A平板式清障車的設(shè)計(jì)
A平板式清障車的設(shè)計(jì),平板,清障車,設(shè)計(jì)
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遼寧工程技術(shù)大學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開 題 報(bào) 告
題 目 平板式清障車設(shè)計(jì)
指 導(dǎo) 教 師 冷岳峰
院（系、部） 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級 機(jī)械工程及自動(dòng)化（汽車工程）
學(xué) 號 1007130105
姓 名 宮興運(yùn)
日 期 2014年3月15日
教務(wù)處印制
8
一、選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀
1. 目的、意義
清障車全名為道路清障車，又稱拖車、道路救援車、拖拽車，清障車主要是由：底盤、起重裝置、托舉牽引裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、車體與工具箱等組成，具有起吊、拽拉和托舉牽引等多項(xiàng)功能，適用于高速公路、城市道路的清障作業(yè)。清障車是指裝有道路搶險(xiǎn)作業(yè)裝備的專用汽車。由于汽車在道路上行駛時(shí)，故障和事故是不可避免的，特別是在高等級公路上，這種現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。清障車的任務(wù)就是將故障車或事故車及時(shí)地拖離現(xiàn)場，確保道路的暢通無阻。因此，道路清障車又稱道路搶險(xiǎn)車。隨著高等級路面和在用汽車的增多，清障車也得到了發(fā)展。
清障車按類別主要分為：拖吊連體型、拖吊分離型，一拖一型，平板一拖二型，多功能清障車，液壓自動(dòng)夾緊型能力劃分。按照能力分為輕型、中重型及超重型。輕型清障車作業(yè)對象是輕型載貨汽車，微型客車及轎車等，中重型清障車的清障作業(yè)對象是中重型載貨汽車，大中型客車等，超重型清障車作業(yè)對象是重型載貨汽車及超重型半掛汽車系列等。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，公路建設(shè)突飛猛進(jìn)，里程不斷增加，我國“五縱七橫”公路主干線將基本建成。公路建設(shè)的發(fā)展，為車輛行駛創(chuàng)造了良好的環(huán)境，汽車保有量日益增多。汽車給人們的工作與生活帶來了極大的便利，但是因汽車而發(fā)生的交通事故也給人們帶來了不盡的煩惱。汽車因故障停在公路上會(huì)嚴(yán)重堵塞交通，特別是高速公路上，車速高，流量大，一旦發(fā)生交通事故不能及時(shí)處理，將會(huì)嚴(yán)重堵塞交通。由于交通事故是不可預(yù)見的，故障車輛的損壞程度不一，因此，能夠迅速清理事故現(xiàn)場且操作簡便具有多種功能的清障車受到交管部門的青睞。
2. 研究現(xiàn)狀
隨著我國城鄉(xiāng)道路條件的改善，人民生活水平的提高，人們越來越需要“高速、安全、便捷、舒適”的交通環(huán)境。為了確保交通環(huán)境的安全暢通，我國各級交通管理部門亟需對老舊裝備進(jìn)行改進(jìn)和更新，購進(jìn)救援功能全的清障車?？梢灶A(yù)見，我國清障車市場的前景是很廣闊的。近年來，我國清障車雖有了一定的發(fā)展，但真正功能齊全、外形美觀的清障車還很少，尤其是適用于清理各級公路及城市道路肇事、故障及違章停放車輛的清障車，市場需求缺口很大。據(jù)國內(nèi)有關(guān)專家預(yù)測，未來10年“拖吊”式和“旋轉(zhuǎn)”式清障車的年需求輛約為800臺(tái)；“平板”式和“升降平臺(tái)”式清障車年需求輛為1000臺(tái)；多功能清障車年需求輛為3500臺(tái)；大型清障車的年需求輛為10臺(tái)左右。性能優(yōu)良、功能齊全，操作方便的清障車將是今后發(fā)展的方向。清障車將會(huì)走向優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)、采用高強(qiáng)度鋼材或是應(yīng)用新型材料、輕量化、高技術(shù)化、廂式化和城市專用汽車輕型化等趨勢。
清障車創(chuàng)始于公路交通非常發(fā)達(dá)的國家，早在20 世紀(jì)50 年代美國就生產(chǎn)出第一輛清障車。當(dāng)時(shí)這種車還比較簡單，靠機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，拉桿支撐，故障車一端被吊起拖離現(xiàn)場；往往采用自制底盤，功能較單一，這是清障車發(fā)展的第1 階段。第2階段，以引入液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)為標(biāo)志，20世紀(jì)70年代第一批采用全液壓傳動(dòng)的清障車生產(chǎn)出來，涌現(xiàn)了一批著名的清障車企業(yè)，如美國的ENTURY、CHALLENGER、JERR-DAN、WRECKER，奧地利的EMPL，日本的TOKYU，加拿大的NRC。這一階段的清障車技術(shù)和生產(chǎn)得到很大發(fā)展，首先是系列品種、規(guī)格增多，結(jié)構(gòu)形式多樣化，其次是所用專用底盤、二類底盤多樣化。大型清障車最大為4 橋。第3 階段，結(jié)構(gòu)多樣、功能齊全，具有托舉、起吊、拖拽、牽引、背拖、破拆、清潔、維修等功能。第4階段，工作能力更大，拖舉能力最大達(dá)25 t，拖牽能力達(dá)48 t，起吊能力達(dá) 40 t。第5階段，操作方式更先進(jìn)，工作環(huán)境更舒適。國外，專用底盤用戶向底盤生產(chǎn)商訂貨時(shí)，后者會(huì)給前者一個(gè)軟件，用戶可據(jù)需在軟件上對底盤布局進(jìn)行修改， 后者再根據(jù)用戶的修改生產(chǎn)專用底盤。此外，還有專門的清障車底盤改裝廠。按目前我國清障車銷量約為國外的1/10 推算，國外清障車年為需求2萬輛。國外對清障車的研究技術(shù)好于國內(nèi)，例如國外能獨(dú)立研究清障車的液壓、密封件、電液控制等，而且在清障車專用底盤研究占領(lǐng)一定地位。 開發(fā)清障車產(chǎn)品需要擁有較強(qiáng)的整車技術(shù)匹配設(shè)計(jì)能力，這一點(diǎn)非常重要，在國外這種匹配設(shè)計(jì)能力較好。 我國清障車行業(yè)走了一條引進(jìn)技術(shù)與自主開發(fā)相結(jié)合的道路，緊跟世界清障車發(fā)展方向，技術(shù)基本與世界同步，只是在產(chǎn)品的可靠性和耐用性方面與世界先進(jìn)水平有一定差距， 嚴(yán)重缺乏專用底盤成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。 根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r的了解和掌握，我國應(yīng)該加強(qiáng)道路清障車底盤的研究和運(yùn)用，進(jìn)一步縮小我國在清障車技術(shù)上同國外的差距，使我國清障車的技術(shù)的發(fā)展與世界同步。
二、研究方案及預(yù)期結(jié)果。
1. 設(shè)計(jì)方案或論文主要研究內(nèi)容
平板清障車的設(shè)計(jì)，對其底盤進(jìn)行改造，并安裝取力器來驅(qū)動(dòng)清障車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其上裝為全液壓操縱，其動(dòng)力來源于底盤發(fā)動(dòng)機(jī)，取力器取力，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力通過傳動(dòng)軸到達(dá)齒輪泵。油泵輸出高壓油，流經(jīng)多路換向閥、液壓閥，然后到達(dá)各執(zhí)行元件。各個(gè)部件的動(dòng)作均由換向閥手柄控制，操縱手柄設(shè)置在左右后側(cè)工具箱，每一側(cè)的操縱手柄均可實(shí)現(xiàn)全功能操作。操縱手柄旁邊的標(biāo)志牌上清楚地標(biāo)明了控制手柄的用途和動(dòng)作方向。
平板清障車的工作原理：取力器取力將動(dòng)力傳遞給液壓油泵，液壓油泵產(chǎn)生的高壓液壓油通過控制閥分別輸送給各油缸或液壓馬達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)各工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。
2. 主要解決的問題、理論、方法、技術(shù)路線
根據(jù)以上方案，主要解決以下問題：
（1）底盤設(shè)計(jì)
（2）取力器設(shè)計(jì)：取力器工作原理，取力器選型，初選傳動(dòng)比等等
（3）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)：確定液壓油箱，液壓缸設(shè)計(jì)等
（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：
理論方法：用《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械原理》、《汽車設(shè)計(jì)》、《汽車?yán)碚摗返认嚓P(guān)汽車類書籍，根據(jù)參考文獻(xiàn)和實(shí)際調(diào)查信息，對平板式清障車的底盤，取力器和液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足工況要求。
技術(shù)路線：
設(shè)計(jì)開始
底盤設(shè)計(jì)
取力器設(shè)計(jì)
重定參數(shù)
強(qiáng)度校核
不合格
合格
執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
校核
圖紙繪畫與說明書編輯
設(shè)計(jì)結(jié)束
3. 論文框架（列出說明書大體結(jié)構(gòu)及提綱）
前言 （以下框架是我自己編的，可以改動(dòng)的）
第一章 總體方案論證
1.1 本課題基本前提條件和技術(shù)要求
1.2 結(jié)構(gòu)方案確定
第二章 平板式清障車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 底盤的介紹
2.2底盤的設(shè)計(jì)方案
2.3 底盤的設(shè)計(jì)計(jì)算
第三章 取力器的設(shè)計(jì)
3.1 取力器的原理
3.2 取力器的選型
3.3 取力器設(shè)計(jì)計(jì)算
第四章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 確定液壓系統(tǒng)方案
4.2 液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算
4.3 油箱的設(shè)計(jì)
4.4 液壓元件的選用
第五章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型
4.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算校核
第六章 結(jié)論
參考文獻(xiàn)
致謝
4. 預(yù)期結(jié)果
繪制工程圖紙4張（裝配圖2張A0~A1，零件圖2張A1）
編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明1份
翻譯相關(guān)外文文獻(xiàn)1篇
三、研究進(jìn)度
第1周—第2周：畢業(yè)實(shí)習(xí)，收集資料，撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告。
第3周：撰寫開題報(bào)告，進(jìn)行開題答辯。
第4周—第5周：進(jìn)行汽車底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第6周—第8周：進(jìn)行取力器設(shè)計(jì)。
第9周—第10周：進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
第10周—第11周：執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第12周—第13周：編輯說明書。
第14周—第15周：繪制圖紙。
第16周：整理設(shè)計(jì)資料，打印輸出，提交設(shè)計(jì)資料。
第17周：準(zhǔn)備答辯，論文評閱。
第18周：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
四、主要參考文獻(xiàn)
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[3] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊·液壓傳動(dòng)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2004.
