小型汽車自動變速器設(shè)計,小型汽車自動變速器設(shè)計,小型,汽車,自動變速器,設(shè)計 附 錄B Fuller雙中間軸變速器結(jié)構(gòu)特點分析 富勒（Fuller）雙中間軸變速器是美國伊頓Eaton 公司六十年代的獨創(chuàng)產(chǎn)品，于1965年申請專利，隨即投入生產(chǎn)、供應(yīng)市場。它是針對以下情況設(shè)計的：當時美國已逐漸建成高速公路網(wǎng)，為了提高汽車貨運經(jīng)濟效益，促使貨車向著大型 化、高速化、專用化的方向發(fā)展。在美國較為盛行的一種運輸方式是由鞍式牽引車牽引的半掛車和汽車列車，此種牽引車是美國公路用重型汽車中的主要車型，其特征是軸距短，加之美國公路法規(guī)限定該類車的前懸不得大于800，因之使變速器軸向尺寸受到很大限制。面發(fā)展的需要卻一再要求提高汽車發(fā)動機功率，并相應(yīng)加大變速器的承載能力，這對傳統(tǒng)的單中間軸變速器來說，其軸向尺寸必然要加大因而產(chǎn)生了矛盾，雙中間軸變速器即是在此種情況下應(yīng)運面生的。它大大提高了變速器的扭矩容量（Fuller產(chǎn)品最大已達到2240），并減小了軸向尺寸。它供應(yīng)市場以后，在美國的重型車上逐漸取代了傳統(tǒng)的單中間軸變速器。八十年代以來它幾乎獨占了美國重型車用變速器的市場（其中Eaton公司產(chǎn)品約占75%)。七十年代中期以后，伊頓公司產(chǎn)品在降低噪音、提高壽命和可靠性方面又有顯著提高。且在變速器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，又研制成功細齒系列新一代變速器。同時，調(diào)整了原產(chǎn)品，重新編制了產(chǎn)品系列并實現(xiàn)標準化。八十年代初已經(jīng)按新系列生產(chǎn)。本文是以原900系列（即新系列11600，二者基本結(jié)構(gòu)相同）的RT—915型組臺式變速器的結(jié)構(gòu)為例進行分折。 附B1RT—915型變速器的基本結(jié)構(gòu) 圖B1所示為RT—915型變速器結(jié)構(gòu)簡圖，它由一個五檔主箱與一個三檔位的后置倍檔副箱組合而成，它有15個前進檔和三個倒檔。主箱和副箱齒輪中心距均為148.43它們各有兩套中間軸總成，全部齒輪為直齒圓柱齒輪，常嚙合式傳動，二者輸出軸上齒輪均為浮動，主箱輸出軸亦浮動。主箱各檔無同步器，副箱高低檔裝有鎖銷式慣性同步器，超低檔采用外齒接合套式換檔裝置。主箱各檔為機械式手操縱，副箱各檔采用全氣動式操縱換檔。當副箱同步器接合套④與接合套⑤均左移至接合位置時，組合式變速器分別處于高速區(qū)、低速區(qū)、超低速區(qū)，備有五種速比供選用。 圖 B1 Fuller雙中間軸變速器 Ⅰ—主箱第一軸 Ⅱ—主箱第二軸 Ⅲ—主箱中間軸 R—主箱倒檔軸 Ⅳ—副箱中間軸 Ⅴ—副箱輸出軸 ①②③—換檔接合套 ④—副箱高低檔同步器接合套 ⑤—副箱超低檔同步器接合套 ZR2—主箱倒檔惰輪 附B2結(jié)構(gòu)特點分析 附B2.1雙中間軸功率分流 圖B1所示變速器主箱和副箱各有兩套中間軸總成，輸入的動力分兩路傳給二中間軸總成，再由輸出軸總成將兩路動力合流后輸出。輸入、輸出軸上的齒輪同時有兩個齒分別與二中間軸上的齒輪嚙合，工作時每齒所受載荷相對單中間軸結(jié)構(gòu)而言，理論上降低了1/2，實際上則由于齒形誤差、齒厚誤差、中心距誤差等， 使二中間軸上齒輪與相應(yīng)嚙合齒輪受載不均勻，使實際降低值少于1/2。