变速器的设计与仿真设计【三轴五档】【说明书+CAD+PROE】

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Transmission）采用的是齿轮组，而且每档的齿轮组的齿数是不变的，所以不同档位变速比是个定值。比如，一档变速比是3.85,二档是2.55,再到五档的0.75,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值(即有5级)，所以说它是有级变速器7。自动变速器（AutomaticTransmission），通过借助行星齿轮机构实现变速，根据踩压油门踏板程度，实现自动变速。自动变速汽车是没有离合器，可是自动变速器中却有很多离合器，自动变速器中的离合器能随车速变化而自动分离或合闭，从而达实现自动变速。自动变速器的轿车优势就是通过简便的操作来降低驾驶疲劳，同时还能享受高速驾驶时快乐的感觉。而且，现在大多数的城市的交通状况不好，堵车是经常的事情，有时要不停地起步停步，使用手动档的轿车则会反复地挂档摘档，操作十分烦琐，尤其对于新手来说更是苦不堪言。使用自动挡就完全可以避免此类麻烦。手动/自动变速器，由于有些司机并不希望摒弃传统的手动变速器，而且在某些时候也需要自动的感觉。这样便诞生手动/自动变速器。这种变速器在德国保时捷车厂911车型上首先推出，称为Tiptronic，它可使高性能跑车不必受限于传统的自动档束缚，让驾驶者也能享受手动换档的乐趣。此型车在其档位上设有“+”、“-”选择档位。在D档时，可自由变换降档(-)或加档(+)，如同手动档一样。自动手动变速系统向人们提供两种驾驶方式为了驾驶乐趣使用手动档，而在交通拥挤时使用自动档，这样的变速方式对于我国的现状还是非常适合的。无级变速器，当今汽车产业的发展，是非常迅速的，用户对于汽车性能的要求是越来越高的。汽车变速器的发展也并不仅限于此，无级变速器便是人们追求的“最高境界”。无级变速器最早由荷兰人范多尼斯（VanDoornes）发明。无级变速系统不像手动变速器或自动变速器那样用齿轮变速，而是用两个滑轮和一个钢带来变速，其传动比可以随意变化，没有换档的突跳感觉。它能克服普通自动变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等缺点。有些时候将自动变速器称为无级变速器，这是错误的。虽然它们有着共同点，但是自动变速器只有换档是自动的，但它的传动比是有级的，也就是常说的档，一般自动变速器有27个档2。而无级变速器能在一定范围内实现速比的无级变化，并选定几个常用的速比作为常用的“档”。装配该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。目 录1绪 论11.1变速器的设计背景及目的11.2国内外研究状况及成果11.2.1摩擦传动CVT21.2.2液力传动21.2.3电控机械式自动变速器21.2.4齿轮无级变速器21.3变速器的设计方法原理和设计内容21.3.1 三轴五档变速器的工作原理21.3.2各档动力动力传递情况31.3.3 变速器的设计内容32变速器结构方案的设计32.1两轴式和三轴式变速器32.2齿轮安排42.3换档结构方式42.4倒档的结构方案及倒档轴的位置43变速器主要参数的选择与主要零件的设计53.1变速器主要参数的选择53.1.1档数与传动比53.1.2中心距63.1.3轴向尺寸63.1.4齿轮参数63.2各档传动比及其齿轮齿数的确定73.2.1确定一档齿轮的齿数73.2.2确定常啮合齿轮副的齿数73.2.3确定其他档位的齿数83.2.4确定倒档齿轮的齿数83.3齿轮变位系数的选择94变速器齿轮的强度计算与材料的选择94.1齿轮的损坏原因及形式94.2齿轮的强度计算与校核94.2.1齿轮弯曲强度计算94.2.2齿轮接触应力115变速器轴的强度计算与校核125.1轴的设计125.1.1轴的功用及其设计要求125.1.2轴的尺寸125.1.3轴的结构设计125.1.4接合器设计135.2轴的受力分析与校核135.2.1轴的受力分析145.2.2轴的强度计算145.2.3轴的刚度计算176变速器同步器的设计186.1同步器的结构186.2同步环主要参数的确定197变速器操纵机构207.1操纵机构的功用207.2 换档位置图207.3变速杆的布置207.3.1直接操纵手动换挡变速器207.3.2远距离操纵手动换挡变速器207.4锁止装置217.4.1互锁装置217.4.2自锁装置217.4.3倒档锁装置21小 结22致 谢23参考文献24塔里木大学毕业设计1绪 论1.1变速器的设计背景及目的现代汽车很多都采用往复活塞式内燃机的动力设置的动力设置。