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[8] 陳家瑞主編. 汽車構(gòu)造[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.
[9] 周建方主編. 材料力學(xué)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.
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五、指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽字：
客戶寫作需求表
請一定仔細(xì)填寫以下資料并提供設(shè)計(jì)要求文件，感謝您的配合
1. 具體要求：設(shè)計(jì)完成時(shí)間等等。
2014.4.10起 三周內(nèi)完成
（1）底盤設(shè)計(jì)
（2）取力器設(shè)計(jì)（要校核）
（3）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（要校核）
最后出圖：清障車總裝圖A0-A1，取力器總裝圖，液壓系統(tǒng)圖，兩個(gè)零件圖
2. 題目 Title ：
平板式清障車的設(shè)計(jì)
3. 設(shè)計(jì)所屬專業(yè)和方向
汽車工程（設(shè)計(jì)與制造方向）
7. 您想拿到設(shè)計(jì)的時(shí)間
2014.5.1左右
8. 學(xué)校要求上交的日期
2014年五月中旬(4月下旬會(huì)有期中檢查)
特別提示:請務(wù)必一次性說明清楚全部設(shè)計(jì)任務(wù),后期新增或更改任務(wù)會(huì)視情況收取費(fèi)用,定做設(shè)計(jì)一律包售后,包講解.上海地區(qū)同學(xué)可來店里.
(請把任務(wù)書,約稿,和自己的資料放在一個(gè)文件夾里傳過來,文件夾改稱你的課題全名!!!)
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘要
取力器是專用車輛上的重要組成部分，是專用車輛能實(shí)現(xiàn)其專用功能的動(dòng)力來源。取力器的質(zhì)量好壞，嚴(yán)重影響專用車輛的試用狀況。取力器一般情況下安裝在變速器上。
通常取力器是一種齒輪傳動(dòng)裝置，其主要功用全部或部分的是取出變速器所傳遞的動(dòng)力，或直接將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率通過法蘭和傳動(dòng)軸傳遞到被驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)上，使汽車實(shí)現(xiàn)特有的專用功能。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的取力器是與CA1061K28L3型載貨汽車變速箱相配合的取力器。在設(shè)計(jì)過程中，取力器的動(dòng)力是由變速箱中間軸輸入的。利用斜齒輪，與變速箱中間軸上的斜齒輪嚙合獲得動(dòng)力，由兩直齒輪嚙合，以及接合套，同步器等的應(yīng)用，將力傳遞到輸出軸上。最后，由輸出軸通過內(nèi)外花鍵配合，將力傳遞到下一級機(jī)械機(jī)構(gòu)上。
在確定了基本結(jié)構(gòu)和給定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,確定傳動(dòng)比,設(shè)計(jì)兩軸中心距,軸的直徑,進(jìn)一步算得嚙合齒輪的基本參數(shù),進(jìn)而對齒輪和軸進(jìn)行校核，同時(shí)對軸承進(jìn)行了選擇。在設(shè)計(jì)過程中，利用CAXA繪圖，運(yùn)用MATALAB軟件編程。
通過本次設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的取力器工作平穩(wěn)可靠，傳動(dòng)效率良好。
關(guān)鍵詞：汽車；取力器；同步器；雙聯(lián)齒輪。
Abstract
There is a special vehicle is the important component of the special vehicles can realize its function of power sources. The quality is good, the serious influence of trial. Vehicles There is usually installed in transmission.
There is usually is a kind of gear transmission device, its main function is out of all or part of the transmission power, or directly to the engine power through the flange and drive shaft transmission to the job, make cars on the special function realization peculiar.
The graduation design is the design with CA1061K28L3 type auto gearbox is a combination of. In the design process, is the power of transmission is presented.by input. Using the helical gear transmission, and the inclined gear oart obtained by two straight, gear, and joints, etc, the application of synchronizer will force transfer to the output shaft. Finally, the output shaft with internal and external spline, through the force transmission mechanism to the next level.
In determining the basic structure and the given data, based on the determined transmission shaft center distance, the design of the shaft diameter, further meshing gears is the basic parameters, then the gear and shaft, and the choice of bearings. In the design process, the movement by using CAXA drawing, using MATALAB software programming.
Through the design, make the design work is stable and reliable, and the transmission efficiency.
Keywords: automobile, There is, Synchronizer, Double gear.
