學(xué)習(xí)情境單元三

汽車傳動裝置零部件失效的認(rèn)識與分析工作任務(wù)活動一

汽車變速器齒輪傳動機(jī)構(gòu)的認(rèn)識與分析工作任務(wù)活動二

汽車機(jī)械式變速器和差速器的認(rèn)識與分析工作任務(wù)活動三

汽車變速器拆裝與軸系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與分析學(xué)習(xí)情境單元三

汽車傳動裝置零部件失效的認(rèn)識與分析工作任務(wù)活動四

汽車變速器拆裝與軸系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與分析工作任務(wù)活動五

汽車聯(lián)軸器、離合器的認(rèn)識與分析工作任務(wù)活動六

汽車常用聯(lián)接類零件的認(rèn)識與分析

情境描述

汽車要行駛在道路上必須先使車輪轉(zhuǎn)動,如何將發(fā)動機(jī)的動力傳送到車輪并使車輪轉(zhuǎn)動呢?負(fù)責(zé)傳遞動力讓汽車發(fā)揮行駛功能的裝置就是汽車底盤傳動裝置,汽車沒有了它就會成為一臺發(fā)電機(jī)或坐人的空殼。所以汽車發(fā)動機(jī)與驅(qū)動輪之間的動力傳遞裝置稱為汽車的傳動裝置。汽車底盤傳動裝置是汽車的重要組成部分,它能保證汽車具有在各種行駛條件下所必需的牽引力、車速,以及保證牽引力與車速之間協(xié)調(diào)變化等功能,使汽車具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性;還應(yīng)保證汽車能倒車,以及左、右驅(qū)動輪能適應(yīng)差速要求,并使動力傳遞能根據(jù)需要平穩(wěn)地結(jié)合或徹底、迅速地分離。

汽車底盤傳動裝置包括離合器、變速器、萬向傳動裝置、主減速器、差速器及半軸等,其中變速器、差速器、傳動軸是三項(xiàng)重要的組件,如圖3－1所示。汽車發(fā)動機(jī)發(fā)出的動力經(jīng)離合器、變速器、萬向傳動裝置傳到驅(qū)動橋。在驅(qū)動橋處,動力又經(jīng)主減速器、差速器和半軸等到達(dá)驅(qū)動車輪。在本學(xué)習(xí)情境單元中,我們結(jié)合汽車底盤傳動裝置的原理與結(jié)構(gòu)來認(rèn)識齒輪傳動、輪系傳動,軸、軸承、聯(lián)軸器和離合器、鍵、螺紋等常用軸系零部件,掌握其正確使用和維護(hù)性能。

圖3－1汽車底盤傳動裝置組成

目標(biāo)規(guī)劃

(一)學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過認(rèn)識汽車傳動裝置的總體構(gòu)造和組成,了解汽車傳動裝置的工作原理;了解汽車零部件材料的應(yīng)用知識;重點(diǎn)掌握齒輪傳動、輪系傳動和軸系零部件基礎(chǔ)知識等;掌握齒輪傳動的失效分析及輪系傳動比的計(jì)算方法;掌握軸系結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用。

(二)職業(yè)技能目標(biāo)

觀察及認(rèn)識汽車減速器、變速器和差速器各結(jié)構(gòu)總成,能根據(jù)正確的作業(yè)要求規(guī)范完成減速器、變速器和差速器的拆裝作業(yè),能夠解決汽車傳動系統(tǒng)中軸系零部件的安裝、調(diào)試和維護(hù),能對齒輪傳動裝置常見故障進(jìn)行診斷分析與排除,從而達(dá)到職業(yè)能力素質(zhì)。

工作任務(wù)活動一汽車變速器齒輪傳動機(jī)構(gòu)的認(rèn)識與分析

案例導(dǎo)入

某汽車高速行駛,在行駛過程中發(fā)現(xiàn)變速桿自動跳回空擋位置,而且有時(shí)是在高速擋位跳擋。維修人員根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行檢查與分析,認(rèn)為變速器跳擋故障產(chǎn)生的原因如下:①由于變速齒輪、齒套或同步器錐盤輪齒磨損過量,沿齒長方向形成雛形,嚙合時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)軸向推力,在工作中又受振抖、轉(zhuǎn)速變化的慣性影響迫使嚙合的齒輪沿軸向脫開;

②因變速而引起彎曲變形,磨損過甚、固定螺釘松動或變速桿變形等,使齒輪不能正常嚙合;

③齒輪或齒套磨損過甚,沿齒長方向磨成錐形;

④齒輪斷齒。對變速器跳擋故障的判在發(fā)現(xiàn)某擋跳擋時(shí),仍將變速桿換入該擋,然后拆下變速器蓋看齒輪嚙合情況,發(fā)現(xiàn)變速箱一擋主動齒輪發(fā)生斷裂,被動齒輪崩齒。根據(jù)斷口的形貌可斷定該齒輪的斷裂為高應(yīng)力作用下引起的快速斷裂,故在被動齒輪上還能看到碰傷的痕跡。因此,可以認(rèn)為齒輪失效的原因是滲碳工藝控制不當(dāng)(熱處理不當(dāng))而引起斷齒。主動齒輪及被動齒輪斷齒后的宏觀斷口形貌如圖3－2所示。對變速器跳擋故障的排除:更換變速器一擋主動齒輪和從動齒輪。

圖3－2變速器齒輪發(fā)生斷齒后的宏觀實(shí)物形貌

活動要點(diǎn)

通過對汽車變速器齒輪傳動機(jī)構(gòu)的認(rèn)識與分析活動,掌握齒輪傳動在汽車上的應(yīng)用及特點(diǎn);掌握漸開線齒輪的基本結(jié)構(gòu)、主要參數(shù),并能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪幾何尺寸的計(jì)算;掌握漸開線直齒圓柱齒輪嚙合特性及正確嚙合條件、連續(xù)傳動條件、標(biāo)準(zhǔn)安裝要求;能對齒輪傳動的失效形式進(jìn)行分析,并對汽車變速箱齒輪傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行正確使用與維護(hù)。

活動安排

【工作任務(wù)基礎(chǔ)知識】

一、齒輪傳動的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用

1.齒輪傳動的分類

齒輪傳動的類型很多。

(1)按齒輪軸線的相互位置關(guān)系和齒輪形狀,齒輪傳動可分為平行軸傳動、相交軸傳動、交錯(cuò)軸傳動三種類型,如圖3－3所示。圖3－3齒輪傳動的類型

(2)按工作條件,齒輪傳動可分為閉式齒輪傳動和開式齒輪傳動。閉式齒輪傳動中,齒輪和軸承等零件全部封閉于一個(gè)剛性箱體內(nèi),潤滑條件好,重要傳動大都采用這種傳動方式,減速器是最常見的閉式齒輪傳動。開式齒輪傳動中,其輪齒外露,外界灰塵雜質(zhì)易進(jìn)入嚙合面間,潤滑條件差,輪齒易磨損,只適用于簡易機(jī)械設(shè)備及低速或不重要的工作場合。

(3)按齒廓曲線形狀,齒輪可分為漸開線齒輪、擺線齒輪和圓弧齒輪,其中漸開線齒輪應(yīng)用最為廣泛。

2.齒輪傳動的特點(diǎn)

齒輪傳動(如圖3－4所示)與其他機(jī)械傳動相比具有以下優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)優(yōu)點(diǎn)。齒輪傳動能保證兩輪間瞬時(shí)傳動比恒定,傳動平穩(wěn),噪聲小;傳遞的圓周速度和功率范圍廣;可實(shí)現(xiàn)兩平行、相交和交錯(cuò)軸傳動;結(jié)構(gòu)緊湊,傳動效率高,一般為0.97~0.99;工作可靠,壽命長。

(2)缺點(diǎn)。在齒輪傳動中會產(chǎn)生振動和噪音;制造、安裝精度要求較高,維護(hù)費(fèi)用高,成本較高;不宜用于遠(yuǎn)距離傳動。圖3－4齒輪傳動

二、漸開線直齒圓柱齒輪傳動

1.齒廓嚙合基本定律

(1)漸開線齒廓能保證瞬時(shí)傳動比恒定。

齒輪傳動是依靠主動輪的輪齒推動從動輪的輪齒進(jìn)行工作的。所以,兩輪齒廓嚙合的基本條件之一是瞬時(shí)傳動比保持恒定。否則,當(dāng)主動輪以角速度回轉(zhuǎn)時(shí),從動輪的角速度為變量,將產(chǎn)生慣性力,它不僅會引起機(jī)器的噪音,而且還會降低齒輪傳動精度,甚至?xí)?dǎo)致輪齒過早損壞。

圖3－5為一對外嚙合的漸開線直齒圓柱齒輪傳動示意圖,主動齒輪回轉(zhuǎn)中心為O1,角速度為ω1,基圓半徑為rb1;從動齒輪回轉(zhuǎn)中心為O2,角速度為ω2,基圓半徑為rb2。當(dāng)兩齒廓在任意一點(diǎn)K接觸時(shí),過K點(diǎn)可作兩齒廓公法線,由漸開線性質(zhì)知,該公法線為兩基圓的一條內(nèi)公切線,由于兩基圓大小及安裝位置均固定不變,其同一方向的內(nèi)公切線只有一條N1N2,因此兩齒廓在任意點(diǎn)嚙合時(shí),其齒廓公法線都為N1N2。所以,任意位置的齒廓公法線與兩輪連心線O1O2的交點(diǎn)P必為一定點(diǎn)。線段N1N2稱為理論嚙合線。

可以證明,一對齒輪嚙合過程中,如果嚙合線與連心線的交點(diǎn)不變,則兩輪的傳動比為一恒定值,且有

圖3－5齒廓嚙合基本定律

(2)漸開線齒輪傳動中心距的可分性。

由式(3－1)知,漸開線齒輪傳動的傳動比等于兩齒輪基圓半徑之反比,當(dāng)兩齒輪制造好后,其基圓半徑固定不變,所以,即使由于安裝誤差或磨損等原因,導(dǎo)致中心距發(fā)生一定變化,傳動比也能保持恒定不變,這一特性稱為漸開線齒輪中心距的可分性。漸開線齒輪的這一性質(zhì)給安裝、調(diào)試提供了便利。

2.漸開線齒廓的形成

如圖3－6所示,當(dāng)一動直線(發(fā)生線)在固定的圓(基圓)上作純滾動運(yùn)動時(shí),此直線上任一點(diǎn)K的軌跡稱為該圓的漸開線。由漸開線的形成過程可得漸開線具有下列性質(zhì):

(1)發(fā)生線在基圓上滾過的長度BK等于基圓上被滾過的圓弧長,即直線段BK等于弧長AB。

(2)發(fā)生線沿基圓作純滾動運(yùn)動時(shí),其任意一點(diǎn)的速度瞬心即為切點(diǎn)K,故K點(diǎn)的速度方向垂直于OK,所以漸開線上任一點(diǎn)K的法線必與基圓相切。

