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摘 要
本次設(shè)計是設(shè)計一個兩軸五檔的變速器。換擋穩(wěn)健與性能安全是我們變速器設(shè)計的準(zhǔn)則，我們的主要內(nèi)容是變速器的尺寸和檔數(shù)，軸尺寸的各種計算，各個檔位的傳動比的計算，里面還包含了對其軸，齒輪的強度校核和與他相配套的同步器的選擇等。還使用了ProE以及CAD等常用軟件來設(shè)計軸，軸的整體裝配圖，變速器的齒輪的圖紙。結(jié)尾，我們在用ANSYS對我們設(shè)計的變速器進行有限元分析，對其關(guān)鍵部位做仿真分析，得出合理的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：變速器；ProE；齒輪；軸；ANSYS
I
Abstract
This paper is preparing to introduce the two axes five gear ratio of two axis five gear transmission.Shift the steady and safety performance is our transmission design criterion, we the size of the transmission is the main content and the number of gear, shaft size of all kinds of calculation, the calculation of each gear transmission ratio, it also includes the shaft, gear strength checking and matching with him and the choice of synchronizer.Also used the ProE and commonly used software such as CAD to design axis, axis of the overall assembly drawings, drawings of transmission gear.The end, we were using the ANSYS finite element analysis, we design the transmission of the key parts to do the simulation analysis, draw a scientific, accord with the conclusion of our original design requirements.
Key words：Gearbox，ProE Gear，Shaft，ANSYS
II
目 錄
目 錄 1
摘 要 3
Abstract 4
第1章 緒論 5
1.1課題背景 5
1.2各類變速器介紹 5
第2章 手動變速器概述以及機構(gòu)方案的確定 7
2.1變速器設(shè)計要求 7
2.2變速器結(jié)構(gòu)方案 7
2.3變速器齒輪、換擋形式的方案分析 10
第3章 變速器主要參數(shù)的確定以及零部件設(shè)計 11
3.1變速器外形參數(shù)的確定 11
3.2齒輪主要參數(shù)的確定 11
3.3各檔位齒數(shù)以及傳動比計算 12
第4章 齒輪強度的計算、校核以及材料選擇 17
4.1齒輪強度計算 17
4.2齒輪材料的選擇 20
第5章 變速器軸的設(shè)計及其強度校核 21
5.1軸的材料 21
5.2軸具體尺寸的計算 21
5.3軸的強度計算、校核 21
第6章 同步器選擇及其主要參數(shù)的確定 25
6.1同步器選擇 25
6.2同步器主要參數(shù)確定 25
第7章 輸出軸與齒輪的Proe建模過程 27
7.1 輸入軸的Proe建模 27
7.2 一檔從動輪的齒輪建模 27
第8章 變速器仿真分析 28
III
8.1輸出軸仿真分析 28
8.2齒輪仿真分析 30
第9章 結(jié)論 33
參考文獻 34
致謝 35
IV
第1章 緒論
1.1課題背景
