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机械式汽车变速器的速比配置分析 3 蔡炳炎,徐 勇,林 宁 (武汉理工大学 汽车学院,湖北 武汉 430070) 摘 要:汽车变速器是汽车上的重要部件,为保证汽车必要的动力性和经济性指标,必须合理选择和配置变速器档位及各档速比。通 过对变速器等比级数速比配置、 偏置等比级数速比配置的理论分析,从经济性和加速性两方面分析对比两种速比配置,在总 档位数和一档速比确定后,合理的分配变速器各档速比。 关键词:变速器;总档数;等比级数;偏置等比级数 中图分类号: TH123 文献标识码:A 文章编号: 1007 - 4414 (2005) 02 - 0019 - 03 1886年,世界上诞生的第1辆汽车的并未装有变速器,直 到1902年才由法国人造出了第1部装有变速器的汽车。目 前,绝大多数汽车仍采用机械式变速器,分动器,主减速器,构 成整车的传动系,其结构简单,操纵方便,造价低廉仍不失为 汽车传动系中的主要部件。在传动系中设置变速器是由于汽 车上广泛采用的活塞式内燃机,其转矩和转速变化范围较小, 而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的 范围内变化 1。为此在传动系中设置了变速器。它的功用 是: 改变传动比,扩大驱动轮转矩和转速的变化范围,以适 应经常变化的行驶条件,同时使发动机在有利(功率较高而油 耗较低)的工况下工作。 在发动机旋转方向不变的前提下, 使汽车能倒退行驶。 利用空挡,中断动力传递,以使发动机 能够起动、 怠速,便于变速器换档,使汽车滑行和停车。需 要时,还可以加装动力输出器,进行动力输出。 设计变速器时要用到资料有:汽车的种类及用途,发动机 的参数(功率/转速和扭矩/转速 ) , 最大车速(最高档传动 比 ) , 最大爬坡度(最低档传动比 ) , 最大牵引力(最低档的输 出扭矩)。汽车行驶的工况各不相同,各档的利用率也不一 样,为保证汽车必要的动力性和经济性指标,必须合理选择和 配置变速器档位及各档速比。 1 总档数及壹档传动比的选择 不同类型的汽车,具有不同的传动系档位数。其原因在 于它们的使用条件不同,对整车性能要求不同;汽车本身的比 功率不同。而传动系的档位数与汽车的动力性、 燃油经济性 有着密切的联系。 就动力性而言,档位数多,增加了发动机发挥最大功率附 近高功率的机会,提高了汽车的加速和爬坡能力。就燃油经 济性而言,档位数多,增加了发动机在低燃油消耗率区工作的 能力,降低了油耗。因而能提高汽车生产率,降低运输成本。 不过,增加档数会使变速器机构复杂和质量增加;轴向尺寸增 大、 成本提高、 操纵复杂 2。变速器的档数及其传动比由总体 布置设计确定,可以根据壹档速比来确定档数,其计算公式 为: I1=1.45 N -1 式中:I1为一档传动比; N为总档数。 可采用对数进行计算。 确定一档传动比,即一档传动比I1时,要考虑汽车的最大 爬坡度及驱动车轮产生的最大附着力。 (1)满足最大通过能力条件。即用一档通过要求的最大 坡道角 max坡道时,驱动力应大于或等于此时的滚动阻力和 上坡阻力(加速阻力为零,空气阻力忽略不计)。用公式表示 如下: FG cosmax+ Gsinmax 式中:G为车辆总重量;为坡道面滚动阻力系数(对沥青路 面=0. 010. 02)。根据发动机最大扭矩 Memax,要使汽车产 生上述驱动力,变速器一档传动比I1应为: I1FR / (MemaxI0 ) 式中:I0为驱动桥主减速比;为传动系效率(一般=0. 85 0. 90) ;R为车轮滚动半径。 (2)满足不产生滑转条件。即用一档发出最大驱动力 时,驱动轮不产生滑转现象。公式表示如下: MemaxI0I1 /RFn I1Fn R / (MemaxI0 ) 式中:Fn为驱动轮的地面法向反力;为驱动轮与地面间的附 着系数;对混凝土或沥青路面可取0. 50. 6。 变速器的最高档传动比常取为1,这时动力由变速器输 入轴直接传给输出轴,中间不需经过齿轮传动,故亦称直接 档。此档传动效率高,汽车在行驶过程中,多数时间用最高档 工作。有的汽车为了减小高速行驶时发动机的效率,变速器 的最高档传动比取为0. 70. 8,称为超速档。超速档最适用 于空载高速行驶。比功率(即发动机额定功率与汽车总重之 比)大的汽车,满载时也可用超速档行驶。超速档可装在变速 器内,也可另装1超速档传器 3。确定完最低与最高档传动 比后,即可分配中间各档传动比。 2 变速器各档速比的配置 一般认为传动比宜按几何级数分配,确定传动比的方法 很多,下面仅比较、 分析常用的2种方法。 第1种方法是按等公比原则分配传动比,利用对数来确 定公比值。核心内容是认为各挡都是等比级数的排列,各挡 的速比阶都一样。即: 91 第18卷 第2期 2005年4月 机械研究与应用 MECHAN I CAL RESEARCH 且汽车多在高档位置工作,换档频次也大大多于低档,因 此,高档的速比阶应比低档小。