550 變速箱開式試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)（有cad圖）
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變速箱開式試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)
摘 要
變速器是現(xiàn)代汽車的一個(gè)主要裝備,其性能直接影響到汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及駕駛性能等. 研究自動(dòng)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合工作特性,需要對自動(dòng)變速器的性能進(jìn)行臺架試。
本文從整體上論述了汽車變速箱性能檢測系統(tǒng)的測試原理和設(shè)計(jì)方案， 并從硬件和軟件兩方面詳細(xì)闡述了汽車變速箱性能檢測系統(tǒng)的組成。介紹了汽車變速器系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺的主要構(gòu)成與種類, 著重在機(jī)械硬件方面去分析研究開放式及封閉式汽車變速器系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺的主要結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理。
本論文研究的目的、意義：我國汽車工業(yè)正處于發(fā)展和提升時(shí)期，變速器在汽車上開始大量裝備，這對其設(shè)計(jì)制造、性能檢測與維修提出了迫切要求。目前國產(chǎn)變速器測試設(shè)備多為手動(dòng)、測試精度低、響應(yīng)速度慢；進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格較高，集中在少數(shù)企業(yè)和地區(qū)，這種狀況無法滿足汽車制造及維修行業(yè)的需求。為開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、適合我國國情的變速器檢測備，提出本研究課題。
關(guān)鍵詞：變速器, 試驗(yàn)臺, 結(jié)構(gòu), 分析
DESIGN OF THE OPENING TRANSMISSION TEST-BED
ABSTRACT
The transmission is a main device of modern cars. Its performance directly affects tractate performance, fuel economy and convenient operation of vehicles, etc. Its characteristics must be tested with the test - bed to study the characteristics of the cooperating performance of the engine and the transmission.
This paper discuss the test theory and design project of a test System for the performance of Transmission test-bed，and describe the makeup of the system from hardware and software. This paper introduces the main components and types of the comprehensive testing beds for vehicle transmission system with focus on mechanical hardware, the author analyses their main structures, features, and working principle of the open and closed comprehensive testing beds for vehicle transmission system.
Motive and meaning of the research: In our country automobile industry positive be placed in shape time，Transmission beginning equipped on a lot of motors， this situation Inevitably press for its design, test, repair. Present domestic Transmission Test-bed mostly turning by hand, test accuracy is low , respond speed is slow; the import equipment price is higher ,concentrate in the minority. This condition can not satisfy the demand of automobile production and maintenance enterprise. In order to develop the Transmission Test-bed which have independence intelligent property right, we propose this research lesson.
KEY WORD：transmission, testing bed, structure, analysis
符 號 說 明
發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率
轉(zhuǎn)速 r/min
傳動(dòng)效率
計(jì)算系數(shù)
、 分度圓直徑 mm
a 中心矩 mm
、 齒寬 mm
齒輪螺旋角 °
齒輪模數(shù) mm
試驗(yàn)齒輪齒根的彎曲疲勞極限
試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)
彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)
彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)
試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限
接觸強(qiáng)度的最小安全系數(shù)
