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世界最新機械設(shè)計理念
來源:中國科技期刊
摘要:根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。
關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法發(fā)展趨勢
設(shè)計文件是將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具，在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計，結(jié)點表示元件化的單元(如設(shè)計任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型，使早期設(shè)計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá)，實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽象到具體的飛躍。
系統(tǒng)化設(shè)計方法
系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。
系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學(xué)者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。
1. 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法。
2. 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
3. 將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題：一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段。
由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。
4. 設(shè)計元素法
用五個設(shè)計元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認(rèn)為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。
5. 圖形建模法
研制的“設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。
將設(shè)計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設(shè)計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。
6. “構(gòu)思”—“設(shè)計”法
將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段。“構(gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。
將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設(shè)計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計”階段。
7. 鍵合圖法
將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。
提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。
本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。
以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達(dá)國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。
機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運用文中四種類型設(shè)計方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機械設(shè)計的領(lǐng)域知識有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設(shè)計學(xué)者也已意識到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性，及其應(yīng)當(dāng)采取的措施。
基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。
機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)計，必須研究知識的自動獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此，國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。
目錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1 前言 2
1.1 汽車發(fā)動機取力器的概況 2
1.2 研究發(fā)動機取力器的意義 2
2 取力裝置簡介 3
2.1 取力裝置的功用和分類 3
2.1.1 發(fā)動機飛輪取力 4
2.1.2 離合器取力 4
2.1.3 變速器取力 6
2.1.4 分動器取力 6
2.2 取力裝置的正確選擇 7
3 總體方案設(shè)計 8
3.1 發(fā)動機取力器傳動系統(tǒng)的設(shè)計 9
3.1.1 檔位和旋向 10
3.1.2 取力器功率 10
3.1.3 取力器傳動比和轉(zhuǎn)速 11
3.2 齒輪傳動設(shè)計與校核 11
3.2.1 材料的選用 13
3.2.2 按齒面接觸疲勞強度初步設(shè)計 13
3.2.3 驗算齒面接觸疲勞強度 14
3.2.4 驗算齒根彎曲疲勞強度 16
3.2.5 確定齒輪的主要參數(shù)及集合尺寸 18
3.2.6 確定齒輪制造精度 19
3.3 軸與軸系零件的設(shè)計 19
3.3.1 軸材料的選擇 19
3.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 20
