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第1章 绪论1.1 课题研究的来源和目的自1886年诞生第一辆汽车以来，汽车工业经历了100年的发展过程。在我国，从1953年第一汽车制造厂动土兴工到现在，汽车工业的发展有了50年的历史了。由于社会需求的不断增长和科学技术的发展的推动，汽车日臻精巧，其运输生产率和各项性能都有很大提高。因此，现代汽车已成为世界经济与人民生活中不可缺少的一种运输工具。由于汽车工业是科技含量高、利润高和对相关产业带动大的产业，汽车产品的质量及其设计水平已成为衡量一个国家技术水平的重要标志之一。得到了各国政府和企业家的重视，很多国家都把汽车工业作为支柱产业，汽车工业的竞争也越来越残酷，对技术和质量的要求也越来越高。全套图纸，加153893706但就我国的设计水平而言，载货汽车方面，我们经历了从全套改进到仿制，再到自主开发的三个阶段。轿车方面，我们虽然在50年代末期在仿制的基础上生产了“红旗”、“上海”牌轿车，但至今基本上仍属于引进阶段。近年来，捷达和桑塔纳改型成功，表明我国自主开发的能力方面开始取得进展，但是这只是一个良好的开端，我们还有更多的工作需要做。虽然我国建国较晚，同时又受到世界上一些国家的封锁造成我国汽车工业相对落后世界先进水平，同时我们也面临着起步晚，经验不足，资金缺乏和技术落后等一系列困难，造成了我国汽车工业还仍然处于不完善状态。但是，自改革开放以来，我国汽车工业经过了艰苦创业，已经迎来了蓬勃发展的机会，显示出了良好的发展势头。通过使用来鉴别汽车的零部件质量是最为实际、有效的，也很客观。但这种方法不能全部应用于汽车零部件。因为这种方法要耗费太多的人力、物力和财力，且周期长，见效慢，明显不能适应现代汽车发展的节奏。所以，我们要寻求周期短，耗人力和物力较少的实验方法，室内台架实验正好满足了这一需要。但是我国室内台架实验水平太低，实验设备，实验方法等等方面还有很多不尽人意之处。所以，为了提高我国汽车产品的质量，设计，制造出精度高，操作简便，适用性强，可靠性强，成本低的试验设备便成为摆在我们面前的首要任务。在汽车的传动系中，变速器起着非常重要的作用。因为在汽车上广泛采用活塞式内燃机，其转矩和转速变化范围较小，而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。变速器正是为解决这一矛盾而设置的，保证变速器具有良好的工作性能，将对提高汽车的质量和性能起着非常重要的作用。同时变速器是汽车构造上的一个结构复杂、使用条件复杂、可靠性要求高的重要部件，所以，变速器应保证汽车有必要的动力性和经济性，应保证换档迅速、省力、工作可靠。此外，还应满足效率高、噪声低、体小质轻、制造容易、成本低等。因此从产品开发到生产到使用都要对其进行大量的试验，以确定其各种性能参数，为汽车的生产、销售、维修单位以及汽车的使用者提供可靠的参考，防止出现重大的事故。在此领域各国都在潜心研究，以不断提高试验的准确性，从而提供更可靠的试验数据，为社会服务。由于变速器复杂的使用条件和复杂的内部结构，造成变速器受力比较复杂，破坏形式更是多种多样，面对变速器如此多的损坏形式，变速器的实验台也应该是多种多样的。因为如果设计出一台能够试验所有变速器的损坏形式的实验台，困难是非常大的，通常变速器的损坏试验包括以下几种：(1) 变速器效率实验主要用于衡量变速器性能、标志着变速器功率损耗的多少。(2) 变速器总成动态刚性试验是评价变速器设计水平的重要指标之一，是指变速器各轴在传递扭矩时变形的大小。(3) 变速器总成噪声测定变速器总成噪声作为汽车噪声的一个重要组成部分，近几年已被人们所重视，在TB3987-85标准中已被列为产品定型的必试项目。(4) 同步器试验(5) 变速器总成静扭强度试验该项试验的目的在于暴露变速器总成的薄弱环节，以及确定其静扭强度储备系数。(6) 变速器单对齿轮疲劳试验实验目的是在规定的条件下测定变速器齿轮的弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命。(7) 变速器总成疲劳寿命试验由此可见，变速器效率实验台在变速器实验中占据着非常重要的地位,可以完成变速器机械效率的测试，因为试验台台工作载荷变化大，试验周期长，要求其具有良好的强度和刚度。我本次进行的设计是机械闭式试验台效率试验台模型搭建与运动仿真研究，是配合结构设计，进行包括总体结构、加载机构、传动机构在电机驱动下的运动过程仿真及力学分析。主要是为求得试验台在进行运动分析时各个元件及连接对的位置，速度及加速度，元件之间的干涉，元件的轨迹曲线等等，以进一步保证闭式汽车变速器性能试验台设计结果的合理性。1.2 CAD技术的发展及Pro/Engineer工程软件简介1.2.1 CAD技术的产生与发展 CAD技术起步于50年代后期。进入60年代，随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。 在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发 展。早期应用较为广泛的是CADAM软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是 Autodesk公司的AutoCAD软件。