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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1汽車變速器研究狀況、發(fā)展趨勢(shì)及成果
隨著中共十七屆五中全會(huì)召開，中國(guó)政府起草并通過(guò)了國(guó)家“十二五”規(guī)劃，規(guī)劃中明確提出，中國(guó)迫切需要完成從汽車大國(guó)到汽車強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。
中國(guó)要成為汽車強(qiáng)國(guó)，首先要克服自主技術(shù)這塊短板。而汽車的核心部分——?jiǎng)恿偝?，仍是?guó)內(nèi)一直沒(méi)有完全掌握的關(guān)鍵汽車零部件技術(shù)之一。在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展了數(shù)十年之后，變速器，尤其是手動(dòng)變速器成為了制約國(guó)內(nèi)動(dòng)力總成技術(shù)發(fā)展的重要因素。國(guó)內(nèi)手動(dòng)變速器的技術(shù)在國(guó)際上也較為落后，雖然目前大部分廠商都擁有生產(chǎn)手動(dòng)變速器的設(shè)備和能力，但普遍以5檔手動(dòng)變速箱為主，對(duì)于5 檔以上的產(chǎn)品，還得借助一些國(guó)外技術(shù)進(jìn)行研究，并且生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品或多或少還存在齒輪敲擊嘯叫噪音、換檔性能低下等問(wèn)題。可以說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)的手動(dòng)變速器在制造或研發(fā)方面處于尚未成熟的階段。
現(xiàn)代汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)汽車的要求不斷的變化，機(jī)械式變速器不能滿足人們的需要。從40年代初，美國(guó)成功研制出兩檔的液力-機(jī)械變速器以來(lái)，自動(dòng)變速器技術(shù)得到了迅速發(fā)展。80年代，美國(guó)已將液力自動(dòng)變速器作為轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。1983年時(shí)，美國(guó)通用汽車公司的自動(dòng)變速器裝車率已經(jīng)達(dá)到了94%。近些年來(lái)，由于電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)變速器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。自動(dòng)變速器與機(jī)械式變速器相比，具有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)：提高發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的使用壽命；提高汽車的通過(guò)性；具有良好的自適應(yīng)性；操縱更加方便。
目前，國(guó)內(nèi)變速器廠商都朝無(wú)級(jí)變速器和自動(dòng)變速器方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有好幾款轎車已經(jīng)應(yīng)用上無(wú)級(jí)變速器，而重型汽車則采用多中間軸的形式，將低速檔和高速檔區(qū)分開。
在跨越了三個(gè)世紀(jì)的一百多年后的今天，汽車還沒(méi)有使用上滿意的無(wú)級(jí)變速箱。這是汽車的無(wú)奈和缺憾。但是,人們始終沒(méi)有放棄尋汽車行駛的速度是不斷變化的，這就要求汽車的變速器的變速比要盡量多，這就是無(wú)級(jí)變速(Continuously Variable Transmission簡(jiǎn)稱"CVT") 。盡管傳統(tǒng)的齒輪變速箱并不理想，但其以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率大三大顯著優(yōu)點(diǎn)依然占領(lǐng)著汽車變速箱的主流地位。
找實(shí)現(xiàn)理想汽車變速器的努力,各大汽車廠商對(duì)無(wú)級(jí)變速器(CVT)表現(xiàn)了極大的熱情，極度重視CVT在汽車領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。這是世界范圍尚未根本解決的難題，也是汽車變速器的研究的終極目標(biāo)。
圍繞汽車變速箱四個(gè)研究方向，各國(guó)汽車變速器專家展開了激烈的角逐。
1． 摩擦傳動(dòng)CVT
金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱(VDT-CVT)的傳動(dòng)功率已能達(dá)到轎車實(shí)用的要求，裝備金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱的轎車已達(dá)100多萬(wàn)輛。據(jù)報(bào)道：大排量6缸內(nèi)燃機(jī)（2.8L）的奧迪A6轎車上裝備的金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱Multitronic CVT ，能傳動(dòng)142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。這是真正意義的無(wú)級(jí)變速器。
另一種摩擦傳動(dòng)CVT(名為Extroid CVT)是滾輪轉(zhuǎn)盤式。日產(chǎn)把它裝在概念車XVL上首次于去年?yáng)|京車展展示，新款公爵(Cedric)車也裝用這種CVT。可與3L以上排量的大馬力內(nèi)燃機(jī)(XVL的引擎輸出為330Nm/194kw)搭配使用，可謂汽車變速箱發(fā)展史上又一重要進(jìn)步。
從V形橡膠帶CVT到V型金屬帶CVT再到滾輪轉(zhuǎn)盤式CVT，摩擦傳動(dòng)CVT的研究已持續(xù)了整整一個(gè)世紀(jì)，盡管摩擦傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到很高的水平，也已經(jīng)裝備上汽車達(dá)到了實(shí)用的水平。但齒輪變速箱依然占據(jù)著半壁河山，這至少說(shuō)明了四個(gè)問(wèn)題：
（1）無(wú)級(jí)變速（CVT）是汽車變速箱始終追逐的目標(biāo)。
（2）摩擦傳動(dòng)CVT實(shí)現(xiàn)大功率的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)是極為困難的。
（3）摩擦傳動(dòng)CVT傳動(dòng)效率低是必然的。
（4）摩擦傳動(dòng)CVT的效率，功率無(wú)法與齒輪變速相比。
2．液力傳動(dòng)
人們經(jīng)常把液力自動(dòng)變速器（AT）和無(wú)級(jí)變速器（CVT）兩個(gè)概念混為一談。實(shí)際上這兩種變速器工作原理完全不同。液力自動(dòng)變速器免除了手動(dòng)變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，使開車變得簡(jiǎn)單、省力。但是, 液力自動(dòng)變速器（AT）不是無(wú)級(jí)變速，是有級(jí)變速的自動(dòng)控制，沒(méi)有從根本上滿足汽車對(duì)變速器的要求。
從原始橡膠帶無(wú)級(jí)變速箱到現(xiàn)代金屬鏈無(wú)級(jí)變速箱、滾輪轉(zhuǎn)盤式CVT，百年大回轉(zhuǎn)說(shuō)明：無(wú)級(jí)變速箱是汽車變速箱的最終歸屬，液力自動(dòng)變速器只不過(guò)是一種過(guò)渡產(chǎn)品。
3．電控機(jī)械式自動(dòng)變速器
