北京130 CAS5-20五档变速箱的设计-中间轴式五档变速器【含CAD图纸、说明书】【QX系列】
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烟台大学毕业论文(设计)目 录一、前言.2二、汽车变速器简介.31、变速器介绍32、变速器的作用43、变速器基本原理4三、毕业设计任务书.6四、设计的指导思想.8五、设计方案的确定.8六、工作部件的设计.11七、轴的校核.21八、本次设计的变速箱CAS5-20的特点.28九、变速箱故障的排除.29十、本次设计的优缺点.31十一、运用CAD的设计和作图过程.31十二、变速器的发展现状与方向.32十三、致谢与总结.35十四、参考资料.36一、前言汽车行业近几年在中国飞速发展, 汽车在经济生产中发挥的作用越来越大。现代汽车上广泛采用活塞式内燃机作为动力源,其转矩和转速变化范围较小,而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。为解决这一矛盾,在传动系中设置了变速器。在汽车部件中,变速箱是汽车传动系中最主要的部件之一,它通过改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速,使汽车获得不同的牵引力和速度,同时使发动机在最有利的工况范围内工作。此次毕业设计我的任务就是北京130 CAS5-20五档变速箱的设计, 大体思路是先充分调研,复习汽车设计的知识,然后亲自拆装变速器,再根据数据设计计算,然后AutoCAD和UG画图,接着制作说明书,最后认真准备答辩。在调研过程中,吴教授带领我们拆北京130变速箱,我们亲自测量,安装。为设计取得了许多感性资料。指导老师又向我们提出了设计任务、设计时间分配以及主要零部件的确定,为我们此次设计的完成奠定了良好的基础。在此向吴老师表示诚挚的感谢!由于时间短促,我的水平所限,无论设计还是画图,其中都有不尽如人意之处,错误和疏漏在所难免。本人诚恳希望老师及同学们给予意见和建议以使设计更加完美。二、汽车变速器简介1、变速器介绍在汽车行驶中,要求驱动力的变化范围是很大的,而发动机输出扭矩的变化范围有限。必须通过变速器来使发动机输出扭矩的变化范围能满足汽车行驶的需要。同时,变速器还应能实现汽车的倒驶和发动机的空转。目前汽车上多采用机械有级式变速器,由变速传动机构(传递和变换扭矩)和变速操纵机构(用来变换档位)组成。一般设有36个前进挡和1个倒档。每一个档位都有一个传动比,可以将发动机输出扭矩增大到和传动比相同的倍数。同时将发动机转速降低到和传动比相同的倍数。挡位越低,传动比越大。因此,当汽车低速行驶需要大扭矩时,可以将变速器挂入低挡,而汽车高速行驶需要小扭矩时,可将变速器挂入高档。在前进档中,有一个档的传动比为1。挂入该挡时变速器第一轴(输入轴)和第二轮(输出轴)初成一体同步转动,发出动力不经变化直接输出,称之为直接挡。直接挡传动效率最高,应经常使用。当变速器不挂入任何挡位,称之为空挡,动力传送中断,实现发动机怠速运转,满足汽车滑行和怠速时的需要。按传动比变化方式,变速器可分为有级式,无机式和综合式。有级变速就是发动机转速一定时,经过变速器可以得到有限的几种汽车行驶速度(例如五种)。最低速度叫一档,依次向上排列。应当指出,实际上发动机转速与扭矩都能在一定范围内变化,故动力经过变速器后,将能在几个更大的范围内(例如五个)改变转速和扭矩大小。无级变速是当发动机转速.扭矩一定时,经过变速,可使汽车速度与驱动轮上扭矩在一定范围内连续变化。汽车上的有级式变速器又可分为普通齿轮变速器与行星变速器两种。有级式变速器应用最广泛。特点为:它采用齿轮传动,具有若干个定值传动比。我们所要设计的北京130上用的属于有级式。北京130所用变速器为CAS5-20中间轴式五档变速器,即有五个前进档位。轴线固定。因为,北京130属于轻型货车,从经济,工作环境等各个方面综合考虑,有级式最合适。变速器由变速传动机构和操纵机构组成。对变速器提出如下基本要求:(一) 保证汽车有必要的动力性和经济性。(二) 设置空档, 用来切断发动机动力向驱动轮的转输(三) 设置倒档, 使汽车能倒退行驶。(四) 设置动力输出装置,需要时能进行功率输出。(五) 换档迅速、省力、方便。(六)工作可靠。 汽车行驶过程中,变速器不得有跳档、乱档以及换档冲击等现象发生。(七) 变速器应当有高的工作效率。(八) 变速器的工作噪声低。除此之外,变速器还应当满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、维修方便等要求。满足汽车有必要的动力性和经济性指标,这与变速器的档数、传动比范围和各档传动比有关。汽车工作的道路条件越复杂、比功率越小,变速器的传动比范围越大。本次设计的CAS5-20型五档全同步变速器是为BJ130型汽车变速器的更新换代需要,同时也为满足一汽轻型汽车的发展而研制的。该变速器吸收了当代国外变速器的先进结构并结合我国实际情况而设计,采用垂直对分式壳体、单滑轨操纵机构、同一规格的惯性锁止式同步器和锥轴承,以及采用电子束焊接等新技术,使该变速器具有可换档灵活可靠,系列变型容易,适用范围广,节省燃料等特点,在国内处于领先地位,相当于国际80年代先进水平。