武理工高等机构学教学案例11汽车典型零部件或试验装置结构设计案例

汽车典型零部件试验装置结构设计案例

吴波2015.6.20一、研究技术合同书

首先与开发企业进行项目技术合同书与技术协议书的签订、谈判。包含的内容为具体开发研制开发的参数、技术要求等。详细内容具体见：附件1：签订的技术合同书和技术协议书（签订标准技术合同书和技术协议书）

汽车变速器总成疲劳试验台设计二、项目调研

在签订了研制变速器总成疲劳寿命试验台的项目后，为对我们所提出的变速器总成疲劳寿命试验台设计方案的可行性进行论证，并就其中试验台的加载问题进行比较，组织有关人员分别到重庆汽车研究所、綦江齿轮厂、东风汽车公司变速箱厂和东风汽车公司技术中心进行了深入的调研，现将此次调研的结果如下：调研地点1：重庆汽车研究所

◆试验台形式：闭式试验台◆加载方式采用内置式液压加载◆最大加载扭矩为5000Nm◆最大实验转速为1300rpm◆调速电机功率为75KW汽车变速器总成疲劳试验台设计调研地点2：綦江齿轮厂

该厂现有两台变速器总成疲劳寿命试验台，分别针对不同扭矩和转速范围的变速器总成。其中，专门针对输入为大扭矩的变速器总成试验台：试验台形式：闭式试验台加载方式采用外置式液压加载最大加载扭矩为4000Nm

最大实验转速为1100rpm调研地点3：东风汽车公司变速箱厂试验台为闭式试验台加载装置为合肥工业大学研制的行星齿轮加载装置，该加载装置为水平支架式结构，两端法兰盘输出，可在＋2500Nm～-2500Nm范围内静、动态无级随意变载，并允许静态无级手控加载或动态无级手控加载允许的最高工作转速为4000rpm

最大实验转速1500rpm

汽车变速器总成疲劳试验台设计调研地点4：东风汽车公司技术中心底盘试验科试验台为闭式试验台采用三叶片式液压转缸,外置式液压加载最大加载扭矩为850Nm

最大实验转速为1500rpm

参考上述调研结果并根据委托公司最终的意见进行该试验台的设计、制造。同时根据上述调研结果，我们经过认真的研究，建议采用重庆汽车研究所的内置式液压加载方式，其特点是液压加载装置的泄漏在齿轮箱内，可为齿轮提供润滑，同时也使试验台结构紧凑。采用内置式液压加载的试验台方案。具体参数：

1）输入功率为260kW；2）扭矩为200kgm；

3）最大转速为1500rpm；4）内置式液压加载

汽车变速器总成疲劳试验台设计三、总体方案设计

汽车变速器总成疲劳试验台设计BA51234轴Ⅰ轴Ⅱ6图1A、B—分别为两个辅助齿轮箱

1：动力装置。可选50kW交流变频调速电机，用以适应不同型号的试验对象所需不同转速的试验；

2：扭矩、转速传感器。用以监测试验系统的补充功率，若只做疲劳寿命试验，则可以省去该传感器；

3：扭矩、转速传感器。用以监测输入扭矩与转速；

4、5—背靠背安装的两个汽车变速器。其中4为受试变速器，5为陪试和变速器；6—加载器。用以提供封闭功率；轴Ⅱ—双十字节传动轴；轴Ⅰ及各部件的轴之间用弹性联轴器连接，以避免因安装误差而产生附加弯矩。汽车变速器总成疲劳试验台设计

汽车变速箱疲劳试验台的工作原理：通过加载变速箱、闭环辅助回转变速箱、中间支撑部件、扭矩转速传感器、二台汽车变速箱、膜片弹性联轴器等零部件组成一个闭环传动系统。即：三相异部电动机通过柱销式弹性联轴器向加载变速箱提供补充动力，实现加载变速箱的正转及反转；加载变速箱的输出端与膜片弹性联轴器连接，再通过十字传动轴、中间支撑部件、十字传动轴、膜片弹性联轴器、闭环辅助回转变速箱、膜片弹性联轴器、十字传动轴、膜片弹性联轴器、汽车变速箱、膜片弹性联轴器、汽车变速箱、膜片弹性联轴器、扭矩转速传感器、膜片弹性联轴器与加载变速箱的返回端连接形成一个闭环传动系统。（见图2）.汽车变速器总成疲劳试验台设计四、总体结构设计结果1、使用范围与主要技术参数本变速箱疲劳寿命试验台主要适用于A180、SG135、SG135DK及SG850DK等四种汽车变速箱的疲劳寿命试验；也能适用于一定尺寸范围内的新开发的变速箱的疲劳寿命试验。主要技术参数：

