CA1040輕型貨車機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)【三軸式五擋手動(dòng)變速器】【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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Sun Yuantao Heilongjiang Institute of Technology 2011-06Harbin 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步，爬坡， 轉(zhuǎn)彎，加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最 有利工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋和倒擋。需要時(shí)變速器還有動(dòng)力輸出功能。 因?yàn)樽兯傧湓诘蜋n工作時(shí)作用有較大的力，所以一般變速箱的低檔都布置靠近軸 的后支承處，然后按照從低檔到高檔順序布置各檔位齒輪。這樣做既能使軸有足夠大 的剛性，又能保證裝配容易。變速箱整體結(jié)構(gòu)剛性與軸和殼體的結(jié)構(gòu)有關(guān)系。一般通 過(guò)控制軸的長(zhǎng)度即控制檔數(shù)，來(lái)保證變速箱有足夠的剛性。 本文設(shè)計(jì)研究了三軸式五擋手動(dòng)變速器，對(duì)變速器的工作原理做了闡述，變速器 的各擋齒輪和軸做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了選型。 變速器的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)并講述了變速器中各部件材料的選擇。 關(guān)鍵詞：CA1040；機(jī)械式；齒輪；軸 ；變速器 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I ABSTRACT Transmission to change the engine reached on the driving wheel torque and speed, is aimed at marking start, climbing, turning, accelerate various driving conditions, the car was different traction and speed Meanwhile engine in the most favorable working conditions within the scope of the work. And the trans mission in neutral gear with reverse gear. Transmission also need power output function. Gearbox because of the low-grade work at a larger role, In general, the low-grade gearbox layout are close to the axis after support, Following from low-grade to high-grade order of the layout of stalls gear. This will not only allow axis are large enough for a rigid, but also ensures easy assembly. Gear box overall structure and rigid axle and the shell structure of relations. Generally through the control shaft length control over several stalls to ensure that adequate gear box rigid. This paper describes the design of three-axis five block manual tran mission, the transmission principle of work elaborated, Transmission of the gear shaft and do a detailed design, and the intensity of a school. For some standard parts for the selection. Transmission Trans mission program design. A brief description of the trans mission of all components of the material choice. Key words :CA1040;Mechanical ;Gear;Axis; Transmission 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 摘要 .I ABSTRACT .II 第 1 章 緒論.1 1.1 研究背景 .1 1.2 研究目的及意義 .2 1.3 機(jī)械式變速器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .2 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) .4 2.1 汽車參數(shù)的選擇 .4 2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析 .4 2.2.1 固定軸式變速器 .4 2.2.2 倒擋布置方案 .5 2.2.3 其他問(wèn)題 .8 2.3 零部件結(jié)構(gòu)方案分析 .8 2.3.1 齒輪形式 .8 2.3.2 換擋機(jī)構(gòu)形式 .9 2.3.3 變速器軸承 .10 2.4. 本章小結(jié) .11 第 3 章 變速器設(shè)計(jì).13 3.1 擋數(shù) .13 3.2 傳動(dòng)比范圍 .13 3.3 各檔傳動(dòng)比的確定 .13 3.3.1 主減速器傳動(dòng)比的確定 .13 3.3.2 最低檔傳動(dòng)比計(jì)算 .14 3.3.3 各檔傳動(dòng)比的選定 .15 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3.3.4 中心距的選擇 .16 3.3.5 變速器的外形尺寸 .16 3.4 齒輪參數(shù) .16 3.4.1 模數(shù)的選取 .16 3.4.2 壓力角 .17 3.4.3 螺旋角 .17 3.4.4 齒寬 b .18 3.4.5 齒頂高系數(shù) .19 3.4.6 變位系數(shù)的選擇原則 .19 3.5 各擋齒輪齒數(shù)的分配 .20 3.5.1 確定一擋齒輪的齒數(shù) .20 3.5.2 對(duì)中心距進(jìn)行修正 .21 3.5.3 確定常嚙合傳動(dòng)齒輪副齒數(shù)及變位系數(shù) .22 3.5.4 確定其他各擋的齒數(shù)及變位系數(shù) .22 3.5.5 確定倒擋齒輪齒數(shù)及變位系數(shù) .24 3.6 本章小結(jié) .25 第 4 章 變速器的校核 .26 4.1 齒輪的損壞形式 .26 4.2 齒輪強(qiáng)度計(jì)算 .26 4.2.1 齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算 .26 4.2.2 輪齒接觸應(yīng)力計(jì)算 .28 4.3 軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) .30 4.4 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算 .31 4.4.1 軸的剛度的計(jì)算 .31 4.4.2 軸的強(qiáng)度的計(jì)算 .36 4.5 軸承壽命計(jì)算 .39 4.6 本章小結(jié) .42 第 5 章 同步器的設(shè)計(jì) .43 5.1 鎖環(huán)式同步器 .43 5.1.1 鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu) .43 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5.1.2 鎖環(huán)式同步器工作原理 .43 5.1.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 .44 5.2 本章小結(jié) .46 第 6 章 變速器操縱機(jī)構(gòu) .47 6.1 直接操縱手動(dòng)換擋變速器 .47 6.2 遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器 .47 6.3 本章小結(jié) .48 結(jié)論 .49 參考文獻(xiàn) .50 致謝 .51 附錄 .52 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 0 第 1 章 緒 論 1.1 研究背景 近幾年國(guó)內(nèi)外汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，車型的多樣化和個(gè)性化已經(jīng)成為汽車發(fā)展的趨 勢(shì)。