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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 本次設(shè)計(jì)的題目是 HLJIT5-200 變速器設(shè)計(jì)。變速器由變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī) 構(gòu)組成，其基本功用是改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)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，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的工況下工作;在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)方向不變的 前提下使汽車能倒退行駛；利用空擋中斷動(dòng)力傳遞，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng) 、怠速， 并便于變速器換擋或進(jìn)行動(dòng)力輸出。 采用中間軸式變速器，該變速器具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：一是其直接檔的傳動(dòng)效率 高，磨損及噪聲也最??；二是在齒輪中心距較小的情況下仍然可以獲得較大的一檔傳 動(dòng)比。這臺(tái)變速器具有五個(gè)前進(jìn)檔（包括一個(gè)超速檔五檔）和一個(gè)倒檔，并通過鎖環(huán) 式同步器來實(shí)現(xiàn)換檔。本設(shè)計(jì)論述了變速器的總體結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中完成了各擋齒輪和 軸的計(jì)算和校核及 CAD 繪圖等工作。 關(guān)鍵詞：變速器，鎖環(huán)式同步器，傳動(dòng)比，第二軸，齒輪 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I ABSTRACT The design of the subject is Nissan HLJIT5-200 thestrals sharpness triaxial type transmission design. Transmission of transmission mechanism and manipulate the transmission mechanism, its basic function is changed, expand the rotation drive transmission torque and speed range, in order to adapt to the changing conditions, also make the engine driving in the favorable conditions work, In the engine crankshaft direction invariable under the premise of driving the car can reverse, Use neutral interrupt power to make the engine can start, idle, and facilitate transmission shift or power output. Using the transmission of transmission oart has two outstanding advantages: one is the direct transmission efficiency, the wear and tear of noise and minimum, The center distance of small gear cases can still get larger gear transmission. The transmission has five forward (including a overdrive five files) and one reverse, and through the lock ring type synchronizer to realize the shift. This design is discussed in the overall structure, design of the gear and finish the checking and calculating and axial CAD drawing, etc. Key Words：Transmission, Locking ring type synchronizer,Gear ratio, Second axis, Gear 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) II 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT .II 第 1 章 緒論 .1 1.1 汽車變速器概述 .1 1.2 汽車變速器設(shè)計(jì)的目的和意義 .1 1.3 汽車變速器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) .2 1.3.1 變速器國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀 .2 1.3.2 汽車變速器的發(fā)展趨勢(shì) .3 1.4 手動(dòng)變速器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 .3 1.4.1 手動(dòng)變速器的特點(diǎn) .3 1.4.2 手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)要求 .4 1.4.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 .4 第 2 章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案確定 .6 2.1 設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要技術(shù)參數(shù) .6 2.2 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和形式選擇 .6 2.2.1 兩軸式變速器的特點(diǎn)分析 .6 2.2.2 中間軸式變速器特點(diǎn)分析 .7 2.2.3 倒擋布置方案分析 .8 2.2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置的其他問題 .9 2.3 零部件結(jié)構(gòu)方案分析 .9 2.3.1 齒輪形式 .9 2.3.2 換擋機(jī)構(gòu)形式 .10 2.3.3 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu) .11 2.3.4 變速器軸承 .11 2.4 本設(shè)計(jì)所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 .11 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) III 2.5 本章小結(jié) .12 第 3 章 變速器主要參數(shù)的選擇和齒數(shù)分配.13 3.1 變速器各擋傳動(dòng)比的確定 .13 3.1.1 變速器最低擋傳動(dòng)比的確定 .13 3.1.2 變速器其他各擋傳動(dòng)比的確定 .14 3.2 中心距的確定 .14 3.3 變速器外形尺寸的初選 .15 3.4 變速器齒輪參數(shù)的選擇 .15 3.4.1 模數(shù) .15 3.4.2 齒形、壓力角及螺旋角 .16 3.4.3 齒寬 .16 3.4.4 齒頂高系數(shù) .17 3.5 變速器各擋齒輪齒數(shù)的分配 .17 3.5.1 確定一擋齒輪的齒數(shù) .17 3.5.2 對(duì)中心距進(jìn)行修正 .18 3.5.3 確定常嚙合齒輪的齒數(shù) .19 3.5.4 確定其他各擋齒輪的齒數(shù) .20 3.6 本章小結(jié) .23 第 4 章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 .24 4.1 變速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算 .24 4.2 計(jì)算變速器各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速 .24 4.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算和材料選擇 .25 4.3.1 齒輪損壞的原因和形式 .25 4.3.2 齒輪的材料選擇 .26 4.3.