電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmission簡(jiǎn)稱"AMT")和液力自動(dòng)變速器（AT）一樣，不是無(wú)級(jí)變速器，是有級(jí)變速器的自動(dòng)換檔控制。其特點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)部分沿用了傳統(tǒng)的有級(jí)變速箱，但控制參量太多，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制相當(dāng)困難。
4． 齒輪無(wú)級(jí)變速器
5． 齒輪無(wú)級(jí)變速器（Gear Continuously Variable Transmission）這是一種全新的設(shè)計(jì)思想，是利用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效率、大功率的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。
據(jù)最新消息：一種"齒輪無(wú)級(jí)變速裝置"(Gear Continuously Variable Transmission簡(jiǎn)稱"G-CVT")已經(jīng)試制成功，并已經(jīng)進(jìn)行了多次樣機(jī)試驗(yàn)。"齒輪無(wú)級(jí)變速裝置"結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，只有不足20種非標(biāo)零件，51個(gè)零件，生產(chǎn)成本甚至低于手動(dòng)變速箱。預(yù)計(jì)今年進(jìn)行裝車試驗(yàn)。
齒輪無(wú)級(jí)變速器的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：
（1）傳動(dòng)功率大，200KW的傳動(dòng)功率是很容易達(dá)到的；
（2）傳動(dòng)效率高，90%以上的傳動(dòng)效率是很容易達(dá)到的；
（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大幅度降低生產(chǎn)成本，相當(dāng)于自動(dòng)變速箱的1/10；
（4）對(duì)汽車而言，提高傳動(dòng)效率，節(jié)油20%；
（5）發(fā)動(dòng)機(jī)在理想狀態(tài)下工作，燃料燃燒完全，排放干凈，極大的減少了對(duì)環(huán)境的污染。
1.2汽車變速器設(shè)計(jì)的目的和意義
隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)也漸漸成為我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)，汽車的使用已經(jīng)遍布全國(guó)，而隨著我國(guó)加入WTO，人民的生活水平不斷提高，微型客貨兩用車、轎車等高級(jí)消費(fèi)品已經(jīng)入平常家庭。
在我國(guó)，汽車工業(yè)起步較晚。入世后，我國(guó)的汽車面臨的是機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的不斷壯大，以及汽車行業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展，如何設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，工作可靠，性能優(yōu)良，且符合中國(guó)國(guó)情的汽車已經(jīng)是當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)者的緊迫問(wèn)題。在面臨著前所未有的機(jī)遇的同時(shí)，不得不承認(rèn)在許多技術(shù)上，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，所以我們要努力為我國(guó)的汽車工業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
現(xiàn)代汽車的動(dòng)力設(shè)置，幾乎都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。它具有體積小，質(zhì)量輕，工作可靠，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但其性能與汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在著較大的矛盾。
此外，汽車的使用條件頗為復(fù)雜，變化很大。如汽車的載貨量、道路坡度、路面好壞以及交通情況等。這就要求汽車的牽引力和車速具有較大的變化范圍，以及適應(yīng)使用的需要。當(dāng)汽車在平坦的道路上，以高速行駛時(shí)，可掛入變速器的高速檔；而在不平的路上或爬較大的坡道時(shí)，則應(yīng)掛入變速器的低速檔。根據(jù)汽車的使用條件，選擇合適的變速器檔位，不僅是汽車動(dòng)力性的要求，而且也是汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的要求。例如，汽車在同樣的載貨量、道路、車速等條件下行時(shí)，往往可掛入較高的變速器檔位，也可掛入較低的檔位工作。此時(shí)只是發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速或大或小而已，可是發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下，燃料的消耗量是不一樣的。一般變速器具有四個(gè)或更多的檔位，駕駛員可根據(jù)情況選擇合適的檔位，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗量減小。
經(jīng)過(guò)這幾年的學(xué)習(xí)，我掌握了多門基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)。在大學(xué)畢業(yè)，即將走向工作崗位之際，按學(xué)校的要求，進(jìn)行了CA5-38變速器的設(shè)計(jì)。充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的知識(shí)掌握和創(chuàng)新思維。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我將進(jìn)一步鞏固所學(xué)的知識(shí)，提高實(shí)際運(yùn)用能力，并為以后參加工作打下良好的基礎(chǔ)。
1.3汽車變速器設(shè)計(jì)的研究方法和主要內(nèi)容
在本次設(shè)計(jì)中，由于是對(duì)傳統(tǒng)的變速器進(jìn)行改進(jìn)性設(shè)計(jì)，我在設(shè)計(jì)中參考了一汽集團(tuán)的CA1051K26L4-3中型貨車的變速器，采用了鎖環(huán)式同步器的換檔方式。
在設(shè)計(jì)中，我們除了對(duì)汽車變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的布置外，還運(yùn)用了材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)，對(duì)變速器的重要零件—軸和齒輪進(jìn)行受力分析，強(qiáng)度、剛度的校核，以及為這些零件選擇合理的工程材料和熱處理方法，同時(shí)也為變速器選擇合理的同步器和操縱機(jī)構(gòu)。
通過(guò)參考CA1051K26L4-3中型貨車的變速器及學(xué)校實(shí)驗(yàn)室里的松花江中型貨車的變速器，對(duì)變速器進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)布置，校核軸和齒輪的強(qiáng)度、剛度，選擇材料和熱處理方法；接下來(lái)的主要任務(wù)是繪制變速器的裝配圖和重要的零件圖，確定個(gè)零件的精度等級(jí)及其它參數(shù)；最后，是對(duì)整體論文的編寫整理整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種資料，以及對(duì)前期設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤做出修改。