该产品1998年获中汽联分布发的优秀协作产品奖;1989年获机电部优质产品称号。已为全国32个厂家配套。本产品除可为一汽轻型车系列产品匹配外,还是国内130系列变速器较为理想的更新换代产品,适用于130系列轻型载货车,改装车,专用车及中型旅行车、农用车等。2、变速器的作用变速器是汽车传动系中最主要的部件之一。它的功用是:(1)在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。由于汽车行驶件不同,要求车行使速度应能在很大范围内变化。例如,在高速公路上行驶,要求汽车能以超过或接近100km/h的高速行驶,而在繁华的市区或道路条件很差的情况下,要求汽车能以每小时几公里的速度行驶。目前汽车所用的内燃机,其曲轴转速变化范围都很小,远远满足不了车速应在很大范围内变化的要求。汽车在行驶时,行驶阻力变化也很大,要求汽车驱动轮上的驱动转矩也应在很大范围内变化。例如,汽车空车在水平路面行驶时,行驶阻力很小,而当汽车满载克服陡坡时,行驶阻力便很大,而目前汽车所用的内燃机若供油量不变,当汽车曲轴转矩变化时,曲轴输出的扭矩变化范围很小,完全不能满足上述要求。 综上所述,由于汽车行驶速度(或驱动轮转速)和驱动轮扭矩都要求必须有很大的变化范围,而内燃机特性满足不了这种要求,因而在汽车传动系中便要装置变速器,以便在较大范围内改变车速和驱动轮扭矩的变化范围。(2)实现倒车行驶(倒档)。汽车发动机曲轴一般只能向一个方向转动的(从发动机动力输出端看去是逆时针方向转动),而汽车有时需要能倒退行驶,因此,往往利用变速器中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。(3)实现空档。当发动机的动力与变速器的动力输入轴相结合在一起时,变速器可以实现动力不输出(空挡)。这种变速器的工作状态可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位。空挡对有级式变速器的换档和进行动力输出也是必要的。3、变速器基本原理(参看图二)CAS5-20变速器具有五个前进档和一个倒档,由第一轴、中间轴、第二轴、倒档轴、壳体及变速器操作机构等几部分组成。第一轴与第一轴常啮合齿轮制成一体,是变速器的动力输入轴。离合器从动盘在离合器结合时将发动机曲轴的动力经第一轴前部花键传到第一轴上。中间轴与一、倒档齿轮制成一体。中间轴还有过盈配合的二档齿轮、三档齿轮、四档齿轮和五档齿轮。 第二轴是变速器的动力输出轴,其上的一档齿轮17、三档齿轮9和二档齿轮16、一、倒档齿轮分别通过各自的滚针轴承支撑在轴23上。 倒档中间齿轮28和34制成一体,通过滚针轴承支撑在倒档轴27上。变速器各机件在图示位置时,变速器是处于空档工作状态。这时,第一轴的动力经一对常啮合齿轮2与33使中间轴26及其上所有其他齿轮旋转,其从动齿轮17、16、9和8随第一轴的旋转而在第二轴上空转,因此,第二轴不能被驱动。固定在第二轴上的各个花健35、13、和24的外圆表面均制有与其相邻的结合齿圈齿型完全相同的外花健,分别与相应的具有内花健的各个接合套相接合,结合套可沿花健毂轴向滑动。在该变速器中,除倒档外,各档都采用同步器换档。欲挂上一档,可操纵变速杆,通过拨叉使接合套20左移,与一档同步器锁环19的接合齿圈和一档齿轮接合齿圈18接合后,动力便从第一轴依次经齿轮2、33、中间轴26、齿轮29、17、接合齿圈18、接合套20以及花健毂24,传给第二轴23输出 。一档传动比i1=Z33/Z2*Z17/Z29。欲脱开一档,可通过拨叉使接合套20右移,与接合齿圈18脱离啮合,则变速器退回空档位置。欲挂上二、三档,四、五档,可分别通过拨叉使接合套12、5左右移动即可;挂倒档时,接合套20右移,与倒档齿轮接合齿圈21接合,即得倒档,其原理跟挂一档时一样,不再赘述。三、毕业设计任务书烟 台 大 学毕业设计(论文)任务书机电汽车工程学院 机械设计制造及自动化专业班级 01级011-1班 学生姓名 郭光铭题目:汽车变速箱设计一、 设计内容及要求1. 发动机功率:68.5kw /(380rpm); 发动机标定扭矩: 192N.m/(2500rpm)2. 中间轴式变速器3. 变速器总传动比:56要求:1. 完成变速箱传动方案,画出功率流模型;2. 确定变速器中心距;3. 确定变速器外形尺寸;4. 确定齿轮参数;5. 完成变速器各档齿轮齿数的分配;6. 校核轴的强度和刚度。7. 利用UG实体建摸软件或利用AutoCAD软件完成总体设计二、 毕业设计完成日期 2005年6月17日指导老师 签字教研室主任 审查系主任 批准三、 应完成的任务量(包括说明书、图纸)1 完成:变速箱总装配图(0号),变速箱箱体设计图(0号),第一轴,中间轴,第一轴常啮合齿轮、中间轴常啮合齿轮、高速档同步器设计图。共完成相当于4张0号图纸的绘图工作量2 完成设计说明书四、 进度计划表阶 段日 期计 划 完 成 工 作 量完 成 情 况指导教师签字 4.17调研,收集资料,方案设计4.18 4.30变速箱总体设计5.1 5.10变速箱箱体设计5.11 5.24绘制零件图5.256.8编写设计说明书6.96.17答辩五、 主要参考资料1 汽车设计,吉林工业大学王望予主编,机械工业出版社2 机械零件设计手册,机械工业出版社3 机械工程设计手册,机械工业出版社4 汽车构造,吉林工业大学陈家瑞主编,机械工业出版社任务下达日期 年 月 日四、设计的指导思想在日常生活中,我们经常发现货车的身影。