但變速器設(shè)計(jì)一直是汽車設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一，它是用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū) 動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，因此它的性能影響到汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，特別是對(duì)輕 型商用車而言，其設(shè)計(jì)意義更為明顯。在對(duì)汽車性能要求越來(lái)越高的今天，車輛的舒 適性也是評(píng)價(jià)汽車的一個(gè)重要指標(biāo)，而變速器的設(shè)計(jì)如果不合理，將會(huì)使汽車的舒適 性下降，使汽車的運(yùn)行噪聲增大。國(guó)產(chǎn)商用車所裝配的變速器主要以國(guó)產(chǎn)手動(dòng)檔變速 器為主，變速器是由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)前進(jìn)擋數(shù)的不同，變速箱有 三、四、五和多擋幾種。根據(jù)軸的不同類型，分為固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式兩大類。而前 者又分為兩軸式、中間軸式和多中間軸式變速箱。汽車變速器是影響整車動(dòng)力性、經(jīng) 濟(jì)性、舒適性的重要總成，國(guó)內(nèi)外的汽車制造與銷售數(shù)據(jù)顯示，人們對(duì)汽車駕乘的舒 適性越來(lái)越重視。國(guó)內(nèi)商用車市場(chǎng)的快速發(fā)展，2008 年全國(guó)載貨汽車保有量為 10、465、404 輛，與 2007 年相比，增加 722、181 輛，增長(zhǎng) 7.41%。其中輕型載貨汽 車 5、863、787 輛，貢獻(xiàn)度最大的車型是輕型貨車，輕型貨車對(duì)商用車銷量的貢獻(xiàn)度 為 44.16%，其次是重型貨車和微型貨車，其貢獻(xiàn)度分別為 19.89%和 12.93%。汽車變 速器的使用壽命與整車基本相當(dāng)，售后維修市場(chǎng)對(duì)變速器總成的需求僅占少數(shù)，故此 可將輕型商用車市場(chǎng)近似為它的變速器配套市場(chǎng)空間。隨著全球能源及原材料價(jià)格的 不斷上漲，汽車銷售價(jià)格的下降，要求汽車變速器向著體積小質(zhì)量輕、承載能力大、 結(jié)構(gòu)緊湊上發(fā)展。這就要求零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)機(jī)械性能也要相應(yīng)有所改變，向著小巧緊湊 高強(qiáng)度，高剛性方向改進(jìn)，進(jìn)而也要求有新技術(shù)新工藝來(lái)保證能夠制造出來(lái)。目前許 多變速器生產(chǎn)企業(yè)正在研發(fā)一些能大幅提高離合器、同步器壽命和行車安全性，且保 留了傳統(tǒng)有級(jí)機(jī)械變速器傳動(dòng)效率高、體積小、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠、易于制造、成 本低、燃油消耗少和維護(hù)與使用費(fèi)用低、多檔位、大速比變化范圍改善了汽車的動(dòng)力 性、燃油經(jīng)濟(jì)性和換檔平順性的變速器。現(xiàn)在汽車變速器的發(fā)展趨勢(shì)是向著可調(diào)自動(dòng) 變速箱或無(wú)級(jí)變速器方向發(fā)展。無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)由兩組錐形輪組成，包括一對(duì)主動(dòng)錐形 輪（錐形輪組 1）和一對(duì)被動(dòng)錐形輪（錐形輪組 2）同時(shí)有一根鏈條運(yùn)行在兩對(duì)錐形 輪 V 形溝槽中間，鏈條的運(yùn)動(dòng)如同動(dòng)力傳遞單元。錐形輪組 1 由發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助減速 機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)鏈條傳遞給錐形輪組 2 直至終端驅(qū)動(dòng)。在每組錐形輪中 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 有一個(gè)錐形輪可以在軸向移動(dòng)，調(diào)整鏈條在錐形輪的工作直徑并傳遞速比。兩組錐形 輪必須保持相同的調(diào)整，以保證鏈條始終處與漲緊狀態(tài)，使傳遞扭矩時(shí)錐形輪接觸充 分的壓力。采用無(wú)級(jí)變速器可以節(jié)約燃料，使汽車單位油耗的行駛里程提高 30%。通 過(guò)選擇最佳傳動(dòng)比，獲得最有利的功率輸出，它的傳動(dòng)比比傳統(tǒng)的變速器輕，結(jié)構(gòu)更 簡(jiǎn)單而緊湊。世界各大汽車制造商正競(jìng)相開(kāi)發(fā)無(wú)級(jí)變速器。專家預(yù)計(jì) 2008 至 2009 年 間無(wú)級(jí)變速器將成為世界各大汽車制造商的技術(shù)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。 1.2 研究目的及意義 通過(guò)一步步的計(jì)算和校核來(lái)改善變速器的工作狀態(tài)，使其達(dá)到理想的舒適性并減 小工作時(shí)的噪聲。傳統(tǒng)的變速器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法一般是根據(jù)性能要求利用經(jīng)驗(yàn)公式取初 值，然后計(jì)算其強(qiáng)度，傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)等，如不符合要求根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式改變某些參數(shù)， 繼續(xù)計(jì)算直至符合所有的條件與要求。通過(guò)本題目的設(shè)計(jì)，可綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)輕 型商用車的手動(dòng)變速器進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于本題目模擬工程一線實(shí)際情況，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì) 可與工程實(shí)踐直接接觸，從而可以提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力，綜合提高自身的設(shè)計(jì)和 制造水平。 本設(shè)計(jì)研究基本內(nèi)容是研究輕型商用車的機(jī)械變速器的組成、結(jié)構(gòu)與原理，弄清 楚同步器、齒輪、軸等零部件之間的配合關(guān)系。選擇標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)在總當(dāng)數(shù)和一檔傳 動(dòng)比確定后，合理分配各檔位的速比，接著計(jì)算出齒輪參數(shù)和中心距，并對(duì)齒輪進(jìn)行 強(qiáng)度驗(yàn)算，確定齒輪的結(jié)構(gòu)與尺寸，繪制出所有齒輪的零件圖，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初步計(jì) 算出所有軸的基本尺寸，對(duì)每個(gè)檔位下對(duì)軸的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，確定出軸的結(jié)構(gòu) 與尺寸，繪制出各個(gè)軸的結(jié)構(gòu)與尺寸，對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)、完善，最 終完成變速器的零件圖和裝備圖的繪制。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件繪制變速器的各零 件的零件圖，并完成變速器的總裝配圖。在此次設(shè)計(jì)中對(duì)變速器作了總體設(shè)計(jì)，對(duì)變 速器的傳動(dòng)方案進(jìn)行了選擇，變速器的齒輪和軸做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)同步器和一 些標(biāo)準(zhǔn)件做了選型設(shè)計(jì)。 1.3 機(jī)械式變速器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 載貨汽車分為輕型、中型、重型三種。各國(guó)分級(jí)方法和標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，由于對(duì)運(yùn)輸需求的增加和公路承載能力的提高，各國(guó)都在放寬對(duì)軸重 和車輛總重的限制,因而大噸位載貨汽車不斷增加。