1.1 汽车发动机多功能拆装台架的发展趋势

随着汽车行业的发展，汽车修理行业的设备也在不断的更新与进步。发动机拆装台架也是在不断的改进。由原来发动机无台架的修理到有台架的使用，从简单的台架到可翻转的台架，现在又制造出可翻转的多功能的发动机台架。作为修理设备，这种台架不只能将发动机进行翻转还能使发动机在翻转过程中停留在任意位置上，使发动机在拆装过程中方便很多，不仅给工人师傅节省很多时间。同时，也能解决那些平时不易拆装的问题。作为教学实验设备，它能使同学们更直观的了解发动机的构造，同学们在拆装发动机时也更容易。

在修理中，为了节省更多的时间，获取更多的利益，人们将会生产出更为先进的发动机拆装设备。

1.2实验台设计的目的

现代轿车其结构比较复杂。维修不便这样就对从事汽车工程相关专业的人员提出了更高的要求。对于汽车专业技术人才培养来说，如何使理论与实践相结合，提高学生的工程实践能力，是一重要的课题。在教学的环节中,必须加强其课堂教学、生产实践和实验三方面的有机结合，以力提高教学质量。因此，设计出的电器实验台做为实验设备，在教学的过程中可以为学生及汽车专业技术人才营造良好的学习氛围，起到理论联系实际的一个纽带，为实验教学提供了有利的条件，在满足教学实验的基础上提高了学生及汽车故障诊断、维修能力。

1.3实验台设计的意义

1、先进的发动机多功能实验台设计与制作可以培养学生实践动手能力、分析

处理问题的能力、工程实践能力和创新能力及商品意识，很好的满足专业技术人才培养的要求。这对于提高汽车的使用寿命和经济效益，推动汽车工业及国民经济的发展具有极其重要的现实意义和深远的历史意义。

2、实践相结合，提高学生的实际操作能力。在本实验台上，便于学生亲手操

作，在理论学习与动手实践之间架起一座沟通的桥梁。

3、汽车发动机修理技术的进步，实验台还可以进行更新换代，节约研制经费。

在实验台的制作过程中，还要在架面上预留一些地方，为拆装架的功能扩展和更新提供基础和应用平台。对实验台的开发和设计，可以建立一种科研环境，给学生营造良好的学习氛围。在设计过程中，需要运用很多的专业知识，像汽车理论、汽车技术、机械设计、机械制图，金属工艺等等，这就需要对以往学过的知识进行复习，还有很多的理论需要深入的研究，以便同实际操作合。在教材不能满足需要时，还要做市场调研，搜集资料，去图书馆找文献、查期刊、请教老师、同学、上网查找本课题的前沿动态。

第2章 多功能发动机维修实验台的设计

2.1实验台的总体设计要求

实验台的设计构思主要有几方面。首先，是结合汽车发动机的组成以及各部件的工作特点合理选择固定点。其次为了实现实验台的相应控制功能及拆装功能，要求各组成元件具有实际运行能力.并且实现快速翻转、翻转定位。在此基础之上根据实验台的受力情况以及各个部件拆装的需要，相应的设计出与之相匹配的台架，起到支撑，固定的作用。具体设计要求如下:

在选择参照车型时应充分考虑它的代表性，因此要使所选择的发动机统无论

是在控制理论还是在实际工作性能上都能够反映现代汽车技术的先进性，体现发展的趋势和潮流，同时具有普及性，便于汽车工程相关专业实践教学环节的展开；并且所选择车辆具有鲜明技术特色。

在考虑布局合理、结构紧凑的同时，还应注意到使各个元件在工作时相互之间功率匹配问题。

在实验台的制作过程中，还要在架面上预留地方或者是连接其他设备的插接件，为实验台的功能扩展和更新原部件提供基础和应用平台。此外，要求实验台具有直观形象的教学演示控制性能。在实验台设计时，实验台的高度应考虑到我国人口的平均高度。中国人口的平均高度1.7米左右所以拆装实验台的高度不应超过1.5米。

发动机翻转架的设计过程包括台架设计过程以及台架的校核。翻转架的设计要充分考虑台架质量分布均匀度、台架稳定性及运动件与固定件是否发生干涉等因素。下面以在设计的过程中遇到的问题对整个设计过程进行剖析。

翻转架的台架设计和制作主要依据捷达GTX轿车的发动机质量及固定点进行布置，同时也参照了捷达车身发动机内各器件的位置情况。因为这种设计可以合理的利用台架空间^［1］。

台架尺寸的确定主要依据发动机的外形尺寸。根据发动机的放置位置，放置方向，发动机上主要器件拆卸，能自锁的减速器放置位置和放置方向这些因素来初步确定台架的外廓尺寸。

在布置时先确定减速器的位置,通过确定减速器的位置就可以初步确定发动机的大概位置。

当发动机和减速器的位置确定下来后，就可以确定放置减速器的台架的大小和台架所需的刚度和强度，

当各个器件的位置确定下来后，就可以确定台架的尺寸及连接方式。

多功能翻转架的设计是根据发动机的质量、零件位置和发动机大小，以及发动机与翻转架、翻转架与减速器之间的传动需要来进行设计的，其特点有良好的稳定性和足够的强度来支撑发动机和减速器。由于实验台只需要支撑发动机和减速器，不需承受其它的外力故台架只需满足强度要求。在制作过程中，以45的钢板和型钢为主，各连接处采用焊接和螺栓联接，其强度不低于原材料的强度，可以达到支撑发动机，以及固定、稳定性的作用。为了移动方便，采用橡胶轮，这样可以起到减震的作用。

