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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
現(xiàn)在，每當(dāng)人們觀看F1大賽，總會(huì)被那種極速的感覺(jué)所折服。此刻，大家似乎談?wù)摰米疃嗟木褪前l(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及車手的駕駛技術(shù)。而且，不忘在自己駕車的時(shí)候體會(huì)一下極速感覺(jué)或是在買車的時(shí)候關(guān)注一下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，這似乎成為了橫量汽車品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。的確，擁有一顆“健康的心”是非常重要的，因?yàn)樗莿?dòng)力的締造者。但是，掌控速度快慢的，卻是它身后的變速器。
從現(xiàn)在市場(chǎng)上不同車型所配置的變速器來(lái)看，主要分為：手動(dòng)變速器（MT）、自動(dòng)變速器（AT）、手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT）、無(wú)級(jí)變速器（CVT）。
本次設(shè)計(jì)的課題為三軸六檔手動(dòng)變速器設(shè)計(jì)，該課題來(lái)源于結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際。
本次課題研究的主要內(nèi)容是：
1.進(jìn)行變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（不包括同步器），完成標(biāo)準(zhǔn)件的選型。
2.完成強(qiáng)度計(jì)算。
3.對(duì)軸、齒輪等主要零件進(jìn)行制造工藝分析。
4.對(duì)變速器裝配工藝進(jìn)行分析，包括裝配順序、軸承游隙調(diào)整、潤(rùn)滑等
關(guān)于變速器的設(shè)計(jì)，首先要確定變速器的各檔位的傳動(dòng)比和中心距，然后計(jì)算出齒輪參數(shù)以選擇合適的齒輪并且對(duì)其進(jìn)行校核，接著是初選變速器軸與軸承并且完成對(duì)軸和軸承的校核，最終完成了變速器的零件圖和裝配圖的繪制。
本課題所設(shè)計(jì)出的變速器可以解決如下問(wèn)題：
a.正確選擇變速器的檔位數(shù)和傳動(dòng)比，使之與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)匹配，以保證汽車具有良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性；
b.設(shè)置空檔以保證汽車在必要時(shí)能將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系長(zhǎng)時(shí)間分離；設(shè)置倒檔使汽車可以倒退行駛；
c.操縱簡(jiǎn)單、方便、迅速、省力；
d.傳動(dòng)效率高，工作平穩(wěn)、無(wú)噪聲；
e.體小、質(zhì)輕、承載能力強(qiáng)，工作可靠；
f.制造容易、成本低廉、維修方便、使用壽命長(zhǎng)；
g.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。
本設(shè)計(jì)是根據(jù)流行1.8L大眾途觀車型而開(kāi)展的，設(shè)計(jì)中所采用的相關(guān)參數(shù)均來(lái)源于此種車型：
主減速比：4.782
最高時(shí)速：190km/h
輪胎型號(hào)：215/65R16
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：1.8TSIEA888
最大扭矩：250Nm
最大功率：118kw
扭矩轉(zhuǎn)速：4200r/min
第2 章機(jī)械式變速器的概述及其方案的確定
2.1 變速器的功用和要求
變速器的功用是根據(jù)汽車在不同的行駛條件下提出的要求，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，使汽車具有適合的牽引力和速度，并同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。為保證汽車倒車以及使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系能夠分離，變速器具有倒檔和空檔。在有動(dòng)力輸出需要時(shí)，還應(yīng)有功率輸出裝置。
對(duì)變速器的主要要求是：
1. 應(yīng)保證汽車具有高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在汽車整體設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)汽車載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及汽車使用要求，選擇合理的變速器檔數(shù)及傳動(dòng)比，來(lái)滿足這一要求。
2. 工作可靠，操縱輕便。汽車在行駛過(guò)程中，變速器內(nèi)不應(yīng)有自動(dòng)跳檔、亂檔、換檔沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生。為減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行駛安全性，操縱輕便的要求日益顯得重要，這可通過(guò)采用同步器和預(yù)選氣動(dòng)換檔或自動(dòng)、半自動(dòng)換檔來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3. 重量輕、體積小。影響這一指標(biāo)的主要參數(shù)是變速器的中心距。選用優(yōu)質(zhì)鋼材，采用合理的熱處理，設(shè)計(jì)合適的齒形，提高齒輪精度以及選用圓錐滾柱軸承可以減小中心距。
4. 傳動(dòng)效率高。為減小齒輪的嚙合損失，應(yīng)有直接檔。提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油都可以提高傳動(dòng)效率。
5. 噪聲小。采用斜齒輪傳動(dòng)及選擇合理的變位系數(shù)，提高制造精度和安裝剛性可減小齒輪的噪聲。
2.2 變速器結(jié)構(gòu)方案的確定
2.2.1變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與型式選擇
有級(jí)變速器與無(wú)級(jí)變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造低廉，具有高的傳動(dòng)效率（η=0.96~0.98），因此在各類汽車上均得到廣泛的應(yīng)用。
設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)根據(jù)汽車的使用條件及要求確定變速器的傳動(dòng)比范圍、檔位數(shù)及各檔的傳動(dòng)比，因?yàn)樗鼈儗?duì)汽車的動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性都有重要的直接影響。