汽車從他誕生之日起，就注定了將稱為全世界未來的焦點，因為他很大程度上的改變了人類的交通方式，是人類發(fā)明創(chuàng)造長河史的一個里程碑，現(xiàn)在也依然是我們?nèi)粘Ｉ钪凶钇毡榈慕煌üぞ咧?。汽車的種類繁多，而衡量一個汽車能否被人們接受，能否得到普及，他的發(fā)動機的各種性能則顯得至關(guān)重要。
發(fā)動機為汽車提供動力的同時，也豐富了各種駕駛者的駕駛體驗。所以發(fā)動機與變速器他們之間的良好匹配，是決定汽車能否在未來各種各樣路況上平穩(wěn)安全行駛的重要根據(jù)。因此，我們對變速器的研究日益增多。
1.2各類變速器介紹
汽車的歷史悠久，變速器隨同汽車發(fā)展至今，他的種類也是相當(dāng)繁多，我們通常通過傳動比的變化方式以及操縱的方式來為他們分類。
1.2.1按操縱方式分類
(1)自動變速器（AT）
自動變速器簡稱AT（Automobile Transmission），我們也稱為自動變速箱。
自動變速器就是可以在在汽車正常行駛途中，自動的變換它的齒輪傳動比，從而實現(xiàn)自動選擇檔位功能的換檔變速器。因此，如果一輛汽車裝有這樣的自動變速器，我們在正常行駛途中可以不需要手動換擋，只需要操作我們腳下的踏板，即可以方便的控制車速了。
自動變速器可以簡單的由行星齒輪，液壓操縱系統(tǒng)以及液力變矩器是那個部分組成。自動變速器變速的方法是通過同一組齒輪因其不同排列而產(chǎn)生不同傳動比時來實現(xiàn)的。自動變速器分為六個不同的檔位，分別為D（前進檔）、2（前進二檔）、1（前進一檔）、N（空檔）、R（倒擋）、P（停車檔）。
自動變速器為了人們提供便利的同時也有著一些缺陷。舉個例子來說，裝有自動變速器的汽車的保養(yǎng)費用通常會昂貴一點，需要的潤滑油在滿足普遍要求外還需要達成汽車傳遞液壓和扭矩的作用，從而來提升汽車的離合器與制動器的性能。而且這樣的汽車在行駛了差不多3萬公里左右的時候吶，往往就需要我們給它換油了。
(2)手動變速器（MT）
手動變速器簡稱MT（Manual Transmission），我們也稱為機械式變速器。
手動變速器的各檔齒輪位置的變化，相對于自動變速器就沒有那么方便了，它需要駕駛員自己用手來操縱變速桿來達到變速的目的。其中對變速器的檔位，齒輪的傳動比與參數(shù)以及變速器上其他重要零件的研究。
手動變速器上的的檔位傳動比都是固定值。手動變速器發(fā)展至今，五檔變速器是當(dāng)今社會使用最多的變速器，在前面的發(fā)展中，手動變速器經(jīng)歷了1檔到多檔的發(fā)展變化。
1.2.1.3手自一體變速器
手動一體變速器顧名思義，是手動變速器與自動變速器科學(xué)結(jié)合而研發(fā)出來的產(chǎn)物。
前文中提到，自動變速器的保養(yǎng)是其一個劣勢，手動變速器的操縱性能則相對較厚啊。所以，人們就研究發(fā)明了手自一體變速器，這樣不僅能夠給駕駛員打來更多的駕駛樂趣，還能提高自動變速器的經(jīng)濟性能。
結(jié)構(gòu)角度來說，手自一體變速器在手動變速器上多裝配了自動換擋的操縱結(jié)構(gòu)，電子控制離合器以及電子控制等裝置。我們一般采用ECU來保證自動換擋機構(gòu)與電子離合器機構(gòu)，而ECU就是電子控制單元。
1.2.2按傳動比變化方式分類
如果按照變速器傳動比的方式來劃分變速器的話，還可以劃分為綜合式，無級式和有級式變速器。
其中，有級式變速器又通常被稱為齒輪式變速器哦。無級式變速器是通過主動輪和從動相互配合來傳遞動力，而其主動輪和從動輪的傳動帶和工作直徑都是可以變化的，因此無級式變速器的傳動比可以連續(xù)改變，從而可以最佳匹配發(fā)動機工況與傳動系。而綜合式變速器則是一種液力機械式變速器，一般是由液力變矩器、齒輪式有級變速器組成。
隨著人類社會的發(fā)展，各行各業(yè)的需求也不盡相同，有級式變速器的缺點越來越明顯，比如操縱困難，比如變速的工程不夠穩(wěn)定，因此愈發(fā)無法滿足人們的使用需求。相反，無級變速器因為其變化速度的平穩(wěn)性能好，操縱方式簡單快捷方便等等許多的特點，愈來愈受到大家的青睞。
在二十世紀(jì)八十年代，日本的Subaru投放到市場的汽車是第一批裝有無級變速器的汽車。
在當(dāng)今社會，由于節(jié)能環(huán)保在人們心中的所占比例越來越大，油量消耗以及排放相對較低的無級式變速器，相信在未來汽車發(fā)展與未來汽車市場上都有著不俗的潛力。