它虽然有着体积小、质量轻、工作可靠、使用方便等方面优点，但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。大家知道，汽车需要克服作用在它上面的阻力，才能起步和正常的行驶。即便以低速等速直线行驶在平坦的柏油路上也需要克服约占汽车总质量1.5%的滚动阻力。 例如，NJ130汽车，满载时总质量为5360kg，其滚动阻力为800N左右。若需要满载汽车在坡度为9%的道路上等速上坡行驶，仅上坡阻力就达4824N。如果用发动机直接带动汽车驱动轮，则发动机需要发出2050Nm.的扭矩。而NJ130汽车发动机的最大扭矩只有205Nm，此时，所产生的最大牵引力为482N，和上坡阻力相差10倍之多。像这样小的牵引力，不仅在上坡时难以行驶，就是在平坦的路面上也是不能行驶的。另一方面，NJ130汽车发动机，最大功率为51.5kW，此时曲轴的转速为2800r/min。如发动机和车轮直接相连，则对应于该转速所换算的汽车速度，竟达到458km/h.。显然，这样高的车速是不能实现的。上述发动机的扭矩、转速与汽车的牵引力、车速要求之间的矛盾，靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。为此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器。既可使驱动车轮的扭矩增大为发动机扭矩的若干倍，同时又可使其转速减小到发动机转速的若干分之一。此外，汽车的使用条件有着复杂，变化很大的特点。譬如：汽车的载货量、道路坡度、路面好坏以及交通等方面。这就要求汽车的牵引力和车速具有较大的变化范围，以及适应使用的需要。当汽车在平坦的道路上，以高速行驶时，可挂入变速器的高速档；而在不平的路上或爬较大的坡道时，则应挂入变速器的低速档。根据汽车的使用条件，选择合适的变速器档位，不仅是汽车动力性的要求，而且也是汽车燃料经济性的要求。例如，汽车在同样的载货量、道路、车速等条件下行时，往往可挂入较高的变速器档位，也可挂入较低的档位工作。此时只是发动机的节气门开度和转速或大或小而已，可是发动机在不同的工况下，燃料的消耗量是不一样的。一般变速器具有四个或更多的档位，驾驶员可根据情况选择合适的档位，使发动机燃料消耗量减小。汽车在某些情况下，如进出停车场或车库，或在较窄的路上掉头等需要倒向行驶。然而，汽车发动机不能倒转工作，因此在变速器设立倒档。此外，变速器还设有空档，可中断动力传递，以满足汽车暂时停止行驶和对发动机检查调整的需要4。对变速器的要求。除一般便于制造、使用、维修以及质量轻、尺寸紧凑外，主要还有以下几点：1) 保证汽车有必要的动力性和经济性。2) 设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。3) 设置倒档，使汽车能倒退行驶。4) 设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。5) 换挡迅速，省力，方便。6) 工作可靠。汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生。7) 变速器应当有高的工作效率。8) 变速器的工作噪声低。1.2国内外研究状况及成果现代汽车工业的飞速发展以及人们对汽车的要求不断的变化，机械式变速器不能满足人们的需要。从40年代初，美国成功研制出两挡的液力-机械变速器以来，自动变速器技术得到了迅速发展。80年代，美国已将液力自动变速器作为轿车的标准装备。1983年时，美国通用汽车公司的自动变速器装车率已经达到了94%。近些年来，由于电子技术和电子计算机技术的发展，自动变速器技术已经达到了相当高的水平。自动变速器与机械式变速器相比，具有许多不可比拟的优势：提高发动机和传动系的使用寿命；提高汽车的通过性；具有良好的自适应性；操纵更加方便10。目前，国内变速器厂商都朝无级变速器和自动变速器方向发展，国内现已有好几款轿车已经应用上无级变速器，而重型汽车则采用多中间轴的形式，将低速档和高速档区分开。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。汽车的无奈和缺憾是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。但是,人们始终在为实现汽车理想变速器做着不懈的努力,各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情，极度重视CVT在汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器的研究的终极目标5。围绕汽车变速箱四个研究方向，各国汽车变速器专家展开了激烈的角逐。