展动向来看,随着车辆性能的发展,发动机的功率和转速不断提高,对离合器的传递转矩能力和使用寿命提出越来越高的要求,而湿式离合器以它独有的优点和特性正在得到更广泛的应用。湿式换挡离合器测试试验平台131.3 对 湿 式 离 合 器 的 研 究 现 状目前国内外对湿式离合器的研究主要集中在三个方面，湿式离合器空损特性研究、湿式离合器动态接合特性的研究和湿式离合器磨合磨损特性的研究。1.3.1 湿 式 离 合 器 空 损 特 性 研 究 进 展 ：湿式多片离合器在拥有众多优点的同时,也存在其不可忽视的缺点,即存在带排转矩所谓湿式多片离合器的带排转矩,就是指当湿式离合器处于分离状态而空转时,由于湿式离合器的摩擦副间隙中存在冷却润滑油,润滑油在各摩擦副间隙中形成润滑油膜,摩擦副的摩擦片与对偶钢片的相对旋转,必然要对摩擦副间隙中的润滑油膜形成剪切作用,这种由于剪切润滑油膜而产生的转矩称之为带排转矩，为了保证湿式离合器的正常工作,摩擦副表面必须不断的供油,使润滑油循环通过摩擦表面,对湿式离合器起到冷却与润滑的作用，所以带排转矩是湿式多片离合器本身的固有缺点,只要冷却润滑油存在带排转矩就不可避免，带排转矩的存在,不仅降低了湿式离合器的传动效率和车辆的燃油经济性,而且会引起离合器的磨损和润滑油的温升,为系统的散热带来困难。因此,从湿式离合器的结构设计和使用上都应尽可能地减小带排转矩。1.3.2 湿 式 离 合 器 动 态 接 合 特 性 的 研 究 概 况 ：国外对于湿式离合器接合过程的研究相对比较深入他们分别从对湿式离合器接合过程的数学建模和台架试验两个方面入手。由于湿式离合器接合过程机理复杂，涉及学科广，影响因素多，受试验条件限制等原因,至今对湿式离合器接合过程没有一个较有效的研究分析方法。国外学者主要是基于 Patir 和 cheng 提出的平均雷诺方程和力平衡方程对湿式离合器接合过程进行研究,这种研究方向虽然能从根本上反映接合过程的本质,但由于其模型的复杂性,限制了其工程实际应用。国内学者主要是从离合器接合过程的动力学的宏观角度进行研究分析,由于忽视了湿式离合器摩擦片的一些固有特性,导致其分析结果不能很好地与试验结果相吻合,且无法为摩擦片的设计工作提供理论指导。1.3.3 湿 式 离 合 器 磨 合 磨 损 特 性 的 研 究 ：目前，国内专门针对湿式离合器摩擦副磨合磨损的研究相对较少，而湿式离合器摩擦副的磨合磨损是检验新产品设计合理性和制造合格程度的关键一步，同时又对湿式离合器摩擦副的正常磨损和剧烈磨损阶段具有重要影响。因此，有必要对湿式离合器摩擦副的磨合磨损过程展开深入系统地研究。1.4 离 合 器 试 验 台 的 发 展 现 状试验研究是湿式离合器动态工作性能研究的主要手段之一，它能真实地反映湿式离合器工作过程中动态特性，了解和掌握其工作特点为设计和研制提供试验基础。对湿式离合器进行试验,主要有两种方案:整车试验和台架试验，整车试验方法直接可靠，但是由于传感器的布置。安装数据采集等各方面受到现场空间的限制，因此，很少国内外有人采用对湿式离合器进行整车试验的方案。目前，对湿式离合器进行试验的方法一般都采用台架试验方案。目前国内外使用的离合器试验台，大部分模拟的是制动的工况，少数可以模拟离合器工况的试验台也存在惯量级差较大、试验功能单一、自动化程度低等问题。湿式换挡离合器测试试验平台14浙江大学现代制造工程研究所经过十几年研究和经验积累，在汽车零部件试验台设计开发上已形成了一系列产品 114-1501.LHZ 型离合器性能试验台是浙江大学与某车辆研究所国家重点试验室的合作项目，由于此试验台测试的离合器型号众多，离合器的使用工况变化范围很大，因此对试验台的负载和惯量的模拟、试验耗能、试验的自动化程度方面都提出了很高的要求。