在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。 随着数据技术和计算机网络技术的迅速发展，在另外一些领域，如机械工程领域，只需要提供有关零件的数控代码的无纸环境，而不需要正交显示的设计图纸。设计人员在CAD系统里建立模型，电子数据同时被各个部门如生产部、制造部、质量控制部和设计部等部门使用。另外，CAD系统正成为许多产品数据管理系统的核心。利用计算机网络，CAD设计方案可通过企业内部网（Intranet）充分显示出来。利用Intranet与Internet可以相互连通的性能，还可以将设计在国际互联网上显示出来。据PTC公司的划分，第一代CAD软件是二维和线性框架系统；第二代为曲面模型和布尔式实体模型系统；第三代为参数式实体特征建模的系统；第四代则为融合智能与协作的CAD系统。CAD技术革命主要分为四个历史阶段1.第一次CAD技术革命“贵族化”的曲面造型系统 2.第二次CAD技术革命 生不逢时的实体造型技术 3.第三次CAD技术革命 一鸣惊人的参数化技术4.第四次CAD技术革命 更上层楼的变量化技术1.2.2 Pro/Engineer工程软件的简介Pro/Engineer3-D造型设计系统由Paranetric Technology Corporation（参数技术公司）于1989年开发出来。从那时到现在，历经10多个春秋，参数技术公司凭借其强大的科研、开发能力和完善的营销策略，取得了辉煌的成绩，成功地通过市场竞争与实际应用的考验。Pro/Engineer高速的版本更新速度，不断修改界面与功能的加强，使得软件更加人性化和智能化，受到广大设计工作者的欢迎和信赖。在为数众多的3-D设计软件中，Pro/Engineer产品开发环境受到多数厂商的青睐，其原因是它能够支持同步设计，通过Pro/Engineer及其相关软件Pro/Ddsigner、Pro/Mechanica,可让使用者同时完成工业设计、机械设计、功能模拟、加工制造、大大缩短产品开发的时间与流程。为企业参与激烈的市场竞争赢得了宝贵的时间。同时，并行设计的方法，也使设计成本大降低，增强了企业的竞争力。以下将简单介绍PTC家族三大软件的功能。1Pro/EngineerPro/Engineer主要的功能是进行参数化的零件造型设计，所提供的功能包括实体造型设计、曲面设计、建立工程图、零件组合、简单的有限元素分析、模具设计、电路设计、装配零件设计、加工制造、逆向工程等等。2Pro/DesignerPro/Designer原名Pro/CDRS，是一套概念化的设计系统，主要应用在工业设计方面。使用Pro/Designer，不仅可以让工业设计师快速地创造、评估、修改数种产品概念，还可以由它来产生超越数学方程式定义的自由曲面，使设计师的思维得到不加任何限制的发挥。加外，Pro/Designer内建的文件输出格式，可直接将所建立的曲面几何图形直接应用在机械设计或输出到产品原形制造上。3Pro/Mechanica Pro/Mechanica是一种功能性有限元分析软件，除了可以使用它内建的绘图功能直接绘制模型结构外，还可以接受来自Pro/Engineer绘制的造型。使用Pro/Mechanica给定适当的临界条件，可以进行产品的结构分析、热传导分析、驾驶时轮胎分析、振动分析、机构分析等等，设计师可以利用以上的有限元分析功能轻地进行产品的最优化设计。 Pro/Engineer及其相关软件最大的特点是采用单一数据库管理，并且是一种全关联的软件。由于Pro/Engineer中所有的模型互相连接，因此可确保资料的正确性，避免反复修改浪费时间。这种功能正符合现代产业中所谓的并行设计观念。101.2.3 Pro/Engineer工程软件的特点Pro/Engineer具有独特的参数化设计概念，采用单一数据库的设计，有支持同步并行设计的功能，它还包括了下面的几个特性。 13-D造型模型 Pro/Engineer摆脱了传统的线建构，面建构的设计方式，直接采用三难造型架构，可以将模型实时地，真实地呈现在设计者的面前，轻易地计算出造型的表成积、体积、重量、惯性矩、重心等特理量，让使用者更真实地了解产品的相关特性。 2特征模型建构Pro/Engineer以特征作为产品几何建构和数据存取的基础，这些特征的名称都是一般机械设计上常用的名称，如拉伸（Extrude）、扫描（Sweep）、抽壳（Shell）、圆角（Chamfer）等，由给定这些特征合理的参数即可建立出三难模型。3参数式设计Pro/Engineer其独特的单一数据库设计，将每个尺寸看作一可变的参数，只要修改这些参数的尺寸，相关的造型即会依照尺寸的变化重新生成，达到设计变更的一致性。凭借参数化的设计，设计者可以运用布尔或数学运算方式建立尺寸之间的关系式，然后修改相关参数，就可以达到同步修改的目的,从而减少人为修改图形或计算所花费的时间，并且减少了错误的发生。4.硬件独立 Pro/Engineer是一种跨系统平台的设计软件，这些系统平台包括Unix、WindowsNT、Windows2000、WindowsXP等。它在每个系统平台上都维持着相同的外观和功能，设计资料也可以在不同的操作系统之间互相转换。在一般个人电脑下使用Pro/Engineer的硬件需求如下表1.1所示。 