對無級式變速器的研究至今，在他的結(jié)構(gòu)形式上還沒有什么重大的創(chuàng)新與突破。在目前汽車無級式變速器的設(shè)計中，一般分為脈動式，帶式，行星式與鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。
42
第2章手動變速器概述以及機構(gòu)方案的確定
第2章 手動變速器概述以及機構(gòu)方案的確定
2.1變速器設(shè)計要求
變速器主要功能是改變發(fā)動機驅(qū)動輪與轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，用來實現(xiàn)變速器可以在不一樣的路況與駕駛工況下，能夠變化汽車的牽引力與速度，使得發(fā)動機可以最適合它的工作范圍之內(nèi)。
因此，變速器的設(shè)計有以下幾個要求需要滿足：
（1）確保汽車具有可靠的的動力性與合適的經(jīng)濟性。如果汽車的動力在某個工況下不足時，那么他將無法正常行駛，尤其在起步與爬坡時，這一點顯得尤為關(guān)鍵。而對汽車動力性能產(chǎn)生影響的因素是多種多樣的，諸如汽車傳動比，發(fā)動機參數(shù)等等，它們都能在一定程度上影響汽車的動力性。
（2）要有空擋，這是設(shè)計出來中斷發(fā)動機動力向驅(qū)動輪的動力傳輸。
（3）要有倒檔，使得汽車可以后退行駛。
（4）要有動力輸出機構(gòu)，又被稱為取力器。汽車的動能不完全提供給行駛系，汽車行駛之外，其他動力系統(tǒng)也需要一定動能，汽車在正常行駛中，這部分動力系統(tǒng)就通過取力器獲得相關(guān)動能。
（5）換擋快捷、安全可靠。使得汽車駕駛多樣化，既豐富了駕駛員的駕駛樂趣，也能稍微保護駕駛員的駕駛安全。
（6）工作穩(wěn)定、工作效率高而且噪音小。在設(shè)計中，應(yīng)盡量避免設(shè)計完成后在使用中換擋失敗時發(fā)生跳檔、檔位錯亂的現(xiàn)象。盡量使得變速器能在高速以及大負荷工作環(huán)境下進行盡量長時間的工作。
2.2變速器結(jié)構(gòu)方案
依前文介紹，如果按傳動比來劃分變速器的話，可以劃分為有級，無級，綜合式三種變速器。這三種中，有級變速器最為普遍，而且相對于其他兩種，有級式變速器制作成本更少，傳動效率更高，結(jié)構(gòu)更加簡單。因此，我們此次設(shè)計的變速器就選用有級式變速器了。
我們現(xiàn)在日常生活中，較為常見的手動變速器分別為三軸式與兩軸式變速器。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速就是輸入軸的轉(zhuǎn)速，而輸入軸的轉(zhuǎn)速其實是它與中間軸之間嚙合不同齒輪所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速。因此，變速器轉(zhuǎn)速的改變?nèi)Q于其嚙合齒輪齒數(shù)的變化。而汽車的變速器處于某一個檔位時，輸入軸與輸出軸所對應(yīng)的比例關(guān)系就是汽車該檔位的傳動比。所以，可變化的各檔位傳動比就能實現(xiàn)汽車能在各種工作路況下行駛。
2.2.1變速器型式的確定。
下圖為一三軸5檔式手動變速器的結(jié)構(gòu)示意圖：
圖2.1 三軸五檔式的手動變速器示意圖
三軸式變速器里包括輸出輸入軸與中間軸。其不同檔位工作原理是，當(dāng)變速器位于一檔時，同步器被換擋撥叉向后移動，并接合一擋齒輪，最后鎖在輸出軸上。當(dāng)發(fā)動機啟動以后，動力由輸出軸到輸入軸齒輪上，從而帶動從動輪的齒輪，而從動輪又帶動其相對的1檔齒輪，由輸出軸輸出動力，這就是完整的動力輸出過程。
而倒擋的實現(xiàn)的原理是，通過在一對嚙合的齒輪中添加惰輪，使得輸出軸反向旋轉(zhuǎn)，從而可以使汽車倒退。因此，圖中變速器的倒擋設(shè)計目的是為能使汽車通過嚙合的三個齒輪使輸出軸反向旋轉(zhuǎn)，在其正常的換擋機構(gòu)中添加了倒擋軸。
生活中還有兩軸式變速器，它相對結(jié)構(gòu)簡單，制造成本比較低廉，只有輸入與輸出軸，所以在我們?nèi)粘Ｉ钪羞€是比較常見的。下面這張就是兩軸式變速器的示意圖：