试验台系统主要采用硬件抗干扰方法来消除系统中各种干扰。从系统的干扰源，干扰途径及受干扰设备角度进行硬件系统抗干扰设计。试验台硬件系统抗干扰设计主要采用三个措施：隔离、屏蔽和滤波，隔离分为电源隔离和信号隔离；屏蔽分为干扰源屏蔽和被干扰设备屏蔽；滤波采用无源的 LC 滤波和和有源的 RC 滤波两大类电路。湿式换挡离合器测试试验平台5第 二 章 试 验 平 台 布 置 方 案 确 定由于试验台的设计是为了模拟离合器分离过程、接合过程的负载特性，这就设计到测量被试件离合器的转速和转矩的难题。2.1 试 验 台 布 置 方 案 一 ：将增速齿轮和减速齿轮与被试件离合器设计在同一个包箱里面。这样设计的优点是方便在被试件离合器的输入端和输出端安装测量装置的滑环，得到的测量数据更加准确，测量也更加容易；缺点就是整个离合器包箱中的部件过多，容易产生过热等现象，这就涉及到了冷却装置的问题，另一个缺点就是一旦增速齿轮、被试件离合器和减速齿轮其中之一出现问题需要维修，必须要拆开整个包箱，增大了维修难度和成本。方案一的布局如图 2-1 与图 2-2.电 机离 合 器 1加 载离 合 器 2离 合 器 包 箱图2-1 试验台布置方案一（电机位于下方）电 机加 载离 合 器 包 箱图2-2 试验台布置方案一（电机位于上方）湿式换挡离合器测试试验平台6图 2-1 电动机下置，当电机转速范围不能满足被试件离合器的测试范围时，采用电机下置的布置方式，这样通过增速装置可以增加测试范围，从而满足被试离合器的测量范围。图 2-2 电动机上置，当电机转速范围可以满足被试件离合器的测试范围时，采用电机上置的布置方式，这样动力直接从电机输入。2.2 试 验 台 布 置 方 案 二 ：方案二如图 2-3，将增速装置和减速装置与被试件离合器分装在三个不同的包箱里面。优点是不用变换电机的位置就可以实现两个档位（增速档和直接档） ；另外，增、减速箱和被试件离合器这三个部件的布置比较分散，热量不容易堆积，出现问题需要维修也比方案一容易和方便；缺点就是被试件离合器的输入端连接着增速箱，输出端连接着减速箱，无法安装测量滑环，得到的数据没有方案一准确。电 机增 速 箱 离 合 器（ 被 试 件 ）减 速 箱加 载图2-3 试验台布置方案二由于试验台要满足能够测量不同系列的离合器，所以综合考虑，选取方案二布置试验台。湿式换挡离合器测试试验平台7第 三 章 实 验 台 设 备 的 选 取3.1 动 力 源 的 选 取根据试验台所要求的测量能力、所需的输入功率与精度要求，动力源选取 90KW 的西门子变频电机 1LG-283-2AB70；额定功率 90KW，额定转速 2970r/min，效率 93.9%，额定电流 160A，额定转矩 289NM。西门子电机（SIEMENS 电机） ，西门子公司是全球领先的电机制造商，拥有超过 100 多年的电机制造经验。西门子电机产品涵盖了几乎所有工业领域所能使用的电机，无论您需要驱动何种负载，西门子电机都能满足系统的具体要求。西门子 1LG0 系列电机的优点如下：1、高性能的防护等级：所有电机均采用 IP55 防护等级进行设计，他们可用与户外或者含尘潮湿的环境中，用户不需要增加额外装置不影响正常使用。并且还可按照用户要求提供更高的防护等级。2、选用高性能轴承及润滑油脂：轴承选用名牌厂家，并按照西门子要求定做，油脂选用 Esso Unirex N3 新型润滑油脂，耐高温不易挥发，保证关键部件连续长期可靠的运行；3、电机温度保护：1LG0 系列电机可配备 PTC 热敏电阻保护或 PT100 温度传感器用于报警和跳闸。