1.2.1摩擦传动CVT金属带式无级变速箱(VDT-CVT)的传动功率已能达到轿车实用的要求，装备金属带式无级变速箱的轿车已达100多万辆。据报道：大排量6缸内燃机（2.8L）的奥迪A6轿车上装备的金属带式无级变速箱Multitronic CVT ，能传动142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。这是真正意义的无级变速器。另一种摩擦传动CVT(名为Extroid CVT)是滚轮转盘式。日产把它装在概念车XVL上首次于去年东京车展展示，新款公爵(Cedric)车也装用这种CVT。可与3L以上排量的大马力内燃机(XVL的引擎输出为330Nm/194kw)搭配使用，可谓汽车变速箱发展史上又一重要进步4。从V形橡胶带CVT到V型金属带CVT再到滚轮转盘式CVT，摩擦传动CVT的研究已持续了整整一个世纪，尽管摩擦传动无级变速器的发展已经达到很高的水平，也已经装备上汽车达到了实用的水平。但齿轮变速箱依然占据着半壁河山，这至少说明了四个问题：1) 无级变速（CVT）是汽车变速箱始终追逐的目标。2) 摩擦传动CVT实现大功率的无级变速传动是极为困难的。3) 摩擦传动CVT传动效率低是必然的。4) 摩擦传动CVT的效率，功率无法与齿轮变速相比。1.2.2液力传动人们经常把液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）两个概念混为一谈。实际上这两种变速器工作原理完全不同。液力自动变速器免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变得简单、省力。但是, 液力自动变速器（AT）不是无级变速，是有级变速的自动控制，没有从根本上满足汽车对变速器的要求。从原始橡胶带无级变速箱到现代金属链无级变速箱、滚轮转盘式CVT，百年大回转说明：无级变速箱是汽车变速箱的最终归属，液力自动变速器只不过是一种过渡产品。1.2.3电控机械式自动变速器 电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission简称AMT)和液力自动变速器（AT）一样，不是无级变速器，是有级变速器的自动换档控制。其特点是机械传动部分沿用了传统的有级变速箱，但控制参量太多，实现自动控制相当困难。 1.2.4齿轮无级变速器 齿轮无级变速器（Gear Continuously Variable Transmission）这是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。 据最新消息：一种齿轮无级变速装置(Gear Continuously Variable Transmission简称G-CVT)已经试制成功，并已经进行了多次样机试验。齿轮无级变速装置结构相当简单，只有不足20种非标零件，51个零件，生产成本甚至低于手动变速箱。预计今年进行装车试验6。1） 齿轮无级变速器的优势表现为：2） 2）传动功率大，200KW的传动功率是很容易达到的；3）传动效率高，90%以上的传动效率是很容易达到的；4）结构简单，大幅度降低生产成本，相当于自动变速箱的1/10；5）对汽车而言，提高传动效率，节油20%；6）发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减少了对环境的污染。1.3变速器的设计方法原理和设计内容1.3.1 三轴五档变速器的工作原理一对啮合传动的齿轮，设小齿轮齿数Z1=20，大齿轮齿数Z2=40，在相同的时间内小齿轮转 过一圈时，大齿轮转过半圈。显然，当小齿轮是主动齿轮时，它的转速经大齿轮输出时就降低了;如果大齿轮是主动齿轮时，它的转速经小齿轮输出时就提高三轴五档变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴、中间轴、第二轴、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成4。1) 第一轴第一轴和第一轴常啮合齿轮为一个整体，是变速器的动力输入轴。第一轴前部花键插于离合器从动盘毂中。2) 中间轴在中间轴上制有有六个齿轮，作为一个整体而转动。最前面的齿轮与一轴常啮合齿轮相啮合，称为中间轴常啮合齿轮，从离合器输入一轴的动力经这一对常啮合齿轮传到中间轴各齿轮上。向后依次称各齿轮为中间轴三档、二档、倒档、一档和五档齿轮。3) 第二轴在第二轴上，通过花键固装有三个花键毂，通过轴承安装有二轴各档齿轮。其中从前向后，在第一和第二花键毂之间装有三档和二档齿轮，在第二和第三花键毂之间装有一档和五档齿轮，它们分别与中间轴上各相应档齿轮相啮合。在三个花键毂上分别套有带有内花键的接合套，并设有同步机构。