货车在现代化建设中发挥了巨大的作用。因为地域的不同,道路条件不同,对货车要求的具体侧重方面也就不同。因此,要有不同型号的货车以适应不同地区、不同地形的生产要求。而汽车上变速箱是最重要的部件之一。现在货车上应用的主要还是齿轮式变速箱。目前已经被使用的一些型号的变速箱也有很多不足之处,比如动力不够或运输速度不适应等,仍需要进一步的改进。此次设计我本着结构简单合理、性能可靠、安全实用、增加功能、降低成本的原则,力求更好的原则来设计与改进变速箱.变速箱用以改变汽车的行驶速度,方向和驱动力矩,并可以在发动机运转时可较长时间停车。此次设计的北京130变速箱有足够的排档数,各档的传动比应与要求的行驶速度相适应,提高了该车的生产率和经济性;有空档位,便于发动机运转时停车,换档便捷.换档机构有自锁和互锁功能,能防止同时挂接两档,挂当后能自锁.防止自行跳档和自行脱档的现象,而减少变速器工作时的噪声,减少变速器尺寸及提高齿轮寿命.传动路线短,即动力流经的齿轮副少,传动效率提高,结构简单,温升小。以上的就是本次设计总的设计思想。五、设计方案的确定在设计变速箱时,合理确定变速箱的传动方案至关重要。传动方案的合理与否,直接影响到传动系和整机的工作性能。由于一般采用专用设备加工,所以当产品形成一定的生产能力后,再要改变传动方案是相当困难的,因此必须慎重。变速箱分为挂结式和动力换档式。我们采用挂接式,挂结式变速箱换档方式有:(一)移动外啮合滑动齿轮挂档。(二)移动滑动齿轮内套挂档。(三)移动式啮合套挂挡,齿轮为经常啮合。(四)移动同步器套环挂档,齿轮为经常啮合。此次设计的是中间轴式变速箱移动同步器套环挂档。(一)功率流模型如下: 黄色一档,红色-二档,青色-三档,品红-四档,绿色-五档,蓝色-倒档图一、功率流模型功率流模型 变速箱的主要的功能是为汽车提供所需的排挡数目和不同的速度数值。不同的排挡数和速度值是采用使功率流流经不同的齿轮副的方法来实现的。所以功率的流传方式基本上表征了变速箱传动方案型式及其特点。用功率流来表示变速箱基本结构的图形,称为“功率流模型”。横轴表示轴,水平箭头表示直接传动的啮合套或同步器和功率流传方向;垂直箭头表示齿轮副,箭头尖端与横线想交,表示该齿轮副将动力传给该轴。两横线间如果有双向箭头,表示该齿轮副可以双向传递功率;两个垂直箭头处于同一直线上表示该两齿轮副有共同齿轮。(二) 变速箱设计步骤 变速箱设计的大体步骤如下:1. 根据汽车发动机转速,传动比和档数的要求,和汽车总体设计对变速箱结构的约束条件,确定传动方案,画出功率流模型。2. 在功率流模型中的垂直箭头处画出齿轮副;设置同步器,布置倒挡齿轮;画出轴,轴承和变速箱壁。形成结构方案简图。各齿轮副之间的相对位置和距离要根据换档方式进行预定。3. 低档和高档之间的传动比要求相邻两挡位之间的传动比比值在1.8以下,而且要求高档区相邻两挡传动比比值比抵挡区相邻挡位传动比比值小。根据经验公式和以往成熟理论,根据发动机标定转速,及总挡数总传动比,计算各档的传动比和各齿轮副的齿数比。4. 根据所传动的扭矩要求确定齿轮副中心和计算齿轮的几何参数。5. 根据制造,装配和使用要求,确定结构细节。1-第一轴 2-第一轴常啮合齿轮 3-第一轴齿轮接合齿圈 4-四档同步器锁环5、12、20-接合套 6-五档同步器锁环 7-五档齿轮接合齿圈 8-第二轴五档齿轮 9-第二轴三档齿轮 10-三档齿轮接合齿圈 11-三档同步器锁环 13、24、35-花健毂 14-二档同步器锁环 15-二档齿轮接合齿圈 16-第二轴二档齿轮 17-第二轴一档齿轮 18-一档齿轮接合齿圈 19-一档同步器锁环 21-倒档齿轮接合齿圈 22-第二轴倒档齿轮 23-第二轴 25-中间轴倒档齿轮 26-中间轴27-倒档轴 28-倒档中间齿轮 29-中间轴一档齿轮 30-中间轴二档齿轮 31-中间轴三档齿轮 32-中间轴四档齿轮 33-中间轴常啮合传动齿轮 34-变速器壳体图二、北京130 CAS5-20中间轴式五档变速器传动方案图三、北京130 CAS5-20中间轴式五档变速器结构图六、工作部件的设计在变速箱传动方案确定之后,就可以进行变速箱结构设计和主要参数的计算。(一) 壳体结构设计变速箱壳体设计的主要内容:1. 确定变速器壳体的形式.壳体有整体式和对分式,整体式壳体与上盖组成一体,优点是变速器前后轴承孔的同心度容易保证,装配和检查方便,壳体用铸铁制造,上盖用铝合金压铸或铸铁铸造,我们采用对分式.对分式要求加工精度高,多用于轿车。2. 确定各档齿轮副的相对位置 原则是使经常用的和重载齿轮靠近轴承,这样支撑刚度较好。还应使齿轮的布置便于依次换档。 3. 变速器壳体尺寸要尽可能小,同时质量要小,并且要有足够大的刚度,用来保证轴和轴承工作时不会歪斜。变速器纵向尺寸应保证能布置下最大齿轮副,而且设计时还应该注意到壳体侧面的内壁与传动齿轮齿顶之间有5-8毫米的间隙,否则由于增加了润滑油的液压阻力,会导致产生噪声和使变速器过热。齿轮齿顶到变速器底部之间要有不小与15毫米的间隙.为了加强变速器壳体的刚度,在壳体上设有加强肋。加强肋的方向应与轴承处的作用力有关.