傳動(dòng)比范圍是變速器低檔傳動(dòng)比與高檔傳動(dòng)比的比值。汽車行駛的道路以上的客車為5.0~8.0；越野車為10.0~20.0。
通常，有級(jí)變速器具有3、4、5個(gè)前進(jìn)檔；重型載貨汽車和重型越野汽車則采用多檔變速器，其前進(jìn)檔位數(shù)多達(dá)6~16個(gè)甚至20個(gè)。
變速器檔位數(shù)的增多可提高發(fā)動(dòng)機(jī)狀況愈多樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與汽車質(zhì)量之比愈小，則變速器的傳動(dòng)比范圍應(yīng)愈大。目前，轎車變速器的傳動(dòng)比范圍為3.0~4.5；一般用途的貨車和輕型的功率利用效率、汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性及平均車速，從而可提高汽車的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。但采用手動(dòng)的機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)迅速、無(wú)聲換檔，對(duì)于多于5個(gè)前進(jìn)檔的變速器來(lái)說(shuō)是困難的。因此，直接操縱式變速器檔位數(shù)的上限為5檔。多于5個(gè)前進(jìn)檔將使操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜化，或者需要加裝具有獨(dú)立操縱機(jī)構(gòu)的副變速器，后者僅用于一定行駛工況。
某些轎車和貨車的變速器，采用僅在好路和空載行駛時(shí)才使用的超速檔。采用傳動(dòng)比小于1（0.7~0.8）的超速檔，可以更充分地利用發(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的直接檔比較，采用超速檔會(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。
三軸式和兩軸式變速器得到的最廣泛的應(yīng)用。
三軸式變速器如圖2-1所示，其第一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各檔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(lái)傳遞扭矩則稱為直接檔。此時(shí)，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、第二軸也傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接檔的傳遞效率高，磨損及噪音也最小，這是三軸式變速器的主要優(yōu)點(diǎn)。其他前進(jìn)檔需依次經(jīng)過(guò)兩對(duì)齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。因此。在齒輪中心距（影響變速器尺寸的重要參數(shù)）較小的情況下仍然可以獲得大的一檔傳動(dòng)比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：處直接檔外其他各檔的傳動(dòng)效率有所下降。
兩軸式變速器如圖2-2所示。與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且除最到檔外其他各檔的傳動(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)量降低6%~10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如圖所示，兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則可用圓柱齒輪，從而簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了成本。除倒檔常用滑動(dòng)齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他檔均采用常嚙合斜齒輪傳動(dòng)；個(gè)檔的同步器多裝在第二軸上，這是因?yàn)橐粰n的主動(dòng)齒輪尺寸小，裝同步器有困難；而高檔
的同步器也可以裝在第一
圖2-1 轎車中間軸式四檔變速器
1— 第一軸；2—第二軸；3—中間軸
軸的后端，如圖示。兩軸式變速器沒(méi)有直接檔，因此在高檔工作時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。另外，低檔傳動(dòng)比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到較大限制,但這一缺點(diǎn)可通過(guò)減小各檔傳動(dòng)比同時(shí)增大主減速比來(lái)取消。
有級(jí)變速器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是增多常嚙合齒輪副的數(shù)目，從而可采用斜齒輪。后者比直齒輪有更長(zhǎng)的壽命、更低的噪聲，雖然其制造稍復(fù)雜些且在工作中有軸向力。因此，在變速器中，除低檔及倒檔外，直齒圓柱齒輪已經(jīng)被斜齒圓柱齒輪所代替。但是在本設(shè)計(jì)中，由于倒檔齒輪采用的是常嚙式，因此也采用斜齒輪。
由于所設(shè)計(jì)的汽車是發(fā)動(dòng)機(jī)前置，后輪驅(qū)動(dòng)，因此采用中間軸式變速器。圖2-3、圖2-4、圖2-5分別示出了幾種中間軸式四，五，六檔變速器傳動(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檔。
由于所設(shè)計(jì)的汽車是發(fā)動(dòng)機(jī)前置，后輪驅(qū)動(dòng)，因此采用中間軸式變速器。圖2-3、圖2-4、圖2-5分別示出了幾種中間軸式四，五，六檔變速器傳動(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檔。使用直接檔，變速器的齒輪和軸承及中間軸均
圖2-2 兩軸式變速器
1—第一軸；2—第二軸；3—同步器
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)橹苯訖n的利用率高于其它檔位，因而提高了變速器的使用壽命；在其它前進(jìn)檔位工作時(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，一檔仍然有較大的傳動(dòng)比；檔位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，檔位低的齒輪（一檔）可以采用或不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一檔以外的其他檔位的換檔機(jī)構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換檔，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一檔也采用同步器或嚙合套換檔，還有各檔同步器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。再除直接檔以外的其他檔位工作時(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)。在檔數(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)，換檔方式和到檔傳動(dòng)方案上有差別。