此情況使雙中間軸變速器較之單中間軸變速器具有明顯的優(yōu)勢。 附B2.1.1雙中間軸變速器齒輪壽命 鑒于齒輪的疲勞壽命約與其負荷的3次方成反比，關(guān)系式如下: （常數(shù)） 式(B1) 式中： P—齒輪輪齒負荷； N—輪齒疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)； 由式B1可知，設(shè)單齒傳力情況下，輪齒負荷，對應(yīng)的疲勞損壞循環(huán)次數(shù)為。當雙齒傳力時，每一單齒負荷，較前者理論上降低了1/2，即，此時對應(yīng)的疲勞損壞循環(huán)次數(shù),即傳遞相同扭矩,雙齒傳力時，齒輪疲勞壽命可大幅度提高．如果保持齒輪疲勞壽命不變，即，，則，這說明了在齒輪疲勞壽命相等的情況下，雙齒傳力時，每一單齒的負荷可由提高到，即可提高一倍．若按最差的實際情況，考慮，二齒載荷分布不均勻系數(shù)取為0.6，由計算知道此時扭矩容量仍可提高67％。這也就是雙中間軸變速器設(shè)計原理所根據(jù)的事實。 附B2.1.2雙中間軸變速器中心距 雙中間軸變速器的齒輪中心距按下列公式計算 式(B2) 式中： B—載荷分布不均勻系數(shù) ( 取0.52～0.60)； 由式B2可知，齒輪中心距可較單中間軸結(jié)構(gòu)減小15～20%，這對改善變速器的經(jīng)濟性和輕量化有著重要的意義，我們知道齒輪中心距稍許減小，質(zhì)量即可減輕許多。 因此，齒輪中心距是齒輪傳動設(shè)計中最基本的參數(shù)，它影響到變速器的很多重要性能指標，并直接和齒輪傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計及承載能力有密切關(guān)系。長期以來，國內(nèi)外對減小傳統(tǒng)變速器的齒輪中心距進行了不懈的努力，終因受到軸承、材料 工藝水平及換檔同步器成的設(shè)計制造技術(shù)水平的制約而進展不大。雙中間軸結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，由于功率分流大大改善了齒輪、軸、軸承和箱體的受載情況，并可降低加工精度要求，因而能做到既保證了變速器的使用性能，又減小了齒輪中心距。 由于齒輪輪齒應(yīng)力較傳統(tǒng)變速器減小近一半，故可減小齒寬約40%，既減小了變速器軸向尺寸，又保持了齒輪的承載能力，同對還改善了載荷沿齒面的分布狀況，有利于提高齒輪壽命。 附B2.2齒輪浮動 主箱輸出軸上的齒輪同時與對稱布置的二中間軸上的齒輪嚙合，它在二齒輪之間可沿徑向浮動，靠嚙合圓自動定心，副箱也是如此。這是Fuller雙中間軸變速器結(jié)構(gòu)的顯著特點，其優(yōu)點是：（1）使輸出軸上齒輪和二中間軸上齒輪正確嚙合，并均勻分配載荷。（2）省去了傳統(tǒng)變速器中輸出軸上所有常嚙合齒輪處的滾針軸承。此滾針軸承是傳統(tǒng)變速器結(jié)構(gòu)中的弱點，取消它，對提高變速器壽命和工作可靠性有明顯作用。（3）對齒輪精度、軸的精度以及箱體軸承孔的位置精度可降低要求。（4）使齒形誤差引起的動載荷影響減小。（5）試驗表明，浮動嚙合可減小強烈的諧振的噪音強度。 附B2.3軸的布置與受力 主箱第二軸為浮動結(jié)構(gòu)，二軸后端與副箱驅(qū)動齒輪花鍵聯(lián)接，通過軸承支承在箱體上；軸前端軸頸與含油軸承之徑向間隙較大（陜西汽車輪廠測量為0.9 )，全軸以后端為支點，前端浮動。