(3)漸開線上K點(diǎn)的法線與該點(diǎn)圓周速度方向所夾的銳角αK稱為該點(diǎn)的壓力角。漸開線上各點(diǎn)的壓力角不同,K點(diǎn)離基圓越遠(yuǎn),其壓力角越大;反之越小。基圓上的壓力角為零。

(4)漸開線的形狀取決于基圓的大小?；鶊A半徑越小,漸開線越彎曲;基圓半徑越大,漸開線越平直;當(dāng)基圓半徑無窮大時(shí),漸開線就成為一條與發(fā)生線垂直的直線,如圖3－7所示。

(5)基圓以內(nèi)無漸開線。圖3－6漸開線形成及其特性圖3－7不同基圓的漸開線

3.標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪的各部位名稱及基本尺寸

(1)齒輪的各部位各稱。

漸開線直齒圓柱齒輪各部位名稱及符號如圖3－8所示。

①齒距。在某一直徑dK的圓周上,相鄰兩齒同側(cè)齒廓間的弧長稱為該圓上的齒距,用pK表示,不同圓周上的齒距不等。

②齒厚。在某一直徑為dK的圓周上,某一輪齒兩側(cè)齒廓間的弧長稱為齒厚,用sK表示。圖3－8外嚙合標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪基本尺寸

③齒槽寬。在某一直徑為dK的圓周上相鄰兩齒空間部分的弧長稱為齒槽寬,用eK表示。dK不同時(shí),sK和eK也不同。由圖3－8可知,pK=sK+eK,同理可知,分度圓上

p=s+e(3－2)

④齒頂圓。輪齒頂部所在的圓,稱為齒頂圓,直徑用da表示。

⑤齒根圓。輪齒的齒槽底部所在的圓,稱為齒根圓,直徑用df表示。

⑥分度圓。分度圓是位于齒頂圓與齒根圓之間,作為齒輪各部分尺寸基準(zhǔn)的一個(gè)圓。分度圓上的齒厚等于齒槽寬,即s=e。規(guī)定分度圓上的參數(shù)一律不加角標(biāo),分度圓上的直徑用d表示。

⑦齒頂高。輪齒在分度圓與齒頂圓之間的部分稱為齒頂,其徑向距離稱為齒頂高,用ha表示。

⑧齒根高。輪齒在分度圓與齒根圓之間的部分稱為齒根,其徑向距離稱為齒根高,用hf表示。

⑨齒全高。輪齒在齒頂圓與齒根圓之間的徑向距離稱為齒全高,用h表示,則

h=ha+hf(3－3)

(2)標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪的基本參數(shù)。

①齒數(shù)z。齒輪輪齒的數(shù)目,稱為齒數(shù),用z表示,其值為整數(shù)。

②模數(shù)m。對于某一齒輪,其分度圓直徑d、齒距p、齒數(shù)z間的幾何關(guān)系為

即

式中π為無理數(shù),為計(jì)算、測量方便,規(guī)定p/π為整數(shù)或較完整的有理數(shù),稱為模數(shù),用m表示。表3－1為我國規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列。于是上式可改寫為

d=mz(3－4)

模數(shù)是反映輪齒形狀大小的一個(gè)重要參數(shù),齒數(shù)相同時(shí),模數(shù)越大,輪齒越大,其承載能力強(qiáng),如圖3－9所示。圖3－9模數(shù)大小的影響

③壓力角α。不同圓周上漸開線齒廓的壓力角不等,我國規(guī)定,分度圓處的壓力角α為標(biāo)準(zhǔn)值,且α=20°。

④齒頂高系數(shù)h*a和頂隙系數(shù)c*。齒頂高與齒根高應(yīng)與模數(shù)成正比例

(3)標(biāo)準(zhǔn)漸開線直齒圓柱齒輪基本尺寸計(jì)算。

m、α、ha*、c*為標(biāo)準(zhǔn)值,s=e的直齒圓柱齒輪稱為標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪,其幾何尺寸計(jì)算公式見表3－2。

4.漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪嚙合傳動

一對齒輪嚙合傳動時(shí),必須保證兩輪間相鄰的各對輪齒逐一嚙合,不得出現(xiàn)傳動中斷、輪齒撞擊、齒廓重疊等現(xiàn)象。

(1)漸開線齒輪正確嚙合條件。

如圖3－10所示,一對外嚙合漸開線直齒圓柱齒輪傳動,N1N2為兩齒輪的理論嚙合線段;K、K'為相嚙合的兩對齒同側(cè)齒廓上的嚙合點(diǎn),要使兩齒輪能正確嚙合,必須使其法向齒距相等,即K1K'1=K2K'2。圖3－10一對漸開線齒輪傳動過程

由圖中的幾何關(guān)系及漸開線性質(zhì)可知:

則

pb1、pb2分別為兩齒輪的基圓齒距。

又因

則有

即

由于模數(shù)和壓力角均已標(biāo)準(zhǔn)化,要滿足上式關(guān)系,必須有

即兩齒輪正確嚙合的條件為:兩齒輪的模數(shù)和壓力角必須分別相等。

根據(jù)正確嚙合條件可進(jìn)一步推導(dǎo)齒輪傳動比的計(jì)算公式為

(2)正確安裝及標(biāo)準(zhǔn)中心距。

一對標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪正確嚙合時(shí),為避免齒輪反轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)空程從而產(chǎn)生沖擊和振動,理論上要求無齒側(cè)間隙,通常把理論上無齒側(cè)間隙的安裝稱為標(biāo)準(zhǔn)安裝,如圖3－10所示。實(shí)際工作中,考慮到輪齒熱變形及保證齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)正常和裝配方便等因素,應(yīng)保證有一定的側(cè)隙,但由于一般側(cè)隙的值很小,所以在理論分析時(shí),兩齒輪的嚙合仍看做是無側(cè)隙嚙合。

一對正確嚙合的標(biāo)準(zhǔn)漸開線齒輪傳動,在標(biāo)準(zhǔn)安裝時(shí),分度圓上的s1=e1=s2=e2,此時(shí)分度圓與節(jié)圓重合,即d'=d,其中心距稱為標(biāo)準(zhǔn)中心距,用a表示,即

根據(jù)上述正確嚙合條件和標(biāo)準(zhǔn)安裝條件,可以配制兩嚙合齒輪中損壞或丟失的齒輪。

(3)齒輪連續(xù)傳動的條件。

如圖3－11所示,一對外嚙合齒輪在傳動中,任一對輪齒實(shí)際嚙合過程為:首先主動輪1的齒根推動從動輪2的齒頂,開始嚙合點(diǎn)為從動輪齒頂圓與嚙合線N1N2的交點(diǎn)B2,隨齒輪轉(zhuǎn)動,嚙合點(diǎn)沿嚙合線移動,并由主動輪齒根移向齒頂,從動輪齒頂移向齒根,終止嚙合點(diǎn)為主動輪齒頂圓與嚙合線的交點(diǎn)B1,線段B1B2稱為實(shí)際嚙合線段。圖3－11齒輪連續(xù)傳動的條件

三、斜齒圓柱齒輪傳動

1.斜齒圓柱齒輪齒廊曲面的形成及特點(diǎn)

(1)斜齒圓柱齒輪齒廓曲面的形成。如圖3－12(a)所示,當(dāng)發(fā)生面S在基圓柱上作純滾動運(yùn)動時(shí),發(fā)生面上一條與基圓柱母線NN'平行的直線KK在空間形成的漸開線曲面,為直齒圓柱齒輪齒廓曲面,如圖3－12(b)所示。圖3－12直齒圓柱齒輪漸開線曲面的形成及齒面接觸線

如圖3－13(a)所示,斜齒圓柱齒輪的齒廓曲面的形成與其相似,所不同的是發(fā)生面上的KK直線與NN成一交角βb,βb稱為基圓柱上的螺旋角。當(dāng)發(fā)生面S在基圓柱上作純滾動運(yùn)動時(shí),直線KK所形成的是一漸開螺旋面,斜齒圓柱齒輪的齒廓曲面就是這種漸開螺旋面,如圖3－13(b)所示。圖3－13斜齒圓柱齒輪漸開線曲面的形成及齒面接觸線

(2)斜齒圓柱齒輪傳動特點(diǎn)。

斜齒輪傳動與直齒輪傳動比較有如下特點(diǎn):

①斜齒輪傳動平穩(wěn)。直齒輪的輪齒進(jìn)入嚙合或脫開嚙合時(shí),均為全齒寬接觸或分離。斜齒輪進(jìn)入嚙合或脫開嚙合時(shí),為從一點(diǎn)開始逐漸到全齒寬接觸或分離,所以其傳動較平穩(wěn)。

②斜齒輪承載能力大。斜齒輪重合度大,同時(shí)參加嚙合的齒數(shù)多,因而其承載能力較大。

③斜齒輪在傳動中產(chǎn)生軸向力。由于斜齒輪齒的傾斜,工作時(shí)產(chǎn)生軸向力Fa,對工作不利,所以螺旋角β不能過大。若需大的螺旋角,可采用人字齒輪。

2.斜齒圓柱齒輪基本參數(shù)及幾何尺寸計(jì)算

(1)斜齒圓柱齒輪基本參數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪基本參數(shù)包括:法面模數(shù)mn、法面壓力角αn、法面齒頂高系數(shù)ha*n、法面頂隙系數(shù)cn*、螺旋角β和齒數(shù)以及各法面對應(yīng)的端面參數(shù)。

①螺旋角。如圖314所示,將斜齒圓柱齒輪沿分度圓柱面展開,分度圓柱面與齒廓曲面的交線稱為齒線,齒線與齒輪軸線間的夾角稱為分度圓螺旋角,用β表示。一般斜齒輪取β=8°~20°,人字齒輪取β=25°~45°。圖3－14斜齒輪分度圓柱面展開圖

斜齒輪按輪齒的旋向分為左旋和右旋兩種。將齒輪軸線垂直放置,螺旋線左高右低為左旋,如圖3－15(a)所示;螺旋線右高左低為右旋,如圖3－15(b)所示。圖3－15斜齒輪旋向

(2)標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪幾何尺寸計(jì)算。

斜齒輪的幾何尺寸計(jì)算公式見表3－3。

(3)斜齒圓柱齒輪的正確嚙合條件。

一對斜齒圓柱齒輪的正確嚙合條件為:兩齒輪的法面模數(shù)和法面壓力角分別相等,兩齒輪分度圓上的螺旋角大小相等,外嚙合時(shí)旋向相反、內(nèi)嚙合時(shí)旋向相同,即

(外嚙合時(shí)取“-”,內(nèi)嚙合時(shí)取“+”。)