圖2.2 兩軸式變速器示意圖
兩軸式變速器的緊湊傳動系源自于兩軸式變速器簡單的結(jié)構(gòu)特點，這也有助于降低汽車的整體質(zhì)量，能達到15%左右。從上圖中可以看出，兩軸式變速器把主減速器的齒輪和它的輸出軸做成了一個整體，如果從制作工藝角度看的話，這大大縮短了制作時間并大大節(jié)省了制作的成本。
2.2.2變速器傳動方案的確定
這次我們設(shè)計的兩軸式變速器多安裝與前置前驅(qū)型號的汽車。兩軸式變速器具有簡單的結(jié)構(gòu)，小的輪廓尺寸已經(jīng)布置容易方便的特點，這都源自于它比較少的軸和軸承數(shù)。它的缺點也很明顯，因為設(shè)計時并沒有直接檔，所以在高檔位工作時就要軸承和齒輪共同平均承受載荷，這使得工作雜音變大，并影響了使用壽命。
兩軸式變速器具體的話吶差不多有以下六種不盡相同的傳動方案：
(a)、（b）（c）同步器在輸出軸式傳動方案；（d）輔助支承式傳動方案；
（e）高檔位同步器在輸入軸式；（f）五檔全同步器器式傳動方案
圖2.3 兩軸式變速器傳動方案
圖2.3所展示的傳動方案吶，通常是裝配在前置前驅(qū)的汽車上。它們有的共同的特點是將變速器的輸出軸與它的主動齒輪做成一體的，按照它倆的放置形式來劃分，他們所選有的齒輪也有分別。當(dāng)在縱置時，我們常采用準(zhǔn)雙面或者弧齒錐之輪：當(dāng)它們橫置時，我們通常會采用斜齒圓柱齒輪。
在上圖所示方案中啊，大多數(shù)的倒擋都是運用了滑輪齒輪傳動，其他檔位則運用了常嚙合齒輪傳動。圖2.3-d所示的方案，因為有輔助支承的存在，軸的剛度有了一定的提高，齒輪磨損也有了一定的減少，工作噪音也得到了一定的緩解，相對來說，更符合我們這次的設(shè)計要求，所以我們初步選用圖2.3-d的方案。
因為考慮到較短的到倒擋使用時間，所以我們選用了比較輕便的倒擋傳動方案，如圖2.4所示。
圖2.4 倒檔傳動方案示意圖
2.3變速器齒輪、換擋形式的方案分析
2.3.1確定齒輪形式
變速器分為直齒圓柱和斜齒圓柱兩種齒輪，其中直齒圓柱齒輪主要適用于1檔與倒擋齒輪，而斜齒圓柱齒輪在汽車運用中，能有平穩(wěn)啟動，有較大的傳遞扭矩與較小的噪音。更加適用與我們這次的設(shè)計，所以下面的設(shè)計我們?nèi)慷际褂眯饼X圓柱齒輪。
2.3.2換擋機構(gòu)
同步器換擋，嚙合套式以及直齒滑動齒輪是變速器換擋機構(gòu)通常的三種形式。
我們通常用于一檔與倒擋的換擋形式采用直齒滑動齒輪換擋形式，原因是直齒滑動齒輪換擋形式操作簡單，維護經(jīng)濟性便利性好。它的原理是換擋時通過滑動移動一個齒輪，使某一對齒輪能夠正確的嚙合。正常工作時，發(fā)動機處于高速運轉(zhuǎn)，齒輪嚙合的難度也隨之增大，齒輪的壽命周期也因為如此嚙合時容易出現(xiàn)的碰撞而縮短。
我們一般僅在一些傳動比落差小的車與重型火車中使用嚙合套式換擋機構(gòu)，因為這套換擋機構(gòu)的變速器，它的齒輪一直處于嚙合的位置，是在軸上空套著一個嚙合中的齒輪，然后通過移動嚙合套中的花鍵機構(gòu)，從而使齒輪能夠有效的帶動輸出軸進行輸出動力。這種機構(gòu)優(yōu)勢是避免了齒輪之間的相互碰撞，但是嚙合套著的花鍵機構(gòu)中的碰撞確實沒有辦法避免的，因此裝有此類換擋機構(gòu)的汽車的操縱難度相對來說較高。
三類換擋機構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的就是此次設(shè)計中我們所要采用的同步器換擋機構(gòu)，這類換擋機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，而且造價也比較高，但是它簡單的操縱方式，便捷的換擋方式以及輕便的特點，還是足以瑕不掩瑜的。
第3章 變速器主要參數(shù)的確定以及零部件設(shè)計
第3章 變速器主要參數(shù)的確定以及零部件設(shè)計
3.1變速器外形參數(shù)的確定
3.1.1變速器檔數(shù)以及中心距A確定。
按照目前的生產(chǎn)工藝與能力來說，變速器檔位可供我們選擇生產(chǎn)的范圍還是比較大的，可是我們?nèi)粘Ｋ玫闹行⌒推嚨臋n位范圍絕大多數(shù)都是在3~18之間的，而且多以五檔變速器為主，所以姑且將后面設(shè)計中的變速器都設(shè)為五檔變速器。
