長安杰勛汽車機械式變速器設計【手動5檔變速器】

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ZhuRongfu Heilongjiang Institute of Technology 2011-06·Harbin 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目: 長安杰勛汽車機械式變速器設計 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學院 專 業(yè) 班 級: 車輛工程B07-7 學 生 姓 名: 武宇 導 師 姓 名: 朱榮福 開 題 時 間: 2011年3月11日 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 武宇 院系 汽車與交通 工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程B07-7 指導教師姓名 朱榮福 職稱 講師 從事 專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 長安杰勛汽車機械式變速器設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1、研究現(xiàn)狀 現(xiàn)代汽車變速器的發(fā)展十分快，不斷出現(xiàn)嶄新的變速器裝置。變速器技術(shù)的每次跨越都和相關學科的發(fā)展密切相關。計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、先進制造技術(shù)、運動仿真等為變速器的進一步發(fā)展提供了有力的保障。變速器的發(fā)展也給相關學科提出更高的理論要求，使人類的認識邁向新的、更高的境界。 變速器由傳動機構(gòu)和變速機構(gòu)組成，可制成單獨變速機構(gòu)或與傳動機構(gòu)合裝在同一殼體內(nèi)。傳動機構(gòu)大多用普通齒輪傳動，也有的用行星齒輪傳動。普通齒輪傳動變速機構(gòu)一般用滑移齒輪和離合器等?；讫X輪有多聯(lián)滑移齒輪和變位滑移齒輪之分。用三聯(lián)滑移齒輪變速，軸向尺寸大；用變位滑移齒輪變速, 結(jié)構(gòu)緊湊, 但傳動比變化小。離合器有嚙合式和摩擦式之分。用嚙合式離合器時，變速應在停車或轉(zhuǎn)速差很小時進行，用摩擦式離合器可在運轉(zhuǎn)中任意轉(zhuǎn)速差時進行變速，但承載能力小，且不能保證兩軸嚴格同步。為克服這一缺點，在嚙合式離合器上裝以摩擦片，變速時先靠摩擦片把從動輪帶到同步轉(zhuǎn)速后再進行接合。行星齒輪傳動變速器可用制動器控制變速。汽車變速器按傳動比變化方式不同可分為有級式、無極式和綜合式三種。有級式變速器應用最為廣泛，目前轎車和輕、中型貨車多有應用；無級式變速器有兩種——電力式變速器和液力式變速器，電力式變速器在傳動系統(tǒng)中也有廣泛采用的趨勢；綜合式變速器目前應用的較多。 機械式變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個定值(也就是所謂的“級”)。比如，一檔變速比是3.85, 二檔是2.55, 再到五檔的0.75, 這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動比，總共只有5個值(即有5級)，所以說它是有級變速器。曾有人斷言，繁瑣的駕駛操作等缺點，阻礙了汽車高速發(fā)展的步伐，機械式變速器會在不久“下課”，從事物發(fā)展的角度來說，這話確實有道理。但是從目前市場的需求和適用角度來看，機械式變速器不會過早的離開。首先，從商用車的特性上來說，機械式變速器的功用是其他變速器所不能替代的。以卡車為例，卡車用來運輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對如此高的“壓力”，除了發(fā)動機需要強勁的動力之外，還需要變速器的全力協(xié)助。我們都知道一檔有“勁”，這樣在起步的時候有足夠的牽引力量將車帶動。特別是面對爬坡路段，它的特點顯露的非常明顯。而對于其他新型的變速器，雖然具有操作簡便等特性，但這些特點尚不具備。其次，對于老司機和大部分男士司機來說，他們的最愛還是機械式變速器。從我國的具體情況來看，機械式變速器幾乎貫穿了整個中國的汽車發(fā)展歷史，資歷較深的司機都是用機械式變速器的，他們對機械式變速器的認識程度是非常深刻的，如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實的。雖然自動變速器以及無級變速器已非常的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機還是崇尚手動，尤其是喜歡超車時機械式變速器帶來的那種快感，所以一些中高檔的汽車（尤其是轎車）也不敢輕易放棄機械式變速器。另外，現(xiàn)在在我國的汽車駕駛學校中，教練車都是機械式變速器的，除了經(jīng)濟適用之外，關鍵是能夠讓學員打好扎實的基本功以及鍛煉駕駛協(xié)調(diào)性。第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車已經(jīng)進入了家庭，對于普通工薪階級的老百姓來說，經(jīng)濟型轎車最為合適，機械式變速器以其自身的性價比配套于經(jīng)濟型轎車廠家，而且經(jīng)濟適用型轎車的銷量一直在車市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、吉利等國內(nèi)廠家的經(jīng)濟型轎車都是機械式變速器的車，它們的各款車型基本上都是5檔機械式變速器。 