四、圓錐齒輪傳動

1.圓錐齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

(1)圓錐齒輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。

圓錐齒輪機(jī)構(gòu)如圖316所示。它是用來傳遞空間兩相交軸之間運(yùn)動和動力的一種齒輪機(jī)構(gòu)。一對圓錐齒輪兩軸線間的夾角Σ稱為軸角。其值可根據(jù)傳動需要任意選取,在一般機(jī)械中多取∑=90°。圖3－16圓錐齒輪機(jī)構(gòu)

(2)圓錐齒輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

按圓錐齒輪輪齒的形狀,圓錐齒輪傳動可分為直齒圓錐齒輪傳動、斜齒圓錐齒輪傳動和曲齒圓錐齒輪傳動三種。其中直齒圓錐齒輪傳動設(shè)計(jì)、制造、安裝方便,應(yīng)用最廣,在汽車機(jī)械當(dāng)中廣泛應(yīng)用于減速機(jī)構(gòu)。

2.直齒圓錐齒輪齒廓的形成

如圖3－17所示,一個(gè)圓平面S與一個(gè)基圓錐切于直線OC,圓平面半徑與基圓錐錐距R相等,且圓心與錐頂重合。當(dāng)圓平面繞圓錐作純滾動時(shí),該平面上任一點(diǎn)B將在空間展出一條漸開線AB。漸開線必在以O(shè)為中心、錐距R為半徑的球面上,稱為球面漸開線。圖3－17錐齒輪的形成

3.錐齒輪的傳動比

如圖3－18所示,兩輪的分度圓錐面與節(jié)圓錐面重合,δ1、δ2分別為兩輪的分度圓錐角。由圖可知,兩輪的分度圓直徑

故傳動比為圖3－18圓錐齒輪機(jī)構(gòu)

4.直齒圓錐齒輪的基本參數(shù)和尺寸

(1)直齒圓錐齒輪的基本參數(shù)。

對于直齒圓錐齒輪,為了便于尺寸計(jì)算和測量,規(guī)定以大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值,即直齒圓錐齒輪基本參數(shù)為m、壓力角α=20°、齒頂高系數(shù)ha*=1,頂隙系數(shù)c*=0.2,均指大端面。其大端面模數(shù)如表3－4所示。

(2)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪幾何尺寸計(jì)算。

軸交角∑=90°的標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪傳動的幾何尺寸如圖3－19所示,其計(jì)算公式見表3－5。圖3－19錐角是90°的直齒圓錐齒輪傳動

(3)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓錐齒輪正確嚙合條件。一對直齒圓錐齒輪正確嚙合的條件是:兩輪大端模數(shù)和壓力角分別相等,且錐頂必須重合,即

五、齒輪傳動的失效形式

齒輪傳動是由輪齒的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力的,因此,齒輪傳動除要求運(yùn)動平穩(wěn)外,還必須有足夠的承載能力。分析齒輪失效的目的是為了找出齒輪失效的原因,制定強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則和提出防止失效的措施,提高其承載能力和使用壽命。齒輪傳動的失效主要發(fā)生在輪齒上,其主要失效形式有以下五種。

1.輪齒折斷

在工作中,輪齒的根部承受著較大的交變彎曲應(yīng)力的作用,且由于截面變化,應(yīng)力集中較大,因此易在齒根部分產(chǎn)生疲勞裂紋,又由于傳動的繼續(xù),使疲勞裂紋不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致輪齒疲勞折斷,在汽車中會導(dǎo)致突然過載折斷,嚴(yán)重磨損及安裝制造誤差等也會造成輪齒折斷。如圖3－20所示,輪齒折斷是危害最大的一種失效形式,一般可通過提高材料的彎曲疲勞強(qiáng)度和輪齒芯部的韌性,加大齒根圓角半徑,增大模數(shù)和齒寬等措施來提高輪齒的抗折斷能力。圖3－20輪齒折斷

2.齒面點(diǎn)蝕

齒輪工作時(shí),齒面相互接觸,產(chǎn)生交變的接觸應(yīng)力,當(dāng)齒面接觸應(yīng)力的重復(fù)次數(shù)超過一定限度時(shí),會使表層金屬微粒剝落,形成一系列麻點(diǎn),這種現(xiàn)象稱為齒面點(diǎn)蝕,如圖3－21所示。圖3－21齒面點(diǎn)蝕

3.齒面膠合

在高速或低速重載的齒輪傳動中,由于滑動速度過高,嚙合區(qū)因摩擦發(fā)熱造成局部溫升過高,致使兩接觸齒面間金屬互相粘合,當(dāng)兩齒面脫離時(shí),較軟齒面金屬沿滑動方向被撕脫,從而在齒面留下溝痕,這種現(xiàn)象稱為齒面膠合,如圖3－22所示。齒面膠合將造成嚙合不良。通過采用潤滑和冷卻效果好的潤滑方式,使用含抗膠合添加劑的合成潤滑油,提高齒面硬度,降低齒面粗糙度等措施,可防止膠合現(xiàn)象的發(fā)生。圖3－22齒面膠合

4.齒面磨損

輪齒接觸面間由于有相對滑動而引起齒面間的摩擦磨損,特別是對于開式齒輪傳動,由于工作條件差,外界雜物易進(jìn)入嚙合面間使磨損速度加快。磨損降低了傳動的平穩(wěn)性,并使齒厚變薄而最終導(dǎo)致輪齒彎曲折斷,如圖3－23所示。圖3－23齒面磨損

5.齒面塑性變形

齒面塑性變形是指在重載作用下,當(dāng)齒面硬度不夠時(shí),齒面上可能產(chǎn)生局部的塑性變形,使齒廓失去正確的齒形的現(xiàn)象,如圖3－24所示。圖3－24齒面塑性變形

【工作任務(wù)知識延伸】

直齒圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)簡介

直齒圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)一般分為輪緣、輪轂和輪輻三個(gè)部分,其中,輪轂的齒面及輪轂的內(nèi)孔是主要的功能面。它按結(jié)構(gòu)形式不同,有齒輪軸、實(shí)心式齒輪、輻板式齒輪和輪輻式齒輪四種。

1.齒輪軸

對于直徑較小的鋼質(zhì)齒輪,如果齒根圓直徑與軸直徑相差很小,則可以將齒輪與軸制成一體,稱為齒輪軸,如圖3－25所示。齒輪軸易于裝配,有助于增加軸系的剛性;但是,鍛造毛坯和齒輪加工困難,如果齒輪失效,軸也同樣報(bào)廢。圖3－25齒輪軸

2.實(shí)心式齒輪

對于齒頂圓直徑da≤200mm的齒輪,可以將齒輪輪輻制成與寬度相等的實(shí)心式結(jié)構(gòu),如圖3－26所示。這種結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,為了便于裝配和減少邊緣應(yīng)力集中,齒輪孔邊緣和齒頂邊緣應(yīng)該切制出倒角。圖3－26實(shí)心式齒輪

3.輻板式齒輪對于齒頂圓直徑200mm≤da≤500mm的齒輪,可以將齒輪輪輻制成輻板式結(jié)構(gòu),如圖3－27所示。如果毛坯的批量小,可采用自由鍛結(jié)構(gòu),為了減輕重量和滿足加工及搬運(yùn)的需要,齒輪的輻板上常對稱開有4~6個(gè)孔。對于模鍛結(jié)構(gòu)齒輪,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要有必要的起模斜度和較大的過渡角。圖3－27輻板式齒輪

4.輪輻式齒輪對于齒頂圓直徑大于500mm的齒輪,由于齒輪毛坯制造受到鍛造設(shè)備的限制,一般將齒輪制成輪輻式結(jié)構(gòu),輪輻的截面呈十字形,如圖3－28所示。圖3－28輪輻式齒輪

考核與評價(jià)

小結(jié)

通過對汽車變速器齒輪傳動機(jī)構(gòu)的認(rèn)識與分析活動,認(rèn)識了汽車齒輪的基本類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),掌握了齒輪傳動的嚙合特點(diǎn)和失效分析,了解了齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);培養(yǎng)了學(xué)生對汽車變速器齒輪傳動機(jī)構(gòu)中齒輪發(fā)生的損壞和汽車變速器的故障進(jìn)行診斷與分析,最后排除的能力;使學(xué)生能夠?qū)ζ囎兯倨鼾X輪傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行使用和維護(hù),從而達(dá)到基本職業(yè)技能和專業(yè)素養(yǎng)的要求。

案例導(dǎo)入

一輛國產(chǎn)手動變速器轎車,行駛里程為70000km,發(fā)現(xiàn)變速桿處于空擋位置時(shí),發(fā)出一種“嘩嘩”或“鐺啷”的響聲,踩下離合器踏板后響聲消失。有時(shí)發(fā)現(xiàn)變速器在直接擋時(shí)無異響,其他擋時(shí)均發(fā)響。維修人員對故障進(jìn)行分析,原因?yàn)槿缦聨追N:

工作任務(wù)活動二汽車機(jī)械式變速器和差速器的認(rèn)識與分析

①變速器輪齒磨損,齒側(cè)間隙過大;

②變速器內(nèi)齒輪油不足或品質(zhì)低劣;

③變速器新更換的齒輪副不匹配;

④變速器常嚙齒輪磨損成階梯或輪齒耗損;

⑤變速器各軸的軸承耗損嚴(yán)重;

⑥變速器第二軸、中間軸彎曲;

⑦變速器第二軸花鍵與滑動齒輪轂配合松曠;

⑧變速器第一軸、第二軸或中間軸彎曲變形,殼體變形等造成齒輪中心位置改變,形成齒輪嚙合間隙不均勻;

⑨變速桿彎曲或操縱機(jī)構(gòu)的各個(gè)連接部位松動,換擋叉變形及固定螺釘松動。

故障診斷為:

①當(dāng)拉緊手制動器后響聲增大,踩下離合器踏板后響聲消失,一般是常嚙齒輪嚙合不良造成的;輪,則

②說當(dāng)明汽齒車輪掛嚙入合某不擋良,,響待聲使嚴(yán)用重一、段明時(shí)顯間,后說會明有該好擋轉(zhuǎn)齒。

故障解決辦法為:對變速箱輪系的滑移齒輪進(jìn)行更換后,變速箱就不再發(fā)出“嘩嘩”的響聲。汽車變速器中的齒輪轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)如圖3－29所示。圖3－29汽車變速器中的齒輪傳動機(jī)構(gòu)

?活動要點(diǎn)

通過對汽車變速箱和差速器的認(rèn)識與分析活動,能根據(jù)工作性質(zhì)正確判定、選擇輪系的類型;掌握定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系傳動的組成和特點(diǎn);掌握定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計(jì)算方法,能正確安裝、調(diào)試、維護(hù)輪系傳動,能對輪系傳動裝置的故障進(jìn)行分析與排除。