本次設(shè)計(jì)主要是依據(jù)參考的中型貨車的參數(shù)，通過(guò)對(duì)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)5檔變速器。本文主要完成下面一些主要工作：
1．參數(shù)計(jì)算。包括變速器傳動(dòng)比計(jì)算、中心距計(jì)算、齒輪參數(shù)計(jì)算、各檔齒輪齒數(shù)的分配；
2．變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算。變速器齒輪幾何尺寸計(jì)算；變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算及材料選擇；計(jì)算各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速；齒輪強(qiáng)度計(jì)算及檢驗(yàn)；
3．變速器軸設(shè)計(jì)計(jì)算。包括各軸直徑及長(zhǎng)度計(jì)算、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度計(jì)算、軸的加工工藝分析；
4．變速器軸承的選擇及校核；
5．同步器的設(shè)計(jì)選用和參數(shù)選擇；
6．變速器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用；
7．變速器箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第2章變速器的結(jié)構(gòu)方案的確定
2.1變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分析和布置方案的確定
目前，汽車上采用的變速器結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，這是由于各國(guó)汽車的使用、制造、修理等條件不同，也是由于各種類型汽車的使用要求不同所決定的。盡管如此，一般變速器的結(jié)構(gòu)形式，仍具有很多共同點(diǎn)。各種機(jī)構(gòu)形式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，這些優(yōu)缺點(diǎn)隨主觀和客觀條件的變化而變化。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入實(shí)際，收集資料，調(diào)查研究，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，并盡可能地考慮到產(chǎn)品的系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，最后確定較合適的方案。
機(jī)械式變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、制造成本低和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。
通常，有級(jí)變速器具有三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)前進(jìn)檔；重型載貨汽車和重型越野車則采用多檔變速器，其前進(jìn)檔位數(shù)多大6～16個(gè)甚至20個(gè)。變速器檔位的增多可提高發(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。但檔位數(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)才使用的超速檔。采用傳動(dòng)比小于1（約為0.7～0.8）的超速檔，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的直接檔比較，采用超速檔會(huì)降低傳動(dòng)效率。
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)，包括齒輪副的數(shù)目、齒輪的轉(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。
2.1.1兩軸式與中間軸式變速器的優(yōu)缺點(diǎn)分析
1．兩軸式變速器 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。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，發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器采用弧齒錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則采用斜齒圓柱齒輪；多數(shù)方案的倒檔傳動(dòng)常用滑動(dòng)齒輪，其他檔位均采用常嚙合齒輪傳動(dòng)。與中間軸式變速器相比，它具有軸和軸承數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輪廓尺寸小、易布置等優(yōu)點(diǎn)。此外，各中間檔因只經(jīng)一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力，故傳動(dòng)效率高，同時(shí)噪聲低。但兩軸式變速器不能設(shè)置直接檔，所以在高檔工作時(shí)齒輪和軸承均承載，工作噪聲增大且易損壞；受結(jié)構(gòu)限制其一檔速比不能設(shè)計(jì)的很大；對(duì)于前進(jìn)檔，兩軸式變速器輸入軸的傳動(dòng)方向與輸出軸的傳動(dòng)方向相反。
2．中間軸式變速器 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)的汽車上。其特點(diǎn)是：變速器一軸后端與常嚙合齒輪做成一體。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)，且保持兩軸軸線在同一條直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接后可得到直接檔，使用直接檔，變速器齒輪和軸承及中間軸不承載，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的利用率要高于其他檔位，因而提高了變速器的使用壽命；在其他前進(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)方案中除了一檔以外的其他檔位的換擋機(jī)構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一檔也采用同步器或結(jié)合套換擋，還有各檔同步器或結(jié)合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。
在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)。
2.1.2變速器倒檔布置方案分析確定
倒檔齒輪的結(jié)構(gòu)及其軸的位置，應(yīng)與變速器的整體結(jié)構(gòu)方案同時(shí)考慮。倒檔設(shè)計(jì)在變速器的左側(cè)或右側(cè)在機(jī)構(gòu)上均能實(shí)現(xiàn)，不同之處是掛倒檔時(shí)駕駛員移動(dòng)變速桿的方向改變了。在結(jié)構(gòu)布置上，要注意的是在不掛入倒檔時(shí)，為了防止意外掛入倒檔，一般在掛倒檔時(shí)設(shè)有一個(gè)掛倒檔時(shí)需克服彈簧所產(chǎn)生的力，用來(lái)提醒駕駛員注意。倒檔齒輪不能與第二軸齒輪有嚙合的狀況。換倒檔時(shí)能順利換入倒檔，而不和其它齒輪發(fā)生干涉。