接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)
工作硬化系數(shù)
齒面許用接觸應(yīng)力
許用彎曲應(yīng)力
目 錄
第一章 前言............................................1
§1.1 研究的目的......................................1
§1.2 研究的依據(jù)......................................2
§1.3 試驗(yàn)臺的種類....................................2
§1.3.1 開式試驗(yàn)臺..................................2
§1.3.2 閉式試驗(yàn)臺..................................2
第二章 試驗(yàn)臺總體方案的確定............................3
§2.1 試驗(yàn)臺的基本功能................................3
§2.2 試驗(yàn)臺的測試原理................................3
§2.3 試驗(yàn)臺的基本組成................................4
第三章 試驗(yàn)臺的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)............................8
§3.1 聯(lián)軸器的選擇....................................8
§3.1.1 變速器輸入軸后的聯(lián)軸器......................8
§3.1.2 升速器后的聯(lián)軸器............................9
§3.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)后的聯(lián)軸器............................9
§3.2 升速器的設(shè)計(jì) ..................................10
§3.2.1 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì).......................10
§3.2.2 低速軸的設(shè)計(jì).... ..........................11
§3.2.2 高速軸的設(shè)計(jì)...............................14
§3.2.4 鍵的強(qiáng)度校核...............................16
§3.2.5 升速器附件設(shè)計(jì).............................19
§3.3 升速齒輪箱的簡單設(shè)計(jì)...........................19
§3.4 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的選擇...........................22
§3.5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).................................22
第四章 試驗(yàn)臺性能匹配.................................23
§4.1 測功機(jī)用途及使用范圍...........................23
§4.2 測功機(jī)結(jié)構(gòu)及原理...............................24
§4.3 測功機(jī)工作特性.................................24
§4.4 試驗(yàn)臺的匹配原則...............................26第五章 結(jié)論............................................28
參考文獻(xiàn).........................................29
致謝...................................................30
第一章 前 言
21世紀(jì)是汽車工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代, 汽車工業(yè)逐步成為許多國家的支柱產(chǎn)業(yè), 為了控制汽車產(chǎn)品質(zhì)量, 提高汽車的品質(zhì), 勢必對其總成及零部件提出更高更嚴(yán)格的要求。傳動(dòng)系是汽車實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出到行駛的必需系統(tǒng), 變速器是汽車傳動(dòng)系中一個(gè)重要總成, 為了對變速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零部件的性能、壽命進(jìn)行測試和分析, 為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與質(zhì)量評價(jià)提供可靠的科學(xué)依據(jù), 縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量。因此, 對汽車變速器系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺的研究具有特別重要的意義。
§1.1研究的目的及意義
近幾年來, 國外一些大公司相繼成功研制出了先進(jìn)的液壓機(jī)械無級變速箱, 并將其應(yīng)用于推土機(jī)、裝載機(jī)等工程車輛上, 在車輛傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破。東方紅1302R是一款裝有液壓機(jī)械無級變速器的拖拉機(jī)，拖拉機(jī)在農(nóng)田作業(yè),農(nóng)田基本建設(shè),農(nóng)業(yè)運(yùn)輸以及在抽水、脫粒、農(nóng)產(chǎn)品加工等固定作業(yè)中用途十分廣泛。因此,拖拉機(jī)技術(shù)的發(fā)展對全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化起著至關(guān)重要的作用。變速器是實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)性能的關(guān)鍵部分,該試驗(yàn)臺研究的目的就是改善拖拉機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性,提高其作業(yè)效率。