如圖2-3中的中間軸式四檔變速器傳動(dòng)方案示例的區(qū)別：圖2-3a、b所示方案有四對(duì)常嚙合齒輪，倒檔用直齒滑動(dòng)齒輪換檔；圖2-3c所示傳動(dòng)方案的二，三，四檔用常嚙合齒輪傳動(dòng)，而一檔和倒檔用直齒滑動(dòng)齒輪換檔。
圖2-4a所示方案，除倒檔用直齒滑動(dòng)齒輪換檔外，其余各檔為常嚙合齒輪傳動(dòng)。圖2-4b、c、d所示方案的各前進(jìn)檔，均用常嚙合齒輪傳動(dòng)；圖2-4d
圖2-3 中間軸式四檔變速器傳動(dòng)方案
所示方案中的倒檔和超速檔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檔的條件下，很容易形成一個(gè)只有四個(gè)前進(jìn)檔的變速器。
圖2-4 中間軸式五檔變速器傳動(dòng)方案
圖2-5a 所示方案中的一檔、倒檔和圖b所示方案中的倒檔用直齒滑動(dòng)
齒輪換檔，其余各檔均用常嚙合齒輪。
以上各種方案中，凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的檔位，其換檔方式可以用同步器或嚙合套來(lái)實(shí)現(xiàn)。同一變速器中，有的檔位用同步器換檔，有的檔位用嚙合套換檔，那么一定是檔位高的用同步器換檔，檔位低的用嚙合套換檔。
發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的轎車采用中間軸式變速器，為縮短傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，
可將變速器后端加長(zhǎng)，如圖2-3a、b所示。伸長(zhǎng)后的第二軸有時(shí)裝在三個(gè)支
圖2-5 中間軸式六檔變速器傳動(dòng)方案
承上，其最后一個(gè)支承位于加長(zhǎng)的附加殼體上。如果在附加殼體內(nèi)，布置倒檔傳動(dòng)齒輪和換檔機(jī)構(gòu)，還能減少變速器主體部分的外形尺寸。
變速器用圖2-4c所示的多支承結(jié)構(gòu)方案，能提高軸的剛度。這時(shí)，如用在軸平面上可分開(kāi)的殼體，就能較好地解決軸和齒輪等零部件裝配困難的問(wèn)題。圖2-4c所示方案的高檔從動(dòng)齒輪處于懸臂狀態(tài)，同時(shí)一檔和倒檔齒輪布置在變速器殼體的中間跨距里，而中間檔的同步器布置在中間軸上是這個(gè)方案的特點(diǎn)。
2.2.2.倒檔傳動(dòng)方案
圖2-5為常見(jiàn)的倒擋布置方案。圖2-5b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2-6c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2-6d所示方案針對(duì)前者的缺點(diǎn)做了修改，因而取代了圖2-6c所示方案。圖2-6e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2-6f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2-6g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。
本設(shè)計(jì)采用圖2-6f所示的傳動(dòng)方案。
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，然后按照從低檔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)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。
圖2-6 變速器倒檔傳動(dòng)方案
2.3 變速器主要零件結(jié)構(gòu)的方案分析
變速器的設(shè)計(jì)方案必需滿足使用性能、制造條件、維護(hù)方便及三化等要求。在確定變速器結(jié)構(gòu)方案時(shí)，也要考慮齒輪型式、換檔結(jié)構(gòu)型式、軸承型式、潤(rùn)滑和密封等因素。
2.3.1齒輪型式
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。但是，在本設(shè)計(jì)中由于倒檔采用的是常嚙合方案，因此倒檔也采用斜齒輪傳動(dòng)方案，即除一檔外，均采用斜齒輪傳動(dòng)。
2.3.2換檔結(jié)構(gòu)型式
換檔結(jié)構(gòu)分為直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器三種。
直齒滑動(dòng)齒輪換檔的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但由于換檔不輕便、換檔時(shí)齒端面受到很大沖擊、導(dǎo)致齒輪早期損壞、滑動(dòng)花鍵磨損后易造成脫檔、噪聲大等原因，除一檔、倒檔外很少采用。
嚙合套換檔型式一般是配合斜齒輪傳動(dòng)使用的。由于齒輪常嚙合，因而減少了噪聲和動(dòng)載荷，提高了齒輪的強(qiáng)度和壽命。嚙合套有分為內(nèi)齒嚙合套和外齒嚙合套，視結(jié)構(gòu)布置而選定，若齒輪副內(nèi)空間允許，采用內(nèi)齒結(jié)合式，以減小軸向尺寸。結(jié)合套換檔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但還不能完全消除換檔沖擊，目前在要求不高的檔位上常被使用。
采用同步器換檔可保證齒輪在換檔時(shí)不受沖擊，使齒輪強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，同時(shí)操縱輕便，縮短了換檔時(shí)間，從而提高了汽車的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性，此外，該種型式還有利于實(shí)現(xiàn)操縱自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，軸向尺寸有所增加，銅質(zhì)同步環(huán)的使用壽命較短。目前，同步器廣泛應(yīng)用于各式變速器中。
自動(dòng)脫檔是變速器的主要障礙之一。為解決這個(gè)問(wèn)題，除工藝上采取措施外，在結(jié)構(gòu)上，目前比較有效的方案有以下幾種：
1） 將嚙合套做得長(zhǎng)一些（如圖2-7a）
或者兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開(kāi)（圖2-7b），這樣在嚙合時(shí)使接合齒端部超過(guò)被接合齒約1~3mm。使用中因接觸部分?jǐn)D壓和磨損，因而在接合齒端部形成凸肩，以阻止自動(dòng)脫檔。
