劉 清,桂 偉,陳曉航

（武漢商學(xué)院,武漢 430056）

汽車手動(dòng)換擋變速演示臺(tái)的研制

劉 清,桂 偉,陳曉航

（武漢商學(xué)院,武漢 430056）

介紹了一種自主研發(fā)的汽車手動(dòng)三級換擋變速演示教具（已獲實(shí)用新型專利）。為了使學(xué)生了解汽車手動(dòng)操縱式齒輪變速器的基本組成及工作原理，以三級換檔變速為例，展示操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)作下變速器是如何實(shí)現(xiàn)不同傳動(dòng)比的輸出。通過機(jī)械零件設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)演示了增速、減速、空擋時(shí)的輸入及輸出轉(zhuǎn)速，直觀展示了汽車手動(dòng)換擋變速的實(shí)現(xiàn)。

手動(dòng)換擋；變速器；演示臺(tái)

0 引言

為了滿足汽車起步、爬坡、高速行駛等駕駛的需要，變速器應(yīng)運(yùn)而生。它能在發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間產(chǎn)生不同的變速比，使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其最佳的動(dòng)力性能狀態(tài)下。汽車變速器按照操控方式可分為手動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器兩種。手動(dòng)變速器MT，主要由齒輪和軸組成，撥動(dòng)操縱桿改變箱內(nèi)齒輪的嚙合位置，從而改變傳動(dòng)比，達(dá)到變速的目的；而自動(dòng)變速器AT是由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統(tǒng)組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達(dá)到變速變矩。為了使學(xué)生直觀了解汽車手動(dòng)操縱式齒輪變速器的基本組成及工作原理，特研發(fā)此教具，展示操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)作下變速器是如何實(shí)現(xiàn)不同傳動(dòng)比的輸出。

1 設(shè)計(jì)方案

汽車手動(dòng)變速箱的結(jié)構(gòu)已很經(jīng)典，制造技術(shù)也相當(dāng)成熟，但是如何設(shè)計(jì)出一種教學(xué)上的汽車手動(dòng)換擋變速演示儀，卻有很大的難度。手動(dòng)變速器現(xiàn)有的教學(xué)模型主要有三類，一類是塑料模型采取仿真的方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的工作過程展示；第二類是采用電動(dòng)裝置程序化控制的演示教板；第三類是汽車手動(dòng)變速器的實(shí)物解剖教具。塑料透明教具重量輕，便于攜帶，但各零部件相對獨(dú)立，仿真的精細(xì)化程度不高，質(zhì)量差，教學(xué)效果不佳。因此，演示臺(tái)的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下目的：生動(dòng)實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程的教學(xué)，全面展示汽車手動(dòng)換擋變速器的結(jié)構(gòu)與工作原理，為學(xué)生提供操作性強(qiáng)的實(shí)踐項(xiàng)目。從而增強(qiáng)課堂教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，促進(jìn)專業(yè)教師業(yè)務(wù)水平的提升。

1.1 工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)通過曲軸把動(dòng)力傳遞給離合器,離合器傳遞給變速器，變速箱傳遞給傳動(dòng)軸連接到車輪，提供車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。手動(dòng)變速器，又稱手動(dòng)擋，由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)兩大部分組成。變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由齒輪組、輸入軸、輸出軸、中間軸、同步器、軸承和變速器殼等組成。它的工作原理就是通過切換不同的齒輪組，來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的變換。離合器傳遞來的動(dòng)力通過動(dòng)力輸入軸直接傳遞給齒輪組，齒輪組是由齒數(shù)不同的齒輪構(gòu)成的，駕駛中的換擋就是使不同傳動(dòng)比的齒輪嚙合，達(dá)到完全不同的動(dòng)力輸出效果。圖1是一個(gè)三軸三擋變速器的結(jié)構(gòu)模型。

動(dòng)力輸入軸通過離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸入，通過一對常嚙合的齒輪，輸入軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了中間軸的旋轉(zhuǎn)。中間軸上設(shè)置了兩個(gè)不同齒數(shù)的齒輪，分別與兩個(gè)從動(dòng)齒輪嚙合，獲得兩個(gè)擋位的輸出軸輸出，最后通過差速器來驅(qū)動(dòng)汽車。

為了保證順利地?fù)Q擋，結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)重要的部件——同步器。同步器就是在結(jié)合套和齒輪組上布置的摩擦片，但它的摩擦面是錐形的。這組摩擦片的作用是在直齒和圓盤的立齒相接觸以前，提前進(jìn)行摩擦，使轉(zhuǎn)速較大的一方將能量傳遞給轉(zhuǎn)速較小的一方，帶動(dòng)其提升轉(zhuǎn)速，達(dá)到與高轉(zhuǎn)速的一方轉(zhuǎn)速同步，這樣不僅可以保證正常換擋，還能起到緩沖的作用。中間軸上的兩個(gè)齒輪與動(dòng)力輸出軸上相嚙合的兩個(gè)齒輪是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，如果沒有同步器的接合，兩個(gè)齒輪只能在動(dòng)力輸出軸上空轉(zhuǎn)，相當(dāng)于變速器掛了空擋。撥動(dòng)換擋叉，同步器和齒輪接合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力就會(huì)通過中間軸傳遞到輸出軸上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的輸出，而未被接合的齒輪作自由旋轉(zhuǎn)，不對花鍵軸產(chǎn)生影響。

