車輛工程畢業(yè)設(shè)計論文變速器性能閉式試驗臺運(yùn)動仿真設(shè)計【全套圖紙proe三維】

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1、 第1章 緒　　論 1.1 課題研究的來源和目的 自1886年誕生第一輛汽車以來，汽車工業(yè)經(jīng)歷了100年的發(fā)展過程。在我國，從1953年第一汽車制造廠動土興工到現(xiàn)在，汽車工業(yè)的發(fā)展有了50年的歷史了。由于社會需求的不斷增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展的推動，汽車日臻精巧，其運(yùn)輸生產(chǎn)率和各項性能都有很大提高。因此，現(xiàn)代汽車已成為世界經(jīng)濟(jì)與人民生活中不可缺少的一種運(yùn)輸工具。由于汽車工業(yè)是科技含量高、利潤高和對相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶動大的產(chǎn)業(yè)，汽車產(chǎn)品的質(zhì)量及其設(shè)計水平已成為衡量一個國家技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。得到了各國政府和企業(yè)家的重視，很多國家都把汽車工業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)，汽車工業(yè)的競爭也越來越殘酷，對技術(shù)

2、和質(zhì)量的要求也越來越高。 全套圖紙，加153893706 但就我國的設(shè)計水平而言，載貨汽車方面，我們經(jīng)歷了從全套改進(jìn)到仿制，再到自主開發(fā)的三個階段。轎車方面，我們雖然在50年代末期在仿制的基礎(chǔ)上生產(chǎn)了“紅旗”、“上海”牌轎車，但至今基本上仍屬于引進(jìn)階段。近年來，捷達(dá)和桑塔納改型成功，表明我國自主開發(fā)的能力方面開始取得進(jìn)展，但是這只是一個良好的開端，我們還有更多的工作需要做。 雖然我國建國較晚，同時又受到世界上一些國家的封鎖造成我國汽車工業(yè)相對落后世界先進(jìn)水平，同時我們也面臨著起步晚，經(jīng)驗不足，資金缺乏和技術(shù)落后等一系列困難，造成了我國汽車工業(yè)還仍然處于不完善狀態(tài)。但是，自改革開放以來

3、，我國汽車工業(yè)經(jīng)過了艱苦創(chuàng)業(yè)，已經(jīng)迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)會，顯示出了良好的發(fā)展勢頭。 通過使用來鑒別汽車的零部件質(zhì)量是最為實際、有效的，也很客觀。但這種方法不能全部應(yīng)用于汽車零部件。因為這種方法要耗費太多的人力、物力和財力，且周期長，見效慢，明顯不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車發(fā)展的節(jié)奏。所以，我們要尋求周期短，耗人力和物力較少的實驗方法，室內(nèi)臺架實驗正好滿足了這一需要。但是我國室內(nèi)臺架實驗水平太低，實驗設(shè)備，實驗方法等等方面還有很多不盡人意之處。所以，為了提高我國汽車產(chǎn)品的質(zhì)量，設(shè)計，制造出精度高，操作簡便，適用性強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，成本低的試驗設(shè)備便成為擺在我們面前的首要任務(wù)。 在汽車的傳動系中，變速器起著非常

4、重要的作用。因為在汽車上廣泛采用活塞式內(nèi)燃機(jī)，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小，而復(fù)雜的使用條件則要求汽車的牽引力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。變速器正是為解決這一矛盾而設(shè)置的，保證變速器具有良好的工作性能，將對提高汽車的質(zhì)量和性能起著非常重要的作用。同時變速器是汽車構(gòu)造上的一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用條件復(fù)雜、可靠性要求高的重要部件，所以，變速器應(yīng)保證汽車有必要的動力性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)保證換檔迅速、省力、工作可靠。此外，還應(yīng)滿足效率高、噪聲低、體小質(zhì)輕、制造容易、成本低等。因此從產(chǎn)品開發(fā)到生產(chǎn)到使用都要對其進(jìn)行大量的試驗，以確定其各種性能參數(shù)，為汽車的生產(chǎn)、銷售、維修單位以及汽車的使用者提供可靠的參考，防止出現(xiàn)重

5、大的事故。在此領(lǐng)域各國都在潛心研究，以不斷提高試驗的準(zhǔn)確性，從而提供更可靠的試驗數(shù)據(jù)，為社會服務(wù)。 由于變速器復(fù)雜的使用條件和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成變速器受力比較復(fù)雜，破壞形式更是多種多樣，面對變速器如此多的損壞形式，變速器的實驗臺也應(yīng)該是多種多樣的。因為如果設(shè)計出一臺能夠試驗所有變速器的損壞形式的實驗臺，困難是非常大的，通常變速器的損壞試驗包括以下幾種： (1) 變速器效率實驗 主要用于衡量變速器性能、標(biāo)志著變速器功率損耗的多少。 (2) 變速器總成動態(tài)剛性試驗 是評價變速器設(shè)計水平的重要指標(biāo)之一，是指變速器各軸在傳遞扭矩時變形的大小。 (3) 變速器總成噪聲測定 變速器總成噪聲

6、作為汽車噪聲的一個重要組成部分，近幾年已被人們所重視，在《TB3987-85標(biāo)準(zhǔn)》中已被列為產(chǎn)品定型的必試項目。 (4) 同步器試驗 (5) 變速器總成靜扭強(qiáng)度試驗 該項試驗的目的在于暴露變速器總成的薄弱環(huán)節(jié)，以及確定其靜扭強(qiáng)度儲備系數(shù)。 (6) 變速器單對齒輪疲勞試驗 實驗?zāi)康氖窃谝?guī)定的條件下測定變速器齒輪的彎曲疲勞壽命和接觸疲勞壽命。 (7) 變速器總成疲勞壽命試驗 由此可見，變速器效率實驗臺在變速器實驗中占據(jù)著非常重要的地位,可以完成變速器機(jī)械效率的測試，因為試驗臺臺工作載荷變化大，試驗周期長，要求其具有良好的強(qiáng)度和剛度。我本次進(jìn)行的設(shè)計是機(jī)械閉式試驗臺效率試驗臺模型搭建與

7、運(yùn)動仿真研究，是配合結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行包括總體結(jié)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)在電機(jī)驅(qū)動下的運(yùn)動過程仿真及力學(xué)分析。主要是為求得試驗臺在進(jìn)行運(yùn)動分析時各個元件及連接對的位置，速度及加速度，元件之間的干涉，元件的軌跡曲線等等，以進(jìn)一步保證閉式汽車變速器性能試驗臺設(shè)計結(jié)果的合理性。 1.2 CAD技術(shù)的發(fā)展及Pro/Engineer工程軟件簡介 1.2.1 CAD技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展 CAD技術(shù)起步于50年代后期。進(jìn)入60年代，隨著在計算機(jī)屏幕上繪圖變?yōu)榭尚卸_始迅速發(fā)展。人們希望借助此項技術(shù)來擺脫繁瑣、費時、繪制精度低的傳統(tǒng)手工繪圖。此時CAD技術(shù)的出發(fā)點是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達(dá)零件，以圖紙為媒介進(jìn)行

8、技術(shù)交流，這就是二維計算機(jī)繪圖技術(shù)。 在CAD軟件發(fā)展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非現(xiàn)在我們經(jīng)常討論的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部內(nèi)容。CAD技術(shù)以二維繪圖為主要目標(biāo)的算法一直持續(xù)到70年代末期，以后作為CAD技術(shù)的一個分支而相對單獨、平穩(wěn)地發(fā) 展。早期應(yīng)用較為廣泛的是CADAM軟件，近十年來占據(jù)繪圖市場主導(dǎo)地位的是 Autodesk公司的AutoCAD軟件。在今天中國的CAD用戶特別是初期CAD用戶中，二維繪圖仍然占有相當(dāng)大的比重。 隨著數(shù)據(jù)技術(shù)

