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本科課程設計說明書
題目：汽車設計課程設計
——變速器設計
學 院 機械與汽車工程學院
班 級 09級車輛3班
指導教師 趙克剛
學生姓名 鄭振群
學 號 200930081500
提交日期 2012年07月 06日
《車輛工程專業(yè)課程設計》設計任務書
機械與汽車學院 班級 姓名
一．設計任務：商用汽車變速器設計(I)
二．基本參數(shù)：協(xié)助同組總體設計同學完成車輛性能計算后確定
三．設計內(nèi)容
主要進行變速器總成設計，設計的內(nèi)容包括：
1．查閱資料、調(diào)查研究、制定設計原則
2．根據(jù)給定的設計參數(shù)(發(fā)動機最大力矩，傳動系傳動比，驅動輪類型與規(guī)格，汽車總質量和使用工況)，選擇變速器總成的傳動方案及零部件方案，協(xié)同設計完成一套完整的變速器裝置，設計過程中要進行必要的計算。
3．變速器結構設計和主要技術參數(shù)的確定
（1）主要參數(shù)的選擇和計算
中心距，外形尺寸，檔位數(shù)(不少于5擋)，各擋齒數(shù)等
（2）輸入軸(一軸)及輸出軸(二軸)主要零部件的設計與計算
齒輪強度計算，軸的強度計算，
3．結合同組“商用汽車變速器設計(II)”設計結果，繪制變速器裝配圖及主要零部件的零件圖
四．設計要求
1．變速器總成的裝配圖，1號圖紙一張。
裝配圖要求表達清楚各部件之間的裝配關系，標注出總體尺寸，配合關系及其它需要標注的尺寸，在技術要求部分應寫出總成的調(diào)整方法和裝配要求。
2．主要零部件的零件圖，3號圖紙4張。
要求零件形狀表達清楚、尺寸標注完整，有必要的尺寸公差和形位公差。在技術要求應標明對零件毛胚的要求，材料的熱處理方法、標明處理方法及其它特殊要求。
3．編寫設計說明書。
五．設計進度與時間安排
本課程設計為3周
１．明確任務，分析有關原始資料，復習有關講課內(nèi)容及熟悉參考資料0.5周。
２．設計計算 1.0周
３．繪圖 1.0周
４．編寫說明書、答辯 0.5周
六、主要參考文獻
1．成大先 機械設計手冊（第三版）
2．汽車工程手冊???? 機械工業(yè)出版社
3．陳家瑞 汽車構造（下冊） 人民交通出版社
4．王望予 汽車設計?????機械工業(yè)出版社
5．余志生 汽車理論???? 機械工業(yè)出版社
七．注意事項
（1）為保證設計進度及質量，設計方案的確定、設計計算的結果等必須取得指導教師的認可，尤其在繪制裝配圖前，設計方案應由指導教師審閱。圖面要清晰干凈；尺寸標注正確。
（2）編寫設計說明書時，必須條理清楚，語言通達，圖表、公式及其標注要清晰明確，對重點部分，應有分析論證，要能反應出學生獨立工作和解決問題的能力。
（3）獨立完成圖紙的設計和設計說明書的編寫，若發(fā)現(xiàn)抄襲或雷同按不及格處理。
八．成績評定
出勤情況（20%）
設計方案與性能計算（40%）
圖紙質量（20%）
說明書質量（20%）
評 語
總 成 績
指導教師
注意：此任務書要妥善保管，最后要裝訂在設計說明書的第一頁。
目錄
概 述 4
中間軸式變速器設計 5
一、 傳動方案和零部件方案的確定 5
[1] 傳動方案初步確定 5
[2] 零部件結構方案 6
二、 主要參數(shù)的選擇和計算 7
[1] 先確定最小傳動比 7
[2] 確定最大傳動比 8
[3] 擋位數(shù)確定 10
[4] 中心距A 10
[5] 外形尺寸設計 11
[6] 齒輪參數(shù) 11
三、 輪齒設計計算 16
[1] 齒輪彎曲強度計算 16
[2] 輪齒接觸應力 20
四、 軸的設計計算 24
[1] 軸的結構 24
[2] 確定軸的尺寸 24
[3] 軸的強度驗算 25
參考文獻 32
概 述