目錄
目錄 III
第1章緒論 1
第2章取力器概述及基本結(jié)構(gòu)的確定 3
2.1取力器的功用和要求 3
2.2取力器結(jié)構(gòu)方案的確定 3
第3章分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.1分析計(jì)算，以及具體的結(jié)構(gòu)計(jì)算 6
3.1.1取力器傳動(dòng)比的確定 6
3.1.2初定中心距 6
3.1.3軸的直徑的初步確定 6
3.1.4齒輪基本參數(shù)的確定 7
3.1.5斜齒輪螺旋角的選擇 9
3.1.6壓力角的選擇 9
3.1.7變位系數(shù)的選擇 9
3.2主要部件的選擇 10
3.2.1同步器的選擇 10
3.2.2取力器軸承的選擇 12
3.2.3取力器操縱機(jī)構(gòu) 13
3.2.4取力器箱體 14
3.3校核分析計(jì)算 15
3.3.1齒輪彎曲應(yīng)力計(jì)算 15
3.3. 2齒輪接觸應(yīng)力計(jì)算 17
3.3.3軸的剛度校核 19
3.3.4軸的強(qiáng)度校核 22
3.4材料的選擇 23
3.4.1齒輪材料的選擇 23
3.4.2軸材料的選擇 24
3.4.3箱體材料的選擇 24
3.5密封與潤滑 25
第4章工藝過程設(shè)計(jì) 26
4.1輸入軸的加工工藝過程 26
4.2輸出軸加工工藝過程 27
4.3雙聯(lián)齒輪加工工藝過程 28
4.4軸端蓋的加工工藝過程 29
結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
致謝 33
附錄1程序編程 34
附錄2英文翻譯 38
IV
第1章緒論
取力器是專用汽車的一個(gè)重要部件，是專用汽車實(shí)現(xiàn)其專用功能的動(dòng)力來源。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，專用汽車涉及的行業(yè)也越來越廣泛，由于汽車用途的多樣化，要求取力器必須有動(dòng)力輸出裝置[16]。通常取力裝置安裝在變速器的動(dòng)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種特種車輛的使用要求。由于各類車輛的負(fù)載工況、使用條件和去理位置的不同，因而對取力裝置的要求也不相同。取力裝置的用途頗為廣泛，它可用來驅(qū)動(dòng)汽車絞盤傳動(dòng)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(jī)械中各種輔助裝置，如空氣壓縮機(jī)、燃油泵、廢料集收器、制冷機(jī)等。
取力器的工作原理與變速器工作原理基本相同 [16]。目前，取力器的傳遞形式多數(shù)是齒輪傳遞。通過一對嚙合齒輪將變速器或發(fā)動(dòng)機(jī)上的動(dòng)力傳到取力器上。再經(jīng)另一對齒輪的嚙合傳遞以及齒輪與軸的配合，將動(dòng)力傳遞出去。本次設(shè)計(jì)的取力器的工作原理是，由一對雙聯(lián)齒輪中的斜齒輪與變速箱中的中間軸的斜齒輪嚙合獲取動(dòng)力，再經(jīng)雙聯(lián)齒輪中的直齒輪與取力器中的直齒輪嚙合，將動(dòng)力傳遞到取力器上。最后取力器直齒輪通過嚙合套與軸相連，將動(dòng)力通過輸出軸傳遞出去[7]。
根據(jù)不同的取力要求，取力器分為：
一.側(cè)取力器 側(cè)取力器系在變速箱側(cè)取力窗口通過變速箱中間軸上的高擋齒或倒擋軸上的倒擋齒取力。在汽車取力器中使用最為廣泛。 總體結(jié)構(gòu)：有一軸式、兩軸式、三軸式、帶副箱式、單操縱雙輸出式和雙操縱雙輸出式等幾種形式[7]。其中以兩軸式結(jié)構(gòu)最為普遍；一軸式結(jié)構(gòu)最為簡單；三軸式主要用于輸出有雙速異向用途的取力器，如越野車絞盤取力器；也有原為一軸式或兩軸式后為改變輸出軸旋向而增加一軸新成為兩軸式或三軸式；帶副箱式主要是在原取力器基礎(chǔ)上進(jìn)一步增速或減速，以擴(kuò)展其使用性能；單操縱雙輸出式的兩輸出可同軸也可不同軸，但由同一操縱機(jī)構(gòu)同時(shí)控制；雙操縱雙輸出式的兩輸出可同軸也可不同軸，但由不同的操縱機(jī)構(gòu)獨(dú)立控制。
二.后端取力器 后端取力器是在變速箱后端通過變速箱副軸軸端來取力的取力器，它具有輸出扭矩大等特點(diǎn)，在重型汽車變速箱上應(yīng)用較普遍 [12]。 總體結(jié)構(gòu)：有一軸式、兩軸式、三軸式等幾種形式。一軸式直接輸出，結(jié)構(gòu)簡單可靠；兩軸式可一定范圍調(diào)整速比和輸出位置，應(yīng)用較廣泛；三軸式主要用來調(diào)整輸出位置，應(yīng)用 不太普遍。
三.夾心式取力器 夾心式取力器又稱前夾式取力器或一軸上取力器，系夾在變速箱殼與離合器殼之間并在變速箱一軸上取力的一種多軸齒輪箱，具有傳輸功率大、使用可靠等特點(diǎn)，用在輕、中、重型車底盤上，可改裝消防車和高壓清洗車等車型[14]。 四.全功率取力器 全功率取力器又稱傳動(dòng)軸取力器或分動(dòng)器，系通過傳動(dòng)軸安裝在變速箱與后橋之間并設(shè)有取力輸出裝置的一種多軸齒輪箱，它在使用時(shí)可通過變速箱檔位調(diào)整取力輸出轉(zhuǎn)速，具有傳輸功率大、通用性較強(qiáng)、使用可靠等特點(diǎn)，用在輕、中、重型車底盤上，可改裝混凝土輸送車高壓清洗車和油田固井車等專用[15]。
第2章取力器概述及基本結(jié)構(gòu)的確定
2.1取力器的功用和要求
取力器的功用是根據(jù)不同專用車輛，不同行駛條件下提出的要求，將發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器傳遞的動(dòng)力部分或全部的提取出來，作為專用功能的動(dòng)力源。同時(shí)要保證汽車作為運(yùn)輸工具的基本功能[6]。
對取力器的基本要求是[3]：
工作可靠，操縱輕便。汽車在工作過程中，取力器內(nèi)不應(yīng)有自動(dòng)跳檔、亂檔、換檔沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生。為減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行駛安全性，操縱輕便的要求日益顯得重要，這可通過采用同步器和預(yù)選氣動(dòng)換檔或自動(dòng)、半自動(dòng)換檔來實(shí)現(xiàn) [7]。
重量輕、體積小。影響這一指標(biāo)的主要參數(shù)是取力器的中心距。選用優(yōu)質(zhì)鋼材，采用合理的熱處理，設(shè)計(jì)合適的齒形，提高齒輪精度以及選用角接觸球軸承的方式減小中心距。
傳動(dòng)效率高。為減小齒輪的嚙合損失，提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用合適的潤滑油燈都可以提高傳動(dòng)效率。
噪聲小。采用斜齒輪傳動(dòng)及選擇合理的變位系數(shù)，提高制造精度和安裝剛性可減小齒輪的噪聲 [11]。
2.2取力器結(jié)構(gòu)方案的確定
取力器由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。
取力器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與形式選擇。
與其他結(jié)構(gòu)相比，齒輪傳遞取力器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，有較高的傳動(dòng)效率，（η=0.96~0.98）[9]，因此在各類汽車上均得到廣泛的應(yīng)用。
設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)根據(jù)汽車的使用條件及要求確定取力器的傳動(dòng)比范圍、檔位數(shù)及各檔的傳動(dòng)比，因?yàn)樗鼈儗ζ嚨膭?dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性都有重要的直接影響。傳動(dòng)比范圍是取力器低檔傳動(dòng)比與高檔傳動(dòng)比的比值。汽車行駛的道路狀況愈多樣，取力器的功率與汽車質(zhì)量之比愈小，則取力器的傳動(dòng)比范圍應(yīng)愈大[11]。
通常取力器具有一個(gè)擋位，如果有特殊要求的取力器設(shè)置有多個(gè)擋位。
取力器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力的齒輪副數(shù)目、轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等[12]。