9、和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，在另外一些領(lǐng)域，如機(jī)械工程領(lǐng)域，只需要提供有關(guān)零件的數(shù)控代碼的無紙環(huán)境，而不需要正交顯示的設(shè)計圖紙。設(shè)計人員在CAD系統(tǒng)里建立模型，電子數(shù)據(jù)同時被各個部門——如生產(chǎn)部、制造部、質(zhì)量控制部和設(shè)計部等部門使用。另外，CAD系統(tǒng)正成為許多產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，CAD設(shè)計方案可通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）充分顯示出來。利用Intranet與Internet可以相互連通的性能，還可以將設(shè)計在國際互聯(lián)網(wǎng)上顯示出來。 據(jù)PTC公司的劃分，第一代CAD軟件是二維和線性框架系統(tǒng)；第二代為曲面模型和布爾式實體模型系統(tǒng)；第三代為參數(shù)式實體特征建模的系統(tǒng)；第四代則

10、為融合智能與協(xié)作的CAD系統(tǒng)。 CAD技術(shù)革命主要分為四個歷史階段 1.第一次CAD技術(shù)革命──“貴族化”的曲面造型系統(tǒng) 2.第二次CAD技術(shù)革命── 生不逢時的實體造型技術(shù) 3.第三次CAD技術(shù)革命── 一鳴驚人的參數(shù)化技術(shù) 4.第四次CAD技術(shù)革命── 更上層樓的變量化技術(shù) 1.2.2 Pro/Engineer工程軟件的簡介 Pro/Engineer3-D造型設(shè)計系統(tǒng)由Paranetric Technology Corporation（參數(shù)技術(shù)公司）于1989年開發(fā)出來。從那時到現(xiàn)在，歷經(jīng)10多個春秋，參數(shù)技術(shù)公司憑借其強(qiáng)大的科研、開發(fā)能力和完善的營銷策略，取得了輝煌的成

11、績，成功地通過市場競爭與實際應(yīng)用的考驗。 Pro/Engineer高速的版本更新速度，不斷修改界面與功能的加強(qiáng)，使得軟件更加人性化和智能化，受到廣大設(shè)計工作者的歡迎和信賴。在為數(shù)眾多的3-D設(shè)計軟件中，Pro/Engineer產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境受到多數(shù)廠商的青睞，其原因是它能夠支持同步設(shè)計，通過Pro/Engineer及其相關(guān)軟件Pro/Ddsigner、Pro/Mechanica,可讓使用者同時完成工業(yè)設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、功能模擬、加工制造、大大縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間與流程。為企業(yè)參與激烈的市場競爭贏得了寶貴的時間。同時，并行設(shè)計的方法，也使設(shè)計成本大降低，增強(qiáng)了企業(yè)的競爭力。 以下將簡單介紹PTC家

12、族三大軟件的功能。 1．Pro/Engineer Pro/Engineer主要的功能是進(jìn)行參數(shù)化的零件造型設(shè)計，所提供的功能包括實體造型設(shè)計、曲面設(shè)計、建立工程圖、零件組合、簡單的有限元素分析、模具設(shè)計、電路設(shè)計、裝配零件設(shè)計、加工制造、逆向工程等等。 2．Pro/Designer Pro/Designer原名Pro/CDRS，是一套概念化的設(shè)計系統(tǒng)，主要應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計方面。使用Pro/Designer，不僅可以讓工業(yè)設(shè)計師快速地創(chuàng)造、評估、修改數(shù)種產(chǎn)品概念，還可以由它來產(chǎn)生超越數(shù)學(xué)方程式定義的自由曲面，使設(shè)計師的思維得到不加任何限制的發(fā)揮。加外，Pro/Designer內(nèi)建的文件輸出

13、格式，可直接將所建立的曲面幾何圖形直接應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計或輸出到產(chǎn)品原形制造上。 3．Pro/Mechanica Pro/Mechanica是一種功能性有限元分析軟件，除了可以使用它內(nèi)建的繪圖功能直接繪制模型結(jié)構(gòu)外，還可以接受來自Pro/Engineer繪制的造型。使用Pro/Mechanica給定適當(dāng)?shù)呐R界條件，可以進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、熱傳導(dǎo)分析、駕駛時輪胎分析、振動分析、機(jī)構(gòu)分析等等，設(shè)計師可以利用以上的有限元分析功能輕地進(jìn)行產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計。 Pro/Engineer及其相關(guān)軟件最大的特點是采用單一數(shù)據(jù)庫管理，并且是一種全關(guān)聯(lián)的軟件。由于Pro/Engineer中所有的

14、模型互相連接，因此可確保資料的正確性，避免反復(fù)修改浪費時間。這種功能正符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)中所謂的并行設(shè)計觀念。[10] 1.2.3 Pro/Engineer工程軟件的特點 Pro/Engineer具有獨特的參數(shù)化設(shè)計概念，采用單一數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，有支持同步并行設(shè)計的功能，它還包括了下面的幾個特性。 1．3-D造型模型 Pro/Engineer擺脫了傳統(tǒng)的線建構(gòu)，面建構(gòu)的設(shè)計方式，直接采用三難造型架構(gòu)，可以將模型實時地，真實地呈現(xiàn)在設(shè)計者的面前，輕易地計算出造型的表成積、體積、重量、慣性矩、重心等特理量，讓使用者更真實地了解產(chǎn)品的相關(guān)特性。 2．特征模型建構(gòu) Pro/

15、Engineer以特征作為產(chǎn)品幾何建構(gòu)和數(shù)據(jù)存取的基礎(chǔ)，這些特征的名稱都是一般機(jī)械設(shè)計上常用的名稱，如拉伸（Extrude）、掃描（Sweep）、抽殼（Shell）、圓角（Chamfer）等，由給定這些特征合理的參數(shù)即可建立出三難模型。 3．參數(shù)式設(shè)計 Pro/Engineer其獨特的單一數(shù)據(jù)庫設(shè)計，將每個尺寸看作一可變的參數(shù)，只要修改這些參數(shù)的尺寸，相關(guān)的造型即會依照尺寸的變化重新生成，達(dá)到設(shè)計變更的一致性。憑借參數(shù)化的設(shè)計，設(shè)計者可以運(yùn)用布爾或數(shù)學(xué)運(yùn)算方式建立尺寸之間的關(guān)系式，然后修改相關(guān)參數(shù)，就可以達(dá)到同步修改的目的,從而減少人為修改圖形或計算所花費的時間，并且減少了錯誤的發(fā)生。

16、4.硬件獨立 Pro/Engineer是一種跨系統(tǒng)平臺的設(shè)計軟件，這些系統(tǒng)平臺包括Unix、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP等。它在每個系統(tǒng)平臺上都維持著相同的外觀和功能，設(shè)計資料也可以在不同的操作系統(tǒng)之間互相轉(zhuǎn)換。 在一般個人電腦下使用Pro/Engineer的硬件需求如下表1.1所示。 表1.1 Pro/Engineer的硬件配置 硬件名稱 最低要求 推薦配置 處理器 PentiumII350 PentiumII 1G以上 內(nèi)存 128MB 256MB以上 硬盤剩余空間 1G 2G以上 顯示器 15in

17、17in 顯卡 能提供Open GL 3Dlab系列、OxyGen402 操作系統(tǒng) WindowsNT4.0 Windows2000、WindowsXP 其它 光驅(qū)、鼠標(biāo) 三鍵鼠標(biāo) 1.3 汽車變速器性能試驗臺的發(fā)展概況 隨著工程車輛工業(yè)的迅猛發(fā)展，變速箱以其傳動比固定，傳動力矩大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，成為工程車輛的關(guān)鍵性傳動部件之一。齒輪傳動效率影響整個工程車輛的動力性，經(jīng)濟(jì)性和排放性等。以前，國內(nèi)外大多將變速箱安裝在工程車輛上，在工程車輛的行駛中進(jìn)行試驗，或在試驗車特定條件下進(jìn)行道路試驗。但這種試驗方式周期長、費用大。建立工程車輛變速箱齒輪傳動試驗臺，可以加強(qiáng)齒輪傳動特性