活動安排

【工作任務(wù)基礎(chǔ)知識】

一、輪系的類型與功用

．在實(shí)際應(yīng)用中,為了獲得大的傳動比或變速、變向,由一對齒輪組成的機(jī)構(gòu)是齒輪傳動的最簡單的形式,且一對齒輪傳動往往不能滿足要求,應(yīng)采用若干對齒輪組成的齒輪傳動系統(tǒng),例如,汽車中的變速器、差速器。我們把由一系列齒輪組成的傳動系統(tǒng),稱為輪系,如圖3－30所示。圖3－30輪系

1.輪系的類型

在輪系的傳動中,根據(jù)各輪幾何軸線的位置相對于機(jī)架是否固定,將輪系分為定軸輪系、行星輪系和混合輪系。

1)定軸輪系

當(dāng)輪系運(yùn)動時(shí),如果輪系中各個(gè)齒輪的幾何軸線位置均固定不動,則這種輪系稱之為定軸輪系。定軸輪系按齒輪的軸線位置關(guān)系又可分為平面定軸輪系和空間定軸輪系兩種。其中,平面定軸輪系是由軸線互相平行的圓柱齒輪組成的,如圖3－31所示;空間定軸輪系是包含有相交軸齒輪傳動或交錯(cuò)軸齒輪傳動等在內(nèi)的定軸輪系,如圖3－32所示。圖3－31平面定軸輪系圖3－32空間定軸輪系

2)周轉(zhuǎn)輪系

若輪系中至少有一個(gè)齒輪的幾何軸線是繞位置固定的另一齒輪的幾何軸線轉(zhuǎn)動,則這種輪系稱為周轉(zhuǎn)輪系。周轉(zhuǎn)輪系又可分為行星輪系和差動輪系。

(1)行星輪系。如圖3－33所示的輪系,由外齒輪1(太陽輪)、2和內(nèi)齒輪3及構(gòu)件H組成。其中,齒輪1、3和構(gòu)件H均繞固定軸線O1轉(zhuǎn)動,但齒輪2(行星輪)除繞自身的幾何軸線O2轉(zhuǎn)動(自轉(zhuǎn))外,同時(shí)又隨軸線O2繞軸線O1周轉(zhuǎn)(公轉(zhuǎn)),其中只有一個(gè)太陽輪,自由度是1,這樣就構(gòu)成了行星輪系。圖3－33行星輪系

(2)差動輪系。兩個(gè)太陽輪都能轉(zhuǎn)動的輪系稱為差動輪系,如圖3－34所示。其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)有二個(gè)自由度,工作時(shí)需要二個(gè)原動件。圖3－34差動輪系

3)混合輪系

如果輪系是由定軸輪系和行星輪系或幾個(gè)單一的行星輪系組成,這種輪系稱為混合輪系。如圖3－35(a)所示的輪系是由定軸輪系(齒輪1、2)和行星輪系(齒輪2'、3、4及構(gòu)件H)組成的混合輪系;如圖3－35(b)所示的輪系是由兩個(gè)單一行星輪系(分別由1、2、3、H1和4、5、6、H2組成)組成的混合輪系。圖3－35混合輪系

2.輪系的功用

輪系廣泛應(yīng)用于汽車及其他各種機(jī)械中,它的功能主要有如下幾個(gè)方面。

(1)它能實(shí)現(xiàn)相距較遠(yuǎn)的兩軸間的運(yùn)動和動力傳遞。當(dāng)兩軸間的中心距較大時(shí),采用輪系傳動比采用一對齒輪傳動可縮小傳動裝置所占空間,節(jié)省材料,減輕質(zhì)量,制造安裝方便,結(jié)構(gòu)緊湊,如圖3－36所示。圖3－36輪系能實(shí)現(xiàn)相距較遠(yuǎn)的兩軸間的運(yùn)動和動力傳遞

(2)可實(shí)現(xiàn)變速和換向。

①實(shí)現(xiàn)變速傳動。

如圖3－37所示為汽車齒輪變速機(jī)構(gòu)。圖中軸Ⅰ為動力輸入軸,軸Ⅳ為輸出軸,4、6為滑移齒輪,A-B為牙嵌式離合器。該變速箱可使輸出軸得到四擋轉(zhuǎn)速:

第一擋為低速擋,傳動路線是齒輪5、6嚙合,而齒輪3、4和離合器A、B均脫離,即1(Ⅰ)—2(Ⅱ)—5、6(Ⅳ)。

第二擋為中速擋,傳動路線是齒輪3、4嚙合,而齒輪5、6和離合器A、B均脫離,即1(Ⅰ)—2(Ⅱ)—3、4(Ⅳ)。

第三擋為高速擋,傳動路線是離合器A—B相嵌,而齒輪5、6和3、4均脫離,即(Ⅰ)—(Ⅳ)。

倒退擋的傳動路線是齒輪6、8相嚙合,而3、4嚙合和5、6以及離合器A、B均脫離,即1(Ⅰ)—2(Ⅱ)—7—8(Ⅲ)—6(Ⅳ)。此時(shí)由于輪8的作用,使輸出軸(Ⅳ)反轉(zhuǎn)。圖3－37汽車齒輪變速機(jī)構(gòu)

②實(shí)現(xiàn)換向傳動。

在主動軸轉(zhuǎn)向不變的情況下,利用惰輪可以改變從動輪的轉(zhuǎn)向。如圖3－38所示為車床走刀絲杠的三星輪換向機(jī)構(gòu),齒輪2和齒輪3浮套在三角形構(gòu)件a的兩個(gè)軸上,構(gòu)件a可通過手柄使之繞輪4的軸轉(zhuǎn)動,通過手柄轉(zhuǎn)動齒輪2和齒輪3,分別位于圖3－38(a)所示和圖3－38(b)所示位置,不改變主動輪1的轉(zhuǎn)向就可使從動輪的轉(zhuǎn)向發(fā)生改變。圖中的齒輪2、3就是惰輪,在輪系中增加一對外嚙合齒輪或減少一對外嚙合齒輪都可改變從動輪的轉(zhuǎn)動方向,汽車倒車就是采用這種方法來實(shí)現(xiàn)的。圖3－38三星輪換向機(jī)構(gòu)

(3)可獲得大的傳動比。

如漸開線少齒差行星齒輪傳動:一般齒數(shù)差是在1~4范圍內(nèi)。漸開線少齒差行星減速器單級iHV可達(dá)135,兩級iHV可達(dá)1000以上,結(jié)構(gòu)緊湊,應(yīng)用廣泛。

(4)實(shí)現(xiàn)分路傳動。

在同一個(gè)主動軸帶動下,利用輪系可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)從動軸分路輸出運(yùn)動。

(5)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的分解與合成。

①實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的分解:將一根主動軸的轉(zhuǎn)動分解成兩根從動軸的轉(zhuǎn)動,或?qū)筛鲃虞S的轉(zhuǎn)動合成一根從動軸的轉(zhuǎn)動。

目前國產(chǎn)轎車及其他類汽車基本都采用了對稱式錐齒輪普通后橋差速器。對稱式錐齒輪差速器由行星齒輪、半軸齒輪、行星齒輪軸(十字軸或一根直銷軸)和差速器殼等組成。差速器構(gòu)造零件的分解如圖3－39所示。汽車發(fā)動機(jī)的動力經(jīng)離合器、變速器、傳動軸,最后傳送到驅(qū)動橋再左右分配給半軸驅(qū)動車輪,在這條動力傳送途徑上,驅(qū)動橋是最后一個(gè)總成,它的主要部件是減速器和差速器。圖3－39汽車后橋差速器構(gòu)造零件的分解

在現(xiàn)代轎車或貨車包括許多四輪驅(qū)動汽車上,都能找到普通汽車后橋車差速器,它是驅(qū)動橋的主件,有三大功用:

a.把發(fā)動機(jī)發(fā)出的動力傳輸?shù)杰囕喩?充當(dāng)汽車主減速齒輪;

b.在動力傳到車輪之前將傳動系的轉(zhuǎn)速減下來;

c.將動力傳到車輪上,在向兩邊半軸傳遞動力的同時(shí),允許兩輪以不同的輪速轉(zhuǎn)動,當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時(shí),輸入軸轉(zhuǎn)速n1分解成兩車輪的轉(zhuǎn)速n3和n5,n3和n5轉(zhuǎn)速不同,這樣就會使兩車輪轉(zhuǎn)彎時(shí)在地面上以不同的轉(zhuǎn)速滾動,避免車輪與地面的滑動摩擦,如圖3－40所示。圖3－40汽車后橋差速器工作原理

②實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的合成:利用該差動輪系也可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的合成,當(dāng)給定太陽輪1和3的轉(zhuǎn)動,就可以合成輸出行星架H的轉(zhuǎn)動。

二、輪系傳動比計(jì)算

1.定軸輪系傳動比的計(jì)算

定軸輪系中,首輪1與末輪k的角速度(或轉(zhuǎn)速)之比,稱為輪系的傳動比,用i1k表示,即

輪系傳動比的計(jì)算包括確定首末兩輪的轉(zhuǎn)向關(guān)系和計(jì)算傳動比的大小兩個(gè)內(nèi)容。

(1)定軸輪系中齒輪轉(zhuǎn)動方向的確定。

定軸輪系各輪的相對轉(zhuǎn)向可以通過逐對齒輪標(biāo)注箭頭的方法來確定。各類型齒輪機(jī)構(gòu)的標(biāo)注箭頭的方法,如圖3－41所示。

一對外嚙合的圓柱齒輪傳動時(shí),兩輪的轉(zhuǎn)向相反,用方向相反的箭頭表示,如圖3－41(a)所示。

一對內(nèi)嚙合的圓柱齒輪傳動時(shí),兩輪轉(zhuǎn)向相同,用方向相同的箭頭表示,如圖3－41(b)所示。

一對圓錐齒輪傳動時(shí),在節(jié)點(diǎn)具有相同速度,故表示轉(zhuǎn)向的箭頭或同時(shí)指向節(jié)點(diǎn),如圖341(c)所示;或同時(shí)背離節(jié)點(diǎn),如圖3－41(d)所示。在蝸輪蝸桿傳動中,可用左、右手定則判斷。圖3－41齒輪傳動時(shí)的轉(zhuǎn)動方向

(2)定軸輪系中傳動比的計(jì)算。

①平面定軸輪系傳動比的計(jì)算。如圖3－31所示的定軸輪系,其各對齒輪的傳動比為

將以上各式連乘得

上述結(jié)論可推廣到定軸輪系的一般情形,即

式中,m為外嚙合的次數(shù)。

首末兩輪的轉(zhuǎn)向關(guān)系也可以用畫箭頭的方法確定(如圖341所示)。

如果定軸輪系中包含圓錐齒輪和蝸桿傳動,其傳動比的大小可用式(3－16)計(jì)算,首末兩輪的轉(zhuǎn)向關(guān)系不能用(-1)m確定,只能用畫箭頭的方法確定。