2）將嚙合套齒座上前齒圈的齒厚切薄（0.3~0.6mm），這樣，換檔后嚙合套的后端面便被后齒圈的前端面頂住，從而減少自動(dòng)脫檔（圖2-8）。
圖2-8 防止自動(dòng)脫檔的結(jié)構(gòu)措施Ⅱ
3）將接合齒的工作面加工成斜齒面，形成倒錐角（一般傾斜20~30），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫檔的軸向力(圖2-9）。這種結(jié)構(gòu)方案比較有效,采用較多。
圖2-7 防止自動(dòng)脫檔的結(jié)構(gòu)措施Ⅰ
a
b
圖2-9 防止自動(dòng)脫檔的結(jié)構(gòu)措施Ⅲ
在本設(shè)計(jì)中所采用的是鎖環(huán)式同步器，該同步器是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步的。但它可以從結(jié)構(gòu)上保證結(jié)合套與待嚙合的花鍵齒圈在達(dá)到同步之前不可能接觸，以免齒間沖擊和發(fā)生噪聲。同步器的結(jié)構(gòu)如圖2-10所示：
圖2-10 鎖環(huán)式同步器
l、4-同步環(huán);2-同步器齒鼓;3-接合套;5-彈簧;6—滑塊;7-止動(dòng)球;8-卡環(huán);9—輸出軸;10、11-齒輪
第3章 變速器主要參數(shù)的選擇與主要零件的設(shè)計(jì)
3.1 變速器主要參數(shù)的選
3.1.1 檔數(shù)和傳動(dòng)比
不同類型汽車的變速器，其檔位數(shù)也不盡相同。轎車變速器傳動(dòng)比變化范圍較?。s為3～4），過(guò)去常用3個(gè)或4個(gè)前進(jìn)檔，但近年來(lái)為了提高其動(dòng)力性尤其是燃料經(jīng)濟(jì)性，多已采用5個(gè)前進(jìn)檔。輕型貨車變速器的傳動(dòng)比變化范圍約為5～6，其他貨車為7以上，其中總質(zhì)量在3.5t以下者多用四檔變速器，為了降低油耗亦趨向于增加1個(gè)超速檔；總質(zhì)量為3.5～l0t多用五檔變速器；大于l0t的多用6個(gè)前進(jìn)檔或更多的檔位。
選擇最低檔傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著力、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(lái)綜合考慮、確定。
a.根據(jù)汽車最大爬坡度確定
汽車爬陡坡時(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。故有：
（3-1) 則由最大爬坡度要求的變速器Ⅰ檔傳動(dòng)比為：
（3-2）
式中 ——汽車總質(zhì)量；
——重力加速度；
——道路阻力系數(shù)；
Ψmax——道路最大阻力系數(shù)；
——最大爬坡要求；
——驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；
——主減速比；
——汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率。
主減速比i0的確定：
(3-3)
式中 rr——車輪的滾動(dòng)半徑，m；
np——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；
igh——變速器最高檔傳動(dòng)比；
vamax——最高車速，km/h。
本課題變速器igh=1，一般貨車的最大爬坡度約為60%，即=31°，f=0.02
由公式（3-3）得：
由公式（3-2）得：
Ψmax=0.02cos31°+sin31°=0.532
b.根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件確定
變速器Ⅰ檔傳動(dòng)比為：
（3-4）
式中 ——汽車滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷；
——道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取=0.6～0.8。
因?yàn)樨涇?×2后輪單胎滿載時(shí)后軸的軸荷分配范圍為60%～68%所以
G2=2675×10×68％=18190N
由公式（3-3）和公式（3-4）得：
綜合a和b條件得：
3.99≤ig1≤4.08，取ig1=（3.99+4.08）/2≈4.04
變速器的1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)用超速檔。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。
因?yàn)椋詉g5=q=1.32， ig4= ig5×q=1.75，ig3= ig4
×q=3.389，ig2= ig3×q=3.04，
實(shí)際上與理論值略有出入，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。
在變速器結(jié)構(gòu)方案、檔位數(shù)和傳動(dòng)比確定后，即可進(jìn)行其他基本參數(shù)的選擇與計(jì)算。
3.1.2 中心距
中心距對(duì)變速器的尺寸及質(zhì)量有直接影響，所選的中心距應(yīng)能保證齒輪的強(qiáng)度。三軸式變速器的中心距A（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)公式初選：
（3-5）
式中 ——中心距系數(shù)。對(duì)轎車取8.9～9.3；對(duì)貨車取8.6～9.6；對(duì)多檔主變速器，取9.5～11；
——變速器處于Ⅰ檔時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，； （3-6）
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N?m；
——變速器的Ⅰ檔傳動(dòng)比；
——變速器的傳動(dòng)效率，取0.96。
由公式（3-6）得：
=250×4.04×0.96=969.6N·m
由公式（3-5）得:
初選中心距也可以由發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩按下式直接求出：
（3-7）
式中 ——按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩直接求中心距時(shí)的中心距系數(shù)，對(duì)轎車取14.5～16.0，對(duì)貨車取17.0～19.5。
由公式（3-7）得:
mm
商用車變速器的中心距約在65～170mm范圍內(nèi)變化,初選A=92mm
3.1.3 軸向尺寸
變速器的橫向外形尺寸，可根據(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。
六檔變速器殼體的軸向尺寸3.0~3.4A。貨車變速器殼體的軸向尺寸與檔數(shù)有關(guān)：
四檔(2.2~2.7)A
五檔(2.7~3.0)A
六檔(3.2~3.5)A
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)KA應(yīng)取給出系數(shù)的上限。為檢測(cè)方便，A取整。
本次設(shè)計(jì)采用6+1手動(dòng)擋變速器，變速器殼體的最終軸向尺寸應(yīng)由變速器總圖的結(jié)構(gòu)尺寸鏈確定?！?