同時(shí)，城市中為便于集散貨物和 零星貨物運(yùn)輸，小噸位載貨汽車也在發(fā)展。為適應(yīng)各種貨物的運(yùn)輸要求，載貨汽車有 向?qū)Ｓ没l(fā)展的趨勢(shì)，專用運(yùn)輸車的種類和數(shù)量不斷增加。而中國(guó)是按汽車載重量分 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 級(jí)的，載重量 3.5 噸以下的為輕型載貨汽車,4-8 噸的為中型載貨汽車，8 噸以上的為 重型載貨汽車。載重量 1 噸以下的輕型載貨汽車多用轎車底盤改制而成，主要用于城 市運(yùn)送食品、日用工業(yè)品等小批量貨物；有的制成客貨兩用車。 隨著重型車功率加大、傳遞的扭矩增加和速度的提高，對(duì)變速器的要求也不斷家 大。首先，變速器的節(jié)油性能被越來(lái)越多的用戶所關(guān)注。而業(yè)內(nèi)專家表示，目前變速 器的節(jié)油主要通過(guò)安裝同步器和增多檔位來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次，不言而喻的是整車廠對(duì)變速 器的輕量化也提出更高要求。再次從發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)到模塊化電子儀表到再到 CAN 總線的應(yīng)用，我國(guó)重卡電子化控制程度越來(lái)越高。隨著重卡整車電子化程度的提高， 變速器自動(dòng)化進(jìn)程也將開(kāi)始加速，AMT(機(jī)械式自動(dòng)變速器)的應(yīng)用被提上日程。 AMT 在傳統(tǒng)固定軸式手動(dòng)變速器和干式離合器基礎(chǔ)上應(yīng)用自動(dòng)變速理論和電子控制 技術(shù)，通過(guò)電控單元控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，具有傳動(dòng)效率高、油耗低、經(jīng)濟(jì)性 好等諸多優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)自動(dòng)變速器而言，AMT 造價(jià)低廉，只比傳統(tǒng)機(jī)械式變速器稍貴 一點(diǎn)，也很適合中國(guó)用戶的消費(fèi)特點(diǎn)。所以，國(guó)內(nèi)主流的變速器企業(yè)都在致力于 AMT 的研發(fā)當(dāng)中，據(jù)了解，法士特、綦齒和大齒等企業(yè)的 AMT 已經(jīng)開(kāi)始裝車試驗(yàn)， 技術(shù)日趨成熟。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 汽車參數(shù)的選擇 變速器設(shè)計(jì)所需的汽車基本參數(shù)如 2.1 表所示: 表 2.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)表 變速器如下基本要求： (1)保證汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 (2)設(shè)置空擋，用來(lái)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力向驅(qū)動(dòng)輪的傳輸。 (3)設(shè)置倒檔，使汽車能倒退行駛。 (4)設(shè)置動(dòng)力輸出裝置，需要時(shí)能進(jìn)行功率輸出。 (5)換擋迅速，省力，方便。 (6)工作可靠。汽車行駛過(guò)程中，變速器不得有跳擋，亂擋以及換擋沖擊等現(xiàn)象 發(fā)生。 (7)變速器應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。 除此以外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小，制造成本低，維修方便等要求。 滿足汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，這與變速器的檔數(shù)，傳動(dòng)比范圍和各擋傳動(dòng) 比有關(guān)。汽車工作的道路條件越復(fù)雜，比功率越小，變速器的傳動(dòng)比范圍越大。 2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析 2.2.1 固定軸式變速器 固定軸式又分為兩軸式，中間軸式，雙中間軸式變速器。固定軸式應(yīng)用廣泛，其 中兩軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的汽車上，中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī) 前置后輪驅(qū)動(dòng)的汽車上。與中間軸式變速器比較，兩軸式變速器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輪廓尺 寸小，布置方便，中間擋位傳動(dòng)效率高和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。因兩軸式變速器不能設(shè)置直 接擋，所以在高擋工作時(shí)齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。此外， 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 66kw 最高車速 110km/h 總質(zhì)量 4060kg 最大轉(zhuǎn)矩 210 Nm 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 受結(jié)構(gòu)限制，兩軸式變速器的一擋速比不可能設(shè)計(jì)得很大。所以我選擇的是中間軸式 的變速器。 圖 2.1 分別示出了幾種中間軸式五擋變速器傳動(dòng)方案。它們的共同特點(diǎn)是：變速 器第一軸和第二軸的軸線在同一直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接得到直接擋。使用直接 擋，變速器的齒輪和軸承及中間軸均不承載，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器第一軸和第二軸直 接輸出，此時(shí)變速器的傳動(dòng)效率高，可達(dá) 90%以上，噪聲低，齒輪和軸承的磨損減少。 因?yàn)橹苯訐醯睦寐矢哂谄渌鼡跷?，因而提高了變速器的使用壽命；在其它前進(jìn)擋位 工作時(shí)，變速器傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過(guò)設(shè)置在第一軸，中間軸和第二軸上的兩對(duì)齒輪傳 遞，因此在變速器中間軸與第二軸之間的距離（中心距）不大的條件下，一擋仍然有 較大的傳動(dòng)比；擋位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，擋位低的齒輪（一擋）可以采用 或不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一擋以外的其他擋位的換擋機(jī)構(gòu)，均采 用同步器或嚙合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一擋也采用同步器或嚙合套換擋，還有各擋同步 器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。再除直接擋以外的其他擋位工作時(shí)，中間軸式 變速器的傳動(dòng)效率略有降低，這是它的缺點(diǎn)。在擋數(shù)相同的條件下，各種中間軸式變 速器主要在常嚙合齒輪對(duì)數(shù)，換擋方式和到檔傳動(dòng)方案上有差別。 圖 2.1(a)所示方案，除一檔和倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋外，其余各擋為常嚙合齒 輪傳動(dòng)。圖 2.1(b)，(c)，(d) 所示方案的各前進(jìn)擋，均用常嚙合齒輪傳動(dòng)；圖 2.1(d)所 示方案中的倒擋和超速擋安裝在位于變速器后部的副箱體內(nèi)，這樣布置除可以提高軸 的剛度，減少齒輪磨損和降低工作噪聲外，還可以在不需要超速擋的條件下，很容易 形成一個(gè)只有四個(gè)前進(jìn)擋的變速器。以上各種方案中，凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的擋位， 其換擋方式可以用同步器或嚙合套來(lái)實(shí)現(xiàn)。同一變速器中，有的擋位用同步器換擋， 有的擋位用嚙合套換擋，那么一定是擋位高的用同步器換擋，擋位低的用嚙合套換擋。 發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的貨車采用中間軸式變速器，為加強(qiáng)傳動(dòng)軸剛度，可將變速 器后端加中間支撐。中間軸和第二軸都有三個(gè)支承。如果在殼體內(nèi)，布置倒擋傳動(dòng)齒 輪和換擋機(jī)構(gòu)，還能減少變速器主體部分的外形尺寸。 2.2.2 倒擋布置方案 與前進(jìn)擋位比較，倒擋使用率不高，而且都是在停車狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)換倒擋，故多數(shù) 方案采用直齒滑動(dòng)齒輪方式換倒擋。