台架的材料选用45钢，强度、价格均可行。台架的各连接处均采用焊接，其强度不低于材料的强度，可以达到支撑台面及固定、稳定的作用。

结合设计要求,在选择车型时，一定要体现该车型的普及性、代表性、特色性,这样中低档经济型轿车就在设计所考虑的范围内。

捷达GTX自投放市场以来，以等深受广大消费者喜爱。经过这几年的发展与完善，它在很大程度上能代表我国轿车行业的先进水平。

捷达王的技术含量并没有因为它的普通化而有所保留，恰恰相反，德国大众汽车公司不断的投入新技术，使其他的豪华型车的技术在它身上均有体现,使整车性能向前跨越了一大步。另外，捷达系列轿车还有许多自身的技术特色。

捷达王是我国国内目前保有量最多和受欢迎程度最高的普及型轿车之一，具有一定的代表性和可以开发利用的前景，从而保证设计作品的生命力。

在发动机经过长时间磨损后，就需要大修^［2］，然而就在大修过程中，发动机的拆卸工作比较复杂，需要拆卸不同部位的零件，所以就需要翻转过不同的角度来拆卸，这就需要一种工装设备来辅助完成，这种工装设备就是发动机翻转架。发动机翻转架可以实现发动机转过任意角度来进行不同部位零件的拆卸。在该发动机翻转架的设计过程中，比较简单易行，主要是通过一个蜗轮蜗杆来实现翻转的（该翻转架能实现自锁，即蜗轮蜗杆的自锁）下面介绍它的设计过程。

结合汽车发动机的质量、轮廓、大小等结构特点，初步确定实验台的整体布置，在布置时先确定减速器的位置,通过确定减速器的位置就可以初步确定发动机的大概位置。当发动机和减速器的位置确定下来后，就可以确定放置减速器的台架的大小，为接下来的设计进展，起了一个很好的开端。

第3章 蜗轮蜗杆减速器的设计

3.1 蜗杆传动的特点及类型

3.1.1蜗杆传动的特性

蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为90°。蜗杆传动在很多机械工业领域内广泛应用。

蜗杆类似于螺杆，有左旋、右旋以及单头和多头之分通常采用右旋蜗杆，蜗杆的头数就是其齿数Z1。蜗轮是一个具有凹形轮缘的斜齿轮。蜗杆传动中一般以蜗杆为主动件。因为蜗杆与蜗轮轴线的投影正交，蜗轮相当于一个不完整的螺母包在蜗杆上，从侧面看其啮合相当于螺旋副，因而蜗杆导程角和蜗轮螺旋角必须相等，旋向相同，即导程角和螺旋角相等。蜗轮，蜗杆传动具有以下特点^［3］：

1、当使用单头蜗杆(相当于单线螺纹)时，蜗杆旋转一周,蜗轮只转过一个齿距,因而能实现大的传动比.由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。

2、在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合又逐渐退出啮合的，同时啮合的齿对又较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声小。

3、当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。

4、蜗杆传动同时也具有缺点：蜗杆传动与螺旋齿轮传动相似，在啮合处有相对滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为40%左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属（如锡青铜）制造蜗轮或轮圈，以便与钢制蜗杆配对组成磨性良好的滑动摩擦副。因而成本较高。总之，蜗杆传动的优点优于缺点，所以选用蜗轮，蜗杆传动。传动机构:是修理台架最主要的机构，也是核心机构。传动机构采用蜗轮，蜗杆传动方案。蜗杆为传动件，蜗轮为从动件，通过手操作轮的转动可以实现。蜗轮是具有圆弧齿冠的斜齿轮，90°转动。

3.1.2蜗杆传动的类型

根据蜗杆的形状不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。其中以圆柱蜗杆传动应用较多。

圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类^［4］。

普通圆柱蜗杆的齿面一般是在车床上用直线切削刃的车刀车制的。根据车刀安装位置的不同，所加工的蜗杆齿面在不同截面中的齿廓曲线也不同。根据齿廓曲线形状，普通圆柱蜗杆可分为阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）、渐开线蜗杆（ZI蜗杆）、法向直廓蜗杆（ZN蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）等四种。GB/T8推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆两种。

圆弧圆柱蜗杆传动（ZC）和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿廓形状有所区别。其主要特点为：效率高，一般可达90%以上；承载能力高，一般较普通圆柱蜗杆传动高出50%～150%；体积和质量小，结构紧凑。

环面蜗杆传动的特征是，蜗杆体在轴向的外形是以凹圆弧为母线所形成的旋转曲面，所以把这种蜗杆叫做环面蜗杆传动。这种蜗杆传动同时相啮合的齿对多，轮齿受力情况和润滑油膜形成条件较好，因而承载能力约为阿基米德蜗杆传动的2～4倍，效率一般高达85%～90%。但它需要较高的制造和安装精度。

锥蜗杆传动也是一种空间交错轴之间的传动，两轴交错角通常为90°。锥蜗杆传动的特点是：同时接触的点数较多，重合度大；传动比范围大（一般为10～360）；承载能力和效率较高；侧隙便于控制和调整；能作为离合器使用；可节约有色金属；制造安装简便，工艺性好。但传动具有不对称性，正、反转时受力不同，承载能力和效率也不同。

3.2蜗杆传动的失效形式、材料和结构

3.2.1蜗杆传动的实效形式及设计准则

圆柱蜗杆传动的破坏形式主要是蜗轮轮齿表面产生胶合、点蚀和磨损，而轮齿的弯曲折断却很少发生。由于目前对磨损和胶合尚无比较完善的计算方法，因此，通常是按齿面接触疲劳强度进行计算，只是当Z2＞80～100时，才进行弯曲强度核算。可是，当蜗杆做传动轴时，必须按轴的计算方法进行强度计算和刚度验算。此外，闭式蜗杆传动由于散热较为困难，还应做热平衡计算。

