汽車手動5擋變速器演示臺的設計

陳典 劉清

（武漢商學院機電工程與汽車服務學院 430056)

汽車手動5擋變速器演示臺的設計

陳典 劉清

（武漢商學院機電工程與汽車服務學院 430056)

手動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力。汽車手動變速器演示臺的設計，在不需要耗費大量的場地和時間的情況下，用數(shù)據代替實際變速器展現(xiàn)變速器擋位變換和傳動比的相關屬性。該演示臺，能夠輔助教師相關理論的講解，用數(shù)據充實傳動比求證的過程，為學生的實訓提供相應的實驗工具，鍛煉他們的實踐及動手能力。

汽車手動變速器；傳動機構；演示臺；3D打印

0 引言

如今，汽車產業(yè)已發(fā)展成為中國經濟的標志性產業(yè),極大的影響了人們的生活，也促進了汽車各系統(tǒng)部件的發(fā)展，其中擴大汽車對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]。手動變速器作為變速器發(fā)展的基礎，能夠充分體現(xiàn)人們的主觀操作性，因此對手動變速器知識的普及勢在必行。然而目前手動變速器的教學還存在著諸多問題，其中教師授課理論性過強，學生不太理解變速器動態(tài)過程演示，汽車專業(yè)學生實踐能力不足等問題較為突出。

1 設計背景

手動變速器是汽車中非常重要的部件，是汽車專業(yè)學生應該掌握的知識點，目前我國汽車教育機構多采用變速器實物解剖的教學方式，直接講解理論，學生認識非常不直接[2]，且無法實現(xiàn)換擋變速的動態(tài)過程演示。為了普及手動變速器的知識，豐富汽車專業(yè)教師的授課過程，驗證手動變速器的傳動比，鍛煉學生的實踐能力，手動變速器演示臺的設計應運而生。

2 結構設計

如圖1所示滿足設計要求的手動變速器演示臺，重點展現(xiàn)了換擋變速動態(tài)過程的演示，傳動比的求證和提升學生實踐能力的功能。該演示臺主要由演示臺架，動力輸入裝置，顯示裝置，變速器操縱機構，備用傳動機構零部件，變速器傳動機構組成。設定電動機代替發(fā)動機以10 r/min的轉速帶動變速器輸入軸旋轉，顯示屏顯示輸出軸軸端傳感器感應的數(shù)據。

演示臺架采用透明材料亞克力制造，能清晰的觀察變速器的內部結構；動力輸入裝置為演示臺提供相應動力，其中變速器輸入軸的動力源于電機，外部為演示臺的顯示裝置和傳感裝置提供相應的電能；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速大??；為符合實際情況，變速器傳動機構，變速器操縱機構的制作材料均采用鋁合金。演示臺配置有一整套的變速器的3D備用傳動機構零部件，滿足學生的動手拆裝實訓。這些零件可大大的節(jié)省試驗臺的制造成本，對于損壞件和遺失件能夠快速補充。

對于齒輪，由于工作強度大，為保證齒輪的使用壽命，需要對齒輪的彎曲應力σw和輪齒接觸應力σj進行相應的數(shù)據分析，算出輸入軸及輸出軸各個齒輪的彎曲應力σw和接觸應力Ρj。

各前進擋齒輪模數(shù)均為8，倒擋齒輪模數(shù)均為4。設計出下列如表1和表2所示參數(shù)的各擋齒輪。查閱相關資料設計出對應的齒輪數(shù)。查表知，各齒輪的彎曲應力應滿足σw≤[σw]=400 MPa，同理接觸應力應滿足σjw≤[σj]=200 MPa。

根據以上計算，所得的各擋齒輪彎曲應力均滿足σw≤[σw]，接觸應力均滿足σjw≤[σj]。因此演示臺設計參數(shù)均在允許范圍內，故該演示臺設計合理。

表3 實際各擋輸出轉速表

3 功能實現(xiàn)

根據以上參數(shù)設計出的演示臺，接通演示臺電源后，開啟演示臺開關，電動機通電旋轉，帶動變速器輸入軸旋轉，傳感器將感應到的變速器輸出軸轉速反映在顯示屏上，通過實驗數(shù)據分析，結合相應的傳動機構零部件進行變速器換擋功能的講解，實現(xiàn)手動變速器顯示動態(tài)特性的功能。

當變速器演示臺的換擋撥叉調至各個擋位時，顯示屏顯示數(shù)據no=10 r/min，此時，記錄10次ni的顯示屏數(shù)據如表3所示。

將記錄數(shù)據進行整理，在排除接觸摩擦等外在因素的影響下，理論上no=10 r/min時，1擋的顯示轉速應在4.2～4.3 r/min，2擋的顯示轉速應在5.1～5.2 r/min，3擋的顯示轉速應在6.1～6 r/min，4擋的顯示轉速應在7.2～7.3 r/min，5擋的顯示轉速應在9.9～10.0 r/min，倒擋的顯示轉速應在4.0～4.1 r/min。很明顯的可以看出，大部分轉速都趨近于標準轉速，表明演示臺及其顯示電路及傳感器均正常，齒輪設計參數(shù)及其嚙合也均合理。

綜上，變速器各擋位的設計參數(shù)合理，各機構均能夠實現(xiàn)預期功能，即該演示臺能夠實現(xiàn)變速器換擋變速動態(tài)過程的演示功能。

4 前景展望

在本設計中，演示臺除了顯示裝置的數(shù)據可演示變速器的動態(tài)過程的特點外，透明實驗臺架可顯示變速器的內部結構，備用零部件（模擬變速器的傳動機構）可提高學生的拆裝實踐能力，變速器操縱機構與傳動機構可實現(xiàn)有效的組合。結合目前變速器演示臺行業(yè)的競爭程度，可以向三方面人群推廣。

(1)向汽車相關專業(yè)學校宣傳推廣。本演示臺，體積小，成本低，可顯示轉速，用數(shù)據充實老師的課程講解，同時利用新興的3D技術，及時補充損失部件，最大化地發(fā)揮變速器演示臺的輔助教學和鍛煉學生實踐能力的作用。

(2)向汽車相關培訓機構推廣。對于本演示臺，成本低，可塑性強，根據不同汽車培訓機構的培訓需求，本演示臺在后期可以進行多方位變速器功能的補充，使得汽車培訓機構的的成本投入相對較低，促進汽車培訓機構的發(fā)展。

(3)向科普機構（如科技館）推廣。演示臺機電結合，在實現(xiàn)功能的同時，整體極具觀賞價值。通過向庫普機構如科技館推廣，滿足部分人群（例如小孩）對科學的好奇心，從小培養(yǎng)他們的科學興趣，促進科學乃至社會的發(fā)展。

[1]劉廣文.三軸五擋手動手動變速器[D].哈爾濱劍橋學院,2012.

[2]徐瑞霞.基于"慧魚"模型的機械教具百寶箱設計與制作[J]. 機電工程技術,2016,02：52-54.

U461.2文獻標示碼：A

陳典（1994—），男，學生，研究方向為機械設計與新能源汽車市場調查等。通訊作者：劉清副教授。