為實(shí)現(xiàn)倒擋傳動(dòng)，有些方案利用在中間軸和第二 軸上的齒輪傳動(dòng)路線中，加入一個(gè)中間傳動(dòng)齒輪的方案。前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是中 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 2.1 中間軸式五擋變速器傳動(dòng)方案 間傳動(dòng)齒輪的輪齒，是在最不利的正，負(fù)交替對(duì)稱變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作， 而后者是在較為有利的單向循環(huán)彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，并使倒擋傳動(dòng)比略有增加。 圖 2.2 為常見(jiàn)的倒擋布置方案。圖 2.2(b)所示方案的優(yōu)點(diǎn)是換倒擋時(shí)利用了中間 軸上的一擋齒輪，因而縮短了中間軸的長(zhǎng)度。但換擋時(shí)有兩對(duì)齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使 換擋困難。圖 2.2(c)所示方案能獲得較大的倒擋傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換擋程序不合理。圖 2.2(d)所示方案針對(duì)前者的缺點(diǎn)做了修改，因而取代了圖 2.2(c)所示方案。圖 2.2(e)所 示方案是將中間軸上的一，倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)。圖 2.2(f)所示方案適 用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換擋更為輕便。為了充分利用空間，縮短變速器軸 向長(zhǎng)度，有的貨車倒擋傳動(dòng)采用圖 2.2(g)所示方案。其缺點(diǎn)是一，倒擋須各用一根變 速器撥叉軸，致使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。 因?yàn)樽兯倨髟谝粨鹾偷箵豕ぷ鲿r(shí)有較大的力，所以無(wú)論是兩軸式變速器還是中間 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 軸式變速器的低檔與倒擋，都應(yīng)當(dāng)布置在在靠近軸的支承處，以減少軸的變形，保證 齒輪重合度下降不多，然后按照從低擋到高擋順序布置各擋齒輪，這樣做既能使軸有 足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒擋的傳動(dòng)比雖然與一擋的傳動(dòng)比接近，但因?yàn)?使用倒擋的時(shí)間非常短，從這點(diǎn)出發(fā)有些方案將一擋布置在靠近軸的支承處，然后再 圖 2.2 倒擋布置方案 布置倒擋。此時(shí)在倒擋工作時(shí)，齒輪磨損與噪聲在短時(shí)間內(nèi)略有增加，與此同時(shí) 在一擋工作時(shí)齒輪的磨損與噪聲有所減少。 除此以外，倒擋的中間齒輪位于變速器的左側(cè)或右側(cè)對(duì)倒擋軸的受力狀況有影響， 如圖 2-3 所示。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 2.3 倒擋軸位置與受力分析 2.2.3 其他問(wèn)題 經(jīng)常使用的擋位，其齒輪因接觸應(yīng)力過(guò)高而造成表面電蝕損壞。將高擋布置在靠 近軸的支承中部區(qū)域較為合理，在該區(qū)因軸的變形而引起的齒輪偏轉(zhuǎn)角較小，齒輪保 持較好的嚙合狀態(tài)，偏載減少能提高齒輪壽命。 某些汽車變速器有僅在好路或空車行駛時(shí)才使用的超速擋。使用傳動(dòng)比小于 1（為 0.70.8）的超速擋，能夠充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使汽車行駛 1km 所需發(fā)動(dòng)機(jī) 曲軸的總轉(zhuǎn)速降低，因而有助于減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損和降低燃料消耗。但是與直接擋比較， 使用超速擋會(huì)使傳動(dòng)效率降低，噪聲增大。 機(jī)械式變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力時(shí)處于工作狀 態(tài)的齒輪對(duì)數(shù)，每分鐘轉(zhuǎn)速，傳遞的功率，潤(rùn)滑系統(tǒng)的有效性，齒輪和殼體等零件的 制造精度等。 2.3 零部件結(jié)構(gòu)方案分析 2.3.1 齒輪形式 與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長(zhǎng)，工作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn) 是制造時(shí)稍復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡 管這樣會(huì)使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于 低檔和倒擋。我的設(shè)計(jì)中一擋和倒擋用的是直齒輪，其他擋都是斜齒輪。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 2.3.2 換擋機(jī)構(gòu)形式 變速器換擋機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪，嚙合套和同步器換擋三種形式。汽車行駛時(shí)各 擋齒輪有不同的角速度，因此用軸向滑動(dòng)直齒齒輪的方式換擋，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖 擊，并伴隨有噪聲。這使齒輪端部磨損加劇并過(guò)早損壞，同時(shí)使駕駛員精神緊張，而 換擋產(chǎn)生的噪聲又使乘坐舒適性降低。只有駕駛員用熟練的操作技術(shù)（如兩腳離合器） ，時(shí)齒輪換擋時(shí)無(wú)沖擊，才能克服上述缺點(diǎn)。但是該瞬間駕駛員注意力被分散，會(huì)影 響行駛安全性。因此，盡管這種換擋方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但除一擋，倒擋外已很少使用。 由于變速器第二軸齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)，所以可用移動(dòng)嚙合套換擋。 這時(shí)，因同時(shí)承受換擋沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多。而輪齒又不參與換擋，它們都不會(huì) 過(guò)早損壞，但不能消除換擋沖擊，所以仍要求駕駛員有熟練的操作技術(shù)。此外，因增 設(shè)了嚙合套和常嚙合齒輪，使變速器旋轉(zhuǎn)部分的總慣性矩增大。 因此，目前這種換擋方法只在某些要求不高的擋位及重型貨車變速器上應(yīng)用。這 是因?yàn)橹匦拓涇嚀跷婚g的公比較小，則換擋機(jī)構(gòu)連件之間的角速度差也小，因此采用 嚙合套換擋，并且還能降低制造成本及減小變速器長(zhǎng)度。 使用同步器能保證迅速、無(wú)沖擊、無(wú)噪聲換擋，而與操作技術(shù)的熟練程度無(wú)關(guān)， 從而提高了汽車的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換擋方法比較，雖 然它有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。 使用同步器或嚙合套換擋，其換擋行程要比滑動(dòng)齒輪換擋行程小。在滑動(dòng)齒輪特 別寬的情況下，這種差別就更為明顯。為了操縱方便，換入不同擋位的變速桿行程要 求盡可能一樣。 自動(dòng)脫擋是變速器的主要故障之一。為解決這個(gè)問(wèn)題，除工藝上采取措施外，目 前在結(jié)構(gòu)上采取措施比較有效的方案有以下幾種： 互鎖裝置是保證移動(dòng)某一變速叉軸時(shí)，其它變速叉軸互被鎖住，該機(jī)構(gòu)的作用是 防止同時(shí)掛入兩檔，而使掛檔出現(xiàn)重大故障。常見(jiàn)的互鎖機(jī)構(gòu)有： (1)互鎖銷式 圖 2.4 是汽車上用得最廣泛的一種機(jī)構(gòu)，互鎖銷和頂銷裝在變速叉軸之間，用銷子的 長(zhǎng)度和凹槽來(lái)保證互鎖。 圖 2.4，(a)為空檔位置，此時(shí)任一叉軸可自由移動(dòng)。圖 2.1，(b)、(c)、(d)為某一叉軸 在工作位置，而其它叉軸被鎖住。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 2.4 互鎖銷式互鎖機(jī)構(gòu) (2)擺動(dòng)鎖塊式 圖 2.5 為擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu)工作示意圖，鎖塊用同心軸螺釘安裝在殼體上，并 可繞螺釘軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)，操縱桿的撥頭置于鎖塊槽內(nèi)，此時(shí)，鎖塊的一個(gè)或兩個(gè)突起 部分 A 檔住其它兩個(gè)變速叉軸槽，保證換檔時(shí)不能同時(shí)掛入兩檔。 (3)轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式 圖 2.5 為與上述鎖塊機(jī)構(gòu)原理相似的轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式互鎖裝置。操縱桿撥頭置于鉗口 中，鉗形板可繞 A 軸轉(zhuǎn)動(dòng)。選檔時(shí)操縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)鉗形板選入某一變速叉軸槽內(nèi)，此時(shí) 鉗形板的一個(gè)或兩個(gè)鉗爪抓住其它兩個(gè)變速叉，保證互鎖作用。 操縱機(jī)構(gòu)還應(yīng)設(shè)有保證不能誤掛倒檔的機(jī)構(gòu)。通常是在倒檔叉或叉頭上裝有彈簧 機(jī)構(gòu)，使司機(jī)在換檔時(shí)因有彈簧力作用，產(chǎn)生明顯的手感。 鎖止機(jī)構(gòu)還包括自鎖、倒檔鎖兩個(gè)機(jī)構(gòu)。 自鎖機(jī)構(gòu)的作用是將滑桿鎖定在一定位置，保證齒輪全齒長(zhǎng)參加嚙合，并防止自 動(dòng)脫檔和掛檔。自鎖機(jī)構(gòu)有球形鎖定機(jī)構(gòu)與桿形鎖定機(jī)構(gòu)兩種類型。 倒檔鎖的作用是使駕駛員必須對(duì)變速桿施加更大的力，方能掛入倒檔，起到提醒 注意的作用，以防誤掛倒檔，造成安全事故。 本次設(shè)計(jì)鎖定機(jī)構(gòu)采用自鎖、互鎖、倒檔鎖裝置。采用自鎖鋼球來(lái)實(shí)現(xiàn)自鎖，通 過(guò)互鎖銷實(shí)現(xiàn)互鎖。倒檔鎖采用限位彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，使駕駛員有感覺(jué)，防止誤掛倒檔。 2.3.3 變速器軸承 變速器軸承常采用圓柱滾子軸承，球軸承，滾針軸承，圓錐滾子軸承，滑動(dòng)軸套 等。至于何處應(yīng)當(dāng)采用何種軸承，是受結(jié)構(gòu)限制并隨所承受的載荷特點(diǎn)不同而不同。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 2.5 擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu) 圖 2.6 轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式互鎖機(jī)構(gòu) 汽車變速器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，采用尺寸大些的軸承結(jié)構(gòu)受限制，常在布置上有 困難。如變速器的第二軸前端支承在第一軸常嚙合齒輪的內(nèi)腔中，內(nèi)腔尺寸足夠時(shí)可 布置圓柱滾子軸承，若空間不足則采用滾針軸承。變速器第一軸前端支承在飛輪的內(nèi) 腔里，因有足夠大的空間長(zhǎng)采用球軸承來(lái)承受向力。作用在第一軸常嚙合齒輪上的軸 向力，經(jīng)第一軸后部軸承傳給變速器殼體，此處常用軸承外圈有擋圈的球軸承。第二 軸后端常采用球軸承，以軸向力和徑向力。中間軸上齒輪工作時(shí)產(chǎn)生的軸向力，原則 上由前或后軸承來(lái)承受都可以，但當(dāng)在殼體前端面布置軸承蓋有困難的時(shí)候，必須由 后端軸承承受軸向力，前端采用圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向力。 變速器中采用圓錐滾子軸承雖然有直徑小，寬度較寬因而容量大，可承受高負(fù)荷 等優(yōu)點(diǎn)，但也有需要調(diào)整預(yù)緊，裝配麻煩，磨損后軸易歪斜而影響齒輪正確嚙合的缺 點(diǎn)。 變速器第一軸，第二軸的后部軸承以及中間軸前，后軸承，按直徑系列一般選用 中系列球軸承或圓柱滾子軸承。軸承的直徑根據(jù)變速器中心距確定，并要保證殼體后 壁兩軸承孔之間的距離不小于 620mm，下限適用于輕型車和轎車。 滾針軸承，滑動(dòng)軸套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 地方。滾針軸承有滾動(dòng)摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，徑向配合間隙小，定位及運(yùn)轉(zhuǎn)精度 高，有利于齒輪嚙合等優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)軸套的徑向配合間隙大，易磨損，間隙增大后影響 齒輪的定位和運(yùn)轉(zhuǎn)精度并使工作噪聲增加。滑動(dòng)軸套的優(yōu)點(diǎn)是制造容易，成本低。 在本次設(shè)計(jì)中由于工作條件的需要主要選用了圓錐滾子軸承、深溝球軸承和滾針 軸承。 2.4 本章小結(jié) 本章首先確定了設(shè)計(jì)變速器所需的汽車主要參數(shù)以及設(shè)計(jì)變速器所應(yīng)滿足的基本 要求，對(duì)自己的設(shè)計(jì)也有了一定的規(guī)范。然后又對(duì)變速器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和檔位的布置 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 形式的進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，分析了各個(gè)傳動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選取了合理高效的的 傳動(dòng)方案和一些在設(shè)計(jì)變速器時(shí)常遇的問(wèn)題，為后面齒輪和軸的計(jì)算打下了良好的基 礎(chǔ)。最后對(duì)齒輪的形式做了介紹和優(yōu)缺點(diǎn)的比較，通過(guò)以上比較合理的選擇齒輪形式。 分析了幾種換擋形式，和容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并提供了相關(guān)的解決方法，最后很據(jù)軸的 工作條件和工作狀態(tài)，對(duì)軸承也形式也做了選擇。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 第 3 章 變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 擋數(shù) 增加變速器的擋數(shù)能改善汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。擋數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復(fù) 雜，并且是尺寸輪廓和質(zhì)量加大。同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且在使用時(shí)換擋頻率也增高。 在最低擋傳動(dòng)比不變的條件下，增加變速器的當(dāng)屬會(huì)是變速器相鄰的低擋與高擋 之間傳動(dòng)比比值減小，是換擋工作容易進(jìn)行。要求相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值在 1.8 以下,該制約小換擋工作越容易進(jìn)行。要求高擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值要比低 擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值小。 近年來(lái)為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前轎車一般用 45 個(gè)擋位， 級(jí)別高的轎車變速器多用 5 個(gè)擋，貨車變速器采用 45 個(gè)擋位或多擋。裝載質(zhì)量在 23.5T 的貨車采用 5 擋變速器，裝載質(zhì)量在 48T 的貨車采用 6 擋變速器。多擋變速 器多用于重型貨車和越野車。本設(shè)計(jì)為 5 擋變速器。 3.2 傳動(dòng)比范圍 變速器的傳動(dòng)比范圍是指變速器最低擋傳動(dòng)比與最高擋轉(zhuǎn)動(dòng)比的比值。傳動(dòng)比范圍的 確定與選定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，汽車的最高車速和使用條件等因素有關(guān)。目前轎車的傳動(dòng) 比范圍在 34 之間，輕型貨車在 56 之間，其他貨車則更大。 3.3 各檔傳動(dòng)比的確定 3.3.1 主減速器傳動(dòng)比的確定 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系式為： (3.1)0 37.irnuga 式中： 汽車行駛速度，km/h；a 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， r/min；n 車輪滾動(dòng)半徑，m；r 變速器傳動(dòng)比；gi 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 主減速器傳動(dòng)比。