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 .27 4.4 本章小結(jié) .39 第 5 章 變速器軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算.40 5.1 初選變速器軸的軸徑和軸長(zhǎng) .40 5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .41 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 5.3 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算 .41 5.3.1 齒輪和軸上的受力計(jì)算 .41 5.3.2 軸的強(qiáng)度計(jì)算 .42 5.3.3 軸的剛度計(jì)算 .46 5.4 變速器軸承的選擇和校核 .49 5.4.1 第一軸軸承的選擇和校核 .49 5.4.2 第二軸軸承的選擇和校核 .50 5.4.3 中間軸軸承的選擇和校核 .51 5.5 本章小結(jié) .52 第 6 章 同步器和操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用 .53 6.1 同步器的設(shè)計(jì)選用 .53 6.1.1 鎖環(huán)式同步器 .53 6.1.2 鎖銷式同步器 .54 6.1.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 .55 6.1.4 同步器主要參數(shù)的確定 .56 6.2 變速器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用 .58 6.2.1 變速器操縱機(jī)構(gòu)的分類 .58 6.2.2 變速器常用操縱機(jī)構(gòu)分析 .59 6.3 變速器箱體的設(shè)計(jì) .60 6.4 本章小結(jié) .61 第 7 章 軸的有限元分析 .62 7.1 有限元基本理論簡(jiǎn)介 .62 7.2 有限元分析基本步驟 .62 7.3 變速器輸出軸的有限元分析的主要步驟 .63 7.4 本章小結(jié) .68 結(jié) 論 .69 參考文獻(xiàn) .70 致 謝 .71 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) V 附 錄 A 外文文獻(xiàn) .72 附 錄 B 外文文獻(xiàn)的中文翻譯 .74 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 汽車變速器概述 變速器用于轉(zhuǎn)變發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)汽車在起步、加速、行駛以及 克服各種道路障礙等不同行駛條件下，對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪牽引力及車速不同要求的需要。用 變速器轉(zhuǎn)變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的必要性在于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速變化特性的特點(diǎn)是具有 相對(duì)小的對(duì)外部載荷改變的適應(yīng)性 1。 變速器能使汽車以非常低的穩(wěn)定車速行駛，而這種低的車速只靠?jī)?nèi)燃機(jī)的最低穩(wěn) 定車速是難以達(dá)到的。變速器的倒擋使汽車能倒退行駛；其空擋使汽車在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、 停車和滑行時(shí)能長(zhǎng)時(shí)間將發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系分離。 變速器按其傳動(dòng)比的改變方式可分為有級(jí)、無級(jí)和綜合式的。有級(jí)變速器按其前 進(jìn)擋的擋位數(shù)分為三、四、五擋和多擋的；而按其軸中心線的位置又可分為固定軸線 式、旋轉(zhuǎn)軸線式和綜合式的。固定軸式變速器又分為兩軸式、三軸式和多軸式的。變 速器按其操縱方式又可分為自動(dòng)式、半自動(dòng)式、預(yù)選式、指令式、直接操縱式和遠(yuǎn)距 離操縱式 2。 變速器的結(jié)構(gòu)對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)的平穩(wěn)性 與效率等都有直接影響。變速器與主減速器及發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)做優(yōu)化匹配，可得到良好 的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性；采用自鎖及互鎖裝置，倒擋安全裝置，對(duì)接合齒采取倒錐齒側(cè)措 施以及其他結(jié)構(gòu)措施，可使操縱可靠，不跳擋、亂擋、自動(dòng)脫擋和誤掛倒擋；采用同 步器可使換擋輕便，無沖擊及噪聲；采用高齒、修形及參數(shù)優(yōu)化等措施可使齒輪傳動(dòng) 平穩(wěn)、噪聲低，降低噪聲水平已成為提高變速器質(zhì)量和設(shè)計(jì)、工藝水平的關(guān)鍵。隨著 汽車技術(shù)的發(fā)展，增力式同步器，雙、中間軸變速器，后置常嚙合傳動(dòng)齒輪、短第二 軸的變速器，各種自動(dòng)、半自動(dòng)以及電子控制的自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)也相繼問世。 變速器多采用飛濺潤(rùn)滑，重型汽車有時(shí)強(qiáng)制潤(rùn)滑第一、二軸軸承等。 變速器都裝有單向的通氣閥以防殼內(nèi)空氣熱脹而漏油及潤(rùn)滑油氧化。殼底放油塞 多放置磁鐵以吸附油內(nèi)鐵屑。 1.2 汽車變速器設(shè)計(jì)的目的和意義 現(xiàn)代汽車上廣泛采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍很小，而復(fù)雜 的使用條件要求汽車的驅(qū)動(dòng)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 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置了變速器，用來改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)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，如起步、加速、上坡等，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范 圍下工作；在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車能倒退行駛；利用空擋，中斷動(dòng) 力傳遞，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)、怠速，并便于變速器換擋或進(jìn)行動(dòng)力輸出。變速器設(shè) 計(jì)的目的就是為了滿足上述的要求，使汽車在特定的工況下穩(wěn)定的工作。 9 變速器除了要能滿足一定的使用要求外，還要保證使其和汽車能有很好的匹配性， 可以提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的工況范圍內(nèi)工作提高汽車的使 用壽命、降低能源消耗、減少汽車的使用噪聲等。這就要求設(shè)計(jì)人員依據(jù)汽車的技術(shù) 參數(shù)，合理的選擇變速器的參數(shù)，使所設(shè)計(jì)的變速器能和整車具有很好的匹配性。 1.3 汽車變速器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1.3.1 變速器國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀 早期的汽車傳動(dòng)系，從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪之間的動(dòng)力傳動(dòng)形式是很簡(jiǎn)單的。1892 年 法國(guó)制造出第一輛帶有變速器的汽車。1921 年英國(guó)人赫伯特福魯特采用耐用的摩擦 材料進(jìn)一步完善了變速器的性能?，F(xiàn)代汽車變速器是 1894 年由法國(guó)人路易斯雷 納本哈特和艾米爾 拉瓦索爾推廣使用的。目前為止，變速器經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段， 主要為： 1、手動(dòng)變速器 手動(dòng)變速器主要采用齒輪傳動(dòng)的降速原理。變速器內(nèi)有多組傳動(dòng)比不同的齒輪副， 而汽車行駛時(shí)的換擋工作，也就是通過操縱機(jī)構(gòu)使變速器內(nèi)的不同的齒輪副工作。手 動(dòng)變速器又稱手動(dòng)齒輪式變速器，含有可以在軸向滑動(dòng)的齒輪，通過不同齒輪的嚙合 達(dá)到變速變矩的目的 3。手動(dòng)變速器的換擋操作可以完全遵從駕駛者的意志，且結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、故障率相對(duì)較低、價(jià)廉物美。 2、自動(dòng)變速器 自動(dòng)變速器是根據(jù)車速和負(fù)荷（油門踏板的行程）來進(jìn)行雙參數(shù)控制，擋位根據(jù) 上面的兩個(gè)參數(shù)來自動(dòng)升降。