在大、中型拖拉機(jī)上,液壓機(jī)械無級變速器將會有更廣泛的應(yīng)用,相信該試驗(yàn)臺的研制為其可提高車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)效率和操作自動(dòng)化,簡化駕駛員操作,也為綜合控制拖拉機(jī)傳動(dòng)系提供可能。
§1.2 研究的內(nèi)容和依據(jù)
依據(jù)新型變速箱性能試驗(yàn)和燃油經(jīng)濟(jì)性的測試來設(shè)計(jì)。研究的內(nèi)容：對試驗(yàn)臺的試驗(yàn)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)；選擇電渦流測功機(jī)為功率吸收裝置；設(shè)計(jì)或選擇升速裝置。
§1.3 汽車變速器性能試驗(yàn)臺的種類
汽車在行駛過程中，隨著路面、載荷、車速等因素的變化，變速器所傳遞的扭矩與轉(zhuǎn)速也是變化的。因此，試驗(yàn)臺應(yīng)具備轉(zhuǎn)速、載荷可變化的條件，且其轉(zhuǎn)速、載荷的變化也是可單獨(dú)調(diào)節(jié)的。
汽車變速器性能試驗(yàn)臺主要分為開放式試驗(yàn)臺和封閉式試驗(yàn)臺。
§1.3.1開放式試驗(yàn)臺
開放式試驗(yàn)臺是最先出現(xiàn)的一種試驗(yàn)臺，它的主要結(jié)構(gòu)流程為：
功率輸入—?jiǎng)恿^(qū)—試驗(yàn)區(qū)—模擬負(fù)載區(qū)—功率損耗
各部分的組成及功用為：
1、動(dòng)力區(qū)由內(nèi)燃機(jī)、調(diào)速器及附屬裝置組成，它負(fù)責(zé)向系統(tǒng)提供動(dòng)力(功率)，其中包括轉(zhuǎn)速和扭矩。
2、試驗(yàn)區(qū)由被測裝置、變速器、扭矩轉(zhuǎn)速測量裝置及其它一些測量裝置組成。
3、模擬負(fù)載區(qū)主要由測功機(jī)及附屬裝置組成。
開放式試驗(yàn)臺整套系統(tǒng)的工作原理及工作過程簡單，制造成本較低，它的弱點(diǎn)是能量無法反饋使用。
§1.3.2 封閉式試驗(yàn)臺
封閉式試驗(yàn)臺分為電力封閉式試驗(yàn)臺和機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺。
交流電力封閉式試驗(yàn)臺是在上述開放式試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的試驗(yàn)設(shè)備,主要結(jié)構(gòu)流程為：
功率補(bǔ)償區(qū)—?jiǎng)恿^(qū)—試驗(yàn)區(qū)—模擬負(fù)載區(qū)
電網(wǎng)
從流程中可以看出,交流電力封閉式試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)思想就是在原有開放式試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上加一套動(dòng)力回收裝置,將系統(tǒng)消耗的能量通過電網(wǎng)加以回收,從而降低試驗(yàn)?zāi)芎摹５捎趧?dòng)力回收技術(shù)是一項(xiàng)專業(yè)性非常強(qiáng)的技術(shù),整套裝置的成本非常高,又由于回收過程的回收效率的影響以及其動(dòng)力區(qū)仍然需要較大的動(dòng)力,所以很難達(dá)到比較理想的狀況。
直流電力封閉式試驗(yàn)臺是在上述交流電力封閉式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的試驗(yàn)設(shè)備,主要結(jié)構(gòu)流程為：
功率補(bǔ)償區(qū)—?jiǎng)恿^(qū)—試驗(yàn)區(qū)—模擬負(fù)載區(qū)
直流電源
從流程中可以看出,直流電力封閉式試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)思想就是在原交流電力封閉式的基礎(chǔ)上采用直流驅(qū)動(dòng)電機(jī),將發(fā)電機(jī)負(fù)載發(fā)出的電能反饋回直流電機(jī)加以回收,形成封閉的功率流,從而降低試驗(yàn)?zāi)芎?。該試?yàn)臺架結(jié)構(gòu)比較簡單,能量反饋利用,節(jié)能效果也比較好,它是一較好的選擇方案。
第二章 試 驗(yàn) 臺 總 體 方 案 的 確 定
§2.1試驗(yàn)臺的基本功能
1.能測試變速器的傳動(dòng)效率；
2.能測試液壓機(jī)械無級變速器液壓路的輸出功率—液壓功率分流比；
3.能測試柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。
§2.2 試驗(yàn)臺的測試原理
1、 通過測量變速器的輸入輸出功率，然后得到變速器的傳動(dòng)效率。實(shí)現(xiàn)這一測量的過程是：在變速器輸入端安裝扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測得輸入轉(zhuǎn)矩。在變速器輸出端連接加載器實(shí)現(xiàn)變速器制動(dòng)。在加載器和變速器之間安裝扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，測量輸出扭矩。將測得的和值代入下式中計(jì)算，得
（2-1）
式中 —變速器傳動(dòng)效率；
—作用在變速器第一軸上的輸入轉(zhuǎn)矩；
—作用在變速器第二軸上的輸入轉(zhuǎn)矩；
—變速器所測檔位的傳動(dòng)比。
2、 液壓功率分流比定義為液壓機(jī)械無級變速器中液壓路的輸出功率，即經(jīng)液壓路傳遞到行星排的輸入功率與變速器總輸出功率的比值（不計(jì)功率損失）。通過測得液壓路的扭矩轉(zhuǎn)速，然后用下式即可
（2-2）
式中 —液壓功率分流比 —太陽輪輸入轉(zhuǎn)矩
—太陽輪輸入功率 —多擋有級變速箱輸入轉(zhuǎn)矩
—變速器輸出功率 、—太陽輪、變速箱的輸入轉(zhuǎn)速
3、 通過在輸油路上安裝油耗儀，測量燃油消耗量來測試柴油機(jī)的燃油消耗率。將測得值代入下式
（2-3）
式中 — 燃油消耗率；
—燃油消耗量；
—發(fā)動(dòng)機(jī)功率。
§2.3 試驗(yàn)臺的基本組成
一、動(dòng)力源
