某減速機換擋結構分析及優化設計

楊志龍，黨昱

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.延長石油集團，陜西 西安 710061）

某減速機換擋結構分析及優化設計

楊志龍，黨昱

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.延長石油集團，陜西 西安 710061）

文章以某減速機換擋機構為研究對象，通過對其在換擋過程中受力點的位置、布局以及整體結構，結合力學知識進行分析，從而設計出最完善、合理的結構。最終結果表明，優化后的換擋結構在同等工況下能夠自由換擋，對減速機換擋的平順性、穩定性以及使用壽命都大大增強，同時還使得整體結構布局更加緊湊。

換擋結構；撥叉；減速機

Abstract:In this paper, a gear shifting mechanism as the research object, through the force in the process of shifting the location, layout and overall structure, combined with the knowledge of mechanics analysis, and design a reasonable structure of the most perfect. The final results show that the optimized structure can shift freely shift under the same condition, the gear shift smoothness, stability and service life are greatly enhanced, but also makes the whole structure more compact layout.

Keywords: Shift structure; shifting fork; reducer

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-73-02

前言

自從減速機誕生至今，換擋組件已經成為其重要的零部件之一，其作為過渡件將外部操作與內部齒輪組連接起來，通過對不同齒輪間的結合與斷開，實現不同速比的動力傳輸，達到所需的運動狀態。在換擋運動過程中，由于撥叉兩端的受力不均勻以及中心距尺寸過大，同時由于不同材料固有屬性的特質會有差別，在運動過程中零部件會出現不同程度的形變與彎曲，對有于效嚙合寬度、受力區間和換擋的可靠性都有影響，嚴重的可能出現打齒、磨損，甚至齒根斷裂等危險情況。所以，為了保障減速機順暢換擋的可靠性，對減速機中的換擋結構進行深入的分析很有必要，并在不影響性能的前提下盡可能的做出最優的結構。

1 模型的建立與分析

通過對某減速機內部結構的三維數模的構建，分析其在換擋時的可行性。

圖1 內部撥叉結構

如圖1所示，4組嚙合套，通過1、2、3、4四個撥叉，共用一根撥叉軸同步操作，同步實現每組齒輪間所需嚙合或脫開的規定動作。從理論上講，這種結構既能做到同步運動又能保證相互之間的機械互鎖。可以完美的實現預期效果。

但是，經過實物加工試驗后發現存在以下幾方面問題需及時改進：

1）由于減速機客觀裝配、布置因素的限制，其尺寸相對比較大，按比例換算到換擋結構處，導致撥叉體積比較大，同時為了滿足力學性能，又比較厚重。（見圖2所示）

圖2 撥叉形狀

2）撥叉過大的中心距（如3、4號撥叉）使得撥叉長度過長，在操作過程中，容易引起形變，往往操縱端設定的工作行程，傳遞到嚙合套處時，嚙合面達不到理論值（例如撥叉軸端標定10mm的位移量，經過形變放大到撥叉末端，只有5mm的位移量），出現檔位摘不下來，或檔掛不完全的情況。各撥叉的詳細參數可參見下表1：

表1 撥叉參數

3）四組齒輪的同步運動，會使得當4號嚙合套還沒有完全脫開的前提下，1、3號嚙合套已經開始邊緣點接觸，進而由點接觸到面接觸的過渡狀態，由于傳動系統不同模式下對應不同的傳對比，一組齒輪組沒完全脫開，另組齒輪組又開始進入嚙合狀態，容易導致打齒、磨齒、掛不上檔位甚至卡死的情況出現。

鑒于以上存在的三個問題，每一個隱患都能引起減速機的失效。所以，改進換擋結構，是當機立斷必須走出關鍵的一步，關系到整個產品的可操作性。

2 優化結構并分析驗證

改進方法：保證各齒輪組之間相對位置不變的情況下，對4組齒輪單獨進行控制，通過四個獨立的氣缸連接不同的氣路，每個氣缸分進氣和排氣兩個氣口，并能實現反向進排氣。同時在電器方面，用四個獨立的電磁閥分別控制，相互之間實現互鎖，保證各齒輪組間的嚙合與斷開按既定的邏輯執行，嚙合套完全脫開到位后，給出電信號，才能進行下一步動作，避免了卡齒、卡死的情況出現。各撥叉的安裝位置，以及操作方式如下圖3所示。

圖3 優化后的撥叉模型

由于采用了獨立操縱的設計，使得每個撥叉的尺寸相比之前都變得小很多，重量也減輕了一半左右，同時將1、2、3號氣缸軸布置為同一水平線處，使得外觀統一、美觀。4號撥叉，由于考慮外部箱體尺寸，以及與整車其他零部件相匹配等等客觀條件的制約，在保證性能不變的情況下，對撥叉的尺寸及受力后的形變通過CAE分析，通過在薄弱處鍛造加強筋、在過于堅固處挖空、變截面等手段，來滿足最終的性能需求。優化后的撥叉參數詳見下表2：

表2 優化后的撥叉參數

3 總結

綜上所述，通過科學的理論分析以及后期產品的驗證，優化后的減速機完全達到了預期的目標。此減速機改進型的換擋結構已于2015年開始在機械靜壓傳動箱產品中使用，能夠流暢換擋且效果顯著。

[1] 王文斌.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2006.4.

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[3] 濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2006.5.

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Analysis and optimum design of gear shift structure of a reducer

Yang Zhilong, Dang Yu
( 1.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200; 2.Shaanxi Yanchang Petroleum,Shaanxi Xi'an 710061）

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-73-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.026

楊志龍（1988-），男，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，從事零部件設計。