表1.1 Pro/Engineer的硬件配置硬件名称最低要求推荐配置处理器PentiumII350PentiumII 1G以上内存128MB256MB以上硬盘剩余空间1G2G以上显示器15in17in显卡能提供Open GL3Dlab系列、OxyGen402操作系统WindowsNT4.0Windows2000、WindowsXP其它光驱、鼠标三键鼠标1.3 汽车变速器性能试验台的发展概况随着工程车辆工业的迅猛发展，变速箱以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，成为工程车辆的关键性传动部件之一。齿轮传动效率影响整个工程车辆的动力性，经济性和排放性等。以前，国内外大多将变速箱安装在工程车辆上，在工程车辆的行驶中进行试验，或在试验车特定条件下进行道路试验。但这种试验方式周期长、费用大。建立工程车辆变速箱齿轮传动试验台，可以加强齿轮传动特性研究，性能验证及效率测试等。对变速箱总成试验也可起到很好的作用。目前，汽车变速器试验台主要分为传统变速器性能试验装置和先进变速器性能试验装置两种形式。现分别介绍如下：1.3.1 传统汽车变速器性能试验装置的类型及特点汽车变速器是汽车构造上的一个结构复杂、使用条件复杂、可靠性要求高的重要部件，因此从产品开发到生产到使用都要对其进行大量的试验。国内外变速器总成效率试验台的形式很多，但就其功率循环的方式而言，传统的汽车变速器试验台的形式主要分为以下几种，即开式试验台和机械封闭式试验台，开式试验台与机械封闭式试验台相比较而言各有各的优点和缺点,现分别介绍如下：1开式功率流变速器试验台常见的开式功率流汽车传动系零部件试验台由驱动装置、加载装置、测量装置，被试装置等四部分组成，（1）驱动装置 驱动电机多用转速可调的直流电机或电力测功机。（2）加载装置 加载装置种类很多，常见的有： 直流电机或电力测功机（作为负载装置用时是发电机）； 电涡流测功机； 水力测功机其负荷调节较为困难，不易稳定，所以在变速器试验台中这些年已很少使用了。 磁粉加载器这种负荷装置是近几年才用于汽车实验领域的，其主要特点是：负荷控制方便噪声小低速加载性能好但以为其滑差功率小（大扭距时允许的转速很低），所以只适用于小吨位车辆变速器疲劳寿命试验。 上述四种负载装置中，目前应用最多的是电涡流测功机和电力测功机。（3）载荷测量装置如果应力测功机作为驱动装置，则载荷即可应用测功设备配备的测力装置测量；若应用其他电机驱动，则多使用就距测量仪。（4）被试装置被试装置为待试验的汽车变速箱。开式试验台的结构形式如图1.2所示： 图1.2 开式功率流变速器实验台驱动装置传感器变速器传感器加载装置测量装置控制系统T1iT2动力传递路线如图1.3所示： 图1.3 开式功率流变速器实验台动力传递路线则所测机械效率为: 它的特点是：结构简单，试验方法简单，通用性好，但是由于需采用原动机作为驱动电机来驱动，造价高，耗电量大，尤其是做耗时较长的疲劳寿命试验时，更是如此。不宜进行大功率加载试验，目前它适用于科研、教学和小型生产厂，例如吉林大学汽车试验室、哈尔滨齿轮厂研发部等。2机械封闭式功率流变速器试验台机械封闭式试验台，是目前为止国内汽车变速器驱动桥齿轮试验中应用最多的试验台，其结构形式和加载方式有多种方案。介绍如下：尽管机械封闭式变速器疲劳试验台都是由两个辅助齿轮箱、两个变速器通过传动轴和联轴器连接而成的，但因其布置方案不同，可以分为如下三种布置方式的机械封闭式试验台，a方案是两个变速器并联；b、c两种方案是两个变速器串联的。三种方案各有特点，下面对它们一一进行论述：a方案的特点是：两个辅助齿轮箱的受力情况不同，与变速器第一轴相连的辅助齿轮箱承受的扭矩小，但转速高。与变速器第二轴连接的辅助齿轮箱承受的扭矩大但转速低，这种方案的优点是：可以使辅助齿轮箱的速比不等于1，即让陪试变速器的扭矩低于被试变速器的扭矩，从而可以大大提高被试变速器的寿命。但因此也会使试验台的震动和噪声加大，这也是不利的。方案b和c相比较，因为方案b是辅助齿轮箱与两个变速器的第一轴相连，所以受力较小，因而辅助齿轮箱及其内部的零件可以尺寸较小，但是这种方案因为辅助齿轮箱和与其相联的传动轴转速较高，所以试验台的噪声和振动较大。与之相反，c方案的两个辅助齿轮箱受力虽大但转速较低（尤其是在试验低速挡时），所以在试验中噪声小，振动轻。因此，可将试验转速提高，加快试验进度，只要辅助齿轮箱的设计尺寸加大，使其有足够的使用寿命，c方案也是可取的。图1.4 机械封闭式变速器试验台传动机构三种布置方案示意图1.电动机 2.辅助齿轮箱 3.被试变速器 4.陪式变速器（a）两个变速器不同轴布置（b）两变速器同轴相对布置（c）两变速器同轴相反布置但是方案c也有一个不足之处，从上图可以看出驱动电机与被试变速器同处在一个轴上，由于变速器的转速较高，电机很难达到变速器各种工况下的转速要求，为此，将方案c的电机驱动部位移到另外一个回路轴上，辅助箱内采用齿轮传动，电机输出轴与大齿轮轴通过联轴器连接在一起，变速器输入轴与小齿轮轴通过联轴器连接在一起，达到升速的目的，即下图所示的为机械封闭式变速器性能闭式试验台的最佳方案。电 机齿轮箱加 载 器齿轮箱传感器变速器传感器传感器 图1.5 闭式功率流变速器实验台动力传递路线它的特点是：结构复杂，操作较复杂，控制繁琐，通用性差，但是功耗少、投资省，适于疲劳寿命试验。本课题将对这种试验台的机械部分进行模型仿真及动态仿真研究。1.3.2 先进汽车变速器性能试验装置的类型及特点目前比较先进的变速器性能试验装置是电功率流封闭变速器试验台。