②周轉(zhuǎn)輪系傳動比的計(jì)算。

因?yàn)橹苻D(zhuǎn)輪系中行星輪的運(yùn)動不是繞定軸的簡單轉(zhuǎn)動,所以不能直接用定軸輪系傳動比的計(jì)算方法來計(jì)算行星輪系的傳動比。要解決行星輪系傳動比的計(jì)算問題,應(yīng)將其轉(zhuǎn)化成假想的定軸輪系,便可由式(3－16)列出該假想定軸輪系傳動比的計(jì)算式,從而求出周轉(zhuǎn)輪系的傳動比。

如圖342(b)所示的周轉(zhuǎn)輪系中,設(shè)nH為行星架H的轉(zhuǎn)速,根據(jù)相對運(yùn)動的原理可知,當(dāng)對某一機(jī)構(gòu)的整體加上一種公共轉(zhuǎn)速時(shí),其各構(gòu)件間的相對運(yùn)動關(guān)系仍保持不變。所以給整個(gè)行星輪系加上一個(gè)與系桿H的轉(zhuǎn)速nH大小相等、方向相反的公共轉(zhuǎn)速(-nH),此時(shí),系桿H的轉(zhuǎn)速為零(nH-nH=0),即靜止不動。于是該輪系中,所有齒輪的幾何軸線位置全部固定,轉(zhuǎn)化成了假想的定軸輪系。這種經(jīng)過轉(zhuǎn)化后得到的定軸輪系,稱為原行星輪系的轉(zhuǎn)化輪系,如圖3－42(a)所示。將各構(gòu)件轉(zhuǎn)化前后的轉(zhuǎn)速列表,見表36。圖3－42周轉(zhuǎn)輪系及轉(zhuǎn)化輪系

應(yīng)用上面公式時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

圖3－43差動輪系

【例3－3】如圖3－44所示的行星輪系中,z1=100,z2=101,z2'=100,z3=99,求傳動比iH1。圖3－44行星輪系

解由式(3－17)得

因齒輪3固定,故n3=0,代入上式得

【工作任務(wù)知識延伸】

汽車齒輪變速器簡介

1.汽車齒輪變速器

現(xiàn)代汽車上廣泛使用活塞式內(nèi)燃機(jī),其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小,而汽車復(fù)雜的使用條件則要求汽車的牽引力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。為解決這一矛盾,在傳動系中設(shè)置了變速器。汽車齒輪變速器是汽車的主要傳動部件,擔(dān)負(fù)著將動力從發(fā)動機(jī)傳遞到車輪的重要使命。它以其傳動比固定,傳動力矩大,結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),使之成為汽車的關(guān)鍵性傳動部件之一,其操作性、傳動性和安全性的好壞直接影響到汽車的整體性能。

2.汽車齒輪變速器的功用

汽車齒輪變速器具有如下幾個(gè)功用:

(1)汽車齒輪變速器能改變傳動比,擴(kuò)大驅(qū)動輪轉(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。

(2)汽車齒輪變速器能在發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下,使汽車倒退行駛。

(3)利用空擋中斷動力傳遞,以使發(fā)動機(jī)能夠起動、怠速,并便于變速器換擋或進(jìn)行動力輸出。

3.汽車齒輪變速器的分類

汽車齒輪變速器可分為手動變速器和自動變速器兩種類型。

1)汽車手動變速器

(1)汽車手動齒輪變速器如圖3－45(a)所示。它是車市中最主流的車型,是最基本和最為悠久的變速裝置,也被稱為機(jī)械變速器,簡稱為MT。目前手動變速器的技術(shù)已經(jīng)非常成熟,它是通過齒輪的嚙合來傳動發(fā)動機(jī)的動力。

它的傳動特點(diǎn)如圖3－45(b)所示,用幾根平行軸及若干相嚙合的直齒或斜齒齒輪進(jìn)行動力傳遞,即由輸入軸、軸出軸和中間軸構(gòu)成變速器的主體,再加上一根倒擋軸及同步器等部件。其主要工作原理是通過變速操縱桿撥動不同齒輪組間的嚙合從而組成不同的擋位,因?yàn)槊繐醯凝X輪組的齒數(shù)是固定的,所以各擋的變速比是一定的,屬于有級變速器。駕駛員操縱汽車時(shí),需兼顧控制方向盤、離合器、制動器、油門和換擋操縱桿。

圖3－45汽車手動齒輪變速器

(2)汽車手動齒輪變速器的特點(diǎn)。

汽車手動齒輪變速器的優(yōu)點(diǎn)是:

①結(jié)構(gòu)比較簡單直觀,零部件相對較少,可靠性強(qiáng)、故障率低和維修方便性較好,價(jià)廉物美,性價(jià)比高;

②傳遞效率與液力傳遞相對較高,擋位清晰,較省油,操縱隨心所欲,及時(shí)給駕駛員以“我在開車”的感覺。

汽車手動變速器的缺點(diǎn)是:

①必須與離合器結(jié)合進(jìn)行擋位之間的轉(zhuǎn)換,對駕駛員要求較高,負(fù)擔(dān)較重,操縱方便性差,操縱不好不僅影響車輛性能和油耗,還導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生;

②換擋沖擊較大,給舒適性帶來一定影響。

2)汽車自動齒輪變速器

(1)汽車自動齒輪變速器如圖3－46(a)所示。汽車自動操縱式齒輪變速器的傳動比選擇和換擋是自動進(jìn)行的,駕駛員只需操縱加速踏板(油門)和制動踏板以控制車速。無需控制離合器和手動換擋。自動擋的汽車能根據(jù)路面狀況自動變速變矩,因此,駕駛者可以全神貫地注視路面交通而不會被換擋搞得手忙腳亂,駕駛員負(fù)擔(dān)較小。現(xiàn)代的汽車產(chǎn)品中自動變速車已成為主流,近年由于技術(shù)進(jìn)步自動擋不僅大幅度克服了以往的缺點(diǎn),在油耗、動力傳遞性能、可靠性、成本等方面已有了長足的進(jìn)步,達(dá)到與手動變速器相差無幾的水平,與此同時(shí),它卻具有手動變速器所永遠(yuǎn)無法取代的優(yōu)點(diǎn)。

(2)汽車自動齒輪變速器的類型。汽車上常用的自動齒輪變速器有以下幾種類型:液力自動變速器、液壓傳動自動變速器、電力傳動自動變速器、有級式機(jī)械自動變速器、無級式機(jī)械自動變速器等。其中,最常見的是液力自動變速器,主要由液壓控制的齒輪變速系統(tǒng)構(gòu)成,包含自動離合器和自動變速器兩大部分。它能夠根據(jù)油門的開度和車速的變化,自動地進(jìn)行換擋。

(3)汽車自動齒輪變速器的組成。雙離合變速器是近年來最受關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù),該系統(tǒng)主要由兩組離合器片集合而成的雙離合器裝置,一個(gè)由實(shí)心軸及其外套筒組合而成的雙傳動軸機(jī)構(gòu),以及控制單數(shù)和雙數(shù)擋位的兩組齒輪等組成。其核心部分是雙離合器和三軸式齒輪變速箱,如圖346(b)所示,它有兩根同軸心的輸入軸,輸入軸1裝在輸入軸2里面。輸入軸1和離合器1相連,輸入軸1上的齒輪分別和1擋齒、3擋齒、5擋齒相嚙合;輸入軸2是空心的,和離合器2相連,輸入軸2上的齒輪分別和2擋齒、4擋齒、6擋齒相嚙合;倒擋齒輪通過中間軸齒輪和輸入軸1的齒輪嚙合。圖3－46汽車自動變速器

4.汽車齒輪變速器操縱機(jī)構(gòu)

圖3－47為解放CAl092型汽車六擋變速器操縱機(jī)構(gòu)示意圖。變速器操縱機(jī)構(gòu)能讓駕駛員使變速器掛上或摘下某一擋,從而改變變速器的工作狀態(tài)。在變速器操縱機(jī)構(gòu)內(nèi)除了有換擋桿、撥叉、撥叉軸、撥塊外,還有自鎖裝置、互鎖裝置、倒擋鎖裝置。一般前置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動汽車的變速器距離駕駛員座位較近,換擋桿等外操縱機(jī)構(gòu)多集中安裝在變速器箱蓋上,結(jié)構(gòu)簡單、操縱容易并且準(zhǔn)確。圖3－47解放CAl092型汽車六擋變速器操縱機(jī)構(gòu)

考核與評價(jià)

小結(jié)

通過對汽車機(jī)械式變速器和差速器的認(rèn)識與分析活動,認(rèn)識了輪系的概念,理解了定軸輪系中齒輪轉(zhuǎn)動方向的確定及定軸輪系傳動比的計(jì)算方法,理解了周轉(zhuǎn)輪系的組成及傳動比的計(jì)算等基本知識;特別是對汽車齒輪變速器和差速器有了更深的理解,對汽車齒輪變速器和差速器中的輪系傳動能進(jìn)行正確的安裝、調(diào)試、維護(hù),能分析輪系傳動裝置的故障原因,并能進(jìn)行排除。

工作任務(wù)活動三汽車變速器拆裝與軸系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與分析

案例導(dǎo)入

有一輛汽車行駛在不平道路上時(shí),其故障癥狀為:①在起步或急加速時(shí)發(fā)出“格登”的聲響;②底盤發(fā)生“嗡嗡”聲,而且運(yùn)行速度越高,聲音越大;③特別在行駛顛簸中偶爾發(fā)出敲擊聲。

案例導(dǎo)入有一輛汽車行駛在不平道路上時(shí),其故障癥狀為:

①在起步或急加速時(shí)發(fā)出“格登”的聲響;

②底盤發(fā)生“嗡嗡”聲,而且運(yùn)行速度越高,聲音越大;

③特別在行駛顛簸中偶爾發(fā)出敲擊聲。

其故障診斷為:汽車傳動軸機(jī)件的損壞、磨損、變形以及失去動平衡,都會造成汽車在行駛中產(chǎn)生異響和振動,嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致相關(guān)部件的損壞。

其故障排除為:

①調(diào)整吊架安裝位置;

②調(diào)整后橋平衡軸動平衡校正;

③更換萬向節(jié)十字軸,如圖3－50所示。圖3－50汽車傳動軸常見故障

汽車傳動軸是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分,汽車在工作運(yùn)行時(shí)是靠內(nèi)部的各種傳動機(jī)構(gòu),如軸、軸承、聯(lián)軸器、螺栓及彈簧等配合來傳動動力和運(yùn)動的,其中零部件基本可歸屬為軸系零部件。而軸系零部件是汽車機(jī)械的重要組成部分,其設(shè)計(jì)、使用是否合理將直接影響整臺汽車的工作性能。軸系零部件一旦失效會影響汽車正常行駛;傳動軸的工作狀態(tài)直接關(guān)系著車輛的行駛是否安全。怎樣確保汽車傳動軸的正常工作呢?這就需要我們了解汽車傳動軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用,清楚汽車傳動軸的常見故障并及時(shí)排除,且經(jīng)常對其進(jìn)行保養(yǎng)。