3.1.4 齒輪參數(shù)
（1）齒輪模數(shù)
建議用下列各式選取齒輪模數(shù)，所選取的模數(shù)大小應(yīng)符合JB111-60規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。
第一軸常嚙合斜齒輪的法向模數(shù)mn
（3-5）
其中=250Nm，可得出mn=2.96。
一檔直齒輪的模數(shù)m
mm （3-6）
通過(guò)計(jì)算m=3.27。
同步器和嚙合套的接合大都采用漸開(kāi)線齒形。由于制造工藝上的原因，同一變速器中的結(jié)合套模數(shù)都是相同，轎車和重輕型貨車取2~3.5。本設(shè)計(jì)3.5。
（2）齒形、壓力角α、螺旋角β和齒寬b
汽車變速器齒輪的齒形、壓力角、及螺旋角按表3-1選取。
表3-1 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α
螺旋角β
轎車
高齒并修形的齒形
14.5°，15°，16°16.5°
25~45°
一般貨車
GB156-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形
20°
20~30°
重型車
同上
低、倒檔齒輪22.5°25°
小螺旋角
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)轎車，為加大重合度已降低噪聲，取小些；對(duì)貨車，為提高齒輪承載力，取大些。在本設(shè)計(jì)中變速器齒輪壓力角α取20°,嚙合套或同步器取30°；斜齒輪螺旋角β取30°。
應(yīng)該注意的是選擇斜齒輪的螺旋角時(shí)應(yīng)力求使中間軸上是軸向力相互抵消。為此，中間軸上的全部齒輪一律去右旋，而第一軸和第二軸上的的斜齒輪去左旋，其軸向力經(jīng)軸承蓋由殼體承受。
齒輪寬度b的大小直接影響著齒輪的承載能力，b加大，齒的承載能力增高。但試驗(yàn)表明，在齒寬增大到一定數(shù)值后，由于載荷分配不均勻，反而使齒輪的承載能力降低。所以，在保證齒輪的強(qiáng)度條件下，盡量選取較小的齒寬，以有利于減輕變速器的重量和縮短其軸向尺寸。
通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來(lái)選定齒寬：
直齒 b=(4.5~8.0)m，mm
斜齒 b=(6.0~8.5)m，mm
第一軸常嚙合齒輪副齒寬的系數(shù)值可取大一些，使接觸線長(zhǎng)度增加，接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性和齒輪壽命。
3.2 各檔傳動(dòng)比及其齒輪齒數(shù)的確定
在初選了中心距、齒輪的模數(shù)和螺旋角后，可根據(jù)預(yù)先確定的變速器檔數(shù)、傳動(dòng)比和結(jié)構(gòu)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。下面結(jié)合本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明分配各檔齒數(shù)的方法。
3.2.1確定一檔齒輪的齒數(shù)
為了確定Z11和Z12的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和:
其中 A =92mm、m =3.5；故有。
當(dāng)三軸式的變速器時(shí)，則，此處取=19，則可得出=34。
上面根據(jù)初選的A及m計(jì)算出的可能不是整數(shù)，將其調(diào)整為整數(shù)后，從公式看出中心距有了變化，這時(shí)應(yīng)從及齒輪變位系數(shù)反過(guò)來(lái)計(jì)算中心距A，再以這個(gè)修正后的中心距作為以后計(jì)算的依據(jù)。
這里修正為53，則根據(jù)公式反推出A=92.75mm。
3.2.2確定常嚙合齒輪副的齒數(shù)
由公式求出常嚙合齒輪的傳動(dòng)比
由已經(jīng)得出的數(shù)據(jù)可確定
而常嚙合齒輪的中心距與
一檔齒輪的中心距相等
由此可得：
而根據(jù)已求得的數(shù)據(jù)可計(jì)算出： 。
聯(lián)立可得：=17、=38。
則根據(jù)公式可計(jì)算出一檔實(shí)際傳動(dòng)比為： 。
3.2.3確定其他檔位的齒數(shù)
二檔傳動(dòng)比
而
對(duì)于斜齒輪，
故有：
聯(lián)立得：。
按同樣的方法可分別計(jì)算出：三檔齒輪 ；四檔齒輪
。五檔齒輪：
綜上所述各檔實(shí)際傳動(dòng)比為
3.2.4確定倒檔齒輪的齒數(shù)
一般情況下，倒檔傳動(dòng)比與一檔傳動(dòng)比較為接近，在本設(shè)計(jì)中倒檔傳動(dòng)比取3.7。中間軸上倒檔傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)比一檔主動(dòng)齒輪10略小，取。
而通常情況下，倒檔軸齒輪取21~23，此處取=23。
由
可計(jì)算出。
故可得出中間軸與倒檔軸的中心距A′=
=66.15mm
而倒檔軸與第二軸的中心:
=74mm
3.3 齒輪變位系數(shù)的選擇
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)于低檔齒輪，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。
根據(jù)上述理由，為降低噪聲，變速器中除去一、二檔和倒檔以外的其他各檔齒輪的總變位系數(shù)要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。其中，一
檔主動(dòng)齒輪10的齒數(shù)Z10〈17，因此一檔齒輪需要變位。變位系數(shù)
(3-7)
式中 Z為要變位的齒輪齒數(shù)。
第4章 變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與材料的選擇
4.1 齒輪的損壞原因及形式
齒輪的損壞形式分三種：輪齒折斷、齒面疲勞剝落和移動(dòng)換檔齒輪端部破壞。
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，這是存在齒面細(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)齒輪的方法完成換檔的抵擋和倒擋齒輪，由于換檔時(shí)兩個(gè)進(jìn)入嚙合的齒輪存在角速度茶，換檔瞬間在齒輪端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。
4.2 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核