在汽車取力器中使用最為廣泛的形式是總體結(jié)構(gòu)：有一軸式、兩軸式、三軸式、帶副箱式、單操縱雙輸出式和雙操縱雙輸出式等幾種形式。其中以兩軸式結(jié)構(gòu)最為普遍；一軸式結(jié)構(gòu)最為簡單；三軸式主要用于輸出有雙速異向用途的取力器，如越野車絞盤取力器；也有原為一軸式或兩軸式后為改變輸出軸旋向而增加一軸新成為兩軸式或三軸式；帶副箱式主要是在原取力器基礎(chǔ)上進(jìn)一步增速或減速，以擴(kuò)展其使用性能；單操縱雙輸出式的兩輸出可同軸也可不同軸，但由同一操縱機(jī)構(gòu)同時(shí)控制；雙操縱雙輸出式的兩輸出可同軸也可不同軸，但由不同的操縱機(jī)構(gòu)獨(dú)立控制[8]。
對于本次設(shè)計(jì)，有三個(gè)備選方案：
方案一：采用三軸式，通過斜齒輪與變速箱相連，將動(dòng)力引入取力器，再利用齒輪傳遞，通過輸入軸的斜齒輪與中間軸斜齒輪的配合，中間軸齒輪空套在軸上，傳遞力，僅改變傳遞的方向。輸出軸齒輪利用接合套，與輸出軸連接在一起，將動(dòng)力由輸入軸傳遞到輸出軸上。最后，輸出軸外部鏈接法蘭，利用法連接傳遞動(dòng)力。將動(dòng)力傳遞到下一動(dòng)力機(jī)構(gòu)[6]。
方案二：通過斜齒輪與取力器相連將動(dòng)力引入取力器，同時(shí)，與取力器相連的斜齒輪直接與輸出軸上的齒輪配合。輸出軸上齒輪與軸利用花鍵鏈接在一起。當(dāng)動(dòng)力傳入時(shí)，利用花鍵，將動(dòng)力傳遞到輸出軸。輸出軸外部利用螺栓連接法蘭，通過法蘭盤將動(dòng)力傳遞到下一操縱機(jī)構(gòu)。
方案三：將與變速箱連接的斜齒輪變?yōu)殡p聯(lián)齒輪。雙聯(lián)齒輪中的斜齒輪與變速箱中間軸斜齒輪配合，將動(dòng)力引入取力器。由于是雙聯(lián)齒輪，所以她的兩個(gè)輪齒是同步的。當(dāng)斜齒輪受力轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，直齒輪也同步轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞動(dòng)力。利用直齒輪與輸出軸的直齒輪相配合，將動(dòng)力傳遞到輸出軸的直齒輪上，輸出軸直齒輪通過接合套與輸出軸鏈接，將動(dòng)力傳遞到輸出軸上。輸出軸端部設(shè)置為內(nèi)花鍵形式，利用內(nèi)外花鍵配合，將動(dòng)力傳遞到下一執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
方案一中，由于是三軸傳動(dòng)形式，所占空間尺寸較大，結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜。浪費(fèi)材料，浪費(fèi)空間。而且，整車安排時(shí)也要預(yù)留一定得空間給取力器。這也給整車的布置造成了一定得困難與難度。
方案二相對于方案一，空間尺寸有所減少，而且各部分零件都得到了充分的引用。但是，輸入軸上的斜齒輪即與變速箱中間軸上的斜齒輪相配合，又要與取力器輸出軸上齒輪相配合，就會(huì)有較高的接觸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力作用在齒輪上，這就要求齒輪有較高的彎曲強(qiáng)度與接觸強(qiáng)度。對齒輪的材料要求較嚴(yán)格，制造工藝較復(fù)雜，成本較高。同時(shí)因?yàn)橐c兩個(gè)齒輪同時(shí)嚙合，對于這一齒輪的制作精度就相應(yīng)提高，也增加了制造成本。對于取力器這種成批生產(chǎn)的部件不是很適合。
第三種方案，既有第二種方案的有點(diǎn)，不會(huì)占用很大的空間位置。同時(shí)又能解決第二種方案的缺陷。利用了雙聯(lián)齒輪，斜齒輪與取力器中間軸齒輪配合，將動(dòng)力傳入取力器。直齒輪與輸出軸上的齒輪配合，將動(dòng)力傳遞到輸出軸上。這樣的傳遞路線，雙聯(lián)齒輪的兩個(gè)輪齒都不用承受過大的應(yīng)力，材料的選用與加工工藝的制定不會(huì)太復(fù)雜。
同時(shí)，在第三種方案中，力由輸出軸向下一機(jī)構(gòu)傳遞時(shí)不用法蘭而是利用了內(nèi)花鍵。這也使下面連接的機(jī)構(gòu)有了更靈活方便的連接方式。
綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇第三種結(jié)構(gòu)布置方案。
圖1.1取力器結(jié)構(gòu)簡圖
1-雙聯(lián)齒輪 2-輸入軸 3-殼體 4-輸出軸 5-接合套 6-直齒滑移齒輪
?第3章分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1分析計(jì)算，以及具體的結(jié)構(gòu)計(jì)算
3.1.1取力器傳動(dòng)比的確定
已知條件：取力器輸出最大轉(zhuǎn)矩700N·M；中間軸上齒輪參數(shù)；；（左旋）；
由所給已知取力器輸出最大轉(zhuǎn)矩 [7] 700N·M;
[3-1]
[3-2]
液壓泵結(jié)構(gòu)功能表得出，本次設(shè)計(jì)取力器后接型液壓泵，其轉(zhuǎn)速為1500r/min [12]
中間軸上齒輪轉(zhuǎn)速為1200r/min。
傳動(dòng)比 [3-3]
3.1.2初定中心距
初定中心距可用以下公式：
[3-4]
式中：
——中心距系數(shù)，取值范圍8.6—9.6 取
——取力器最大轉(zhuǎn)矩，
——取力器一擋傳動(dòng)比，i=1.25
——取力器傳動(dòng)效率[3]，
求得A=84.99mm
3.1.3軸的直徑的初步確定
取力器的軸必須有足夠的剛度和強(qiáng)度。工作時(shí)它們除了傳遞轉(zhuǎn)矩外，還承受來自齒輪作用的徑向力，結(jié)果是斜齒輪也產(chǎn)生軸向力，在這些力的作用下，軸的剛度如果不足就會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，破壞齒輪的正確嚙合，對齒輪的強(qiáng)度和耐磨性均有不利影響，還會(huì)增加噪聲[1]。中間軸式取力器的第二軸和中間軸中部直徑d0.45A；軸的最大直徑d個(gè)支承間距離L的比值，對中間軸，d/L0.16-0.18,對第二軸d/L0.18-0.21[11]。
第二軸花鍵部分直徑可按下式初選：
[3-5]
式中：
K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[2]，K=4.0-4.6，取K=4
—取力器最大轉(zhuǎn)矩 ,求得D=35mm
第一軸d=0.4A=0.412×84.96=35mm
3.1.4齒輪基本參數(shù)的確定
本取力器設(shè)計(jì)為與取力器中間軸相連的部分為斜齒輪，其余為直齒輪，選取齒輪模數(shù)要保證齒輪有足夠的剛度，同時(shí)兼顧它對噪聲和質(zhì)量的影響，減少模數(shù)、增加齒寬會(huì)使噪聲降低，反之則能減輕變?nèi)×ζ鞯馁|(zhì)量。降低噪聲對轎車有意義，減輕質(zhì)量對貨車比較重要。從齒輪強(qiáng)度觀點(diǎn)出發(fā)，每對齒輪應(yīng)有各自的模數(shù)，而從工藝的觀點(diǎn)出發(fā)，全部齒輪選用一種模數(shù)是合理的，中型貨車模數(shù)取值范圍為3.5-4.5mm。根據(jù)齒輪模數(shù)選用的優(yōu)先原則及本取力器的特點(diǎn)，進(jìn)行模數(shù)的選取，直齒輪為3mm,斜齒輪為4mm[3]。
根據(jù)已知條件，取力器中間軸上齒輪參數(shù)： ，，，（左旋）。
雙聯(lián)齒輪中的斜齒輪
[3-6]
[3-7]
[3-8]
雙聯(lián)齒輪中直齒輪： m=3.
直齒輪兩嚙合齒輪齒數(shù)和：
[3-9]
[3-10]
[3-11]
[3-7]
[3-8]
直齒輪 m=3;
[3-10]
[3-7]
[3-8]
齒寬的設(shè)計(jì)計(jì)算
在選擇齒寬時(shí)，應(yīng)該注意齒寬對取力器的軸向尺寸、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)受力的均勻程度等均有影響。
考慮盡量減少軸向尺寸和質(zhì)量，齒寬應(yīng)小些，但齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)性消弱，此時(shí)雖然可以用增加齒輪螺旋角來補(bǔ)償，但這時(shí)軸承的軸向力增大，使之壽命降低，齒寬窄還會(huì)使齒輪的工作應(yīng)力增加，選用寬些的齒寬，工作時(shí)因軸的變型導(dǎo)致沿齒寬方向受力不均勻并在齒寬方向磨損不均勻。
根據(jù)模數(shù)的大小選定齒寬[10]：
直齒： ，為齒寬系數(shù)，取4.5—8.0
斜齒： ，取6.0—8.51
各擋齒輪的齒寬值如下：
雙聯(lián)齒輪中斜齒輪 [3-12]
雙聯(lián)齒輪中直齒輪 [3-12]
直齒輪 [3-13]
中心距的修正：
[3-14]
圓整為85mm.