自動(dòng)變速器與手動(dòng)變速器的共同點(diǎn)，就是二者都屬于有 級(jí)式變速器，只不過自動(dòng)變速器可以根據(jù)車速的快慢來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)換擋，可以消除手動(dòng) 變速器“頓挫 ”的換擋感覺。 自動(dòng)變速器是由液力變矩器、行星齒輪和液壓操縱機(jī)構(gòu)組成，通過液力傳遞和齒 輪組合的方式來達(dá)到變速變矩的目的。 3、無級(jí)變速器 無級(jí)變速器又稱為連續(xù)變速式無級(jí)變速器。這種變速器與一般齒輪式自動(dòng)變速器 的最大區(qū)別，是它省去了復(fù)雜而又笨重的齒輪組合變速傳動(dòng)，而只用了兩組帶輪進(jìn)行 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 變速傳動(dòng)。無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)變速器簡(jiǎn)單，體積更小，它既沒有手動(dòng)變速器的眾 多齒輪副，也沒有自動(dòng)變速器復(fù)雜的行星齒輪組，主要靠主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和傳動(dòng)帶來 實(shí)現(xiàn)速比的無級(jí)變化 3。 4、無限變速式機(jī)械無級(jí)變速器（IVT） 無限變速式機(jī)械無級(jí)變速器與其它自動(dòng)變速器的差別之一是不使用變矩器。變矩 器的作用是通過油液介質(zhì)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞給變速器，它的傳遞效率通常只有 80%。 IVT 由于不使用變矩器，與其它變矩器比較，IVT 具有效率高、不易打滑、油 耗低、不需要工藝復(fù)雜造價(jià)高昂的金屬傳送帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，加 上傳遞扭矩大，長(zhǎng)時(shí)間使用也不會(huì)過度發(fā)熱，不但使用于轎車，也使用于越野車，是 一種新型變速器。 1.3.2 汽車變速器的發(fā)展趨勢(shì) 回顧汽車變速器的發(fā)展可以清楚的知道，變速器作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部 分，其技術(shù)的發(fā)展，是衡量汽車技術(shù)水平的一個(gè)重要依據(jù)?，F(xiàn)代汽車變速器的發(fā)展趨 勢(shì)，是向著可調(diào)自動(dòng)變速器或無級(jí)變速器的方向發(fā)展。 自動(dòng)變速器多擋化雖能擴(kuò)大自動(dòng)變速的范圍，但它并非安全迅速。理想的無級(jí)變 速器是在整個(gè)傳動(dòng)范圍內(nèi)能連續(xù)的、無擋比的切換變速比，是變速器始終按最佳換擋 規(guī)律自動(dòng)變速。無級(jí)化是對(duì)自動(dòng)變速器的理想追求。 現(xiàn)代無級(jí)變速器傳動(dòng)效率提高，變速反應(yīng)快、油耗低。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，變 速器的自動(dòng)控制進(jìn)一步完善，在各種使用工況下能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的最佳匹配， 控制更加精確、有效，性能價(jià)格比大大提高。無級(jí)變速器裝有自動(dòng)控制裝置，行車中 可以根據(jù)車速自動(dòng)調(diào)整擋位，無需人工操作，省去了換擋及踩踏離合器踏板的操作。 其不足之處在于價(jià)格昂貴、維修費(fèi)用很高，而且使用起來比手動(dòng)擋車費(fèi)油，尤其是低 速行駛或堵車中走走停停時(shí)，更會(huì)增大油耗 7。 當(dāng)今世界各大汽車公司對(duì)無級(jí)變速器的研究都十分活躍。不久的將來，隨著電子 控制技術(shù)的進(jìn)一步完善，電子控制式的無級(jí)變速器可望得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。 1.4 手動(dòng)變速器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 1.4.1 手動(dòng)變速器的特點(diǎn) 手動(dòng)變速器的擋數(shù)通常在 6 擋以下，當(dāng)擋數(shù)超過 6 擋時(shí)，可以在 6 擋以下的主變 速器的基礎(chǔ)上，再行配置副變速器，通過兩者的組合獲得多擋變速器。 近年來，為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前，乘用車一般采用 4- 5 個(gè)擋位的變速器。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車多用 5 個(gè)擋。商用車變速器采用 4-5 個(gè)擋 或多擋。載質(zhì)量在 2.0-3.5t 的貨車采用五擋變速器，載質(zhì)量在 4.0-8.0t 的貨車采用六 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 擋變速器。多擋變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車和越野車上 6。 某些汽車的變速器，設(shè)置有用在良好的路面上輕載或空車駕駛的場(chǎng)合的超速擋， 超速擋的傳動(dòng)比小于 1。采用超速擋，可以提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。但是如果發(fā)動(dòng)機(jī) 功率不高，則超速擋使用頻率很低，節(jié)油效果不顯著，甚至影響汽車的動(dòng)力性。 從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置上來說，目前，兩軸式和三軸式變速器都得到了廣泛的應(yīng)用。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。三軸式變速器的第一軸的常 嚙合齒輪與第二軸的各擋齒輪分別與中間軸的相應(yīng)齒輪相嚙合，且第一、第二軸同心。 將第一、第二軸直接連接起來傳遞轉(zhuǎn)矩則稱為直接擋。此時(shí)，齒輪、軸承及中間軸均 不承載，而第一、第二軸也僅傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接擋的傳動(dòng)效率高，磨損及噪聲也 最小，因?yàn)橹苯訐醯睦寐室哂谄渌鼡跷?，因此提高了變速器的使用壽命；在其?前進(jìn)擋位工作時(shí)，變速器傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過設(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和第二軸之間的距離（中心距）不大的情況下，一 擋仍有較大的傳動(dòng)比；擋位高的齒輪采用長(zhǎng)嚙合齒輪傳動(dòng)，擋位低的齒輪可以采用或 不采用長(zhǎng)嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一擋以外的其它擋位的換擋機(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。 手動(dòng)變速器的發(fā)展趨勢(shì)是增多常嚙合齒輪副的數(shù)目，從而可采用斜齒圓柱齒輪。 斜齒圓柱齒輪比直齒圓柱齒輪有更長(zhǎng)的壽命、更低的噪聲，雖然其制造稍微復(fù)雜且在 工作時(shí)有軸向力。因此，在變速器中，除低擋及倒擋齒輪外，直齒圓柱齒輪已被斜齒 圓柱齒輪所取代。當(dāng)然，常嚙合齒輪副的增多將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部分總慣性力矩的增大。 1.4.2 手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)要求 (1)、正確選擇變速器的擋位數(shù)和傳動(dòng)比，使其和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化匹配，以保證 汽車具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性； (2)、設(shè)置空擋以保證汽車在必要時(shí)能將發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系長(zhǎng)時(shí)間分離，設(shè)置倒擋 使汽車能倒退行駛； (3)、操縱簡(jiǎn)單、方便、迅速、省力； (4)、傳動(dòng)效率高，工作平穩(wěn)、無噪聲； (5)、體積小、質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)，工作可靠； (6)、制造容易、成本低廉、維修方便、使用壽命長(zhǎng)； (7)、貫徹零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化及總成系列化等設(shè)計(jì)要求，遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定； (8)、需要時(shí)應(yīng)設(shè)置動(dòng)力輸出裝置。