3.4 鍵的選擇與校核 22
3.5 軸承的選擇 23
4 內(nèi)置離合器和液壓系統(tǒng)的選擇 23
4.1 液壓多片摩擦離合器的選擇 24
4.1.1 多片摩擦離合器的位置布置 24
4.1.2 多片摩擦離臺器的結(jié)構(gòu)特點 24
4.2 內(nèi)嚙合齒輪泵的選擇 24
4.3 分配器和控制閥 25
5 結(jié)論 26
參考文獻 27
致 謝 28
29
取力器的設(shè)計
摘要：摘 要：本文設(shè)計了一種汽車發(fā)動機取力器，這種取力器由于其特有的優(yōu)點所以應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)在很多專用汽車大多裝有一個重要的零件，就是取力器。因此，設(shè)計一種容易操作、性能優(yōu)越的取力器成為了一種必要。本文所研究的是一種結(jié)構(gòu)緊湊，持續(xù)工作時間很長前置式發(fā)動機夾鉗式取力器，它不受汽車離合器的干擾，只要發(fā)動機工作，不論離合器處于何種工作狀態(tài)，取力器都能正常工作。因此發(fā)動機取力器的研發(fā)有著重要的意義。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機；齒輪；液壓系統(tǒng)；汽車
Desicn of Front-engine Clamp Power-take
(Orient Science and Technology College , Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract:This?paper?has?designed?an?automobile?power?take?off?device.?Because?of?its?peculiar?advantages,?it?was?used?so?widely.?Nowadays?many?special?cars?equip-ed?with?such?most?important?part.?Therefore,?it?is?necessary?to?design?an?easy?operation,?superior?performance?of?Power?take?.?This?paper?studies?a?front?loaded?engine?clam-p?type?Power?take?off?device?which?has?a?compact?structure?and?could?continuous?working?for?very?long?hours,?it?could?be?free?from?the?clutch’s?interference.?As?long?as?th-e?engine?works,?no?matter?what?kind?of?work?in?clutch?state,?take?the?force?can?work?normally.?therefore,?the?development?of?the?device,?which?takes?off?the?power?from?th-e?engine,has?a?great?significance.
Key words：Engine；Gear；Hydraulic system；Car
1 前言
汽車取力器是汽車上的一個動力輸出裝置，汽車除了行駛以外的其他動力將由取力器提供。取力器通常安裝在專用汽車上，用以取出發(fā)動機的動力提供給特殊裝置以實現(xiàn)專門用途。目前已研發(fā)的取力器的種類比較多，取力方式也較多，有發(fā)動機飛輪取力、離合器取力、變速器取力、分動器取力等。隨著社會對專用汽車要求的提高，專用汽車種類的增多，對取力器的要求也相應(yīng)提高，取力器的研發(fā)工作顯得尤為重要。作者撰寫本文的目的正是設(shè)計出一種從發(fā)動機直接取力的取力器，以滿足工程實際的需要。
1.1 汽車發(fā)動機取力器的概況
取力器的種類有很多，各有不同的優(yōu)點，本文所設(shè)計的是一種夾鉗式的發(fā)動機取力器，采用前置式的取力方式，它以汽車底盤自身的發(fā)動機為動力源，將動力傳遞至專用汽車的專用設(shè)備，以驅(qū)動齒輪液壓泵、真空泵、柱塞泵、輕質(zhì)油液壓泵、自吸液壓泵、水泵、空氣壓縮機等，從而為自卸車、加油車、牛奶車、垃圾車、吸污車、隨車起重機、高空作業(yè)車、散裝水泥車、攔板起重運輸車等諸多專用汽車配套使用。
1.2 研究發(fā)動機取力器的意義
某些專用汽車不需要連續(xù)地輸出動力，所需的取力器轉(zhuǎn)矩也不大，因此他們配備的是較為簡單的取力器，直接安裝于變速箱的后部。這些取力器市場需求量雖然較大，但是技術(shù)含量并不高，利潤也不大。而另一些專用汽車對取力器的要求很高，如水泥攪拌車、消防車、石油機械用車等，他們要求取力器能連續(xù)不斷地工作，而且能夠輸出發(fā)動機的巨大部分動力，甚至全部的動力，并且不受汽車離合器工作狀態(tài)的影響。例如消防車在消防在搶險的過程中，需要連續(xù)不斷地泵水而且泵水過程中還要不斷地變換位置，需要很高的水壓是水能噴射很遠(yuǎn)，需要很大的功率。這些車輛就需要安裝一種特殊的性能優(yōu)越的取力器，就是發(fā)動機取力器。發(fā)動機取力器又叫做全功率取力器，他有諸多的優(yōu)點：能夠長時間地保持工作狀態(tài)；能使汽車結(jié)構(gòu)非常緊湊，改裝汽車很方便；能把發(fā)動機的全部功率取出，用于其他動力的輸出；工作狀態(tài)不受汽車主離合器工作狀態(tài)的干擾（其他取力器不與發(fā)動機直接相聯(lián)，當(dāng)汽車發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，即離合器未合上就無法正常工作）[1]。
發(fā)動機取力器有著如此眾多的優(yōu)點，相應(yīng)的他的設(shè)計和制造難度也較大，目前國內(nèi)主要還是依靠進口，價格比較昂貴，而需求量有很大，所以設(shè)計出一種符合要求的發(fā)動機取力器已迫在眉睫。本文作者正是基于對發(fā)動機取力器的用途與現(xiàn)狀的考慮，在老師的指導(dǎo)下選擇此課題進行研究，運用所學(xué)的專業(yè)知識，繪制出了發(fā)動機取力器的外觀圖、裝配圖和部分重要的零件圖，并且進行了校核計算，提出了一個較為完整的發(fā)動機取力器總體設(shè)計方案，希望能對祖國的汽車工業(yè)出一點綿薄之力。
2 取力裝置簡介
2.1 取力裝置的功用和分類