18、研究，性能驗證及效率測試等。對變速箱總成試驗也可起到很好的作用。目前，汽車變速器試驗臺主要分為傳統(tǒng)變速器性能試驗裝置和先進(jìn)變速器性能試驗裝置兩種形式?，F(xiàn)分別介紹如下： 1.3.1 傳統(tǒng)汽車變速器性能試驗裝置的類型及特點 汽車變速器是汽車構(gòu)造上的一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用條件復(fù)雜、可靠性要求高的重要部件，因此從產(chǎn)品開發(fā)到生產(chǎn)到使用都要對其進(jìn)行大量的試驗。國內(nèi)外變速器總成效率試驗臺的形式很多，但就其功率循環(huán)的方式而言，傳統(tǒng)的汽車變速器試驗臺的形式主要分為以下幾種，即開式試驗臺和機(jī)械封閉式試驗臺，開式試驗臺與機(jī)械封閉式試驗臺相比較而言各有各的優(yōu)點和缺點,現(xiàn)分別介紹如下： 1．開式功率流變速器試驗臺

19、常見的開式功率流汽車傳動系零部件試驗臺由驅(qū)動裝置、加載裝置、測量裝置，被試裝置等四部分組成， （1）驅(qū)動裝置 驅(qū)動電機(jī)多用轉(zhuǎn)速可調(diào)的直流電機(jī)或電力測功機(jī)。 （2）加載裝置 加載裝置種類很多，常見的有： ① 直流電機(jī)或電力測功機(jī)（作為負(fù)載裝置用時是發(fā)電機(jī)）； ② 電渦流測功機(jī)； ③ 水力測功機(jī) 其負(fù)荷調(diào)節(jié)較為困難，不易穩(wěn)定，所以在變速器試驗臺中這些年已很少使用了。 ④ 磁粉加載器 這種負(fù)荷裝置是近幾年才用于汽車實驗領(lǐng)域的，其主要特點是：負(fù)荷控制方便噪聲小低速加載性能好但以為其滑差功率?。ù笈ぞ鄷r允許的轉(zhuǎn)速很低），所以只適用于小噸位車輛變速器疲勞壽命試驗。

20、 上述四種負(fù)載裝置中，目前應(yīng)用最多的是電渦流測功機(jī)和電力測功機(jī)。 （3）載荷測量裝置 如果應(yīng)力測功機(jī)作為驅(qū)動裝置，則載荷即可應(yīng)用測功設(shè)備配備的測力裝置測量；若應(yīng)用其他電機(jī)驅(qū)動，則多使用就距測量儀。 （4）被試裝置 被試裝置為待試驗的汽車變速箱。 開式試驗臺的結(jié)構(gòu)形式如圖1.2所示： 圖1.2 開式功率流變速器實驗臺 驅(qū)動裝置 傳感器 變速器 傳感器 加載裝置 測量裝置 控制系統(tǒng) T1 i T2 動力傳遞路線如圖1.3所示： 圖1.3 開式功率流變速

21、器實驗臺動力傳遞路線 則所測機(jī)械效率為: 它的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，試驗方法簡單，通用性好，但是由于需采用原動機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)來驅(qū)動，造價高，耗電量大，尤其是做耗時較長的疲勞壽命試驗時，更是如此。不宜進(jìn)行大功率加載試驗，目前它適用于科研、教學(xué)和小型生產(chǎn)廠，例如吉林大學(xué)汽車試驗室、哈爾濱齒輪廠研發(fā)部等。 2．機(jī)械封閉式功率流變速器試驗臺 機(jī)械封閉式試驗臺，是目前為止國內(nèi)汽車變速器驅(qū)動橋齒輪試驗中應(yīng)用最多的試驗臺，其結(jié)構(gòu)形式和加載方式有多種方案。介紹如下： 盡管機(jī)械封閉式變速器疲勞試驗臺都是由兩個輔助齒輪箱、兩個變速器通過傳動軸和聯(lián)軸器連接而成的，但因其布置方案不同，可以分為如下三

22、種布置方式的機(jī)械封閉式試驗臺，a方案是兩個變速器并聯(lián)；b、c兩種方案是兩個變速器串聯(lián)的。 三種方案各有特點，下面對它們一一進(jìn)行論述： a方案的特點是：兩個輔助齒輪箱的受力情況不同，與變速器第一軸相連的輔助齒輪箱承受的扭矩小，但轉(zhuǎn)速高。與變速器第二軸連接的輔助齒輪箱承受的扭矩大但轉(zhuǎn)速低，這種方案的優(yōu)點是：可以使輔助齒輪箱的速比不等于1，即讓陪試變速器的扭矩低于被試變速器的扭矩，從而可以大大提高被試變速器的壽命。但因此也會使試 驗臺的震動和噪聲加大，這也是不利的。 方案b和c相比較，因為方案b是輔助齒輪箱與兩個變速器的第一軸相連，所以受力較小，因而輔助齒輪箱及其內(nèi)部的零件可以尺寸較小，但是

23、這種方案因為輔助齒 輪箱和與其相聯(lián)的傳動軸轉(zhuǎn)速較高，所以試驗臺的噪聲和振動較大。與之相反，c方案的兩個輔助齒輪箱受力雖大但轉(zhuǎn)速較低（尤其是在試驗低速擋時），所以在試驗中噪聲小，振動輕。因此，可將試驗轉(zhuǎn)速提高，加快試驗進(jìn)度，只要輔助齒輪箱的設(shè)計尺寸加大，使其有足夠的使用壽命，c方案也是可取的。 圖1.4 機(jī)械封閉式變速器試驗臺傳動機(jī)構(gòu)三種布置方案示意圖 1.電動機(jī) 2.輔助齒輪箱 3.被試變速器 4.陪式變速器 （a）兩個變速器不同軸布置（b）兩變速器同軸相對布置（c）兩變速器同軸相反布置 但是方案c也有一個不足之處，從上圖可以看出驅(qū)動電機(jī)與

24、被試變速器同處在一個軸上，由于變速器的轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)很難達(dá)到變速器各種工況下的轉(zhuǎn)速要求，為此，將方案c的電機(jī)驅(qū)動部位移到另外一個回路軸上，輔助箱內(nèi)采用齒輪傳動，電機(jī)輸出軸與大齒輪軸通過聯(lián)軸器連接在一起，變速器輸入軸與小齒輪軸通過聯(lián)軸器連接在一起，達(dá)到升速的目的，即下圖所示的為機(jī)械封閉式變速器性能閉式試驗臺的最佳方案。 電 機(jī) 齒 輪 箱 加 載 器 齒 輪 箱 傳感器 變速器 傳感器 傳感器 圖1.5 閉式功率流變速器實驗臺動力傳遞路線 它的特點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作較復(fù)雜，控制繁瑣，通用性差，但是功

25、耗少、投資省，適于疲勞壽命試驗。本課題將對這種試驗臺的機(jī)械部分進(jìn)行模型仿真及動態(tài)仿真研究。 1.3.2 先進(jìn)汽車變速器性能試驗裝置的類型及特點 目前比較先進(jìn)的變速器性能試驗裝置是電功率流封閉變速器試驗臺。這種類型試驗臺的結(jié)構(gòu)如圖1.6所示： 被試變速器 電力測功器（動力用） 可控硅整流器 電力網(wǎng) 陪試變速器 電力網(wǎng) 可控硅整流器 電力測功器（加載發(fā)電用） 圖1.6 電封閉式功率流變速器實驗臺動力傳遞路線 電封閉式試驗臺的機(jī)械裝置與開式試驗臺相同，但其負(fù)載必須是電機(jī)或者發(fā)電機(jī)，所發(fā)電流通過控制系統(tǒng)反饋到驅(qū)動電機(jī)或輸入電網(wǎng)，以便達(dá)到能量