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 1.4.3 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 通過變速器各部分參數(shù)的選擇和計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種基本符合要求的手動(dòng)變速器。 本文主要完成下面一些主要工作： （1）研究汽車機(jī)械變速器的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)； （2）建立有限元計(jì)算模型； （3）研究汽車機(jī)械變速器的載荷； （4）加載進(jìn)行應(yīng)力分析與結(jié)果分析； （5）對(duì)汽車機(jī)械變速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案確定 2.1 設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要技術(shù)參數(shù) 本設(shè)計(jì)是根據(jù)一款輕型客車汽車變速器，其具體參數(shù)如表 2.1。 表 2.1 主要技術(shù)參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 80kw 車輪型號(hào) 165/60 R14 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 200Nm 最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速 3000 r/min 最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速 16001800r/min 最高車速 90km/h 總質(zhì)量 2000kg 整備質(zhì)量 1000kg 2.2 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和形式選擇 有級(jí)變速器與無級(jí)的相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，具有高的傳動(dòng)效率 （=0.960.98） ，因此在各種類型的汽車上均得到了廣泛的應(yīng)用。 通常，有級(jí)變速器具有三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)前進(jìn)擋；重型載貨汽車和重型越野車則 采用多擋變速器，其前進(jìn)擋位數(shù)多大 616 個(gè)甚至 20 個(gè)。變速器擋位的增多可提高 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率、汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性和平均車速，從而可提高汽車的運(yùn)輸效率， 降低運(yùn)輸成本。但擋位數(shù)的增多也使變速器的尺寸及質(zhì)量增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本 提高，操縱也復(fù)雜。 某些轎車和貨車的變速器，采用僅在良好的路面和空載行駛時(shí)才使用的超速擋。 采用傳動(dòng)比小于 1（約為 0.70.8）的超速擋，可充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低單位 行駛里程的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，降低燃料消耗。但與傳動(dòng) 比為 1 的直接擋比較，采用超速擋會(huì)降低傳動(dòng)效率。 有級(jí)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)力的齒輪副數(shù)目、 轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤(rùn)滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度 等。 兩軸式和三軸式變速器都得到了廣泛的應(yīng)用。 2.2.1 兩軸式變速器的特點(diǎn)分析 與中間軸式變速器相比較，兩軸式變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且除最高擋外其他各擋 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 的傳動(dòng)效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的布置，因?yàn)檫@種布置使汽 車的動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量減少 6%10%。兩軸式變速器則 方便于這種布置且使傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。兩軸式變速器沒有直接擋，因此在高擋工作 時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲較大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。 如圖 2.1ac 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)轎車的兩軸式變速器傳動(dòng)方案。其特點(diǎn) 是：變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體；多數(shù)方案的倒擋傳動(dòng)常用滑動(dòng)齒輪， 其它擋位均用常嚙合齒輪傳動(dòng)。圖 2.1c 中的倒擋齒輪為常嚙合齒輪，并用同步器換 擋；圖 2-1a 所示方案的變速器有輔助支承，用來提高軸的剛度。 圖 2.1 兩軸式變速器傳動(dòng)方案 2.2.2 中間軸式變速器特點(diǎn)分析 中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)的客車上。 變速器第一軸的前端經(jīng)軸承支承在發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪上，第一軸上的花鍵用來裝設(shè)離合器 的從動(dòng)盤，而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬向節(jié)連接。 如圖 2.2ad 所示為中間軸式變速器的傳動(dòng)方案，其中 ab 為中間軸式五擋變 速器，cd 為中間軸式六擋變速器的傳動(dòng)方案。中間軸式變速器的共同特點(diǎn)為：變 速器第一軸后端與常嚙合主動(dòng)齒輪做成一體。絕大多數(shù)方案的第二軸前端經(jīng)軸承支承 在第一軸后端的孔內(nèi)，且保證兩軸軸線在同一直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接后可得到 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)到 90%以上，噪聲低、齒 輪和軸承的磨損減少。因?yàn)橹苯訐醯睦寐室哂谄渌麚跷?，因而提高了變速器的?用壽 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 2.2 中間軸式變速器傳動(dòng)方案 命；在其他前進(jìn)擋位工作時(shí)，變速器傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過設(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 輪可以不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案件中除一擋以外的其他擋位的換擋機(jī)構(gòu)， 均采用同步器或接合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一擋也采用同步器或接合套換擋，各擋同步 器或接合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。 在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)。 以上各方案中，凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的擋位，其換擋形式可以用同步器或嚙合 套來實(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 2.2.3 倒擋布置方案分析 如圖 2.3 所示為常見的倒擋布置方案。圖 2.3b 方案的優(yōu)點(diǎn)是倒擋利用了一擋齒輪， 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 2.3c 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 2.3d 方案對(duì) 2.3c 的缺點(diǎn)做 了修改。