試驗(yàn)臺為驅(qū)動(dòng)無級變速器運(yùn)轉(zhuǎn)， 需要有合適的驅(qū)動(dòng)力。 此驅(qū)動(dòng)力可由兩種主要的動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)提供。采用兩種不同動(dòng)力源各有其優(yōu)缺點(diǎn)。取功率大于或等于車輛上實(shí)際采用的發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩、最大功率和最大轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源， 更接近汽車以發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力的實(shí)際，和無級變速器連接以后，可以借用汽車本身的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對無級變速器的工作過程進(jìn)行模擬，對變速器傳遞扭矩的能力，液壓系統(tǒng)對實(shí)際工況的反應(yīng)、工作狀態(tài)更貼近使用中的情況。 所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，更有說服力。
故動(dòng)力源選取發(fā)動(dòng)機(jī)
柴油機(jī) 型 號：LR6105ZT10
功 率：106 KW 額定轉(zhuǎn)速：2300 r/min
二、被測試件
被測試件為液壓機(jī)械無級變速箱。
它是一種雙功率流傳動(dòng)系統(tǒng)，由分流機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)和匯流機(jī)構(gòu)四部分組成。
分流機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)功率分為二路向下傳遞, 一路為液壓功率流, 一路為機(jī)械功率流, 然后, 液壓功率流的輸出元件- 液壓馬達(dá)的輸出軸用機(jī)械方法與機(jī)械傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)的輸出軸聯(lián)結(jié)合成后輸出。
液壓機(jī)械無級變速器的工作原理是恒功率狀態(tài)下機(jī)械功率流提供一定的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速, 液壓功率流轉(zhuǎn)速的變化使輸出速度圍繞機(jī)械傳動(dòng)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)無級變速； 液壓傳動(dòng)在不同的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)速上進(jìn)行相同液壓無級變速, 形成拖拉機(jī)在整個(gè)速度范圍內(nèi)的全程無級變速。
圖2-1 液壓機(jī)械無級變速原理示意圖
三、加載設(shè)備
試驗(yàn)臺的負(fù)載設(shè)備應(yīng)當(dāng)滿足試驗(yàn)時(shí)所需的加載和轉(zhuǎn)速范圍,并能平穩(wěn)地,精細(xì)地調(diào)節(jié)負(fù)荷,模擬汽車的行駛阻力. 同時(shí)也希望能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱,并能用微機(jī)來控制. 目前可用的加載設(shè)備有電力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)、水力測功機(jī)等。
試驗(yàn)臺的加載裝置采用DW300型電渦流測功機(jī),給電渦流測功機(jī)的定子繞組上通直流電時(shí)便產(chǎn)生了磁場. 隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),由于磁通量的改變,在定子中產(chǎn)生電渦流,此電渦流的作用力將阻止轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),因而產(chǎn)生制動(dòng)力矩. 當(dāng)按某一規(guī)律調(diào)節(jié)定子電流的大小時(shí),即可平穩(wěn)地調(diào)節(jié)負(fù)載力矩。
試驗(yàn)臺運(yùn)用微機(jī)來控試驗(yàn)臺的加載和電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速器,實(shí)現(xiàn)對被測變速器的實(shí)時(shí)控制,以便模擬變速器不同的工況,從而可以對自動(dòng)變速器進(jìn)行檢測。
1、升速箱
升速箱為自制的單級圓柱齒輪升速器，升速比： =0.55。
2、 測功機(jī)：
型式： 電渦流測功機(jī)
型號： DW300
吸收功率： 300kW
額定扭矩： 1600Nm
額定扭矩下的轉(zhuǎn)速： 2000~2800r/min
最高使用轉(zhuǎn)速： 5000r/min
四、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器
扭矩轉(zhuǎn)速傳感器用于測量發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，以及變速箱的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。
五、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
采用車輛研究所的數(shù)據(jù)處理采集系統(tǒng)信號采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要對在換擋過程中變速器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測；對變速器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的反饋信號進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換和處理；變速器不管采用何種方式的控制方法和控制策略，工件都是由液壓油驅(qū)動(dòng)的，液壓油壓力大小、油溫的高低、流量大小實(shí)時(shí)反映了變速器的工作狀態(tài)。 故采集變速器的信號主要是各種油路的壓力、冷卻油液流量、油溫的高低。