4、良好的绝缘性能，延长电机的使用寿命：电机具有适应湿热带条件下使用的绝缘，绝缘系统包括：高强度漆包线和绝缘片材料以及无溶剂浸渍树脂。该系统可保证达到很高的机械和电气强度以及良好的使用可靠性和超长的电机使用寿命。采用这样的绝缘系统后，电机适用于变频器供电模式下使用，不加任何限制条件的情况下，额定电压可达 460V+10%，电压上升时间 ts0.1s。3.2 加 载 装 置 的 选 取根据实验台要求，加载装置选择洛阳凯迈公司的电涡流测功机 CW100，额定吸收功率 100KW，额定转矩 360NM，额定扭矩转速 2500r/min，最高转速 10500r/min，转动惯量 0.32KGm2，最大励磁电压 120V，最大励磁电流 4A。CW 系列电涡流测功机作为一种负载主要使用才测量动力机械各种特性的实验设备，也可作为其它动力设备的吸功装置。测功机是根据作用力矩与反作用力矩大小相等方向相反的原理来测量扭矩，因此所测扭矩可以通过作用在测功器上的旋转力矩（即制动器外壳反力矩)来指示。电涡流测功机的主要组成有旋转部分感应体)、摆动部分（电枢和励磁部分)、测力部分和校正部分，其结构简图如下图 2-4，由结构简图可知，感应体形状犹如一个直齿轮，产生涡流的地方在导磁涡流环的孔壁上。当励磁绕组通上直流电以后，就会围绕励磁绕组产生一个闭合的磁通，当感应体被原动机带动旋转时，气隙磁密会随感应体的旋转而发生周期性的变化，在涡流环孔壁表面与一定深度的范围内会产生涡流电势，同时产生涡流，该涡流所形成的磁场又会与气隙磁场相互作用，从而产生了制动转矩；该转矩通过外环及传力臂传至测力装置上，由力传感器将力的大小转换成电信号输出，从而达到测转矩的目的。CW 系列电涡流测功机结构如图 3-1，他的主要特点：1. 结构简单、运行稳定、价格低廉、使用维护方便； 2. 采用水冷却，噪音低、振动小； 3. 输入转速范围宽，可用于变频调速等各类电动机 及动力机械的型式试验； 4. 控制器采用单相交流电源，控制功率小； 5. 转矩的测量可以湿式换挡离合器测试试验平台8采用电子磅秤、压力传感器或高精度转矩转速测量仪等，适用于不同测量精度的场合。 6. 该装置还能作制动器用，制动力矩大。1、底座 2、进、出水道 3、轴承座 4、测带齿轮 5、主轴 6、感应体 7、励磁环组件8、外环 9、导磁环组件 10、支撑轴 11、油杯 12、联轴器图 3-1 CW 电涡流测功机结构简图3.3 测 试 装 置 的 选 择3.3.1 传 感 器 的 选 择为了达到实验要求，转速转矩传感器要满足一下要求：1、最大转速大于 6000r/min；2、最大转矩大于 1000NM；3、要求能瞬态输出参数；4、由于试验中有很多的信号干扰，测量输出信号选择 0-24mA 电流信号（也可选择电压输出，但要利用 F/I 转换器转换成电流信号） ；5、由于误差对整体结果影响很大，所以要求传感器具有较高的精度等级。电流回路的综合特性：简单的使用，如果信一号发送电路和相联接的其他电路的工作电流保持常数不变，那么该工作电流和信号电流就可以通过同一根电缆来传输。人们只需用一个负载取样电阻，而电流在负载电阻上的电压降就可以作为有用的信一号。当然还应该注意作电压要足够高，以满足电流回路里所需要的电压降。低廉的成本:与数字信号传愉需要一个 AD 转换，一个单片机和一个合适的驱动电路相比，用简单的电流回路方法，人们只需要一条电缆，一个负载电阻和一个测量电压表。特别当对测量精度要求高的时候，二者产品成本的差别就更加明显了。