变速器壳体不应该有不利于吸收齿轮的振动和噪声的大平面。为了注油和放油,在变速器壳体上设有注油口和放油孔。注油孔设立在润滑油所在平面处,同时它作为检查油面高度的检查孔。放油孔应该设计在壳体的最低处,放油塞采用永久磁性螺栓,可以吸住润滑油内部的金属颗粒。为了从第一轴或第二轴后支撑的轴承间隙处流出的润滑油流回变速器壳体内,常在变速器前或后端面两轴承孔之间开设回游口,为保持变速器内部为大气压,在变速器顶部有通气塞。 (二) 润滑方式设计及润滑油的选择.润滑方式的选择飞溅式:齿轮或专用甩油盘浸入润滑油中,旋转时将润滑油溅入需润滑部位,并可在变速箱内壁上引出油道,或另增设引油元件将润滑油引至需油部位。这种润滑方式最简单,但对于较隐蔽的运动部位和距油面较高的部件,则难保证良好的润滑效果;搅油损失较大,油温可能较高。一般以油面以下轴(二轴)中心线10处为宜。北京采用此种方式,由于结构紧凑,体积较小,绝大部分零件能得到润滑,内部并不加工油道。 压力式和喷淋式 润滑可靠,能减少搅油损失,能保证充分润滑,但结构复杂,需另设供油系统和密封装置以及油管系统。大功率拖拉机传动系统多采用这种润滑方式。 2. 润滑油的选择 润滑油的功用是将两相对运动的摩擦表面隔开,从而降低接触压力,减少摩擦力,提高承载能力和传动效率,降低表面磨损,延长零件寿命,润滑油还有降噪,冷却和清洗的作用。 润滑油的主要性能指标和选择原则: 粘度 粘度系指润滑油抵抗外力作用发生流动的性能。粘度一般用运动粘度来表示,量纲是m2/s。运动粘度常用“斯“(st)为单位。 1st=10-4m2/s 1斯的1为厘斯(cst),即 1cst=0.01st=1mm2/s润滑油的粘度因温度的不同而不同。国际上采用40时的运动粘度。习惯上还有用100和50时的运动粘度。拖拉机变速箱润滑40时的运动粘度应在90-135cst范围内。我国研制的拖拉机传动,液压两用油具有良好的实用性能,已经推广应用。 添加剂 为了改善润滑油的品质,以满足某些特殊的要求常在润滑中加入某种添加剂。常用添加剂有:a.极压(EP)添加剂,其主要成分含有氯,硫,磷等化合物。在重载极重的场合使用,例如最终传动和准双面锥齿轮传动等。b.油性添加剂,其主要为碳数10-20或更多的长键型化合物,例如:脂肪酸等,用来护摩擦面,从而减小摩擦系数,并防止湿式摩擦副结合时的尖叫声。c.提高粘度指数添加剂,如聚甲基丙烯酸脂等聚合物,用来减少因温度变化而引起的粘度变化,以便冬夏季通用。d. 降凝剂,成分同c,用来改善流动性。e.抗泡沫添加剂,典型的化合物是硅油,用来防止润滑油起泡和油液溢出,减少泵油输油困难。f.我国传动液压两用油不同程度上加有上述添加剂。为了同时满足齿轮传动,液压和湿式制动器工作的要求,又研制成功了液压,传动和制动通用油。(三)变速箱换档方式的选择 .无同步器的变速器在换挡时,欲使不产生齿轮或花键间的冲击,需要进行复杂的操作,并应该在短时间内迅速而准确的完成。这对于即使是技术很熟练的驾驶员,也很容易疲劳。因此,要求在变速器结构上采取措施,既保证挂挡平顺,又减轻驾驶员劳动强度。同步器就适合。我们就采用同步器式变速器。. 同步器有常压式,惯性式和自行增力式本次设计采用惯性同步器,由于常压同步器工作不可靠,齿轮间有可能产生冲击,而惯性同步器虽然也是依靠摩擦作用实现同步,但它可以从结构上保证结合套与待结合的花键齿圈达到同步前不可能接触,以避免齿间冲击发生噪声。惯性式同步器可分为锁环式和锁销式同步器,由于锁环式同步器结构上布置的合理性,紧凑性以及锥面间产生的摩擦力矩大等因素,锁环式同步器多用于轿车及轻型货车上,北京即用这一种,本次设计的CAS5-20就采用锁环式同步器。锁销式同步器多用于中大型货车上,因为第二轴上的长啮合齿轮及结合齿圈直径较大,在摩擦锥面间产生较大的摩擦力矩,缩短了同步时间。图四、锁环式同步器的机构(四)变速器操纵机构的选择变速器操纵机构应该保证驾驶员能准确可靠的使变速器挂入所需要的任一挡位工作,并可以随时退到空挡。由于北京130的变速器离驾驶室较远,需要在变速杆与拨叉之间加一套传动机构,构成远距离操纵。所以,我们选用间接操纵式变速器操纵机构。根据设计要求,我们选用的操纵机构为直接操纵手动换档。其特点:减少了变速叉轴,各档同用一组自锁装置,因而使操纵机构简化,但它要求各档换档行程相等。该操纵机构应该有足够的刚性,而各个连接件间隙不能过大,否则换挡时手感不明显。为保证变速器在任何情况下都能准确,安全,可靠地工作。变速器操纵机构应该具有以下功能:保证变速器不自行脱档或挂挡,在操纵机构中设有自锁机构。保证变速器不能同时挂入两个挡,在操纵机构中设立互锁机构。防止无挂入倒挡,在变速器操纵机构中设有倒挡锁。自锁装置 由自锁钢球和自锁弹簧组成,保证全齿宽上啮合或完全推出啮合所需的拨叉及其轴的移动距离。互锁装置 互锁装置由互锁钢球合互锁销组成,当驾驶员用变速杆推动杆推动某一拨叉轴时,自动锁止其他所有拨叉轴。倒挡锁 汽车行进中无挂入倒挡,变速器齿轮间将产生极大冲击,导致零件损坏。汽车起步时无挂入倒挡,很容易出现安全事故。因此设立倒挡锁装置。倒挡拨块中有倒挡锁销和倒挡弹簧,驾驶员要挂入倒挡时必须用较大的历史变速杆压缩弹簧,才能使变速杆下端进入倒档拨块的凹槽中,以拨动倒档拨叉轴,使之挂入倒挡(五)确定变速器的主要参数1.