圖 2.3e 所示方案是將一、倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)。圖 2.3f 的方 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 案適用 于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，擋換更為輕便。 為了縮短變速器軸向長(zhǎng)度，有的貨車倒擋傳動(dòng)采用圖 2.3g 所示方案；其缺點(diǎn)是 一、倒擋各用一根變速器撥叉軸，使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。 變速器的一擋或倒擋因傳動(dòng)比大，工作時(shí)在齒輪上作用的力也增大，并導(dǎo)致變速 器軸產(chǎn)生較大的撓度和轉(zhuǎn)角，使工作齒輪嚙合狀態(tài)變壞，最終表現(xiàn)出輪齒磨損加快和 工作噪聲增加。為此，無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的一擋與倒擋，都應(yīng) 當(dāng)布置在靠近軸的支撐處，以便改善上述不良情況，然后按照從低擋到高擋的順序布 置各擋齒輪，這樣做既能使軸具有足夠大的剛性，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)槭褂玫箵醯臅r(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，然后再布置倒擋。 為防止意外掛入倒擋，一般在掛倒擋時(shí)設(shè)有一個(gè)掛倒擋時(shí)需克服彈簧所產(chǎn)生的力， 用來提醒駕駛員注意。 圖 2.3 倒擋布置方案 2.2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置的其他問題 常用擋位的齒輪因接觸應(yīng)力過高而易造成表面點(diǎn)蝕損壞。將高擋布置在靠近軸的 兩端支承中部區(qū)域較為合理，在該區(qū)域因軸的變形而引起的齒輪偏轉(zhuǎn)角較小，齒輪可 保持較好的嚙合狀態(tài)，以減少偏載并提高齒輪壽命 7。 某些汽車的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 的超速擋，能夠更充分的利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，使汽車行駛 1Km 所需發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的總 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 轉(zhuǎn)數(shù)減少，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、工作噪聲增加。 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 8。 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)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作噪聲低等優(yōu) 點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)稍有復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力，這對(duì)軸承不利。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)致變速器的質(zhì)量和轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低擋和倒擋。 變速器用齒輪有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。 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)，因變速器內(nèi)各轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪有不同的角度，所以用軸向滑動(dòng)直齒齒輪方 式換擋，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，并伴隨噪聲。這不僅使齒輪端部磨損加劇并過早損 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）才能使換擋時(shí)齒輪無沖擊，并克服上述缺點(diǎn)；但換 擋瞬間駕駛員注意力被分散，又影響行駛安全。除此之外，采用直齒換擋時(shí)，換擋行 程長(zhǎng)也是它的缺點(diǎn)。因此，盡管這種換擋方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、拆裝與維修工作皆容 易，并能減小變速器旋轉(zhuǎn)部分的慣性力矩，但除一擋、倒擋已很少使用。 當(dāng)變速器第二軸上的齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)時(shí)，可以用移動(dòng)嚙合套換 擋。這時(shí)，不僅換擋行程短，同時(shí)因承受換擋沖擊載荷的接合齒數(shù)多，而輪齒又不參 與換擋，所以它們都不會(huì)過早損壞；但因不能消除換擋沖擊，仍然要求駕駛員有熟練 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)部分的總慣性力矩 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)連接件之間的角速度差也小，因此 采用嚙合套換擋，并且與同步器比較還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、能夠減低制造成本及 減小變速器長(zhǎng)度等優(yōu)點(diǎn)。 使用同步器能保證迅速、無沖擊、無噪聲換擋，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(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 然它有結(jié)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。利用 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 同步器換擋，其換擋行程要比滑動(dòng)齒輪換擋行程短。在滑動(dòng)齒輪特別寬的情況下，這 種差別就更為明顯。為了操縱方便發(fā)，要求換入不同擋位的變速桿行程應(yīng)盡可能一樣， 如利用同步器或嚙合套換擋，就很容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。 2.3.3 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu) 圖 2.4 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)措施 自動(dòng)脫擋是變速器的主要故障之一。由于接合齒磨損、變速器剛度不足以及振動(dòng) 等原因，都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)脫擋。為解決這個(gè)問題，除工藝上采取措施以外，目前在結(jié)構(gòu) 上采取措施且行之有效的方案有以下幾種： 1、將兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開，如圖 2.4a 所示。這樣在嚙合時(shí)，使接合齒端部 超過被接合齒的 13mm。使用中兩齒接觸部分受到擠壓同時(shí)磨損，并在接合齒端部 形成凸肩，可用來阻止接合齒自動(dòng)脫擋。 2、將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒厚切?。ㄇ邢?0.30.6mm） ，這樣，換擋后嚙 合套的后端面被后齒圈的前端面頂住，從而阻止自動(dòng)脫擋，如圖 2.4b 所示。 3、將接合齒的工作面設(shè)計(jì)并加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜 2。 3 。 ） ，使 接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫擋的軸向力，如圖 2.4c 所示。這種方案比較有效，應(yīng)用較 多。將接合齒的齒側(cè)設(shè)計(jì)并加工成臺(tái)階形狀，也具有相同的阻止自動(dòng)脫擋的效果。 2.3.4 變速器軸承 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。第二軸后端常采用球軸承，用來承受軸 向力和徑向力。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 9。 2.4 本設(shè)計(jì)所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 在本次設(shè)計(jì)中采用 5+1 擋中間軸式變速器。