通过选取，选择北京中航科电测控技术有限公司生产的 ZH07-1000G 型转矩转速传感器。通过 F/I转换器将输出信号转换为电压信号。主要参数为：湿式换挡离合器测试试验平台9产品名称 技术指标转矩转速传感器ZH07-1000G量程：1000Nm 传感器供电：12VDC 扭矩测量精度：0.5%Fs传感器转速：8000 转/分传感器输出： 转速输出信号:60 脉冲/转 转矩输出信号：5KHz-15KHz（零点为 10KHz）F/I 转换器 扭矩：-1000Nm+1000Nm 对应输出 420mA 电流信号（12mA 为零点）转速：0-8000 转/分对应输出 420mA 电流信号3.3.2 转 矩 测 量 基 本 原 理 ：传感器扭矩数值的测量采用应变电测原理，当应变轴受扭力影响产生微小变形后，粘贴在应变轴上的应变计阻值发生相应变化，我们将具有相同应变特性的应变计组成测量电桥，应变电阻的变化即可转变为电压信号的变化进行测量。下面为扭矩测量的主要原理框图，由于采用了能源与信号的无接触耦合，完美解决了旋转状态下扭矩（转矩）数值的测量。过程如图 3-31、输入能源耦合器 2、稳压电路 3、应变桥 4、放大器 5、V/F 变换器 6、输出信号耦合器 7、信号输出电路图 3-3电源经过处理后送 1 ，经耦合将能源送到应变轴上，由 2 变成稳定电压供给应变轴上各电子器件。 3 将应变轴的微小变形转换成电信号，经过 4 放大送到 5 ，经 6 输出，通过 7 整形后输出调频方波信号。转速测量基本原理：当测速码盘连续旋转时，通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信号，根据码盘的齿数和输出信号的频率，即可计算出相应的转速。湿式换挡离合器测试试验平台103.4 试 验 平 台 台 架 的 设 计台架要求能满足不同实验包箱的测试，而且按照方案而布置试验台。因此台架设计成由可拆装移动的三部分组成。试验台布置如图 3-5 与图 3-6。加载电机、增速箱和测试输入端参数的传感器布置在一侧；加载的电涡流测功机、减速箱和测试输出端参数的传感器不知在另一侧；中间测试部分由滑槽组成，可以安装不同的包箱。试验台左右部分均可以左右移动和适当的前后移动。而且由于要满足同样的中心高，试验台三部分均有适当的支架。图 3-5 实验台布局主视图图 3-6 实验台布局俯视图湿式换挡离合器测试试验平台11第 四 章 试 验 台 增 速 箱 的 设 计 计 算4.1 增 速 箱 的 结 构 的 确 定根据第二章的分析，最终采用方案二布置实验台。根据第三章关于试验条件的叙述，电动机的稳定工作转速为 2970r/min，而离合器的工作转速应不低于 6000r/min，为了匹配两者之间的转速关系，需设计一个增速箱。电动机转速经过增速箱增速后，传递到离合器主动轴的转速将高于6000r/min，而被动端静止不动。结合瞬间，主被动件之间相对转速差大，从试验安全的角度考虑，增速箱至少具有两个挡位。一个直接挡，一个超速挡。直接挡用于提高被动端转速，超速挡用于系统测试。同时，增速箱中增加挡位设计后，换挡离合器可以起到保护作用。在试验结束时，增速箱挂空挡，切断动力，保护电动机。降低制动器的摩擦热，降低制动器摩擦副的磨损，提高摩擦副的寿命。根据第 2 章方案分析中增速箱的分析，方案一有两种布置方式。当电机上置的时候，一挡传动比 i=1；当电机下置的时候，二挡传动比 i=0.5。电机下置时的离合器实验包箱简图如图 4-1 所示。