这种类型试验台的结构如图1.6所示： 被试变速器 电力测功器（动力用） 可控硅整流器电力网陪试变速器电力网可控硅整流器电力测功器（加载发电用）图1.6 电封闭式功率流变速器实验台动力传递路线电封闭式试验台的机械装置与开式试验台相同，但其负载必须是电机或者发电机，所发电流通过控制系统反馈到驱动电机或输入电网，以便达到能量循环的目的。因此，电封闭式试验台耗能少，适用于大吨位车辆的变速器试验。但是，电封闭试验台的缺点是操纵控制系统结构复杂，造价高。所以很少被采用。目前已在此基础上开发有档次较高的实验装置，但是受到价格的约束，尚未在一般科研部门、院校及企业应用。1.4 课题研究的主要内容及技术路线1.4.1 课题研究内容完成变速器性能闭式试验台运动仿真研究。根据机械变速器汽车的结构特点和行驶条件,拟定试验台的基本技术参数,配合变速器性能闭式试验台的结构设计,进行设计的主要内容包括总体结构设计、加载机构设计、传动机构设计、和驱动电机的选择等的运动仿真和必要的力学分析。1.4.2课题研究技术路线本次设计的技术路线可用以下图1.7来表示。试验台总体方案确定应用Pro/E工程软件建立加载器模型应用Pro/E工程软件建立传动机构模型应用Pro/E工程软件建立总体模型应用Pro/E工程软件完成总体结构的运动协调性仿真应用Pro/E工程软件完成总体结构的运动协调性仿真完成试验台的运动仿真图1.7 课题研究技术路线第2章 变速器试验台的总体结构2.1 概述本课题将在前述几种试验台的基础上，力求克服功耗大、造价高、通用性差、操纵复杂、数据处理繁琐等缺点，研制一套适用于科研院所、中小企业及教学单位的试验台，其主要特点在于充分利用机械闭式功率流的原理，使制作和使用成本相对较低，另外，整个系统的工作过程除机械加载外，其它均采用了电子控制方式，即通过操控控制面板使系统在规定模式下工作，并由相应传感器将测试数据输送给单片机，在单片机中对这些数据进行处理，最终将测试结果显示出来。2.2 汽车变速器的性能指标和试验台的总体构成2.2.1 汽车变速器的性能指标汽车变速器的主要功用是将发动机输出的有效性能指标（有效功率、有效转矩）传给传动轴，在此其间主要起到“降速增扭”的作用（超速档除外）。在动力传递的过程中，主要靠位于几根轴上的多对齿轮副的传动来实现，因此在齿轮的润滑和机械摩擦中要有能量损失，这些损失分为液力损失和机械损失，因此，使发动机的有效功率经变速器后有所减少，减少的这部分称为功率损失，功率利用的多少称为机械效率。机械效率直接关系到发动机输出动力的利用程度，减少功率损失、提高机械效率是变速器研发过程中一直追求的目标，因此要对变速器的机械效率进行测量；润滑条件的好坏也关系到齿轮的使用寿命和功率损失，因此润滑条件及齿轮油的品质进行研究和选取；换档过程中齿轮的频繁交换啮合和长时间的满负荷运转要造成齿轮的耐久性损坏，因此要对齿轮、轴承及同步器等进行疲劳寿命试验，以确定其能否满足大修条件的要求；各对齿轮副中的齿轮是分别安装在不同轴上的，因此，工作过程中轴间的相对位置直接关系到齿轮的啮合状态，也就关系到动力传递的流畅性、机械功率损失的大小以及齿轮的寿命，这种轴间的相对位置的稳定性是靠轴的刚度保证的，因此要对轴在旋转过程中的挠曲变形量进行测量，以确定其是否影响到齿轮副的正常工作。因此汽车变速器的性能指标主要有机构效率、润滑情况、耐久性损坏、轴的刚度和齿轮磨损等。2.2.2 试验台的总体构成和工作原理1机械部分机械部分结构如下图2.1所示： 齿轮箱齿轮箱电 机 T1，n1 T2，n2加载器传感器变速器变速器传感器 图 2.1机械部分结构即该试验台机械系统是由电力测功机、转矩传感器、转矩加载器、两个齿轮箱、传动轴和两个变速器（一个被测变速器，一个陪测变速器）组成的一个封闭的传动系统。此外，还辅以一套冷却装置以达到在变速器持续工作时为齿轮机油降温保证变速器工作质量的目的。工作过程： （1）电动机及控制装置：系统工作中应控制并读取转速，一方面在试验中保持系统工作转速不变，另一方面要对系统进行多种转速情况下试验，因此应选择调速电机并采用操纵方便数据读取准确的单片机通过键盘对系统进行模式输入。（2）加载装置：为使小功率驱动电机能正常驱动系统，保持系统运转，并且保证所测试变速器满足在实际状态工作的条件，应事先给系统加载，以使内部保持有相当的内力转矩，因此设有转矩加载装置，为使加载方式可靠、操纵方便，本课题采用蜗杆传动加载方式。利用蜗杆的传动，控制加载力矩的大小，另外，由于齿轮间的相互制约，系统被锁死，保持系统储备内力而不运转。（3）动力传递部分：工作时由电动机驱动系统。动力既经辅助齿轮箱经传动轴带动变速器输入轴转动并同时带动辅助齿轮箱从动齿轮转动。由于变速器输入轴和输出轴转速不同，为保证系统主动部分轴及齿轮转速一致，特增加一台陪试变速器，而且保持两台变速器相对布置即被试变速器的输出轴和陪试变速器的输出轴相连，动力传递的方式是:第一辅助齿轮箱主动齿轮轴电动机被试变速器输出轴被试变速器输入轴 陪试变速器输入轴陪试变速器输出轴第二辅助齿轮箱主动齿轮轴 图2.2 动力传递路线则所测机械效率为: （4）疲劳寿命、刚度、强度和润滑试验：这些试验为长期试验，一方面要测定变速器工作到疲劳失效的时间及早期失效发生的部位，另一方面要根据观察并测定在各档位工作参数的变化情况。由于变速器从开始正常工作到发生疲劳失效需很长的时间，因此在实验台上需要按与实际相近的循环作长期连续的工作。