表3.1齒輪參數(shù)表
齒輪
模數(shù)
齒數(shù)
分度圓直徑
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
斜齒輪
直齒輪1
直齒輪2
3.1.5斜齒輪螺旋角的選擇
為減少工作噪聲和提高強(qiáng)度，汽車取力器齒輪與其他機(jī)構(gòu)嚙合部分多數(shù)用斜齒輪，只有自身嚙合齒輪采用直齒輪。選取斜齒輪的螺旋角應(yīng)注意以下問題：
首先，增大β角使齒輪嚙合的重合系數(shù)增加，工作平穩(wěn)、噪聲降低。實(shí)驗(yàn)還證明：隨著β角的增大，齒輪的強(qiáng)度相應(yīng)的增大，不過當(dāng)螺旋角大于30°時(shí)，其彎曲強(qiáng)度驟然下降，而接觸強(qiáng)度仍驟然上升。因此，從提高低檔齒輪的彎曲強(qiáng)度出發(fā)，并不希望β角過大，而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)度著眼，可選取較大的β角。且，螺旋角的選取必須與所嚙合的斜齒輪的螺旋角相一致[2]。
其次，斜齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，要產(chǎn)生軸向力。設(shè)計(jì)時(shí)要求輸入軸上的軸承能夠承受一定的軸向力，其余軸向力有箱體承擔(dān)。
最后，可用調(diào)整螺旋角的方法，使各對嚙合齒輪因模數(shù)或齒數(shù)不同等原因而造成的中心距不等現(xiàn)象得以消除。
斜齒輪的螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用：中型專用汽車取力器為18°～26°[4]。
取力器的斜齒輪與變速器中間軸上齒輪相嚙合，所以取力斜齒輪的螺旋角與變速器螺旋角取值范圍相同為23.5 o
3.1.6壓力角的選擇
壓力角較小時(shí)，重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；較大時(shí)可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。對轎車，為加大重合度已降低噪聲，取小些；對貨車，為提高齒輪承載力，取大些。
在本設(shè)計(jì)中取力器齒輪壓力角α取22.5o，嚙合套或同步器取30o[3]。
3.1.7變位系數(shù)的選擇
采用變位齒輪，除了避免齒輪產(chǎn)生干涸，根切和配湊中心距外，還因?yàn)槿×ζ鞑煌瑱n位的齒輪在彎曲強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度、耐磨及抗膠合能力等方面有不同的要求，采用齒輪變位就能分別兼顧。齒輪變位是提高齒輪壽命的有效方法。
對于本次設(shè)計(jì)，當(dāng)直齒輪17時(shí)，采用正變位，和它相嚙合的齒輪則采用負(fù)變位。而對于斜齒輪，是當(dāng)量直齒標(biāo)準(zhǔn)齒輪不發(fā)生根切的最小齒數(shù)。而不根切的最小變位系數(shù)ξmin分別為：
[3-15]
式中：
——齒頂高系數(shù)。
當(dāng)=1，=20°時(shí)
采用非變位齒輪，變位系數(shù)[17]
3.2主要部件的選擇
3.2.1同步器的選擇
使降低汽車取力器噪聲和百公里油耗、消除換檔沖擊、延長齒輪和傳動(dòng)系壽命,實(shí)現(xiàn)可靠平穩(wěn)迅速而又輕便的換檔,汽車取力器普遍采用了同步器。鎖銷式同步器就是其中一種,它被廣泛地應(yīng)用于中型、重型載重汽車和相應(yīng)級別的大客車取力器上.本次設(shè)計(jì)的中型專用汽車取力器采用鎖銷式同步器[8]。
同步器的工作原理：在變速瞬間,取力器的輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)速都在變化著,輸出端與汽車整車相連其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J出相當(dāng)大,換檔作用時(shí)間較短,可認(rèn)為在換檔的瞬間輸出端轉(zhuǎn)速是恒定的。而輸入端在接觸錐面上產(chǎn)生的摩擦力矩作用下,克服輸入端被接合零件的等價(jià)慣性力矩,在最短時(shí)間內(nèi)使輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速達(dá)到同步。通過同步器使將要嚙合的齒輪達(dá)到一致的轉(zhuǎn)速而順利嚙合[10]。
相鄰擋位相互轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)該采取不同操作步驟的道理同樣適用于移動(dòng)齒輪換擋的情況，只是前者的待接合齒圈與接合套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度要求一致，而后者的待接合齒輪嚙合點(diǎn)的線速度要求一致，但所依據(jù)的速度分析原理是一樣的。
取力器的換擋操作，尤其是從高擋向低擋的換擋操作比較復(fù)雜，而且很容易產(chǎn)生輪齒或花鍵齒間的沖擊。為了簡化操作，并避免齒間沖擊，可以在換擋裝置中設(shè)置同步器。
同步器有常壓式和慣性式。目前全部同步式取力器上采用的是慣性同步器，它主要由接合套、同步鎖環(huán)等組成，它的特點(diǎn)是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步。慣性式同步器是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步的，在其上面設(shè)有專設(shè)機(jī)構(gòu)保證接合套與待接合的花鍵齒圈在達(dá)到同步之前不可能接觸，從而避免了齒間沖擊[11]。
接合套、同步鎖環(huán)和待接合齒輪的齒圈上均有倒角（鎖止角），同步鎖環(huán)的內(nèi)錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸產(chǎn)生摩擦。鎖止角與錐面在設(shè)計(jì)時(shí)已作了適當(dāng)選擇，錐面摩擦使得待嚙合的齒套與齒圈迅速同步，同時(shí)又會(huì)產(chǎn)生一種鎖止作用，防止齒輪在同步前進(jìn)行嚙合。
當(dāng)同步鎖環(huán)內(nèi)錐面與待接合齒輪齒圈外錐面接觸后，在摩擦力矩的作用下齒輪轉(zhuǎn)速迅速降低（或升高）到與同步鎖環(huán)轉(zhuǎn)速相等，兩者同步旋轉(zhuǎn)，齒輪相對于同步鎖環(huán)的轉(zhuǎn)速為零，因而慣性力矩也同時(shí)消失，這時(shí)在作用力的推動(dòng)下，接合套不受阻礙地與同步鎖環(huán)齒圈接合，并進(jìn)一步與待接合齒輪的齒圈接合而完成換擋過程。
在同步階段中摩擦力矩隨著錐面角α的減小而增大,為了增大同步器的容量,錐面角α應(yīng)盡量取小值。但是它的極限值又受錐面角自鎖條件的限制,為了避免錐面角發(fā)生自鎖,α的選取要滿足α≥arctanμ(μ為摩擦系數(shù))[12]。
圖3.1 鎖銷式同步器
鎖銷式同步器的結(jié)構(gòu)見圖3.1。1同步齒輪2摩擦錐盤；3摩擦錐環(huán)；4定位銷；5接合套；6接合齒圈；7鎖銷；8花鍵轂。
為了破壞被同步齒輪內(nèi)錐面上的油膜，增大摩擦力矩，同步環(huán)錐面上需車制螺紋，并在螺紋垂直方向開設(shè)排油槽，油槽的大小及數(shù)量應(yīng)根據(jù)同步環(huán)錐面直徑來確定。一般油槽寬為2mm～4mm，數(shù)量30個(gè)～40個(gè)。同步環(huán)螺紋齒頂寬對摩擦系數(shù)的影響較大，在設(shè)計(jì)時(shí),一般螺紋齒頂寬為0.15mm～0.2mm，螺紋牙形角為50°，螺距為0.65mm～0.9mm。
同步環(huán)錐面直徑和寬度的確定
在中間軸結(jié)構(gòu)允許的情況下，為了增大錐面間的摩擦力矩,縮短同步時(shí)間,同步環(huán)錐面直徑應(yīng)盡量取大值。同步環(huán)錐面寬B與摩擦錐面的發(fā)熱有關(guān)，一般取B=R鎖/10～R鎖/14(R鎖為撥環(huán)半徑)。
同步環(huán)的材料