通过接合套的前后移动，可以使花键毂与相邻齿轮上的接合齿圈连接在一起，将齿轮上的动力传给二轴。其中在第二个接合套上还制有倒档齿轮。第二轴前端插入一轴齿轮的中心孔内，两者之间设有滚针轴承。第二轴后端通过凸缘与万向传动装置相连。4) 倒档轴倒档轴采用过盈配合压装在壳体相应的轴孔中。倒档齿轮通过轴承活套在倒档轴上11。1.3.2各档动力动力传递情况一档输入轴第一轴常啮齿轮中间轴中间轴第一档齿轮第二轴一档齿轮一档同步器接合齿圈接合套第二轴输出。二档输入轴第一轴常啮齿轮中间轴中间轴第二档齿轮第二轴二档齿轮二档同器接合齿圈接合套第二轴输出。三档输入轴第一轴常啮齿轮中间轴中间轴第三档齿轮第二轴三档齿轮三档同步器接合齿圈接合套第二轴输出。四档输入轴一档常啮齿轮第一轴上四档齿轮接合齿圈三、四档同步器接合套第二轴输出。五档输入轴第一轴常啮齿轮中间轴中间轴第五档齿轮第二轴五档齿轮五档同步器接合齿圈接合套第二轴输出。倒档输入轴第一轴常啮齿轮中间轴中间轴倒档齿轮倒档轴上的倒档齿轮第二轴上倒档齿轮第二轴倒档齿轮接合齿圈倒档同步器接合套第二轴输出了10。1.3.3 变速器的设计内容在本次设计中，由于是对传统的变速器进行改进性设计，我们在设计中采用了锁环式同步器与锁销式同步器相结合的换档方式。在设计中，我们除了对汽车变速器的结构进行了合理的布置外还运用了材料力学、机械原理、机械设计等知识，对变速器的重要零件轴和齿轮进行受力分析，强度、刚度的校核，以及为这些零件选择合理的工程材料和热处理方法，同时也为变速器选择合理的同步器和操纵机构。设计的主要参数：主减速比：4.982最高时速：190km/h 最大扭矩：170Nm/4500最大功率：95kw/5750最高转速：5000r/min2变速器结构方案的设计目前，汽车上采用的变速器结构形式是多种多样的，这是由于各国汽车的使用、制造、修理等条件不同，也是由于各种类型汽车的使用要求不同所决定的。尽管如此，一般变速器的结构形式，仍具有很多共同点。各种机构形式都有其各自的优缺点，这些优缺点随主观和客观条件的变化而变化。因此，设计人员应深入实际，收集资料，调查研究，对结构进行分析比较，并尽可能地考虑到产品的系列化、通用化和标准化，最后确定较合适的方案11。2.1两轴式和三轴式变速器现代汽车大多数采用三轴式变速器。两轴式变速器只用于发动机前置、前轮驱动或发动机后置、后轮驱动的轿车上。究竟采用哪种形式，除了汽车总布置的要求外，主要考虑以下三个方面。1) 变速器的径向尺寸两轴式变速器的前进档均由一对齿轮传递动力。当需要大的传动比时，需将主动齿轮做得小些，而将从动齿轮做得大些，因此两轴的中心距和变速器壳体的相关尺寸也必然增大。而三轴式变速器由两对齿轮传递动力，在同样传动比的情况下，可将大齿轮的径向尺寸做得小些，因此中心距及变速器壳的相关尺寸均可减小。2) 变速器的寿命两轴式变速器的低档齿轮幅大小相差悬殊，小齿轮工作循环次数比大齿轮要高得多，因此小齿轮的寿命比大齿轮的寿命短。三轴式变速器各前进档（除直接档），均为常啮合斜齿轮传动，大小齿轮的径向尺寸相差较小，工作循环次数和寿命也比较接近，用直齿轮工作时，因第一轴与第二轴直接连接在一起，齿轮只是空转，并不传递动力，故不影响齿轮的寿命。3) 变速器的效率两轴式变速器虽然可以由等于1的传动比，但仍要经过一对齿轮传递动力，因此用功率损失。而三轴式变速器可将输入轴和输出轴直接相连，得到直接档，这种动力传递方式几乎无功率损失，且噪声较小5。轿车、尤其是微型汽车，采用两轴式变速器比较多，这样可将变速器和主传动器组成一个整体，使传动系的结构紧凑，汽车得到较大的有效空间，便于汽车的总体布置。因此，近年来在欧洲的轿车中采用的比较多。2.2齿轮安排各齿轮副的相对安装位置对于整个变速器的结构布置有很大的影响。各档位置的安排应考虑以下四个方面。1) 整车总布置根据整车的总布置，对变速器输入轴和输出轴的相对位置和变速器的轮廓形状以及换档机构提出要求。2) 驾驶员的使用习惯有人认为人们习惯于按档的高低顺序，由左到右或由右到左排列来换档。但是也有人认为应该将常用档位放在中间位置。值得注意的是倒档，虽然他是平常换档序列之外的一个特殊档位，然而却是决定序列组合方案的重要环节。按习惯，倒档最好与序列不接合。否则，从安全角度考虑，将倒档与一档放在一起较好。在五档变速其中，倒档与序列接合与不接合两者比较，前者在结构上可省去一个拨叉和一根变速滑杆，后者的布置适当，则可使变速器的轴向长度缩短。3) 提高平均传动效率为提高平均传动效率，在三轴式变速器中，普遍采用具有直接档的传动方案，并尽可能地将使用时间最多的档位设计成直接档。4) 改善齿轮受载状况各档齿轮在变速器中的位置安排，应考虑齿轮的受载状况。承受载荷大的低档齿轮，一般安置在离轴承较近的地方，以较小轴的变形，使齿轮的重叠系数不致下降过多。