26、循環(huán)的目的。因此，電封閉式試驗臺耗能少，適用于大噸位車輛的變速器試驗。 但是，電封閉試驗臺的缺點是操縱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。所以很少被采用。目前已在此基礎(chǔ)上開發(fā)有檔次較高的實驗裝置，但是受到價格的約束，尚未在一般科研部門、院校及企業(yè)應(yīng)用。 1.4 課題研究的主要內(nèi)容及技術(shù)路線 1.4.1 課題研究內(nèi)容 完成變速器性能閉式試驗臺運(yùn)動仿真研究。根據(jù)機(jī)械變速器汽車的結(jié)構(gòu)特點和行駛條件,擬定試驗臺的基本技術(shù)參數(shù),配合變速器性能閉式試驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計,進(jìn)行設(shè)計的主要內(nèi)容包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、加載機(jī)構(gòu)設(shè)計、傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計、和驅(qū)動電機(jī)的選擇等的運(yùn)動仿真和必要的力學(xué)分析。 1.4.2課題研究技術(shù)路線

27、本次設(shè)計的技術(shù)路線可用以下圖1.7來表示。 試驗臺總體方案確定 ↓ 應(yīng)用Pro/E工程軟件建立加載器模型 ↓ 應(yīng)用Pro/E工程軟件建立傳動機(jī)構(gòu)模型 ↓ 應(yīng)用Pro/E工程軟件建立總體模型 ↓ 應(yīng)用Pro/E工程軟件完成總體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動協(xié)調(diào)性仿真 ↓ 應(yīng)用Pro/E工程軟件完成總體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動協(xié)調(diào)性仿真 ↓ 完成試驗臺的運(yùn)動仿真 圖1.7 課題研究技術(shù)路線 第2章 變速器試驗臺的總體結(jié)構(gòu) 2.1 概述 本課題將在前述幾種試驗臺的基礎(chǔ)上，力求克服功耗大、造價高、通用性差、操縱復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理繁瑣等缺點，研制一套適用于科研院所、中小企業(yè)及

28、教學(xué)單位的試驗臺，其主要特點在于充分利用機(jī)械閉式功率流的原理，使制作和使用成本相對較低，另外，整個系統(tǒng)的工作過程除機(jī)械加載外，其它均采用了電子控制方式，即通過操控控制面板使系統(tǒng)在規(guī)定模式下工作，并由相應(yīng)傳感器將測試數(shù)據(jù)輸送給單片機(jī)，在單片機(jī)中對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終將測試結(jié)果顯示出來。 2.2 汽車變速器的性能指標(biāo)和試驗臺的總體構(gòu)成 2.2.1 汽車變速器的性能指標(biāo) 汽車變速器的主要功用是將發(fā)動機(jī)輸出的有效性能指標(biāo)（有效功率、有效轉(zhuǎn)矩）傳給傳動軸，在此其間主要起到“降速增扭”的作用（超速檔除外）。在動力傳遞的過程中，主要靠位于幾根軸上的多對齒輪副的傳動來實現(xiàn)，因此在齒輪的潤滑和機(jī)械摩擦中

29、要有能量損失，這些損失分為液力損失和機(jī)械損失，因此，使發(fā)動機(jī)的有效功率經(jīng)變速器后有所減少，減少的這部分稱為功率損失，功率利用的多少稱為機(jī)械效率。機(jī)械效率直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)輸出動力的利用程度，減少功率損失、提高機(jī)械效率是變速器研發(fā)過程中一直追求的目標(biāo)，因此要對變速器的機(jī)械效率進(jìn)行測量；潤滑條件的好壞也關(guān)系到齒輪的使用壽命和功率損失，因此潤滑條件及齒輪油的品質(zhì)進(jìn)行研究和選取；換檔過程中齒輪的頻繁交換嚙合和長時間的滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)要造成齒輪的耐久性損壞，因此要對齒輪、軸承及同步器等進(jìn)行疲勞壽命試驗，以確定其能否滿足大修條件的要求；各對齒輪副中的齒輪是分別安裝在不同軸上的，因此，工作過程中軸間的相對位置直接關(guān)

30、系到齒輪的嚙合狀態(tài)，也就關(guān)系到動力傳遞的流暢性、機(jī)械功率損失的大小以及齒輪的壽命，這種軸間的相對位置的穩(wěn)定性是靠軸的剛度保證的，因此要對軸在旋轉(zhuǎn)過程中的撓曲變形量進(jìn)行測量，以確定其是否影響到齒輪副的正常工作。 因此汽車變速器的性能指標(biāo)主要有機(jī)構(gòu)效率、潤滑情況、耐久性損壞、軸的剛度和齒輪磨損等。 2.2.2 試驗臺的總體構(gòu)成和工作原理 1．機(jī)械部分 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)如下圖2.1所示： 齒 輪 箱 齒 輪 箱 電 機(jī) T1，n1 T2，n2 加載器 傳感

31、器 變速器 變速器 傳感器 圖 2.1機(jī)械部分結(jié)構(gòu) 即該試驗臺機(jī)械系統(tǒng)是由電力測功機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩加載器、兩個齒輪箱、傳動軸和兩個變速器（一個被測變速器，一個陪測變速器）組成的一個封閉的傳動系統(tǒng)。此外，還輔以一套冷卻裝置以達(dá)到在變速器持續(xù)工作時為齒輪機(jī)油降溫保證變速器工作質(zhì)量的目的。 工作過程： （1）電動機(jī)及控制裝置：系統(tǒng)工作中應(yīng)控制并讀取轉(zhuǎn)速，一方面在試驗中保持系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)速不變，另一方面要對系統(tǒng)進(jìn)行多種轉(zhuǎn)速情況下試驗，因

32、此應(yīng)選擇調(diào)速電機(jī)并采用操縱方便數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確的單片機(jī)通過鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行模式輸入。 （2）加載裝置：為使小功率驅(qū)動電機(jī)能正常驅(qū)動系統(tǒng)，保持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且保證所測試變速器滿足在實際狀態(tài)工作的條件，應(yīng)事先給系統(tǒng)加載，以使內(nèi)部保持有相當(dāng)?shù)膬?nèi)力—轉(zhuǎn)矩，因此設(shè)有轉(zhuǎn)矩加載裝置，為使加載方式可靠、操縱方便，本課題采用蝸桿傳動加載方式。利用蝸桿的傳動，控制加載力矩的大小，另外，由于齒輪間的相互制約，系統(tǒng)被鎖死，保持系統(tǒng)儲備內(nèi)力而不運(yùn)轉(zhuǎn)。 （3）動力傳遞部分：工作時由電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。動力既經(jīng)輔助齒輪箱經(jīng)傳動軸帶動變速器輸入軸轉(zhuǎn)動并同時帶動輔助齒輪箱從動齒輪轉(zhuǎn)動。由于變速器輸入軸和輸出軸轉(zhuǎn)速不同，為保證系統(tǒng)主動部

33、分軸及齒輪轉(zhuǎn)速一致，特增加一臺陪試變速器，而且保持兩臺變速器相對布置即被試變速器的輸出軸和陪試變速器的輸出軸相連，動力傳遞的方式是: 第一輔助齒輪箱主動齒輪軸 電動機(jī) 被試變速器輸出軸 被試變速器輸入軸 陪試變速器輸入軸 陪試變速器輸出軸 第二輔助齒輪箱主動齒輪軸 圖2.2 動力傳遞路線 則所測機(jī)械效率為: （4）疲勞壽命、剛度、強(qiáng)度和潤滑試驗：這些試驗為長期試驗，一方面要測定變速器工作到疲勞失效的時間及早期失效發(fā)生的部位，另一方面要根據(jù)

34、觀察并測定在各檔位工作參數(shù)的變化情況。由于變速器從開始正常工作到發(fā)生疲勞失效需很長的時間，因此在實驗臺上需要按與實際相近的循環(huán)作長期連續(xù)的工作。在此期間要加強(qiáng)對系統(tǒng)尤其是對箱體的冷卻。 2．控制部分 （1）控制部分組成及工作原理如下圖2.3所示： 單片機(jī) 驅(qū)動電路 驅(qū)動器 電機(jī) 系 統(tǒng) 轉(zhuǎn)矩傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器 多路顯示 圖 2.3 控制部分 （2）控制過程：通過鍵盤給單片機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速或給定工作模式，由驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)在設(shè)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，并由傳感器測量電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速反饋給單