中心距A的确定对中间轴式变速器,是将中间轴与第二轴之间的距离确定为变速器中心距A。他是一个基本参数,其大小不仅对变速器的外型尺寸、体积和质量大小,而且对轮齿的接触强度有影响。中心距越小,轮齿的接触应力越大,齿轮的寿命越短。因此,最小允许中心距应当有保证轮齿有必要的接触强度来确定。变速器轴经轴承安装在壳体上,从布置轴承的可能与方便和不影响壳体的强度考虑,要求中心距取大些。此外,受一档小齿轮齿数不能过少的限制,要求中心距也取大些。 初选中心距A时,可根据下面的经验公式计算 (1)式中,A为变速器中心距(mm);KA为中心距系数,货车变速器:KA=8.6-9.6;Temax为发动机最大转矩(N.M);i1为变速器一档传动比;为变速器传动效率比,取96%。将KA=8.6、Temax=192N.M、=5.57、=96%带入式(1)中, 得 A=86.7mm2.外形尺寸 变速器的横向外形尺寸,可根据齿轮直径以及倒档中间(过渡)齿轮和换档机构的布置初步确定。横向外形尺寸为266.6mm*141mm货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关,可参照 :五档 (2.73)A,纵向尺寸为228.4mm-260.4mm,取261mm.3.轴的直径变速器工作时,轴除传递转矩外,还承受来自齿轮作用的径向力,如果是斜齿轮,则还有轴向力。在这些力的作用下,变速器的轴必须有足够的刚度和强度。轴的刚度不足会产生弯曲变形,破坏齿轮的正常啮合,对齿轮的强度和耐磨性都有不利影响,还会增加噪声。中间轴式变速器的第二和中间轴中部直径d=0.45A,轴的最大直径和支撑间距的比值,对中间轴,d/L=0.16-0.18,对第二轴,d/L=0.18-0.21. 第一轴花键部分直径可按下式初选 dK 式中,k为经验系数,K=4.04.6,T为发动机最大扭矩4.齿轮的参数(1)模数的选取选取齿轮模数时一般遵循的原则是:为了减少噪声应合理减少模数,同时增加齿宽;为使质量小些,应该增加模数,同时减少齿宽;从工艺方面考虑,各档齿轮应该选用一种模数,而从强度方面考虑,各档齿轮应有不同的模数。对货车,减少质量比减少噪声更重要,故齿轮应该选用大些的模数。变速器低档齿轮应选用较大的模数,其他挡位选用另一模数。考虑到工艺上的原因,北京130变速器各档齿轮均采用同一模数Mn=3.0.啮合套和同步器的结合齿轮多数采用渐开线齿形。由于工艺上的原因,同一变速器中的接合齿轮模数相同。其取用范围是:轿车和轻、中型货车为2.03.5mm,取模数为3.0mm。(2) 压力角压力角小时,重合度大,传动平稳,噪声较低,压力角大时,可以提高齿轮的抗弯强度的表面接触强度。国家规定标准压力角20,所以变速器普遍采用的压力角为20 。啮合套或同步器的接合齿轮压力角有 20、25、30等。,但普遍采用30压力角。(3)螺旋角斜齿轮在变速器中得到广泛的应用。我们这次设计也选用斜齿轮。选取斜齿轮的螺旋角,应注意到他对齿轮工作噪声,齿轮的强度,轴向力的影响。在齿轮选用大些的螺旋角时,齿轮啮合的重合度增加,因而工作平稳,噪声较低,实验还证明,随着螺旋角的增大,齿轮的强度也相应提高,不过,当螺旋角大于30。时,其抗弯强度骤然下降,而接触强度仍然继续上升。因此,从提高低档齿轮抗弯强度着眼,不希望过大螺旋角,而从提高高档齿轮的接触强度着眼,应选用较大螺旋角。斜齿轮传递转距时,要产生轴向力并作用到轴承上。设计时应力求中间轴上同时工作的两队齿轮产生轴向力平衡,以减少轴承负荷提高轴承的寿命。因此,中间轴上的不同档位齿轮的螺旋角应该不相同。为了使工艺方便,在汽车扭矩不大时,中间轴的轴向力不大,可以将螺旋角设计成一样的,或者仅为两种螺旋角。中间轴上全部齿轮的螺旋方向应一律取为右旋,则第一,第二轴上的斜齿轮应取为左旋。轴向力经轴承盖作用到壳体上。一档和倒档设计为直齿时,在这些档位工作,中间轴上的轴向力不能抵消,而此时第二轴则没有轴向力作用。货车变速器:1830。一,二档齿轮的螺旋角为20,三档及四档齿轮螺旋角18。图五、中间轴轴向力的平衡货车变速器:18-26 。一,二挡齿轮的螺旋角=200,三挡及四挡的齿轮螺旋角=180根据图五可知,要使中间轴上两个斜齿轮的轴向力平衡,须满足下述条件Fa1=Fn1tan1 (2)Fa2=Fn2tan (3)由于,为使两轴向力平衡,必须满足 式中,Fa1,Fa2为作用在中间轴齿轮1、2上的轴向力;Fn1,Fn2为作用在中间轴上齿轮1、2上的圆周力;r1.r2为齿轮1、2的节圆半径;T为中间轴传递的转矩。最后可用调整螺旋角的方法,使各对啮合齿轮隐模数或齿数和不同等原因等而造成的中心距不等现象得以消除。(4)齿宽 在选择齿宽时,应该注意到齿宽对变速器的轴向尺寸,齿轮工作平稳性,齿轮强度和齿轮工作受力时的均匀程度等均有影响。通常根据齿轮模数(m)的大小来选定齿宽:直齿:, 直齿齿宽系数取为4.5-8.0斜齿:, 斜齿齿宽系数取为6.0-8.6b为齿宽(mm)。采用啮合套或同步器换档时,其接合齿的工作宽度初选时可取为(2-4)mm。第一轴常啮合齿轮副的齿宽系数可取大些,使接触线长度增加、接触应力降低,以提高传动平稳性和齿轮寿命。