與前進(jìn)檔位比較，倒檔使用率不高，而且都是在停車狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)換倒檔，故多數(shù)方案采用直齒滑動(dòng)齒輪方式換倒檔。為實(shí)現(xiàn)倒檔傳動(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；也有利用兩個(gè)聯(lián)體齒輪方案的。前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是中間傳動(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，并使倒檔傳動(dòng)比略有增加。也有少數(shù)變速器采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜和使成本增加的嚙合套或同步器方案換入倒檔。
圖2.1 倒檔布置方案
圖2.1為常見(jiàn)的倒檔布置方案。圖2.1b所示方案的優(yōu)點(diǎn)是換倒檔時(shí)利用了中間軸上的一檔齒輪，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，使換檔困難。圖2.1c所示方案能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換檔程序不合理。圖2.1d所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換檔更為輕便，且能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比。圖2.1e所示方案針對(duì)圖2.1c所示方案的缺點(diǎn)做了修改，因而取代了圖2.1c所示方案。圖2.1f所示方案是將中間軸上的一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)。圖2.1g所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換檔更為輕便。為了充分利用空間，縮短變速器軸向長(zhǎng)度，有的貨車倒檔傳動(dòng)采用圖2.1h所示方案。其缺點(diǎn)是一、倒檔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。
2.2變速器零、部件結(jié)構(gòu)方案分析確定
2.2.1齒輪形式
變速器齒輪有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。與直齒圓柱齒輪比較，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)工藝復(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檔。
變速器齒輪可以與軸設(shè)計(jì)為一體或與軸分開，然后用花鍵、過(guò)盈配合或者滑動(dòng)支承等方式之一與軸連接。齒輪尺寸小又與軸分開，其內(nèi)徑直徑到齒根圓處的厚度（圖2.2）影響齒輪強(qiáng)度。要求尺寸應(yīng)該大于或等于輪齒危險(xiǎn)斷面處的厚度。為了使齒輪裝在軸上以后，保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部分的寬度尺寸，在結(jié)構(gòu)允許條件下應(yīng)盡可能取大些，至少滿足尺寸要求：
(2.1)
式中：——花鍵內(nèi)徑。
圖2.2 變速器齒輪尺寸控制圖
為了減小質(zhì)量，輪輻處厚度應(yīng)在滿足強(qiáng)度條件下設(shè)計(jì)得薄些。圖2.2中的尺寸可取為花鍵內(nèi)徑的1.25～1.40倍。
齒輪表面粗糙度數(shù)值降低，則噪聲減少，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。變速器齒輪齒面的表面粗糙度應(yīng)在μm范圍內(nèi)選用。
2.2.2變速器自動(dòng)脫檔機(jī)構(gòu)形式分析確定
自動(dòng)脫檔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)脫檔。為解決這個(gè)問(wèn)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2.3a所示。這樣在嚙合時(shí)，使接合齒端部超過(guò)被接合齒的1～3mm。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(lái)阻止接合齒自動(dòng)脫檔。
2．將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒厚切?。ㄇ邢?.3～0.6mm），這樣，換檔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)脫檔，如圖2.3b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)脫檔的軸向力，如圖3-3c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)脫檔的效果。
a） b) c)
圖2.3防止自動(dòng)脫擋的機(jī)構(gòu)措施
2.3本章小結(jié)
本章主要針對(duì)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和布置方案方案的確定以及變速器零、部件的結(jié)構(gòu)的確定，為下面的設(shè)計(jì)過(guò)程作鋪墊。
第3章 載貨汽車主要參數(shù)的確定
3.1發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)現(xiàn)在載貨汽車選用發(fā)動(dòng)機(jī)的情況，參照CA1051K26L4-3中型貨車，針對(duì)本次設(shè)計(jì)任務(wù)選用大柴 CA4DC2-12E3柴油機(jī)。
表3.1 大柴 CA4DC2-12E3柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)
大柴 CA4DC2-12E3
發(fā)動(dòng)機(jī)形式
四缸直列，電控共軌
燃油種類
柴油
排量
3.168L
排放標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)Ⅲ
最大輸出功率
88KW
最大馬力
120馬力
最大扭矩
245N·m
最大扭矩轉(zhuǎn)速
2000
全負(fù)荷最低燃油耗率
210g/kW·h
發(fā)動(dòng)機(jī)凈重
290KG
發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸
790×784×796mm
額定轉(zhuǎn)速
3200RPM
汽缸行程
105mm
汽缸缸徑
98mm
3.2質(zhì)量參數(shù)的確定
汽車的整備質(zhì)量利用系數(shù)：
（3.1）
式中 ——汽車的載質(zhì)量；
——整車整備質(zhì)量。
表3.2貨車的質(zhì)量系數(shù)
參數(shù)
車型
總質(zhì)量
貨 車
1.8＜≤6.0
0.80～1.10①
6.0＜≤14.0
1.20～1.35
＞14.0
1.30～1.70
①裝柴油機(jī)的貨車為0.80～1.00。
汽車總質(zhì)量：
商用貨車的總質(zhì)量由整備質(zhì)量、載質(zhì)量和駕駛員以及隨行人員質(zhì)量三部分組成，即
(3.2)
式中，為包括駕駛員及隨行人員數(shù)在內(nèi)的人數(shù)，應(yīng)等于座位數(shù)。
此載貨汽車是柴油機(jī)，查表3.1得質(zhì)量利用系數(shù)為0.8～1.10，其載質(zhì)量是=3.0×103kg, 由公式（3.1）得：
=2000～2500kg
因?yàn)榇塑囋O(shè)計(jì)為單排室,所以=2,由公式（3.2）得:
=（2000～2500）+3000+2×65
=5130～5630kg
本課題選用ma=5500kg。
3.3 車速的確定
(3.3)
式中 ——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，kW；
——傳動(dòng)系傳動(dòng)效率，對(duì)單級(jí)主減速器驅(qū)動(dòng)橋的4×2式汽車取≈0.9；