汽车变速器总成疲劳试验台设计2、变速箱疲劳寿命试验台的结构特点

1）它包括工作平台、三相异部电动机、联轴器、具有两个输入输出接口的加载变速箱、闭环辅助回转变速箱、用于测量被试件的输入输出轴扭矩和转速的传感器，其中，加载变速箱和闭环辅助回转变速箱设置在工作平台上，加载变速箱由三相异部电动机带动，加载变速箱的一个输入输出接口和闭环辅助回转变速箱的一个输入输出接口通过轴对接；闭环辅助回转变速箱上具有三个输入输出接口。针对汽车变速箱的输入输出结构为直线式及输入输出结构为直角式的形式，在闭环辅助回转变速箱中采用三个输入输出接口结构形式来满足形成闭环功率流流动要求，因此，可对直列式汽车变速箱和直角式汽车变速箱进行疲劳试验。

2）内置式液压加载器：包括摆动油缸、摆动油缸内的心轴、与摆动油缸外壳固定连接的主轴、固定在摆动油缸内壁上的叶片、固定在心轴上的叶片等。克服了液压加载器设置在变速箱的外部，而使设备繁杂，体积庞大的缺点。

3）试验台设备基本上在第一次安装后位置，可以不进行改变。汽车变速器总成疲劳试验台设计汽车变速器总成疲劳试验台设计图2直列式汽车变速箱的试验台机械结构装配图汽车变速器总成疲劳试验台设计图3直角式式汽车变速箱的试验台机械结构装配图汽车变速器总成疲劳试验台设计图4输入输出结构为直列式汽车变速箱的试验台汽车变速器总成疲劳试验台设计五、设计。调试中出现的问题与解决1、变速箱疲劳寿命试验台机械加工中出现的问题与解决办法

1）由于在加工膜片式弹性联轴器的内花键时无与之配合外花键标准件配作，出现不好加工生产。解决办法：采用加工膜片式弹性联轴器的内花键时加大节圆齿向间隙，具体数值为双向0.15mm，单向0.075mm，同时保证分度准确。结果：试验台在调试安装过程中，膜片式弹性联轴器的内花键安装情况良好。

2）见图5，当在需要设计安装面A面时，由于加工工艺的影响，特别是对该加工面的要求较高（有较高的公差、行位公差等）时，应尽量将该面的加工深度方向上的尺寸取较小值（特别是在L的尺寸较大时）。原因：圆面A需要采用镗削加工，由于L尺寸大，镗杆较长加工困难。解决办法：减小A面深度。汽车变速器总成疲劳试验台设计图5

3）见图6，在设计中当要求的花键保证尺寸到达轴肩处时，由于滚刀的半径要求花键具有L（16~20mm）长度的过渡段，当比大较多时（大3mm）因为滚刀根圆半径的影响，将产生干涉，出现加工不了的现象。解决办法：一是采用使比大不了多少（小于2.5mm），使之可以过渡；二是采用使花键保证尺寸与轴肩相差一个L长度的过渡段。汽车变速器总成疲劳试验台设计2、变速箱疲劳寿命试验台调试过程中的问题与解决办法

1）齿轮箱发热严重，设计中没有考虑减压孔，另外没有开出润滑油观察孔或盖。产生的原因是：设计中考虑不周。

现场解决方法：现场用电钻加工ф12的孔；效果不是太好，孔还应加大。润滑油观察无法解决。

设计解决办法：今后设计中一定要加上该出气孔排气；大小为：M20ⅹ2。另应设计润滑油观察孔或盖（透明）。

汽车变速器总成疲劳试验台设计

2）齿轮箱、扭矩传感器、变速箱支架无法保证安装在一条直线上；存在一附加扭矩。产生的原因是原设计的定位调整键没法用上。

现场解决方法：将齿轮箱的侧边保持与平台侧边平行并将其固定，将变速箱支架的侧边保持与平台侧边平行，安装扭矩传感器，在组成试验台的闭环连接后，用电机带动齿轮箱转动并加上一定的扭矩将三者带直，然后再将支架固定锁紧。