变速器齿轮主要是因接触应力过高而造成表面点蚀损坏，因此将高档齿轮安排在离两支撑较远处较好。该处因轴的变形而引起齿轮的偏转角较小，故齿轮的偏载也小12。2.3换档结构方式目前汽车上的机械式变速器采用的换档结构形式有三种。1) 滑动齿轮换档通常是采用滑动直齿轮进行换档，但也有采用滑动斜齿轮换档的。滑动直齿轮换档的优点是结构简单、紧凑、容易制造。缺点是换档使齿面承受很大的冲击，会导致齿轮过早损坏，并且直齿轮工作噪声大，所以这种换档方式一般仅用在倒档上。2) 啮合套换档用接合套换档，可将构成某传动比的一对齿轮，制成常啮合斜齿轮。而斜齿轮上另外有一部分做成直的结合齿，用来与啮合套向啮合。这种结构具有斜齿轮的传动优点，同时克服了滑动齿轮换档时冲击力集中在12个轮齿上的缺陷。因为在换档时，有啮合套以及相啮合的结合齿上所有的轮齿共同承担所受到的冲击，所以啮合套和结合齿的轮齿所受的冲击损伤和磨损较小。它的缺点是增大了变速器的轴向尺寸，未能彻底消除齿轮端面所受到的冲击。3) 同步器换档现在大多数汽车的变速器都采用同步器。使用同步器可减轻结合齿在换档时引起的冲击及零件的损坏。并且具有操纵轻便，经济性和缩短换档时间等优点，从而改善了汽车的加速性，经济性和山区行使的安全性。其缺点是零件增多，结构复杂，轴向尺寸增加，制造要求高，同步环磨损大，寿命低。但是近年来由于同步器的广泛使用，受命问题已解决。上述三种换档方案，可同时用在同一变速器中的不同档位上。一般考虑原则是不常用的倒档和一档采用结构较简单的滑动直齿轮或啮合套的形式。对于常用的档位则采用同步器或啮合套12。2.4倒档的结构方案及倒档轴的位置倒档齿轮的结构及其轴的位置，应与变速器的整体结构方案同时考虑。在结构布置上，要注意在不挂入倒档时，不能与第二轴齿轮有啮合情况。换倒档时能顺利换入倒档，而不和其它齿轮发生干涉。在轿车和其它轻型汽车中，经常只采用一个倒档齿轮，结构较简单。载货汽车由于需要较大的倒档传动比，则多采用由两个齿轮组成的齿轮组。为缩短变速器的轴向尺寸充分利用空间。但一档和倒档需各用一根变速滑杆，这比通常的换档机构多用一根变速滑杆和拨叉，使变速器的上盖结构变得复杂。倒档齿轮安排在变速器的左侧或右侧，关系到操纵杆拨动的方向和倒档轴的受力状况。挂倒档时，操纵杆向左侧拨动，比较符合习惯要求。但此时倒档齿轮需安排在右侧，这是倒档轴的轴向承受较大的作用力。反之，操纵杆向右侧，虽不符合习惯，但可以减轻倒档轴的负荷12。3变速器主要参数的选择与主要零件的设计3.1变速器主要参数的选择3.1.1档数与传动比年来，为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。目前，乘用车一般用45个档位的变速器。本设计也采用5个档位。 选择最低档传动比时，应根据汽车最大爬坡度、驱动轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速以及主减速比和驱动轮的滚动半径等来综合考虑、确定。汽车爬陡坡时1车速不高，空气阻力可忽略，则最大驱动力用于克服轮胎与路面间的滚动阻力及爬坡阻力。故有 则由最大爬坡度要求的变速器档传动比为 （3-1）式中 -汽车总质量； -重力加速度； -道路最大阻力系数； -驱动轮的滚动半径； -发动机最大转矩； -主减速比； -汽车传动系的传动效率。根据驱动车轮与路面的附着条件 求得的变速器I档传动比为： (3-2)式中 G2-汽车满载静止于水平路面时驱动桥给路面的载荷； -路面的附着系数，计算时取=0.50.6。由已知条件：满载质量 1800kg； =337.25mm；=170Nm；=4.782； =0.95。根据公式（3-2）可得：=3.85。超速档的的传动比一般为0.70.8，本设计取五档传动比=0.75。中间档的传动比理论上按公比为： （3-3）的等比数列，实际上与理论上略有出入，因齿数为整数且常用档位间的公比宜小些，另外还要考虑与发动机参数的合理匹配。根据上式可的出：=1.51 故有： 3.1.2中心距中心距对变速器的尺寸及质量有直接影响，所选的中心距、应能保证齿轮的强度。三轴式变速器的中心局A（mm）可根据对已有变速器的统计而得出的经验公式初定： （3-4）式中 K A-中心距系数。对轿车， =8.99.3；对货车， =8.69.6；对多档 主变速器， =9.511； -变速器处于一档时的输出扭矩： 故可得出初始中心距A=77.08mm。3.1.3轴向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齿轮和换档机构的布置初步确定。轿车四档变速器壳体的轴向尺寸3.03.4A。