一轴常啮合齿轮: =7.13*3.0=21.4 (Kc=7.13)中间轴常啮合齿轮: =6.6*3.0=19.8mm(Kc=6.6) 二轴一挡齿轮: =3*7.27=21.8mm (取Kc=7.27)中间轴一挡齿轮: =3*8.5=25.5mm (取Kc=8.5)二轴二挡齿轮: =3*6=18mm (取Kc=6.0)中间轴二挡齿轮: =3*6.67=20mm(取Kc=6.67) 二轴三挡齿轮: =6.333.0=19mm(Kc=6.33)中间轴三挡齿轮: =63.0=18mm(Kc=6)二轴五档齿轮: =7.67*3=23mm(Kc=7.67)中间轴五档齿轮 =6.67*3=20mm(Kc=6.67)二轴倒挡齿轮: =3*7=21 mm (取Kc=7.0)中间轴倒挡齿轮 : =3*8.5=25.5mm(取Kc=8.5)在齿轮的实际制造及装配过程中,考虑到将要产生的误差,通常在一对齿轮副中将直径较小的齿轮的宽度比理论值增大3-4毫米。(5) 齿轮变位系数的选择原则采用变位齿轮,除了避免齿轮产生根切,和拼凑中心距外,还影响齿轮的强度,使用平稳性,耐磨,抗胶合能力及齿轮的啮合噪声。在北京130变速器上,中间倒档齿轮及一档齿轮的齿数较小,如不使其变位,将发生根切现象。变位齿轮有两种,高度变位和角度变位。高度变位一对齿轮副的变位系数之和等于零。高度变为可增加小齿轮的齿根强度,但降低大齿轮的强度,也很难降低噪声。角度变位变位系数之和不等于零,既有高度变为优点,又避免其缺点。我们采用角度变位。变速箱安装在中间轴及第二轴上有五对齿轮副,因要保证各档传动比的需要,各相互啮合齿轮副的齿数之和不同。为保证各对齿轮有相同的中心距,此时应对齿轮进行变位。根据以上理由,为了降低噪声,对变速器中除去一二和倒档以外的其他各档齿轮的总变位系数要选用较小的一些数值,以便获得低噪声传动。一般情况下,最高挡和一轴齿轮副的总变位系数可以选为-0.2-0.2。随着挡位的降低,应该逐渐增大,一二挡和倒挡齿轮,应选用较大值,以便获得较大强度齿轮副,值可以达1.0以上。4. 各档齿轮齿数的分配(参看图二)(1)确定一档的齿数一档传动比 (4)如果Z17和Z29的齿数确定了,则Z33与Z2的传动比可求出。为了求得Z17、Z29齿数,选求其齿数和Zh 斜齿: (5)取=20、A=86.7mm、 Mn=3.0,带入式(5)中,得 = 54.34 取整为54在一定的条件下,Z33/Z2的传动比可分配小些,使第一轴常啮合齿轮的齿数多些,以便在其内腔设置第二轴的前轴承并保证轮富有足够的厚度。考虑到壳体上的第一轴轴承孔尺寸的限制和装配的可能性,该齿轮齿数又不易取多。中间轴上的小齿轮的最小齿数,还受中间轴轴径尺寸的限制,在选定时,对轴的尺寸及齿轮的齿数都要统一考虑。货车在12-18之间选用,我选用Z29=13,故一挡大齿轮齿数,Z17=Zh-Z29=54-13=41.(2)对中心距A进行修正因为计算齿数和Zh后,经过取整数中心距有了变化,所以应根据取定的和齿轮变位系数重新计算中心距,再以修正后的中心距A作为各个档齿轮齿数分配的依据。修正后的中心距A=85.6mm。(3) 确定常啮合传动齿轮副的齿数由式(4)求出常啮合传动齿轮的传动比 (6)而常啮合传动齿轮中心距和一档齿轮的中心距相等,即 (7)解式(6)、(7),求出Z2=21、Z33=38,将带入式(7)中,求出螺旋角四档=18。(4) 确定其他各档的齿数二档齿轮是斜齿轮,螺旋角与常啮合齿轮的不同时,有式(4),得 (8)而 (9)用试凑法先设,得出 z16,z30,再代入tan/tan=r30/r33=Z33/Z30=Z33/(Z2+Z33)*(1+Z16/Z30),检查是否接近,若接近,则设的合适,若相差太大,则调整重复计算。现设二档=20,mn=3.0、带入式(9),得z16+z30=59,分配Z16=36、Z30=23。同样方法可求得,三档的各齿轮的齿数:Z9=28, Z31=31。五档的各齿轮的齿数: Z8=18, Z32=40。(5) 确定倒档齿轮齿数倒档齿轮选用的模数往往与一档相同m=3.0mm。倒档齿轮Z28的齿数,一般在21-28之间,初选后,可计算出中间轴与倒档轴的中心距。 (10)取Z28=27, 将m=3.0mm,中间轴Z25=13带入式(10),得=60mm为保证倒档齿轮的啮合和不产生运动干涉,齿轮22和25的齿顶圆之间应保持0.5mm以上的间隙。 选第二轴Z22=36。七、轴的校核变速器工作时,由于齿轮上有圆周力、径向力和轴向力作用,其轴要承受转矩和弯矩。变速器的轴应有足够的刚度和强度。因为刚度不足的轴会产生弯曲变形,破坏了齿轮的正确啮合,对齿轮的强度、耐磨性和工作噪音等均有不利影响。所以设计变速器轴式,其刚度大小应保证齿轮能实现正确的啮合为前提条件。对齿轮工作影响最大的是轴在垂直面内产生的脑度和轴在水平面内的转角,前者是齿轮中心矩发生变化,破坏了齿轮的正确啮合;后者使齿轮互相歪斜,如图六所示,致使沿齿长方向的压力分布不均匀。 初步确定轴的尺寸以后,可对轴进行刚度和强度验算。欲求中间轴式变速器第一轴的支点反作用力,必须选求第二轴的支点反力。档位不同,不仅圆周力、径向力和轴向力不同,而且力到支点的距离也有变化。所以应当对每个档位都进行验算。验算时将轴看作铰接支承的梁。作用在第一轴上的转矩应取Temax。图六、变速器轴的变形简图轴的挠度和转角可按下列公式计算。计算时仅计算齿轮所在位置处轴的挠度和转角。第一轴常啮合齿轮副,距离支承点近、负荷又小,通常挠度不大,故可以不必计算。