輸入輸出軸之間的距離。我們生活中常用的乘用車，它的中心距A大概在內(nèi)，又因為我們這次設(shè)計的是前置前驅(qū)的汽車，所以根據(jù)表初步確定中心距為。
3.1.2總體尺寸
因為我們本次設(shè)計是轎車的變速器，屬于中小型汽車，所以殼體軸向尺寸的計算查閱資料所得公式計算后為：
（3-1）
為了方便我們的計算，選擇的殼體軸向尺寸是。
3.2齒輪主要參數(shù)的確定
3.2.1模數(shù)
在正常工作時，齒輪模數(shù)的剛度，強度，工作產(chǎn)生的噪音等等因素都會影響到我們的選擇。我們可以通過增多齒輪齒數(shù)來解決變速器中心距一樣，齒輪模數(shù)相對較小的問題。齒輪嚙合的重合度也可以通過增加齒寬來增加。我們通常使用的汽車變速器模數(shù)如下表所示：
表3.1汽車變速器齒輪的法向模數(shù)
車型
模數(shù)
，為。
3.2.2壓力角
壓力角的選擇也很重要。因為壓力角的大小都具有其優(yōu)勢，壓力角較小時，齒輪工作中的應(yīng)力更加集中，所以噪音就相對較小，而壓力角較大時，齒輪強度較大，齒輪工作時就比較難發(fā)生變形現(xiàn)象，所以在生活中通常都是將壓力角變?yōu)?0°。綜上所述，我們采用20°，即。
3.2.3螺旋角
因為我們采用斜齒輪，所以還要確定其螺旋角。查閱資料得，螺旋角的大小影響了傳動噪音等，噪音會隨著螺旋角的增大而變小，而強度與傳動平穩(wěn)性也會隨之變得優(yōu)化。但若螺旋角>30，那么齒輪在工作時就容易發(fā)生彎曲現(xiàn)象。
而在現(xiàn)在社會，兩軸變速器的生產(chǎn)廠家哦通常把螺旋角的取值范圍定為20°～25°。所以我們就選擇螺旋角為22°。
3.2.4齒輪寬以及齒頂高系數(shù)
因為，螺旋角可以修補齒輪寬度所帶來的一些缺點。為了減輕變速器的整體質(zhì)量與變速器的尺寸，我們選取的齒寬b可以小一點。斜齒輪的寬度系數(shù)范圍通常為6.2~8.5，我們就取為7.0。查閱公示資料可以初步算出齒輪寬度b為：
（3-2）
因為齒輪高系數(shù)選擇過大或者過小都有對應(yīng)的缺點，我們選擇齒輪系數(shù)=1.00。
3.3各檔位齒數(shù)以及傳動比計算
3.3.1最高檔與最低檔傳動比計算
因為某些變速器的超速檔既是其最高檔，它的傳動比通常為。所以我們將超速擋作為最高檔，將14mm記為輪轂尺寸，將195mm記為輪胎寬度，將r記為輪胎滾動半徑，將195/55 R14記為輪胎型號，講45%記為最高檔的扁平比，那么：
因為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為，最高車速，所以主減速比為
， （3-3）
因為工作工況的不同，最低傳動比的計算公式也不盡相同。最低傳動比的取值范圍一般可以通過下面的公式來進行計算：
（3-4）
其中車的總質(zhì)量=、坡道阻力的系數(shù)=0.15、最大的爬坡度=16.7度、傳動的效率=0.86、輪胎地面附著力系數(shù)=0.6、汽車滿載時法向驅(qū)動力=mg
將以上代入公式進行計算，那么最低檔傳動比的范圍為：
所以最低檔傳動比=2.8。
那么就可以依據(jù)最低檔與最高檔傳動比來計算各檔位的公比
。 （3-5）
3.3.2一檔傳動比及其齒輪數(shù)計算
一檔傳動比計算公式為：
， （3-6）
，即為指齒輪總和。 （3-7）
，我們四舍五入之后得到數(shù)值49
經(jīng)過上述計算為13，則。就是一檔實際的傳動比是：
。
因為經(jīng)過計算一檔兩齒輪的齒數(shù)，我們對中心距進行標(biāo)準(zhǔn)化修正。
，取整數(shù)是。 （3-8）
下圖是一到五檔齒輪的示意圖：
1，3，5，7，9分別為一檔到五檔的主動齒輪 2，4，6，8，10分別為一檔到五檔的從動齒輪，13是倒擋輸出軸齒輪，12是倒擋中間齒輪，11是倒擋主動齒輪
圖3.2 各檔齒輪示意圖
3.3.3二、三、四檔傳動比及其齒數(shù)計算
（1）二檔的計算
定傳動比定，則
，
其中，那么，那么。則二檔實際傳動比為
。
（2）三檔計算
定三檔傳動比定，，那么
=20，那么，則實際傳動比是：
。
（3）四檔計算
我們暫且確定四檔傳動比為，，
那么=24，那么，那么實際的傳動比是：
。
3.3.4五檔傳動比的計算
