汽車手動(dòng)5擋變速器演示臺(tái)的設(shè)計(jì)

陳典 劉清

（武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院 430056)

汽車手動(dòng)5擋變速器演示臺(tái)的設(shè)計(jì)

陳典 劉清

（武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院 430056)

手動(dòng)變速器是汽車的心臟，它為車輛的變速行駛提供了源源不斷的動(dòng)力。汽車手動(dòng)變速器演示臺(tái)的設(shè)計(jì)，在不需要耗費(fèi)大量的場(chǎng)地和時(shí)間的情況下，用數(shù)據(jù)代替實(shí)際變速器展現(xiàn)變速器擋位變換和傳動(dòng)比的相關(guān)屬性。該演示臺(tái)，能夠輔助教師相關(guān)理論的講解，用數(shù)據(jù)充實(shí)傳動(dòng)比求證的過程，為學(xué)生的實(shí)訓(xùn)提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工具，鍛煉他們的實(shí)踐及動(dòng)手能力。

汽車手動(dòng)變速器；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；演示臺(tái)；3D打印

0 引言

如今，汽車產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為中國經(jīng)濟(jì)的標(biāo)志性產(chǎn)業(yè),極大的影響了人們的生活，也促進(jìn)了汽車各系統(tǒng)部件的發(fā)展，其中擴(kuò)大汽車對(duì)于不同路面的速度適用范圍的變速器尤為重要。伴隨著汽車市場(chǎng)的繁榮,變速器行業(yè)也在快速發(fā)展，形成了一批頗具規(guī)模的變速器企業(yè)[1]。手動(dòng)變速器作為變速器發(fā)展的基礎(chǔ)，能夠充分體現(xiàn)人們的主觀操作性，因此對(duì)手動(dòng)變速器知識(shí)的普及勢(shì)在必行。然而目前手動(dòng)變速器的教學(xué)還存在著諸多問題，其中教師授課理論性過強(qiáng)，學(xué)生不太理解變速器動(dòng)態(tài)過程演示，汽車專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力不足等問題較為突出。

1 設(shè)計(jì)背景

手動(dòng)變速器是汽車中非常重要的部件，是汽車專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的知識(shí)點(diǎn)，目前我國汽車教育機(jī)構(gòu)多采用變速器實(shí)物解剖的教學(xué)方式，直接講解理論，學(xué)生認(rèn)識(shí)非常不直接[2]，且無法實(shí)現(xiàn)換擋變速的動(dòng)態(tài)過程演示。為了普及手動(dòng)變速器的知識(shí)，豐富汽車專業(yè)教師的授課過程，驗(yàn)證手動(dòng)變速器的傳動(dòng)比，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，手動(dòng)變速器演示臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示滿足設(shè)計(jì)要求的手動(dòng)變速器演示臺(tái)，重點(diǎn)展現(xiàn)了換擋變速動(dòng)態(tài)過程的演示，傳動(dòng)比的求證和提升學(xué)生實(shí)踐能力的功能。該演示臺(tái)主要由演示臺(tái)架，動(dòng)力輸入裝置，顯示裝置，變速器操縱機(jī)構(gòu)，備用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件，變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。設(shè)定電動(dòng)機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)以10 r/min的轉(zhuǎn)速帶動(dòng)變速器輸入軸旋轉(zhuǎn)，顯示屏顯示輸出軸軸端傳感器感應(yīng)的數(shù)據(jù)。

演示臺(tái)架采用透明材料亞克力制造，能清晰的觀察變速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；動(dòng)力輸入裝置為演示臺(tái)提供相應(yīng)動(dòng)力，其中變速器輸入軸的動(dòng)力源于電機(jī)，外部為演示臺(tái)的顯示裝置和傳感裝置提供相應(yīng)的電能；顯示裝置直觀顯示不同擋位下變速器輸入軸及輸出軸的轉(zhuǎn)速大小；為符合實(shí)際情況，變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，變速器操縱機(jī)構(gòu)的制作材料均采用鋁合金。演示臺(tái)配置有一整套的變速器的3D備用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件，滿足學(xué)生的動(dòng)手拆裝實(shí)訓(xùn)。這些零件可大大的節(jié)省試驗(yàn)臺(tái)的制造成本，對(duì)于損壞件和遺失件能夠快速補(bǔ)充。

對(duì)于齒輪，由于工作強(qiáng)度大，為保證齒輪的使用壽命，需要對(duì)齒輪的彎曲應(yīng)力σw和輪齒接觸應(yīng)力σj進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，算出輸入軸及輸出軸各個(gè)齒輪的彎曲應(yīng)力σw和接觸應(yīng)力Ρj。