在此期间要加强对系统尤其是对箱体的冷却。2控制部分（1）控制部分组成及工作原理如下图2.3所示：单片机驱动电路驱动器电机系统转矩传感器转速传感器多路显示 图 2.3 控制部分（2）控制过程：通过键盘给单片机设定转速或给定工作模式，由驱动电路驱动电机在设定转速下运转，并由传感器测量电机输出轴转速和转矩。将电机输出的转矩和转速反馈给单片机，单片机对各种模式下测取的数据进行处理，并由显示器显示结果。（3）工作模式：根据变速器的实际工作状况，设定相应的输入模式，包括： 变速器机械效率试验，考查转速、转矩和不同档位改变时对变速器机械效率的影响，重点确定几种特征转速和特征转矩； 润滑试验 耐久性损坏试验 齿轮磨损检验 刚度试验2.3 加载器的概述2.3.1 加载方法的比较与选择机械闭式变速器试验台采用的加载方式很多，常见的有如下几种，下面分别一一加以阐述：（1）盘式加载法这种加载法是将封闭回路中相邻的两个加载盘相对转一定的角度，直至达到试验负荷时，再将两个加载盘锁死，即可达到加载的目的。这种加载机构常与扭力杆和刻度盘合用。这种加载方法操作费力兼加运加载时与静止加载时的负荷不同（即转运后出现“负荷重新分配”现象，静止加载时与转运中封闭回路各处的扭矩分配关系不同）所以影响负荷的准确性，但是影响不大，而且体积较小，安装容易。（2）平衡力矩加载法这种加载法又称“反作用力矩加载法”或“摇摆箱加载法” 。用于机械封闭式变速器试验台时，将被试变速器采用平衡支承法安装（即变速器两端支承在有滚动轴承的支架上，使变速器能绕其主轴旋转一定角度），在与变速器壳体相联的力臂外端吊一定质量的重块，使力臂上的力矩与变速器在试验负荷作用下壳体上的反作用扭矩相平衡，按重块的质量即可计算出试验扭矩。这种加载方法的优点很多，如结构简单，试验负荷准确，运转中能观察到试验负荷的变化，还可以在试验中出现损坏（如轴断裂等）或试验台发生严重故障等而导致试验负荷发生较大变化的情况下，通过安装在力臂上下的限位开关作用实现自动停车等等。因此，这种加载方法一直被广泛采用。（3）行星机构加载法 这种加载方法是借助于行星加载器施加载荷的。行星机构有圆柱齿轮式和圆锥齿轮式两种。这两种加载方法的优点是在试验台运转中能调整和改变负荷便于实现变负荷试验，其缺点是加载机构复杂，制造难度大。因此，国内很少采用这种加载方法。（4）液压加载法液压加载法是利用压力油推动液压加载器的转子相对于定子旋转一定角度加载的。常用的液压加载器有叶片式和凸轮（或斜齿）式两种。在采用液压加载法时，虽然能根据油压计算负荷，但不够精确。因此常配备扭矩测量仪监视负荷的变化。液压加载法的优点是在运转中可以非常方便地调整或改变负荷，便于进行变负荷试验。但使用中必须经常监视和调整负荷，因油路故障和油温变化等原因都会影响负荷的稳定性。液压加载器的结构复杂（除加载器之外，还要配备旋转密封阀和液压源站等），加工精度要求也较高。因此，在等负荷试验中不宜采用。因为液压加载器的油温等因素变化对负荷时时都有影响，所以液压加载器即便用在变负荷试验中，也要通过闭环系统控制和调整负荷，以便弥补油压的波动对负荷造成的影响。在国内外，有多种变速器总成寿命的试验及评价方法。近十年来，国内的试验及评价方法已经有了很大的改进，如改单一挡位试验为多挡位循环试验；改简单对比评价方法为指定通用评价指标评价变速器总成寿命的方法等。现将国内外几种常用的试验及评价方法简述如下：（1）强化试验法强化试验是为了缩短试验时间，而在变速器第一轴施加等于或者大于发动机最大扭矩的试验方法。 在强化试验中，负荷的确定（即强化系数的选取）是根据预定达到的目标损坏形式来选择的。一般是根据变速器中有关齿轮的计算应力值，并参照相近车型变速器寿命试验数据来确定的。在上海大众宝来（1.8T）车型所用的变速器齿轮工艺试验中，按照疲劳试验时变速器第一轴扭矩规定为250N·m（发动机最大扭矩210，即强化系数1.19）；弯曲疲劳试验时变速器第一轴扭矩定为305N·m（即强化系数为1.45），获得了满意的试验效果。这种强化试验方法，对试验结果的评价，只能用此对比的方法，用于工艺性试验是最合适的。（2）单一挡位寿命试验方法在试验方法标准制定之前对于新设计的变速器总成的定型试验，多数采用单一挡位试验方法，即只试验挡（最多、两个挡），然后将试验结果与旧车型或者同类车型进行比较，借以评价被试变速器的好坏。这种试验及评价方法显然不够科学，试验挡位少，暴露的问题不够全面。另外，对试验结果的评价，完全依赖于同类车型的试验数据，这也很不合理，尤其是在缺乏对比数据时，就更难下结论了。（3）挡位循环试验法最近几年，参考有关资料，并结合国内部分生产厂家的试验数据，制定了我国载货汽车变速器总成挡位循环试验方法及评价指标，即JB3987-85标准及JBn4152-85汽车机械式变速器台架试验标准（以下简称JBn4152-85标准）。（4）S-N曲线国外一些厂家消耗很多变速器齿轮进行了大量的寿命试验，并绘制出各挡齿轮的S-N曲线（即齿轮台架试验台寿命与试验负荷的关系曲线），这样只要给定一个负荷，就可查出各挡齿轮相应的台架试验寿命。总结上述可知：在等幅载荷试验中，采用盘式加载法加载最合适；在变负荷试验中，采用行星机构加载法或液压加载法较好。因为本试验台是为变速器总成效率试验而设计的，就效率试验的特点而言，应该是负荷稳定。所以选用平盘式加载法加载最合适。同时盘式加载法加载结构简单，试验负荷准确，所以本试验台设计方案中采用盘式加载法加载。