3.2.2蜗杆、蜗轮常用材料

由蜗杆传动的失效形式可知，蜗杆、蜗轮的材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是要具有良好的磨合和耐磨性^［5］。

蜗杆一般用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr,并经渗碳淬火；也可用40、45钢或40Cr并经过淬火。这样可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蜗杆淬火后的硬度为40～55HRC，经渗氮处理后的硬度为55～62HRC。一般不太重要的低速中载蜗杆，可采用40～45钢，并经调质处理，其硬度为220～300HBS。常用的蜗杆材料为铸造锡青铜、铸造铝铁青铜级灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用于齿面滑动速度小于4m/s的传动；如果滑动速度不高，对效率要求也不高时，可采用灰铸铁。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。

3.2.3蜗杆、蜗轮的结构

蜗杆的结构可分为铣制蜗杆和车制蜗杆。蜗轮常用结构形式有以下几种^［6］：

1、齿圈式 这种结构由青铜齿圈及铸铁轮芯所组成。齿圈与轮芯多用H7/r6或H7/s6配合。为增强联接的可靠性，在配合面上加装4～6个紧定螺钉。为了便于钻孔，应将螺孔的中心线由配合缝向材料较硬的轮芯部分偏移2～3mm。这种结构多用于尺寸不太大或工作温度变化较小的场合，以免热胀冷缩影响配合的质量。

2、螺栓联接式可用普通螺栓联接，或用铰制孔螺栓联接，螺栓的尺寸和数目可参考蜗轮的结构尺寸取定，然后作适当的校核。这种结构拆装比较方便，多用于尺寸较大或容易磨损的蜗轮。

3、整体浇铸式 主要用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。

4、拼铸式 这是在铸铁轮芯上加铸青铜齿圈，然后切齿。只用于成批制造的蜗轮。

3.3蜗轮蜗杆减速器的设计

3.3.1用蜗杆传动类型

根据GB/T10085—1988的推荐，选用渐开线蜗杆（ZA），ZA的特点：加工方便，应用广泛，但导角大时，加工较困难，不易磨削，传动效率较低，齿面磨损较快，因此一般用于头数较少，载荷较小，转速较低或不重要的传动。蜗轮采用整体浇铸。

表3.1 蜗轮蜗杆材料^［7］

3.3.3齿面接触疲劳强度进行设计

根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再较核齿根弯曲疲劳强度。由公式（11-12）传动中心距

1、确定作用在涡轮上的转距T₂

由机械设计手册可知具有自锁性的传动比，在这里先设选i₁₂=10，且Z₁=4 （传动比及反行程具有自锁性），Z₂=40

因工作较稳定，故取载荷分布不均系数K_β=1 由表11-5选取K_A=1 由于转速不高，冲击不大 ，取K_v=1.05 。

1) 确定强性影响系数Z_E

2) 因选用的是灰铸铁蜗轮和钢蜗杆相配，故Z_E= 160 MPa

3) 确定接触系数Z_P

先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距比值从图11—18 可查得Z_P= 2.9

根据蜗轮材料为灰铸铁，可从表6-5 中查得蜗轮的基本许用应力

。从图11—10中可查得接触系数Z_P=2.37，因此从上计算结果可用。

3、蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸^［4］

4、较核齿根弯曲疲劳强度^［4］

从表11-8中查得由灰铸铁制造的蜗轮的基本许用弯曲应力

5、精度等级公差和表面粗糙度的确定：

考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动。从G/T 圆柱蜗杆，蜗轮精度中选择7级精度。则系种类为f.标注为G/T 。

3.4.1轴的类型和材料

根据轴线形状分类，可分为曲轴、直轴和挠性钢丝轴。直轴应用较广。根据轴的截面形状分类，可分为实心轴和空心轴。一般实心轴应用较广，根据轴的受载情况分类，可分为心轴、转轴和传动轴。心轴是工作中只承受弯矩作用，不传递动力（转矩）的轴。根据心轴是否转动，心轴又分为固定心轴和转动心轴。转动心轴工作时，弯曲应力一般是对称循环变化的，而固定心轴工作时，其弯曲应力的方向一般不变。转轴既支撑转动零件有传递动力，它是既承受弯矩又承受转矩作用的轴。在机器中最为常见。传动轴是只承受转矩不承受弯矩作用或玩具作用很小的轴。

轴材料选择的好坏，对其使用性能影响很大，因此合理选材非常重要。在选用轴的材料时，应从多方面考虑。选用原则

总原则是：所需材料应满足轴的使用要求，具有良好的工艺性和经济性等。选用时要考虑一下几方面的因素

（1）使用要求 考虑轴的工作情况和受载情况提出的要求以及要避免相应的失

效形式；对轴的尺寸和质量的限制和要求；轴在整机或部件中的重要程度。所选轴的材料必须从材料的力学性能、物理性能和化学性能诸方面满足以上使用要求。

（2）工艺要求 所选材料应能很方便地把轴从毛坯制成成品，并满足加工工艺性要求。

（3）经济要求 价格低廉，供应方便。轴的材料主要是碳素钢及合金钢。轴的毛坯多采用轧制圆钢或锻件，它们各有优点。轧制圆钢棒料可直接加工，成本较低；锻造轴内部组织比较均匀，强度高，重要轴常采用锻件。近年来，也有采用球墨铸铁或合金铸铁制造形状复杂的轴。

