馬宗正

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,河南 鄭州 451191)

變速器是汽車傳動系統(tǒng)的主要組成之一，其作用是擴(kuò)大發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，同時(shí)還能夠使發(fā)動機(jī)在有利的工況下(功率較高、油耗較低)工作[1].雖然自動變速器與手自一體式變速器有了長足的發(fā)展，但裝配手動變速器的汽車在加速和超車時(shí)比自動變速車更快更省油，所以手動變速箱仍然有廣闊的市場.但是，手動變速箱在設(shè)計(jì)過程中需要用到大量的公式，如果采用手工計(jì)算，效率和準(zhǔn)確度都難以得到保證，而現(xiàn)有的變速箱設(shè)計(jì)軟件價(jià)格又非常高.近年來，為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢.目前，乘用車一般用4～5個擋位的變速器[2-3].為此，以VC++作為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了汽車變速箱主要參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)復(fù)雜計(jì)算的簡易化并縮短開發(fā)周期.

1 汽車變速箱主要參數(shù)設(shè)計(jì)原理

1.1 主減速比的確定

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系為

(1)

其中，uα為汽車行駛速度，n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r為車輪滾動半徑，ig表示變速器傳動比，i0表示主減速器傳動比.

由式(1)可知，在已知汽車最高車速、發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速的情況下，超速擋傳動比和主減速比知道其一即可得到另一數(shù)值，本設(shè)計(jì)選擇指定主傳動比為已知.

1.2 最低檔傳動比的確定

選擇最低檔傳動比時(shí)應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動輪與路面的附著力、汽車的最低穩(wěn)定車速、主減速比和驅(qū)動輪的滾動半徑來綜合考慮.

按照最大爬坡度設(shè)計(jì)，滿足最大通行能力的條件，即用一檔通過要求的最大坡度角αmax坡道時(shí)，驅(qū)動力應(yīng)大于或者等于此時(shí)的滾動阻力和上坡阻力(加速度為0，空氣阻力忽略不計(jì))，用公式表示如下：

(2)

式(2)中，G為車輛總質(zhì)量，f為坡道滾阻系數(shù)，Te為發(fā)動機(jī)最大扭矩，ηt為傳動效率，αmax為最大坡度角.

滿足不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)的條件，即用一檔輸出最大驅(qū)動力時(shí)驅(qū)動輪不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，用公式表述如下：

(3)

式(3)中，Gg為汽車滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動橋給路面的載荷；φ為路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取φ=0.5～0.6.

1.3 中間檔位傳動比的確定

1.4 中心距

中心距對變速器的尺寸及質(zhì)量有直接影響，所選的中心距應(yīng)能保證齒輪的強(qiáng)度[4].三軸式變速器的中心距A(mm)可根據(jù)對已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初定：

(4)

式(4)中,KA為中心距系數(shù).對于轎車，KA=8.9～9.3.

1.5 軸向尺寸

變速器的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒擋中間齒輪和換擋機(jī)構(gòu)的布置初步確定.

轎車四擋變速器殼體的軸向尺寸為(3.0～3.4)A，當(dāng)變速器選用常嚙合齒輪對數(shù)和同步器多時(shí)，中心距系數(shù)KA應(yīng)取給出系數(shù)的上限.為檢測方便，A取整數(shù).

1.6 齒輪模數(shù)

同步器和嚙合套的接合大都采用漸開線齒形.由于制造工藝上的原因，同一變速器中的接合套模數(shù)都取相同數(shù)值，轎車和輕型貨車取2～3.5.

1.7 齒形、壓力角、螺旋角和齒寬

汽車變速器齒輪的齒形、壓力角α及螺旋角β按表1選取.

表1 汽車變速器齒輪的齒形、壓力角α與螺旋角β

需要注意的是，壓力角較小時(shí)，重合度大、傳動平穩(wěn)、噪聲低；壓力角較大時(shí)，輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度增加.一般來說，對于轎車來說，為加大重合度以降低噪聲，取小些；對于貨車來說，為提高齒輪承載力，取大些.

齒輪寬度的大小直接影響齒輪的承載能力，齒寬的選擇原則是在保證齒輪強(qiáng)度條件下盡量選取較小的齒寬.

通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來選定齒寬：直齒b=(4.5～8.0)m，斜齒b=(6.0～8.5)m.

1.8 各擋傳動比及其齒輪齒數(shù)的確定

在初選了中心距、齒輪的模數(shù)和螺旋角后，可根據(jù)預(yù)先確定的變速器擋數(shù)、傳動比和結(jié)構(gòu)方案來分配各擋齒輪的齒數(shù).

上式中，根據(jù)初選的A及m計(jì)算出的ZΣ可能不是整數(shù)，需將其調(diào)整為整數(shù)，再以這個修正后的中心距為以后計(jì)算的依據(jù).