0i 由上文可知最高車速 = =110km/h；最高檔為超速檔，傳動(dòng)比 =1；車輪滾maxuv 5gi 動(dòng)半徑由所選用的輪胎規(guī)格 195/65R15 得到 =377.5（mm ） ；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r = =3600（r/min） ；由公式（ 5.1）得到主減速器傳動(dòng)比計(jì)算公式：np6.437.0aguiri 3.3.2 最低檔傳動(dòng)比計(jì)算 按最大爬坡度設(shè)計(jì)，滿足最大通過(guò)能力條件，即用一檔通過(guò)要求的最大坡道角 坡 max 道時(shí)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于或等于此時(shí)的滾動(dòng)阻力和上坡阻力（加速阻力為零，空氣阻力忽 略不計(jì)） 。用公式表示如下： （3.2）maxmax 0max sincoGfriTtge 式中： G 車輛總重量，N； 滾動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)良好路面 =0.010.02；f 發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩,Nm；maxeT 主減速器傳動(dòng)比；0i 變速器傳動(dòng)比；g 為傳動(dòng)效率（0.850.9） ；t R 車輪滾動(dòng)半徑； 最大爬坡度本設(shè)計(jì)為能爬 30%的坡，大約 。max 7.16 由公式（3.3）得： （3.3）te giTrGi0maxax1 )snco( 已知：m=4060kg ； ； ；r=0.3775m； 12.f 7.6ax210maxeT Nm； ；g=9.8m/s2； ，把以上數(shù)據(jù)代入（3.3）式：6.40i 9t 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 1.59.0642137.0).16sin87.cos0.8946(1 gi 滿足不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)條件。即用一檔發(fā)出最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。公式表 示如下： ntgeFriT10max （3.4）te ngiTrFi0max1 式中： 驅(qū)動(dòng)輪的地面法向反力， ；nFgn1 驅(qū)動(dòng)輪與地面間的附著系數(shù)；對(duì)混凝土或?yàn)r青路面 可取 0.50.6 之間。 取 0.55，把數(shù)據(jù)代入（5.4）式得： 1.59.064213758.01 gi 所以，一檔轉(zhuǎn)動(dòng)比的選擇范圍是： .51gi 初選一檔傳動(dòng)比為 5.1。 3.3.3 各檔傳動(dòng)比的選定 變速器的檔傳動(dòng)比應(yīng)根據(jù)上述條件確定。變速器的最高檔一般為直接檔，有時(shí)用超 速擋，在本設(shè)計(jì)中最高檔即為超速擋。中間檔的傳動(dòng)比理論上按公比為 （其中 n 為檔位數(shù)）的幾何級(jí)數(shù)排列，實(shí)際上與理論值略有出入， max11innggiq 因齒數(shù)為整數(shù)且常用檔位間的公比宜小些，另外還要考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的合理匹配。 qiiii 54433221 5.1.4451i5.1.26.341qiq 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 3.3.4 中心距的選擇 初選中心距可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算： （3.5）31maxgeAiTK 式中： 變速器中心距， mm； 中心距系數(shù)，商用車 =8.69.6；A A 發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)距為 210N，Nm；maxeT 變速器一檔傳動(dòng)比為 5.1；1i 變速器傳動(dòng)效率，取 96%。g 9.0 =90.8mmA396.0152 商用車變速器的中心距在 80170mm 范圍內(nèi)變化。所以根據(jù)計(jì)算結(jié)果，初取 A=90mm。 3.3.5 變速器的外形尺寸 變速器的橫向外形尺寸，可以根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間齒輪和換檔機(jī)構(gòu)的布置初步 確定。影響變速器殼體軸向尺寸的因素有檔數(shù)、換檔機(jī)構(gòu)形式以及齒輪形式。 乘用車變速器殼體的軸向尺寸可參考下列公式選用： 3960)4.0()4.0( AL mm 當(dāng)變速器選用常嚙合齒輪對(duì)數(shù)和同步器多時(shí)，中心距系數(shù) K 應(yīng)取給出系數(shù)的上限。 為檢測(cè)方便，A 取整。設(shè)計(jì)的是五擋變速器，初定軸向殼體尺寸為 370mm。 3.4 齒輪參數(shù) 3.4.1 模數(shù)的選取 遵循的一般原則：為了減少噪聲應(yīng)合理減少模數(shù)，增加尺寬；為使質(zhì)量小，增加數(shù)， 同時(shí)減少尺寬；從工藝方面考慮，各擋齒輪應(yīng)選用同一種模數(shù)，而從強(qiáng)度方面考慮， 各擋齒數(shù)應(yīng)有不同的模數(shù)。減少轎車齒輪工作噪聲有較為重要的意義，因此齒輪的模 數(shù)應(yīng)選??；對(duì)貨車，減小質(zhì)量比噪聲更重要，故齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)。 低擋齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)，其他擋位選另一種模數(shù)。少數(shù)情況下汽車變速器各擋齒輪 均選用相同的模數(shù)。 嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)采用漸開(kāi)線齒輪。由于工藝上的原應(yīng)，同一變速器的接 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 合齒模數(shù)相同。其取用范圍是：乘用車和總質(zhì)量 在 1.814.0t 的貨車為am 2.03.5mm。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利換擋。 初選齒輪模數(shù) =3.0mm m 齒輪法向模數(shù) =3.0mmn 3.4.2 壓力角 壓力角較小時(shí)，重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；較大時(shí)可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面 接觸強(qiáng)度。對(duì)商用車，為加大重合度已降低噪聲，取小些。 變速器齒輪壓力角為 20 嚙合套或同步器的接合齒壓力角用 30 3.4.3 螺旋角 斜齒輪在變速器中得到廣泛的應(yīng)用。選斜齒輪的螺旋角，要注意他對(duì)齒輪工作噪 聲齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。在齒輪選用大些的螺旋角時(shí)，使齒輪嚙合的重合度增 加，因而工作平穩(wěn)、噪聲降低。試驗(yàn)還證明：隨著螺旋角的增大，齒的強(qiáng)度也相應(yīng)提 高。不過(guò)當(dāng)螺旋角大于 30 時(shí)，其抗彎強(qiáng)度驟然下降，而接觸強(qiáng)度仍然繼續(xù)上升。因 此，從提高低擋齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，并不希望用過(guò)大的螺旋角，以 15 25 為宜； 而從提高高擋齒輪的接觸強(qiáng)度和增加重合度著眼，應(yīng)選用較大螺旋角。 斜齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，要產(chǎn)生軸向力并作用到軸承上。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求中間軸上同時(shí) 工作的兩對(duì)齒輪產(chǎn)生軸向力平衡，以減少軸承負(fù)荷，提高軸承壽命。因此，中間軸上 的不同擋位齒輪的螺旋角應(yīng)該是不一樣的。為使工藝簡(jiǎn)便，在中間軸軸向力不大時(shí)， 可將螺旋角設(shè)計(jì)成一樣的，或者僅取為兩種螺旋角。中間軸上全部齒輪的螺旋方向應(yīng) 一律取為右旋，則第一、第二軸上的斜齒輪應(yīng)取為左旋。軸向力經(jīng)軸承蓋作用到殼體 上。一擋和倒擋設(shè)計(jì)為直齒時(shí)，在這些擋位上工作，中間軸上的軸向力不能抵消(但 因?yàn)檫@些擋位使用得少，所以也是允許的)，而此時(shí)第二軸則沒(méi)有軸向力作用。 根據(jù)圖 3-1 可知，欲使中間軸上兩個(gè)斜齒輪的軸向力平衡，需滿足下述條件 （3.6）11tanaF （3.7）22 由于 T= ，為使兩軸向力平衡，必須滿足21rFn 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 （3.8）2 1tanr 式中：Fa1，F(xiàn)a2 為作用在中間軸齒輪 1、2 上的軸向力，F(xiàn)n1，F(xiàn)n2 為作用在中間軸 齒輪 1、2 上的圓周力；r1，r2 為齒輪 1、2 的節(jié)圓半徑；T 為中間軸傳遞的轉(zhuǎn)矩。 