1.2 演示臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)汽車手動(dòng)操縱式齒輪變速器的基本組成及工作原理，演示臺(tái)設(shè)計(jì)成兩軸三擋變速器，主動(dòng)軸與一低速電機(jī)直連，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸入，三擋變速分別為增速、減速與空擋。演示臺(tái)的創(chuàng)新之處就是通過操縱組件的動(dòng)作，能直觀顯示主動(dòng)軸及從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。

三級換擋變速演示臺(tái)由操縱組件、變速傳動(dòng)組件和轉(zhuǎn)速數(shù)顯三部分組成，其中操縱組件由搖桿手柄、搖桿接頭、撥叉、撥叉軸、自鎖裝置組成，變速傳動(dòng)組件由齒輪、支承軸、同步器、接合齒、活動(dòng)齒套所組成。圖2為汽車三級手動(dòng)換擋變速演示臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸兩端配有彈性聯(lián)軸器、電機(jī)（含正反轉(zhuǎn)）和光電角位移傳感器，光電角位移傳感器所測得的轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)數(shù)顯，上側(cè)顯示的是主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n0，左右兩側(cè)分別顯示三級擋位下從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1和n2。

為了保證變速器能夠準(zhǔn)確無誤地掛擋，并安全、可靠地工作，特設(shè)置了自鎖裝置，含自鎖彈簧與自鎖鋼珠。當(dāng)需要換擋時(shí)，通過搖桿手柄對撥叉軸施加一定的軸向力，克服彈簧的壓力而將自鎖鋼珠從撥叉軸凹槽中擠出并推回孔中，撥叉軸便可滑過鋼球進(jìn)行軸向移動(dòng)，并帶動(dòng)撥叉及相應(yīng)的活動(dòng)齒套軸向移動(dòng)，如圖3所示。

根據(jù)演示臺(tái)的尺寸大小，設(shè)計(jì)減速擋主從動(dòng)齒輪與增速擋主從動(dòng)齒輪，模數(shù)均取為1.5mm。減速擋齒輪齒數(shù)分別為Z1=38，Z2=46，增速擋齒輪齒數(shù)分別為Z1=43，Z2=41。由于輸入軸轉(zhuǎn)速較低，齒輪均設(shè)計(jì)成圓柱直齒齒輪。

2 演示臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)

傳動(dòng)組件是變速器的主體，由兩對相互嚙合的齒輪、同步器及其支承軸組成，殼體選用透明材料制作，使學(xué)員能清晰掌握零件組成及其連接方式，并觀察其不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。主動(dòng)軸由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，中部設(shè)計(jì)了主動(dòng)軸的固定轂與活動(dòng)套齒相配合，減速、增速擋位的主動(dòng)齒輪分別與接合齒固聯(lián)，同步環(huán)與接合齒采用錐形螺紋的摩擦連接；操縱組件含搖桿手柄、搖桿接頭、撥叉等構(gòu)件，通過左中右移動(dòng)撥叉，分別實(shí)現(xiàn)兩對不同齒數(shù)齒輪的嚙合，得到三種不同的從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速輸出，從而實(shí)現(xiàn)減速、空擋、增速換擋變速；轉(zhuǎn)速的數(shù)顯部分能分別實(shí)時(shí)顯示主動(dòng)軸及兩級從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向，直觀展現(xiàn)手動(dòng)操縱式換擋變速的結(jié)果。

接通電源，電機(jī)低速旋轉(zhuǎn)，操縱搖桿手柄處于中間位置，為空擋狀態(tài)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，n0顯示為電機(jī)的轉(zhuǎn)速（9.7rad/ m），而主動(dòng)齒輪空轉(zhuǎn)無動(dòng)力輸出，從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為零；向左撥動(dòng)搖桿手柄，撥叉向右移動(dòng)，使得主動(dòng)軸上齒數(shù)為38的小齒輪與從動(dòng)軸上齒數(shù)為46的大齒輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)主動(dòng)軸、活動(dòng)齒套、接合齒、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪至從動(dòng)軸輸出，n2顯示轉(zhuǎn)速為8.1 rad/m，此為減速擋；向右撥動(dòng)搖桿手柄，撥叉向左移動(dòng)，同理使得主動(dòng)軸上齒數(shù)為43的大齒輪與從動(dòng)軸上齒數(shù)為41的小齒輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，n1顯示轉(zhuǎn)速為10 rad/m，此為增速擋。

3 結(jié)語

目前我國汽車相關(guān)專業(yè)在變速器的教學(xué)過程中，多采用實(shí)物解剖的方法向?qū)W生傳授內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但無法實(shí)現(xiàn)換擋變速的動(dòng)態(tài)過程演示，為了激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果，特研發(fā)這一教具，直觀展示手動(dòng)變速器的基本組成及工作原理。

演示臺(tái)創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與換擋操縱機(jī)構(gòu)之間的有效連接，顯示不同擋位下主動(dòng)軸及從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速大小，學(xué)生能清晰掌握零件組成及其連接方式，觀察其不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并能實(shí)現(xiàn)零部件的拆裝，對于汽車相關(guān)專業(yè)學(xué)員的實(shí)踐教學(xué)具有較強(qiáng)的推廣意義。

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湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目：B2015390《汽車手動(dòng)三級換擋變速演示臺(tái)的研制》

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.229

劉清（1973-），女，福建人，副教授，研究方向：流體機(jī)械專業(yè)。