由于汽車用途的多樣化，要求汽車變速器必須裝備有動力輸出裝置通常取力裝置安裝在變速器的動力輸出側(cè)孔上，它有各種不同的形狀和大小；在變速器上安裝各種取力裝置可以滿足各類特種車輛的使用要求。由于各類車輛的負(fù)載工況、使用條件和取力位置的不同，因而對取力裝置的要求也各不相同。取力裝置的用途頗為廣泛，它可用來驅(qū)動汽車絞盤傳動裝置，自卸車、炸藥現(xiàn)場混裝車和汽車起重吊油泵，消防車水泵，以及工程機械中各種輔助裝置，如空氣壓縮機、燃油泵、廢料收集器、制冷機等[2]。
圖1 NMV100型取力器
Fig 1 NMV100 type take force device
通常取力器是一種齒輪傳動裝置，主要功用是取出變速器傳遞的動力，或直接將發(fā)動機的功率通過法蘭和傳動軸傳遞到被驅(qū)動的工作機上。按取力裝置的取力型式可分為發(fā)動機取力和離臺器取力兩大類，按取力裝置的取力點部位可分為發(fā)動機飛輪取力、離合器取力、變速器取力和分動器取力四類。取力裝置選擇何 種取力形式取決于各汽車制造廠家對其車輛的設(shè)計要求和布置方案，現(xiàn)將各類取力裝置的結(jié)構(gòu)特點分述如下：
2.1.1 發(fā)動機飛輪取力
從發(fā)動機飛輪取力，取力器安裝在變速器前端，與發(fā)動機飛輪直接相連，發(fā)動機工作取力器就能輸出動力，動力不需經(jīng)離合器來傳遞，因此，它與車輛運動狀況無關(guān)。這種取力器如西德ZF公司設(shè)計生產(chǎn)的NMV100型取力器(圖1)，傳遞功率大，輸出轉(zhuǎn)速高，能連續(xù)工作。典型應(yīng)用實例是混凝土攪拌車、消防車、保潔車、鉆井車、以及市政工程車等。
2.1.2 離合器取力
從離合器取力，取力器安裝在變速器前端，由第一軸(輸入軸)驅(qū)動取力器，
圖2 FGMO型取力器 圖3 N10型取力器
Fig 2 FGMO type take force device Fig 3 N10 type take force device
也可以安裝在變速器后端，由中間軸驅(qū)動取力器。無論是從第一軸或中間軸驅(qū)動取力，都是在接合離臺器后，取力器才能工作輸出動力，與變速器檔位使用無關(guān)，能傳遞發(fā)動機的大部分功率，如法國貝利埃公司設(shè)計生產(chǎn)的FGMO型取力器(圖2) ，ZF公司設(shè)計生產(chǎn)的N…/1O型取力器(3)。這類取力器對車輛總體布置合理，有利于傳遞較大功率與轉(zhuǎn)速。但是，采用變速器中間軸后端取力，則取力器輸出功率和轉(zhuǎn)速與常嚙合齒輪副的速比有關(guān)。為滿足被驅(qū)動工作機的轉(zhuǎn)速要求，通常取力器齒輪設(shè)計成增速傳動，或不需設(shè)置齒輪副傳動，直接與變速器中間軸同一軸心線輸出動力。這種取力器與發(fā)動機同向或反向旋轉(zhuǎn)，適用于間歇工作；輸出 a、b，c三種連接形式供用戶選擇[3]。
N1O型取力器(圖3)設(shè)計有兩個動力輸出點(C點和D點)，可裝6組齒輪增速傳動比，供用戶選擇，其傳動比為O．32～0．94，輸出扭矩范圍為280～800Nm， 輸出扭矩大小決定于車輛要求和傳動比。這種取力器殼體與變速器后蓋做成一體，因而軸向尺寸短，結(jié)構(gòu)緊湊。由于殼體內(nèi)腔空間大，貯油和散熱條件好，
以及軸承承載能力大，因此，該取力器能連續(xù)工作，與發(fā)動機同向或反向旋轉(zhuǎn)。如車輛有特殊要求，需要在取力器上兩點輸出，選用N…/10型取力器就能滿足這一要求。即用N…/l0加N352/2取力器或N…/10加N70/1取力器組成(圖4)。兩個取力器可同時取力，也可以單獨操縱一個取力器取力；采用兩點取力時，必須保證兩個取力器輸出的總功率不得超過變速器的負(fù)荷能力。典型應(yīng)用實例是礦用自卸車、炸藥現(xiàn)場混裝車、汽車起重吊驅(qū)動油泵等[4-5]。
圖 4 N70/1取力器
Fig 4 N70/1 take force device
2.1.3 變速器取力
從變速器取力，取力器安裝在變速器第二軸(輸出軸)后端，或安裝在變速器側(cè)面，與第二軸I檔或Ⅱ檔齒輪相嚙合輸出動力。但是，這種取力裝置與發(fā)動機和離合器取力有所不同，它與車輛構(gòu)運動狀況有關(guān)，與變速器的檔位使用有關(guān)。如ZF公司生產(chǎn)的N…/pL型取力器，后者如紅巖DQ372汽車變速器上附加的側(cè)裝取力器(圖5)，該取力器的接合平面與第二軸軸心線之間的距離為l95.5mm，夾角為30°；問歇工作時允許輸出功率為l14kw/15O0r/min；連續(xù)工作時允許輸出功率為76kw/l500r/min；最大輸出扭矩為40ONm；輸出轉(zhuǎn)速N=N發(fā)動凡×系(0．81)；輸出旋向與發(fā)動機異向，并可向前或向后輸出動力。
2.1.4 分動器取力
全輪驅(qū)動的車輛，為了縮短傳動系的軸向安裝尺寸，要求在分動器后端取力， 輸出不同的轉(zhuǎn)速。這種取力裝置只有在汽車離合器接合和變速器掛上檔后，取力器才能運轉(zhuǎn)輸出動力，所以，取力器的輸出功率和轉(zhuǎn)速，同樣與車輛的運動狀況有關(guān)，與變速器檔位使用有關(guān)。如ZF公司生產(chǎn)的NGW型取力器，紅巖CQ261型汽車絞盤用的二檔取力器，有高、低兩個檔位，三軸直齒輪傳動，最大輸出功率為11Okw/160Or/min，最大輸出扭矩為700Nm/1500r/min。
圖 5 DQ372變速器側(cè)取力器
Fig 5 DQ372 transmission side take the force
上述四類取力裝置在汽車動力傳動系中，由于取力位置的不同，它們的用途和使用特性也各不相同[6]。
2.2 取力裝置的正確選擇
無論是選擇發(fā)動機取力、離合器取力或其它型式取力，其取力裝置都是由汽車制造廠家根據(jù)車輛的負(fù)載情況和使用工況進行選取，但在選擇取力裝置時必須考慮以下幾點：
1）傳動比
取力器傳動比取決于發(fā)動機技術(shù)參數(shù)與被驅(qū)動的工作機械特性有關(guān)。
2）輸出轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向
輸出轉(zhuǎn)速取決于取力器的類型和安裝部位。離合器取力用的取力器與變速器常嚙合齒輪對的速比有關(guān)；變速器取力或分動器取力用的取力器與檔位使用有關(guān)。其輸出旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)考慮與發(fā)動機同向或異向，以及兩種回轉(zhuǎn)方向。
3）取力點的數(shù)量與安裝部位
一點取力或數(shù)處取力；取力點的位置取決于車輛布置和變速器的安裝形式(立式安裝或臥式安裝)，以及變速器取力窗孔位置(側(cè)面、上部、底部或中間軸)。
4）取力裝置接合的可能性
選擇發(fā)動機飛輪取力或離合器取力決定于各種車輛的用途和工作規(guī)范。
5）換檔條件
取力器換檔功能必須考慮其車輛負(fù)載行駛時使用取力器或車輛停止時使用取力器。