一般认为高档与低档速比阶 应该不一样,高档的公比较小,为1. 31. 45,低档的要比较大 一些,为1. 71. 8范围内。为适应上述情况,建立了偏置等 比级数速比分配方法。将各档的速比阶Q x按等比级数排列。 核心内容是先把I1的对数平均分成N- 1个台阶(阶数比档位 数少一 ) , 即 log( Q) = log(I1)/ (N- 1 ) , 再把它放到中间档 位的位置,作为中间档位的阶为Q1。直接档的阶为QN- 1,这 样,高档的速比阶将小于低档的阶。Q x为等比级数, log(Qx) 就为等差级数,将高档的速比阶和直接档速比阶的差值,除以 高档和中间档之间的档位数后的商值,作为等差级数的公差 分配到各档,公差值为: = log(Q) -log (Q N -1 ) 2/ (N -2)(1) 而按速比阶的定义,任意档IX的速比阶为: QX- 1=IX- 1/ IX,或 log( QX- 1) = log(IX- 1) - log(IX)。由 IN=1可推出 log( QN -1)= log(IN -1)= 因此,各档的阶可表示为: log( QN -2)= log(QN -1 ) + =+ 由此可推出,各档速比阶的关系为: Q1/ Q2=Q2/ Q3=Q3/ Q4= 第N-X档的阶 QN-X- 1为: log (Q N-X- 1) = log ( I N- 1)+X 相应的各档的速比就为: log ( I N -1) =log (Q N -1) = log ( I N -2) =log ( I N -1 ) + log (Q N -2) =2+ log ( I N - X) =log ( I N - X +1 ) + log (Q N - X) = X + log ( I 1) =log ( I 2 ) + log (Q 1) = (N -1) +(2) 联立式(1)、 (2) , 又I1和N都为已知,方程只有1个未知 量,故可以算出 log( QN- 1 ) , 从而算出QN- 1从而算出各档速 比。 3 举例说明 例如:已知一中型货车6档变速器的总档数为:N= 6,六 档速比为: I6=1.00,一档速比为: I1=9. 01,则: (1)按等比级数算各档速比,设各档之间的公比为q: I1=9.01, I6=1.00, q=1.552, I5=1.552, I4=2.409, I3=3.739, I2=5.803; (2)按变速器偏置等比级数计算各档速比,设中间档的 速比阶为Q: log(Q)= log( I1)/ (N- 1)= log(9. 01) / (6 - 1) =0. 191 =2/ (N- 2) log(Q) - log (Q N- 1 ) = 2 / ( 6 - 2)log(Q)- log (Q 5 ) = log (Q 6 - 1) = log(I6 - 1) = log ( I 5) 由于: log( I1)= log ( I 2) + log (Q 1) = (N - 1) + =5 +, 将= 2/4log(Q) - log (Q 5 ) , = log (Q 6 - 1) = log ( I 6 - 1) = log (Q 5 ) , 带入方程,得: log ( I 1) =2/4log(9.01) / ( 6 - 1)- log (Q 5 ) +5log (Q 5) I1=9.01,解得:Q5=1.412,log ( I 5) = log (Q 5 ) , I5=1.412, I4=2+=2.09, I3=3+=3.245, I2=3+=5.28 I1/ I2=1.706; I2/ I3=1.627; I3/ I4=1.552; I4/ I5=1.48; I5/ I6=1.412 (3)两种方案比较分析 假设驾驶员用1档起步,随着发动机转速的提高,汽车的 行驶速度也随之增加,当发动机的转速达到n2时,驾驶员开 始换档,若设换档过程中车速没有降低,则换上第2档时,发 动机的转速为n1,离合器才能平顺的无冲击地结合, n2和n1 的关系如下: n2/n1=i1/ i2。同理,当驾驶员从2档换上3档 时,为使离合器平顺的无冲击地结合, n2/n 1=速比阶。所以 当变速器的速比阶不同时,换档时发动机的转速也不相同 4。 当i1/ i2i3/ i4, n1n 1。 下面比较这两种速比配置对发动机功率发挥的影响,假 定为了充分利用发动机功率,加速过程中节流阀全开,各档均 用到发动机的最高转速nmax才换档。 根据公式:ua=0.377 nr igi0 ,画出各档车速和发动机功率关 系如图1。 图1 各档车速和发动机功率关系图 从图中我们可以分析出,在1档时,发动机的工作区域相 02 Vol 18 No 2 2005204 机械研究与应用 MECHAN ICAL RESEARCH 4档时,二者对发动机功率的利用是相同的; 5档和6档恰 好相反,采用等比级数配置速比发动机功率的利用要大一些。 