2.3.2 蜗杆传动的类型及其特点蜗杆传动用来传递空间两交错轴之间的运动与动力。蜗杆传动由蜗杆与蜗轮组成，一般蜗杆主动、蜗轮从动，作减速运动。与齿轮传动相比，蜗杆传动具有下列特点：（1）传动比大、结构紧凑在一般传动中，i=1080，在分度机构中（只传递运动）i可达1000，因而结构紧凑。（2）传动平衡、噪声低由于蜗杆齿连续不断地与蜗轮齿相啮合，同时，蜗杆蜗轮啮合时为线接触，因而传动平稳，噪声低。（3）可具自锁性当蜗杆的螺旋线升角小于啮合副材料的当量摩擦角，蜗杆传动具有自锁性。即只能蜗杆带动蜗轮，而蜗轮不能带动蜗杆。在起重装置等机械中经常利用此自锁性。（4）效率低因为蜗杆蜗轮在啮合处有较大的相对滑动，因而磨损大，发热量大，效率低。一般传动效率为0.70.8，具有自锁性的蜗杆传动效率为0.40.45，故蜗杆传动主要用于中小功率传动。（5）成本高为减少蜗杆传动啮合处的摩擦和磨损，控制发热和防止胶合，蜗轮常采用青铜材料制造，因此成本增高。蜗杆传动用于传递空间交错轴间的动力和运动，常用的轴交角为90。根据蜗杆形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动；环面蜗杆传动；锥蜗杆传动。本章主要介绍圆柱蜗杆传动。按蜗杆齿廓曲线形状，圆柱蜗杆又有阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆等多种。1阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）阿基米德蜗杆形成与螺纹相同。刀刃夹角2。=40。在切制时，刀刃平面通过蜗杆轴线。这样加工出的蜗杆在垂直其轴线剖面与齿廓的交线是阿基米德螺旋线；在通过轴线的剖面内，齿廓（轴向齿廓）为直线；在法向N-N剖面内，齿廓（法向齿廓）为凸曲线。以此为滚刀加工出的蜗轮，在中间平面（通过蜗杆轴线并垂直于蜗轮轴线的平面）内，齿形为渐开线。蜗轮于蜗杆在中间平面上是渐开线齿轮于齿条啮合。阿基米德蜗杆加工及测量方便，应用广泛。但此种蜗杆难于磨削，因而达不到高精度。当蜗杆导程角较大时，加工困难。2法向直廓蜗杆当蜗杆导程角较大时，将刀具的切削平面放在螺旋线的法平面内，这样切出的蜗杆，法向齿廓为直线，轴向齿廓为曲线。垂直于轴线的剖面与齿廓交线为延伸渐开线，故也称延伸渐开线蜗杆。3渐开线蜗杆（ZI蜗杆）如果将刀具切削平面如果将刀具切削平面平行蜗杆轴线且与某一圆柱（称为基圆柱）相切，这样加工出来的蜗杆在垂直与轴线的剖面与齿廓交线为渐开线，称为渐开线蜗杆。在切于基圆柱的轴向剖面内，齿廓一侧为直线，一侧为凸曲线。这种蜗杆的齿面可以用平面砂轮磨削。从而获得较高的制造精度，适于成批生产和大功率高速传动，是推荐采用的蜗杆传动之一。除上述几种常用的圆柱蜗杆外，还有圆弧圆柱蜗杆（ZC蜗杆）、锥面包络圆柱蜗杆。 对于与各种蜗杆相啮合的蜗轮的齿形，随蜗杆齿形而异。蜗轮通常在滚齿机上用滚刀加工。为了保证蜗轮蜗杆正确啮合，切制蜗轮的滚刀齿形应于相应的蜗杆相同，滚铣似的中心距也应与蜗杆的传动中心距相同。因此，蜗轮滚刀齿形的精度，直接影响传动质量。蜗杆传动类型的选择，很大程度要根据所具备的工艺条件能否精确的制造或者获得相应的蜗轮滚刀而定。 2.3.3蜗杆传动的优点及应用 蜗杆传动主要优点是可以获得较大的单级传动比。在动力传动中，传动比一般为580，对非动力传动，传动比可以达到1000甚至更大。由于传动比大，零件数目小，因此结构紧凑。这两点也是我们这次机械闭式变速器齿轮疲劳寿命试验台加载设计选择蜗轮蜗杆加载装置的重要原因。由于蜗杆是连续的螺旋齿，与蜗轮轮齿的啮合是逐渐进入或者退出，因此传动平稳，震动和噪声小。蜗杆传动的噪声级比同精度的圆柱齿轮传动平均约低7分贝。另外，不需其他辅助机构即可获得传动的自锁性。蜗杆传动的主要缺点是效率低，故不宜在大功率连续运转传动条件下工作。为减轻齿面磨损以及避免胶合，蜗轮一般需要用较贵重的减磨材料（如青铜）制造。目前各种新兴蜗杆传动研究重点是提高效率，以及高效率连续大功率传动的要求。基于以上传动特点，蜗杆传动常用做搅拌机、转盘、提升机构、纺织机械等的传动装置，还可以用做精密机械传动，如铣床及切齿机床的工作台传动、汽车转向装置以及轮船方向舵的定位传动装置等，应用范围十分广泛。 2.3.4 蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的失效形式和齿轮相似，有齿面点蚀、轮齿折断、齿面磨损和胶合等。由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿的强度总是高于蜗轮轮齿的强度，所以失效常发生在蜗轮上。在闭式传动中，由于蜗杆传动效率低，发热量大，致使润滑油粘度下降，润滑效果变差，容易发生胶合或者点蚀。在开式传动中。蜗轮的主要失效形式是磨损。至于蜗轮轮齿的折断，只是在模数过小，蜗轮材料强度过低，或者由于过度磨损是轮齿过薄时才产生。一般当Z2小于80时，很少发生蜗轮轮齿的折断。由于目前缺乏可靠的蜗杆传动胶合、磨损计算方法和数据，对一般用途的蜗杆传动，通常还是按齿面接触强度准则和齿根弯曲强度准则进行计算。在设计时，通过合理地选择传动参数，采用良好的润滑和散热方式以及选择适当的蜗轮副材料等措施，以改善磨损情况和避免胶合。此外在许用应力中，考虑了胶合失效因素的影响。