——汽車總質(zhì)量，kg；
——重力加速度，m／s2；
——滾動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)載貨汽車取0.02，對(duì)礦用自卸汽車取0.03，對(duì)轎車等高速車輛需考慮車速影響并?。?.0165+0.0001（）；
——最高車速，km／h；
——空氣阻力系數(shù)，轎車取0.4～0.6，客車取0.6～0.7，貨車取0.8～1.0
——汽車正面投影面積，㎡，若無(wú)測(cè)量數(shù)據(jù)，可按前輪距B1、汽車總高H、汽車總寬B等尺寸近似計(jì)算：
對(duì)轎車 A≈0.78BH，
對(duì)載貨汽車 A≈B1 H。
由公式（3.3）得：
算出≈95km/h, 因?yàn)檩d貨汽車最高設(shè)計(jì)車速不大于110km/h，所以該車滿足要求。
3.4本章小結(jié)
本章主要介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)的確定、發(fā)動(dòng)機(jī)選型與車速的確定，這是設(shè)計(jì)本課題的前提，為以后的設(shè)計(jì)確定了方向。
第4章 變速器主要參數(shù)的選擇
4.1變速器檔位數(shù)目及各檔傳動(dòng)比
4.1.1變速器檔位數(shù)目的確定
對(duì)不同類型的汽車，具有不同的傳動(dòng)系檔位數(shù)，其原因在于它們的使用條件不同、對(duì)整車性能要求不同、汽車本身的比功率不同。而傳動(dòng)系的檔位數(shù)的多少對(duì)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性影響很大。檔數(shù)多，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在最大功率附近的轉(zhuǎn)速工作，而且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍小，發(fā)動(dòng)機(jī)平均功率高，故可提高汽車的動(dòng)力性。即提高汽車的加速能力和爬坡能力。檔數(shù)多也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低油耗區(qū)工作的可能性，因而提高了汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性。檔數(shù)多少還影響相鄰的低檔與高檔間傳動(dòng)比的比值。檔數(shù)多，則此比值小，換檔容易。相鄰的低檔與高檔間傳動(dòng)比的比值不應(yīng)大于1.8，而且高檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動(dòng)比比值要比低檔區(qū)相鄰檔位之間的比值小。檔數(shù)多的缺點(diǎn)是使變速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量增大、操縱不輕便等。
近年來(lái)，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前，乘用車一般用4～5個(gè)檔位的變速器。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車變速器多用5個(gè)檔。商用車變速器采用4～5個(gè)檔或多檔。總質(zhì)量3.5t以下的貨車多采用四檔變速器，總質(zhì)量3.5～10.0t的貨車多采用五檔變速器?？傎|(zhì)量大于10t的貨車多采用六檔變速器。多檔變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車和越野汽車上。
4.1.2主減速比的確定
(4.1)
式中； ——汽車行駛速度（km/h）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——車輪滾動(dòng)半徑（m）；
——變速器傳動(dòng)比；
——主減速器傳動(dòng)比。
(4.2)
式中： ——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩（N·m）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率（Kw）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速（r/min）
——轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)=1.1～1.3
(4.3)
式中： ——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速
已知：最高車速==95 km/h；最高檔為直接檔，傳動(dòng)比=1；車輪滾動(dòng)半徑由所選用的輪胎規(guī)格7.50—16得到=0.41(m)；發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速=2000 (r/min)；轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)=1.1～1.3；由公式（4.2）和（4.3）得到發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速=4000 (r/min)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速==4000（r/min）；由公式（4.1）得到主減速器傳動(dòng)比：
4.1.3 變速器一檔傳動(dòng)比的確定
在選擇最低檔傳動(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(lái)綜合考慮來(lái)確定。
汽車行駛方程式
(4.4)
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。故有：
(4.5)
一般貨車的最大爬坡度約為30%，即=16.7°則由最大爬坡度要求的變速器1擋傳動(dòng)比為：
(4.6)
式中：——汽車總質(zhì)量，Kg；
——重力加速度，m/s2；
——道路附著系數(shù)，；
——驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑，m；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m
——主減速比，；
——汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，。
將各數(shù)據(jù)代入式(4.6)中得：
根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件：
(4.7)
可求得變速器一檔傳動(dòng)比為：
(4.8)
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，因?yàn)樨涇?×2后輪雙胎滿載時(shí)后軸的軸荷分配范圍為60%～68%，所以G2=5500×9.8×65％=35035N
——道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取～；
其他參數(shù)同式(4.6)。
將各數(shù)據(jù)代入式(4.8)得：
通過(guò)以上計(jì)算可得到5.313＜＜6.006，國(guó)產(chǎn)汽車中，轎車變速器傳動(dòng)比變化范圍是3～4，中、輕型貨車約為5～6，其他貨車在7以上。所以在本設(shè)計(jì)中，取。
4.1.4變速器各檔傳動(dòng)比的確定
變速器各檔傳動(dòng)比之間的關(guān)系基本是幾何級(jí)數(shù),故相鄰檔位傳動(dòng)比比值就是幾何級(jí)數(shù)的公比；但是實(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。
此變速器的最高檔為直接檔，其傳動(dòng)比為1.0，一檔傳動(dòng)比初選為5.625中間各檔的傳動(dòng)比按理論公式 （其中n為檔位數(shù)）求得公比。
因?yàn)椋裕?