最后可用調(diào)整螺旋角的方法，使各對(duì)嚙合齒輪因模數(shù)或齒數(shù)和不同等原因而造成的中 心距不等現(xiàn)象得以消除。 圖 3.1 中間軸軸向力的平衡 斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用： 商用車中間軸式變速器為 20 30 初選的螺旋角 =25 3.4.4 齒寬 b 應(yīng)注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸，齒輪工作平穩(wěn)性，齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)受力 的均勻程度均有影響。 考慮到盡可能的減少質(zhì)量和縮短變速器的軸向尺寸，應(yīng)該選用較小的齒寬。減少 齒寬會(huì)使斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)被削弱，還會(huì)使工作應(yīng)力增加。使用寬些的齒寬，工 作時(shí)會(huì)因軸的變形導(dǎo)致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻并在齒寬方向磨損不 均勻。通常根據(jù)齒輪模數(shù) m 的大小來(lái)選定齒寬。 直齒：b= m， 為齒寬系數(shù)，取為 4.58.0 取 =6CKCK 斜齒：b= ， 取 6.08.5 ，取 =6n C 第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)， 可取大些，使接觸線長(zhǎng)度增加、接觸應(yīng)力 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 降低，以提高傳動(dòng)平穩(wěn)性和齒輪壽命。 直齒 b= =6 3=18mmmKC 斜齒 b= =6 3=18mm 3.4.5 齒頂高系數(shù) 齒頂高系數(shù)對(duì)重合度、輪齒強(qiáng)度、工作噪聲、輪齒相對(duì)滑動(dòng)速度、輪齒根切和齒頂厚 度等有影響。若齒頂高系數(shù)小，則齒輪重合度小，工作噪聲大；但因輪齒受到的彎矩 減小，輪齒的彎曲應(yīng)力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認(rèn)為輪齒上受到 的載荷集中齒頂上，所以曾采用過(guò)齒頂高系數(shù)為 0.750.80 的短齒制齒輪。 在齒輪加工精度提高以后，包括我國(guó)在內(nèi)，規(guī)定齒頂高系數(shù)取為 1.00。為了增加齒輪 嚙合的重合度，降低噪聲和提高齒根強(qiáng)度，有些變速器采用齒頂高系數(shù)大與 1.00 的 細(xì)高齒。 3.4.6 變位系數(shù)的選擇原則 齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除為了避免齒輪 產(chǎn)生根切和配湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能 力及齒輪的嚙合噪聲。 變位齒輪主要有兩類：高度變位和角度變位。高度變位齒輪副的一對(duì)嚙合齒輪的 變位系數(shù)的和為零。高度變位可增加小齒輪的齒根強(qiáng)度，使它達(dá)到和大齒輪強(qiáng)度想接 近的程度。高度變位齒輪副的缺點(diǎn)是不能同時(shí)增加一對(duì)齒輪的強(qiáng)度，也很難降低噪聲。 角度變位齒輪副的變位系數(shù)之和不等于零。角度變位既具有高度變位的優(yōu)點(diǎn)，有避免 了其缺點(diǎn)。 有幾對(duì)齒輪安裝在中間軸和第二軸上組合并構(gòu)成的變速器，會(huì)因保證各檔傳動(dòng)比 的需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對(duì)齒輪有相同的中心距，此時(shí) 應(yīng)對(duì)齒輪進(jìn)行變位。當(dāng)齒數(shù)和多的齒輪副采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)或高度變位時(shí)，則對(duì)齒數(shù) 和少些的齒輪副應(yīng)采用正角度變位。由于角度變位可獲得良好的嚙合性能及傳動(dòng)質(zhì)量 指標(biāo)，故采用的較多。對(duì)斜齒輪傳動(dòng)，還可通過(guò)選擇合適的螺旋角來(lái)達(dá)到中心距相同 的要求。 變速器齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對(duì)于高檔齒 輪，其主要損壞形勢(shì)是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合劑耐磨損 最有利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強(qiáng)度，應(yīng)使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這 樣兩齒輪的齒輪漸開(kāi)線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對(duì)于低擋 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 齒輪，由于小齒輪的齒根強(qiáng)度較低，加之傳遞載荷較大，小齒輪可能出現(xiàn)齒根彎曲斷 裂的現(xiàn)象。 總變位系數(shù)越小，一對(duì)齒輪齒更總厚度越薄，齒根越弱，抗彎強(qiáng)度越低。但是由 于輪齒的剛度較小，易于吸收沖擊振動(dòng)，故噪聲要小些。 更據(jù)上述理由，為降低噪聲，對(duì)于變速器中除去一檔、二擋和倒擋以外的其他各 擋齒輪的總變位系數(shù)要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。 3.5 各擋齒輪齒數(shù)的分配 在初選中心距，齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可更據(jù)變速器的擋數(shù)，傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來(lái) 分配各擋齒輪的齒數(shù)。 圖 3.2 五擋變速器傳動(dòng)方案 3.5.1 確定一擋齒輪的齒數(shù) 一擋傳動(dòng)比 （3.9）91 02zi 如果 ， 齒數(shù)確定了，則 與 的傳動(dòng)比可求出，為了求 ， 的齒數(shù)，先求其9z102z 9z10 齒數(shù)和 h 直齒 =2A/m （3.10） z 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 斜齒 =2A / （3.11）hzcosnm 因?yàn)橐粨跤玫氖侵饼X輪，所以 =2A/m=2 90/3=60hz 計(jì)算后取整，然后進(jìn)行大小齒輪齒數(shù)的分配。中間軸上的一檔小齒輪的齒數(shù)盡可能取 小些，以便使 / 的傳動(dòng)比大些，在 已定的情況下， / 的傳動(dòng)比可分配小些，9z101i2z1 使第一軸常嚙合齒輪的齒數(shù)多些，以便在其內(nèi)腔設(shè)置第二軸的前軸承并保證輪軸有足 夠的厚度?？紤]到殼體上的第一軸軸孔尺寸的限制和裝配的可能性，該齒輪齒數(shù)又不 宜取多。 中間軸上小齒輪的最少齒數(shù)，還受中間軸軸經(jīng)尺寸的限制，即受剛度的限制。在選定 時(shí)，對(duì)軸的尺寸及齒輪齒數(shù)都要統(tǒng)一考慮。商用車中間軸式變速器一擋傳動(dòng)比 =56 時(shí)，中間軸上一擋齒輪數(shù)可在 1517 間取，貨車在 1217 間取。1i 因?yàn)?=5.1 取中間軸上一擋齒輪 =14 輸出軸上一擋齒輪 = - =60-14=4610z9zh10 根據(jù)確定的中心距 A 求嚙合角 ： =0.9397 )(2cos109 zmcos 得： = = 故總變位 即為高度變位20 x 根據(jù)齒數(shù)比 u= 查得： 則 8.314609z 4.9 4.01x 兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，合齒高度不變。 3.5.2 對(duì)中心距進(jìn)行修正 因?yàn)橛?jì)算齒數(shù)和 后，經(jīng)過(guò)取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù) 和齒輪變位系hz hz 數(shù)新計(jì)算中心距，在以修正后的中心距作為各擋齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。