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)動機的扭矩和轉速，使汽車具有適合的牽引力和速度，并同時保持發(fā)動機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)動機和傳動系能夠分離，變速器具有倒擋和空擋。在有動力輸出需要時，還應有功率輸出裝置。
對變速器的主要要求是：
1.應保證汽車具有高的動力性和經(jīng)濟性指標。在汽車整體設計時，根據(jù)汽車載重量、發(fā)動機參數(shù)及汽車使用要求，選擇合理的變速器擋數(shù)及傳動比，來滿足這一要求。
2.工作可靠，操縱輕便。汽車在行駛過程中，變速器內(nèi)不應有自動跳擋、亂擋、換擋沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生。為減輕駕駛員的疲勞強度，提高行駛安全性，操縱輕便的要求日益顯得重要，這可通過采用同步器和預選氣動換擋或自動、半自動換擋來實現(xiàn)。
3.重量輕、體積小。影響這一指標的主要參數(shù)是變速器的中心距。選用優(yōu)質鋼材，采用合理的熱處理，設計合適的齒形，提高齒輪精度以及選用圓錐滾柱軸承可以減小中心距。
4.傳動效率高。為減小齒輪的嚙合損失，應有直接擋。提高零件的制造精度和安裝質量，采用適當?shù)臐櫥投伎梢蕴岣邆鲃有省?
5.噪聲小。采用斜齒輪傳動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。
中間軸式變速器設計
一、 傳動方案和零部件方案的確定
作為一輛前置后輪驅動的貨車，毫無疑問該選用中間軸式多擋機械式變速器。中間軸式變速器傳動方案的共同特點如下：
（1） 設有直接擋；
（2） 1擋有較大的傳動比；
（3） 擋位高的齒輪采用常嚙合傳動，擋位低的齒輪（1擋）可以采用 或不采用常嚙合齒輪傳動；
（4） 除1擋外，其他擋位采用同步器或嚙合套換擋；
（5） 除直接擋外，其他擋位工作時的傳動效率略低。
[1] 傳動方案初步確定
（1）變速器第一軸后端與常嚙合主動齒輪做成一體，第2軸前端經(jīng)滾針軸承支撐在第1軸后端的孔內(nèi)，且保持兩軸軸線在同一條直線上，經(jīng)同步器將它們連接后可得到直接擋。擋位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動，1擋采用滑動直齒齒輪傳動。
（2）倒擋利用率不高，而且都是在停車后再掛入倒擋，因此可以采用支持滑動齒輪作為換擋方式。倒擋齒輪采用聯(lián)體齒輪，避免中間齒輪在最不利的正負交替對稱變化的彎曲應力狀態(tài)下工作，提高壽命，并使倒擋傳動比有所增加，倒擋的輸出軸從動齒輪與1擋的輸出軸從動齒輪相同。
圖1 中間軸式五擋變速器傳動方案
根據(jù)以上要求，選擇圖1-a方案作為本設計的中間軸式五擋變速器的傳動方案。
[2] 零部件結構方案
1．齒輪形式
齒輪形式有直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪。兩者相比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、工作時噪聲低的優(yōu)點；缺點是制造工藝復雜，工作時有軸向力。
變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪。直齒圓柱齒輪僅用于低擋和倒擋。
2．換擋機構形式
此變速器換擋機構有直齒滑動齒輪和同步器換擋兩種形式。
采用軸向滑動直齒齒輪換擋，會在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過早損壞，并伴有噪聲，不宜用于高擋位。為簡化機構，降低成本，此變速器1擋、倒擋采用此種方式。