69712 3584图4-1 方案一增速箱传动简图（电动机下置）1齿轮1；2齿轮2；3被试件离合器；4齿轮3；5齿轮4；6轴（输入轴） ；7轴；8轴；9IV轴（输出轴）若采用方案二，增速箱共有两档，一挡传动比 i=1，作为直接挡，用于提速，速度为2970r/min， ；二挡传动比 i=1/0.45,作为超速挡，最高速度为 6600r/min。方案二增速箱传动简图如图 4-2。湿式换挡离合器测试试验平台12图4-2 方案二增速箱传动简图1轴（输入轴） ；2齿轮1；3齿轮4；4齿轮3；5齿轮2；6轴（输出轴）根据上面方案分析中关于增速箱方案的分析，本实验台选用方案二设计增速箱。输入轴为上图I 轴（左端），输出轴为上图 II 轴（右端）。4.2 增 速 箱 齿 轮 的 计 算4.2.1 齿 轮 的 设 计（1）齿轮材料的选择材料: 20CrMnTi,渗碳+淬火+低温回火，表面硬度56-65HRC，心部硬度240-300HBS。查机械设计学基础 ，按 MQ 级质量要求取值，得 =460N/mm2。limF（2）配齿计算起步时，一挡离合器结合、二挡离合器分开，动力经过齿轮 1 与齿轮 2 由 I 轴传递到 II 轴，传动比为 i=1；测试时，一挡离合器分开、二挡离合器结合，动力经过齿轮 3 与齿轮 4 由 I 轴传递到 II 轴，传动比为 i=1/0.45。分配到齿轮 1、2 和齿轮 3、4 上的传动比分别为 Z2/Z1=1，Z3/Z4=1/0.45。保证不根切的情况使箱体尺寸最小，取 Z4=36, Z3=36/0.45=80。 Z1+Z2=Z3+Z4=116, Z2=Z1=58二档传动比为 0.45，输出轴转速 N=2970/0.45=6600r/min,满足预计输出转速大于6000r/min。湿式换挡离合器测试试验平台13（3）确定分度圆直径初步取齿轮模数 = =2.5， = =58， =36, =801m21Z234Zm Z d齿轮 1 2.5 58 145齿轮 2 2.5 58 145齿轮 3 2.5 36 90齿轮 4 2.5 80 200（4）确定中心距中心距 a= (d1+d2)= x(145+145)=145mm。 21（5）齿轮宽度的选择齿轮宽度 b= d， 为齿宽系数。查阅机械设计手册，当齿轮传动中，齿轮的布置为对称布置的时侯，齿宽系数的范围为 0.31.1，此处取 =0.3， =0.5。故： = d1=0.3x145=43.5mm，1d2d1bd取 =50mm， 略大于 ，取 =55mm。1b21b2= d3=0.5x90=45mm，取 =50mm， =55mm。3d34b（6）其他几何尺寸的计算查机械设计学基础 ，取齿轮的计算参数 ha =1，c =0.25mm。*齿顶高：ha=ha m=1x2.5=2.5mm：*齿根高：hf=（ha +c ）m=（1+0.25）x2.5=3.125mm：齿全高：h=ha+hf=（2ha +c ）m=（2x1+0.25）x2.5=6.625mm;*齿顶圆直径：da1=d1+2ha2=145+2x2.5=150mmda2=d2+2ha2=145+2x2.5=150mm da3=d3+2ha2=90+2x2.5=95mmda4=d4+2ha2=200+2x2.5=205mm齿根圆直径： =d1-2hf1=145-2x3.125=138.75mm1fad=d2-2hf2=145-2x3.125=138.75mm2f=d3-2hf2=90-2x3.125=83.75mm3fad=d4-2hf2=200-2x3.125=193.75mm4f湿式换挡离合器测试试验平台144.2.2 齿 轮 弯 曲 强 度 的 校 核计算公式： = FbmdKTFYP(1)变为系数 ：17ZX所以 ，取 X=0；05821(2)齿形系数 FY根据上面取变为系数 X=0，查机械设计学基础P255，可得 ；25.1FY(3)弯曲疲劳许用应力 的计算FP计算公式： NFYminl弯曲疲劳极限应力 li齿轮 20CrMnTi,渗碳+淬火+低温回火，表面硬度 5665HRC，心部硬度 240300HBS。