變速器輸入輸出轉(zhuǎn)速等根據(jù)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求，和不同信號的變化率及采樣的離散值所需要達(dá)到的分辨率，確定不同信號的采樣時(shí)間間隔，傳感器將此多種信號轉(zhuǎn)化為電信號。用計(jì)算機(jī)對采集到的信號進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示于計(jì)算機(jī)屏幕上。同時(shí)把采集到的信號與正常信號進(jìn)行比較，判斷變速器工作是否正常，判斷并指出變速器工作不正常的可能原因，為變速器進(jìn)一步整改和維修提供依據(jù)。
六、總體組成框圖
試驗(yàn)臺各個(gè)主要元件如下圖2-2所示：
圖2-2 試驗(yàn)臺總體框圖
第三章 試驗(yàn)臺的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
§3.1聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器的基本功用是連接兩軸（也連接軸和其它回轉(zhuǎn)零件），并傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。聯(lián)軸器可分為剛性和撓性聯(lián)軸器。彈性柱銷聯(lián)軸器是有彈性的撓性聯(lián)軸器，它是用彈性柱銷將兩個(gè)半聯(lián)軸器連接起來。工作時(shí)轉(zhuǎn)矩是通過半聯(lián)軸器、柱銷而傳遞到從動(dòng)軸上去的。為了防止柱銷脫落，在半聯(lián)軸器的外側(cè)用螺釘固定擋板。
§3.1.1 變速器輸入軸后的聯(lián)軸器
一、類型選擇
為了隔離振動(dòng)與沖擊，選用彈性柱銷聯(lián)軸器。
二、載荷計(jì)算
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)中公式 （3-1）
代入上式得
公稱轉(zhuǎn)矩
由表查得K=2.1,故計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
三、型號選擇
從標(biāo)準(zhǔn)中查得LX5型彈性柱銷聯(lián)軸器：
, r/min
§3.1.2 升速器后的聯(lián)軸器
一、類型選擇
為了隔離振動(dòng)與沖擊，選用彈性柱銷聯(lián)軸器。
二、載荷計(jì)算
依據(jù)公式（3-1）得
公稱轉(zhuǎn)矩 由表查得K=2.1,故計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
三、型號選擇
從標(biāo)準(zhǔn)中查得LX4型彈性柱銷聯(lián)軸器：
, /min
§3.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)后的聯(lián)軸器
一、類型選擇
為了隔離振動(dòng)與沖擊，選用彈性柱銷聯(lián)軸器。
二、載荷計(jì)算
依據(jù)公式（3-1）得
公稱轉(zhuǎn)矩 由表查得K=2.1,故計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
三、型號選擇
從標(biāo)準(zhǔn)中查得LX4型彈性柱銷聯(lián)軸器：
, r/min
§3.2升速器的設(shè)計(jì)
為了滿足測功機(jī)的工作特性，在變速箱輸出軸后串聯(lián)一升速器來提高其輸出的轉(zhuǎn)速，符合測功機(jī)的測試要求。
§3.2.1 斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
一、選擇材料及熱處理
大小齒輪均用45鋼，小齒輪調(diào)質(zhì) =217～255 大齒輪正火=160～217
二、確定許用應(yīng)力
由圖查得，，， 則，
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)課本中公式 （3-2）
（3-3）
代入公式可得
取。
三、按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1、計(jì)算小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩
根據(jù)公式（3-1）得
2、 取齒寬系數(shù)
3、 取載荷系數(shù)
K=1.3
（1） 初算小齒輪分度圓直徑
由公式 （3-4）
得
（2） 確定齒數(shù)和模數(shù)
取
由公式 （3-5）
得
，取=3.5
由公式 a= （3-6）
得
中心距 a
取 a=180
由公式 （3-7）
得
=
（2） 計(jì)算主要幾何尺寸
由公式（3-5）得
取
（4）按彎曲疲勞強(qiáng)度校核小齒輪
（3-8）
由 查圖得
故
強(qiáng)度滿足。
§3.2.2 低速軸的設(shè)計(jì)
一、選擇軸的材料
選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼。
二、初步估算軸的直徑
由公式 （3-9）
得
取軸與聯(lián)軸器連接的軸徑為63mm。
三、軸的強(qiáng)度驗(yàn)算
1、齒輪上作用力的大小
轉(zhuǎn)矩 2625.57
由公式 （3-10）
（3-11）
（3-12）
得
圓周力
徑向力
軸向力
2、 求軸承的支反力
水平面上的支反力 N
垂直面上的支反力
3、 畫彎矩圖
截面C處的彎矩為
水平面上的彎矩
垂直面上的彎矩
合成彎矩
4、 畫轉(zhuǎn)矩圖
5、 畫計(jì)算彎矩圖
因單向回轉(zhuǎn)，視轉(zhuǎn)矩為脈動(dòng)循環(huán)，，則截面C處的當(dāng)量彎矩為
6、 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
所以其強(qiáng)度足夠。
（b）垂直面受力和彎距圖
(a)水平面受力和彎距圖
(c) 合成彎距圖
701.4
1016.15
1874.64
1538.32
(e) 計(jì)算彎距圖
(d) 轉(zhuǎn)矩圖
T=862.01
1874.64
2321.36
圖3-1 彎距圖
§3.2.3高速軸的設(shè)計(jì)
軸的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算兩部分。
在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素有:
1、軸的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)滿足使用要求，零件在軸上的定位要可靠，保證軸和軸上的零件有準(zhǔn)確的相對工作位置；
2、軸的結(jié)構(gòu)有利于提高軸的強(qiáng)度和剛度，力求受力情況合理，避免或減輕應(yīng)力集中；
3、軸的加工和裝配工藝性好。
一、選擇軸的材料
選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼。
二、估算軸的直徑