因此，对闭式蜗杆传动，通常按照齿面接触疲劳强度设计，必要时验算齿根弯曲疲劳强度，对连续工作的闭式传动还要进行热平衡计算；对开式传动，只需按照弯曲疲劳强度设计。此外，如果蜗杆传动参数选择不当（例如：蜗杆直径过小或者支撑跨距过大时），可能会出现蜗杆刚度不足，以至影响接触线的位置和接触斑点的大小，影响承载能力。因此，必要时需验算蜗杆刚度。2.4 本章小结本章对汽车变速器试验台的性能指标和总体构成及工作原理进行了阐述，了解变速器试验台性能指标主要包括机构效率、润滑情况、耐久性损坏、轴的刚度和齿轮磨损等。同时概述了蜗杆传动的类型及特点，针对蜗杆传动特点了解到蜗杆传动的失效形式主要是齿面点蚀、轮齿折断、齿面磨损和胶合等。第3章 变速器试验台总成与加载器建模过程3.1 变速齿轮箱的简介与建模过程3.1.1 齿轮的特点及失效形式齿轮传动用来传动任意两轴间的运动和动力，其圆周速度可达到300m/s传动功率可达到KW,齿轮直径可从不到1mm到150m以上，实现大机械中应用最广的一种机械传动。齿轮传动与带传动相比主要有以下优点：（1） 传递动力大、效率高；（2） 寿命长，工作平稳，可靠性高；（3） 能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。齿轮传动与带传动相比的主要缺点：（1） 制造、安装进度要求高，因此成本也较高；（2） 不宜作远距离传动；（3） 无过载保护；（4） 需专门加工设备 变速器齿轮的损坏形式主要有以下几种：（1）轮齿折断轮齿折断是指齿轮的一个或多个齿的整体或其局部的折断，轮齿折断通常有疲劳折断和过载折断两种。（2）齿面点蚀轮齿进入啮合时，轮齿齿面接触处在法向力的作用下将产生很大的接触应力，脱离啮合后接触应力即消失。对齿廓工作面上某一固定点来说，它受到的是近似于脉动变化的接触应力。如果接触应力超过了轮齿材料的接触疲劳极限时，齿面上出现不规则的细微的疲劳裂纹，随着裂纹的蔓延、扩展而导致齿面表层上的金属微粒剥落，形成麻点状的凹坑，这种现象称为齿面疲劳点蚀。点蚀发生后，破坏了齿轮的正常工作，引起振动和噪声。实践表明，由于轮齿在节线附近啮合时，同时啮合的齿对数少，且轮齿间相对滑动速度小，润滑油膜不易形成，所以点蚀首先出现在靠近节线的齿根表面上。一般闭式传动中软齿面易发生点蚀失效，设计时就应保证齿面有足够的接触强度。（3）齿面胶合在高速重载的齿轮传动中，由于齿面间的压力较大，相对滑动速度较高，因而发热量大，使啮合区温度升高、油膜破裂而引起润滑失效，相啮合两个齿面的局部金属直接接触并在瞬间互相粘连。当两齿面相对转动时，较软齿面上的金属从表面被撕落下来，而在齿面上沿滑动方向出现条状伤痕，这种现象称为齿面胶合。在低速重载的传动中，由于齿面间压力大，因而不易形成油膜，也会出现胶合。（4）齿面磨损齿面磨损是齿轮在啮合传动过程中，轮齿接触表面上的材料摩擦损耗的现象。齿轮的磨损有磨粒磨损和跑合磨损两种。（5）塑性变形当轮齿材料较软而载荷较大时，轮齿表面的材料将沿着摩擦力方向发生塑性变形，导致主动轮齿面节线附近出现凹沟，从动轮齿面节线附近出现凸棱，齿面的正常齿形被破坏，影响齿轮的正常啮合，这种现象称为齿面塑性变形。这种失效主要出现在低速、过载严重和起动频繁的齿轮传动中。3.1.2齿轮箱的结构与齿轮参数简介本次试验台的升速齿轮采用一级斜齿圆柱齿轮，本章节主要对升速器机构进行PRO/E模型建立。动力由大齿轮部分传入，小齿轮输出，达到升速的目的。其中大、小齿轮和两根轴是关键部分和主要部件，它的好坏将直接影响到变速器的传动效率和功率。具体装配图如下图3.1所示：图3.1 升速器装配图本升速器的主要技术参数最大输入扭矩为1176N·M，变速比为1:4，根据设计方法，利用上面参数经计算得到大、小两个齿轮的参数如表3.1所示。表3.1 升速器斜齿参数齿轮名称齿 数压力角(度)模数(mm)齿宽(mm)分度圆直径(mm)轴孔直径(mm)大齿轮9620512449683小齿轮24205130124603.1.3 渐开线方程及渐开线函数渐开线是由一条线段绕齿轮基圆旋转形成的曲线。渐开线的几何分析如图3.2所示。线段S绕圆弧旋转，其一端点A划过的一条轨迹即为渐开线。图3.2中点的坐标为： (其中r为圆半径，ang为图3.2所示的角度)。图3.2 渐开线的几何分析对于Pro/Engineer关系式，系统存在一个变量t，t的变化范围是01。从而可以通过建立的坐标，下面即为输入的渐开线的方程。 以上为定义在xy平面上的渐开线方程。3.1.4 齿轮的建模分析过程齿轮的端面形状为渐开线，在Pro/E中齿轮的建模采用参数化，斜齿轮的齿廓曲面是一渐开线螺旋面，因此建模的关键就是确定精确的渐开线和螺旋线，渐开线的形成及数学议程的过程见上一小节。将斜齿轮沿齿根圆圆柱面展开，则其螺旋线展开为一条斜直线，斜直线与轴线之间的夹角，如图3.3所示。斜齿轮的名义螺旋角是指分度圆上的螺旋角。齿根圆螺旋角可以通过公式求出。在Pro/E中可以在与齿根圆圆柱相切的水平面上先绘制如图3.3所示的斜直线，然后将其投影到齿根圆圆柱面上就得到了螺旋线。通过对斜齿轮的建模分析可得到它的建模过程如下所示。1输入齿轮参数和关系式，创建齿轮基本圆，包括齿顶圆、基圆、分度圆、齿根圆，并且用事先设置好的参数来控制圆的大小。完成后的“参数”窗口如图3.4所示,完成后的“关系”窗口如图3.5所示。 图3.3 斜齿轮沿齿根圆柱面展开图 图3.4 完成后的“参数”窗口 图3.5 “关系”窗口2创建渐开线，用由方程来生成渐开线的方法创建渐开线。