同步環(huán)的材料采用銅合金，精鍛成型后進(jìn)行機(jī)加工，其強(qiáng)度高，耐磨性好。銅合金應(yīng)控制其化學(xué)成分，其抗拉強(qiáng)度大于600N/mm2，屈服強(qiáng)度大于210N/mm2,硬度為HB150～HB200[20]。
同步器鎖止角的確定
要使同步環(huán)在同步階段中鎖止，必須滿足鎖止條件[3]:tanβ≥R錐μR鎖sinα。根據(jù)摩擦錐面平均半徑R錐、摩擦系數(shù)μ、錐面角α和撥環(huán)半徑R鎖來確定合適的鎖銷角β，通常取β=35°～45°。中型車取力器β取小值，重型車取力器β取大值。
同步器鎖差的確定
由于同步器鎖銷差大換檔沉，鎖銷差小換檔輕便，所以應(yīng)選擇合適的鎖銷差，一般取鎖銷差為1.3～1.4。
齒套鎖銷孔和定位銷空的設(shè)計(jì)
一般鎖銷孔的數(shù)量為3個(gè)～6個(gè)，中型車取力器取小值，重型車取力器取大值。鎖銷孔的直徑應(yīng)根據(jù)鎖銷的最大直徑來確定，鎖銷孔兩端的倒角應(yīng)與鎖銷的倒角一致。同步器定位銷數(shù)量為3個(gè),定位銷孔的直徑應(yīng)根據(jù)定位銷的直徑來確定。
齒套接合齒的設(shè)計(jì)
同步器齒套接合齒的模數(shù)、齒數(shù)應(yīng)根據(jù)所傳遞的最大扭矩來確定。為了防止取力器在工作中自動(dòng)脫檔，高通用性，有時(shí)取力器中幾組鎖銷式同步器要選用相同的同步器。
同步時(shí)間
同步器工作時(shí)，要連接兩個(gè)部分達(dá)到同步器的時(shí)間越短越好。同步器時(shí)間與車型有關(guān)，對貨車取力器高擋取0.30—0.80s，抵擋取1.00—1.5s。
3.2.2取力器軸承的選擇
現(xiàn)在，市場上常用的軸承有，深溝球軸承，角接觸球軸承，圓錐棍子軸承，圓柱滾針軸承，調(diào)心軸承，圓柱軸承，調(diào)心滾子軸承，推力球軸承等多種形式。取力器軸承常用圓柱滾子軸承，深溝球球軸承，角接觸球軸承，滾針軸承、圓錐滾針軸承、滑動(dòng)軸套等，軸承在取力器中起支撐作用，其選擇需依據(jù)軸的直徑，公差配合，還要保證能夠軸向定位，饒徑向轉(zhuǎn)動(dòng)[13]。
本次設(shè)計(jì)對于軸承的選擇，考慮到了該軸承所處位置的，直徑，空間大小以及受力情況。
在一軸上，因?yàn)殡p聯(lián)齒輪中有斜齒輪的存在，而且沒有另一個(gè)斜齒輪來抵消軸向作用力，我以我選用角接觸球軸承來承受軸向力，同時(shí)，通過軸承將軸向力傳力到箱體上。最終由箱體來承受齒輪傳動(dòng)所產(chǎn)生的徑向力與軸向力。通過計(jì)算，斜齒輪所產(chǎn)生的軸向力是633.9N,產(chǎn)生的徑向力是619.26N。所以選用據(jù)角接觸球軸承7027AC[4]，他所能承受的基本額定在載荷是23.5KN，完全滿足設(shè)計(jì)所需。
在二軸上，由于是直齒輪傳遞，不能產(chǎn)生軸向力，所以考慮使用深溝球軸承和滾針軸承，但是，由于齒輪的大小限制，當(dāng)軸的直徑為35mm時(shí)，無法滿足深溝球軸承的空間范圍要求。所以選用滾針軸承NA6907。
二軸與箱體相結(jié)合的部分，由于沒有軸向力，所受徑向力也很小，所以從經(jīng)濟(jì)性上考慮，選用深溝球軸承6026即可。
軸承的選用應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的系列，同時(shí)包括軸的直徑，但應(yīng)以齒輪作為選取軸承的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檩S承是標(biāo)準(zhǔn)件。再有就是可實(shí)現(xiàn)系列化，盡量能滿足三化的要求。
3.2.3取力器操縱機(jī)構(gòu)
取力器操縱機(jī)構(gòu)的功用是使駕駛員能夠根據(jù)道路情況，專用車輛的使用功能準(zhǔn)確可靠的掛上或斷開取力器得了連接，使專用車能夠有效地發(fā)揮其專業(yè)功能。
取力器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求：換擋時(shí)只能掛入一個(gè)擋位，換擋后應(yīng)使齒輪在全齒長上嚙合，防止自動(dòng)脫擋或自動(dòng)掛擋，防止誤掛倒擋，換擋輕便。
用于機(jī)械式取力器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和空擋鎖裝置等主要件組成，并依靠駕駛員手力完成鏈接、斷開或退到空擋工作，稱為手動(dòng)換擋取力器[14]。
對取力器操縱機(jī)構(gòu)的要求：
為了保證取力器的可靠工作，取力器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)能滿足以下要求：
掛擋后應(yīng)保證結(jié)合套于與結(jié)合齒圈的全部套合（或滑動(dòng)齒輪換擋時(shí)，全齒長都進(jìn)入嚙合）。在振動(dòng)等條件影響下，操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)保證取力器不自行掛擋或自行脫擋。為此在操縱機(jī)構(gòu)中設(shè)有自鎖裝置。
為了防止汽車在不需要取力器工作時(shí)誤掛上檔，取力器應(yīng)該設(shè)有一個(gè)空檔鎖的裝置。
根據(jù)取力器的安裝方式不同，取力器的操縱機(jī)構(gòu)可以是直接手動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，也可以是電控，氣控操縱機(jī)構(gòu)。
當(dāng)取力器的安裝位置距離駕駛員較遠(yuǎn)，情況較復(fù)雜的情況下，我們可以采用電控操縱機(jī)構(gòu)，將取力器的撥叉軸上安裝有電信號控制的模塊，模塊的另一端通過電線，與取力器儀表盤相連接，可以通過接觸儀表盤發(fā)出電信號來控制模塊，再由模塊控制與之相連的撥叉軸的動(dòng)作，來控制取力器的接通和斷開。這里，電控操縱機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源是汽車電瓶所發(fā)出的電源[7]。
對于取力器安裝位置距離駕駛員較遠(yuǎn)，但是空間位置關(guān)系不是十分復(fù)雜的情況下，也可以采用氣動(dòng)控制操縱機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)控制操縱機(jī)構(gòu)的原理是通過手桿控制一個(gè)密封的氣室，氣室內(nèi)有一個(gè)金屬薄片作為間隔和壓力裝置，當(dāng)手桿下壓，氣室上腔空氣壓力增大，推動(dòng)金屬薄片向下移動(dòng)，金屬撥片下移的過程中，對氣室下腔的空氣施壓，當(dāng)氣室下腔的空氣達(dá)到一定壓力值的時(shí)候，就會(huì)推動(dòng)與之相連的控制撥叉的撥叉軸進(jìn)行移動(dòng)，達(dá)到控制取力器接通和斷開工作的功能。
當(dāng)取力器布置在駕駛員座椅附近，可以將變速桿直接安裝在取力器上，并依靠駕駛員手力來改變變速桿進(jìn)而直接完成換擋功能的手動(dòng)換擋取力器，稱之為直接操縱取力器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡單，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。近年來，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是減少了變速叉軸，各擋同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡化，但它要求各擋換擋行程相等[15]。
本次設(shè)計(jì)中，采用的是利用手柄，依靠駕駛員的手力，改變手柄的位置，進(jìn)而改變與手柄相連的撥叉軸的位置，來控制取力器的連接與斷開。
取力器自鎖、互鎖、空擋鎖裝置：
自鎖裝置：掛擋后應(yīng)保證結(jié)合套于與結(jié)合齒圈的全部套合（或滑動(dòng)齒輪換擋時(shí)，全齒長都進(jìn)入嚙合）。在振動(dòng)等條件影響下，操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)保證取力器不自行掛擋或自行脫擋。為此在操縱機(jī)構(gòu)中設(shè)有自鎖裝置。自鎖裝置的結(jié)構(gòu)是換擋撥叉軸上方有三凹坑，上面有被彈簧壓緊的鋼珠。當(dāng)撥叉軸位置處于空擋或某一擋位置時(shí)，鋼珠壓在凹坑內(nèi)。起到了自鎖的作用。