由公式（3-9）得
三、軸的強(qiáng)度驗(yàn)算
1、齒輪上作用力的大小
轉(zhuǎn)矩 T=862.01
由公式 （3-10）（3-11）（3-12）得
圓周力
徑向力
軸向力
2、求軸的支反力
水平面上支反力 N
垂直面上支反力
3、畫彎矩圖
截面C處的彎矩為
水平面上的彎矩
垂直面上的彎矩
合成彎矩
4、 畫轉(zhuǎn)矩圖
5、 畫計(jì)算彎矩圖
因單向回轉(zhuǎn)，視轉(zhuǎn)矩為脈動(dòng)循環(huán)，，則截面C處的 當(dāng)量彎矩為
6、 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
所以其強(qiáng)度足夠。
(c) 合成彎距圖
(b垂直面受力和彎距圖
(a)水平面受力和彎距圖
384.5
111.79
575.23
442.2
(e) 計(jì)算彎距圖
(d) 轉(zhuǎn)矩圖
T=862.01
773.56
680.5
§3.2.4 鍵的強(qiáng)度校核
壓潰和磨損是鍵連接的兩種主要失效形式，通常只進(jìn)行鍵連接的擠壓強(qiáng)度計(jì)算。
即
（3-13）
式中：
— ；
—轉(zhuǎn)距；
—軸的直徑；
—鍵的接觸長度；
—鍵與輪轂的接觸高度。
大齒輪：
低速軸：
齒輪軸：
所以強(qiáng)度足夠。
§3.2.5升速器附件設(shè)計(jì)
1、 窺視孔和視孔蓋
窺視孔應(yīng)設(shè)在箱蓋頂部能夠看到齒輪嚙合區(qū)的位置，其大小以手能伸入箱體進(jìn)行檢查操作為宜。
窺視孔處應(yīng)設(shè)計(jì)凸臺以便加工。視孔蓋可用螺釘緊固在凸臺上，并應(yīng)考慮密封。
2、通氣器
通氣器設(shè)置在箱蓋頂部或視孔蓋上。較完善的通氣器內(nèi)部制成一定曲路，并設(shè)置金屬網(wǎng)。
選擇通氣器的類型時(shí)應(yīng)考慮其對環(huán)境的適應(yīng)性，其規(guī)格尺寸應(yīng)與減速器大小相適應(yīng)。
3、油面指示器
油面指示器應(yīng)設(shè)置在便于觀察且油面較穩(wěn)定的部位，如低速軸附近。
油標(biāo)尺的結(jié)構(gòu)簡單，在減速器中常采用。油標(biāo)尺上有表示最高及最低油面的刻度線。
油標(biāo)尺安裝位置不能太低，以避免油溢出油標(biāo)尺座孔。
4、放油孔和螺塞
放油孔應(yīng)設(shè)置在油池的最低處，平時(shí)用螺塞堵住。放油孔不能高于油池底面，以避免油排不凈。
5、起吊裝置
箱蓋可安裝箱蓋吊耳，可根據(jù)起重量選擇。
6、定位銷
常采用圓錐銷做定位銷。兩定位銷間的距離越遠(yuǎn)越可靠，因此，通常將其設(shè)置在箱體連接凸緣的對角處，并應(yīng)作非對成布置。
7、起蓋螺釘
起蓋螺釘設(shè)置在箱蓋聯(lián)接凸緣上，其螺紋有效長度應(yīng)大于箱蓋凸緣厚度。
§3.3升速齒輪箱的簡單設(shè)計(jì)
一、選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力
大小齒輪均選用鋼滲碳淬火，硬度。彎曲疲勞極限應(yīng)力，接觸疲勞極限應(yīng)力。
二、按輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由公式 （3-14）
1.確定許用彎曲應(yīng)力
2、計(jì)算小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩
3、選取載荷系數(shù)K
因是斜齒輪傳動(dòng)，且加工精度為7級精度。故K可取小些。取K=1.3。
4、初步選定齒輪參數(shù)
，。
5、確定復(fù)合齒形系數(shù)
，由圖查得。
故
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)，中心距
則
6、計(jì)算幾何尺寸
,取
， 取
三、校核齒面的接觸強(qiáng)度
（3-15）
取
則
齒面許用接觸應(yīng)力
因?yàn)楣式佑|疲勞強(qiáng)度足夠。
§3.4扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的選擇
在被試的變速器輸出軸和輸入軸處，裝有扭矩轉(zhuǎn)速測量裝置，以測量輸入扭矩、轉(zhuǎn)速和輸出扭矩、轉(zhuǎn)速。本試驗(yàn)臺選用ORT系列扭矩傳感器，它是將被測變速器的輸入軸或輸出軸的轉(zhuǎn)速和扭矩，通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査腿朕D(zhuǎn)速儀，由儀器直接顯示出數(shù)字來。
發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸后，選用1000型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；液壓泵前也選用1000型的傳感器；變速箱輸出軸后選用5000型傳感器。
§3.5傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要求傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，并允許變速器輸出軸與測功機(jī)輸入軸有一定的相對安裝誤差。本試驗(yàn)臺采用聯(lián)軸套，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)、傳感器、被測變速箱、升速齒輪箱和液壓變量泵之間連接。
第四章 試驗(yàn)臺性能匹配
本試驗(yàn)臺所涉及的性能匹配是指變速箱和負(fù)載設(shè)備的匹配。
§4.1 測功機(jī)用途及使用范圍
電渦流測功器是目前國內(nèi)先進(jìn)的加載測功設(shè)備，尤其在中小功率以及微小功率的動(dòng)力機(jī)械加載測功試驗(yàn)中，各動(dòng)力機(jī)械的低速及高速加載測功試驗(yàn)方面，相對其它類型測功加載設(shè)備而言，在性能、價(jià)格、可靠性、維護(hù)難易程度等方面都有比較明顯的優(yōu)勢。尤其在低速機(jī)械及微小功率機(jī)械的加載測功方面，則更是其它方法無可比擬的。
DW系列電渦流測功器，是針對中小型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出特性特別設(shè)計(jì)的。
具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、許容轉(zhuǎn)速高、使用壽命長、維護(hù)方便以及控制操作簡便、測功區(qū)域?qū)拸V、擺動(dòng)阻力小、重復(fù)性好的特點(diǎn)，非常適合各種中小型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件、變速變矩器等的動(dòng)力性能及不同工況的測試。