35、片機(jī)，單片機(jī)對各種模式下測取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并由顯示器顯示結(jié)果。 （3）工作模式：根據(jù)變速器的實際工作狀況，設(shè)定相應(yīng)的輸入模式，包括： ① 變速器機(jī)械效率試驗，考查轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和不同檔位改變時對變速器機(jī)械效率的影響，重點確定幾種特征轉(zhuǎn)速和特征轉(zhuǎn)矩； ② 潤滑試驗 ③ 耐久性損壞試驗 ④ 齒輪磨損檢驗 ⑤ 剛度試驗 2.3 加載器的概述 2.3.1 加載方法的比較與選擇 機(jī)械閉式變速器試驗臺采用的加載方式很多，常見的有如下幾種，下面分別一一加以闡述： （1）盤式加載法 這種加載法是將封閉回路中相鄰的兩個加載盤相對轉(zhuǎn)一定的角度，直至達(dá)到試驗負(fù)荷時，再將兩個加載盤鎖死，即可達(dá)到加

36、載的目的。這種加載機(jī)構(gòu)常與扭力桿和刻度盤合用。 這種加載方法操作費力兼加運(yùn)加載時與靜止加載時的負(fù)荷不同（即轉(zhuǎn)運(yùn)后出現(xiàn)“負(fù)荷重新分配”現(xiàn)象，靜止加載時與轉(zhuǎn)運(yùn)中封閉回路各處的扭矩分配關(guān)系不同）所以影響負(fù)荷的準(zhǔn)確性，但是影響不大，而且體積較小，安裝容易。 （2）平衡力矩加載法 這種加載法又稱“反作用力矩加載法”或“搖擺箱加載法” 。用于機(jī)械封閉式變速器試驗臺時，將被試變速器采用平衡支承法安裝（即變速器兩端支承在有滾動軸承的支架上，使變速器能繞其主軸旋轉(zhuǎn)一定角度），在與變速器殼體相聯(lián)的力臂外端吊一定質(zhì)量的重塊，使力臂上的力矩與變速器在試驗負(fù)荷作用下殼體上的反作用扭矩相平衡，按重塊的質(zhì)量即可計算出

37、試驗扭矩。 這種加載方法的優(yōu)點很多，如結(jié)構(gòu)簡單，試驗負(fù)荷準(zhǔn)確，運(yùn)轉(zhuǎn)中能觀察到試驗負(fù)荷的變化，還可以在試驗中出現(xiàn)損壞（如軸斷裂等）或試驗臺發(fā)生嚴(yán)重故障等而導(dǎo)致試驗負(fù)荷發(fā)生較大變化的情況下，通過安裝在力臂上下的限位開關(guān)作用實現(xiàn)自動停車等等。因此，這種加載方法一直被廣泛采用。 （3）行星機(jī)構(gòu)加載法 這種加載方法是借助于行星加載器施加載荷的。行星機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪式和圓錐齒輪式兩種。這兩種加載方法的優(yōu)點是在試驗臺運(yùn)轉(zhuǎn)中能調(diào)整和改變負(fù)荷便于實現(xiàn)變負(fù)荷試驗，其缺點是加載機(jī)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。因此，國內(nèi)很少采用這種加載方法。 （4）液壓加載法 液壓加載法是利用壓力油推動液壓加載器的轉(zhuǎn)子相對于定

38、子旋轉(zhuǎn)一定角度加載的。常用的液壓加載器有葉片式和凸輪（或斜齒）式兩種。 在采用液壓加載法時，雖然能根據(jù)油壓計算負(fù)荷，但不夠精確。因此常配備扭矩測量儀監(jiān)視負(fù)荷的變化。液壓加載法的優(yōu)點是在運(yùn)轉(zhuǎn)中可以非常方便地調(diào)整或改變負(fù)荷，便于進(jìn)行變負(fù)荷試驗。但使用中必須經(jīng)常監(jiān)視和調(diào)整負(fù)荷，因油路故障和油溫變化等原因都會影響負(fù)荷的穩(wěn)定性。 液壓加載器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜（除加載器之外，還要配備旋轉(zhuǎn)密封閥和液壓源站等），加工精度要求也較高。因此，在等負(fù)荷試驗中不宜采用。因為液壓加載器的油溫等因素變化對負(fù)荷時時都有影響，所以液壓加載器即便用在變負(fù)荷試驗中，也要通過閉環(huán)系統(tǒng)控制和調(diào)整負(fù)荷，以便彌補(bǔ)油壓的波動對負(fù)荷造成的影響。

39、 在國內(nèi)外，有多種變速器總成壽命的試驗及評價方法。近十年來，國內(nèi)的試驗及評價方法已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，如改單一擋位試驗為多擋位循環(huán)試驗；改簡單對比評價方法為指定通用評價指標(biāo)評價變速器總成壽命的方法等。現(xiàn)將國內(nèi)外幾種常用的試驗及評價方法簡述如下： （1）強(qiáng)化試驗法 強(qiáng)化試驗是為了縮短試驗時間，而在變速器第一軸施加等于或者大于發(fā)動機(jī)最大扭矩的試驗方法。 在強(qiáng)化試驗中，負(fù)荷的確定（即強(qiáng)化系數(shù)的選?。┦歉鶕?jù)預(yù)定達(dá)到的目標(biāo)損壞形式來選擇的。一般是根據(jù)變速器中有關(guān)齒輪的計算應(yīng)力值，并參照相近車型變速器壽命試驗數(shù)據(jù)來確定的。在上海大眾寶來（1.8T）車型所用的變速器齒輪工藝試驗中，按照疲勞試驗

40、時變速器第一軸扭矩規(guī)定為250N·m（發(fā)動機(jī)最大扭矩210，即強(qiáng)化系數(shù)1.19）；彎曲疲勞試驗時變速器第一軸扭矩定為305N·m（即強(qiáng)化系數(shù)為1.45），獲得了滿意的試驗效果。 這種強(qiáng)化試驗方法，對試驗結(jié)果的評價，只能用此對比的方法，用于工藝性試驗是最合適的。 （2）單一擋位壽命試驗方法 在試驗方法標(biāo)準(zhǔn)制定之前對于新設(shè)計的變速器總成的定型試驗，多數(shù)采用單一擋位試驗方法，即只試驗Ⅰ擋（最多Ⅱ、Ⅲ兩個擋），然后將試驗結(jié)果與舊車型或者同類車型進(jìn)行比較，借以評價被試變速器的好壞。 這種試驗及評價方法顯然不夠科學(xué)，試驗擋位少，暴露的問題不夠全面。另外，對試驗結(jié)果的評價，完全依賴于同類車型的試驗數(shù)

41、據(jù)，這也很不合理，尤其是在缺乏對比數(shù)據(jù)時，就更難下結(jié)論了。 （3）擋位循環(huán)試驗法 最近幾年，參考有關(guān)資料，并結(jié)合國內(nèi)部分生產(chǎn)廠家的試驗數(shù)據(jù)，制定了我國載貨汽車變速器總成擋位循環(huán)試驗方法及評價指標(biāo)，即《JB3987-85標(biāo)準(zhǔn)》及JBn4152-85《汽車機(jī)械式變速器臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《JBn4152-85標(biāo)準(zhǔn)》）。 （4）S-N曲線 國外一些廠家消耗很多變速器齒輪進(jìn)行了大量的壽命試驗，并繪制出各擋齒輪的S-N曲線（即齒輪臺架試驗臺壽命與試驗負(fù)荷的關(guān)系曲線），這樣只要給定一個負(fù)荷，就可查出各擋齒輪相應(yīng)的臺架試驗壽命。 總結(jié)上述可知：在等幅載荷試驗中，采用盤式加載法加載最合適；在變負(fù)