6）汽車運動中取力器換檔頻率
據(jù)使用經(jīng)驗，取力器在使用頻繁情況下，取力器的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)不大于離合器的15%；使用不頻繁對，取力器的轉(zhuǎn)動慣量不大于離合器的4O%；這主要是考慮減少離合器片的磨損。
7）負(fù)荷不均勻性
取力器負(fù)荷不均勻性用最大轉(zhuǎn)矩/名義轉(zhuǎn)矩表示，稱作扭矩變動比，此比值表示工作機械的載荷特性，如突然接合離合器、傳動軸的不平衡、發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于lO00r/min，以及幾個取力器同時工作時產(chǎn)生共振等原因所引起的扭矩波動。如經(jīng)常產(chǎn)生間歇性的沖擊載荷，其沖擊扭矩比<2時可選用各型取力器，如果2<沖擊扭矩比<3．5時選用NMV型取力器。一般推薦取力的工作機械應(yīng)安裝超載保護裝置，剪切安全銷就是常用的一種方法
8）熱載荷
取決于取力裝置的工作規(guī)范，也就是取力器工作的持續(xù)時間與停歇時間，它直接影響取力器工作的熱載荷[6]。
3 總體方案設(shè)計
本文設(shè)計的是一種前置式的夾鉗式發(fā)動機取力器，它安裝在發(fā)動機和變速器之間。原變速器的第一軸被取力器中的長柄齒輪軸所取代，長柄齒輪軸支承在發(fā)動機的飛輪中心，隨發(fā)動機飛輪的轉(zhuǎn)動而一起轉(zhuǎn)動，隨后將動力通過齒輪傳遞至第三軸，由輸出法蘭將動力輸送給專用設(shè)備，實現(xiàn)特定功能。
本發(fā)動機取力器主要用于驅(qū)動大功率的附屬設(shè)備，例如市政工程用車輛、消防車及混凝土攪拌車等。本取力器用法蘭面直接安裝于立位或左臥位主變速箱的輸入端面。取力器由空心軸驅(qū)動，與主變速箱輸入軸相聯(lián)的主離合器軸穿過其中，兩軸由各自獨立的直接驅(qū)動離合器來驅(qū)動。因此，空心軸通過主離合器中的直接離合器與發(fā)動機相聯(lián)，無論主離合器是結(jié)合還是分離，動力總是傳向取力器，即只要發(fā)動機運轉(zhuǎn)，則取力器總是與之同步運轉(zhuǎn)，除非在其輸出端分離多片離合器使其脫開，停止運轉(zhuǎn)。圖6所示為本取力器安裝示意圖。
圖6 取力器安裝示意圖
Fig 6 take force diagram ejector installation
此取力器的結(jié)合方式是：無論車輛是處于停駛狀態(tài)還是行駛狀態(tài)，發(fā)動機取力器均可工作。發(fā)動機動力傳輸給空心軸，空心軸上裝有齒輪1，再經(jīng)齒輪2傳至齒輪3，齒輪3也裝在一空心軸上，軸的左端裝有摩擦離合器，此摩擦離合器的結(jié)合或分離由液壓控制，通過液力多片離合器可實現(xiàn)在負(fù)荷狀態(tài)下結(jié)合和分離。當(dāng)液壓閥打開，液壓系統(tǒng)給予摩擦片一定的向右的壓力，使其壓緊與之相配的摩擦片，則離合器處于結(jié)合狀態(tài)，此時穿過空心軸的實心軸轉(zhuǎn)動，將動力傳至輸出法蘭，再傳遞給專用設(shè)備。
此取力器輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)值與具體用途有關(guān)，大致數(shù)值為最大轉(zhuǎn)矩1200Nm(在平穩(wěn)無振動的工況下，相應(yīng)的軸承計算壽命大約為500h)，其許用軸荷亦必須核對，在此工況下，其數(shù)值約為：最大許用軸荷為28000Nm；最大結(jié)合慣性矩1．6kgm；最大許用結(jié)合轉(zhuǎn)速為180Or/min[7-9]。
3.1 發(fā)動機取力器傳動系統(tǒng)的設(shè)計
從汽車的發(fā)展來看，專用車與其它整車一樣，通常都是由二、三類底盤改裝而成，在改裝過程中，專用車廠除了考慮發(fā)動機、離合器、變速器的合理匹配外，合理選擇匹配的取力器也是不可忽視的內(nèi)容——取力器類型、功率、轉(zhuǎn)速如何確定，取力器安裝、旋向、檔位等方面如何選擇，從而達(dá)到選擇合理匹配的取力器的目的。
本次設(shè)計的難點主要有三個地方。第一，取力器動力輸入端，原裝車上的離合器沒有取力器的輸入口，需要有動力輸入口的離合器。目前，國內(nèi)已有專門生產(chǎn)這種離合器的廠家，并已通過國家試驗機構(gòu)的鑒定，所以在此設(shè)計中可以不考慮。第二，此取力器由于是立式安放，所以中心距較高，采用齒輪傳動時對齒輪和軸承的要求較高，所以潤滑也很重要，所以采用油泵強制潤滑。第三，取力器的結(jié)合與分離，由于汽車上裝有液壓泵，故可采用液壓控制離合器的接合與分離，但由于取力器與發(fā)動機一直連接，如果采用聯(lián)軸器等機械式硬連接，將會出現(xiàn)發(fā)動機發(fā)動后，取力器的結(jié)合部位不能接合，從而不能形成動力輸出，或者在取力器接合后再發(fā)動給發(fā)動機，會由于取力器處于工作狀態(tài)，而使發(fā)動機啟動力矩太大而損壞發(fā)動機的啟動系統(tǒng)。因此只能采用柔性連接，即采用由液壓控制的摩擦片離合器來控制取力器的接合與斷開。本次設(shè)計的基本要求為：
1、取力器動力輸出轉(zhuǎn)向與發(fā)動機相同；
2、額定輸出扭矩為800Nm；
3、額定輸出轉(zhuǎn)速為1500r/min；
4、速比為1：1左右；
5、取力器的結(jié)合與斷開需要柔性連接。
本次總體設(shè)計中著重考慮的是以下的幾個方面：
3.1.1 檔位和旋向
取力器的檔位取決于輔助動力裝置的用途，一個檔位的取力器主要用于油泵、壓氣機等輔助動力裝置，而多檔位可逆式取力器主要用于絞盤等專用裝置。要設(shè)計符合要求的取力器，還要考慮到取力器的旋轉(zhuǎn)方向，這要根據(jù)用戶的需要而定。
3.1.2 取力器功率
選擇合理匹配的取力器，首先取力器必需具有足夠的輸出功率來滿足輔助動力裝置的需要。從理論上講，取力器輸出功率等于扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積，確定功率大小的基本依據(jù)是節(jié)線速度，一般來說，節(jié)線速度越快，功率就越大。取力器功率來自于發(fā)動機經(jīng)變速器傳遞來的功率，取力器輸出功率的大小取決于取力齒輪的節(jié)線速度。
節(jié)線速度：V=
圖7 齒輪尺寸示意圖
Fig 7 gear size schemes