故修正后中心 距 A 取 90mm。. 3.5.3 確定常嚙合傳動(dòng)齒輪副齒數(shù)及變位系數(shù) 求出傳動(dòng)比 （3.12）9 102zi461.52z 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 而常嚙合傳動(dòng)齒輪中心距和一檔齒輪的中心距相等，即 A= /2 （3.13） )(21zmncos 90=3（ + ）/2cos25 求得常嚙合齒輪齒數(shù)為 =23 =341z2 核算 =4.85 在誤差允許范圍內(nèi)10 921zi 故可得齒輪 1、2 精確的螺旋角為 18.2 湊配中心距 90cos)(21 zmAt 斜齒端面模數(shù)為 3.158mm 2nt 嚙合角 高度變位 2095.1cos)(cos1 Azt 0 x 根據(jù)齒數(shù)比 查得變位系數(shù) 故 54.23zu 1.x1.2 3.5.4 確定其他各擋的齒數(shù)及變位系數(shù) 二擋齒輪是斜齒輪螺旋角 與常嚙合齒輪 不同82 （3.14）2 187zi34. （3.15）8 7cos2)(zmAn 此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，還必須滿足下列關(guān)系式： （3.16） )1(tan87282zz 聯(lián)解上述三式，采用試湊法，當(dāng)螺旋角為 時(shí)，解（3.14） 、 （3.15）得：67.20 求得二擋齒輪齒數(shù)為 ： 代入上式近似滿足軸向力平衡397z18z 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 湊配中心距 正角度變位 AmzAn38.91cos2)(87 斜齒面模數(shù) mnt 06.8 嚙合角 1.2cos)(cs7 zn 根據(jù)齒數(shù)比 查得變位系數(shù) 6.87z 06.x2.1x14.0 圖 3.3 選擇變位系數(shù)線路圖 同理：三擋齒輪齒數(shù) 時(shí)近似滿足軸向力平衡關(guān)系35z26 4.186 湊配中心距 mAn5.9cos)(6 斜齒端面模數(shù) mnt 1.36 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 嚙合角 94.0cos)(2cos65, zAmt 89.1, 根據(jù)齒數(shù)比 查得變位系數(shù) .165z 06.x2.1x26.0 x 四擋齒輪齒數(shù) 時(shí)近似滿足軸向力平衡關(guān)系273842.34 湊配中心距 mzAn67.9cos)(43 斜齒端面模數(shù) mnt 2.4 嚙合角 935.0cos)(2cos43,zAt 03.2, 根據(jù)齒數(shù)比 查得變位系數(shù) 0.143z 18.x.x012.2x 3.5.5 確定倒擋齒輪齒數(shù)及變位系數(shù) 倒檔齒輪選用的模數(shù)往往與一檔相近，倒檔齒輪 的齒數(shù)一般在 23 之間13z1 初選 計(jì)算輸入軸與倒檔軸的中心距 設(shè)231z ,A52 有中心距 圓整后取 mzA5.47)(132m 為保證倒檔齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，齒輪 11 和 12 的齒頂圓之間應(yīng)保持有 0.5mm 以上的間隙，故取 滿足輸入軸與中間軸距離1z 假設(shè)當(dāng)齒輪 11 和齒輪 12 嚙合時(shí)中心距： = =88.5 A 且 mmA2 )(1zm05. 故倒檔軸與中間軸的中心距 mz.97)(2113倒 根據(jù)中心距 求嚙合角 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 故 高度變位 936.0cos)(2cos13, zAmt 20 根據(jù)齒數(shù)比 查得 5.12zux1.12.x 3.6 本章小結(jié) 本章對(duì)變速器的檔數(shù)、傳動(dòng)比的范圍進(jìn)行了介紹并根據(jù)自身設(shè)計(jì)選擇了所涉及變 速器的檔數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的汽車參數(shù)計(jì)算出傳動(dòng)比的范圍，對(duì)變速器齒輪的參數(shù)也做了 合理的選擇，并計(jì)算了各檔的齒數(shù)分配情況，對(duì)中心距也做了重新的修正。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 第 4 章 變速器的校核 4.1 齒輪的損壞形式 齒輪的損壞形式分三種：輪齒折斷，齒面疲勞剝落，移動(dòng)換擋齒輪端部破壞。 輪齒折斷分兩種：輪齒受足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；輪齒再重 復(fù)載荷作用下齒根產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展深度逐漸加大，然后出現(xiàn)彎曲折斷。前者 在變速器中出現(xiàn)的很少，后者出現(xiàn)的多。 齒輪工作時(shí)，一對(duì)相互嚙合，齒面相互擠壓，這時(shí)存在齒面細(xì)小裂縫中的潤(rùn)滑油 油壓升高，并導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，然后齒面表層出現(xiàn)塊狀脫落形成齒面點(diǎn)蝕。他使齒形誤 差加大，產(chǎn)生動(dòng)載荷，導(dǎo)致輪齒折斷。 用移動(dòng)齒輪的方法完成換擋的抵擋和倒擋齒輪，由于換擋時(shí)兩個(gè)進(jìn)入嚙合的齒輪 存在角速度差，換擋瞬間在齒輪端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。 4.2 齒輪強(qiáng)度計(jì)算 與其他機(jī)械行業(yè)相比，不同用途汽車的變速器齒輪使用條間仍是相似的。此外， 汽車變速器齒輪用的材料，熱處理方法，加工方法，精度級(jí)別，支承方式也基本一致。 如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制作，采用剃齒和磨齒精加工 ，齒輪表面采用滲碳 淬火熱處理工藝，齒輪精度為 JB17983，6 級(jí) 和 7 級(jí)。因此，用于計(jì)算通用齒輪強(qiáng) 度公式更為簡(jiǎn)化一些的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算汽車齒輪，同樣可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。下 面介紹的是計(jì)算汽車變速器齒輪強(qiáng)度用的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。 4.2.1 齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算 (1)直齒輪彎曲應(yīng)力 (4.1)bty KFfw1 式中， 為彎曲應(yīng)力； 為圓周力， ； 為計(jì)算載荷；d 為節(jié)圓直徑；1FTg/21g 為應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取 =1.65； 為摩擦力影響系數(shù)，主、從動(dòng)齒輪在嚙 Kf 合點(diǎn)上的摩擦力方向不同，對(duì)彎曲應(yīng)力的影響也不同：主動(dòng)齒輪 =1.1，從動(dòng)齒輪fK =0.9；b 為齒寬； t 為端面齒距， ，m 為模數(shù)；y 為齒形系數(shù)，如圖 6-1 所fKt 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 示。 因?yàn)辇X輪節(jié)圓直徑 d= ，z 為齒數(shù)，帶入式(6-1)得m (4.2)yzK Tcfgw32 一擋從動(dòng)齒輪 yzKmTcfgw32 14.637.054231. aMP850a 一擋主動(dòng)齒輪 yzcfgw32 9.6713.05314.a850a 倒擋直齒輪作用彎曲應(yīng)力在 400850N/mm 故直齒輪彎曲應(yīng)力均符合要求 (2) 斜齒輪彎曲應(yīng)力 (4.3) btyKFw1 式中， 為圓周力， ； 為計(jì)算載荷；d 為節(jié)圓直徑， ，1TFg/21g cos zmdn 為法向模數(shù)； z 為齒數(shù)； 為斜齒輪螺旋角； 為應(yīng)力集中系數(shù)， =1.50；bnmKK 為齒面寬；t 為法向齒距， ；y 為齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù) 在圖 6-nmt 3cos za 1 中查得； 為重合度影響系數(shù)， =2.0。 K 將上述有關(guān)參數(shù)代入式（6-3） ，整理后得斜齒輪彎曲應(yīng)力為 (4.4) KyzmTcngw3os2 四擋齒輪彎曲應(yīng)力 KyzTcngw3os2 08.13.2715.03214.os aMP25a 當(dāng)計(jì)算載荷 取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩 時(shí)，對(duì)乘用車常嚙合齒輪和g mxeT 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 高擋齒輪，許用應(yīng)力在 180250 范圍。 符合要求。aMP 圖 4.1 齒形系數(shù)圖 （假定載荷作用在齒頂 ， ）201f 4.2.2 輪齒接觸應(yīng)力計(jì)算 輪齒接觸應(yīng)力 =0.418 (4.5) j FEb(f(1, sdo4(z)+ f(1, sdo4(b) 式中， 為輪齒的接觸應(yīng)力；F 為齒面上的法向力， ； 為圓周力，j cos 1F1 ；