4.2變速器中心距的確定
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)兩軸式變速器，將變速器輸入軸與輸出軸線之間的距離稱之為變速器中心距。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(lái)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(guò)小而影響殼體的強(qiáng)度考慮，要求中心距取大些。此外，受一檔小齒輪齒數(shù)不能過(guò)少的限制，要求中心距也要取大些。還有，變速器中心距取得過(guò)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。
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)公式初選，經(jīng)驗(yàn)公式為：
(4.9)
式中：——中心距系數(shù)，乘用車： ，商用車：
——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；
——變速器一擋傳動(dòng)比；
——變速器的傳動(dòng)效率，取96%；
將各數(shù)代入式(4.9)中得
也可以由發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩按下式直接求出：
(4.10)
式中：——按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩直接求時(shí)的中心距系數(shù)，對(duì)乘用車取14.5～16.0；對(duì)商用車取17.0～19.5
將各數(shù)代入式(4.10)中得
綜上所述，初選中心距=110mm。
4.3變速器的齒輪參數(shù)的確定
4.3.1齒輪齒數(shù)
確定變速器齒輪齒數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮：
1．盡量符合動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等對(duì)各檔傳動(dòng)比的要求；
2．最少齒數(shù)不應(yīng)產(chǎn)生根切。通常，變速器中間軸一檔齒輪是齒數(shù)最少的齒輪，此齒輪不應(yīng)產(chǎn)生根切，而且齒根圓直徑應(yīng)大于中間軸直徑；
3．互相嚙合的齒輪，齒數(shù)間不應(yīng)有公因數(shù)，速度高的齒輪更應(yīng)注意這點(diǎn)；
4．齒數(shù)多，可降低齒輪傳動(dòng)的躁聲。
4.3.2齒輪模數(shù)
齒輪模數(shù)由輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度或最大載荷作用下的靜強(qiáng)度所決定。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)轎車很重要，而對(duì)載貨汽車則應(yīng)重視減小質(zhì)量。
根據(jù)圓柱齒輪強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，可列出齒輪模數(shù)m與彎曲應(yīng)力之間有如下關(guān)系：
直齒輪模數(shù)
(4.11)
式中 ——計(jì)算載荷，N·mm；
——應(yīng)力集中系數(shù)，直齒齒輪取1.65；
——摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪取1.1，被動(dòng)齒輪取0.9；
——齒輪齒數(shù)；
——齒寬系數(shù)，直齒齒輪取4.4～7.0；
——齒形系數(shù)，見(jiàn)圖4-1；
——輪齒彎曲應(yīng)力，當(dāng)時(shí)，直齒齒輪的許用應(yīng)力MPa。
斜齒輪法向模數(shù)
(4.12)
式中 ——計(jì)算載荷，N·mm；
——應(yīng)力集中系數(shù)，斜齒齒輪取1.5；
——斜齒螺旋角；
——摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪取1.1，被動(dòng)齒輪取0.9；
——齒輪齒數(shù)；
——齒寬系數(shù)，斜齒齒輪取7.0～8.6；
——齒形系數(shù)，見(jiàn)圖4-1；
——輪齒彎曲應(yīng)力，當(dāng)時(shí)，對(duì)乘用車變速器斜齒齒輪的許用應(yīng)力MPa，商用車變速器斜齒齒輪的許用應(yīng)力MPa。
從輪齒應(yīng)力的合理性及強(qiáng)度考慮,每對(duì)齒輪應(yīng)有各自的模數(shù),但出于工藝考慮，模數(shù)應(yīng)盡量統(tǒng)一,多采用折衷方案。表4.1給出了汽車變速器齒輪模數(shù)范圍。
表4.1 汽車變速器齒輪的法向模數(shù)（mm）
車型
乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量V/L
貨車的最大總質(zhì)量/t
1.0＞V≤1.6
1.6＜V≤2.5
6.0＜≤14.0
＞14.0
模數(shù)/mm
2.25～2.75
2.75～3.00
3.50～4.50
4.50～6.00
設(shè)計(jì)時(shí)所選模數(shù)應(yīng)符合國(guó)標(biāo)GB1357-78規(guī)定（表4.1）并滿足強(qiáng)度要求。
表4.2 汽車變速器常用齒輪模數(shù)（mm）
一系列
1.00
1.25
1.5
2.00
2.50
3.00
4.00
5.00
6.00
二系列
1.75
2.25
2.75
（3.25）
3.50
（3.75）
4.50
5.50
—
對(duì)貨車，減小質(zhì)量比減小噪聲更重要，故齒輪應(yīng)該選用大些的模數(shù)；現(xiàn)代汽車變速器通常是高檔齒輪用一種模數(shù)，一檔和倒檔齒輪用另一種模數(shù)。
嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)采用漸開線。由于工藝上的原因，同一變速器中的接合齒模數(shù)相同。其取值范圍是：乘用車和總質(zhì)量在1.8～14.0t的貨車為2.0～3.5mm；總質(zhì)量大于14.0t的貨車為3.5～5.0mm。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利于換檔。
由表4.1和表4.2并且參照同類車型選取模數(shù)
圖4.1 齒形系數(shù)y
4.3.3齒形、壓力角及螺旋角
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。變速器齒輪用20°,嚙合套或同步器的接合齒壓力角用30°。
斜齒輪在變速器中得到廣泛的應(yīng)用。選斜齒輪的螺旋角，要注意它對(duì)齒輪工作噪聲齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。從提高低檔齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，不希望用過(guò)大的螺旋角；而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)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，中間軸上的不同檔位齒輪的螺旋角應(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。一檔和倒檔設(shè)計(jì)為直齒時(shí)，在這些檔位上工作，中間軸上的軸向力不能抵消(但因?yàn)檫@些檔位使用得少，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4.2可知，欲使中間軸上兩個(gè)斜齒輪的軸向力平衡，須滿足下述條件：