1）碳素钢 碳素钢具有价廉易得，对应力集中的敏感性较低，韧性及力学性能较好等特点，所以应用较为广泛。

常有的碳素钢有35、45、50钢，其中45钢应用最为普遍。对受力较小和不重要的轴，也可采用Q235A和Q255A普遍碳素钢。为了保证其力学性能，应进行调质或正火处理。普通碳素钢无需热处理。

2）合金钢 与碳素钢相比，合金钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。所以在传递大动力并要求减小尺寸与质量，高速及要求有耐磨、耐高温或低温等特殊条件下工作的轴，常常采用合金钢并进行相应的热处理。

常用的合金钢有20Cr、20CrMnTi、40Cr、35SiMn、40MnB、35CrMo等。但合金钢对应力集中比较敏感，所以在设计时应从结构上注意避免或降低应力集中。合金钢用于高速、重载、要求尺寸和质量小、耐磨性好，以及在高温、低温或腐蚀介质中工作的轴。

需要注意的是：通过改用合金钢或热处理，不能提高轴的刚度。这是因为，在一般工作条件下，各种碳素钢和合金钢的弹性模量均相差较小，而且热处理方式对弹性模量影响甚微。当轴的刚度不足时，可采用改变轴的结构尺寸或轴的支撑跨距等方法。

3）球墨铸铁及合金铸铁 球墨铸铁及合金铸铁容易制成复杂形状，具有价格低廉、吸振性和耐磨性好、对应力集中敏感性小等优点，常用于制造一些尺寸、外形复杂的轴，如凸轮轴、柴油机轴、曲轴等。但是，铸造出的轴质量不易控制，可靠性较差，因此在使用上受到一定限制。

3.4.2轴的结构设计

轴的结构设计就是要合理确定轴的结构形状和全部尺寸。轴的结构受很多方面因素的影响，例如轴在机器中的安装位置及形式；轴上载荷的大小、方向和性质；轴与轴上零件的联接方式；轴的加工工艺性和拆装等。由于影响因素较多，轴的设计没有固定形式。设计时一般应考虑如下几个方面的问题。

要实现轴的功能，必须保证轴上零件都有准确的工作位置，这就要求轴上零件在轴上有可靠的轴向固定和周向固定^［9］。

常见的轴向固定方法有：轴肩、轴环、套筒、轴端挡圈及圆螺母应用广泛。必须注意，轴上零件一般应作双向固定，为了保证固定可靠，与轴上零件相配合的轴段长度应比轮毂跨度略短。

轴上零件周向固定的常用方法有：键联接、花键联接、紧定螺钉联接、销联接、过盈联接等。

进行轴的结构设计，应尽可能使轴的形状简单，要便于加工、测量、装配和维修，提高劳动生产率。轴的结构设计要考虑以下几个问题。

1）轴的直径变化应尽可能小，并尽量限制轴的最大直径与各轴段的直径差，这样既能改善轴的力学性能，减小应力集中，又能节省材料，减少切削量。

2）轴上有需磨削和切制螺纹处，要留有砂轮越程槽和螺纹退刀槽，以保证加工完整。

3）当轴上有多个键槽时，应将它们开在同一母线上，以便一次装夹后全部加工完成。

4）如有可能，应使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、砂轮越程槽、退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符合标准和规定，以利于加工和检验。

5）与标准件相配合的轴段直径应满足标准件的要求，取标准值。例如，与滚动轴承配合的轴径应按滚动轴承内径尺寸选取；轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。

1）为便于轴上零件的装配，使其能顺利通过相邻轴段而到达确定位置，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴。轴上的各阶梯轴肩高度，除用作轴上零件轴向固定的可按表11-2确定外，其余仅为便于安装而设置的自由轴肩，其轴肩高度常可取0.5～3mm^［4］。

2）轴端应倒角，以去掉毛刺、便于导向和装配。

3）固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度，以便拆卸。该高度要满足轴承标准中的安装尺寸要求。

轴一般在变应力下工作，多数会因疲劳而发生失效，因此设计轴时，应设法提高其疲劳强度。常采取的措施有：

（1）改进轴的结构形状

1）尽量使轴径变化处过渡平缓，宜采用较大的过渡圆角。如相配合零件内孔倒角或圆角很小时，可采用凹切圆角

2）过盈配合处的应力集中会随过盈量的增大而增大。当过盈量较大时，可采用增大配合处轴径、轴上开设卸载槽及轮毂上开设卸载槽等结构，改善应力状况。

3）键槽端部与阶梯处距离不宜过小，太小会损伤过度圆角，引起更大的应力集中。

4)尽量选用应力集中小的定位方法。比如采用套筒代替圆螺母，可以避免在

轴上切制螺纹，可以有效降低应力集中。

(2)改善轴的表面状态

实践证明，表面越粗糙，轴的疲劳强度越低。因此，可以采用精车或磨削的加工方法，减小轴的表面粗糙度值。此外采用滚压、喷丸或渗碳、液体碳氮共渗、渗氮、高频感应加热淬火等表面强化处理方法，可以大大提高轴的疲劳强度。

3.4.3轴的参数计算

1、蜗轮上的功率 P₂转速n₂和转距T₂

(2)作用在齿轮上的力:

(3)初步确定轴的最小直径：

先按式（15-2）初步估算轴的最小直径。选取轴的材料45钢。调质处理。根据表15-3取A₀=12于是得：

输出轴的最小直径显然是与支撑板焊接处的轴直径。

1)拟订轴上零件的装配方案本题的装配方案已在前面比较分析。

2)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。为了方便轴承的选取，轴的各段直径和长度如图3.1：