可以看出，節(jié)線速度等于取力齒輪的節(jié)圓長度與轉(zhuǎn)速的乘積。取力器安裝位置不同，取力齒輪也不同，其轉(zhuǎn)速也有變化。前置取力器(一軸取力)的取力齒輪安裝在變速器一軸上，其轉(zhuǎn)速n=n發(fā)：后置取力器的取力齒輪就是安裝在主動軸上的輸入齒輪，其轉(zhuǎn)速n=n發(fā)/I常：側(cè)置取力器的取力齒輪就是與變速器中間軸齒輪嚙合的取力器的輸入齒輪，其轉(zhuǎn)速n=n發(fā)/I常I檔。其中：
n——取力器的輸出轉(zhuǎn)速；
n發(fā)——發(fā)動機的額定轉(zhuǎn)速；
I?！兯倨鞒П?；
I檔——取力器齒輪齒數(shù)與變速器齒輪齒數(shù)之比。
所以，設(shè)計取力齒輪必需要具有一定的節(jié)線速度。
一般情況下，取力齒輪的節(jié)線速度，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為lO00r/min時，不得低于200cm/秒，約等于11千瓦；在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000r/min時，不得低于300cm/秒，約等于l9千瓦。這就要求發(fā)動機具有一定的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，變速器具有一定驅(qū)動能力，取力器才會有足夠的輸入功率來驅(qū)動輔助動力裝置。
3.1.3 取力器傳動比和轉(zhuǎn)速
為了滿足日益廣泛的輔助動力裝置的需要，取力器的輸出轉(zhuǎn)速不是固定不變的，匹配不同的發(fā)動機、變速器，取力器的輸出轉(zhuǎn)速也不同，它取決于發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)速、變速器的常嚙齒輪比及取力器齒輪裝置的傳動比。
前置取力器 n=n發(fā)/I取
后置取力器 n=n發(fā)/I常I取
側(cè)置取力器 n=n發(fā)/I常I檔I取
從以上可以看出，選定一定的發(fā)動機、變速器，即取力器輸入一定的功率。在具有足夠的輸出功率的情況下，取力器傳動比I取是可以自行設(shè)計的，取力器的轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的扭矩輸出的大小可以在用戶需要的范圍內(nèi)變動所以，在確定取力器的輸出轉(zhuǎn)速時，通?？梢圆捎弥苯虞敵龊烷g接輸出。如果所選用的取力器轉(zhuǎn)速能滿足輔助動力裝置的正常工作要求，可采用直接輸出，反之，可采用間接輸出。
采用間接輸出時，如果必須增大取力器的輸出轉(zhuǎn)速來滿足輔助動力裝置的正常工作時，取力器的輸入扭矩應(yīng)高于輸出扭矩，反之應(yīng)低于輸出扭矩。因為取力器轉(zhuǎn)速與其扭矩有關(guān)，所以，在確定取力器輸出轉(zhuǎn)速的同時必須考慮到取力器的額定扭矩[10]。
3.2 齒輪傳動設(shè)計與校核
由于取力器輸出旋轉(zhuǎn)方向要求與發(fā)動機旋轉(zhuǎn)方向相同，所以只能選擇奇數(shù)個齒輪傳動，即三個齒輪或五個齒輪傳動。基于結(jié)構(gòu)和強度的要求，若采用五個齒輪傳動，則結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，加工難度也較大，因此生產(chǎn)成本相應(yīng)增加，故本次設(shè)計選用三個齒輪傳動，中間齒輪為一惰輪，另外兩個齒輪一個為主動、一個為從動。第一個齒輪和第三個齒輪的中心距為390mm，齒輪的直徑較大，轉(zhuǎn)速較高。
初步估算模數(shù)：本次設(shè)計的發(fā)動機取力器的輸出轉(zhuǎn)矩為800Nm，屬于中等載荷，查表選取
齒形角取標(biāo)準(zhǔn)值；
齒頂高系數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值；
齒頂隙系數(shù)取標(biāo)準(zhǔn)值；
由于受結(jié)構(gòu)限制，不能將取力器的尺寸設(shè)計的過大，初步考慮齒輪的齒數(shù)和中心距為：
齒輪1齒數(shù)為：；
齒輪2齒數(shù)為：；
齒輪3齒數(shù)為：；
齒輪1和齒輪2的中心距為：；
齒輪2和齒輪3的中心距為：，如圖3-2所示。
如上的齒數(shù)安排基本符合速比1：1的要求，中心距也符合取力器安裝結(jié)構(gòu)尺寸的要求。
為使傳動平穩(wěn)，減少噪音，故采用斜齒圓柱齒輪傳動，
其螺旋角選為。
主動齒輪采用右旋，中間惰輪采用左旋，從動齒輪采用右旋。
取力器的總厚為84mm，所以齒寬應(yīng)根據(jù)這個數(shù)值選取，除開壁厚和間隙，初步選為齒寬。
各齒輪的分度圓直徑：
齒輪1分度圓直徑
齒輪2分度圓直徑
齒輪3分度圓直徑
由于1、2號齒輪對和3、4號齒輪對都采用斜齒輪傳動，傳動方式和受載形式相同，強度、剛度要求和壽命要求也基本相同，故校核方式基本相同，所以本文只校核1、2號齒輪對，對3、4號齒輪對的校核予以省略。下面就詳細(xì)校核1、2號齒輪對。
3.2.1 材料的選用
由于齒輪通常有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面校核和朔性變形等損傷形式，為確保齒輪能在確定壽命內(nèi)正常工作，選擇齒輪材料和熱處理方法時應(yīng)該考慮使齒輪有足夠的硬度和耐磨性，齒輪芯部有足夠的強度和韌性，還應(yīng)該具有良好的加工和熱處理工藝性。
齒輪材料通常有鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、粉末冶金材料等。它們各有各的優(yōu)勢和特點，本次設(shè)計通過綜合考慮，決定選用鍛鋼作為材料，1號齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì)處理，2號齒輪選用調(diào)質(zhì)處理，計算時取，。鍛鋼的強度高、韌性好，熱處理后齒面硬度和耐磨性都能達(dá)到一定的要求。調(diào)質(zhì)處理優(yōu)點是齒輪具有較好的韌性和強度，不需要專門的熱處理設(shè)備和齒面精加工設(shè)備，齒面硬度較低，易于跑合[11-13]。
3.2.2 按齒面接觸疲勞強度初步設(shè)計
由簡化設(shè)計公式：
1）1號齒輪（大齒輪）傳遞的轉(zhuǎn)矩
2）齒寬系數(shù)。查表取=0.9。
3）齒數(shù)比。
4）載荷系數(shù)K。因速度高，非對稱布置，取。
5）許用接觸應(yīng)力
由式
a.接觸疲勞極限應(yīng)力。，。
b.安全系數(shù)。由表查得。
c.壽命系數(shù)。取力器設(shè)計使用時間為40000小時。根據(jù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計算式：
式中 ，，
查表得，， （均按曲線1查得），
故
6）初步確定主要參數(shù)