42、荷試驗中，采用行星機(jī)構(gòu)加載法或液壓加載法較好。 因為本試驗臺是為變速器總成效率試驗而設(shè)計的，就效率試驗的特點而言，應(yīng)該是負(fù)荷穩(wěn)定。所以選用平盤式加載法加載最合適。同時盤式加載法加載結(jié)構(gòu)簡單，試驗負(fù)荷準(zhǔn)確，所以本試驗臺設(shè)計方案中采用盤式加載法加載。 2.3.2 蝸桿傳動的類型及其特點 蝸桿傳動用來傳遞空間兩交錯軸之間的運(yùn)動與動力。蝸桿傳動由蝸桿與蝸輪組成，一般蝸桿主動、蝸輪從動，作減速運(yùn)動。與齒輪傳動相比，蝸桿傳動具有下列特點： （1）傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊 在一般傳動中，i=10～80，在分度機(jī)構(gòu)中（只傳遞運(yùn)動）i可達(dá)1000，因而結(jié)構(gòu)緊湊。 （2）傳動平衡、噪聲低 由于蝸桿齒連續(xù)不

43、斷地與蝸輪齒相嚙合，同時，蝸桿蝸輪嚙合時為線接觸，因而傳動平穩(wěn)，噪聲低。 （3）可具自鎖性 當(dāng)蝸桿的螺旋線升角小于嚙合副材料的當(dāng)量摩擦角，蝸桿傳動具有自鎖性。即只能蝸桿帶動蝸輪，而蝸輪不能帶動蝸桿。在起重裝置等機(jī)械中經(jīng)常利用此自鎖性。 （4）效率低 因為蝸桿蝸輪在嚙合處有較大的相對滑動，因而磨損大，發(fā)熱量大，效率低。一般傳動效率為0.7～0.8，具有自鎖性的蝸桿傳動效率為0.4～0.45，故蝸桿傳動主要用于中小功率傳動。 （5）成本高 為減少蝸桿傳動嚙合處的摩擦和磨損，控制發(fā)熱和防止膠合，蝸輪常采用青銅材料制造，因此成本增高。 蝸桿傳動用于傳遞空間交錯軸間的動力和運(yùn)動，常用的軸交

44、角為90℃。根據(jù)蝸桿形狀不同，蝸桿傳動可分為圓柱蝸桿傳動；環(huán)面蝸桿傳動；錐蝸桿傳動。本章主要介紹圓柱蝸桿傳動。 按蝸桿齒廓曲線形狀，圓柱蝸桿又有阿基米德蝸桿、漸開線蝸桿、法向直廓蝸桿等多種。 1．阿基米德蝸桿（ZA蝸桿） 阿基米德蝸桿形成與螺紋相同。刀刃夾角2α。=40℃。在切制時，刀刃平面通過蝸桿軸線。這樣加工出的蝸桿在垂直其軸線剖面與齒廓的交線是阿基米德螺旋線；在通過軸線的剖面內(nèi)，齒廓（軸向齒廓）為直線；在法向N-N剖面內(nèi)，齒廓（法向齒廓）為凸曲線。以此為滾刀加工出的蝸輪，在中間平面（通過蝸桿軸線并垂直于蝸輪軸線的平面）內(nèi)，齒形為漸開線。蝸輪于蝸桿在中間平面上是漸開線齒輪于齒條嚙合。

45、 阿基米德蝸桿加工及測量方便，應(yīng)用廣泛。但此種蝸桿難于磨削，因而達(dá)不到高精度。當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角較大時，加工困難。 2．法向直廓蝸桿 當(dāng)蝸桿導(dǎo)程角較大時，將刀具的切削平面放在螺旋線的法平面內(nèi)，這樣切出的蝸桿，法向齒廓為直線，軸向齒廓為曲線。垂直于軸線的剖面與齒廓交線為延伸漸開線，故也稱延伸漸開線蝸桿。 3．漸開線蝸桿（ZI蝸桿） 如果將刀具切削平面如果將刀具切削平面平行蝸桿軸線且與某一圓柱（稱為基圓柱）相切，這樣加工出來的蝸桿在垂直與軸線的剖面與齒廓交線為漸開線，稱為漸開線蝸桿。在切于基圓柱的軸向剖面內(nèi)，齒廓一側(cè)為直線，一側(cè)為凸曲線。這種蝸桿的齒面可以用平面砂輪磨削。從而獲得較高的制造精度

46、，適于成批生產(chǎn)和大功率高速傳動，是推薦采用的蝸桿傳動之一。 除上述幾種常用的圓柱蝸桿外，還有圓弧圓柱蝸桿（ZC蝸桿）、錐面包絡(luò)圓柱蝸桿。 對于與各種蝸桿相嚙合的蝸輪的齒形，隨蝸桿齒形而異。蝸輪通常在滾齒機(jī)上用滾刀加工。為了保證蝸輪蝸桿正確嚙合，切制蝸輪的滾刀齒形應(yīng)于相應(yīng)的蝸桿相同，滾銑似的中心距也應(yīng)與蝸桿的傳動中心距相同。因此，蝸輪滾刀齒形的精度，直接影響傳動質(zhì)量。蝸桿傳動類型的選擇，很大程度要根據(jù)所具備的工藝條件能否精確的制造或者獲得相應(yīng)的蝸輪滾刀而定。 2.3.3蝸桿傳動的優(yōu)點及應(yīng)用 蝸桿傳動主要優(yōu)點是可以獲得較大的單級傳動比。在動力傳動中，傳動比一般為5—80，對

47、非動力傳動，傳動比可以達(dá)到1000甚至更大。由于傳動比大，零件數(shù)目小，因此結(jié)構(gòu)緊湊。這兩點也是我們這次機(jī)械閉式變速器齒輪疲勞壽命試驗臺加載設(shè)計選擇蝸輪蝸桿加載裝置的重要原因。由于蝸桿是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪輪齒的嚙合是逐漸進(jìn)入或者退出，因此傳動平穩(wěn)，震動和噪聲小。蝸桿傳動的噪聲級比同精度的圓柱齒輪傳動平均約低7分貝。另外，不需其他輔助機(jī)構(gòu)即可獲得傳動的自鎖性。蝸桿傳動的主要缺點是效率低，故不宜在大功率連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)傳動條件下工作。為減輕齒面磨損以及避免膠合，蝸輪一般需要用較貴重的減磨材料（如青銅）制造。目前各種新興蝸桿傳動研究重點是提高效率，以及高效率連續(xù)大功率傳動的要求。 基于以上傳動特點，蝸桿傳

48、動常用做攪拌機(jī)、轉(zhuǎn)盤、提升機(jī)構(gòu)、紡織機(jī)械等的傳動裝置，還可以用做精密機(jī)械傳動，如銑床及切齒機(jī)床的工作臺傳動、汽車轉(zhuǎn)向裝置以及輪船方向舵的定位傳動裝置等，應(yīng)用范圍十分廣泛。 2.3.4 蝸桿傳動的失效形式 蝸桿傳動的失效形式和齒輪相似，有齒面點蝕、輪齒折斷、齒面磨損和膠合等。由于材料和結(jié)構(gòu)上的原因，蝸桿螺旋齒的強(qiáng)度總是高于蝸輪輪齒的強(qiáng)度，所以失效常發(fā)生在蝸輪上。 在閉式傳動中，由于蝸桿傳動效率低，發(fā)熱量大，致使?jié)櫥驼扯认陆?，潤滑效果變差，容易發(fā)生膠合或者點蝕。在開式傳動中。蝸輪的主要失效形式是磨損。至于蝸輪輪齒的折斷，只是在模數(shù)過小，蝸輪材料強(qiáng)度過低，或者由于過度磨損是輪齒過薄時才產(chǎn)生