因此，第二軸上齒輪均是浮動的，換檔時，在第二軸上的外齒接合套隨軸浮動，便于換檔。 圖B1所示，二中間軸之中心連線與水平線之間夾角，F(xiàn)uller 為19°，此角若過小，將使箱體寬度尺寸加大，攪油損失增加，此損失是影響變速器效率的主要因素；如果過大，則箱體高度尺寸加大，且使上方軸承潤滑條件變壞。 對稱布置的雙中間軸使第一軸、第二軸上齒輪所受徑向力相互平衡，使此二軸均不承受彎矩，而僅承受扭矩，放可使第一 軸、第二軸直徑減小。二中間軸亦因此所受彎矩減小1/2，可使軸保證足夠剛度（這是設(shè)計中間軸應(yīng)主要考慮的問題 ），以改善齒輪和軸承的工作條件，這對提高齒輪和軸承的壽命和降低噪音甚為有利。 附B2.4解決了軸承使用壽命問題 由上可知，輸入軸與輸出軸軸承所受徑向力的合力為零，傳動齒輪為直齒，無軸向力，軸承僅承受重力；中間軸的軸承所受徑向力減小近1/2,無軸向力。所有軸承受載荷情況均獲極大改善，這是造成此種變速器軸承壽命長的基本因素。 另外，主副箱中間軸的一端仍采用了承載能力較強的滾柱軸承，既獲容量大的好處，也是由于中間軸需采用游動式支承，且分離型軸承使裝折方便。主箱其余軸承雖為常見類型，但與傳統(tǒng)變速器比較，其壽命系數(shù)卻高了許多。 副箱輸出軸是由兩個反裝的圓錐滾子軸承支承，按分析主要是為了增強懸臂式軸的支承剛度及穩(wěn)定性，和增大軸承容量。 在軸承負荷較小的情況下，盡可能增大軸承容量，既可提高軸承壽命，使之與變速器總壽命相適應(yīng)；又可提高支承剛度，加強軸的運轉(zhuǎn)剛性，保證齒輪正確嚙合，提高齒輪壽命及降低噪音。新系列產(chǎn)品為降低噪音，又新設(shè)計了軸承，從而改進了軸承品質(zhì)。實際使用結(jié)果：Fuller雙中軸變速器在48萬公里內(nèi)無需更換軸承，此壽命值在同等級變速器中居世界最佳水平。 附B2.5主箱無同步器，采用拉型離合器配合換擋 Fuller雙中間軸變速器主箱沒有采用同步器，而是采用外齒接合套式換檔裝置。按理，對于扭矩容量大的變速器而言，由于齒輪大，轉(zhuǎn)動慣量大，換檔時在將要進入嚙合的轉(zhuǎn)速差較大的輪齒之間產(chǎn)生的沖擊力也大，造成換檔困難。因此，應(yīng)加裝同步器好。但采用同步器，當前需解決其使用壽命問題。大扭矩容量的西德ZF單中間軸變速器是享譽世界的產(chǎn)品,仍然存在同步器早期損壞的問題,此問題在世界各生產(chǎn)廠家也均未獲解決。Fuller雙中間軸變速器主箱沒有采用同步器，而是與拉型離臺器配合，實現(xiàn)同步換檔。它是在主箱第一軸上裝設(shè)一摩擦制動盤，當換檔分離離合器時，分離撥叉向后拉動分離軸承，將摩擦制動盤壓向第一軸端蓋，制動第一軸，以加速齒輪的同步過程，按此，它只能使第一軸作減速運動，故只可在原地起步及向上換擋時使用，而不能在向下?lián)Q檔時使用。 在設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)及計算方面進行了探索性的實踐，從原理和結(jié)構(gòu)上可做到在向上和向下?lián)Q檔時均可使用。 根據(jù)分析，這種裝置在簡化操作、縮短換檔時間、實現(xiàn)同步換檔上可起到與同步器相近的作用，但因這種結(jié)構(gòu)不具有同步器所具有的鎖止作用，要實現(xiàn)無沖擊換檔，還有賴于駕駛員操作的熟練程度。