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AUTOCAD绘制了试验台中传动机构的整体装配图和传动机构的各部分零件图。

关键词：汽车变速器；试验台；闭式；传动机构；结构设计；分析

ABSTRACT

The trasmission is the most important component on the chassis,shifting frequent and wearing serious,it’s one of the main comp onents early damage to the https://www.360docs.net/doc/c57228148.html,e the test bench to test the trasmission on its various properties is very important and necessary for saving material,redcing cost, shorting the development cycle, improving the transmission’s life and working efficiency.And the closed test bench has the advantages of saving energy and controling convenient.It’s very important for saving the cost.

This text expounded in the transmission’s structure of layout and the working principle, I have a detailed transmit agencies des ign on the base of the design programme’s determined,then I analysis the design’s reasonable and check the mechanical stiffness and strength,makes this test bench to complete such as the transmission efficiency testing, running-testing, gear wearing testing, and in accordance with the detailed design parameters of various parts, using a pilot mapping software AUTOCAD map the transmit agencies’ assembly and some parts of the it.

Key Words:Automobile trasmission;Test bench;Closed;Transmit agencies;Structure design;

Analysis

目录

摘要......................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................ II 第1章绪论 (1)

1.1 课题的来源和意义 (1)

1.2 汽车试验装置的发展概况 (1)

1.3 汽车变速器性能试验台国内外发展概况 (2)

1.4 本课题的研究内容及主要工作 (3)

第2章传动系统的总体设计 (4)

2.1 设计方案论证 (4)

2.1.1 常见的机械式变速器损坏形式 (4)

2.1.2 闭式试验台与开式试验台比较 (5)

2.2 传动系统的工作原理 (9)

2.3 驱动电机的选择 (10)

2.3.1 工作条件 (10)

2.3.2 选择电动机的类型 (10)

2.4 传感器型号的选择 (11)

2.5 本章小结 (11)

第3章变速机构的设计 (12)

3.1 齿轮的设计与校核 (12)

3.1.1 选择齿轮材料及精度等级 (12)

3.1.2 确定设计准则 (12)

3.1.3 按齿面接触疲劳强度设计 (12)

3.1.4 主要尺寸计算 (14)

3.1.5 按齿根弯曲疲劳强度校核 (14)

3.1.6 验算齿轮的圆周速度 (15)

3.1.7 几何尺寸计算 (15)

3.2 箱体结构尺寸的计算 (15)

3.3 传动机构的设计 (17)

3.3.1 小齿轮轴的设计与校核 (17)

3.3.2 大齿轮轴的设计与校核 (21)

3.3.3 联轴器型号的选择 (25)

3.3.4 键的选择与校核 (26)

3.4 轴承型号的选择与校核 (27)

3.4.1 小轴上轴承型号的选择与校核 (27)

3.4.2 大轴上轴承型号的选择与校核 (29)

3.4.3 轴承的润滑与密封 (30)

3.4.4 轴组件轴向固定方式的确定 (31)

3.5 轴承端盖 (33)

3.5.1 小轴上轴承端盖 (33)

3.5.2 大轴上轴承端盖 (33)

3.6 套筒 (34)

3.7 杆式油标 (34)

3.8 本章小结 (34)

第4章加载器的设计 (36)

4.1 加载方法的比较与选择 (36)

4.2 蜗杆传动的特点与设计 (38)

4.2.1 蜗杆传动的特点 (38)

4.2.2 蜗杆传动的设计 (38)

4.3 轴的结构设计 (42)

4.3.1 蜗轮轴的设计 (42)

4.3.2 蜗杆轴的设计 (47)

4.3.3 联轴器型号的选择 (51)

4.3.4 键的选择与校核 (51)

4.4 加载器箱体的设计 (52)

4.5 轴承型号的选择与校核 (53)

4.5.1 蜗轮轴上轴承型号的选择与校核 (53)

4.5.2 蜗杆轴上轴承型号的选择与校核 (55)

4.5.3 轴承组合设计 (58)

4.6 轴承端盖尺寸 (59)

4.6.1 蜗轮轴上轴承端盖尺寸 (59)

4.6.2 蜗杆轴上轴承端盖尺寸 (59)

4.7 本章小结 (60)

第5章传动轴的设计 (61)

5.1单向离合器型号的选择 (61)

5.2 单向离合器处轴段的设计与校核 (62)

5.3 变速器间轴段的设计与校核 (64)

5.4 本章小结 (65)

结论 (66)

参考文献 (67)

致谢 (69)

附录 (70)

附录A 英文文献 .......................................................................... 错误！未定义书签。

附录B 中文翻译 .......................................................................... 错误！未定义书签。

第1章绪论

1.1 课题的来源和意义

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。

1.2 汽车试验装置的发展概况

十九世纪下半叶,德国的戴姆勒-奔驰公司、法国的标致公司、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。1.3 汽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：

1.开式功率流变速器试验台

常见的开式功率流汽车传动系零部件试验台由驱动装置、加载装置、测量装置、被试装置等四部分组成，如图1.1所示。

图1.1 开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。

2.闭式功率流变速器试验台

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。

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。

1.4 本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章传动系统的总体设计

2.1 设计方案论证

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。

2.1.1 常见的机械式变速器损坏形式

1.外壳

变速器外壳的主要损坏形式是壳体开裂。损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。

2.齿轮

变速器齿轮的损坏形式主要有以下几种：

（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。

3.轴类零件

变速器轴类零件的损坏形式主要有：

（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。

4.轴承

在变速器中，滚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。

5.同步器

同步器的失效，主要是由于同步环磨损，致使后备行程消失造成的。

2.1.2 闭式试验台与开式试验台比较

1.开式试验台

国内外变速器总成疲劳试验台的形式很多，但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