其主要特點(diǎn)
1、結(jié)構(gòu)簡單，操作維護(hù)方便；
2、制動(dòng)力矩大，測試精度高，工作穩(wěn)定；
3、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；
4、與測控系統(tǒng)配套，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。
本試驗(yàn)臺選取DW300型電渦流測功機(jī)，其工作參數(shù)如下
吸收功率： 300kW
額定扭矩： 1600Nm
額定扭矩下的轉(zhuǎn)速： 2000~2800r/min
最高使用轉(zhuǎn)速： 5000r/min
§4.2 測功機(jī)結(jié)構(gòu)及原理
電渦流測功機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)部分（感應(yīng)盤）、擺動(dòng)部分（電樞和勵(lì)磁部分）、測力部分和校正部分組成。
感應(yīng)盤形狀猶如直齒輪，產(chǎn)生渦流地方在冷卻壁上。勵(lì)磁繞組通上直流電后，則圍繞勵(lì)磁繞組產(chǎn)生一個(gè)閉合磁通。當(dāng)感應(yīng)盤被原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙磁密隨感應(yīng)盤的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生周期性變化，在冷卻室表面及一定深度范圍內(nèi)將產(chǎn)生渦流電勢，并產(chǎn)生渦流，該渦流所形成的磁場又與氣隙磁場相互作用，就產(chǎn)生了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩通過外環(huán)及傳力臂傳至測力裝置上，由力傳感器將力的大小轉(zhuǎn)換成電信號輸出，從而達(dá)到測轉(zhuǎn)矩的目的。在轉(zhuǎn)速測量上，采用非接觸式的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。
§4.3 測功機(jī)工作特性
負(fù)載設(shè)備一渦流測功機(jī)的工作特性曲線指的是渦流測功機(jī)的吸收功率和扭矩隨勵(lì)磁電流及轉(zhuǎn)速變化的特性。先分析吸收功率隨轉(zhuǎn)速和電流變化的曲線。
由圖4-1可以看出，當(dāng)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)速增加時(shí)，測功機(jī)的吸收功率也隨著增加但是當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到一定值時(shí)，由于磁路達(dá)到飽和，勵(lì)磁電流不能繼續(xù)增加而保持恒定。此時(shí)，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，測功機(jī)的吸收功率隨轉(zhuǎn)速變化的增加變化很小，幾乎表現(xiàn)為恒定。這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍和所對應(yīng)的功率即為渦流測功機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定功率。在沒有勵(lì)磁電流的情況下，渦流測功機(jī)的特性曲線相當(dāng)于測功機(jī)的機(jī)械損耗特性曲線，在這一曲線的下方是不能進(jìn)行有效測試的。
圖4-2是電渦流測功機(jī)的扭矩特性曲線。隨著轉(zhuǎn)速的增加，測功機(jī)所能承受的扭矩也在增加，開始時(shí)增長速率較快，后來漸趨平緩，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的最低值時(shí)扭矩達(dá)到最大值，扭矩達(dá)到最大值；在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，由于吸收功率的恒定，所以扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小。在沒有勵(lì)磁電流的情況下，測功機(jī)的扭矩特性曲線下方也是機(jī)械損耗曲線，與功率特性曲線的下方相對應(yīng)。
1一勵(lì)磁電流恒定時(shí)功率曲線
2－勵(lì)磁電流增大時(shí)功率曲線
3一勵(lì)磁電流為零時(shí)功率曲線
圖4-1功率轉(zhuǎn)速變化曲線圖
圖4-2扭矩特性曲線圖
§4.4 試驗(yàn)臺的匹配原則
變速箱輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速必須在測功機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速曲線范圍之內(nèi)。
變速箱的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速如下表
表4-1各擋的扭矩和轉(zhuǎn)速
扭矩/T
一擋
二擋
三擋
四擋
五擋
六擋
倒擋一
倒擋二
1540.5
1051.5
902.3
1254.8
651.4
385.6
1567.3
1065.1
轉(zhuǎn)速/
r/min
657.1
962.8
1121.9
806.8
1554.1
2625.6
645.9
950.4
變速器經(jīng)升速器升速減扭后的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速如下表
表4-2各擋經(jīng)升速后的扭矩和轉(zhuǎn)速
扭矩/T
一擋
二擋
三擋
四擋
五擋
六擋
倒擋一
倒擋二
847.3
578.3
496.3
443.7
358.2
212.1
862.1
585.8
轉(zhuǎn)速/
r/min
1194.8
1750.5
2039.9
2281.4
2825.6
4773.8
1174.4
1728．0