； (4.13)
由于T=，為使兩軸向力平衡，必須滿足
(4.14)
式中，，為軸向力，，為圓周力，，為節(jié)圓半徑；為中間軸傳遞的轉(zhuǎn)矩。
圖4.2中間軸軸向力的平衡
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。
斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用：
兩軸式變速器為 ：20°～30°
中間軸式變速器為：22°～34°
貨車變速器：18°～34°
汽車變速器的齒形、壓力角及螺旋角按表4.3選取。
表4.3 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
，，，
～
一般貨車
GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形
～
重型車
GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形
低檔、倒檔齒輪，
小螺旋角
4.3.4齒寬
在選擇齒寬時(shí)，應(yīng)該注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸、質(zhì)量、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)的受力均勻程度等均有影響。
考慮到盡可能縮短變速器的軸向尺寸和減少質(zhì)量，應(yīng)該選用較小的齒寬。另一方面，齒寬減小使斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)被削弱，此時(shí)雖然可以用增加齒輪螺旋角的方法給予補(bǔ)償，但這時(shí)軸承承受的軸向力增大，使其壽命降低。齒寬窄又會(huì)使齒輪的工作應(yīng)力增加。選用寬些的齒寬，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造成偏載，導(dǎo)致承載能力降低，并在齒寬方向磨損不均勻。
通常根據(jù)齒輪模數(shù)m(mn)的大小來(lái)選定齒寬
直齒，為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0；
斜齒，取為6.0～8.5。
采用嚙合套或同步器換檔時(shí)，其接合齒的工作寬度初選時(shí)可取為2～4mm。
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)力降低，以提高傳動(dòng)平穩(wěn)性和齒輪壽命。對(duì)于模數(shù)相同的各檔齒輪，檔位低的齒輪的齒寬系數(shù)取的稍大。
4.3.5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0.75～0.80的短齒制齒輪。我國(guó)規(guī)定，齒頂高系數(shù)取為1.00。
4.3.6齒輪的修正
為了改善齒輪傳動(dòng)的某些性能，常對(duì)齒輪進(jìn)行修正。修正的方法有三種：
1．加工時(shí)改變刀具與齒輪毛坯的相對(duì)位置，又稱變位；
2．改變刀具的原始齒廓參數(shù)；
3．改變齒輪齒廓的局部漸開線，又稱修形。
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)，又避免了其缺點(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)度和抗膠合及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)齒輪齒根總厚度越薄，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，對(duì)于變速器中除去一、二檔和倒檔以外的其它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)。
4.4變速器的外形尺寸
變速器的外形尺寸主要指變速器的軸向尺寸，其軸向尺寸與檔位數(shù)、齒輪型式、換檔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式等都有直接關(guān)系，設(shè)計(jì)初可根據(jù)中心距的尺寸參照下列關(guān)系式初選。
商用車變速器殼體的軸向尺寸可參考下列數(shù)據(jù)選用：
四檔 （2.2～2.7）
五檔 （2.7～3.0）
六檔 （3.2～3.5）
此變速器為五檔，故外形尺寸為（2.7～3.0）=291～330mm。
4.5變速器各檔齒輪齒數(shù)的分配
在初選中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的檔數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。應(yīng)該注意的是，各檔齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使齒面磨損均勻。
圖4.3變速器傳動(dòng)示意圖
4.5.1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)取定的和齒輪變位系數(shù)重新計(jì)算中心距，再以修正后的中心距作為各檔齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。
==110.01mm取整為=110mm。
4.5.2確定一檔齒輪的齒數(shù)及其參數(shù)
一檔齒輪選用斜齒圓柱齒輪，模數(shù)=4mm，初選螺旋角=22°。中間軸一檔齒輪齒數(shù)，貨車可在12-17之間選用，最小為12-14，取=13，一檔齒輪為斜齒輪。
一檔傳動(dòng)比為: (4.15)
為了求，的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和，
斜齒: (4.16)
==50.995取整為51
即=-=51-13=38
對(duì)一檔齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
端面壓力角：
端面嚙合角：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算一檔齒輪13、14參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
當(dāng)量齒數(shù)：
4.5.3確定五檔齒輪的齒數(shù)及其參數(shù)
常嚙合五檔齒輪選用斜齒圓柱齒輪，模數(shù)=4mm，初選螺旋角=24°。
由式(4.15)求出常嚙合傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比
(4.16)
常嚙合傳動(dòng)齒輪的中心距與一檔齒輪的中心距相等，即
(4.17)
由式(4.16)、(4.17)得=17.18，=33取整為=17，=33，則：
對(duì)常嚙合齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
理論中心距：
端面壓力角 ：
端面嚙合角 ：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算常嚙合齒輪1、 2參數(shù)：
分度圓直徑:
齒頂高:
齒根高:
齒全高:
齒頂圓直徑:
齒根圓直徑:
當(dāng)量齒數(shù):
4.5.4確定二檔齒輪的齒數(shù)及其參數(shù)
1．二檔齒輪為斜齒輪，模數(shù)=3.75mm，初選=23°
(4.18)
(4.19)
由式（4.18）、（14.19）得=35.26，=18.7取整為=35，=19