活動要點(diǎn)

通過對主減速器與軸系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與分析活動,特別是對主減速器中的軸進(jìn)行拆裝與軸系結(jié)構(gòu)分析,掌握軸的功用、類型和應(yīng)用,掌握軸的結(jié)構(gòu)工藝性能,掌握軸上零件定位和固定方法,解決軸上零件定位和固定問題;能對軸的失效進(jìn)行分析,并且對汽車主減速器中的軸進(jìn)行正確使用與維護(hù)?；顒影才?/p>

【工作任務(wù)基礎(chǔ)知識】

一、軸的功用、類型和應(yīng)用

軸的功用主要是支承其他回轉(zhuǎn)件,承受轉(zhuǎn)矩與彎矩,并傳遞運(yùn)動和動力。

(1)軸按承受載荷情況可分為心軸、傳動軸和轉(zhuǎn)軸。

①心軸:工作時(shí)只承受彎矩不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸。心軸又分為:

①固定心軸(固定不轉(zhuǎn)動的心軸),如自行車前軸,如圖3－51所示;

②轉(zhuǎn)動心軸(與軸上零件一起轉(zhuǎn)動的心軸),如火車車輪軸,如圖3－52所示。圖3－51固定心軸圖3－52轉(zhuǎn)動心軸

②傳動軸:只傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩的軸,如汽車中聯(lián)接變速箱與后橋之間的軸是傳動軸。它由軸管、伸縮套和萬向節(jié)組成。伸縮套能自動調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動橋之間距離的變化。萬向節(jié)可保證變速器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸兩軸線夾角的變化,并實(shí)現(xiàn)兩軸的等角速傳動,如圖3－53所示。

③轉(zhuǎn)軸:既傳遞轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的軸,如減速器軸,如圖354所示。機(jī)器中多數(shù)軸都為轉(zhuǎn)軸。圖3－53汽車傳動軸圖3－54減速器轉(zhuǎn)軸

(2)軸按軸線形狀可分為直軸、曲軸和撓性軸。

①直軸。直軸按外形的不同可分為:光軸,如圖3－55(a)所示;階梯軸,如圖3－55(b)所示;空心軸,如圖3－55(c)所示。圖3－55直軸

②曲軸。一般工程機(jī)械中的曲軸如圖3－56(a)所示。它多用于往復(fù)式機(jī)械中,如汽車發(fā)動機(jī)等,在發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中搖臂軸采用了曲軸,如圖3－55(b)所示。圖3－56曲軸

③撓性軸。撓性軸的軸線能按使用要求隨意變化,可將機(jī)械運(yùn)動靈活傳遞到所需要的任何,如圖3－57所示。圖3－57撓性軸

二、軸的結(jié)構(gòu)、工藝分析與設(shè)計(jì)

1.軸的結(jié)構(gòu)組成

軸一般由軸頭、軸身、軸頸三部分組成。圖3－58所示為一減速器中間轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)圖,其中與齒輪、帶輪等零件配合的部分稱為軸頭;聯(lián)接軸頸和軸頭的部分稱為軸身;軸上與軸承配合的部分稱為軸頸。圖3－58減速器中間轉(zhuǎn)軸

2.軸結(jié)構(gòu)影響與決定因素

軸結(jié)構(gòu)影響與決定因素有:

①軸的毛坯種類;

②軸上作用力的大小及其分布情況;

③軸上零件的位置、配合性質(zhì)及其聯(lián)接固定的方法;

④軸承的類型、尺寸和位置;

⑤軸的加工方法、裝配方法以及其他特殊要求。可見,影響軸的結(jié)構(gòu)與尺寸的因素很多,設(shè)計(jì)軸時(shí)要全面綜合考慮各種因素。

3.軸的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。其基本要求有以下幾點(diǎn)內(nèi)容:

①定位要求:軸和軸上零件有準(zhǔn)確的工作位置。

②固定要求:軸上各零件應(yīng)有可靠地相對固定。

③工藝要求:軸應(yīng)有良好的制造和安裝工藝性。

④疲勞強(qiáng)度要求:形狀和尺寸應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中。

⑤尺寸要求:軸的各部分的長度尺寸應(yīng)合理。

為了便于軸上零件的裝拆與固定,且接近等強(qiáng)度,通常將軸設(shè)計(jì)成階梯形。

軸上零件的定位和固定是兩個(gè)不同的概念。定位是針對裝配而言的,是為了保證軸上零件準(zhǔn)確的安裝位置;固定是針對工作而言的,是為了使軸上零件在運(yùn)轉(zhuǎn)中保持原位不動。但兩者又相互聯(lián)系,通常作為軸的結(jié)構(gòu)措施,既起固定作用,又起定位作用。

(1)軸上零件的周向定位和固定。它是指將軸上零件在圓周方向進(jìn)行定位和固定。周向固定的目的是限制軸上零件相對于軸的轉(zhuǎn)動。軸上零件常用的周向固定方式有鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接、成型聯(lián)接和過盈配合聯(lián)接等,如表3－7所示。

(2)軸上零件的軸向定位和固定。軸向定位是指將軸上零件沿軸線方向進(jìn)行定位和固定。軸上零件進(jìn)行軸向定位通常采用軸肩或軸環(huán),見表3－8。階梯軸上截面變化的部位稱為軸肩;起聯(lián)接和定位作用的環(huán)帶稱為軸環(huán)。軸肩或軸環(huán)的作用為單向固定軸上零件。為使零件的端面能與軸肩緊貼,軸肩的過渡圓角半徑R應(yīng)小于軸上零件的圓角半徑R1或倒角Cl。軸環(huán)寬度b≈1.4h。裝滾動軸承處的軸肩尺寸,由軸承標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安裝尺寸確定。該定位方式簡單可靠,可承受較大的軸向力。

軸上零件除要求正確定位外,還要求可靠的軸向固定,以防止零件在軸向力作用下發(fā)生軸向竄動。常用的軸向固定方式有套筒、圓螺母、圓錐銷、軸端擋圈、彈性擋圈和圓錐面等,見表3－9。

軸上零件的布置和裝配方案不同,將直接影響軸的結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況擬定幾種方案,分析對比,選出較為合理的一種。圖3－59所示減速器低速軸的裝配方案是:左端依次裝入齒輪、套筒、左端軸承、左端軸承蓋;從右端裝入右端軸承、軸承蓋、鏈輪和軸端擋圈。由此裝配方案和軸上零件的尺寸便可確定軸的結(jié)構(gòu)和各部分的尺寸。圖3－59減速器低速軸裝配示意圖

4.軸的工藝分析與設(shè)計(jì)

軸在制造加工、裝配、使用維修過程中都需要對其結(jié)構(gòu)提出要求,即軸的結(jié)構(gòu)工藝性要求,主要有以下幾點(diǎn)內(nèi)容:

(1)在能滿足使用要求的情況下,軸的外形結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單,便于加工,軸肩數(shù)盡可能少,相鄰軸段的直徑差不宜過大。

(2)為使軸上零件容易裝拆,軸端、軸頭和軸頸的端部應(yīng)有倒角,一般為45°,如圖3－60所示。

(3)同一根軸上所有圓角半徑和倒角的大小應(yīng)盡可能一致,以減少刀具規(guī)格和換刀次數(shù),如圖3－60所示。

(4)同一軸上需開幾個(gè)鍵槽時(shí),應(yīng)布置在同一母線上,如圖3－60所示,以便于加工。圖3－60軸上鍵槽

(5)軸的兩端應(yīng)設(shè)置中心孔,以保證軸的各段具有較好的同軸度,如圖3－61所示。圖3－61中心孔

(6)對于軸上要磨削的軸段,需設(shè)砂輪越程槽,其中b1=(2~4)mm,h=(0.5~1)mm,如圖3－62所示,其尺寸要符合標(biāo)準(zhǔn)。圖3－62砂輪越程槽

(7)對于軸上要切螺紋的部位,需設(shè)退刀槽,一般取b≥2P,如圖3－63所示,以便在切螺紋時(shí)退刀。圖3－63螺紋退刀槽

【工作任務(wù)知識延伸】

一、軸的變形分析簡介

軸在工作時(shí)受彎曲或扭轉(zhuǎn)變形,會受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生疲勞斷裂,還可因?yàn)閯傂圆蛔愣a(chǎn)生過大的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,影響軸上零件正常工作。

1.軸的扭轉(zhuǎn)變形

1)圓軸扭轉(zhuǎn)的概念與實(shí)例

如圖3－64所示,桿件扭轉(zhuǎn)變形的受力特點(diǎn)是:桿件受到作用面與軸線垂直的外力偶作用;其變形特點(diǎn)是,桿件的各橫截面繞軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,桿軸線始終保持直線。這種變形稱為扭轉(zhuǎn)變形。圖3－64扭轉(zhuǎn)變形

圓軸是工程上常見的一種受扭轉(zhuǎn)的桿件,工程實(shí)際中許多桿件承受扭轉(zhuǎn)變形。如圖3－65所示的汽車方向盤軸、電動機(jī)軸、攪拌器軸、車床主軸等,都是受扭的實(shí)例。工程上將以扭轉(zhuǎn)變形為主要變形的桿件稱為軸。圖3－65汽車方向盤軸

2)外力偶矩、扭矩與扭矩圖

(1)外力偶矩的計(jì)算。

圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的外力偶矩,通常用Me來表示,如圖3－66所示。在工程中許多受扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件,如傳動軸,通常只給出其轉(zhuǎn)速和所傳遞的功率,而不直接給出外力偶矩值,所以外力偶矩可按下列公式計(jì)算:

(2)扭矩。

圖3－66(a)所示為等截面圓軸AB,兩端面上作用有一對外力偶矩Me,現(xiàn)用截面法求圓軸橫截面上的內(nèi)力。用一假想截面將軸從m-m截面處截開,以左段為研究對象,根據(jù)平衡條件∑Mx=0,得T=Me,即截面上必有一個(gè)內(nèi)力偶矩T與A端面上的外力偶矩Me平衡,該內(nèi)力偶矩T稱為扭矩。

扭矩的正負(fù)號規(guī)定如下:按右手螺旋法則,四指順著扭矩的實(shí)際轉(zhuǎn)向握住軸線,大拇指的指向與橫截面的外法線n方向一致時(shí)的扭矩為正,反之為負(fù),如圖3－66(b)所示。當(dāng)橫截面上的扭矩的實(shí)際轉(zhuǎn)向未知時(shí),一般先假定扭矩為正。若求得結(jié)果為正,則表示扭矩實(shí)際轉(zhuǎn)向與假設(shè)相同;若求得結(jié)果為負(fù),則表示扭矩實(shí)際轉(zhuǎn)向與假設(shè)方向相反。這樣可使得用平衡方程求得的扭矩正負(fù)號與規(guī)定的正負(fù)號相同。圖3－66圓軸扭轉(zhuǎn)內(nèi)力