與其他機(jī)械設(shè)備使用的變速器比較，不同用途汽車的變速器齒輪使用條件仍是相似的。此外，汽車變速器齒輪所用的材料、熱處理方法、加工方法、精度等級(jí)、支撐`方式也基本一致。如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制造，采用剃齒或齒輪精加工，齒輪表面采用滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度不低于7級(jí)。因此，比用于計(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。在這里所選擇的齒輪材料為40Cr。
4.2.1齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算
直齒齒輪彎曲應(yīng)力：
（4-1）
式中——計(jì)算載荷，N?mm；
——應(yīng)力集中系數(shù)，直齒齒輪取1.65；
Kf——摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪取1.1，被動(dòng)齒輪取0.9；
——齒輪模數(shù)；
——齒輪齒數(shù)；
Kc——齒寬系數(shù)，直齒齒輪取5.5～8.5；
y——齒形系數(shù)
——輪齒彎曲應(yīng)力，當(dāng)時(shí)，直齒齒輪的許MPa。
因?yàn)樵撟兯倨魉械凝X輪采用同一種材料，所以當(dāng)校核時(shí)只要校核受力最大和危險(xiǎn)的檔位齒輪。故分別計(jì)算Ⅰ檔、倒檔齒輪的彎曲強(qiáng)度。
a.1檔齒輪副：主動(dòng)齒輪z12=19從動(dòng)齒輪z11=34
Ⅰ檔主動(dòng)齒輪的計(jì)算載荷Tj=Temaxi12=250×34/19≈447.36N·m
由公式（4-1）得: 主動(dòng)齒輪z10的彎曲強(qiáng)度：
1檔從
動(dòng)齒輪的計(jì)算載荷Tj=TemaxigⅠ=250×4=1000 N·m
從動(dòng)齒輪z9的彎曲強(qiáng)度：
b.倒檔
齒輪副:因?yàn)榈箼n齒輪相當(dāng)于一個(gè)惰輪,所以主動(dòng)齒輪是Z14=17，從動(dòng)齒輪是Z15=23。通過(guò)惰輪后主動(dòng)齒輪是Z15=23，從動(dòng)輪是Z13=27。
惰輪的計(jì)算載荷Tj=Temaxi12i1012=250×（23/17）×（27/23）≈397.06N·m
通過(guò)惰輪前，Z15=23的彎曲強(qiáng)度由公式（3-19）得:
通過(guò)惰輪后主動(dòng)輪是Z15=23，從動(dòng)輪是Z13=27。
Z15的計(jì)算載荷Tj=Temaxi12i1012=397.06N·m
Z13的計(jì)算載荷Tj=Temaxi倒檔=250×3.55=887.5N·m
以上的齒輪副都滿足彎曲強(qiáng)度的要求。
4.2.2 齒輪接觸應(yīng)力
齒輪的接觸應(yīng)力按下式計(jì)算：
(4-2)
式中 F——法向內(nèi)基圓周切向力即齒面法向力，N；
(4-3)
Ft——端面內(nèi)分度圓切向力即圓周力，N；
(4-4)
Tj——計(jì)算載荷，N·mm；
d——節(jié)圓直徑，mm；
——節(jié)點(diǎn)處壓力角；
——螺旋角；
E——齒輪材料的彈性模量，鋼取2.1×105MPa；
b——齒輪接觸的實(shí)際寬度，斜齒齒輪為b/cos代替，mm；
——主、被動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑，mm；直齒齒輪：，；斜齒齒輪：，；
r1，r2——分別為主、被動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑，mm。
當(dāng)計(jì)算載荷為許用接觸應(yīng)力見(jiàn)表4-1。
表4-1變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力
齒輪
/MPa
滲碳齒輪
氰化齒輪
一檔及倒檔
1900～2000
950～1000
常嚙合及高檔
1300～1400
650～700
常嚙合齒輪副：當(dāng)計(jì)算載荷為=0.5×250=125N·m,
由公式（4-3）和（4-4）得:
由公式(4-2)得:
1檔: 計(jì)算載荷為i1=0.5×250×4.03=503.75N·m,
由公式（4-3）和（4-4）得:
直齒齒寬b=（4.5-8.0）m=15.75-28
此處取b=20mm
由公式（4-2）得:
2檔：計(jì)算載荷為I2=0.5×250×3.11=388.75N·m,
由公式（4-3）和（4-4）得:
由公式（4-2）得:
3檔：計(jì)算載荷為iⅢ=0.5×250×2.318≈289.75N·m,
由公式（4-3）和（4-4）得:
由公式（4-2）得:
4檔：計(jì)算載荷為I2=0.5×250×1.731=216.38N·m,
由公式（4-3）和（4-4）得:
5檔：計(jì)算載荷為I2=0.5×250×1.38=172.5N·m,
由公式（4-3）和（4-4）得:
倒檔：計(jì)算載荷為I2=0.5×250×3.55=443.75N·m,
由公式（4-3）和（4-4）得:
對(duì)照上表4-1可知，所設(shè)計(jì)變速器齒輪的接觸應(yīng)力符合要求。
圖5-1 變速器第一軸
第5章 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核
5.1 變速器軸的結(jié)構(gòu)和尺寸
5.1.1軸的結(jié)構(gòu)
第一軸通常和齒輪做成一體，前端大都支撐在飛輪內(nèi)腔的軸承上，其軸徑根據(jù)前軸承內(nèi)徑確定。該軸承不承受軸向力，軸的軸向定位一般由后軸承用卡環(huán)和軸承蓋實(shí)現(xiàn)。第一軸長(zhǎng)度由離合器的軸向尺寸確定，而花鍵尺寸應(yīng)與離合器從動(dòng)盤轂的。第一軸如圖5-1所示：
圖5-2 變速器中間軸
中間軸分為旋轉(zhuǎn)軸式和固定軸式。本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)軸式傳動(dòng)方案。由于一檔和倒檔齒輪較小，通常和中間軸做成一體，而高檔齒輪則分別用鍵固定在軸上，以便齒輪磨損后更換。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
5.1.2確定軸的尺寸
變速器軸的確定和尺寸，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)布置上的要求并考慮加工工藝和裝配工藝要求而定。在草圖設(shè)計(jì)時(shí)，由齒輪、換檔部件的工作位置和尺寸可初步確定軸的長(zhǎng)度。而軸的直徑可參考同類汽車變速器軸的尺寸選定，也可由下列經(jīng)驗(yàn)公式初步選定：
第一軸和中間軸：
（5-1）
第二軸：
（5-2）
式中 ----發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，N·m
為保證設(shè)計(jì)的合理性，軸的強(qiáng)度與剛度應(yīng)有一定的協(xié)調(diào)關(guān)系。因此，軸的直徑d與軸的長(zhǎng)度L的關(guān)系可按下式選?。?