货车变速器壳体的轴向尺寸与档数有关：四档(2.22.7)A五档(2.73.0)A当变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数KA应取给出系数的上限。为检测方便，A取整。本次设计采用5+1手动挡变速器，其壳体的轴向尺寸是 377.08mm=231.24mm变速器壳体的最终轴向尺寸应由变速器总图的结构尺寸链确定。 3.1.4齿轮参数1) 齿轮模数建议用下列各式选取齿轮模数，所选取的模数大小应符合GB1357-80规定的标准值。第一轴常啮合斜齿轮的法向模数 （3-5） 其中，可得出。一档直齿轮的模数m （3-6）通过计算。同步器和啮合套的接合大都采用渐开线齿形。由于制造工艺上的原因，同一变速器中的结合套模数都取相同，轿车和轻型货车取23.5。本设计取2.5。2) 齿形、压力角、螺旋角和齿宽b压力角较小时，重合度大，传动平稳，噪声低；较大时可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。对轿车，为加大重合度以降低噪声，取小些；对货车，为提高齿轮承载力，取大些。在本设计中变速器齿轮压力角取20,啮合套或同步器取30；斜齿轮螺旋角取30。应该注意的是选择斜齿轮的螺旋角时应力求使中间轴上的轴向力相互抵消。为此，中间轴上的全部齿轮一律取右旋，而第一轴和第二轴上的的斜齿轮取左旋，其轴向力经轴承盖由壳体承受。齿轮宽度b的大小直接影响着齿轮的承载能力，b加大，齿的承载能力增高。但试验表明，在齿宽增大到一定数值后，由于载荷分配不均匀，反而使齿轮的承载能力降低。所以，在保证齿轮的强度件下，尽量选取较小的齿宽，以有利于减轻变速器的重量和缩短其轴向尺寸8。通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽13：直齿 b=(4.58.0)mm斜齿 b=(6.08.5)mm第一轴常啮合齿轮副齿宽的系数值可取大一些，使接触线长度增加，接触应力降低，以提高传动的平稳性和齿轮寿命。表3-1 汽车变速器齿轮的齿形、压力角与螺旋角车型齿形压力角螺旋角轿车高齿并修形的齿形14.5，15，1616.52545一般货车GB1356-78规定的标准齿形202030重型车GB1356-78规定的标准齿形低档、倒档齿轮22.5，25小螺旋角3.2各档传动比及其齿轮齿数的确定在初选了中心距、齿轮的模数和螺旋角后，可根据预先确定的变速器档数、传动比和结构方案来分配各档齿轮的齿数。下面结合本设计来说明分配各档齿数的方法。3.2.1确定一档齿轮的齿数一档传动比 （3-7）为了确定Z9和Z10的齿数，先求其齿数和: = （3-8）其中 A =77.08mm、m =3；故有。 当轿车三轴式的变速器时，则 ，此处取=16，则可得出=35。上面根据初选的A及m计算出的可能不是整数，将其调整为整数后，从式（3-8）看出中心距有了变化，这时应从及齿轮变位系数反过来计算中心距A，再以这个修正后的中心距作为以后计算的依据。这里修正为51，则根据式（3-8）反推出A=76.5mm。3.2.2确定常啮合齿轮副的齿数由式（3-7）求出常啮合齿轮的传动比 （3-9）由已经得出的数据可确定 而常啮合齿轮的中心距与一档齿轮的中心距相等 （3-10）由此可得： （3-11） 而根据已求得的数据可计算出： 联立可得：=19、=34。则根据式（3-7）可计算出一档实际传动比为： 图3-1 档变速器示意3.2.3确定其他档位的齿数二档传动比： （3-12）而，故有： 对于斜齿轮， （3-13）故有：联立得：按同样的方法可分别计算出：三档齿轮 ；四档齿轮 3.2.4确定倒档齿轮的齿数一般情况下，倒档传动比与一档传动比较为接近，在本设计中倒档传动比取3.7。中间轴上倒档传动齿轮的齿数比一档主动齿轮10略小，取。而通常情况下，倒档轴齿轮取2123，此处取=23。由 （3-14）可计算出。故可得出中间轴与倒档轴的中心距 （3-15） 而倒档轴与第二轴的中心: （3-16） 3.3齿轮变位系数的选择齿轮的变位是齿轮设计中一个非常重要的环节。采用变位齿轮，除为了避免齿轮产生根切和配凑中心距以外，它还影响齿轮的强度，使用平稳性，耐磨性、抗胶合能力及齿轮的啮合噪声。变位齿轮主要有两类：高度变位和角度变位。高度变位齿轮副的一对啮合齿轮的变位系数的和为零。高度变位可增加小齿轮的齿根强度，使它达到和大齿轮强度相接近的程度。高度变位齿轮副的缺点是不能同时增加一对齿轮的强度，也很难降低噪声。角度变位齿轮副的变位系数之和不等于零。角度变位既具有高度变位的优点，又避免了其缺点。有几对齿轮安装在中间轴和第二轴上组合并构成的变速器，会因保证各档传动比的需要，使各相互啮合齿轮副的齿数和不同。为保证各对齿轮有相同的中心距，此时应对齿轮进行变位。当齿数和多的齿轮副采用标准齿轮传动或高度变位时，则对齿数和少些的齿轮副应采用正角度变位。