(3)扭矩圖。

當(dāng)軸上作用有多個(gè)外力偶時(shí),圓軸各截面上的扭矩一般不同,為了形象地表示扭矩沿軸線的變化情況,需繪制扭矩圖:以與軸線平行的Ox軸表示橫截面的位置,以垂直于Ox軸的OT軸表示橫截面上的扭矩大小,建立直角坐標(biāo)系,在坐標(biāo)系中繪制扭矩的曲線,稱為扭矩圖,如圖3－67所示。圖3－67傳動軸扭矩圖

2.軸的彎曲變形

1)平面彎曲的概念與實(shí)例

工程中存在著大量受彎曲的桿件,如橋式吊車的橫梁,如圖3－68所示;搖臂鉆床的搖臂,如圖3－69所示;火車的車輪軸,如圖3－70所示,它們均為彎曲變形的構(gòu)件。這些構(gòu)件受力的共同特點(diǎn)是:作用于這些桿件的外力通常為垂直于桿軸的橫向力,或通過桿軸平面內(nèi)的外力偶,從而使桿的軸線彎曲成曲線,這種變形稱為彎曲變形。心軸、轉(zhuǎn)軸都會產(chǎn)生彎曲變形。習(xí)慣上把以彎曲為主要變形的桿件稱為梁。圖3－68橋式吊車的橫梁圖3－69搖臂鉆床圖3－70火車的車輪軸

2)梁的分類

根據(jù)支承情況可將梁分為三種形式:

(1)簡支梁:梁的一端為固定鉸支座,另一端為活動鉸支座,如圖3－68所示。

(2)外伸梁:具有一端或兩端外伸部分的簡支梁,如圖3－70所示。

(3)懸臂梁:梁的一端固定,一端自由,如圖3－69所示。

3)平面彎曲的內(nèi)力—剪力與彎矩

在此以圖3－71為例說明用截面法求內(nèi)力的方法。如圖371所示的簡支梁AB,其上作用有集中力F1、F2和F3,欲求距A端x處m—m橫截面上的內(nèi)力。為此,先求出梁的支座反力FAy、FBy,然后采用截面法求m-m橫截面上的內(nèi)力。用一假想截面將梁在m-m處截成兩段,取左段為研究對象,由于整個(gè)梁處于平衡狀態(tài),左段也應(yīng)保持平衡。右段梁對左段梁的作用,可以用截面上的切向內(nèi)力FQ和內(nèi)力偶矩M來代替,其大小由平衡方程確定,

即

得

得

圖3－71梁截面法求內(nèi)力

二、軸的強(qiáng)度與剛度校核

1.軸的強(qiáng)度計(jì)算

(1)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件。為了保證軸安全地工作,要求圓軸危險(xiǎn)截面的最大切應(yīng)力不超過材料的許用切應(yīng)力,即圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件為

(2)彎曲強(qiáng)度條件。

根據(jù)梁的彎曲實(shí)驗(yàn)研究表明,彎曲構(gòu)件橫截面存在正應(yīng)力和切應(yīng)力,一般以正應(yīng)力為主。為保證梁能安全工作,梁內(nèi)危險(xiǎn)截面上的最大彎曲正應(yīng)力不超過材料的許用彎曲應(yīng)力[σ],即

式中M為危險(xiǎn)截面的彎矩,WZ為梁的彎曲截面系數(shù),[σ]為梁材料的許用應(yīng)力。

2.軸的剛度計(jì)算

對于軸類零件,有時(shí)要求不能產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)變形。例如機(jī)床主軸若發(fā)生過大的扭轉(zhuǎn)變形,會引起劇烈的扭轉(zhuǎn)振動,影響工件加工精度和表面質(zhì)量;車床絲杠發(fā)生過大的扭轉(zhuǎn)變形,會影響工件的加工精度。為保證軸的剛度,通常規(guī)定單位長度扭轉(zhuǎn)角的最大值θmax不得超過許用單位長度扭轉(zhuǎn)角[θ],即剛度條件為

式中T為該橫截面上的扭矩(N·m);Ip為橫截面對圓心的極慣性矩(mm4)。

實(shí)心圓截面極慣性矩為

空心圓截面極慣性矩為

其中D、d分別為空心圓截面的外徑、內(nèi)徑,α=d/D。

單位長度的許用扭轉(zhuǎn)角[θ]的大小,應(yīng)根據(jù)載荷性質(zhì)和工作條件等因素確定,具體數(shù)值可從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查出。一般規(guī)定:

①精密機(jī)械的軸,[θ]=0.15°~0.50°/m;

②一般傳動軸,[θ]=0.5°~1.0°/m;

③精密度較低的軸,[θ]=1.0°~2.5°/m。

【例3－4】一汽車傳動軸AB如圖372所示,其外徑D=90mm,內(nèi)徑d=85mm,材料的許用切應(yīng)力[τ]=60MPa,傳遞的最大扭矩為Tmax=1500N·m。

要求:

(1)校核軸的強(qiáng)度;

(2)若保持最大切應(yīng)力不變,將傳動軸改為實(shí)心軸,在相同條件下設(shè)計(jì)實(shí)心軸的直徑D1;

(3)比較空心軸和實(shí)心軸的重量。圖3－72汽車傳動軸

解(1)校核軸的強(qiáng)度。由已知條件可得空心軸的抗扭截面系數(shù)為

所以該傳動軸的強(qiáng)度是足夠的。

(2)確定實(shí)心軸的直徑。若把空心軸換成直徑為D1的實(shí)心軸,且保持最大切應(yīng)力為

取D1=53mm。

(3)比較空心軸與實(shí)心軸的重量。兩軸的材料和長度相同,它們的重量之比就等于橫截面面積之比,則有

可見,在最大切應(yīng)力相等的條件下,空心軸的重量只為實(shí)心軸重量的31%,所以采用空心軸可以節(jié)省大量材料。

3.提高軸疲勞強(qiáng)度的措施

軸的破壞大多為疲勞破壞。提高軸的抗疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵因素有如下幾方面。

(1)改善軸的受力狀況。

適當(dāng)調(diào)整軸上載荷的作用位置或改變載荷的作用方式,可有效地減小梁的最大彎矩和轉(zhuǎn)矩,從而減小彎曲、扭轉(zhuǎn)變形。

軸受集中力作用時(shí),在滿足使用要求的前提下,若將該集中力分散為幾個(gè)小的集中力,可減小梁的最大彎矩和最大撓度。如圖3－73(a)所示,當(dāng)集中力F作用在中間位置時(shí),最大彎矩為Fl/4。若采用圖3－73(b)所示結(jié)構(gòu),即把集中力F分散為兩個(gè)小的集中力F/2,則最大彎矩降為Fl/8,最大撓度也降為原來的11/16。

圖3－73分散載荷的作用

(2)合理布置軸上零件。

軸受扭轉(zhuǎn)時(shí),若按圖3－74(a)形式布置軸上零件,軸承受的最大轉(zhuǎn)矩為T1+T2;若按圖3－74(b)方式布置軸上零件,軸承受的最大轉(zhuǎn)矩降為T1。圖3－74合理布置軸上零件

考核與評價(jià)

小結(jié)

通過對汽車變速器與軸系結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與分析活動,認(rèn)識了軸的類型、結(jié)構(gòu)及功用;了解了軸的失效形式及變形特點(diǎn);掌握軸系結(jié)構(gòu)的拆裝、安裝與維護(hù),對汽車變速器中的軸的故障進(jìn)行診斷與分析,最后能夠排除,從而達(dá)到基本職業(yè)技能和專業(yè)素養(yǎng)的要求。

工作任務(wù)活動四汽車變速器拆裝與軸承結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與分析

案例導(dǎo)入

有一輛汽車正在行駛中,其故障癥狀為:①起步、變速過程中放松離合器踏板時(shí),傳動軸出現(xiàn)明顯而清脆的金屬敲擊聲,類似于用鐵錘敲擊傳動軸所發(fā)出的響聲;②汽車以高速擋低速行駛時(shí),其響聲連續(xù)而有節(jié)奏。

故障原因?yàn)?①萬向節(jié)軸承松曠;②十字軸上有凹坑。

故障分析為:①萬向節(jié)軸承因油封損壞或未加注潤滑油,使軸承嚴(yán)重磨損,甚至滾針折斷或軸頸被滾針磨出凹坑,都會造成這種癥狀;

②由于萬向節(jié)軸承出現(xiàn)異常間隙,放松離合器踏板,主動件接觸時(shí),就會發(fā)生撞擊,故而出現(xiàn)敲擊聲;

③汽車在以高速擋低

故障判斷為:汽車出現(xiàn)上述響聲,可用三角木塞住汽車后輪,將變速器操縱桿置于空擋位置,并放松手制動操縱桿,再用雙手左右沿圓周方向扭動主動或從動凸緣叉,問題便可以解決。

故障排除為:更換了萬向節(jié)軸承;因十字軸上有凹坑,同時(shí)對十字軸也進(jìn)行了更換。如圖3－77(a)所示為十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu);如圖3－77(b)所示為傳動軸中間支承軸承結(jié)構(gòu)。圖3－77汽車十字軸萬向節(jié)

軸承是汽車傳動機(jī)構(gòu)中重要的支承零件,它廣泛地應(yīng)用于各種儀器和器械中,其主要作用是支承軸及軸上零件,保證軸和軸上傳動件的回轉(zhuǎn)精度,減少摩擦和磨損,并承受載荷。從上述故障現(xiàn)象來看,軸承一旦失效,將會影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)和軸上零件的正常工作,更會影響汽車正常行駛。軸承廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中,如變速器、分動器等全部采用滾動軸承。

活動要點(diǎn)

通過對變速器拆裝與軸承結(jié)構(gòu)的認(rèn)識與分析活動,特別是對變速器中的軸承進(jìn)行拆裝與軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,掌握軸承的類型、特點(diǎn)及其應(yīng)用;掌握滑動軸承與滾動軸承的代號表示法及選用原則,能對軸承的失效進(jìn)行分析;能對汽車軸承故障進(jìn)行分析、診斷和排除,并能正確使用、安裝、調(diào)試與維護(hù)軸承。

活動安排

【工作任務(wù)基礎(chǔ)知識】

根據(jù)支承處相對運(yùn)動表面的摩擦性質(zhì),軸承分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。

一、滾動軸承的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、類型和代號

1.滾動軸承的結(jié)構(gòu)

如圖3－78所示,滾動軸承一般由外圈1、內(nèi)圈2、滾動體3和保持架4等組成。內(nèi)圈裝在軸頸上,外圈裝在機(jī)座或零件的軸承孔內(nèi),內(nèi)外圈中間有滾道,滾動體位于內(nèi)外圈滾道之間,當(dāng)內(nèi)外圈相對旋轉(zhuǎn)時(shí),滾動體將沿著滾道滾動,保持架的作用是把滾動體均勻地隔開。