由机械设计学基础中的 MQ 曲线差得 =460N/mm2limF弯曲疲劳寿命系数 NY应力循环次数 N=60nj ntn齿轮转速；每年的运转时间；t取每年工作 300 天，每天工作 5 小时。所以，N1=60X2970X15000=2.673X 。810同理，N2=2.673X 。810根据 N1、N2 的取值，取 = =11NY2计算弯曲疲劳许用应力= = x1=345MPa1FPminlS1N3.460= = x1=345MPa2FP2inlY.(4)弯曲应力的计算:湿式换挡离合器测试试验平台15= = x2.3=110.17MPa345MPa 1F2bmdKT1FY45.2089x= = x2.5=100.16MPa345MPa1FP21F.4.3 增 速 箱 轴 的 设 计 计 算4.3.1 各 轴 最 小 轴 径 的 确 定 ：按 照 扭 转 强 度 计 算 最 小 轴 径 ， 公 式 ： 3npAd功率 转速计算直径所取直径项目 AP(kW) n(r/min) d(mm) d(mm)一轴 100 87.3 2970 30 32二轴 100 86.4 6600 23.57 264.3.2 轴 I 设 计 计 算(1)轴 I 各轴段直径：轴 I的 结 构 简 图 如 图 3-3图 4-3轴 I的 结 构 简 图由于 I 轴为左端输入， 所以取此端直径为所取的最小直径，即 d1=32mm。 1d2 略大于 d1，所以取 d2=35mm。 2d3 段为一个长的矩形花键，齿轮 1、倒油套筒和离合器压盘部分都做成内矩形 3花键与此段齿合。花键右端直接与轴承内圈相连。d4 段与 d2 段配合，安装角接触球轴承，所以此段轴径为 d4=35mm。 4(2)I 轴各段长度：由于增速箱在工作过程中，会产生径向力和较小的轴向力，所以采用角接触球轴承。轴 I 两端安装角接触球轴承，根据轴承直径 d3=35mm，选择角接触球轴承 7307B，齿轮 4 要与滚针轴承配合，选用滚针轴承 K72x58x40,所以要满足各轴承的安装长度。湿式换挡离合器测试试验平台164.3.3 轴 II 的 设 计 计 算 ：(1)轴 II 各轴段直径：轴 II 的结构简图下如图 3-4图 4-4轴 II的 结 构 简 图由于轴 II 为右端输出，所以取此端直径为所取的最小直径，即 d4=26mm。 1d3 略大于 d4，所以取 d3=30mm。 2d2 段为一个长的矩形花键，齿轮 3、倒油套筒和离合器压盘部分都做成内矩形 3花键与此段齿合。花键左端直接与轴承内圈相连。d1 段与 d3 段配合，安装角接触球轴承，所以此段轴径为 d1=30mm。 4(2)II 轴各段长度：由于增速箱在工作过程中，会产生径向力和较小的轴向力，所以采用角接触球轴承。轴 II 两端安装角接触球轴承，根据轴承直径 d1=30mm，选择角接触球轴承 7306B，齿轮 2 要与滚针轴承配合,所以要满足各轴承的安装长度。4.3.4 各 轴 轴 承 的 选 择 ：(1) 由于湿式离合器在结合过程中会产生一定的轴向力，因此选用角接触球轴承。根据上面所确定的轴的尺寸，轴 I 选用角接触球轴承 7307B，轴 II 选择角接