由于角度变位可获得良好的啮合性能及传动质量指标，故采用的较多。对斜齿轮传动，还可通过选择合适的螺旋角来达到中心距相同的要求。变速器齿轮是在承受循环负荷的条件下工作，有时还承受冲击负荷。对于高档齿轮，其主要损坏形势是齿面疲劳剥落，因此应按保证最大接触强度和抗胶合剂耐磨损最有利的原则选择变位系数。为提高接触强度，应使总变位系数尽可能取大一些，这样两齿轮的齿轮渐开线离基圆较远，以增大齿廓曲率半径，减小接触应力。对于低档齿轮，由于小齿轮的齿根强度较低，加之传递载荷较大，小齿轮可能出现齿根弯曲断裂的现象9。总变位系数越小，一对齿轮齿根总厚度越薄，齿根越弱，抗弯强度越低。但是由于轮齿的刚度较小，易于吸收冲击振动，故噪声要小些。根据上述理由，为降低噪声，变速器中除去一、二档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。其中，一档主动齿轮10的齿数，因此一档齿轮需要变位。变位系数 （3-17） 式中为要变位的齿轮齿数。4变速器齿轮的强度计算与材料的选择4.1齿轮的损坏原因及形式齿轮的损坏形式分三种：轮齿折断、齿面疲劳剥落和移动换档齿轮端部破坏。轮齿折断分两种：轮齿受足够大的冲击载荷作用，造成轮齿弯曲折断；轮齿再重复载荷作用下齿根产生疲劳裂纹，裂纹扩展深度逐渐加大，然后出现弯曲折断。前者在变速器中出现的很少，后者出现的多。齿轮工作时，一对相互啮合，齿面相互挤压，这时存在齿面细小裂缝中的润滑油油压升高，并导致裂缝扩展，然后齿面表层出现块状脱落形成齿面点蚀。他使齿形误差加大，产生动载荷，导致轮齿折断。用移动齿轮的方法完成换档的抵挡和倒挡齿轮，由于换档时两个进入啮合的齿轮存在角速度差，换档瞬间在齿轮端部产生冲击载荷，并造成损坏。4.2齿轮的强度计算与校核与其他机械设备使用的变速器比较，不同用途汽车的变速器齿轮使用条件仍是相似的。此外，汽车变速器齿轮所用的材料、热处理方法、加工方法、精度等级、支撑方式也基本一致。如汽车变速器齿轮用低碳合金钢制造，采用剃齿或齿轮精加工，齿轮表面采用渗碳淬火热处理工艺，齿轮精度不低于7级。因此，比用于计算通用齿轮强度公式更为简化一些的计算公式来计算汽车齿轮，同样、可以获得较为准确的结果8。在这里所选择的齿轮材料为40Cr。4.2.1齿轮弯曲强度计算1) 直齿轮弯曲应力 （4-1）式中，-弯曲应力（MPa）；-一档齿轮10的圆周力（N）， ，其中计算载荷（Nmm），d为节圆直径。 -应力集中系数，可近似取1.65；-摩擦力影响系数，主动齿轮取1.1，从动齿轮取0.9； -齿宽（mm），取20 -端面齿距（mm）； -齿形系数，如图4-1所示。 图4-1 齿形系数图 当处于一档时，中间轴上的计算扭矩为： （4-2） 故可以得出；再将所得出的数据代入式（4-1）可得 当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大扭矩时，一档直齿轮的弯曲应力在400850MPa之间。2) 斜齿轮弯曲应力 （4-3）式中 为重合度影响系数，取2.0；其他参数均与式（4-1）注释相同，选择齿形系数y时，按当量模数在图（4-1）中查得。二档齿轮圆周力： （4-4）根据斜齿轮参数计算公式可得出：=6798.8N齿轮8的当量齿数=47.7，可查表（4-1）得：。故 同理可得： 依据计算二档齿轮的方法可以得出其他档位齿轮的弯曲应力，其计算结果如下：三档： 四档： 五档： 当计算载荷取作用到第一轴上的最大扭矩时，对常啮合齿轮和高档齿轮，许用应力在180350MPa范围内，因此，上述计算结果均符合弯曲强度要求。4.2.2齿轮接触应力 (4-5)式中， -齿轮的接触应力（MPa）； -齿面上的法向力（N），； -圆周力在（N）， ； -节点处的压力角（）； -齿轮螺旋角（）； E-齿轮材料的弹性模量（MPa），查资料可取； b-齿轮接触的实际宽度，20mm； -主、从动齿轮节点处的曲率半径（mm）；直齿轮： （4-6） （4-7） 斜齿轮： （4-8） （4-9）其中，分别为主从动齿轮节圆半径（mm）。将作用在变速器第一轴上的载荷作为计算载荷时，变速器齿轮的许用接触应力见下表：表4-1 变速器齿轮的许用接触应力齿轮/MPa渗碳齿轮液体碳氮共渗齿轮一档和倒档190020009501000常啮合齿轮和高档13001400650700通过计算可以得出各档齿轮的接触应力分别如下： 对照上表可知，所设计变速器齿轮的接触应力基本符合要求。5变速器轴的强度计算与校核5.1轴的设计5.1.1轴的功用及其设计要求变速器在工作是承受力扭矩、弯矩，因此应具备足够的强度和刚度。轴的钢的不足，在负荷作用下，轴会产生过大的变形，影响齿轮的正常啮合，产生过大的噪声，并会降低齿轮的使用寿命。