經(jīng)計算，得最高檔傳動=0.76.則，，
因為=29（取整），則，則實際傳動比是：
。
3.3.5倒檔傳動比及其齒輪數(shù)的計算
因為1檔和倒擋在模數(shù)與齒數(shù)方面比較相同，所以我們暫且選定，，而且齒輪之間存在的空間，用來確保倒擋的齒輪不會發(fā)現(xiàn)齒輪嚙合的干涉現(xiàn)象，那么：
， （3-9）
求解得：=34（取整）。則倒檔傳動比是：
倒擋和輸入軸之間距離是：
，取整為44mm。
倒擋和輸出軸間距離是：
，取整為76mm。
3.4齒輪變位系數(shù)的選擇
齒輪變位與齒輪的強度，使用時的安穩(wěn)性能，磨損性能，抗膠合性能與嚙合噪聲有關(guān)。是齒輪設(shè)計中非常重要的一個部分。
查閱資料可知，如果齒輪齒數(shù)不大于17的話，齒輪嚙合時就可能出現(xiàn)根切現(xiàn)象，我們采用的避免根切現(xiàn)象的方法是改變齒條插刀安裝的位置，實現(xiàn)其能離齒胚中心足夠遠的位置。。常用來表示齒輪變位系數(shù)。
1檔的是（），查閱資料可知：
，分配是，；
2檔的是，分配是，；
3檔 的是，分配是，；
4檔 的是，分配是，；
5檔 的是，分配是，；
倒檔 的是：輸入和倒檔軸之間，分配是，；
輸入和倒檔軸之間，分配是，。
第4章 齒輪強度的計算、校核以及材料的選擇
第4章 齒輪強度的計算、校核以及材料選擇
4.1齒輪強度計算
4.1.1斜齒輪彎曲強度校核
計算的公式是： ； （4-1）
； （4-2）
； （4-3）
。 （4-4）
得： （4-5）
其中是，計算方法是； 表示；d為；將作為，取=1.5；t是；將y作為；將作為，取=2.0。，
圖4.1 齒形系數(shù)與Zn、z關(guān)系圖
如圖所示，各檔位的齒形系數(shù)：1檔是0.154、是0.162；2檔是0.153、是0.173；3檔是0.152、是0.144；4檔是0.163、是0.153；5檔是0.167、是0.159；計算所得出的載荷取為140。
代入數(shù)據(jù)，1檔是：
，
從動齒輪計算載荷是，
即 。
同理，我們可以計算出其他的檔位，計算方法相同，具體結(jié)果如下：
2檔：
；
3檔： ，
；
4檔： ，
；
5檔： ，
。
那么我們吶就可以得出這么一個結(jié)論，就是，各齒輪的彎曲應(yīng)力吶，都沒有超出我們的預(yù)想，就是都在我們一開始所規(guī)定的應(yīng)力范圍里。
4.1.2各檔位齒輪接觸應(yīng)力
接觸應(yīng)力計算為： ； （4-6）
。 （4-7）
上式，得出彈性模量吶就是是。那么又因為不同種類的齒輪計算的方法也不一樣，所以斜齒輪的計算、與肯定是不一樣的。而且因為不同的齒輪有他不同的工作特性，其正反作用力大小相等，因此我們只需要計算出：
： ； （4-8）
。 （4-9）
各檔位接觸的應(yīng)力是：
1檔： ；
； （4-10）
； （4-11）
2檔：；
3檔：；
4檔：；
5檔：；
那么經(jīng)過我們的這么多計算得出的計算結(jié)果再與與變速器齒輪對比，就可以得出我們的數(shù)據(jù)符合要求。
表4.2 變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力
齒輪
4.2齒輪材料的選擇
齒輪的使用時間的長或者短與齒輪它的使用周期還與其強度，耐熱與抗沖擊等能力息息相關(guān)。目前變速器大多數(shù)采用的材料是滲碳合金鋼，其耐磨性與抗彎曲疲勞，接觸疲勞的能力因其高硬度的表面與高韌性的心部相結(jié)合的能力得到了大大的提高。而且在對材料熱處理的同時，它的可加工性與生產(chǎn)成本也是不可或缺該考慮的條件之一。所以綜合以上的種種考慮，我們決定選用58~63HRC的滲碳齒輪，并使用表面淬火的加工工藝。
第5章 變速器軸的設(shè)計及其強度校核
第5章 變速器軸的設(shè)計及其強度校核
5.1軸的材料
正常工作時，齒輪需要承受的不僅僅是力產(chǎn)生的彎矩，還有力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，我們在設(shè)計時一定要考慮到我們的軸是否具有符合要求的剛度與強度。
因此我們選用鉻錳合金鋼20CrMnTi作為軸材料。
5.2軸具體尺寸的計算