采用如圖 2.5 所示的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 案。其中齒輪結(jié)構(gòu)形式斜齒圓柱齒輪；換擋機(jī)構(gòu)形式為環(huán)式同步器的方案。 圖 2.5 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 2.5 本章小結(jié) 本章主要依據(jù)變速器幾種常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案，對(duì)兩軸式和中間軸式的變速 器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作了簡(jiǎn)要說明，分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)介紹了幾種常見的倒擋 機(jī)構(gòu)布置方案，并比較了各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。在零部件的選擇部分，對(duì)變速器齒輪、 換擋機(jī)構(gòu)的形式和變速器防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和說明。最后結(jié)合本次設(shè)計(jì) 所依據(jù)車輛的主要技術(shù)參數(shù)，選擇了本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案和零、部件的結(jié)構(gòu)形 式，作為以后各章節(jié)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 第 3 章 變速器主要參數(shù)的選擇和齒數(shù)分配 3.1 變速器各擋傳動(dòng)比的確定 3.1.1 變速器最低擋傳動(dòng)比的確定 在選擇最低擋傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)車輪和地面的附著力、汽 車的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑等來綜合考慮、確定。 汽車爬坡時(shí)車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動(dòng)力用于克服輪胎與路面間的 滾動(dòng)阻力及爬坡阻力 10。故有 maxaxmax01max sincogfgriTTge 則由最大爬坡度要求的變速器 1 擋傳動(dòng)比為 (3.1)Tergifi0maxax)s( 式中： 汽車總質(zhì)量，m=2000 Kg；m 重力加速度， m/s2；g8.9 道路附著系數(shù)， ；f 150f 驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑， =205 mm；r r 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩， =200 NMmaxeTmaxeT 主減速比， =2.4；0i0i 汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率， 。T85.0T 將各數(shù)據(jù)代入式(3.1) 中得 87.285.042205.)7.16sinco15.0(9)simaxax1Tergfi 根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件 201maxGriTTge 可求得變速器一擋傳動(dòng)比為 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 (3.2)TergiGi0max21 式中： 汽車滿載靜止與水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷， Kg；2G 102G 道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取 ；5.6 其他參數(shù)同式(3.1) 。 將各數(shù)據(jù)代入式(3.2) 得 81.385.042.90max21TergiGi 通過以上計(jì)算可得到 2.87 3.81，在本設(shè)計(jì)中，取 。gi 8.31gi 3.1.2 變速器其他各擋傳動(dòng)比的確定 變速器的四擋為直接擋，其傳動(dòng)比為 1.0，中間擋的傳動(dòng)比理論上按公比 (其中 n 為擋位數(shù))的幾何級(jí)數(shù)排列，實(shí)際上與理論值略有出入。11minaxgngiq 將各數(shù)代入式中得 56.1834q 則變速器其他各擋的傳動(dòng)比為 642.05.183.41522312qiigg 3.2 中心距的確定 對(duì)中間軸式變速器，是將中間軸與第二軸之間的距離稱為變速器中心距 ；對(duì)兩A 軸式變速器，將變速器輸入軸與輸出軸軸線之間的距離稱為變速器的中心距 。它是 一個(gè)基本參數(shù)，其大小不僅對(duì)變速器的外形尺寸、體積和質(zhì)量大小有影響，而且對(duì)輪 齒的接觸強(qiáng)度有影響。中心距越小，輪齒的接觸應(yīng)力越大，齒輪壽命越短。因此，最 小允許中心距應(yīng)當(dāng)由保證輪齒有必要的接觸強(qiáng)度來確定。變速器軸經(jīng)軸承安裝在殼體 上，從布置變速器的可能與方便和不因同一垂直面上的兩軸承孔之間的距離過小而影 響殼體的強(qiáng)度考慮，要求中心距取大些。還有，變速器中心取得過小，會(huì)使變速器長(zhǎng) 度增加，并因此使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合狀態(tài)變壞 11。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 中間軸式變速器的中心距 (mm)可根據(jù)對(duì)已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式A 初選，經(jīng)驗(yàn)公式為 (3.3)31maxgeAiTK 式中： 中心距系數(shù)，乘用車： ，商用車： ；AK.986.98KA 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩(Nm) ；maxeT 變速器一擋傳動(dòng)比；1gi 變速器的傳動(dòng)效率，取 96%。 將各數(shù)代入式(3.3) 中得 31max96.082.98iTKAge =89.1793.18mm 故可初選中心距 mm。90 3.3 變速器外形尺寸的初選 變速器的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒擋中間齒輪和換擋機(jī)構(gòu)的布置初 步確定。 影響變速器殼體軸向尺寸的有變速器的擋數(shù)、換擋機(jī)構(gòu)形式以及齒輪形式。實(shí)際 初可根據(jù)中心距離 的尺寸參照下列關(guān)系初選。A 乘用車變速器殼體的軸向尺寸為 。A4.30 商用車變速器的軸向尺寸為： 四擋 ：五擋 ；六擋 7.2A0.3725.32 所以本設(shè)計(jì)變速器的軸向尺寸可初選為 mm，取整690)4.3(4.3 mm。90A 變速器殼體的軸向尺寸最后應(yīng)由變速器總圖的結(jié)構(gòu)尺寸鏈確定。 3.4 變速器齒輪參數(shù)的選擇 3.4.1 模數(shù) 齒輪模數(shù)由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度或最大載荷作用下的靜強(qiáng)度所確定。選擇模數(shù)時(shí) 應(yīng)考慮到當(dāng)增大齒寬而減小模數(shù)時(shí)將降低變速器的噪聲，而為了減小變速器的質(zhì)量， 則應(yīng)增大模數(shù)并減小齒寬和中心距。降低噪聲水平對(duì)乘用車很重要，而對(duì)商用車則更 應(yīng)重視減小其質(zhì)量。 變速器用齒輪模數(shù)的范圍如表 3.1。 所選模數(shù)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T13571987 的規(guī)定，在本設(shè)計(jì)中所有齒輪模數(shù)選 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 擇 2.25。同步器的接合齒和嚙合套多采用漸開線齒形。由于工藝上的考慮，同一變速 器中的結(jié)合齒采用同一模數(shù)。其選取的范圍是：轎車及輕、中型貨車為 23.5；重型 貨車為 3.55。選取較小模數(shù)并增多齒數(shù)有利于換擋。所選模數(shù)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 12。 此處取 2.25mm。 表 3.1 汽車變速器齒輪的法向模數(shù) nm 乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量 V/L 貨車的最大總質(zhì)量 /ta 車 型 1.0V 1.6 1.6V 2.5 6.0 14.0a14.0 模數(shù) /mmnm2.252.75 2.753.00 3.504.50 4.506.00 3.4.2 齒形、壓力角及螺旋角 汽車變速器的齒形、壓力角及螺旋角按表 3.2 選取。 