图3.1 轴的结构尺寸

3)选择滚动轴承。因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据安装轴承处轴的直径，由轴承产品目录中初步选取基本游隙组，标准精度等级的单列圆锥滚子32210其尺寸为 QUOTE ,右端滚动轴承采用挡圈进行轴向定位，轴承左端用箱体壁突肩定位。两定位轴承选取相同型号，对称布置，故安置轴承的两段轴直径与长度尺寸相同，轴承定位方式也相同。

a、轴上零件的轴向定位

齿轮周向定位采用键连接^［10］。选用平键为 QUOTE ,滚动轴承与轴的周向定位是借过盈配合来保证的，此处选取的直径尺寸公差为m6。

b、确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为 ^{QUOTE ［11］}。

c、拟定轴上零件的装配方案

d、根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度

f、确定轴上圆角和倒角尺寸

3.4.4轴的强度校核

1、按扭转强度条件计算

一般是先按轴所传递的转矩，按照扭转强度条件算出轴上受扭转轴段的最小直径，并以其作为基本参考尺寸进行轴的结构设计，结构设计完成后，再按照实际载荷情况对结果进行校核。传动轴的强度设计只需按照扭转强度条件进行计算。由材料力学可知，实心圆轴的扭转强度条件为^［12］

式中 d——轴的估算基本直径（mm）

——轴的扭转切应力（MPa）；

P——轴传递的功率（KW）；

n——轴的转速（r/min）；

W_T——轴的抗扭截面系数（mm³）；

——许用扭转切应力（MPa）。

2、按弯扭合成强度条件计算

（1）确定危险截面 根据弯矩、转矩较大而相对尺寸较小的原则选出一个危险截面。

（2）求危险截面上的当量弯矩 由第三强度理论推出，其中α为考虑转矩与弯矩性质不同而设的应力校正系数。对于不变的转矩，取α=1。如果转矩变化规律不清楚，一般按脉动循环处理。

（3）强度校核 实心圆轴上危险截面应满足以下强度条件

式中 W——危险截面的抗弯截面系数（mm³）。W= d³/32≈0.1d³；

d——危险截面直径（mm）；

——材料在对称状态下的许用弯曲应力（MPa）。^［4］

，其中 ，故按式（3.6）得

轴承的功用有两个：一个为支承轴上零件，并保持轴的旋转精度；二为减少轴与支承之间的摩擦和磨损。轴承分为滚动轴承和滑动轴承两大类。与滑动轴承相比，滚动轴承具有转动灵活、摩擦阻力小、效率高、润滑便捷及易于互换等优点，所以滚动轴承在一般机器中获得广泛的应用。它的缺点是抗冲击能力差，高速运转时有噪声，工作寿命也不及液体摩擦滑动轴承。由于本设计中没有高速运转件，所选择的轴承为滚动轴承。

1、滚动轴承的主要类型

常用滚动轴承的类型有：调心球轴承、调心滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承。

2、滚动轴承的类型选择原则

选用滚动轴承时，首先是选择类型。选择轴承类型要在了解各类轴承特性的基础上，综合考虑多种因素，如载荷的大小、方向及性质、轴向固定方式、转速、调心性能、拆装方便性、经济性的等。本设计中轴承的选取考虑以下几点：

轴承承受载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据；当载荷大、有振动和冲击的情况下，应选用线接触的滚子轴承；而较小或中等载荷时，可以选用球轴承。承受纯轴向载荷时通常选用推力轴承。承受纯径向载荷时应选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。承受径向载荷的同时，还承受不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或公称接触角不大的角接触轴承；当轴向载荷较大时，可选用公称接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或采用推力轴承与深沟球轴承的组合机构。

当转速较高、载荷较小或旋转精度要求较高时，应选用球轴承；转速较低、载荷较大或有冲击时，宜选用滚子轴承。当工作转速较高而轴向载荷不大时，可采用角接触球轴承或深沟球轴承。对高速回转的轴承，为减小滚动体施加于外圈滚道的离心力，宜选用超轻、特轻或轻系列的轴承，这些型号的轴承外径和滚动体直径相对较小。

轴承内、外圈轴线间的相对偏斜超过轴承的极限值，会增加轴承的附加载荷而降低其寿命。当轴的刚度较差或轴系的安装精度较差时，宜选用具有一定调心性能的调心球轴承或调心滚子轴承。

3类（圆锥滚子轴承）和N类（圆柱滚子轴承）的内外圈可分离，便于拆装。当轴承座不是剖分式而必须沿轴向安装或拆卸轴承时，应选用此类轴承。

在满足使用要求的情况下应优先选用价格低廉的轴承，以降低成本。深沟球轴承价格最低，一般滚子轴承的价格比球轴承高，轴承的精度越高价格越高。

综上考虑，结合本设计需要选用圆锥滚子轴承^［13］。

（此公式所求当量动载荷是一个理论值） (3.7)

Fr——为轴承所受的径向载荷；

Fa——为轴承所受的轴向载荷；

X——为径向动载荷系数；

Y——为轴向动载荷系数

则根据《机械设计基础》表16-12，X取0.44

∑——寿命指数，取3。

f_r——温度系数，取1。

f_p——载荷系数，取1。

C——基本额定动载荷。

Lh——工作使用寿命，取90h.