第一軸和中間軸： d/L=0.160.18；
第二軸： d/L=0.180.21。
5.2 軸的校核
由變速器結(jié)構(gòu)布置考慮到加工和裝配而確定的軸的尺寸，一般來(lái)說(shuō)強(qiáng)度是足夠的，僅對(duì)其危險(xiǎn)斷面進(jìn)行驗(yàn)算即可。對(duì)于本設(shè)計(jì)的變速器來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，軸的強(qiáng)度和剛度都留有一定的余量，所以，在進(jìn)行校核時(shí)只需要校核一檔處即可；因?yàn)檐囕v在行進(jìn)的過(guò)程中，一檔所傳動(dòng)的扭矩最大，即軸所承受的扭矩也最大。由于第二軸結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故作為重點(diǎn)的校核對(duì)象。下面對(duì)第一軸和第二軸進(jìn)行校核。
5.2.1第一軸的強(qiáng)度與剛度校核
因?yàn)榈谝惠S在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，所受的彎矩很小，可以忽略，可以認(rèn)為其只受扭矩。此中情況下，軸的扭矩強(qiáng)度條件公式為
（5-3）
式中：----扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T----軸所受的扭矩，N·mm；
----軸的抗扭截面系數(shù)，；
P----軸傳遞的功率，kw；
d----計(jì)算截面處軸的直徑，mm；
[]----許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。
其中P =118kw，n =4200r/min,d =30mm；代入上式得：
由查表可知[]=55MPa，故[]，符合強(qiáng)度要求。
軸的扭轉(zhuǎn)變形用每米長(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角來(lái)表示。其計(jì)算公式為：
（5-4）
式中，T ----軸所受的扭矩，N·mm；
G ----軸的材料的剪切彈性模量，MPa,對(duì)于鋼材，G =8.1MPa；
----軸截面的極慣性矩，，；
將已知數(shù)據(jù)代入上式得：
對(duì)于一般傳動(dòng)軸可??；故也符合剛度要求。
5.2.2第二軸的校核計(jì)算
(1)軸的強(qiáng)度校核
計(jì)算用的齒輪嚙合的圓周力、徑向力及軸向力可按下式求出：
（5-5）
（5-6）
（5-7）
式中 ----至計(jì)算齒輪的傳動(dòng)比，此處為三檔傳動(dòng)比4；
d ----計(jì)算齒輪的節(jié)圓直徑，mm，為133mm；
----節(jié)點(diǎn)處的壓力角，為16°；
----螺旋角，為30°；
----發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，為250000N·mm。
代入上式可得：
危險(xiǎn)截面的受力圖為：
水平面：（218+99）=99 =363.26N；
水平面內(nèi)所受力矩：
圖5-3 危險(xiǎn)截面受力分析
垂直面：
（5-8）
垂直面所受力矩：。
該軸所受扭矩為：。
故危險(xiǎn)截面所受的合成彎矩為：
（5-9）
則在彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用下的軸應(yīng)力（MPa）:
(5-10)
將代入上式可得： ，在低檔工作時(shí)[]=400MPa，因此有：
[]；符合要求。
(2)軸的剛度校核
第二軸在垂直面內(nèi)的撓度和在水平面內(nèi)的撓度可分別按下式計(jì)算：
(5-11)
(5-12)
式中, ----齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）,這里等于；
----齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N），這里等于；
E----彈性模量（MPa），（MPa），E =MPa；
I----慣性矩（），，d為軸的直徑（）；
a、b----為齒輪坐上的作用力距支座A、B的距離（）；
L----支座之間的距離（）。
a=218mm b=99mm L=(218+99)mm
將數(shù)值代入式（5-11）和（5-12）得：
故軸的全撓度為 ，符合剛度要求。
第6章 變速器同步器的設(shè)計(jì)
6.1 同步器的結(jié)構(gòu)
在前面已經(jīng)說(shuō)明，本設(shè)計(jì)所采用的同步器類型為鎖環(huán)式同步器，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖6-1 鎖環(huán)式同步器
1、9-變速器齒輪 2-滾針軸承 3、8-結(jié)合齒圈 4、7-鎖環(huán)（同步環(huán)） 5-彈簧 6-定位銷 10-花鍵轂 11-結(jié)合套