表 3.2 汽車變速器齒輪的齒形、壓力角與螺旋角 項(xiàng)目 車型 齒形 壓力角 螺旋角 轎車 高齒并修形的齒形 ， ， ，5.14165.245 一般貨車 GB1356-78 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形 20186 重型車 GB1356-78 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形 低擋、倒擋齒輪 ，.25小螺旋角 斜齒輪在變速器中得到廣泛應(yīng)用。選取斜齒輪的螺旋角，應(yīng)該注意它對(duì)齒輪工作 噪聲、齒輪的強(qiáng)度和軸向力有影響。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。實(shí)驗(yàn)還證明：隨著螺旋角的增大，齒的強(qiáng)度也相 應(yīng)提高。不過當(dāng)螺旋角大于 時(shí)，其抗彎強(qiáng)度驟然下降，而接觸強(qiáng)度仍繼續(xù)上升。因 此，從提高低擋齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，并不希望用過大的螺旋角，以 1525 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)當(dāng)選用較大的螺旋角。 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)力求使中間軸上 同時(shí)工作的兩對(duì)齒輪產(chǎn)生的軸向力平衡，以減小軸承負(fù)荷，提高軸承壽命。因此，中 間軸上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。 壓力角初選 20 3.4.3 齒寬 齒寬的選擇既要考慮變速器的質(zhì)量小、軸向尺寸緊湊，又要保證輪齒的強(qiáng)度及工 作平穩(wěn)性的要求。通常可以根據(jù)齒輪模數(shù)來選擇齒寬 b。 (3.4)ncmkb 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 式中： 齒寬系數(shù)，直齒輪取 ，斜齒輪取 ；ck 0.74kc6.807kc 法面模數(shù)。nm 3.4.4 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，所以曾采用過齒頂高系數(shù)為 0.750.80 的短齒制齒輪。我國(guó) 規(guī)定，齒頂高系數(shù)取為 1.00。 3.5 變速器各擋齒輪齒數(shù)的分配 在初選了變速器的擋位數(shù)、傳動(dòng)比、中心距、軸向尺寸及齒輪模數(shù)和螺旋角并繪 出變速器的結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖后，即可對(duì)各擋齒輪的齒數(shù)進(jìn)行分配。所設(shè)計(jì)的變速器的傳 動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 3.1 所示。 3.5.1 確定一擋齒輪的齒數(shù) 初選一擋螺旋角 3087 已知一擋傳動(dòng)比 ，且 1gi 8712zig 為了確定 ， 的齒數(shù)，先求齒數(shù)和7z8 直齒輪 (3.5)mA 斜齒輪 (3.6)nz87cos2 由于一擋齒輪為斜齒輪，故可用式(3.6)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)后得 =5296.5130cs9cs87nmAz 計(jì)算后應(yīng)取 為整數(shù)，然后再進(jìn)行大、小齒輪齒數(shù)的分配，中間軸上小齒輪的 最小齒數(shù)，還受中間軸軸徑尺寸的限制，即受剛度的限制。在選定時(shí)，對(duì)軸的尺寸和 齒 輪齒數(shù)要統(tǒng)一考慮。為避免根切、增加強(qiáng)度，一擋小齒輪應(yīng)為變位齒輪。中間軸式變 速器一擋傳動(dòng)比 時(shí)，中間軸上一擋齒輪的齒數(shù)可在 之間選?。?.351ig 17512z 可在 1217 之間選用 13。則可取 52z 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 取一擋小齒輪齒數(shù) 178z357 1- 第一軸常嚙合齒輪；2-中間軸常嚙合齒輪；3-第二軸三擋齒輪；4-中間軸三擋齒輪； 5-第二軸二擋齒輪；6- 中間軸二擋齒輪；7-第二軸一擋齒輪；8-中間軸一擋齒輪；9- 第二軸五擋齒輪；10-中間軸五擋齒輪；11-第二軸倒擋齒輪；12-中間軸倒擋齒輪； 13-倒擋中間齒輪 圖 3.1 變速器傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 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)過取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)取定的 和z z 齒輪變位系數(shù)重新計(jì)算中心距 ，再以修正后的中心距 作為各擋齒輪齒數(shù)分配的AA 依據(jù)，故中心距變?yōu)?mm06.93cos25cos287nmz 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 對(duì)中心距進(jìn)行取整，取中心距 mm。90A 由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對(duì)一擋齒輪進(jìn)行變位。中心距變動(dòng)系數(shù)為 02.my 嚙合角為 93.cos6.9coss A120 查變位系數(shù)線圖得 變位系數(shù)之和為 x 而齒輪齒數(shù)比為 06.21735u 故可以分配變位系數(shù)得 ， 。.07x8x 根據(jù)所確定的齒數(shù)，一擋齒輪精確的螺旋角的值為 93.290251arcos8787 Amzn 3.5.3 確定常嚙合齒輪的齒數(shù) 由式 得8712zig7812zig 因常嚙合齒輪副與 1 擋齒輪副以及其它各擋齒輪副的中心距相同，故由式(3.5)可 得 nmAz2121cos 63.532cos90cos2746.58.321172ngzi 聯(lián)立求解并將 、 取整數(shù)后得2 ，01z62z71.35872ig 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 1gi 故齒輪齒數(shù)不需調(diào)整。 mm6.902cos35cos221nmzA 由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對(duì)常嚙合齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng) 系數(shù)為 2.0mAy 嚙合角為 93.cos6.9csos 021 查變位系數(shù)線圖得 變位系數(shù)之和為 3.x 而齒輪齒數(shù)比為 52.1u 故可以分配變位系數(shù)得 ， 。3.01x0 x 根據(jù)所確定的齒數(shù)，常嚙合齒輪精確的螺旋角的值為 04.21926arcos1Amzn 3.5.4 確定其他各擋齒輪的齒數(shù) 1、確定二擋齒輪的齒數(shù) 二擋齒輪為斜齒輪，則有 35.16204.2165 zig 8.4cos9cos655nmAz 聯(lián)立求解，并對(duì)齒數(shù)取整后得 ，325z6z 由平衡中間軸上兩工作齒輪的軸向力的要求出發(fā)，要平衡軸向力 6521652tanzz 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 中心距為 mm3.9024cos3cos265nmzA 由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對(duì)二擋齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng)系 數(shù)為 1.039.nmy 嚙合角為 936.2cos.90csos A 5 齒輪總變位系數(shù)為 19.020tan5.34,65ivizx 齒輪齒數(shù)比為 6.u 變位系數(shù)可分配為 ， 。2.5x56x 2、確定三擋齒輪的齒數(shù) 三擋齒輪為斜齒輪，當(dāng)其螺旋角與常嚙合齒輪不同時(shí)，則有 2134zignmAz433cos 由平衡中間軸上兩工作齒輪的軸向力的要求出發(fā)，要平衡軸向力，要求滿足下式 4321432tanzz 求解上述三式，取整得 ， ， 。6z00.35643123zig3gi 故齒輪齒數(shù)不需調(diào)整。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 mm62.894.0cos2356cos243nmzA 由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對(duì)三擋齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng)系 數(shù)為 126.0mAy 嚙合角為 936.0cos.89coss 6520 查變位系數(shù)線圖得 變位系數(shù)之和為 .x 而齒輪齒數(shù)比為 154.2630u 故可以分配變位系數(shù)得 ， 。.3x74x 3、確定五擋齒輪的齒數(shù) 五擋齒輪為斜齒輪，當(dāng)其螺旋角與常嚙合齒輪不同時(shí)，則有 215109zizgnmA1099cos 由平衡中間軸上兩工作齒輪的軸向力的要求出發(fā)，要平衡軸向力，要求滿足下式 10921092tanzz 求解上述三式，取整得 ， ， 。