軸直徑與支座的距離就是軸尺寸，（輸入軸），；（輸出軸）。
： 。 （5-1）
，：
，所以直徑最小的話可以是。
5.3軸的強度計算、校核
選定軸尺寸后，我們吶，還需要進行一系列通過轉(zhuǎn)角等參數(shù)的詳細計算來驗證其受力與嚙合的計算的過程是：
其中是，是，是。，，轉(zhuǎn)角一般小于或者等于。
；
；
。
式中，、；軸直徑，慣性矩，，計算則取花鍵平均直徑（mm）；、（mm）；支座距離為（mm）；彈性模量，。
5.3.1剛度計算、校核
1檔工作時：
； （5-5）
； （5-6）
； （5-7）
圖5.1 變速器一檔時撓度和轉(zhuǎn)角
輸入軸的計算：
我們已經(jīng)知道；；；，計算得：
；
；
；
；
經(jīng)過上面一系列的計算那，那么我們就可以算出輸出軸撓度吶和轉(zhuǎn)角的大小，具體過程如下：
。
所以，已知；；；。
；
；
；
。
經(jīng)過上面這一系列的計算，同理可得其他檔位，正常工作時，他們。
5.3.2強度度計算、校核
：
因為上面我們提到過軸的強度的計算，所以可以知道；；；；圓周力：
；；。
1）垂直面內(nèi)支反力：
：，得 （5-6）
：，得 （5-8）
圖5.2垂直面內(nèi)各支反力
2）：
圖5.3
：，得 （5-10）
：，得 （5-11）
通過以上這么一系列的計算那，，為：
，其中。 （5-12）
所以， ； （5-13）
； （5-14）
； （5-15）
； （5-16）
綜上所述 。 （5-17）
得 ， （5-18）
圖5.4輸入軸受力分析
第6章 同步器設(shè)計及其主要參數(shù)的確定
第6章 同步器選擇及其主要參數(shù)的確定
6.1同步器選擇
同步器種類繁多。分類門式也五花八門，通常來說，我們有慣性增力式，慣性式以及常壓式三種，慣性式同步器是目前是生活中被應(yīng)用最廣泛的，所以我們這次的設(shè)計主要是從這兩種中進行選擇。
如果我們的軸尺寸有點長的話，我們通常會選用鎖銷式同步器，這是它的工作特性所決定的，可是我們這次設(shè)計中的變速器的軸向尺寸一般般，為了追求耐用性與工作時的可靠性，我們暫且選用鎖環(huán)式同步器。下圖便是鎖環(huán)式同步器的示意圖。
花鍵轂（10）；彈簧（5）；接合齒圈（8）；鎖環(huán)又稱同步環(huán)（7）；滾針軸承（2）；接合套（11）；定位銷（6）變速器齒輪（1，9）
6.1 鎖環(huán)式同步器
6.2同步器主要參數(shù)確定
6.2.1摩擦因數(shù)
因為汽車在行駛途中需要經(jīng)常換擋，所以摩擦系數(shù)的要求對于汽車能否換擋順利就顯得至關(guān)重要。有很多因素影響摩擦因素，諸如選用的材料等，所以我們暫且將0.1作為摩擦因數(shù)。
6.2.2 同步環(huán)各尺寸確定
同步環(huán)螺紋槽形式如下圖6.2所示。而除此之外其他參數(shù)則參考其他相近車系得出。
設(shè)計中同步環(huán)的尺寸具體為：8個錐面螺旋槽數(shù)，3mm槽寬；取=6°作為錐面半錐角。=50mm作為摩擦錐面平均半徑；工作的長度如果從經(jīng)濟成本考慮的話，初步選定是5mm；同步環(huán)徑向厚度選定是10mm。
圖6.2 同步環(huán)螺紋槽形式
6.2.3同步時間
同步時間決定了汽車能否迅速的跟隨駕駛員的操縱進行自由換擋。講道理來說，同步時間余愈靠近0的話，換擋就會愈快。我們這次設(shè)計上網(wǎng)參考了很多差不多類型的汽車，了解了他們的同步時間取值范圍，得出我們高檔時的是0.14s；低檔位為0.45s。
第7章 輸出軸與齒輪的Proe建模過程
第7章 輸出軸與齒輪的Proe建模過程
7.1 輸入軸的Proe建模
（1）首先我打開Proe，通過我們前面幾章計算得出的數(shù)據(jù)，繪制如圖7.1圖所示的草繪
圖7.1
（2）然后將軸的草繪圖，旋轉(zhuǎn)一周，得到輸出軸的建模圖，如圖7.2所示
圖7.2輸出軸
7.2 一檔從動輪的齒輪建模
首先我們通過上面幾章算得數(shù)據(jù)，通過鏡像，拉伸等方法，畫出圖7.3
圖7.3
然后我們通過陣列與掃描混合，畫出下圖
圖7.4
最后我們再通過一系列的拉伸，倒圓角，旋轉(zhuǎn)等操作，繪出下圖所示的一檔從動輪的齒輪模型圖
圖7.5一檔從動輪的齒輪