伊頓公司聲言在換檔機構(gòu)中，外齒接合套的花鍵齒兩端與相應(yīng)的齒輪花鍵孔之間均設(shè)計有大倒角，它在換檔過程中能起到一定的鎖止作用。這種獨特的換檔機構(gòu)，從美國重型汽車普遍使用的情況來看，是成功的，若經(jīng)改善?？赏耆〈狡鞯墓δ?，達到取消同步器的目的．這樣作的好處是明顯的，它避開了同步器這個難題，以及變速器壽命中的弱點，提高了變速器的工作可靠性，簡化了變速器結(jié)構(gòu)，使其軸向尺寸減短，質(zhì)量減輕，減少了對工藝和材料要求較高的零件，使變速器造價降低。 附B2.6全直齒齒輪傳動 Fuller雙中間軸變速器主箱和副箱的全部齒輪采用直齒齒輪常嚙合傳動，在國內(nèi)外大扭矩容量變速器中實為少見。除副箱驅(qū)動齒輪副是采用單徑節(jié)制齒輪外，余均是采用雙徑節(jié)制短齒齒輪，主箱和副箱之各檔齒輪均各取一種經(jīng)節(jié)，分別為6/7 和5/7，換算成模數(shù)為4.32/3.63和5.08/ 3.63(新系列產(chǎn)品的細齒齒輪，其模數(shù)小于1.27其齒形細長，易形成多齒嚙合)。主箱所有齒輪副的齒輪齒數(shù)為 22～23齒，全部齒輪采用小齒形角及正變位修正。為了達到新的交通法規(guī)對噪音的限制，伊頓公司對新系列產(chǎn)品采取了如下措施：（1）改進齒形結(jié)構(gòu)；（2）提高齒輪副重合系數(shù)；（3）提高齒輪精度（細齒系列齒輪精度比粗齒系列高一級，是使齒間負荷分布均勻）；（4）改進軸承品質(zhì)；（5）提高箱體剛性。取得了較好效果，新系列產(chǎn)品較老產(chǎn)品噪音強度降低了5～7。 分析以上結(jié)構(gòu)有如下特點（1）全部采用直齒齒輪，對整體式箱體的雙中間軸結(jié)構(gòu)，便于總成組裝與解體（2）采用短齒制齒輪可增強輪齒的抗彎強度，但同時也加重了直齒齒輪重合系數(shù)小的缺陷，采用小齒形角和多齒嚙合的辦法可彌補此缺陷，新系列產(chǎn)品的重合系數(shù)可達到2.2 （傳統(tǒng)設(shè)計重合系數(shù)僅1.5左右）。瑞典Scania公司生產(chǎn)的GR860主變速器采用全斜齒輪常嚙合傳動，其重臺系數(shù)為，1.45～1.68。重合系數(shù)的提高可改善齒輪嚙合性能，試驗表明：①降低了噪音；②使受表面疲勞影響的齒輪壽命有了明顯提高（因齒面壓力減小）；③較大重合度系數(shù)齒輪的抗沖擊能力高于低重合系數(shù)齒輪（因前者負荷分配較均勻），此能力是重型汽車變速器所要求的。（3）因采用小齒形角會降低齒根強度，故采用正變位修正齒輪，以增強齒根強度。（4）為了保證主箱二中間軸上齒輪與第一軸、第二軸上齒輪能同時嚙合，也使第二軸上齒輪能將負荷均勻地分配給二中間軸，故需保證第一軸、第二軸上齒輪的齒數(shù)均為偶數(shù)，中間軸上各齒輪均有一齒位于同一縱平面內(nèi)，且所有齒輪的模數(shù)相同。（7）因齒輪外徑較小，齒寬較窄，便于采用拉齒、剃齒等高效加工方式生產(chǎn)。 道路試驗結(jié)果表明：平均運行64萬公里的新系列產(chǎn)品，其可靠性系數(shù)為92%，80萬公里時為90%。說明此種變速器不僅結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，而且工作可靠，壽命指標居世界先進水平，耐用容易制造，是一成功的實例。 