1.8.1 確定長嚙合齒輪副的齒數(shù)

1.8.2 確定其他擋位的齒數(shù)

按同樣的方法可分別計(jì)算出三擋齒輪Z5和Z6,四擋齒輪Z3和Z4.

1.8.3 確定倒擋齒輪的齒數(shù)

一般情況下，倒擋傳動比與一擋傳動比較為接近，在本設(shè)計(jì)中倒擋傳動比與一擋傳動比相等；中間軸上倒擋傳動齒輪的齒數(shù)比一擋主動齒輪的齒略小，本設(shè)計(jì)取一擋主動齒輪少一齒；而通常情況下，倒擋軸齒輪Z13取21～23.

1.9 變速器軸

變速器軸的確定和尺寸，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)布置上的要求并考慮加工工藝和裝配工藝要求而定[5].可由下列經(jīng)驗(yàn)公式初步選定：

第一軸和中間軸的直徑d=(0.4～0.5)A;

為保證設(shè)計(jì)的合理性，軸的強(qiáng)度與剛度應(yīng)有一定的協(xié)調(diào)關(guān)系,所以軸的直徑d與軸長度L的關(guān)系可按下式選?。?/p>

第一軸和中間軸的d/L=0.16～0.18；

第二軸的d/L=0.18～0.21.

2 程序化實(shí)現(xiàn)

具體的程序化實(shí)現(xiàn)過程可分三步完成,如圖1所示.

圖1 程序化實(shí)現(xiàn)步驟

第一步為基本界面的設(shè)計(jì)，主要包括基本開發(fā)界面的建立、基本控件的添加和顯示界面的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)過程中用到的主要控件有文本框、標(biāo)簽(用于顯示文本信息)、命令按鈕(用于觸發(fā)相應(yīng)的事件過程)、列表框(顯示計(jì)算結(jié)果)和圖形框等[6].其中，文本框的作用是用于接受數(shù)據(jù)輸入，在本系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)的輸入，包括主減速比、最高時(shí)速、最大扭矩、最大功率、最高轉(zhuǎn)速、傳動功率、滿載時(shí)對地面的靜載荷及路面附著系數(shù)及車輪直徑；標(biāo)簽的作用是用于顯示數(shù)據(jù)，但是不接受輸入，用以顯示輸入?yún)?shù)的說明和顯示輸出結(jié)果；列表框的作用與此類似，也是用于顯示數(shù)據(jù)，不同點(diǎn)是可以多行輸出；命令按鈕的作用是執(zhí)行某個命令，當(dāng)按鈕控件被按下時(shí)實(shí)現(xiàn)程序的計(jì)算；圖形框的作用是顯示位圖、圖標(biāo)、方框和圖元文件，通過插入資源選項(xiàng)中的位圖，可在工程中實(shí)現(xiàn)圖片顯示，在本設(shè)計(jì)中用于顯示具體參數(shù)的實(shí)際位置.

最終建立的總體界面分為兩部分，一是輸入?yún)?shù)部分，主要用于基本參數(shù)的輸入；二是輸出部分，主要用于計(jì)算結(jié)果的輸出.另外，為了便于理解輸入?yún)?shù)，還添加了輔助圖片，用以表示輸入和輸出參數(shù)的具體定義.

第二步是程序的編寫，通過軟件編程的方式將上述基本公式實(shí)現(xiàn)，從而獲得具體參數(shù).

第三步是系統(tǒng)驗(yàn)證.

3 分析實(shí)例

利用國內(nèi)某款汽車的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，其中主減速比為4.782,最高時(shí)速為190 km/h,發(fā)動機(jī)最大扭矩為170 N·m,發(fā)動機(jī)最大功率為95 kW,滿載時(shí)對地面的靜載荷為1 800 kg,路面附著系數(shù)為0.5,發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為5 750 r/min,車輪半徑為0.337 25 m.

圖2所示的為建立的總體界面及在該系統(tǒng)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，由此可見開發(fā)的系統(tǒng)能夠正常工作，可為變速器的開發(fā)提供適當(dāng)?shù)膮⒖?

圖2 分析實(shí)例結(jié)果

4 結(jié)束語

對汽車變速器主要參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了程序化設(shè)計(jì)，并對程序進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?yàn)槠囎兯倨鞯脑O(shè)計(jì)提供一定的參考.

參考文獻(xiàn)：

[1] 張文春.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

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[3] 何東偉,王國華,吳光強(qiáng).基于Matlab的電動汽車變速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2008(17):66-68.

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[5] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[6] 宋坤,劉銳寧.Visual C++程序設(shè)計(jì)自學(xué)手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008.