本章介绍了蜗轮、蜗杆和轴的结构特点及类型，通过对蜗杆传动类型及特性的讨论，确定减速器用蜗杆传动。通过蜗轮蜗杆材料和结构的对比，确定蜗轮蜗杆类型，计算了尺寸参数和校核。又对轴和轴承的特点和类型进行了讨论，选定后进行了参数计算及校核。这就确定了箱体内各零件的尺寸参数。

第4章 箱体零件的设计

4.1.1箱体零件概述

箱体零件通常作为箱体部件装配时的基准零件^［9］。它将一些轴、套、轴承和齿轮等零件装配起来，使其保持正确的相互关系，以传递转矩或改变转速来完成规定的运动。因此，箱体类零件的加工质量对机器的工作精度、使用性能和寿命都有直接的影响。箱体零件多为铸造件，结构复杂，壁薄且不均匀，加工部位多，加工难度大。箱体零件常选用灰铸铁，汽车、摩托车的曲轴箱选用铝合金作为曲轴箱的主体材料，其毛坯一般采用铸件，因曲轴箱是大批量生产，且毛坯的形状复杂，故采用压铸毛坯，镶套与箱体在压铸时铸成一体。为减少毛坯铸造时产生的残余应力，箱体铸造后应安排人工时效。箱体零件的主要技术要求包括各轴颈支承孔的尺寸精度及相互之间的位置精度、定位销孔的经典与孔距精度、主要平面的精度、各加工表面的表面粗糙度等。

4.1.2箱体零件工艺过程特点分析

1、零件特点 为了方便制造与装配，减速箱常设计成剖分式，这种箱体在矿山、冶金和起重运输机械中应用较多。减速箱体的主要加工表面可归纳为以下三类：

（1）主要平面 箱盖的対合面和顶部方孔端面、底座的底面和対合面、轴承孔的端面等。

（2）主要孔 轴承孔及孔内环槽等。

（3）其他加工部分 联接孔、螺孔、销孔、斜油标孔以及孔的凸台面等。

2、工艺过程设计应考虑的要素 根据剖分式减速箱体的结构特点和各加工表面的要求 ，在编制工艺过程时应注意以下几点问题：

（1）加工过程的划分 整个加工过程可分为两大阶段，即先对箱盖和底座分别进行加工，然后再对装合好的整个箱体进行加工——合件加工。为保证效率和兼顾精度，孔和面的加工还需粗、精加工分开。

（2）箱体加工工艺的安排 安排箱体的加工工艺，应遵循先面后孔的工艺原则，对剖分式减速箱体还应遵循组装后镗孔的原则，因为不先将箱体的対合面加工好，轴承孔就不能加工。另外，镗轴承孔时必须以底座面为定位基准，所以底座的底面也必须先加工好。由于轴承孔及各主要平面，都要求与対合面保持较高的位置精度，所以在平面加工方面，应先加工対合面，然后再加工其他平面，还体现先主后次原则。

（3）箱体加工中的运输和装夹 箱体的体积、重量较大，故应尽量减少工件的运输和装夹次数。为了保证各加工面的位置精度，工序安排应相对集中，相互位置要求较高的孔系和平面，一般尽量集中在同一工序中加工，在一次装夹中尽量多加工一些表面。

（4）合理安排时效工序 对于一般的箱体，在毛坯铸造之后安排一次人工时效即可；对于一些高精度或形状特别复杂的箱体，应在粗加工之后再安排一次人工时效，以消除粗加工的内应力，保证箱体加工精度的稳定性。

3、剖分式减速箱体加工定位基准的选择

一般箱体零件的粗基准都用它的重要孔和另一个相距较远的孔作为粗基准，以保证孔加工时余量均匀。剖分式箱体最先加工的是箱盖或底座的対合面。由于剖分式箱体的轴承孔分布在箱盖和底座两个不同部分上，因而在加工箱盖或底座的对合面时，无法以轴承孔的毛坯面做粗精准，而是以凸缘的非加工为精基准，即箱盖以凸缘面A，底座以凸缘B为粗基准，以保证对合面加工凸缘的厚薄较均匀，减少箱体装合时对合面的变形。

常以箱体零件的装配基准或专加工的一面两孔定位，使得基准统一。剖分式箱体的対合面与底面也有一定的尺寸精度和相互位置精度要求。为了保证以上几项要求，加工底座的対合面时，仍以底面为精基准，使対合面加工时的定位基准与设计基准重合；箱体装合后加工轴承孔时，仍以底面为主要定位基准，并与底面上的两定位孔组成典型的一面两孔定位方式。这样，轴承孔的加工，其定位基准既符合基准统一的原则，也符合基准重合的原则，有利于保证轴承孔轴线与对合面的重合度及与装配基准面的尺寸精度和平行度。

4.1.3分离式减速箱体加工的工艺过程

表4.1 工艺过程^［9］

4.1.4箱体零件的检验

箱体零件的主要检测项目和方法有：

1、表面粗糙度检验 通常用目测或样板比较法，只有当Ra值很小时，才考虑使用光学仪器或粗糙度仪。

2、孔的尺寸精度 一般用极限塞规检验^［14］；单件小批量生产时可用内径千分尺或内径千分表检验；若精度要求很高可用气动量仪检验。

3、平面的直线度 可用平尺和厚薄规或水平仪与桥板检验。

4、平面的平面度 可用自准直仪或水平仪与桥板检验，也可用涂色检验。

5、同轴度检验 一般工厂常用检验棒检验同轴度。

6、孔间距和孔轴线平行度检验 根据孔距精度的高低，可分别使用游标卡尺或千分尺，也可用块规测量。三坐标测量机可同时对零件的尺寸、形状和位置等进行高精度的测量。

4.2.1减速器箱体主要结构尺寸

表4.2 减速器箱体尺寸^［15］

4.2.2轴承盖的选取

4.2.3六角螺塞的尺寸选取

查机械设计手册表7-11 ^［12］

4.2.4通气塞的尺寸

查机械设计手册表11-5^［12］

4.2.5杆的传动效率

由于发动机的翻转架要求蜗杆自锁，所以 QUOTE ^［16］，降低蜗轮蜗杆的效率可用减小蜗杆的旋转生成角。将蜗轮蜗杆的齿数采用矩形齿。蜗杆的散热由于蜗轮蜗杆的工作性可以知道其热量的散发可以忽略不计，故此不校核。