49、。一般當(dāng)Z2小于80時，很少發(fā)生蝸輪輪齒的折斷。 由于目前缺乏可靠的蝸桿傳動膠合、磨損計算方法和數(shù)據(jù)，對一般用途的蝸桿傳動，通常還是按齒面接觸強(qiáng)度準(zhǔn)則和齒根彎曲強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計算。在設(shè)計時，通過合理地選擇傳動參數(shù)，采用良好的潤滑和散熱方式以及選擇適當(dāng)?shù)奈佪喐辈牧系却胧?，以改善磨損情況和避免膠合。此外在許用應(yīng)力中，考慮了膠合失效因素的影響。因此，對閉式蝸桿傳動，通常按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計，必要時驗算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，對連續(xù)工作的閉式傳動還要進(jìn)行熱平衡計算；對開式傳動，只需按照彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計。 此外，如果蝸桿傳動參數(shù)選擇不當(dāng)（例如：蝸桿直徑過小或者支撐跨距過大時），可能會出現(xiàn)蝸桿剛度不足，以

50、至影響接觸線的位置和接觸斑點的大小，影響承載能力。因此，必要時需驗算蝸桿剛度。 2.4 本章小結(jié) 本章對汽車變速器試驗臺的性能指標(biāo)和總體構(gòu)成及工作原理進(jìn)行了闡述，了解變速器試驗臺性能指標(biāo)主要包括機(jī)構(gòu)效率、潤滑情況、耐久性損壞、軸的剛度和齒輪磨損等。同時概述了蝸桿傳動的類型及特點，針對蝸桿傳動特點了解到蝸桿傳動的失效形式主要是齒面點蝕、輪齒折斷、齒面磨損和膠合等。 第3章 變速器試驗臺總成與加載器建模過程 3.1 變速齒輪箱的簡介與建模過程 3.1.1 齒輪的特點及失效形式 齒輪傳動用來傳動任意兩軸間的運(yùn)動和動力，其圓周速度可達(dá)到300m/s傳動功率可

51、達(dá)到KW,齒輪直徑可從不到1mm到150m以上，實現(xiàn)大機(jī)械中應(yīng)用最廣的一種機(jī)械傳動。 齒輪傳動與帶傳動相比主要有以下優(yōu)點： （1） 傳遞動力大、效率高； （2） 壽命長，工作平穩(wěn)，可靠性高； （3） 能保證恒定的傳動比，能傳遞任意夾角兩軸間的運(yùn)動。 齒輪傳動與帶傳動相比的主要缺點： （1） 制造、安裝進(jìn)度要求高，因此成本也較高； （2） 不宜作遠(yuǎn)距離傳動； （3） 無過載保護(hù)； （4） 需專門加工設(shè)備 變速器齒輪的損壞形式主要有以下幾種： （1）輪齒折斷 輪齒折斷是指齒輪的一個或多個齒的整體或其局部的折斷，輪齒折斷通常有疲勞折斷和過載折斷兩種。 （2）齒面點蝕 輪

52、齒進(jìn)入嚙合時，輪齒齒面接觸處在法向力的作用下將產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，脫離嚙合后接觸應(yīng)力即消失。對齒廓工作面上某一固定點來說，它受到的是近似于脈動變化的接觸應(yīng)力。如果接觸應(yīng)力超過了輪齒材料的接觸疲勞極限時，齒面上出現(xiàn)不規(guī)則的細(xì)微的疲勞裂紋，隨著裂紋的蔓延、擴(kuò)展而導(dǎo)致齒面表層上的金屬微粒剝落，形成麻點狀的凹坑，這種現(xiàn)象稱為齒面疲勞點蝕。點蝕發(fā)生后，破壞了齒輪的正常工作，引起振動和噪聲。 實踐表明，由于輪齒在節(jié)線附近嚙合時，同時嚙合的齒對數(shù)少，且輪齒間相對滑動速度小，潤滑油膜不易形成，所以點蝕首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根表面上。 一般閉式傳動中軟齒面易發(fā)生點蝕失效，設(shè)計時就應(yīng)保證齒面有足夠的接觸強(qiáng)度。

53、 （3）齒面膠合 在高速重載的齒輪傳動中，由于齒面間的壓力較大，相對滑動速度較高，因而發(fā)熱量大，使嚙合區(qū)溫度升高、油膜破裂而引起潤滑失效，相嚙合兩個齒面的局部金屬直接接觸并在瞬間互相粘連。當(dāng)兩齒面相對轉(zhuǎn)動時，較軟齒面上的金屬從表面被撕落下來，而在齒面上沿滑動方向出現(xiàn)條狀傷痕，這種現(xiàn)象稱為齒面膠合。 在低速重載的傳動中，由于齒面間壓力大，因而不易形成油膜，也會出現(xiàn)膠合。 （4）齒面磨損 齒面磨損是齒輪在嚙合傳動過程中，輪齒接觸表面上的材料摩擦損耗的現(xiàn)象。齒輪的磨損有磨粒磨損和跑合磨損兩種。 （5）塑性變形 當(dāng)輪齒材料較軟而載荷較大時，輪齒表面的材料將沿著摩擦力方向發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致

54、主動輪齒面節(jié)線附近出現(xiàn)凹溝，從動輪齒面節(jié)線附近出現(xiàn)凸棱，齒面的正常齒形被破壞，影響齒輪的正常嚙合，這種現(xiàn)象稱為齒面塑性變形。這種失效主要出現(xiàn)在低速、過載嚴(yán)重和起動頻繁的齒輪傳動中。 3.1.2齒輪箱的結(jié)構(gòu)與齒輪參數(shù)簡介 本次試驗臺的升速齒輪采用一級斜齒圓柱齒輪，本章節(jié)主要對升速器機(jī)構(gòu)進(jìn)行PRO/E模型建立。動力由大齒輪部分傳入，小齒輪輸出，達(dá)到升速的目的。其中大、小齒輪和兩根軸是關(guān)鍵部分和主要部件，它的好壞將直接影響到變速器的傳動效率和功率。 具體裝配圖如下圖3.1所示： 圖3.1 升速器裝配圖 本升速器的主要技術(shù)參數(shù)最大輸入扭矩為1176N·

55、M，變速比為1:4，根據(jù)設(shè)計方法，利用上面參數(shù)經(jīng)計算得到大、小兩個齒輪的參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 升速器斜齒參數(shù) 齒輪名稱 齒 數(shù) 壓力角(度) 模數(shù)(mm) 齒寬(mm) 分度圓直 徑(mm) 軸孔直 徑(mm) 大齒輪 96 20 5 124 496 83 小齒輪 24 20 5 130 124 60 3.1.3 漸開線方程及漸開線函數(shù) 漸開線是由一條線段繞齒輪基圓旋轉(zhuǎn)形成的曲線。漸開線的幾何分析如圖3.2所示。線段S繞圓弧旋轉(zhuǎn)，其一端點A劃過的一條軌跡即為漸開線。圖3.2中點的坐標(biāo)為： (其中r為圓半徑，ang為圖3.2所示

56、的角度)。 圖3.2 漸開線的幾何分析 對于Pro/Engineer關(guān)系式，系統(tǒng)存在一個變量t，t的變化范圍是0~1。從而可以通過建立的坐標(biāo)，下面即為輸入的漸開線的方程。 以上為定義在xy平面上的漸開線方程。 3.1.4 齒輪的建模分析過程 齒輪的端面形狀為漸開線，在Pro/E中齒輪的建模采用參數(shù)化，斜齒輪的齒廓曲面是一漸開線螺旋面，因此建模的關(guān)鍵就是確定精確的漸開線和螺旋線，漸開線的形成及數(shù)學(xué)議程的過程見上一小節(jié)。 將斜齒輪沿齒根圓圓柱面展開，則其螺旋線展開為一條斜直線，斜直線與軸線之間的夾角，如圖3.3所示。斜齒輪的名義螺旋角是指