这一点很重要，与其它零件的设计不同。设计变速器轴时主要考虑以下几个问题：轴的结构形状，轴直径、长度、轴的强的和刚度，轴上花键型式和尺寸2。轴的结构主要依据变速器结构布置的要求，并考虑加工工艺，装配工艺而最后确定。5.1.2轴的尺寸轴的直径与支承跨度长度之间关系可按下式选取：第一轴及中间轴： （5-1）第二轴： （5-2）第二轴及中间轴最大轴径： （5-3）第一轴最细处： （5-4）第一轴花键部分直径 ： （5-5） 式中：发动机最大扭矩，变速器中心距，有相关手册查得： 中心距经验公式： （）取中心距: =126.25.1.3轴的结构设计轴的结构形状应保证齿轮、同步器部件及轴承等安装、固定。并与工艺要求有密切关系。在三轴式变速器中，第一轴通常和齿轮做成一体，前端支承在发动机飞轮内腔的轴承上。其直径根据前轴承内径确定。公差一般选。第一轴花键尺寸与离合器从动盘毂内花键统一考虑。第一轴的长度根据离合器总称轴向尺寸确定。确定第一轴后径时，希望轴承外径比第一轴上常啮合齿圈外径大，便于装拆第一轴。第二轴前颈通过轴承安装在第一轴常啮合齿圈的内腔里，它受齿轮径向尺寸的限制，前轴颈上安装长或短圆柱滚子轴承或滚针轴承或散滚针轴承。第二轴安装同步器齿毂的花键采用渐开线花键，渐开线花键固定连接的精度要求比矩形花键低，定位性能好，承载能力大，花键齿短，其小径相应增大，可提高轴的刚度。选用渐开线花键是以大径定心更合适。第二轴各档齿轮与轴之间有相对旋转运动，因此，无论装滚针轴承、衬套还是钢件对钢件直接接触，轴的表面粗糙度均要求很高，不应低于0.8。表面硬度不应低于HRC5863。在一般情况下轴上还应开螺旋油槽，以保证充分润滑。在低档时，齿轮须轴向滑动挂挡（有些变速器）齿轮处，轴上花键采用矩形花键，因为挂挡时，齿轮须轴向滑动，要求定中心好滑动灵活。所以除要求定中心的外径磨削外，一般键齿侧面也需要磨削，而矩形花键键侧面磨削比渐开线花键容易。第二轴制成阶梯式，便于齿轮安装，从受力和合理使用材料看，这也是需要的。各截面尺寸要避免相差悬殊，轴上供磨削用的砂轮越程槽产生应力集中，易造成轴折断。轻型汽车变速器各档位常用弹性挡圈轴向定位，弹性挡圈定位简单，但拆装不方便，并且与旋转件端面有相对摩擦，同时弹性挡圈亦不能传递很大的轴向力，这是很不利的。因此只在轻型汽车上采用。第二轴尾端螺纹不应淬硬。轻型汽车（尤其是轿车）为了缩短传动轴的长度，常常将第二轴做得很长，在长的后体设有辅助支承。有些变速器低档、倒档或超速档传动往往不只在后体上。变速器中间轴有旋转式和固定式两种：固定式中间轴是根光轴，近期支撑作用，其刚度由安装在轴上的宝塔齿轮结构保证。轴和宝塔齿轮之间用滚针轴承、或短圆柱滚子轴承。轴常轻压于壳体中。因此光轴有两种配合公差的轴径。固定式中间轴用锁片或双头螺柱固定。轻型汽车的中心距较小，壳体上无足够位置设置滚动轴承和轴承盖。因而多采用固定式中间轴。旋转式中间轴支承在前后两个滚动轴承上，一般轴向力常由后轴承承受。由于中间轴上一档齿轮尺寸较小，常和轴做成一体，成为中间齿轮轴，而高档齿轮则通过键或过盈配合与中间轴结合，以便齿轮损坏后更换。如结构尺寸允许，应尽量用旋转式中间轴而不用固定式中间轴。我这次设计的中型货车的变速器就是采用的旋转式中间轴。中间轴的前轴承运用圆柱滚子轴承，从前之后依次是常啮合齿轮，四档齿轮，三档齿轮，二档齿轮，一档齿轮由于尺寸较小，就与中间轴制成一体，并且中间轴一档也和倒档齿轮啮合，后轴承使用球轴承，轴后端用螺纹锁紧，再加后轴承改其定位密封作用。5.1.4接合器设计设计接合器时主要考虑三个问题：接合器强度、尺寸；换档方便，不允许自行脱档等。接合器参数选择,接合器采用渐开线齿线，齿形参数应尽量按渐开线花键标准选取。花键模数依使用条件、传递的最大扭矩与同类汽车比较选取。近似公式如下： （5-6）式中：-接合齿模数，mm -接合齿圈齿数 -接合齿圈传递最大扭矩，当啮合套工作宽度b=1116时，系数c取0.19-0.34；b=47时，c取0.13-0.19。计算的模数最后按标准确定 。一般推荐，对轿车和轻型、中型货车模数为2-3.5，重型货车为3.5-5.0。考虑到加工工艺，各档接合器齿的模数应相同。齿面工作宽度初选可等于模数的2-5倍。一轴取模数为3.5，齿数为24。二轴锁销式同步器模数4，齿数24。5.2轴的受力分析与校核5.2.1轴的受力分析求支撑反力，先从第二轴开始，然后依次计算中间轴、第一轴。计算公式如下表若计算结果为正数，表示实际力的方向与图示方向相同，若计算结果为负数，表示实际力的方向与图示方向相反。5.2.2轴的强度计算由变速器结构布置并考虑到加工和装配而确定的轴的尺寸，一般来说强度是足够的，仅对其危险断面进行验算不同档位时的各支反力，可以计算轴的各截面的弯曲力矩： （5-7）式中：支撑中心至计算断面距离。