从加速和爬坡能力来看,采用等比级数配置速比时,可以在汽 车需要大功率时,较好地利用发动机特性曲线功率比较大的 一段来增加汽车的后备功率,因此汽车的加速和爬坡能力比 采用偏置等比级数时要好。从燃油经济性来看,汽车的的加 速和爬坡能力越好,汽车油耗也越大,因此采用偏置等比级数 比较节油。在实际汽车使用中,各档的利用律差别很大,例中 的中型货车6档变速器中的1、2、3、4档的实际总利用律仅为 15%20%。若采用等比级数速比配置,用高档行驶时,将燃 油消耗和操纵迟滞,高档和次高档的速比阶间隔应小些。 4 齿轮设计说明 齿轮是汽车变速器的重要零件,齿轮的结构特点、 精度要 求都应符合设计要求 5。在速比配置计算结束后 ,即可按计 算结果选择各档的齿数,选择齿轮及齿形参数,齿形的几何计 算,啮合质量的计算。在满足强度和中心距要求条件下,根据 选齿计算的实际速比应和理论计算结果非常接近,否则,应重 新选择齿数。倒档速比的选取,应考虑满足变速器整体结构 布置的需要,数值大致和一档速比相近。 参考文献: 1 刘海江,于信汇,沈 斌.汽车齿轮M .上海:同济大学出版社, 1997. 2 张洪欣.汽车设计M .北京:机械工业出版社, 1999. 3 余志生.汽车理论M .北京:机械工业出版社, 2000. 4 陈家瑞.汽车构造(上,下册) M .北京:人民交通出版社, 1994. 5 龚桂义.渐开线圆柱齿轮强度计算与结构设计M .北京:机械 工业出版社, 1992. Analysis of rapid compare cllocate for the type of automobile trans m ission CaiBin - yan, Xu Yong, Ling Ning (The college of autom bile of W uhan engineering University, HuBeiW uhan 430070, China) Abstract:The automotive transmission is a very important part for a automobile.In order to ensure the necessary impetus and economy, we must pick and configure the numbers of the trans missions gears and the proportion of the speed reasonably .The article contrasts the geometric progression and the partial geometric progression of the speeds proportion, analyzes the two methods, through thatwe can fig2 ure out all speeds proportions fast and exactly afterwe choose the numbers of the transmissions gears and the first gear . Key words: trans mission; the numbers of the trans missions gears; geometric progression; partial geometric progression (上接第18页) 本试验将现代测试手段和模态分析技术相结合,采用相 关双输入相对激振的方法,分析了TH6350型加工中心的结构 和动态特性,并提供了重要的模态参数。通过分析前四阶模 态振型,可知整机工作频率在49Hz、150Hz附近时,主轴与工 作台有较明显的振动,是影响加工精度的主要因素。下一步 工作中,我们将根据已获得的系统模态参数模型,针对薄弱模 态进行结构动力修改,结构动力特性优化设计,以提高转速和 加工精度的目的。 参考文献: 1 廖伯瑜,周新民,尹志宏.现代机械动力学及其工程应用 建 模、 分析、 仿真、 修改、 控制、 优化M .北京:机械工业出版社, 2004. 2 曹树谦,张文德,萧龙翔.振动结构模态分析M .天津:天津大 学出版社, 2001. 3 傅志方.振动模态分析与参数辨识M .北京:机械工业出版社, 1990. 4 李德葆.振动模态分析及应用M .北京:宇航出版社, 1989. Testmodal analysis of TH6350 machin i ng center Yin Zeng - zhen , Yin Zhi - hong , FanWen - chong (The departm ent of M echanical and Electrical Engineering, Kunm ing University of