4z3493.610925zig5gi 故齒輪齒數(shù)不需調(diào)整。 mm2.894cos23cos2109nmzA 由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對(duì)五擋齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng)系 數(shù)為 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 258.0mAy 嚙合角為 932.0cos9coss 3.21 查變位系數(shù)線圖得 變位系數(shù)之和為 .0 x 而齒輪齒數(shù)比為 79.2143u 故可以分配變位系數(shù)得 ， 。5.09x0 x 4、倒擋齒輪的設(shè)計(jì)和齒數(shù)確定 通常 1 擋與倒擋齒輪選用同一模數(shù)，故倒擋齒輪的模數(shù)可以取為 2.25。取倒擋中 間齒輪 13 的齒數(shù)取 。中間軸倒擋齒輪的齒數(shù)取為 ，倒擋時(shí)的傳動(dòng)比31z 182z 為 。5.3Ri 5.31231ziR 第二軸倒擋齒輪的齒數(shù)為 41.4，取 41。 倒擋軸與中間軸的中心距為 mm6023182132 nmzA 倒擋軸與第二軸的中心距為 mm5.84513n 3.6 本章小結(jié) 本章主要任務(wù)是對(duì)齒輪齒數(shù)進(jìn)行分配、確定中心距。在確定完傳動(dòng)方案后，開始 進(jìn)行齒輪各參數(shù)的選擇以及齒輪齒形和齒數(shù)的計(jì)算，為后續(xù)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 第 4 章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 變速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算 汽車變速器均為漸開線齒輪。漸開線齒輪除了能滿足傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比恒定不變 等基本要求外，還有互換性好、中心距具有可分性及切齒刀具制造容易等優(yōu)點(diǎn)。漸開 線齒輪的正確嚙合條件是：兩齒輪的模數(shù)、分度圓壓力角必須分別相等，兩斜齒輪的 螺旋角必須相等而方向相反。根據(jù)以上計(jì)算所得到的變速器齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、齒頂 高系數(shù)、齒寬系數(shù)等條件，可計(jì)算得出變速器齒輪的幾何尺寸如表 4.1 所示。 表 4.1變速器齒輪的主要幾何尺寸 (mm) 項(xiàng)目 齒輪 齒數(shù) 螺旋角 （ ） 端面模數(shù)（ ）tm 端面壓 力角 （ ） 分度圓 直徑 齒頂圓 直徑 齒根圓 直徑 齒寬1z 20 21.04 2.427 21.02 64.29 70.29 58.29 202 36 21.04 2.427 21.02 115.71 121.71 109.71 203 26 20.7 2.33 20.7 83.38 89.38 77.38 224z 30 20.7 2.33 20.7 96.21 102.21 90.21 225 32 24 2.462 20.5 105.09 111.09 99.09 206 23 24 2.462 20.5 75.53 81.53 60.53 207z 37 29.93 2.747 20.1 128.08 134.08 122.08 208 17 29.93 2.747 20.1 58.85 114.85 52.85 209 14 27 2.463 21.3 47.14 53.14 41.14 2010z 39 27 2.463 21.3 131.31 137.31 125.31 20 38 30 2.747 20.1 131.64 137.64 125.64 2012 18 30 2.747 20.1 62.35 68.35 56.35 203z 33 30 2.747 20.1 114.32 120.32 108.32 20 4.2 計(jì)算變速器各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速 已知發(fā)動(dòng)機(jī)的最的轉(zhuǎn)矩為 200Nm，轉(zhuǎn)速為 16001800r/min；離合器的傳動(dòng)效率 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 為 0.99，齒輪傳動(dòng)效率為 0.99，軸承的傳動(dòng)效率為 0.96。通過計(jì)算可得到各軸的轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速。 一軸 Nm4.2579.06max1 離eT r/min1n 中間軸 Nm34.02/369.04.257112 i齒承 r/min836/02in 二軸 （1）掛 1 擋時(shí) Nm85.9107/39.04.8723 iT齒承 r/min183/19.87in （2）掛 2 擋時(shí) Nm26.583/9.064.6523i齒承 r/min832/9.65in （3）掛 3 擋時(shí) Nm7.3620/9.604.4323 iT齒承 r/min125/89.43in （4）掛 4 擋時(shí) Nm.573 r/min160n （5）掛 5 擋時(shí) Nm23.1509/4.09634.10923 iT齒承 r/min127/8.109in 4.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算和材料選擇 4.3.1 齒輪損壞的原因和形式 齒輪在嚙合過程中，輪齒根部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，過渡轉(zhuǎn)角處又有應(yīng)力集中，故當(dāng)齒 輪受到足夠大的載荷作用，其根部的彎曲應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時(shí)，輪齒就會(huì)斷裂。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 這種由于強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生的斷裂，其斷面為一次性斷裂所呈現(xiàn)的粗狀顆粒面。在汽車 變速器中這種情況很少發(fā)生。而最常見的斷裂則是由于在重復(fù)載荷作用下使齒根受拉 面的最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)疲勞裂縫而逐漸擴(kuò)展到一定深度后所產(chǎn)生的折斷，其疲勞斷面在 疲勞裂縫部分呈光滑表面，而突然斷裂部分呈粗粒狀表面 14。變速器低擋小齒輪由 于載荷大而齒數(shù)少、齒根較弱，其主要破壞形式就是這種彎曲疲勞斷裂。 齒面點(diǎn)蝕是常用的高擋齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的形式。齒面長(zhǎng)期在脈動(dòng)的接觸應(yīng) 力作用下，會(huì)逐漸產(chǎn)生大量與齒面成尖角的小裂縫。嚙合時(shí)由于齒面的相互擠壓，使 充滿了潤(rùn)滑油的裂縫處油壓增高，導(dǎo)致裂縫的擴(kuò)展，最后產(chǎn)生剝落，使齒面上產(chǎn)生大 量的扇形小麻點(diǎn)，即是所謂點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕使齒形誤差加大而產(chǎn)生動(dòng)載荷，甚至可能引起 輪齒折斷。通常是靠近節(jié)圓根部齒面處的點(diǎn)蝕較靠近節(jié)圓頂部齒面出的點(diǎn)蝕嚴(yán)重；主 動(dòng)小齒輪較被動(dòng)大齒輪嚴(yán)重。 對(duì)于高速重載齒輪，由于齒面相對(duì)滑動(dòng)速度高、接觸壓力大且接觸區(qū)產(chǎn)生高溫而 使齒面間的潤(rùn)滑油膜破壞，使齒面直接接觸。在局部高溫、高壓下齒面互相熔焊粘連， 齒面沿滑動(dòng)方向形成撕傷痕跡的損壞形式成為齒面膠合。在一般汽車變速器中，產(chǎn)生 膠合損壞的情況較少。 增大輪齒根部齒厚，加大齒根圓角半徑，采用高齒，提高重合度，增多同時(shí)嚙合 的輪齒對(duì)數(shù)，提高輪齒柔度，采用優(yōu)質(zhì)材料等，都是提高輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度的措施。 合理選擇齒輪參數(shù)及變位系數(shù)，增大齒廓曲率半徑，降低接觸應(yīng)力，提高齒面強(qiáng)度等， 可提高齒面的接觸強(qiáng)度。采用黏度大、耐高溫、耐高壓的潤(rùn)滑油，提高油膜強(qiáng)度，提 高齒面強(qiáng)度，選擇適當(dāng)?shù)凝X面表面處理方法和鍍層等，是防止齒面膠合的措施。 4.3.2 齒輪的材料選擇 1、齒輪材料的選擇原則 (1)滿足