如圖（6-1），此類同步器的工作原理是：換檔時(shí)，沿軸向作用在嚙合套上的換檔力，推嚙合套并帶動(dòng)定位銷和鎖環(huán)移動(dòng)，直至鎖環(huán)錐面與被接合齒輪上的錐面接觸為止。之后，因作用在錐面上的法向力與兩錐面之間存在角速度差，致使在錐面上作用有摩擦力矩，它使鎖環(huán)相對(duì)嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，并滑塊予以定位。接下來(lái)，嚙合套的齒端與鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸（圖6-2b），使嚙合套的移動(dòng)受阻，同步器在鎖止?fàn)顟B(tài)，換檔的第一階段結(jié)束。換檔力將鎖環(huán)繼續(xù)壓靠在錐面上，并使摩擦力矩增大，與此同時(shí)在鎖止面處作用有與之方向相反的撥環(huán)力矩。齒輪與鎖環(huán)的角速度逐漸靠近，在角速度相等的瞬間，同步過(guò)程結(jié)束，完成換檔過(guò)程的第二階段工作。之后，摩擦力矩隨之消失，而撥環(huán)力矩使鎖環(huán)回位，兩鎖止面分開(kāi)，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，接合套上的接合齒在換檔力的作用下通過(guò)鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合（圖6-2d），完成同步換檔。
6.2 同步環(huán)主要參數(shù)的確定
6.2.1同步環(huán)錐面上的螺紋槽
如果螺紋槽螺線的頂部設(shè)計(jì)得窄些，則刮去存在于摩擦錐面之間的油膜效果好。但頂部寬度過(guò)窄會(huì)影響接觸面壓強(qiáng)，使磨損加快。試驗(yàn)還證明：螺紋的
齒頂寬對(duì)摩擦因數(shù)的影響很大，摩擦因數(shù)隨齒頂?shù)哪p而降低，換擋費(fèi)力，
圖6-2 鎖環(huán)同步器工作原理
故齒頂寬不易過(guò)大。螺紋槽設(shè)計(jì)得大些，可使被刮下來(lái)的油存于螺紋之間的間隙中，但螺距增大又會(huì)使接觸面減少，增加磨損速度。圖6-3a中給出的尺寸適用于輕、中型汽車；圖6-3b則適用于重型汽車。通常軸向泄油槽為6～12個(gè)，槽寬3～4mm。
6.2.2錐面半錐角
摩擦錐面半錐角越小，摩擦力矩越大。但過(guò)小則摩擦錐面將產(chǎn)生自鎖
現(xiàn)象，避免自鎖的條件是tan。一般=6°～8°。=6°時(shí)，摩擦力矩較大，但在錐面的表面粗糙度控制不嚴(yán)時(shí)，則有粘著和咬住的傾向；在=7
時(shí)就很少出現(xiàn)咬住現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)中采用的錐角均為取7°。
圖6-3 同步器螺紋槽形式
6.2.3摩擦錐面平均半徑R
R設(shè)計(jì)得越大，則摩擦力矩越大。R往往受結(jié)構(gòu)限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件的尺寸和布置的限制，以及R取大以后還會(huì)影響到同步環(huán)徑向厚度尺寸要取小的約束，故不能取大。原則上是在可能的條件下，盡可能將R
時(shí)就很少出現(xiàn)咬住現(xiàn)象。本次設(shè)計(jì)中采用的錐角均為取7°。
取大些。本次設(shè)計(jì)中采用的R為50～60mm。
6.2.4錐面工作長(zhǎng)度b
縮短錐面工作長(zhǎng)度，便使變速器的軸向長(zhǎng)度縮短，但同時(shí)也減少了錐面的工作面積，增加了單位壓力并使磨損加速。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)下式計(jì)算確定
設(shè)計(jì)中考慮到降低成本取相同的b取5mm。
6.2.5同步環(huán)徑向厚度
與摩擦錐面平均半徑一樣，同步環(huán)的徑向厚度要受機(jī)構(gòu)布置上的限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件特別是錐面平均半徑和布置上的限制，不宜取很厚，但是同步環(huán)的徑向厚度必須保證同步環(huán)有足夠的強(qiáng)度。
轎車同步環(huán)厚度比貨車小些，應(yīng)選用鍛件或精密鍛造工藝加工制成，可提高材料的屈服強(qiáng)度和疲勞壽命。貨車同步環(huán)可用壓鑄加工。段造時(shí)選用錳黃銅等材料。有的變速器用高強(qiáng)度，高耐磨性的鋼配合的摩擦副，即在鋼質(zhì)或球墨鑄鐵同步環(huán)的錐面上噴鍍一層鉬（厚約0.3～0.5mm），使其摩擦因數(shù)在鋼與銅合金摩擦副范圍內(nèi)，而耐磨性和強(qiáng)度有顯著提高。也有的同步環(huán)是在銅環(huán)基體的錐空表面噴上厚0.07～0.12mm的鉬制成。噴鉬環(huán)的壽命是銅環(huán)的2～3倍。以鋼質(zhì)為基體的同步環(huán)不僅可以節(jié)約銅，還可以提高同步環(huán)的強(qiáng)度。
本設(shè)計(jì)中同步器徑向?qū)挾热?0.5mm。
6.2.6鎖止角
鎖止角選取