a.選取齒數(shù)。齒數(shù)已經(jīng)初步選定，即，。
b.初選螺旋角為。
c.計算法向模數(shù)。
d.中心距初選為。
e.齒輪寬度。。
3.2.3 驗算齒面接觸疲勞強度
由式：
1）彈性系數(shù)。查表得，。
2）節(jié)點區(qū)域系數(shù)。查表得，。
3）重合度系數(shù)。
先由
于是，
將和代入式中，得到
4）螺旋角系數(shù)。。
5）圓周力。
6）載荷系數(shù)K。
a.使用系數(shù)。查表得。
b.動載系數(shù)。由
查表得，（初取8級精度）。
c.齒向載荷分布系數(shù)。查表，按調(diào)質(zhì)齒輪、8級精度，非對稱布置，裝配時不做檢驗調(diào)整，可得
d.齒間載荷分配系數(shù)。由式
查表，根據(jù)表面硬化直齒輪和表面硬度8級查取參數(shù)，，故
7）驗算齒面接觸疲勞強度
3.2.4 驗算齒根彎曲疲勞強度
由式
1）由前已知：，，。
2）載荷系數(shù)。。
a.使用系數(shù)同前，即。
b.動載系數(shù)同前，即。
c.齒向載荷分布系數(shù)。查圖可知，當(dāng)時，
查出。
d.齒間載荷分配系數(shù)。由前可知：
則。由式
則
前面已經(jīng)求得，可得
3）齒形系數(shù)。由當(dāng)量齒數(shù)
查表得，。
4）齒根應(yīng)力修正系數(shù)。由兩齒輪的當(dāng)量齒數(shù)查圖得，
5）重合度系數(shù) 。由前可知。
6）螺旋角系數(shù)。。
7）許用彎曲應(yīng)力。由式
a.彎曲疲勞極限應(yīng)力。取，。
b.安全系數(shù)。查表，去。
c.壽命系數(shù)。由，，查圖得，
d.尺寸系數(shù)。由，查圖得，。
則
8）驗算齒根彎曲疲勞強度
故彎曲疲勞強度足夠。
3.2.5 確定齒輪的主要參數(shù)及集合尺寸
，，，
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒寬
，取
中心距
3.2.6 確定齒輪制造精度
由查表確定齒輪第Ⅱ公差組為7級精度。第Ⅰ、Ⅲ公差組與Ⅱ組同為7級。按機械設(shè)計手冊推薦確定齒厚偏差，小齒輪為GJ，在其工作圖上標(biāo)記為：7GJ GB/T 10095-1988，大齒輪齒厚偏差為HK,在其工作圖上標(biāo)記為：7HKGB/T10095-1988。
具體齒輪的結(jié)構(gòu)及安裝方法見附圖。2、3號齒輪對的校核方法和1、2號齒輪對的基本相同，在此不做詳細(xì)校核。
3.3 軸與軸系零件的設(shè)計
軸是組成機器的重要零件，它的主要公用是：支持軸上零件，并使其具有確定的工作位置；傳遞運動和動力。本文所設(shè)計的取力器總共有三根軸，1號軸、2號軸和3號軸，其中1號軸是最長的一根軸，它的左端頂住發(fā)動機的飛輪以獲取動力，右端帶有連接減速器，以給汽車的驅(qū)動系統(tǒng)提供動力，中間套在空心軸之中，空心軸從發(fā)動機處獲得動力再將動力通過鍵傳遞給1號齒輪，完成初步的動力傳遞。
為保證軸能夠正常工作，必須通過強度計算使其有足夠的強度，以防止斷裂和過大的朔性變形；也必須有足夠的剛度，以防止工作時產(chǎn)生不允許的彈性變形；還要有足夠的穩(wěn)定性和良好的工藝性。
本文設(shè)計的三根軸設(shè)計要求和校核方法相似，在這里只對一軸做詳細(xì)的設(shè)計校核，不一一介紹。
3.3.1 軸材料的選擇
由于軸工作時產(chǎn)生的應(yīng)力多為循環(huán)變應(yīng)力，所以軸的損壞通常為疲勞損壞。而軸是機械中的重要零件，因此軸的材料應(yīng)該具有足夠高的強度和韌性，對應(yīng)力集中敏感小和具有良好的工藝性。
軸的材料主要有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼強度雖然較合金鋼低，但是它價格便宜，對應(yīng)力集中敏感小，故應(yīng)用十分廣泛。常用的碳素鋼有30、40、45、和50鋼，其中以45鋼最為常用。合金鋼具有較高的力學(xué)性能和更好的淬火性能，但對應(yīng)力集中比較敏感，價格也很貴。對于受載大并且尺寸緊湊、重量輕或耐磨性要求高的重要軸，或處于非常溫度或腐蝕條件下工作的軸，通常采用合金鋼。常用的合金鋼有：20、40、20、35、40等。軸也可以采用合金鑄鐵和球墨鑄鐵。鑄鐵具有流動性好，易于鑄造成型以獲得復(fù)雜的軸（如曲軸）、價格便宜、有良好的吸震性和耐磨性，以及對應(yīng)力集中不敏感等優(yōu)點。但是強度和韌性較低，鑄造質(zhì)量不易控制。
本次設(shè)計的三根軸通過綜合考慮，初選1號和3號軸用20，2號軸用45鋼，3號軸用20 [13]。
3.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個機械設(shè)計過程中是一個很重要的過程，如果軸的結(jié)構(gòu)沒有設(shè)計好，則會很大程度上地影響軸的剛度和強度，從而影響軸的使用壽命和整個機械的使用壽命。影響軸的結(jié)構(gòu)的因素很多，如軸上零件的分布及其在軸上的固定方法；軸上載荷的大小及其分布情況；軸承的類型、尺寸的分布在情況；軸的加工和裝配工藝性等。
軸的設(shè)計沒有標(biāo)準(zhǔn)，在本次設(shè)計中，充分考慮了取力器的實際情況來設(shè)計了三根軸的結(jié)構(gòu)，如圖3-3是取力器的一軸及其附屬零件。1號軸的結(jié)構(gòu)比較特殊，他套在一根空心軸之中，兩軸共同從發(fā)動機飛輪處取力，1號軸將動力傳遞給變速器，而空心軸將動力傳遞給取力裝置，最終傳遞給專用裝置。
1號軸是傳統(tǒng)的階梯軸，利用它的階梯可以對軸上零件進行軸向定位。安裝零件是可以從直徑較小的左端將零件套入，再進行定位安裝。在圖中可以看到，1號軸上共設(shè)有兩個軸承，起支承軸的作用，其中292307E軸承左端依靠軸肩定位，右端依靠彈性擋圈定位，從而實現(xiàn)了雙向定位。軸承32217E左端用彈性擋圈定位，右端用軸環(huán)定位，同樣實現(xiàn)雙向定位。
空心軸套在1號軸外面，兩軸獨立不干涉運動。在空心軸外面還安裝有軸承蓋，起到增加空心軸的剛度的作用，以防止空心軸和1號軸的顫動。軸承蓋依靠螺栓與取力器箱體相聯(lián)。在空心軸上安裝有50218軸承和1號齒輪。50218軸承的左右兩端都依靠彈性擋圈進行軸向定位。1號齒輪通過鍵的周向定位與空心軸相
聯(lián)。在空心軸和1號軸之間裝有油封，其作用為防止?jié)櫥械牧魇А?
2號軸是一根短軸（見圖8），它的左右兩端分別裝有圓錐滾子軸承，由于軸上安裝的是斜齒輪，所以會產(chǎn)生軸向分力，使用圓錐滾子軸承能夠平衡掉斜齒輪產(chǎn)生的軸向分力。圓錐滾子軸承通過彈性擋圈和軸承蓋實現(xiàn)雙向定位。左右兩端的軸承蓋都通過六角螺栓固定在取力器殼體之上。在短軸的中部安裝有2號齒輪，通過一個平鍵聯(lián)接。在2號軸的右端設(shè)計安裝油泵，隨著2號軸的旋轉(zhuǎn)而驅(qū)動，油泵的作用是實現(xiàn)液壓控制取力器上離合器的接合與脫開，在下文中將逐步介紹離合器與液壓控制系統(tǒng)。