本章主要是对箱体的设计，箱体也是本设计中的主要零部件，前两节介绍了箱体的加工工艺工程，通过前一章确定的箱体内部零件尺寸，进行了箱体的参数计算，然后介绍了箱体的一些检验方法。本章的后几小节对箱体外部零件：轴承端盖、六角螺塞和通气孔进行了选择和计算。

第5章 总体装配的设计

在设计中有车轮支撑和移动发动机翻转架，所以车轮的选择很重要，在此，选择d=14cm的可以自锁的标准车轮，承载能力在100千克的车轮。为了移动方便，采用橡胶轮，这样可以起到减震的作用。

5.2发动机支撑形式的选择

发动机拆装台架支撑发动机的形式主要有两种形式^［17］，即两点支撑和三点支撑。三点支撑是通过支撑发动机的前端以及发动机的两翼来实现支撑发动机的。由于其支撑不稳定，影响发动机的翻转；而且由于发动机两翼有支撑物，这样就给发动机的拆装，以及观察发动机带来很大的不便。而两点支撑是支撑发动机的两端，其支撑安全可靠，也十分的稳定，但在安置发动机时不时很方便。故在设计中采用四个支撑杆将发动机与支撑板通过螺栓联接，通过手操作轮旋转来实现发动机的翻转，这样在拆装过程中无阻碍物，便于观察，整体结构合理美观，也便于生产和使用。

支架和固定板的材料的选择。由于发动机翻转架的底座部分需要材料支撑，在综合了该材料的刚度，强度以及使用寿命等各个方面的因素，选择热扎等边型钢中的号数为2.5的型钢,由于此钢为常用钢，且仅为支撑材料，又采用了比较保守的数值，故此不用校核。支撑板是故定发动机的钢板，在此选取热扎钢板GB/709-1988中的厚度为8mm,其尺寸为440mm×440mm。在制作过程中，以45的钢板和型钢为主，各连接处采用焊接和螺栓联接，其强度不低于原材料的强度，可以达到支撑台面，以及固定、稳定性的作用。

本章讨论的是实验台总体装配的设计，根据需要选择了台架的车轮，讨论了发动机的支撑形式并选择了合适的支撑方案。台架的选材很重要，本设计从台架材料的刚度、强度和使用寿命及经济等各方面因素考虑，确定台架材料的选取。

本说明书的编写过程中，对学校汽车发动机拆装实验室以及一些生产厂家和汽车维修企业的发动机拆装试验台架进行了调查、分析、总结。对发动机拆装台架现存的一些缺点进行了改进，另外作了一些创新。使其可以让发动机翻转并停留在任意位置，便于拆装后的检测和观察，多功能发动机翻转架与移动台架结合使用，改变了就地或在工作台上解体、组装发动机等不理想的实训教学方式，解决了学生动手少、浪费师资和实训场地紧缺的难题。由于多功能发动机翻转架与移动台架能够自由移动，从而可以任意组合、调整实验室，提高了发动机和移动台架的利用率。使用多功能发动机翻转架，可以方便地检测、诊断、排除发动机的各种故障。在生产实际中，使用多功能发动机翻转架与移动台架，避免了修理厂在发动机大修过程中重复吊装和工作台不能移动造成的误工现象。提高了汽车修理厂发动机大修作业的工作效率。

本设计参考了现有发动机拆装台架，结合现实的需要对其进行了设计和校核，以及发动机拆装使用要求和注意事项。说明书中尽量用简明的语言阐述多功能发动机维修实验台的设计过程，和结构特点。通过本次毕业设计，对以前所学的机械设计基础知识有了更深的理解，提高了我的制图和设计的能力，对我以后的工作和学习都有极大的帮助。

[1] 舒华,姚国平.汽车电子控制技术[M].北京:人民交通出版社,2002.

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[14] 尹力会.一汽花冠轿车维修手册[M].北京:辽宁科学技术出版社,2005.

为期两个半月的毕业设计结束了,我们在薛惠娟老师的指导下圆满完成了设计任务.通过这次设计,使我们明白了很多,也学到了很多以前不知道的知识.毕业设计是综合以前我们学过的知识,再加进一些自己的创新想法,来创造一些比较先进的东西来,所以这也就会利用到一些自己以前根本不曾接触过的知识,这些知识就需要我们现学现用,重新学起.由于我们设计的题目比较大,所以要翻阅大量的资料,更要整理和组织材料.在设计期间,我们的指导老师薛惠娟老师给予了我们很大的支持和帮助.我们的设计内容比较散,而且内容多,而我们手中的资料有限,所以查资料是一个难题,薛老师就给我们找资料,并指导我们理清设计思路,在整个设计过程中薛老师给予的帮助是极大的,在此特别感谢!

我们就要离开这个生活了四年的校园，告别学生时代了，毕业设计可以说是我们最后一次向老师们学习了机会了，也正是因为老师的教导，我们才能够顺利完成设计，但由于我们所学的知识有限,手头的资料不全,故此在设计中难免会有许多疏漏和不正确之处,敬请各位老师批评指正,在此表示衷心的感谢!