完成后的渐开线如图3.6所示。3创建扫描轨迹和扫描混合截面，完成单个轮齿特征创建。扫描轨迹创建是在过轴线的平面内创建一个斜直线，投影到分度圆曲面上得到扫引轨迹，最后得到的图形如图3.7所示。 图3.6 完成后的渐开线 图 3.7 完成后的单个轮齿4阵列轮齿，将第3步创建的轮齿进行阵列，完成齿轮的基本外形。这一步需要加入关系式来控制齿轮的生成。得到下图3.8所示的模型。 图3.8 阵列轮齿后的齿轮5创建其他特征，创建齿轮的中间孔、键槽、小孔等特征，并且用参数和关系式来控制相关的尺寸。得到齿轮的实体三维模型，如图3.9所示。图3.9 完成后的齿轮用相同的方法完成升速器小齿轮的创建，最后得到的模型如下图3.10所示。图3.10 完成后的小齿轮3.1.5 齿轮箱建模分析过程 升速器箱体结构比较复杂，在创建箱体零件前，我根据设计结果在头脑中勾勒出箱体的三维实体模型，将箱体分为两大部分来建模，即升速器上箱体和下箱体，然后将实体模型按照特征类型划分。对于相同的特征采用复制，镜像，阵列等操作简化创建过程。整个箱体的建模分析如下：1 先利用镜像、拉伸增料方式和减料方式建立齿轮箱加速器箱体大体结构。图3.11所示 图3.11 齿轮箱箱体大体结构2 再利用拉伸减料的方式打孔，加强筋的方式建立加固作用的骨架。图3.12所示 图3.12大体加工过的齿轮箱箱体3、将上下箱体实体化利用倒角等方式对分别进行细节加工。图3.13；图3.14所示 图3.13上箱体 图3.14下箱体创建下箱体轴承孔是为了使轴承孔中心和和坯料中心重合，创建过程中我以坯料的外部曲线为参照，创建和外部边界曲线同心的圆弧，这样创建的轴承孔中心与坯料中心重合，而且可以保证两个轴承孔之间的中心距。建立完成的上、下箱体模型如下图3.15、3.16所示： 图3.15 齿轮箱上箱体模型 图3.16 齿轮箱下箱体模型3.2 加载器的建模过程3.2.1 加载阻力的确定加载阻力主要是模拟在汽车运行过程中，变速器输出轴上所受的载荷，所以需要根据前面所确定的模型将作用在车轮上的行驶阻力，简化到变速器的输出轴上。经等效转换后，则可得到作用在变速器输出轴上的负载力矩M：（1）式中：r 车轮半径，m；F作用在车轮上的行驶阻力汽车的行驶阻力主要由滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力所组成，表示为驱动力平衡方程式：Ft=Ff +Fw+Fi+Fj（2）式中：Ff滚动阻力；Fw空气阻力；Fi坡度阻力；Fj加速阻力，。当Fj-（Ff+Fw+Fi ）0时，汽车能够在坡道上正常起步、匀速或加速行驶。汽车的驱动力越大，加速性能就越好，爬坡能力也越强。汽车加速行驶时，需要克服其质量加速运动时的惯性力，就是加速阻力。汽车的质量分为平移质量和旋转质量两部分。加速时，不仅平移质量产生惯性力，旋转质量也要产生惯性力偶矩。为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶矩转化为平移质量的惯性力，以系数 作为计入旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数，则汽车加速时的阻力为：（3）式中： 汽车旋转质量换算系数，>1；g 重力加速度，；行驶加速度，其余各项阻力计算出。3.2.2 加载器的结构与参数简介本次试验台加载器是采用简式加载器中的一种。内部结构是一套圆柱蜗杆传动付，其扭转角度不受限制，且可以自锁。蜗杆是主动件，蜗轮是从动件，扭矩通过蜗杆输入，通过转动蜗杆使蜗杆的回转运动转换成垂直方向上的蜗轮的回转运动，同时让试验台两个半联轴节相对扭转一个角度位移，然后将其锁紧，这样在系统内就施加了载荷。其中蜗杆、蜗轮是其中的关键部分和主要部件。加载器的具体装配图如下图3.13所示。图3.13 加载器装配图本课题的加载器主要技术参数为最大许用输出扭矩为294N·M,传动比为65，根据试验台的设计要求和常规设计方法，得到蜗轮蜗杆的参数如表3.2所示。表3.2 蜗轮、蜗杆主要几何尺寸参数名 称计算结果蜗杆蜗轮模数55压力角2020导程角（螺旋角)3.17983.1798头数（齿数）165齿顶高55齿根高66分度圆直径90335齿顶圆直径100340齿根圆直径78238中心距2083.2.3 蜗杆的建模分析过程蜗杆建模过程中创建螺旋齿是创建蜗杆的难点，我使用旋转工具创建蜗杆和蜗杆轴圆柱体坯料；再使用螺旋扫描伸出项创建螺旋齿特征；使用倒角工具创建倒角特征。后得到的蜗杆模型如下图3.14所示：图3.14 蜗杆模型图3.2.4 蜗轮的建模分析过程蜗轮模型创建过程中难点是如何创建渐开线齿槽扫描截面和扫描轨迹，扫描轨迹我能过曲面相交操作创建，对于渐开线齿槽扫描截面创建方法，首先创建渐开线，接下来以草绘工具创建齿槽截面轮廓曲线并使用复制特征操作移动并旋转齿槽轮廓曲线，从而创建出齿槽扫描截面，蜗轮总的建模过程可分为以下几个步骤：1 创建齿轮基本圆和齿廓曲线，如图3.15所示： 图3.15 完成后的齿廓曲线2创建扫引轨迹和圆柱体，如图3.16所示： 图3.16 完成后的扫引轨迹3变截面扫描生成一个轮齿后阵列创建轮齿，如图3.17所示：4蜗轮的修整，完成蜗轮整个模型建立
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