互鎖鎖裝置 ：當(dāng)中間換擋撥叉軸移動(dòng)掛擋時(shí)，另外兩個(gè)撥叉軸被鋼球瑣住。防止同時(shí)掛上兩個(gè)擋而使取力器卡死或損壞，起到了互鎖作用。
空擋鎖裝置 ：當(dāng)換擋桿下端向空擋撥叉軸移動(dòng)時(shí)，必須壓縮彈簧才能進(jìn)入空擋撥叉軸上的撥塊槽中。防止了在汽車前進(jìn)時(shí)誤掛取力器，而導(dǎo)致不必要的損失，起到了空擋鎖的作用。
3.2.4取力器箱體
取力器箱體主要是采用鑄鐵進(jìn)行鑄造。其外壁空間尺寸的大小要通過與之相連接的取力器的取力窗口的位置，大小，以及在整車布置中所處的位置來確定。內(nèi)壁尺寸的大小要根據(jù)取力器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各組成關(guān)系，以及各個(gè)組成零件的相對位置關(guān)系來確定[11]。
3.3校核分析計(jì)算
3.3.1齒輪彎曲應(yīng)力計(jì)算
直齒：
[3-16]
斜齒：
[3-17]
式中：
—彎曲應(yīng)力（）
T—計(jì)算載荷（）
K—應(yīng)力集中系數(shù)，
直齒輪K=1.65
斜齒輪K=1.5
K—重合度影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪K=1.1 從動(dòng)齒輪K=0.9
K—重合度影響系數(shù)，K=2[5]
y—齒形系數(shù)
（1）一軸雙聯(lián)齒輪斜齒輪校核
圖3.2斜齒輪受力分析
如圖3.2
==105.02N/mm [3-17]
105.02N/mm N/mm
所以的彎曲強(qiáng)度合格
（2）一軸雙聯(lián)齒輪直齒輪校核
圖3.3直齒輪受力分析
如圖3.3
==371.67N/mm [3-16]
371.67N/mm N/mm
所以的彎曲強(qiáng)度合格
（3）二軸直齒輪校核
如圖3.3
==389.24N/mm [3-16]
389.24N/mm N/mm
所以的彎曲強(qiáng)度合格
3.3. 2齒輪接觸應(yīng)力計(jì)算
直齒：
[3-18]
斜齒：
[3-19]
式中：
F—齒面上的法向力
E—齒輪材料的彈性模量，取2.1×10Mpa
b—齒輪接觸實(shí)際寬度
d—節(jié)圓直徑
、—主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑
直齒輪： = =
斜齒輪：
（1）一軸雙聯(lián)齒輪斜齒輪校核
如圖3.2 b=28mm
m=4mm
β= 23.5°
mm
===46mm
=55.2mm
=57. 72mm
[3-19]
=131.105
所以的接觸強(qiáng)度合格
（2） 一軸雙聯(lián)齒輪直齒輪校核
如圖3.3 b=21mm
m=3mm
mm
===37.5mm
==23.38mm
==18.27mm
[3-18]
=58.37
所以的接觸強(qiáng)度合格
（3） 二軸直齒輪校核
如圖3.3 b=21mm
m=3mm
mm
===48mm
==18.27mm
==23.38mm
[3-18]
=58.37
所以的接觸強(qiáng)度合格
3.3.3軸的剛度校核
軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面為，轉(zhuǎn)角為，則
[3-20]
[3-21]
[3-22]
～為輪齒齒寬在中間平面上的圓周力。
～為齒輪齒寬在中間面上的徑向力。
E～為彈性模量，Mpa
I～為慣性力矩，對于實(shí)心軸：
d～為軸的直徑，花鍵處按平均直徑
a 、b～為齒輪上作用力矩與支座A、B的距離
L～為支座間的距離
軸的全撓度為 ； [3-23]
軸在垂直面和水平面撓度的允許值為
f=0.05—0.10mm，f=0.10—0.15mm.
全撓度0.2mm，齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過0.002rad。
(1)第一軸剛度校核
圖3.4 輸入軸受力彎曲變形
1)如圖3.4，對第一軸雙聯(lián)齒輪斜齒輪處進(jìn)行剛度校核
l=128mm a= 62mm b=66mm =
[3-24]
N [3-25]
N[3-26]
所以 mm [3-20]
合格
mm [3-21]
合格
==0.0320.2mm 合格 [3-23]
[3-22]
合格
2)如圖3.4，對第一軸雙聯(lián)齒輪直齒輪處進(jìn)行剛度校核
l=128mm a= 66mm b=62mm =
N [3-24]
N [3-25]
N [3-26]
所以 mm [3-20]
合格
mm [3-21]
合格
==0.0220.2mm 合格 [3-23]
[3-22]
合格
（2） 第二軸剛度校核
圖3.5 輸出軸受力彎曲變形
1)如圖3.5 對第二軸剛度校核
l=164mm a= 95mm b=69mm =
N [3-27]
N [3-25]
N [3-26]
所以 mm [3-20]
合格
mm [3-21]
合格
==0.0420.2mm 合格 [3-23]
[3-22]
合格
3.3.4軸的強(qiáng)度校核
在其作用下應(yīng)力為 [3-28]
式中： [3-29]
[3-30] ； [3-31] ； [3-32]
W～為抗彎截面系數(shù)
（1）第一軸強(qiáng)度校核
1） 見圖3.4，雙聯(lián)齒輪處斜齒輪強(qiáng)度校核
[3-30]
=166.9 合格
2）見圖3.4，雙聯(lián)齒輪處直齒輪強(qiáng)度校核
[3-30]
[3-31]
=166.1 合格
(2)第二軸強(qiáng)度校核
見圖3.5
[3-30]
[3-31]
=133.8 合格
3.4材料的選擇
3.4.1齒輪材料的選擇
根據(jù)齒輪的失效形式，對齒輪材料的主要要求是：在循環(huán)應(yīng)力和沖擊載荷的作用下，有足夠的彎曲強(qiáng)度：輪齒表層有足夠的硬度和耐磨性；進(jìn)過各種加工和熱處理達(dá)到所需求的精度要求[19]。
制造齒輪的材料主要是各種牌號的鋼，其次是鑄鐵，在特殊情況下使用有色金屬，粉末冶金以及某些非金屬材料等。
齒輪用鋼可以分為鍛鋼和鑄鋼兩大類。由于鍛鋼質(zhì)量比鑄鋼質(zhì)量好，所以，除非尺寸較大，結(jié)構(gòu)較形式復(fù)雜不易鍛造的情況下才使用鑄鋼 。
用熱處理的方法能夠提高材料的機(jī)械性能，尤其是對提高齒面的承載能力有顯著影響。
按齒面硬度的不同，分為軟齒面齒輪和應(yīng)齒面齒輪：
軟齒面齒輪（齒面硬度小于等于350HBS）[20]
這類齒輪的最終熱處理是調(diào)質(zhì)或正火，熱處理后進(jìn)行切齒。齒面硬度通常為160-286HBS。因?yàn)辇X面硬度較低，故承載能力較低。但因?yàn)檫@類齒輪制造簡單，成本低，所以廣泛應(yīng)用于對尺寸及重量都沒有嚴(yán)格要求的一般機(jī)械設(shè)備中。由于小齒輪的工作較大齒輪繁重，所以小齒輪的齒面硬度應(yīng)該比大齒輪的齒面硬度高一些，一般高20-50HBS單位硬度。
硬齒面齒輪（齒面硬度大于350HBS）
這類齒輪通常是在半精加工后進(jìn)行齒面硬化的熱處理。常用的熱處理方法有淬火，表面淬火，滲碳淬火以及氮化等。齒面硬度一般為40-62HRC。熱處理后齒面有變形，可以用研磨，磨削或刮削等精度加工方法加以消除。這類齒輪齒面硬度高，承載能力高，耐磨性好，適用于尺寸和重量有限制，以及重要機(jī)械設(shè)備中。
鑄鐵的耐沖擊和抗彎曲性能較差，主要用于制造低速和不重要的開式齒輪以及傳遞功率不打的齒輪。球墨鑄鐵的機(jī)械性能較高，有時(shí)可用來代替鑄鋼。
對于告訴，小功率，精度不高以及傳遞運(yùn)動(dòng)未注的齒輪傳動(dòng)，有事用非金屬材料（例如夾布膠木，尼龍，塑料等）制作齒輪[18]。
本次設(shè)計(jì)的齒輪均采用45號鋼鑄齒輪。
對于雙聯(lián)齒輪，采用45號鋼調(diào)制處理。經(jīng)查齒輪常用材料機(jī)械性能表，45號鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)到241-268HBS時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度極限為700MPa,屈服極限為410MPa。而本次設(shè)計(jì)中雙聯(lián)齒輪中斜齒輪的彎曲強(qiáng)度是105.02MPa,直齒輪的彎曲強(qiáng)度是371.67MPa。雙聯(lián)齒輪中的斜齒輪接觸應(yīng)力是131.105MPa，直齒輪接觸應(yīng)力是58.37MPa。所選用的材料完全能夠滿足設(shè)計(jì)的要求。