使用同步器能保證換擋迅速、無沖擊、無噪聲，得到廣泛應用。雖然結構復雜、制造精度要求高、軸向尺寸大，但為了降低駕駛員工作強度，降低操作難度，2擋以上都采用同步器換擋。
3．變速器軸承
變速器軸承常采用圓柱滾子軸承、球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、滑動軸套等。
變速器第1軸、第2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。中間軸上齒輪工作時產(chǎn)生的軸向力，原則上由前或后軸承來承受都可以；但當在殼體前端面布置軸承蓋有困難的時候，必須由后端軸承承受軸向力，前端采用圓柱滾子軸承承受徑向力。滾針軸承、滑動軸套用于齒輪與軸不固定連接，有相對轉動的地方，比如高擋區(qū)域同步器換擋的第2軸齒輪和第2軸的連接，由于滾針軸承滾動摩擦損失小，傳動效率高，徑向配合間隙小，定位及運轉精度高，有利于齒輪嚙合，在不影響齒輪結構的情況下，應盡量使用滾針軸承。
二、 主要參數(shù)的選擇和計算
目前，貨車變速器采用4~5個擋或多擋，多擋變速器多用于重型貨車和越野汽車。因此擋位數(shù)大致在4~5個，需要通過計算傳動比范圍后最后確定。
[1] 先確定最小傳動比
傳動系最小傳動比可由變速器最小傳動比ig和主減速器傳動比i0的乘積來表示
itmin=igmini0 3-1
通常變速器最小傳動比igmin取決于傳動系最小傳動比it0和主減速器傳動比i0，而根據(jù)汽車理論，汽車最高車速時變速器傳動比最小，則根據(jù)公式
ua=0.377rnigmini0 3-2
式中：ua為汽車行駛速度，km/h; n為發(fā)動機轉速，r/min; r為車輪半徑，m; igmin特指為最高擋傳動比。
可得
itmin=0.377rnvuamax 3-3
指最高車速時發(fā)動機的轉速，一般=（09~1.1），其中為發(fā)動機最大功率時對應的轉速，本車取=3800r/min , r/min
中型車輪胎尺寸根據(jù)GB/T 19047-2003《增強型載重汽車輪胎系列》可選用后輪9.0R20型號，負荷下靜半徑為471mm。汽車給定的最大車速為95km/h,
后經(jīng)過主減速器校核修正之后得到
另外，為了滿足足夠的動力性，還需要校核最高擋動力因數(shù)D0max。一般汽車直接擋或最高擋動力因數(shù)取值范圍如下表所示
動力因數(shù)取值
中型貨車
微型貨車
轎車
0.04~0.08
0.08~0.1
0.1~0.2
本設計中取D0max=0.05，最小傳動比與最高擋動力因數(shù)D0max有如下關系
D0max = TtqmaxitminηtrG-CDAuat221.15G 3-4
式中：uat為直接擋或最高擋時，發(fā)動機發(fā)出最大扭矩時的最大車速，km/h，此時可近似取uat=uamax。
其它參數(shù)見下表。
參數(shù)說明
ηt
Ttqmax(N.m)
最大轉矩對應轉速（r/min）
空氣阻力系數(shù)CD
迎風面積A(m^2)
uamax(km/h)
0.9
366.5
2037
0.6
4.234
95
根據(jù)3-4式可得itmin=8.85>6.86,從滿足最高擋動力因數(shù)兼顧燃油經(jīng)濟性，取傳動系最小傳動比為itmin=6.86。若按直接擋igmin=1，則i0=6.86該車采用單級主減速器，主減速器傳動比i0≤7，滿足要求。
[2] 確定最大傳動比
確定傳動系最大傳動比，要考慮三方面問題，最大爬坡度或1擋最大動力因數(shù)D0max、附著力和汽車最低穩(wěn)定車速。傳動系的最大傳動比通常是變速器1擋傳動比ig1與主減速器傳動比i0的乘積，即
itmax=ig1i0 3-5
當汽車爬坡時車速很低，可以忽略空氣阻力，汽車的最大驅動力應為
Ftmax=Ff+Fimax 3-6
各表達式展開為