变速器齿轮在轴上的位置如图七所示,若轴在垂直面内挠度为 ,在水平面内挠度为和转角为,则可分别用下式计算 (13) (14) (15)图七、变速器轴的挠度和转角式中,F1为齿轮齿宽中间平面上的径向力 (N);F2为齿轮齿宽中间平面上的圆周力 (N);E为弹性模量(MPa),E=2.1x10Mpa;I为惯性矩(mm)。对于实心轴:I=;d为轴的直径(mm),花键处按平均直径计算;a、b为齿轮上作用力矩支座的距离;L为支座间距离。 如果和分别表示轴在垂直面和水平面的挠度,则轴的全挠度为 (16)轴在垂直面和水平面挠度的允许值=0.050.10mm,=0.100.15mm。齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad。与中间轴齿轮常啮合的第二轴上的齿轮,通过滚真轴承装在轴上,这就能够增大轴的直径,因此使轴的刚度增加。作用在齿轮上的径向力和轴向力,使轴在垂直面内弯曲变形,而圆周力使轴在水平面内弯曲变形。在求支点的垂直面和水平面内的支反力和之后,计算相应弯矩轴在转矩和弯矩同时作用下,其应力为 (17)式中,(N.mm);d为轴的直径(mm),花键处取内径;W为抗弯截面系数。在低档工作时,N/mm变速器的轴用于齿轮相同的材料制造。(一) 一挡时轴的校核校核中间轴常啮合轮:Ft=2T/d33=2*192*31/(0.108*28)=6433.9NFr=Fttan200/cos180=2492N Fa=Ft*tan180=2341.7Na=12mm, b=155.8mm L=167.8mm 当量直径d=33mmI=3.14*(33)4/64=5.82*104mm4fc=0.0024mm, fs2=0.053mm, =0.00049mm0.002mm 安全=0.0066mm0.2mm 安全中间轴一挡齿轮:a=183.1mm b=84.7mm L=267.8mm d=33mm Ft=2T/d29=2*192*38/(0.0431*21)=16122NFr=Fttan200/cos200=6244.5NFa=Ft tan200=5868NI=4/64=3.14*334/64=5.82*104mm4fc=0.015mm fs=0.039mm=0.0419mm0.2mm 安全=0.00025mm0.002 rad 安全一挡时,轴承处的支反力:左轴承: Fc=4355.4N Fs=1046.5N 向外右轴承: Fc=4381.1N Fs=10734.6N 向里从下图八中可以看到,中间轴一档齿轮主力矩大。M=(Nmm) M=1.041*106N*mm=M/w=270 N/mm2400 N/mm2 安全图八、一挡时中间轴的受力、弯矩、扭矩图二轴一档齿轮处:在垂直面内第二轴的挠度fc及轴断面在水平面内的转角对齿轮工作影响最大,前者改变了齿轮的中心距并破坏了齿轮的正确啮合,后者使大小齿轮相互歪斜,导致沿齿长方向压力分布不均匀。在垂直面内第二轴的挠度fc及轴断面在水平面内的转角为:fc=Fr*a2*b2 /3*EILFa*a*b*r/3*EIL=Fr*a*b*(b-a)/3EILFa*(a2a*bb2)*r/3EILa= 166.8mm ,b=78mm,L=244.8mm 当量直径dv=32mmFt=2T /d=16122NFr=Fttan200/cos200=6244.5NFa=Fttan20=5868NI=4/64=3.14*324/64=51445.7mm4求得fc =0.087mm 0.10mm=0.001rad0.002rad 故安全此时,二轴左滚针轴承处的支撑力: Fs1=5136.9N Fc1=431.6N二轴右轴承处的支撑力:Fs2=10985.1N Fc2=5812.9NMc=453406.2N*mm Ms=856835N*mm Tn=381452.5N*mmM=1041753N*mm d=40mm=165.88N/mm2400N/mm2 安全一挡时,变速箱输出扭矩最大,此时中间轴和二轴所受的力也最大,故此时最不安全,其他轴的校核方法和一挡时一样。图九、一挡时二轴的受力、弯矩、扭矩图八、本次设计的变速箱CAS5-20的特点(1)技术特点:CAS5-20系列变速器为机械式手动五速全同步变速器,它采用一系列新技术新工艺、使用国内外先进设备加工制造,具有高精度、低噪声、低油耗、使用寿命长等特点。其外部尺寸可以据用户需求专门设计。采用常啮式斜齿圆柱齿轮传动,传动平稳。采用西德ZF公司短程同步器结构,换档轻便、可靠性高。中间轴轴承采用圆锥滚子轴承,寿命更长。(2)结构特点l)变速器壳体及外围件其壳体采用铸铁或铸铝,壳体上有加油孔和放油孔,并用螺塞封闭。2)第一轴第一轴分装图,其前端支承地发动机曲轴突缘的滑套中,后端通过球轴承支承在变速器前壳体的轴承孔中。球轴承的外圈上套有止动环,用以限制第一轴的轴向移动。3)中间轴 中间轴的分装图,它与倒挡主动齿轮及一挡主动齿轮做成一个整体,2挡齿轮和3挡齿轮为双联齿轮。中间轴的前端装有锥轴承,用调整垫片调整该轴承的装配尺寸(18-.mm),以保证各轴相应齿轮的正确位置,圆锥滚子轴承的外圈顶在装有弹簧挡圈的后端面上,用以限制中间轴总成向前移动。