1—空心軸 2—油封 3—50218軸承 4—1號齒輪 5—292307E軸承 6—32217E短圓柱滾子軸承
7—軸承蓋 8—鍵 9—箱體 10—彈性擋圈
圖8 1號軸及其附屬零件
Fig 8 1 shaft and affiliated parts
1—圓錐滾子軸承 2—軸承蓋 3—鍵 4—擋圈 5—2號齒輪 6—六角頭螺栓 7—油泵
圖 9 2號軸及其附屬零件
Fig 9 2 shaft and affiliated parts
1—端蓋 2—3號軸 3—活塞 4—型密封圈 5—離合器摩擦片 6—空心 7—深溝球軸承
8—3號齒輪 9—輸出法蘭 10—擋圈 11—密封圈 12—套筒 13—油封 14—輸出法蘭
圖10 3號軸及其附屬零件
Fig 10 3 axis and affiliated parts
3號軸上零件比較復(fù)雜，見圖3-5，它和1號軸一樣，外面還套有空心軸，使用滾針軸承聯(lián)接，在空心軸外面，安裝3號齒輪，通過鍵聯(lián)接進行3號齒輪的周向固定，3號齒輪左端緊挨空心軸凸肩，右端使用彈性擋圈卡緊，從而實現(xiàn)了3號齒輪的軸向定位?？招妮S左端安裝摩擦離合器，用于將動力從空心軸傳遞到3號軸。
當(dāng)離合器接合時，轉(zhuǎn)動的空心軸將動力傳遞給3號軸，再傳給輸出齒輪將動力傳遞給專用裝置。3號軸左側(cè)用端蓋密封。取力器箱體外側(cè)安裝支承座，支承座與3
號軸之間用O型密封圈進行密封，作用是避免潤滑油的流失、減少粉塵等污染物質(zhì)的進入。3號軸右端制成花鍵，通過花鍵與輸出法蘭相聯(lián)。輸出法蘭與支承座之間設(shè)置油封[13]。
3.4 鍵的選擇與校核
鍵是用于軸的周向定位的重要部件，有很多種類，適合各種載荷狀況下的軸。
其中主要的幾種類型有平鍵、半圓鍵和斜鍵等。鍵的類型可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點、使用要求和工作條件選定。平鍵聯(lián)接結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，加工容易，對中性好，是運用最為廣泛的一種鍵，本文所用的三個鍵均為平鍵。由于主動齒輪和從動齒輪的齒寬較小，為40mm，故選用B型平鍵。為了加工方便和減小零件種類，主動輪和從動輪均采用相同的鍵。鍵的截面尺寸按軸的直徑由標(biāo)準(zhǔn)中選定；鍵的長度根據(jù)輪轂長度確定。這里主動齒輪軸的直徑為100mm，選鍵為20mm×12mm。
在本文中所設(shè)計的取力器中，由于1號軸外的空心軸是承受轉(zhuǎn)矩最大的軸，故其他的軸也按照此標(biāo)準(zhǔn)來選取鍵。校核時，1號軸外的空心軸上的鍵承受的轉(zhuǎn)矩最大，故也只校核這個鍵。
式中 p——鍵聯(lián)接工作表面的強度（MPa）
T——轉(zhuǎn)矩（Nm）
d——軸的直徑（mm）
l——鍵的工作長度（mm）
k——鍵與輪轂接觸高度，k≈h/2（mm）
b——鍵寬（mm）
[p]——許用壓強（MPa）
[τ]——許用切應(yīng)力（MPa）
3.5 軸承的選擇
軸承是用來支承軸的重要零件，功用是支承軸及軸上零件，并保持軸的旋轉(zhuǎn)精度，同時減小轉(zhuǎn)動的軸與支承之間的摩擦和磨損。軸承有滑動軸承和滾動軸承之分，其中滾動軸承有摩擦阻力小、啟動快、效率高、潤滑和維護方便、易于互換、運轉(zhuǎn)精度高、軸承組合結(jié)構(gòu)較簡單等優(yōu)點，在中速中載和一般工作條件下運轉(zhuǎn)的機器中應(yīng)用廣泛。
本文所設(shè)計的取力器采用斜齒輪傳動，因此必然存在軸向分力，但是軸向力不是太大，故可選用深溝球軸承。主動齒輪左端選用較大的深溝球軸承50218，右端選用不帶內(nèi)圈的圓柱滾子軸承272307E。中間軸兩端均選用7207圓錐滾子軸承，輸出軸左端選用50216軸承，右端選用不帶內(nèi)圈的圓柱滾子軸承，軸承的潤滑方式采用油泵強制潤滑。
4 內(nèi)置離合器和液壓系統(tǒng)的選擇
4.1 液壓多片摩擦離合器的選擇
所謂液壓多片摩擦離合器是指摩擦式的液壓控制的離合器，并且有多個摩擦片。這種離合器是保證重型車輛液力——機械變速器正常工作的核心部件之一，液力——機械變速器換擋操作是通過液壓系統(tǒng)控制不同擋位的離合器的結(jié)合或分離并與之協(xié)調(diào)配合來完成的；依靠換擋離合器摩擦片的摩擦力矩或傳力元件的剛性結(jié)合傳遞能量，實現(xiàn)輸出不同扭矩和轉(zhuǎn)速的目的。液壓多片摩擦離合器的性能好壞取決于主、從動摩擦片是否能夠形成液體和半液體界面摩擦；而摩擦片材料、結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)是形成界面摩擦的重要因素，也是確保濕式摩擦離合器運行高效、可靠、長壽命的重要因素。液壓多片摩擦離合器與其他離合器相比具有磨損小、后備功率大等特點，廣泛應(yīng)用于中、高級轎車、重型車輛和工程車輛[14]。
4.1.1 多片摩擦離合器的位置布置
合理布置多片摩擦離合器的位置是十分重要的，它直接影響取力器的結(jié)構(gòu)和尺寸、離合器參數(shù)以及離合器的接合和分離性能。本文設(shè)計的取力器是把離合器設(shè)置在輸出軸上，并把整個離合器布置在汽車離合器殼體內(nèi)(圖3-5)，充分利用了汽車離合器殼體的空間位置，使取力器總體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，拆裝方便。
4.1.2 多片摩擦離臺器的結(jié)構(gòu)特點
眾所周知，多片摩擦離合器的功用是用來接通或截斷發(fā)動機的動力，使離合器主、從動片摩滑，同步轉(zhuǎn)動，傳遞扭矩。本文設(shè)計的取力器采用了多片摩擦離合器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)動力換檔。主、從動摩擦片共有7組，摩擦片襯面為非金屬材料。這種多片摩擦離合器具有以下優(yōu)點：
1) 多片摩擦離合器結(jié)合柔和，扭矩容量大，離合器在結(jié)合狀態(tài)下能可靠地傳遞扭矩，最大傳遞扭矩為980～1177Nm(10O～12Okg·m)
2) 摩擦片由鋼芯片與紙基片高溫?zé)Y(jié)壓制而成，在結(jié)合過程中扭矩平穩(wěn)增加，動負(fù)荷小。
3) 摩擦片襯面開有相互垂直的直油槽各ll條，槽寬16mm，深0.2mm。這種直溝槽型式加工方便， 能保證有足夠的冷卻油通過。由于有油泵強制供油，因而摩擦片在摩滑過程中能得到良好的潤滑和冷卻。