57、分度圓上的螺旋角。齒根圓螺旋角可以通過公式求出。在Pro/E中可以在與齒根圓圓柱相切的水平面上先繪制如圖3.3所示的斜直線，然后將其投影到齒根圓圓柱面上就得到了螺旋線。通過對斜齒輪的建模分析可得到它的建模過程如下所示。 1．輸入齒輪參數(shù)和關(guān)系式，創(chuàng)建齒輪基本圓，包括齒頂圓、基圓、分度圓、齒根圓，并且用事先設(shè)置好的參數(shù)來控制圓的大小。完成后的“參數(shù)”窗口如圖3.4所示,完成后的“關(guān)系”窗口如圖3.5所示。

58、 圖3.3 斜齒輪沿齒根圓柱面展開圖 圖3.4 完成后的“參數(shù)”窗口 圖3.5 “關(guān)系”窗口 2．創(chuàng)建漸開線，用由方程來生成漸開線的方法創(chuàng)建漸開線。完成后的漸開線如圖3.6所示。 3．創(chuàng)建掃描軌跡和掃描混合截面，完成單個輪齒特征創(chuàng)建。掃描軌跡創(chuàng)建是在過 軸線的平面內(nèi)創(chuàng)建一個斜直線，投影到分度圓曲面上得到掃引軌跡，最后得到的圖形如圖3.7所示。

59、 圖3.6 完成后的漸開線 圖 3.7 完成后的單個輪齒 4．陣列輪齒，將第3步創(chuàng)建的輪齒進(jìn)行陣列，完成齒輪的基本外形。這一步需要加入關(guān)系式來控制齒輪的生成。得到下圖3.8所示的模型。 圖3.8 陣列輪齒后的齒輪 5．創(chuàng)建其他特征，創(chuàng)建齒輪的中間孔、鍵槽、小孔等特征，并且用參數(shù)和關(guān)系式來控制相關(guān)的尺寸。得到齒輪的實體三維模型，如圖3.9所示。 圖3.9 完成后的齒輪 用相同的方法完成升速器小齒輪的創(chuàng)建，最后得到的模型如下圖

60、3.10所示。 圖3.10 完成后的小齒輪 3.1.5 齒輪箱建模分析過程 升速器箱體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在創(chuàng)建箱體零件前，我根據(jù)設(shè)計結(jié)果在頭腦中勾勒出箱體的三維實體模型，將箱體分為兩大部分來建模，即升速器上箱體和下箱體，然后將實體模型按照特征類型劃分。對于相同的特征采用復(fù)制，鏡像，陣列等操作簡化創(chuàng)建過程。整個箱體的建模分析如下： 1． 先利用鏡像、拉伸增料方式和減料方式建立齒輪箱加速器箱體大體結(jié)構(gòu)。圖3.11所示 圖3.11 齒輪箱箱體大體結(jié)構(gòu) 2． 再利用拉伸減料的方式打孔，加強(qiáng)筋的方式建立加固作用的骨架。圖3.12所示

61、 圖3.12大體加工過的齒輪箱箱體 3、將上下箱體實體化利用倒角等方式對分別進(jìn)行細(xì)節(jié)加工。圖3.13；圖3.14所示 圖3.13上箱體 圖3.14下箱體 創(chuàng)建下箱體軸承孔是為了使軸承孔中心和和坯料中心重合，創(chuàng)建過程中我以坯料的外部曲線為參照，創(chuàng)建和外部邊界曲線同心的圓弧，這樣創(chuàng)建的軸承孔中心與坯料中心重合，而且可以保證兩個軸承孔之間的中心距。 建立完成的上、下箱體模型如下圖3.15、3.16所示：

62、 圖3.15 齒輪箱上箱體模型 圖3.16 齒輪箱下箱體模型 3.2 加載器的建模過程 3.2.1 加載阻力的確定 加載阻力主要是模擬在汽車運(yùn)行過程中，變速器輸出軸上所受的載荷，所以需要根據(jù)前面所確定的模型將作用在車輪上的行駛阻力，簡化到變速器的輸出軸上。經(jīng)等效轉(zhuǎn)換后，則可得到作用在變速器輸出軸上的負(fù)載力矩M： （1） 式中： r —車輪半徑，m； F—作用在車輪上的行駛阻力 汽車的行駛阻力主要由滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力所組成，表示為驅(qū)動力平衡方程式： Ft=Ff +Fw+Fi+Fj

63、（2） 式中：Ff—滾動阻力； Fw—空氣阻力； Fi—坡度阻力； Fj—加速阻力，。 當(dāng)Fj-（Ff+Fw+Fi ）0時，汽車能夠在坡道上正常起步、勻速或加速行駛。汽車的驅(qū)動力越大，加速性能就越好，爬坡能力也越強(qiáng)。汽車加速行駛時，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動時的慣性力，就是加速阻力。汽車的質(zhì)量分為平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量兩部分。加速時，不僅平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量也要產(chǎn)生慣性力偶矩。為了便于計算，一般把旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力偶矩轉(zhuǎn)化為平移質(zhì)量的慣性力，以系數(shù)δ 作為計入旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，則汽車加速時的阻力為： （3） 式中： δ—汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ>1；

64、 g —重力加速度，； —行駛加速度，其余各項阻力計算出。 3.2.2 加載器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)簡介 本次試驗臺加載器是采用簡式加載器中的一種。內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一套圓柱蝸桿傳動付，其扭轉(zhuǎn)角度不受限制，且可以自鎖。蝸桿是主動件，蝸輪是從動件，扭矩通過蝸桿輸入，通過轉(zhuǎn)動蝸桿使蝸桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成垂直方向上的蝸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時讓試驗臺兩個半聯(lián)軸節(jié)相對扭轉(zhuǎn)一個角度位移，然后將其鎖緊，這樣在系統(tǒng)內(nèi)就施加了載荷。其中蝸桿、蝸輪是其中的關(guān)鍵部分和主要部件。 加載器的具體裝配圖如下圖3.13所示。 圖3.13 加載器裝配圖 本課題的加載器主要技術(shù)參數(shù)為最大許用輸出扭矩

65、為294N·M,傳動比為65，根據(jù)試驗臺的設(shè)計要求和常規(guī)設(shè)計方法，得到蝸輪蝸桿的參數(shù)如表3.2所示。 表3.2 蝸輪、蝸桿主要幾何尺寸參數(shù) 名 稱 計算結(jié)果 蝸桿 蝸輪 模數(shù) 5 5 壓力角 20 20 導(dǎo)程角（螺旋角) 3.1798 3.1798 頭數(shù)（齒數(shù)） 1 65 齒頂高 5 5 齒根高 6 6 分度圓直徑 90 335 齒頂圓直徑 100 340 齒根圓直徑 78 238 中心距 208 3.2.3 蝸桿的建模分析過程 蝸桿建模過程中創(chuàng)建螺旋齒是創(chuàng)建蝸桿的難點，我使用旋轉(zhuǎn)工具創(chuàng)建蝸桿和蝸桿軸圓柱體坯料；再使用

66、螺旋掃描伸出項創(chuàng)建螺旋齒特征；使用倒角工具創(chuàng)建倒角特征。后得到的蝸桿模型如下圖3.14所示： 圖3.14 蝸桿模型圖 3.2.4 蝸輪的建模分析過程 蝸輪模型創(chuàng)建過程中難點是如何創(chuàng)建漸開線齒槽掃描截面和掃描軌跡，掃描軌跡我能過曲面相交操作創(chuàng)建，對于漸開線齒槽掃描截面創(chuàng)建方法，首先創(chuàng)建漸開線，接下來以草繪工具創(chuàng)建齒槽截面輪廓曲線并使用復(fù)制特征操作移動并旋轉(zhuǎn)齒槽輪廓曲線，從而創(chuàng)建出齒槽掃描截面，蝸輪總的建模過程可分為以下幾個步驟： 1． 創(chuàng)建齒輪基本圓和齒廓曲線，如圖3.15所示： 圖3.15 完成后的齒廓曲線 2．創(chuàng)建掃引軌跡和圓柱體，如圖3.16所示： 圖3.16 完成后的掃引軌跡 3．變截面掃描生成一個輪齒后陣列創(chuàng)建輪齒，如圖3.17所示： 4．蝸輪的修整，完成蝸輪整個模型建立