某减速机换挡结构分析及优化设计

杨志龙，党昱

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.延长石油集团，陕西 西安 710061）

某减速机换挡结构分析及优化设计

杨志龙，党昱

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.延长石油集团，陕西 西安 710061）

文章以某减速机换挡机构为研究对象，通过对其在换挡过程中受力点的位置、布局以及整体结构，结合力学知识进行分析，从而设计出最完善、合理的结构。最终结果表明，优化后的换挡结构在同等工况下能够自由换挡，对减速机换挡的平顺性、稳定性以及使用寿命都大大增强，同时还使得整体结构布局更加紧凑。

换挡结构；拨叉；减速机

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

自从减速机诞生至今，换挡组件已经成为其重要的零部件之一，其作为过渡件将外部操作与内部齿轮组连接起来，通过对不同齿轮间的结合与断开，实现不同速比的动力传输，达到所需的运动状态。在换挡运动过程中，由于拨叉两端的受力不均匀以及中心距尺寸过大，同时由于不同材料固有属性的特质会有差别，在运动过程中零部件会出现不同程度的形变与弯曲，对有于效啮合宽度、受力区间和换挡的可靠性都有影响，严重的可能出现打齿、磨损，甚至齿根断裂等危险情况。所以，为了保障减速机顺畅换挡的可靠性，对减速机中的换挡结构进行深入的分析很有必要，并在不影响性能的前提下尽可能的做出最优的结构。

1 模型的建立与分析

通过对某减速机内部结构的三维数模的构建，分析其在换挡时的可行性。

图1 内部拨叉结构

如图1所示，4组啮合套，通过1、2、3、4四个拨叉，共用一根拨叉轴同步操作，同步实现每组齿轮间所需啮合或脱开的规定动作。从理论上讲，这种结构既能做到同步运动又能保证相互之间的机械互锁。可以完美的实现预期效果。

但是，经过实物加工试验后发现存在以下几方面问题需及时改进：

1）由于减速机客观装配、布置因素的限制，其尺寸相对比较大，按比例换算到换挡结构处，导致拨叉体积比较大，同时为了满足力学性能，又比较厚重。（见图2所示）

图2 拨叉形状

2）拨叉过大的中心距（如3、4号拨叉）使得拨叉长度过长，在操作过程中，容易引起形变，往往操纵端设定的工作行程，传递到啮合套处时，啮合面达不到理论值（例如拨叉轴端标定10mm的位移量，经过形变放大到拨叉末端，只有5mm的位移量），出现档位摘不下来，或档挂不完全的情况。各拨叉的详细参数可参见下表1：

表1 拨叉参数

3）四组齿轮的同步运动，会使得当4号啮合套还没有完全脱开的前提下，1、3号啮合套已经开始边缘点接触，进而由点接触到面接触的过渡状态，由于传动系统不同模式下对应不同的传对比，一组齿轮组没完全脱开，另组齿轮组又开始进入啮合状态，容易导致打齿、磨齿、挂不上档位甚至卡死的情况出现。

鉴于以上存在的三个问题，每一个隐患都能引起减速机的失效。所以，改进换挡结构，是当机立断必须走出关键的一步，关系到整个产品的可操作性。

2 优化结构并分析验证

改进方法：保证各齿轮组之间相对位置不变的情况下，对4组齿轮单独进行控制，通过四个独立的气缸连接不同的气路，每个气缸分进气和排气两个气口，并能实现反向进排气。同时在电器方面，用四个独立的电磁阀分别控制，相互之间实现互锁，保证各齿轮组间的啮合与断开按既定的逻辑执行，啮合套完全脱开到位后，给出电信号，才能进行下一步动作，避免了卡齿、卡死的情况出现。各拨叉的安装位置，以及操作方式如下图3所示。

图3 优化后的拨叉模型

由于采用了独立操纵的设计，使得每个拨叉的尺寸相比之前都变得小很多，重量也减轻了一半左右，同时将1、2、3号气缸轴布置为同一水平线处，使得外观统一、美观。4号拨叉，由于考虑外部箱体尺寸，以及与整车其他零部件相匹配等等客观条件的制约，在保证性能不变的情况下，对拨叉的尺寸及受力后的形变通过CAE分析，通过在薄弱处锻造加强筋、在过于坚固处挖空、变截面等手段，来满足最终的性能需求。优化后的拨叉参数详见下表2：

表2 优化后的拨叉参数

3 总结

综上所述，通过科学的理论分析以及后期产品的验证，优化后的减速机完全达到了预期的目标。此减速机改进型的换挡结构已于2015年开始在机械静压传动箱产品中使用，能够流畅换挡且效果显著。

[1] 王文斌.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2006.4.

[2] 王章忠.机械工程材料[M].北京:机械工业出版社,2001.5.

[3] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006.5.

[4] 陈家瑞.汽车构造[M].吉林:人民交通出版社,2006.

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 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-73-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.026

杨志龙（1988-），男，助理工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，从事零部件设计。