對于小直齒輪，采用45號剛表面淬火處理。經(jīng)查齒輪常用材料機(jī)械性能表，45號鋼經(jīng)過淬火后，硬度能夠達(dá)到40-50HRC。材料的抗拉強(qiáng)度極限為750MPa，屈服強(qiáng)度極限為500MPa。經(jīng)過計(jì)算，小齒輪彎曲強(qiáng)度為389.24MPa,接觸應(yīng)力為58.37MPa。所選用的材料完全能滿足設(shè)計(jì)的要求[18]。
3.4.2軸材料的選擇
軸在彎矩或轉(zhuǎn)矩作用下產(chǎn)生的應(yīng)力一般為變應(yīng)力，軸的截面尺寸發(fā)生突然變化的的情況下還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此軸的主要失效形式是疲勞斷裂。設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核。對于瞬間過載很大，應(yīng)力性質(zhì)接近于靜應(yīng)力的軸，可能產(chǎn)生塑性變形，還應(yīng)按照最大載荷進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核。對于剛度要求高的軸，應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，對高速轉(zhuǎn)動(dòng)的軸或載荷作用周期性變化的軸，為防止共振，還要盡心提供穩(wěn)定性計(jì)算[21]。
軸的材料選擇主要是根據(jù)軸的工作條件并考慮制造工藝等因素確定。軸的失效多數(shù)是疲勞引起的，故軸的材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度及剛度，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)還要考慮材料的來源，工藝性以及經(jīng)濟(jì)性等。對于與軸上零件有相對潤滑的軸，還要求有良好的耐磨性。
軸的常用材料為碳素鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制的圓鋼和鍛件。鍛件的內(nèi)部組織比較均勻，強(qiáng)度較好，故重要的軸以及大尺寸的軸或階梯尺寸變化大的軸，應(yīng)采用鍛件。
常用優(yōu)質(zhì)碳素鋼有35，45，50鋼，其中以45鋼用的最多。這類材料的強(qiáng)度，塑性，與韌性等機(jī)械性能較好，一般經(jīng)正火，調(diào)質(zhì)處理，且材料來源方便，加工性好，經(jīng)濟(jì)性好，可用于一般或要求較高的軸。對于不重要或受載較小的軸可采用Q235A,Q275等普通碳素鋼。
本次設(shè)計(jì)中，一軸和二軸均采用45鋼調(diào)質(zhì)處理。通過查軸的常用材料及其主要機(jī)械性能知，材料的硬度在58-60HCR的軸，抗拉強(qiáng)度極限為637MPa，屈服強(qiáng)度極限為353MPa。經(jīng)過計(jì)算，一軸強(qiáng)度為131.1MPa,二軸強(qiáng)度為137.1MPa。所選材料滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4.3箱體材料的選擇
灰鑄鐵通常是指具有片狀石墨的灰口鑄鐵，這中鑄鐵具有一定的機(jī)械性能、良好的鑄造性能以及其它多方面的優(yōu)良性能，因而在機(jī)械制造中業(yè)獲得最廣泛的應(yīng)用。
球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵一般是用稀土鎂合金對鐵液進(jìn)行處理，以改善石墨形態(tài)，從而得到比灰鑄鐵有更高機(jī)械性能的鑄鐵。
球墨鑄鐵依照其基體和性能特點(diǎn)而分為六種：即鐵素體（高韌性）球墨鑄鐵，珠光體（高強(qiáng)度）球墨鑄鐵，貝氏體（耐磨）球墨鑄鐵，奧氏體一貝氏體（耐磨）球墨鑄鐵，馬氏體一奧氏體（抗磨）球墨鑄鐵及奧氏體（耐熱、耐蝕）球墨鑄鐵。
蠕墨鑄鐵具有不同比例的珠光體—鐵素體基體組織。鑄鐵性能與其石墨的蠕化程度（蠕化率）及基體有關(guān)。在石墨蠕化良好條件下，珠光體蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度和硬度較高，耐磨性強(qiáng)。適于制造耐磨零件，如汽車的剎車鼓等。而鐵素體蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱性較好，在高溫作用下，不存在珠光體分解問題，組織較穩(wěn)定，適用于制造在高溫下工作、需要有良好的抗熱疲勞能力、導(dǎo)熱性的零件，如內(nèi)燃機(jī)汽缸蓋、進(jìn)排氣岐管等[20]。
本次設(shè)計(jì)的箱體工作環(huán)境較差，需要承受高壓，高熱等惡劣的工作條件，所以采用球墨鑄鐵。
3.5密封與潤滑
由于取力器直接與變速箱相連，所以潤滑油不用特意選擇，可以與取力器使用同樣的潤滑油是320抗氧防銹工業(yè)齒輪油。潤滑方式是壓力潤滑。兩個(gè)齒輪在嚙合時(shí)產(chǎn)生類似于齒輪泵的功效，可以講潤滑油壓入到取力器箱體內(nèi)。
高速軸的密封采用毛氈圈密封，其余部分使用密封圈密封[22]。
第4章工藝過程設(shè)計(jì)
4.1輸入軸的加工工藝過程
圖4.1 輸入軸
表4.1大量生產(chǎn)取力器輸入軸過程
工序號
工序內(nèi)容
設(shè)備
說明
10
毛胚鍛造
鍛床
20
熱處理
熱處理設(shè)備
消除內(nèi)應(yīng)力，提高切削性能
30
銑兩端面，鉆中心孔
平端打孔機(jī)
基準(zhǔn)先行
40
粗車外圓，倒角
車床
外形尺寸盡快達(dá)到要求尺寸
50
清洗
清洗機(jī)
為中間檢驗(yàn)做準(zhǔn)備
60
中間檢查
檢查外型尺寸是否到規(guī)格
70
半精車外圓
專用車床
提高精度
80
精車直徑為35mm的兩外圓
專用車床
提高精度
90
最終熱處理
熱處理機(jī)
提高力學(xué)性能
100
最終檢驗(yàn)
檢驗(yàn)精度，公差是否達(dá)到要求
110
入庫
4.2輸出軸加工工藝過程
圖4.2 輸出軸
表4.2大量生產(chǎn)取力器輸出軸過程
工序號
工序內(nèi)容
設(shè)備
說明
10
毛胚鍛造
鍛床
20
熱處理
熱處理設(shè)備
消除內(nèi)應(yīng)力，提高切削性能
30
銑兩端面，鉆中心孔
平端打孔機(jī)
基準(zhǔn)先行
40
粗車外圓，倒角
車床
外形尺寸盡快達(dá)到要求尺寸
50
清洗
清洗機(jī)
為中間檢驗(yàn)做準(zhǔn)備
60
中間檢查
檢查外型尺寸是否到規(guī)格
70
半精車外圓
專用車床
提高精度
80
銑外花鍵
銑床
提高精度
90
拉削內(nèi)花鍵
拉床
提高精度
100
精車外圓
專用車床
提高精度
110
最終熱處理
熱處理機(jī)
提高力學(xué)性能
120
最終檢驗(yàn)
檢驗(yàn)精度，公差是否達(dá)到要求
130
入庫
4.3雙聯(lián)齒輪加工工藝過程
圖4.3 雙聯(lián)齒輪
表4.3大量生產(chǎn)取力器雙聯(lián)齒輪過程
工序號
工序內(nèi)容
設(shè)備
說明
10
毛胚鍛造
鍛床
20
熱處理
熱處理設(shè)備
消除內(nèi)應(yīng)力，提高切削性能
30
粗車外圓以及端面
車床
作為粗基準(zhǔn)
40
粗車內(nèi)孔
車床
50
精車內(nèi)孔
車床
做為精基準(zhǔn)
60
精車外圓，端面及槽
專用車床
用芯軸定位
70
鉆φ5油孔
鉆床
80
清洗
清洗機(jī)
為中間檢驗(yàn)做準(zhǔn)備
90
中間檢驗(yàn)
檢查外型尺寸是否到規(guī)格
100
滾齒
滾齒機(jī)
生成齒形
110
插齒
插齒機(jī)
生成齒形
120
齒部調(diào)制處
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