4) 離合器片在分離時，摩擦阻力很小，相對轉(zhuǎn)速和空轉(zhuǎn)摩擦扭矩小,在油溫為40,n=2000r/min時，離合器的最大粘滯扭矩為llNm。
5) 采用了單向作用油缸，供油簡單方便。
4.2 內(nèi)嚙合齒輪泵的選擇
取力器的接合和正常工作是靠齒輪泵轉(zhuǎn)動提供壓力油實現(xiàn)的，同時也為齒輪和軸承提供潤滑油。本文所設(shè)計的液壓泵安裝與2號軸的右端，依靠2號軸的轉(zhuǎn)動帶動齒輪泵內(nèi)嚙合齒輪的轉(zhuǎn)動，從而為其提供動力。
發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速為550～2500r/min時，離合器活塞缸的油壓為9～l0.7kg/(8.8～1O.5巴)，潤滑油壓為2.9～4.1kg/(2.8～4巴)。內(nèi)嚙合齒輪泵(圖4-1)，主要零件是由一對相嚙合外齒輪和內(nèi)齒輪及油泵殼體間的月牙形隔板組成。外齒輪和內(nèi)齒輪的回轉(zhuǎn)中心成偏心布置，其偏心距A=8mm。外齒輪為主動齒輪，內(nèi)齒輪為從動齒輪，內(nèi)外齒輪按各自的中心同方向轉(zhuǎn)動。內(nèi)嚙合齒輪泵的月牙形隔板的作用是將吸、壓油腔隔開，實現(xiàn)高、低壓油腔的密封。當(dāng)主動的外嚙合齒輪轉(zhuǎn)動時，在齒輪脫開處形成部分真空，將油液吸入，而在齒輪進入嚙合處，存于齒間的油液被壓入油路，輸出壓力油。為保證油泵可靠工作， 在齒輪徑向和端面配合處以及月牙隔板的內(nèi)、外圓處的加工精度要求比較高。內(nèi)嚙合齒輪泵的特點是結(jié)構(gòu)緊湊體積小，供油壓力高，運轉(zhuǎn)噪聲也比較小，吸入性能好，油液的流量脈動小。其缺點是有的零件不易加工[15]。
圖11 內(nèi)嚙合齒輪泵
Fig 11 internal meshing gear pump
4.3 分配器和控制閥
分配器的主要功用是把內(nèi)嚙合齒輪泵轉(zhuǎn)動輸出的壓力油分流到分配器殼體孔的油路中，使壓力油分送至主油壓腔和潤滑油壓腔(圖4-2)；主油壓腔的壓力油經(jīng)輸出軸19的軸心油孔進入油室，推動活塞使主、從動摩擦片緊密貼臺傳遞扭矩。潤滑油腔中的壓力油分別輸至取力器和變速器中，強制潤滑各部位的齒輪和軸承等零件。
1—端蓋 2—油封 3—彈簧 4—孔用彈性擋圈 5—控制閥體 6—活塞 7—活塞 8—彈簧
9—空心螺栓 10—密封圈 11—分配器殼 12—彈簧 13—活塞 14—隔環(huán) 15—滑套 16—
墊圈 17—彈控圓柱 18—雙頭螺柱 19—輸出軸
圖12 分配器和控制閥結(jié)構(gòu)
Fig 12 splitter and control valve structure
控制閥的功用是接通或截斷主壓力油，也就是操縱多片摩擦離合器的結(jié)合與分離，只要發(fā)動機起動工作，取力器就能正常運轉(zhuǎn)輸出動力。接通氣開關(guān)，在氣壓為5.2～8kg/cm時，滑套l5在氣壓的作用下，推動活塞6向右移動，堵塞主壓力油不進入出油區(qū)，保證主壓力油達(dá)到需要的壓力，使多片離臺器可靠地工作。關(guān)閉氣開關(guān)，控制閥被截斷氣壓后，活塞6在彈簧3的作用下，回復(fù)到圖示位置，這時主壓力油流經(jīng)出油口回到箱體內(nèi)，然后經(jīng)濾油器過濾后，再收入油泵循環(huán)供油，此時離合器話塞在復(fù)位彈簧作用下，離合器置于分離狀態(tài)，取力器不工作。
5 結(jié)論
汽車的設(shè)計是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要投入很大的人力物力才能得到一定的成果，對于專用汽車的零部件的設(shè)計也是一樣。只有成熟的設(shè)計方案加上實驗的支持，才能運用于工程實際當(dāng)中。因此，雖然本次設(shè)計是在老師的指導(dǎo)下，在查閱較多的技術(shù)文獻的前提下，對汽車發(fā)動機取力器進行了總體的設(shè)計研究，但產(chǎn)品還沒有成形，更沒有實驗驗證，所以只能說是一個設(shè)計初稿而已，并不是一項成熟的設(shè)計作品，肯定還有很多不足的地方。但是我認(rèn)為還是做了較多的工作，主要是取力器傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，一些重要零部件的設(shè)計和液壓系統(tǒng)的設(shè)計，現(xiàn)羅列如下：
1）本文總結(jié)了汽車取力器的幾種取力方案和目前市場上能看到的幾種較為常見的取力器，并且對它們各自的特點和優(yōu)劣做了較為詳細(xì)的說明。重點對發(fā)動機取力器的應(yīng)用、優(yōu)缺點和發(fā)展前景做了較深入的調(diào)查研究。
2）本次設(shè)計提出了一個較為完整的設(shè)計方案，設(shè)計了安裝位置、取力方式，并且確定了轉(zhuǎn)向、輸出扭矩、輸出速度和速比等具體參數(shù)。
3）發(fā)動機取力器作為一個傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品，依靠齒輪和軸進行動力傳遞。傳動鏈設(shè)計的好壞直接關(guān)系到這個設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量。本文詳細(xì)設(shè)計了汽車發(fā)動機取力器的傳動方案，具體確定了各齒輪的齒數(shù)、模數(shù)，并且進行了詳細(xì)的校核。確定了軸的尺寸和安裝位置，詳細(xì)設(shè)計了軸上的各種零件，并且一一對他們的作用進行了闡述。
4）設(shè)計了一個發(fā)動機取力器內(nèi)置的離合器，以實現(xiàn)控制取力器的動力輸出，對這個離合器的類型、離合方式進行了設(shè)計，對離合器摩擦片襯面進行了詳細(xì)的校核研究。
5）初步設(shè)計了控制系統(tǒng)中的液壓泵、控制閥、密封圈等液壓元件，并進行了一定的校核計算。
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致 謝
本論文的整個寫作是在我的導(dǎo)師李軍政和危小湘老師的悉心指導(dǎo)下完成的，論文的選題、構(gòu)思、撰寫直至最后成文的過程無不凝聚著老師的親切關(guān)懷和幫助，他們對我進行了無私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，要感謝班上各位同學(xué)給我提供多方面的支持與幫助。值此論文完稿之際，向幫助我的導(dǎo)師和同學(xué)致以最誠摯的感謝！
還要感謝本論文的各位評審專家在百忙之中評閱我的論文，同時也向所有參考文獻的作者致敬。