各前進(jìn)擋齒輪模數(shù)均為8，倒擋齒輪模數(shù)均為4。設(shè)計(jì)出下列如表1和表2所示參數(shù)的各擋齒輪。查閱相關(guān)資料設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的齒輪數(shù)。查表知，各齒輪的彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足σw≤[σw]=400 MPa，同理接觸應(yīng)力應(yīng)滿足σjw≤[σj]=200 MPa。

根據(jù)以上計(jì)算，所得的各擋齒輪彎曲應(yīng)力均滿足σw≤[σw]，接觸應(yīng)力均滿足σjw≤[σj]。因此演示臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)均在允許范圍內(nèi)，故該演示臺(tái)設(shè)計(jì)合理。

表3 實(shí)際各擋輸出轉(zhuǎn)速表

3 功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)出的演示臺(tái)，接通演示臺(tái)電源后，開啟演示臺(tái)開關(guān)，電動(dòng)機(jī)通電旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)變速器輸入軸旋轉(zhuǎn)，傳感器將感應(yīng)到的變速器輸出軸轉(zhuǎn)速反映在顯示屏上，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件進(jìn)行變速器換擋功能的講解，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)變速器顯示動(dòng)態(tài)特性的功能。

當(dāng)變速器演示臺(tái)的換擋撥叉調(diào)至各個(gè)擋位時(shí)，顯示屏顯示數(shù)據(jù)no=10 r/min，此時(shí)，記錄10次ni的顯示屏數(shù)據(jù)如表3所示。

將記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在排除接觸摩擦等外在因素的影響下，理論上no=10 r/min時(shí)，1擋的顯示轉(zhuǎn)速應(yīng)在4.2～4.3 r/min，2擋的顯示轉(zhuǎn)速應(yīng)在5.1～5.2 r/min，3擋的顯示轉(zhuǎn)速應(yīng)在6.1～6 r/min，4擋的顯示轉(zhuǎn)速應(yīng)在7.2～7.3 r/min，5擋的顯示轉(zhuǎn)速應(yīng)在9.9～10.0 r/min，倒擋的顯示轉(zhuǎn)速應(yīng)在4.0～4.1 r/min。很明顯的可以看出，大部分轉(zhuǎn)速都趨近于標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，表明演示臺(tái)及其顯示電路及傳感器均正常，齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)及其嚙合也均合理。

綜上，變速器各擋位的設(shè)計(jì)參數(shù)合理，各機(jī)構(gòu)均能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，即該演示臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)變速器換擋變速動(dòng)態(tài)過程的演示功能。

4 前景展望

在本設(shè)計(jì)中，演示臺(tái)除了顯示裝置的數(shù)據(jù)可演示變速器的動(dòng)態(tài)過程的特點(diǎn)外，透明實(shí)驗(yàn)臺(tái)架可顯示變速器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，備用零部件（模擬變速器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）可提高學(xué)生的拆裝實(shí)踐能力，變速器操縱機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)有效的組合。結(jié)合目前變速器演示臺(tái)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)程度，可以向三方面人群推廣。

(1)向汽車相關(guān)專業(yè)學(xué)校宣傳推廣。本演示臺(tái)，體積小，成本低，可顯示轉(zhuǎn)速，用數(shù)據(jù)充實(shí)老師的課程講解，同時(shí)利用新興的3D技術(shù)，及時(shí)補(bǔ)充損失部件，最大化地發(fā)揮變速器演示臺(tái)的輔助教學(xué)和鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的作用。

(2)向汽車相關(guān)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)推廣。對(duì)于本演示臺(tái)，成本低，可塑性強(qiáng)，根據(jù)不同汽車培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的培訓(xùn)需求，本演示臺(tái)在后期可以進(jìn)行多方位變速器功能的補(bǔ)充，使得汽車培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的的成本投入相對(duì)較低，促進(jìn)汽車培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的發(fā)展。

(3)向科普機(jī)構(gòu)（如科技館）推廣。演示臺(tái)機(jī)電結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，整體極具觀賞價(jià)值。通過向庫普機(jī)構(gòu)如科技館推廣，滿足部分人群（例如小孩）對(duì)科學(xué)的好奇心，從小培養(yǎng)他們的科學(xué)興趣，促進(jìn)科學(xué)乃至社會(huì)的發(fā)展。

[1]劉廣文.三軸五擋手動(dòng)手動(dòng)變速器[D].哈爾濱劍橋?qū)W院,2012.

[2]徐瑞霞.基于"慧魚"模型的機(jī)械教具百寶箱設(shè)計(jì)與制作[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2016,02：52-54.

U461.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

陳典（1994—），男，學(xué)生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與新能源汽車市場(chǎng)調(diào)查等。通訊作者：劉清副教授。