Ttqmaxitminηtr=Gfcosαmax+Gsinαmax 3-7
則
ig1≥G（fcosαmax+sinαmax）rTtqmaxi0ηt 3-8
各參數(shù)見下表
計算參數(shù)表
ηt
f
i0
r(m)
ma(kg)
Ttqmax(N.m)
αmax
0.9
0.02
6.75
0.471
10440
366.5
16°7'(30%)
代入3-8式計算可得ig1≥6.6。
1擋傳動比還應滿足附著條件
Ftmax=Ttqmaxig1i0ηtr≤Fφ 3-9
對于后輪驅動汽車，最大附著力有如下公式
Fφ=FZ2φ=G2φ=m2gφ 3-10
式中：m2為后軸質量，m2=66.4%ma，取φ=0.8
將式3-10代入式3-9求得
ig1≤m2gφrTtqmaxi0ηt=11.5
取ig1=6.8。此時校核的最大爬坡度為31%，即 。因此，變速器傳動比范圍是1~6.8，傳動系最大傳動比itmax=46。
[3] 擋位數(shù)確定
增加變速器擋位數(shù)能夠改善汽車的動力性和經(jīng)濟性。擋位數(shù)越多，變速器的結構越復雜，使輪廓尺寸和質量加大，而且在使用時換擋頻率也增高。
在最低擋傳動比不變的情況下，增加變速器的擋位數(shù)會使變速器相鄰的低擋和高擋之間的傳動比比值減小，使換擋工作容易進行。在確定汽車最大和最小傳動比之后，應該確定中間各擋的傳動比。實際上，汽車傳動系各擋傳動比大體上是按照等比級數(shù)分配的。
此貨車暫定擋位數(shù)為5，則相鄰擋位傳動比的比值為
Q=4ig1=46.8=1.615<1.8
一般擋數(shù)選擇要求如下：
1） 為了減小換擋難度，相鄰擋位之間的傳動比比值在1.8以下。
2） 高擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動比比值要比抵擋相鄰擋位之間的比值小。
滿足要求，確定擋位數(shù)為5，則ig1=6.86，ig2=q3=4.21，ig3=q2=2.61，ig4=q=1.61，ig5=1。
[4] 中心距A
對于中間軸式變速器，中間軸與第2軸之間的距離稱為變速器中心距A。變速器中心距是一個基本參數(shù)，對變速器的外形尺寸、體積和質量大小、齒輪的接觸強度都有影響。
中心距越小，齒輪的接觸應力越大，齒輪的壽命越短。因此，最小允許中心距應當由保證輪齒有必要的接觸強度來確定。
初選中心距A時，可根據(jù)下面的經(jīng)驗公式計算
A=KA3Temaxig1ηg 3-11
式中：KA為中心距系數(shù)，貨車為8.6~9.6;Temax為發(fā)動機最大轉矩，N.m；ig1為變速器1擋傳動比；ηg為變速器傳動效率，取96%。
貨車的變速器中心距在80~170mm范圍內(nèi)變化。對于本輕型貨車，可取KA=9.0，其余取值按照已有參數(shù)計算3-11式可得A≈120.37mm。
[5] 外形尺寸設計
貨車變速器殼體的軸向尺寸與擋數(shù)有關，5擋為（2.7~3）A。當變速器選用的常嚙合齒輪對數(shù)和同步器多時，應取給出范圍的上限。
本車5擋變速器殼體的軸向尺寸取3A，取整得L=361mm。
[6] 齒輪參數(shù)
1．模數(shù)的選取
齒輪模數(shù)選取的一般原則如下
1）為了減少噪聲應合理減小模數(shù)，同時增加齒寬；
2）為使質量小些，應該增加模數(shù)，同時減少齒寬；
3）從工藝方面考慮，各擋齒輪應該選用同一種模數(shù)；
4）從強度方面考慮，各擋齒輪應該選用不同模數(shù)；
5）對于貨車，減少質量比減小噪聲更加重要，因此模數(shù)應該選得大一些；
6）低擋齒輪選用大一些的模數(shù)，其他擋位選用另一種模數(shù)。
中型貨車（6t
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