中间轴的后端亦装有锥轴承,轴承外圈与变速器后轴承盖的孔台之间装有凋整垫片,从而使中间轴上的两个圆锥滚子轴承有轴向预紧力,此时转动中间轴总成所需耍的转矩为0.52.0N.m。4)第二轴 第二轴总成分装图,其上装有滚针轴承总成一、二、三、四挡与倒挡从动齿轮总成,同步环,二、三、四、五挡及倒挡同步器齿座等。装配后,轴上的各个齿轮应能自由、均匀传动,不能有卡滞现象,且各挡齿轮轴向间隙不得大于0.24MIn。5)变速机构总成 CAS5-20变速器采用单滑轨式变速机构,变速机构总成由变速机构座总成和变速叉总成组成。九、变速箱故障的排除产生故障的主要原因。使用操作不当,往往使变速箱技术状态迅速恶化。变速箱常见故障原因及其排除故障现象 故障原因及特征 排除方法挂档 或摘 档困难换档时有齿轮冲击声 换档操作不当或离合器分离不彻底 该档滑动齿轮或固定齿轮端面损伤换档费劲 操纵杆件变形 滑动副被杂物塞滞。弹簧刚度过大。连锁机构调整不当,锁销升程不足修磨校正、修理调整 声音异常变速箱第一轴轴承响 轴承磨损,外圈松弛 轴承严重磨损,径向间隙过大齿轮啮合噪音齿轮不是成对的更换,或齿形不正确。 齿轮严重磨损,或因轴承松弛 引起侧隙过大拨叉变形挂碰齿轮周期性冲击声,音量较强更换修复 更换校正及时检查自动脱档轮齿啮合不良轮齿工作表面磨损,形成楔形,产生轴向力拨叉在变速滑轨上松动,不能全齿宽啮合拨叉变形,影响滑动齿轮的垂直度花键轴倾斜轴承间隙过大花键轴变形轴的弯曲刚度不足变速箱及有关箱体变形,影响两轴的平行度造成脱档齿轮加工形位精度不够,形成 轴向力,自行脱档锁定弹簧力减弱,断裂定位力不足“V”形定位槽及锁销头部磨损严重成对更换或调面使用检查固紧校正调整或更换 校直或更换 出厂造成 出厂造成 出厂造成 更换更换,修磨 故障现象 故障原因及特征 排除方法过热润滑油油面过高,搅油发热润滑油油面过低,润滑不良而发热轴承装配过紧注意观察过热是否由悬挂系统 引起的油温过高检查油面,按规定加 足合格品质的润滑油 调整或更换 检查是否超负荷十、本次设计的优缺点(一) 优点:1、结构简单,制造成本低,可用十年以上2、传动平稳,维护方便 3、有过载保护功能 4、能在一定范围内,有效的改变速度5. 传动效率高(二) 缺点: 1、轴和轴承承受载荷大,承受过载及冲击的能力差 2、倒挡无同步器,挂当时齿轮易产生冲击 3、搅油时能量损失大,油温较高十一、运用CAD的设计和作图过程(一)关于CAD AutoCAD是由美国Autodesk公司开发的专门用于计算机绘图设计的软件,由于该软件具有简单易学、设计精确等优点,因此自从20世纪80年代推出以来一直受到广大工程设计人员的青睐。现在AutoCAD已经广泛应用于机械、建筑、电子、航天和水利工程等领域。 AutoCAD2004是Autodesk公司开发的最新版本。在经历了多次完善后,AutoCAD2004的绘图功能更强大,操作更加灵活,越来越便于小组的协同工作,并提供了许多行业的模板;而且它的三维绘图功能更加强大,可以绘制出更加逼真的模型。本次我所参考的AutoCAD2004机械图形设计在讲述的方法上更侧重于在机械制图上的应用。现在许多公司用AutoCAD设计。这次我们用AutoCAD进行北京130变速箱的设计,正是适应了发展趋势的要求,是我们还没走出校园的时候,为走出校园更好的适应社会的要求,更好的为社会服务做好准备。(二) 变速箱箱体的设计参阅前人的经验,根据实际要求,确定变速箱的大体尺寸,距齿轮的传动情况,和需要满足的变速要求,以及各轴的相对位置,确定出变速箱的总体尺寸,做出平面图,形成箱体总体。然后根据实际情况,考虑加工工艺,确定需要加工的面,不需要加工的面,对定位基准、设计基准、工艺基准要初步确定。以待后面尺寸、粗糙度、形位公差等时有所依据。(三) 零件图的设计汽车变速箱零件类型多,门类全,其中几乎涵盖了大多数常见零件,根据前面的总体设计,以及参照前人设计的成果进行零件图的绘制,参阅机械设计手册,进行零件的标准化的优化设计。采用多种画法相结合的方法,力求使图真实的再现零件的本来面目,在绘制过程中有意识的注意了零件的工艺性要求,坚决杜绝仅观赏性而无实用性的零件产生,因为以前的设计图纸资料关于手扶拖拉机的,因此读懂图纸并从中吸取经验也成了关键,我本着认真负责的态度,仔细的观察实物和研读图纸,保证了设计的正确性。十二、变速器的发展现状与方向(一) 无级变速器汽车行驶的速度是不断变化的,这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多,这就是无级变速(Continuously Variable Transmission简称CVT) 。尽管传统的齿轮变速箱并不理想,但其以结构简单、效率高、功率大三大显着优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。在跨越了三个世纪的一百多年后的今天,汽车还没有使用上满意的无级变速箱。这是汽车的无奈和缺憾。但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力,各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情,极
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