對(duì)二檔齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
理論中心距：
端面壓力角 ：
端面嚙合角 ：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算二檔齒輪7、8參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
當(dāng)量齒數(shù)：
4.5.5確定三檔齒輪的齒數(shù)及其參數(shù)
2．三檔齒輪為斜齒輪，模數(shù)=3.5mm，初選=24°
(4.20)
(4.21)
由式(4.20)、(4.21)得=31.5，=25.84取整為=31，=26
對(duì)三檔齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
理論中心距：
端面壓力角：
端面嚙合角：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算三檔齒輪5、6參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
當(dāng)量齒數(shù)：
4.5.6確定四檔齒輪的齒數(shù)及其參數(shù)
3．四檔齒輪為斜齒輪，模數(shù)=3.5mm，初選=24°
(4.22)
(4.23)
由式(4.22)、(4.23)得=25.4，=32.0取整為=25，=33
對(duì)四檔齒輪進(jìn)行角度變位：
確定實(shí)際螺旋角：
理論中心距：
端面壓力角 ：
端面嚙合角 ：
中心距變動(dòng)系數(shù)λn：
變位系數(shù)之和：
查變位系數(shù)線圖得：
齒頂降低系數(shù)σn：
計(jì)算四檔齒輪3、4參數(shù)：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
當(dāng)量齒數(shù)：
4.5.7確定倒檔齒輪齒數(shù)
倒檔齒輪選用直尺雙聯(lián)齒輪，倒檔齒輪選用的模數(shù)與一檔相同，倒檔齒輪的齒數(shù)一般在21～23之間，初選后，可計(jì)算出中間軸與倒檔軸的中心距。初選=23，=14，則：
=
=74mm
為保證倒檔齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，齒輪9和11的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙，則齒輪9的齒頂圓直徑應(yīng)為
=2×110－4×(14+2)－1=155mm
=－2=36.75
為了保證齒輪9和11的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙，取=35
參照同類車型齒輪z10一般齒數(shù)小于z12，倒值與1值相近，取z10=21
計(jì)算倒檔軸和第二軸的中心距：
=
=112mm
計(jì)算倒檔傳動(dòng)比：
=
=5.315
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒全高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
4.6本章小結(jié)
本章首先根據(jù)所學(xué)汽車?yán)碚摰闹R(shí)計(jì)算出主減速器的傳動(dòng)比，然后計(jì)算出變速器的各檔傳動(dòng)比；接著確定齒輪的參數(shù)，如齒輪的模數(shù)、壓力角、螺旋角、齒寬、齒頂高系數(shù)；介紹了齒輪變位系數(shù)的選擇原則，并根據(jù)各檔傳動(dòng)比計(jì)算各檔齒輪的齒數(shù)，根據(jù)齒數(shù)重新計(jì)算各檔傳動(dòng)比，同時(shí)對(duì)各檔齒輪進(jìn)行變位。
第5章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)及校核
5.1 齒輪的材料選擇
5.1.1齒輪的失效形式
變速器齒輪的損壞形式主要有三種：齒輪折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合。
1．齒輪折斷
齒輪在嚙合過(guò)程中，輪齒表面承受有集中載荷的作用?？梢园演嘄X看作懸臂梁，輪齒根部彎曲應(yīng)力很大，過(guò)渡圓角處又有應(yīng)力集中，故輪齒根部很容易發(fā)生斷裂。齒輪折斷有兩種情況，一種是齒輪受到足夠大的突然載荷的沖擊作用，導(dǎo)致齒輪斷裂，這種破壞的斷面為粗粒狀。另一種是受到多次重復(fù)載荷的作用，齒根受拉面的最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)疲勞裂縫，裂縫逐漸擴(kuò)展到一定深度后，齒輪突然折斷。這種破壞的斷面在疲勞斷裂部分呈光滑表面，在突然斷裂部分呈粗粒狀表面。變速器中齒輪的折斷以疲勞破壞居多數(shù)。
2．齒面點(diǎn)蝕
齒面點(diǎn)蝕是閉式齒輪傳動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)的一種損壞形式。因閉式齒輪傳動(dòng)齒輪在潤(rùn)滑油中工作，齒面長(zhǎng)期受到脈動(dòng)的接觸應(yīng)力作用，會(huì)逐漸產(chǎn)生大量與齒面成尖角的小裂縫。面裂縫中充滿了潤(rùn)滑油，嚙合時(shí)，由于齒面互相擠壓，裂縫中油壓增高，使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，最后導(dǎo)致齒面表層一塊塊剝落，齒面出現(xiàn)大量扇形小麻點(diǎn)，這就是齒面點(diǎn)蝕現(xiàn)象。若以節(jié)圓為界，把齒輪分為根部及頂部?jī)啥?，則靠近節(jié)圓的跟部齒面處，較靠近節(jié)圓的頂部齒面處點(diǎn)蝕嚴(yán)重；兩個(gè)互相嚙合的齒輪中，主動(dòng)的小齒輪點(diǎn)蝕嚴(yán)重。點(diǎn)蝕的后果不僅是齒面出現(xiàn)許多小麻點(diǎn)，而且由此使齒形誤差加大，產(chǎn)生動(dòng)載荷，也可能引起輪齒折斷。
3．齒面膠合
高速重載齒輪傳動(dòng)、軸線不平行的螺旋齒輪傳動(dòng)及雙曲面齒輪傳動(dòng)，由于齒面相對(duì)滑動(dòng)速度大，接觸壓力大，使齒面間滑動(dòng)油模破壞，兩齒面間金屬材料直接接觸，局部溫度過(guò)高，互相熔焊粘聯(lián)，齒面沿滑動(dòng)方向形成撕傷痕跡，這種損壞形式叫膠合。在汽車變速器齒輪中，膠合損壞情況不多。
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。
5.1.2齒輪的常用材料及材料的選擇
齒輪材料的種類很多，在選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素也很多，下述幾點(diǎn)可供選擇材料時(shí)參考：
1．齒輪材料必須滿足工作條件的要求。
例如，用于飛行器上的齒輪，要滿足質(zhì)量輕、傳動(dòng)功率達(dá)和可靠性高的要求，因此必須選擇力學(xué)性能高的合金鋼；礦山機(jī)械中的齒輪傳動(dòng)，一般功率很大、工作速度較低、周圍環(huán)境中粉塵行量極高，因此往往選擇鑄鋼或鑄鐵等材料；家用及辦公用的機(jī)械的功率很小，但要求傳動(dòng)平穩(wěn)、低噪聲或無(wú)噪聲、以及能再少潤(rùn)滑貨物潤(rùn)滑狀態(tài)下正常工作，因此常選用工程塑料作為齒輪材料?？傊?，工作條件的要求是選擇齒輪材料時(shí)首先應(yīng)考慮的因素。
2．應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝。
大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而要求不高時(shí)，可選用圓鋼作毛坯