当前，汽车技术已被国家列为高等职业教育的紧缺专业之一，是国家重点扶持发展的专业。随着经济社会的不断发展，对高等汽车专业技术人才的需求为汽车运用技术专业的发展提供了良好的机遇。但是，教学实验设施、实训设施的简陋和落后，严重影响了该专业的教学质量。

例如，发动机实训课的教学，是利用淘汰的汽车发动机，就地进行解体和组装，或在功能单一的发动机翻转架和工作台上进行解体、组装，即不能保证工件、工具、油、水不落地，达到卫生清洁、确保安全、按时完成教学任务的基本要求，更谈不上保证教学质量和严格的技术要求。另外，每个教学班40余名学生，一般仅有1～2名实习指导教师，投入两台实训发动机，每台发动机仅能供3～5名学生使用，大多数的学生无从插手。

针对上述问题，通过多次教研分析，我们认为，自制多功能发动机翻转架是解决上述问题的有效措施。

目前，国内的发动机翻转架有固定式的和移动式的两种。固定式汽车发动机翻转架，发动机能够在翻转架上翻转、起动并运转，但需浇注混凝土，固定时费工费时，不能在短时间内投入使用. 且不能移动.限制了实验室的调整。另外，油、水、工件、工具易落地，达不到卫生清洁的起码要求，也不便于检测和排除故障。移动式汽车发动机翻转架，虽然能够移动，但发动机只能在翻转架上翻转，不能起动、运转，无法对发动机进行检测、故障设置和故障诊断与排除。

多功能发动机翻转架的结构特点：国内外对汽车发动机翻转架功能的改造和技术提升并无大的进展，特别是对于实验、实训教学来说不够实用。适合汽车运用技术专业实训教学的发动机翻转架，应集发动机的拆卸、组装、调试、大修、起动、故障设置及诊断、排除、检测等功能为一体。通过查找资料，集思广益，我们研制开发了一种新型多功能发动机翻转架。

该翻转架利用蜗轮蜗杆的减速原理和自锁功能，以及万向轮的多方位移动功能。发动机重力通过翻转架壳体形成力的平衡，保证了翻转架的稳定性。其主要特点为：1)发动机可沿轴向在360°内任意翻转，并可在任意位置锁止；蜗杆两端采用双轮结构，便于对发动机进行反复拆卸、组装和调试工作。2)在翻转架上设置了发动机的所有辅助设施，实现了发动机大修、起动、故障设置及诊断、排除等功能。3)仪表箱不但将发动机机体以外的电气集于一体，将各传感器等主要电路呈现在面板上，还设有指示灯和诊断插孔，能够直接观察电路的通断情况；与检测设备连接后，可读取故障码，方便了发动机故障的检测。4)仪表箱电路分三路通过车架穿壁与发动机连接，整齐美观，便于拆装。5)翻转架底部设置了油盘，克服了工件、工具、油、水落地的问题，保证了文明作业和安全生产。6)翻转架上的万向轮和定位螺钉实现了整体任意移动和定点作业的要求，同时方便了实验室的调整。

为了方便对发动机的解体、组装和调试，该翻转架打破了旋转轴两点式支承的传统设计，利用减速机输出轴悬臂承受发动机的全部质量。1）万向轮的选用 万向轮承受的总质量G 为发动机质量G₁和翻转架自重G₂之和。G₂＜200Kg,G₂＜100Kg，， 所以G＜300Kg。以万向轮平均受力分析，每个轮的受力≤75Kg。因此，选用承重＞75Kg 的中型聚胺脂103号平板万向脚轮即可满足使用要求。2）翻转架的尺寸根据大学生的平均身高（1.7m）及站立作业的要求，发动机曲轴中心线距地面的合理高度应是600～800mm，我们选择的高度为615mm，是理想的作业高度。翻转架的最高点是仪表箱顶面，在不影响翻转架工作性能的前提下，应方便电路的连接和仪表的观察，我们选择的高度为1.6m。翻转架油盘的宽度应大于发动机的宽度，以免在发动机解体、组装或运转时，机件、工具、油、水落地。桑塔纳2000 发动机的总宽度＜600mm，我们设计的翻转架油盘宽度为800mm，能够满足上述要求。翻转架的总长度应大于发动机的总长度，以保证水箱的安装和风扇的正常运转。我们设计的翻转架总长度与要求的总长度相符。3)其它部分我们在翻转架的仪表箱与水箱架之间设计了2条连接杆，保证了翻转架的整体稳定性和电路线束的整齐美观。另外，我们还研制了具有移动、定位功能的“ 移动台架”。“ 移动台，工具箱内置有齐全的发动机解体、组装、检修、调试所需的工、量具；货架可放置拆散的零部件；台架台面形成工作台，设有台钳，周边三面设有围栏，防止台面上的工具、零部件落地。翻转架与移动台架相匹配，形成了一组发动机实训、大修生产的基本单元。每个基本单元占地4m²,54m²的教室内可容纳9组基本单元，完全可以达到实训教学的要求.按每位实习指导教师指导15～20名学生的标准核算，有2名指导教师即能达到较好的实训教学效果。

多功能发动机翻转架与移动台架配合使用，改变了就地或在工作台上解体、组装发动机等不理想的实训教学方式，解决了学生动手少、浪费师资和实训场地紧缺的难题。由于多功能发动机翻转架与移动台架能够自由移动，从而可以任意组合、调整实验室，提高了发动机和移动台架的利用率。使用多功能发动机翻转架，可以方便地检测、诊断、排除发动机的各种故障，并能在教学中设置发动机故和各种异响。在生产实际中，使用多功能发动机翻转架与移动台架，避免了修理厂在发动机大修过程中重复吊装和工作台不能移动造成的误工现象。这种新型发动机翻转架保留了传统固定式和移动式翻转架的优点，克服了其弊端，增加了翻转架的功能，能够完成发动机的全部实训课题，实现了一机多用，并提高了汽车修理厂发动机大修作业的工作效率。