由上面的分析可以看出，測功機(jī)和變速器都是以扭矩和轉(zhuǎn)速作最主要的指標(biāo)來標(biāo)定的。但是在選擇測功機(jī)時(shí)，不能單純的認(rèn)為測功機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速比變速器的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速大就可以進(jìn)行有效的測試，并以此為依據(jù)來選擇。從測功機(jī)和變速器的工作特性曲線可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)所能發(fā)出的功率和測功機(jī)所能吸收的功率都是相對于某一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速范圍而言。但是功率的比較應(yīng)該以相同的轉(zhuǎn)速為必要條件。發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一般為2000r/min左右，而測功機(jī)的轉(zhuǎn)速可以為幾千轉(zhuǎn)每分鐘甚至幾萬轉(zhuǎn)每分鐘，所以它們的額定功率不能簡單的進(jìn)行大小的比較。同樣它們的扭矩也不能進(jìn)行類似的大小的比較。
測功機(jī)的選型必須要使它的功率特性曲線和扭矩特性曲線包容變速器輸出的特性曲線，也就是必須要使負(fù)載設(shè)備和變速器相匹配。但是變速器在低轉(zhuǎn)速范圍有較大扭矩，而電渦流測功機(jī)不落在電渦流測功機(jī)的特性曲線范圍之內(nèi)，那么就不能配套使用。
如果變速器輸出的最大功率沒有超出電渦流測功機(jī)的可吸收功率，那么就可以采用下述方法調(diào)整驅(qū)變速器輸出的工作曲線，使之落在負(fù)載設(shè)備的工作曲線范圍之內(nèi)，使得渦流測功機(jī)的扭矩特性可以和變速器的扭矩相匹配：
1．適當(dāng)提高變速器輸出的轉(zhuǎn)速。這可以通過在變速器和被試件間加升速器來實(shí)現(xiàn)；
2．選取低速時(shí)扭矩特性好的渦流測功機(jī)。這樣在低轉(zhuǎn)速時(shí)，渦流測功機(jī)可以迅速提供被試件所要求的負(fù)載。
小結(jié)：本章分析了試驗(yàn)臺的工作原理，并分析得出了變速器和吸功設(shè)備的匹配原則：
1．必須要使吸功設(shè)備的功率特性曲線和扭矩特性曲線包容變速器輸出的對應(yīng)特性曲線；
2．如果變速器輸出的工作特性曲線就不能落在吸功設(shè)備的特性曲線范圍之內(nèi)，那么就要設(shè)法調(diào)整驅(qū)動(dòng)設(shè)備的特性曲線，以保證變速器輸出的特性曲線落在吸功設(shè)備的特性曲線之內(nèi)。
第五章 結(jié) 論
本論文在對變速器本身進(jìn)行了詳盡的分析后，剖析了試驗(yàn)臺的三個(gè)工作原理，進(jìn)行了總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和匹配，著重在機(jī)械硬件方面去分析研究開放式變速器系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺的主要結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理。
變速器開式試驗(yàn)臺主要分三個(gè)部分:動(dòng)力源、試驗(yàn)區(qū)和負(fù)載區(qū)。動(dòng)力源取東方紅LR6105ZT10型柴油機(jī)，試驗(yàn)區(qū)為液壓無級變速箱，負(fù)載區(qū)由測功機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。
為達(dá)到試驗(yàn)臺的測試和試驗(yàn)要求，要選取扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、油耗儀、聯(lián)軸器、聯(lián)軸套和測功機(jī)等等。試驗(yàn)臺總體方案確定后，開始對每一個(gè)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)或者選擇布置。每一個(gè)部分的設(shè)計(jì)都需要精心的考慮安排，每一個(gè)部件的設(shè)計(jì)都需要大量的資料收集和調(diào)研。比如，升速器的設(shè)計(jì)，要考慮到測功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配，因此對測功機(jī)的選型有嚴(yán)格的要求；同時(shí)還要考慮到軸的定位和軸承蓋的密封。通過對升速器的設(shè)計(jì)，得到了變速器和測功機(jī)的匹配原則，對試驗(yàn)臺有了更深一層的認(rèn)識
為了試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)順利進(jìn)行，本人多次到車輛與交通運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)室調(diào)研，不斷地觀察及記錄數(shù)據(jù)；同時(shí)在圖書館搜集了大量的資料，這些工作為以后設(shè)計(jì)的順利開展打下了良好的基礎(chǔ)。
由于經(jīng)驗(yàn)不足，使得試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)不是很完善，這些都有待于今后的改進(jìn)。
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致 謝
本論文是在導(dǎo)師張文春教授的精心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的。導(dǎo)師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度和誨人不倦的學(xué)者風(fēng)范以及他實(shí)事求是的工作作風(fēng)深深地影響和鼓勵(lì)著我，使我在今后的學(xué)習(xí)和工作中無論遇到什么困難，都能勤奮努力、奮發(fā)向上。通過本論文的寫作，鞏固了我的專業(yè)知識，提高了我的觀察能力，為畢業(yè)后更好的從事教學(xué)、科研工作打下了良好的基礎(chǔ)。
在論文的寫作過程中，得到了張文春教授的悉心指導(dǎo)，以及李忠利，牛毅等老師和李亞東、司法金、310全體室友的熱情幫助。他們?yōu)樵囼?yàn)臺的設(shè)計(jì)付出了大量工作，我借此機(jī)會謝謝他們，祝他們?nèi)f事如意、事業(yè)有成!在此，我特別謝張老師，祝張老師身體健康，事事順心!同時(shí)，也衷心感謝我的父母。在我求學(xué)期間，他們給了我無盡的支持和無私的愛，使得我可以安心完成學(xué)業(yè)。
在論文的調(diào)研階段，得到了車輛與動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室申主任和牛老師的傾心幫助和大力支持，在此向他們表示感謝。祝兩位老師百事可樂，心想事成！
最后，衷心感謝兩年來培育我的所有老師們，合家歡樂，萬事如意！
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