问题：由于平台的侧边没有加工，还是无法完全保证其的直线性。但是因扭矩传感器两端采用弹性联轴器连接，细许误差不影响试验台的运行。汽车变速器总成疲劳试验台设计

3）扭矩传感器+支架后，其中心高无法与系统设计的中心高一致；产生的原因是扭矩传感器本身的中心高不准确，在设计与加工中只能采用负公差，造成其中心高比系统中心高底。

现场解决方法：在扭矩传感器连接之间支架采用垫片调整，并用弹性联轴器连接消除附加扭矩；结果为：调整前附加扭矩为1000牛米左右，调整后附加扭矩降为5~8牛米。

设计解决办法：设计上可采用将支架与扭矩传感器进行配作来保证。汽车变速器总成疲劳试验台设计

4）设计中的电机安装与齿轮箱安装不在同一平台上，两者的连接采用柱销联轴器，从而在安装中无法调整（使连接处于一条直线上）。产生的原因是设计没有考虑周全。

现场解决方法：将电机安装于垫铁，调整四个垫铁的高度，以柱销联轴器为基准使连接处于一条直线上，但调整起来相当的困难，共花费了一天时间。

设计解决办法：设计上的解决办法有二：其一为采用三角带轮传动；其二为将电机与齿轮箱安装在同一平台上并配作电机安装支架。汽车变速器总成疲劳试验台设计

5）联轴节安装在花键轴上时，处于浮动状态，运行中出现与齿轮箱及变速箱支架盖板摩擦的现象，很危险。产生的原因是原设计已有考虑，但在加工中由于花键的加工原因将轴肩直径改小（只有0.5mm的台阶）所致。

现场解决方法：利用0.5mm的台阶加一Ф76mm直径的轴用弹性挡圈。

设计解决办法：设计上要保证轴肩直径不小于联轴节内花键的大径值或设计上采用轴用弹性挡圈。汽车变速器总成疲劳试验台设计

6）十字传动轴的中间支承中的轴承润滑不良，在高速运转时发热冒烟，轴承损坏；产生的原因是轴承润滑设计不当，轴承的润滑流失干涸造成干摩擦发热。

现场解决方法：换轴承型号，由带两端密封的高速滚珠轴承（自带润滑脂）取代原设计中的圆锥滚子轴承。

设计解决办法：方法有二：其一是换轴承型号；其二是改善轴承润滑条件（如油箱中浸油润滑、强制供油润滑等）。

结论：对于无轴向载荷的支承，应优先采用高速滚珠轴承。如不易确保良好的润滑则应采用两端密封自带润滑脂的高速滚珠轴承。汽车变速器总成疲劳试验台设计

7）齿轮箱润滑回油不及时，回油速度小于进油速度；产生的原因是：其一为回油是采用自然流动回油，阻力很大，而进油层是采用油泵压力供油，流畅；其二是回有孔在齿轮箱上的位置设计的有些高和回油口直径有些小（现在用的是1”的回油管）；其三供油泵的流量为80L/min，供油量过大。

现场解决方法：在回油管路上加一个抽油泵，但解决的还是不太好；准备在没一个齿轮箱的回油口上加上一个抽油泵；

设计解决办法：一是设计上降低齿轮箱上回油口的位置；二是加大回油口的直径（加大到1.5”~2”）。如果再不行就应采用主动式回油（加抽油泵）。汽车变速器总成疲劳试验台设计汽车变速器总成疲劳试验台设计六、内置式液压加载器设计（主要讲设计）

闭式封闭试验台的原理见见图3所示。扭矩加载器是齿轮试验系统中一个最为关键的零部件，它是给实验系统提供所需的扭矩，直接影响整个实验台的性能、试验精度以及实验结果的可靠性。用于闭式试验台的加载方法较多，如箱体加载、联轴节加载、行星齿轮式加载和液压加载等等。液压加载装置具有加载平稳，操作轻便，而且可在运转中通过控制系统对加载力矩实现精细的调节等优点。因此，液压加载方式是最合适的选择。在液压传动中，能实现扭矩输出的有液压马达和叶片泵。在加载器的液压加载部分采用摆动缸比较合适。汽车变速器总成疲劳试验台设计加载器主要由心轴、配油器和摆动油缸个组成。摆动缸和输出轴之间通过螺栓连接，与其他齿轮连接构成封闭的传动系统。为了实现较小的压力输出较大的扭矩，摆动缸的叶片设置为3片，3个外叶片和3个内叶片构成3个低压腔和高压腔。高压腔和低压腔之间的压力差构成了对心轴的扭矩加载。为保证液压油能顺利的进入和流出心轴进入摆动缸，液压油先通过配油器再进入心