從而畫出如圖7.5所示一檔從動輪的齒輪
7.3 變速器裝配圖
圖7.6裝配圖
畫出如圖7.6所示本次設(shè)計的兩軸五檔的手動變速器裝配圖
第8章 變速器仿真分析
第8章 變速器仿真分析
8.1輸出軸仿真分析
我們通過pro/e繪制輸入軸模型，再導(dǎo)入到ANSYS軟件對輸入軸的模型進行分析，輸出軸的模型如圖7.1所示。
圖8.1 輸出軸模型
由上圖可知，鉻錳是我們所選用的軸的材料，由機械手冊查詢得出它的泊松比，彈性模量與密度。分別為，E=2.06，。在設(shè)置完單元與材料屬性之后對模型進行網(wǎng)格劃分。如圖8.2所示。
圖8.2 輸出軸的網(wǎng)格劃分
完成后，我們再施加一些約束，載荷。如8.3所示。
圖8.3 輸出軸扭矩約束圖
最后求解后處理，輸出軸變形圖如圖8.4所示。
圖8.4 輸出軸變形圖
綜上所述，我們這次設(shè)計的輸出軸它的設(shè)計與材料選擇都是符合要求的。
8.2齒輪仿真分析
因為齒輪數(shù)量較多，只對第一檔從動齒輪進行仿真分析。下圖8.5為一檔從動齒輪模型圖。
圖8.5 一檔從動齒輪模型圖
大家可以看出，20CrMnTi滲碳齒輪是我們所選齒輪的材料，并使用了表面淬火的加工工藝。經(jīng)過機械手冊的查詢得知，它的密度，彈性模量與泊松比分別為，，206GPa，0.23。一檔從動齒輪網(wǎng)格劃分圖如圖8.6所示。
圖8.6 一檔從動齒輪網(wǎng)格劃分圖
在這些以后，我們再對其施加一些載荷與約束。本設(shè)計中， ，。載荷與約束的施加如圖7.7所示。
圖8.7一檔從動齒輪受力面
最終，求解和后處理之后得到如下的齒輪變形圖。
圖8.8 齒輪變形圖
可以看出，本次設(shè)計的齒輪在受到3400N的力都未超出形變量，仍舊可以使用。
因此，本次設(shè)計的齒輪符合本次設(shè)計要求。
金利科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第9章 結(jié)論
第9章 結(jié)論
本論文是對轎車變速器的設(shè)計與仿真分析，開始通過電腦查詢相關(guān)資料，了解變速器的歷史與發(fā)展，再對變速器齒輪，換擋形式等方案進行分析，得出結(jié)論后合理的選擇，然后在對變速器外形參數(shù)的確定，齒輪主要參數(shù)的確定，各檔位齒數(shù)以及傳動比的計算，而對齒輪與軸的校核包含了比較大量的計算，最后完成Proe繪圖與ANSYS有限元分析。
由于本人對于力學(xué)方面比較薄弱的基礎(chǔ)，校核方面的數(shù)據(jù)計算與公式選擇可能存在的一定的欠缺，而對于軟件的運用則又是本人的又一大難題。
通過本次設(shè)計，本人的動手能力與自學(xué)能力得到了長足的進步，尤其對于Proe等繪圖軟件的使用得到了很大的提高，我相信，本次畢業(yè)設(shè)計對本人的幫助會對本人未來的學(xué)習(xí)生活中提供寶貴的經(jīng)驗。
參考文獻
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致謝
致謝
歲月荏苒，本次畢業(yè)設(shè)計在忙碌中也接近尾聲，我的大學(xué)時光也即將落幕。再過兩個月，我們就將走出象牙塔，去直面自己未來的風(fēng)風(fēng)雨雨，真是令人感慨。
在大學(xué)里，我學(xué)到了很多知識，但是相對于這些知識，那些自己動手自己學(xué)習(xí)的技能卻顯得更加珍貴。本次畢業(yè)設(shè)計，我發(fā)現(xiàn)了自己力學(xué)的短板，重新溫習(xí)了大二期間學(xué)習(xí)的理論力學(xué)與材料力學(xué)，而對于Proe的不熟練使用以及對ANSYS軟件的一竅不通，自己查閱資料與相關(guān)視頻，直面困難并克服困難，完成了本次的畢業(yè)設(shè)計。這些經(jīng)驗與經(jīng)歷都是我大學(xué)回憶的瑰寶，是金科母校對我的饋贈，顯得彌足珍貴。
有些困難是通過自己克服的，而有些困難則是通過我敬愛的蔣老師與同學(xué)們幫忙解惑，十分感謝老師在我設(shè)計過程中對我的幫助，正是因為老師的幫助，才讓我對自己的設(shè)計充滿信心，熱情洋溢。
在此，我衷心的對蔣老師說聲謝謝！同時也感謝同學(xué)與專業(yè)其他老師閑暇時間對我的指導(dǎo)。