滾動體是滾動軸承的核心元件,滾動體的形狀如圖3－79所示,有球形、短圓柱滾子、圓錐滾子、鼓型滾子和滾針等。

2.滾動軸承的特點(diǎn)

滾動軸承摩擦系數(shù)小,起動阻力小,啟動靈敏,效率高,有些還可承受徑向載荷和軸向載荷的聯(lián)合作用,而且它已標(biāo)準(zhǔn)化,易于互換、選用、潤滑和維護(hù),因此在一般機(jī)器中應(yīng)用較廣。它的缺點(diǎn)是抗沖擊能力較差,高速時(shí)出現(xiàn)噪聲,結(jié)構(gòu)不能剖分等。圖3－78滾動軸承圖3－79滾動體的形狀

3.滾動軸承的類型

滾動體和外圈接觸點(diǎn)的法線n-n與軸承徑向平面(垂直于軸承軸線的平面)的夾角α(如圖3－80所示)稱為公稱接觸角。α越大,軸承承受軸向載荷的能力越強(qiáng)。滾動軸承按其承載方向分為向心軸承和推力軸承兩種。

(1)向心軸承。

向心軸承主要用于承受徑向載荷(0°≤α≤45°)。向心軸承又分為兩種:一是徑向接觸軸承(α=0°),如圖3－80(a)所示;二是向心角接觸軸承,0°<α≤45°,如圖3－80(c)所示。

(2)推力軸承。

推力軸承主要用于承受軸向載荷(45°<α≤90°),如圖3－80(b)所示。推力軸承又分為兩種:一是角接觸推力軸承,45°<α<90°;二是軸向接觸軸承,α=90°。圖3－80滾動軸承接觸角

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T271—1997《滾動軸承分類》規(guī)定,常用的滾動軸承的類型、特性及應(yīng)用見表310。

4.滾動軸承的類型選擇

選擇軸承類型時(shí),要根據(jù)載荷的大小、方向和性質(zhì),轉(zhuǎn)速高低,結(jié)構(gòu)尺寸的限制,剛度要求,調(diào)心要求等因素來選擇,一般要考慮以下四點(diǎn)。

(1)軸承的受載情況。

①當(dāng)載荷小而平穩(wěn)時(shí),可選擇球軸承;當(dāng)載荷大而有沖擊時(shí),可選用滾子軸承。

②當(dāng)軸承同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷時(shí),應(yīng)根據(jù)它們的相對值考慮。

(2)軸承的轉(zhuǎn)速。

每一型號的滾動軸承都有一定的極限轉(zhuǎn)速,通常球軸承比滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速高,因此高速時(shí)宜選用球軸承。

(3)對軸承的特殊要求。

如果軸承座孔直徑受到限制而徑向載荷又很大,可選用滾針軸承;對于跨距較大,軸的剛度較差或兩軸承座孔的同軸度不好等情況,可選用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承;當(dāng)支承剛度要求較高時(shí),可選用圓柱滾子軸承或圓錐滾子軸承;對于需經(jīng)常拆卸或裝拆困難的地方,選用內(nèi)、外圈分離的軸承。

(4)經(jīng)濟(jì)性。

在保證軸承工作性能的前提下,盡可能選用價(jià)格低廉的軸承。一般,球軸承比滾子軸承價(jià)格低廉;普通結(jié)構(gòu)的軸承比特殊結(jié)構(gòu)軸承價(jià)格低;型號相同的軸承,精度越高,價(jià)格越高。一般機(jī)械傳動應(yīng)選擇普通級(P0)精度。

5.滾動軸承的代號

滾動軸承的類型很多,每種類型又有不同的結(jié)構(gòu)、尺寸、公差等級和技術(shù)要求,國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T272—1993規(guī)定了軸承代號的表示方法。滾動軸承代號由基本代號、前置代號和后置代號三部分組成,用字母和數(shù)字等表示。軸承代號的構(gòu)成見表3－11。

1)基本代號

軸承的基本代號用于表示軸承的內(nèi)徑、直徑系列、寬度系列和類型,一般多為五位。

(1)內(nèi)徑代號:用基本代號右起第一、二位數(shù)字表示,表示方法如表3－12。

(2)直徑系列代號:表示結(jié)構(gòu)相同、內(nèi)徑相同的軸承在外徑和寬度方面的變化,用基本代號右起第三位數(shù)字表示。直徑系列代號有7、8、9、0、1、2、3、4和5,部分直徑系列之間的尺寸對比如圖3－81所示。圖3－81直徑系列之間的尺寸對比

(3)軸承的寬度系列:表示結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑和直徑系列都相同的軸承,在寬度方面的變化,用基本代號右起第四位數(shù)字表示。當(dāng)寬度系列為0時(shí),多數(shù)軸承中可省略,但對于調(diào)心滾子軸承和圓錐滾子軸承,應(yīng)標(biāo)出。

(4)軸承類型代號:用基本代號右起第五位數(shù)字表示,其表示方法見表3－11。

2)前置代號

軸承的前置代號用于表示軸承的分部件,用字母表示。其含義可查有關(guān)手冊。

3)后置代號

軸承的后置代號是用字母和數(shù)字等表示軸承的結(jié)構(gòu)、公差及材料的特殊要求等。后置代號的內(nèi)容很多,下面介紹幾個(gè)常用的后置代號。

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號:用于表示同一類型軸承的不同內(nèi)部結(jié)構(gòu),用緊跟著基本代號的字母表示。如:接觸角為15°、25°和40°的角接觸球軸承分別用C、AC和B表示。

(2)軸承的公差等級:共有6個(gè)級別,由高級到低級依次用代號/P2、/P4、/P5、/P6、/P6x和/P0表示。0級為普通級,在軸承代號中不標(biāo)出。

(3)常用的軸承徑向游隙系列:共有6個(gè)組別,按徑向游隙由小到大的順序,其代號分別用/C1、/C2、/C0、/C3、/C4、/C5表示。0組游隙是常用的游隙,在軸承代號中不標(biāo)。

滾動軸承代號舉例:

①7211C/P5———表示角接觸球軸承,尺寸系列為02,內(nèi)徑為55mm,接觸角α=15°,5級公差,0組游隙。

②63053———表示中系列深溝球軸承,尺寸系列為03,內(nèi)徑為25mm,0級公差,0組游隙。

③7210C/C3/P42———表示輕系列角接觸球軸承,尺寸系列為02,內(nèi)徑為50mm,接觸角α=15°,4級公差,3組游隙。

二、滑動軸承的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、類型

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速特高、沖擊大、徑向空間尺寸受限制或必須剖分安裝(如曲軸的軸承)以及需要在水或腐蝕性介質(zhì)中工作等情況下,應(yīng)采用滑動軸承。滑動軸承在軋鋼機(jī)、汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、破碎機(jī)、剪床、航空發(fā)動機(jī)附件、雷達(dá)、衛(wèi)星通信地面站、天文望遠(yuǎn)鏡以及各種儀表中應(yīng)用較廣。

1.滑動軸承的結(jié)構(gòu)

滑動軸承一般由軸承座、軸瓦(或軸套)、潤滑裝置和密封裝置等組成,如圖3－82所示。圖3－82滑動軸承的結(jié)構(gòu)

2.滑動軸承的類型

滑動軸承根據(jù)承受載荷的方向,可分為向心滑動軸承和推力滑動軸承兩類。

(1)向心滑動軸承。

向心滑動軸承又可分為整體式滑動軸承、剖分式滑動軸承和自動調(diào)心軸承。

①整體式滑動軸承。如圖3－83所示,它由軸承座和整體軸套組成,軸承座用螺栓與機(jī)座聯(lián)接,頂部裝有潤滑油杯,內(nèi)孔中壓入帶有油溝的軸套。這種軸承結(jié)構(gòu)簡單且成本低,但裝拆不便,且軸承磨損后徑向間隙無法調(diào)整,因此多用在間歇工作、低速輕載的簡單機(jī)械中。圖3－83整體式滑動軸承

②剖分式滑動軸承。如圖3－84所示,它由軸承座、軸承蓋、剖分式軸瓦、油杯和聯(lián)接螺栓等組成。在剖分面處,制成凹凸?fàn)畹呐浜媳砻?使之上下對中和防止受力時(shí)移動。通常軸承蓋和軸瓦座之間留有少量的間隙,當(dāng)軸瓦稍有磨損時(shí),可適當(dāng)減少放置在軸瓦對開面上的墊片,并擰緊軸承蓋上的螺栓以減小軸頸和軸瓦間的間隙,使軸承間隙得到調(diào)整。因剖分式滑動軸承裝拆方便,磨損后間隙可以調(diào)整,所以應(yīng)用廣泛,并已標(biāo)準(zhǔn)化。圖3－84剖分式滑動軸承

③自動調(diào)心軸承。

當(dāng)軸承的寬度B大于軸頸直徑d的1.5倍時(shí),或軸的剛度較小、兩軸難于保證同心時(shí),會使軸頸偏斜,導(dǎo)致軸承兩端邊緣急劇磨損,如圖3－85(a)所示。自動調(diào)心軸承如圖3－85(b)所示,其軸瓦外表面做成球面形狀,與軸承蓋及軸承座的球狀內(nèi)表面相配合,軸瓦可自動調(diào)位以適應(yīng)軸頸在軸彎曲時(shí)產(chǎn)生的偏斜,從而避免軸頸與軸瓦的局部磨損。圖3－85自動調(diào)心軸承

(2)推力滑動軸承。承受軸向載荷的滑動軸承稱為推力滑動軸承。常見的止推軸頸形狀如圖3－86所示。實(shí)心端面軸頸,由于工作時(shí)軸心與邊緣磨損不均勻,軸心部分磨損較小,以致壓強(qiáng)過高,所以極少采用;空心端面止推軸頸和環(huán)狀軸頸,工作情況較好;當(dāng)載荷很大時(shí),可采用多環(huán)軸頸,它還能承受雙向軸向載荷。圖3－86推力滑動軸承

3.軸瓦的結(jié)構(gòu)

軸瓦是與軸頸直接接觸的工作部分,一般需要用減摩性好的材料制造。軸瓦有整體式和剖分式兩種。整體式軸瓦又稱軸套,如圖3－87(a)所示;剖分式軸瓦應(yīng)用廣泛,其結(jié)構(gòu)如圖3－87(b)所示。它分上下兩塊軸瓦,軸瓦兩端的凸緣用以作軸向定位。

為了將潤滑油引入軸承,并布滿于工作表面,軸瓦上開有供油孔、油溝和油槽。供油孔用來供應(yīng)潤滑油,油溝用來輸送和分布潤滑油,油室則用來儲存