附B2.7主箱、副箱和箱體結(jié)構(gòu)特點 整個Fuller雙中間軸變速器系列族是以兩種中心距（135.128 與148.43 ）的五檔主箱為基本型，采取主箱變型和按單元組合原理，與不同副箱組合后，實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化標準化多品種生產(chǎn)，圖1所示主箱為此進行的結(jié)構(gòu)設(shè)計是很有特色的，其變型是在保持齒輪中心距不變和除齒輪外的其余零件基本不變更的情況下，用18對齒輪進行不同的組合，從而獲得8種不同速比組合的主箱。又如圖B1所示，在全套零件不變更的情況下，僅將齒輪與，齒輪與裝配位置互換后，又可獲得具有超速檔的主箱，從而使整個系列產(chǎn)品品種增加多種。對變型需要更換的零件采取花鍵聯(lián)接的組合結(jié)構(gòu)；第一軸、第二軸上所有齒輪的內(nèi)孔為同一規(guī)格的花鍵孔，使齒輪可按需要換位安裝；并因此采用外齒接合套式換檔機構(gòu)，且各檔通用。使主箱易于實現(xiàn)變型，也可實現(xiàn)等強度。因為整個產(chǎn)品的零件通用化程度高達70%以上，極大地方便了生產(chǎn)，獲得很高的經(jīng)濟效益。 副箱的二中間軸軸線與主箱二倒擋軸軸線共線，副箱與主箱的箱體為一整體，副箱內(nèi)全部零體均安裝在箱蓋上，成為一個總成，二速和三速副箱均如此，二者箱蓋通用，當變型時更換此總成即可，十分方便。 整體式箱體省去了主箱與副箱之間的殼體與軸承，使整個結(jié)構(gòu)緊湊、合理、縮短 了軸向尺寸，減輕了質(zhì)量，簡化了加工。 Fuller產(chǎn)品箱體的通用化程度高，同一齒輪中心距的單獨主箱，它的各種變型產(chǎn)品可通用一種箱體；組合相同的整體式箱也可通用一種箱體；箱體齒輪中心距僅有兩種卻覆蓋了整個系列族產(chǎn)品，這對大批量生產(chǎn)的變速器專業(yè)廠而言，意義是很大的。在變速器的生產(chǎn)中，箱體生產(chǎn)線個性最強，耗資最大，保持箱體生產(chǎn)線不變，不僅經(jīng)濟上十分合算，而且可迅速方便地適應(yīng)市場競爭的需要，使工廠具有很強的應(yīng)變能力。 附B3結(jié)論 由于Fuller變速器采取了一些獨特的結(jié)構(gòu)，極大地改善了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力狀況，它不僅具有性能指標先進、工作可靠、壽命長等突出優(yōu)點，而且結(jié)構(gòu)與加工工藝較簡單，與國外目前較新的幾種同級別單中間軸變速器相比較，如西德的ZF變速器、瑞典Scania的GR860和VOLVO的SR61、法 國Berllet的BRL3 和NM9—150、蘇聯(lián)的RM3-201和日本尼桑的THM501等，它們性能指標不及Fuller雙中間軸變速器，但精度要求、制造難度均超過后者。按我國當前的工藝水平，借鑒后者的設(shè)計與制造技術(shù)在品質(zhì)上較易過關(guān)。此種變速器雖多一個中間軸總成，只不過增加了零件數(shù)量，質(zhì)量并未增加，高效生產(chǎn)可彌補所增成本，更因它工作可靠性好、壽命長，在使用中可增效益、減損耗，使它所獲總的經(jīng)濟效益是可取的。我國現(xiàn)引進了此種變速器的制造技術(shù)，對促進我國汽車變速器的設(shè)計、制造技術(shù)迅速達到世界先進水平將起到積極作用。此外，此種變速器設(shè)計構(gòu)思周密、新巧，設(shè)計、試驗方法嚴謹，有助于開拓思路，這是具有長遠意義的。