現(xiàn)在市場上的變速器細分為5類手動變速器(MT)，手動自動一體變速器(AMT)，無級變速器(CVT)、雙離合器變速器(DCT)和自動變速器(AT)，各自都有不同的優(yōu)勢。國內(nèi)外的汽車制造與銷售數(shù)據(jù)顯示人們對汽車駕乘的舒適性越來越重視。在歐洲市場，原本是手動變速器的市場，不斷被自動變速器占領。如在英國，現(xiàn)在裝配自動變速器的汽車占汽車總量的15%。而5年前，這個數(shù)字是13.5%。日前，世界著名的變速器制造商——德國ZF公司預測說到2012年，北美市場出售的汽車中將只有6%是手動擋2013年歐洲變速器市場上，配備手動自動一體的變速器將占20%，可以預見帶有自動功能變速器的汽車是未來市場的主導產(chǎn)品發(fā)展和掌握自動變速器制造技術(shù)是追趕世界變速器制造潮流的方向。而優(yōu)先開發(fā)手動自動一體變速器具有技術(shù)上的延續(xù)性，對我國來說具有更大的優(yōu)勢。中國市場會在一定時期內(nèi)出現(xiàn)多種變速器品種并存的現(xiàn)狀，這會使中國的市場更加多元化，同時也會使競爭更加激烈。中國汽車產(chǎn)業(yè)巨大的市場，將會使中國變成世界變速器的重要市場。CVT進入中國已經(jīng)有些年頭，但是并沒有被中國消費者廣泛接受。到2010年，中國輕型車市場對最大輸入扭矩為150N?m以下范圍的變速器的需求將超過350萬臺。其中，雙離合器變速器可能會占80％的市場份額。中國汽車變速器市場正處于高速發(fā)展期。2007年中國汽車銷售879.15萬輛，2008年汽車產(chǎn)銷量將突破900萬，2010年汽車銷售規(guī)模將達到1263萬輛。在汽車行業(yè)市場規(guī)模高速增長的情況下，中國變速器行業(yè)面臨著重大機遇。2006年我國汽車變速器市場規(guī)模達300億元人民幣，并且以每年超過20%的速度增長。 汽車變速器是一套用于來協(xié)調(diào)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和車輪的實際行駛速度的變速裝置，用于發(fā)揮發(fā)動機的最佳性能。變速器可以在汽車行駛過程中，在發(fā)動機和車輪之間產(chǎn)生不同的變速比，通過換擋可以使發(fā)動機工作在其最佳的動力性能狀態(tài)下。變速器的發(fā)展趨勢是越來越復雜，自動化程度也越來越高，自動變速器將是未來的主流。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，這就是無級變速(簡稱CVT)。盡管傳統(tǒng)的齒輪變速箱并不理想，但其以結(jié)構(gòu)簡單、效率高、功率大三大顯著優(yōu)點依然占領著汽車變速箱的主流地位。在跨越了三個世紀的一百多年后的今天，汽車還沒有使用上滿意的無級變速箱。這是汽車的無奈和缺憾。但是，人們始終沒有放棄尋找實現(xiàn)理想汽車變速器的努力，各大汽車廠商對無級變速器(CVT)表現(xiàn)了極大的熱情，極度重視CVT在汽車領域的實用化進程。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。 2、選題目的和意義 變速器的檔位數(shù)和傳動比與發(fā)動機參數(shù)優(yōu)化匹配，可以保證汽車具有良好的動力性與經(jīng)濟性。因此現(xiàn)代汽車變速器向著節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、高效、可靠方向不斷提高，結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，傳動效率更高。變速器的結(jié)構(gòu)型式選擇、設計參數(shù)選取及設計計算對汽車的整車設計極其重要。 變速器可以改變傳動比，擴大驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應經(jīng)常變化的行駛條件，如起步、加速、上坡等, 使發(fā)動機在有利的工況下工作；在發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下, 使汽車能倒退行駛；利用空檔，中斷動力傳遞，以使發(fā)動機能夠啟動、怠速，并便于變速器的換檔或進行動力輸出。 變速器設計是對汽車理論方面知識系統(tǒng)的應用，提高理論聯(lián)系實際的能力。 二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1、設計的主要內(nèi)容 （1）變速器傳動方案確定； （2）變速器檔數(shù)及各檔傳動比的確定； （3）變速器齒輪參數(shù)的選擇及各檔齒輪齒數(shù)的分配； （4）變速器齒輪的強度計算； （5）變速器軸和軸承的設計計算及軸的強度驗算； （6）同步器的選擇； （7）利用CAD畫裝配圖、零件圖。 2、擬解決的主要問題 （1）變速器倒檔齒輪參數(shù)計算； （2）變速器軸的設計與校核； （3）變速器軸承的選擇與校核； （4）變速器同步器的選擇和主要參數(shù)計算。 三、技術(shù)路線（研究方法） 變速器傳動方案確定 變速器傳動機構(gòu) 變速器操縱方式 零、部件結(jié)構(gòu) 變速器主要參數(shù)的選擇 變速器的設計與計算 齒輪、軸和軸承 同步器 利用AUTOCAD繪圖 完成畢業(yè)設計及設計說明書 調(diào)查、研究并查閱資料 四、進度安排 1、資料收集、調(diào)研，完成開題報告 第1～2周（2月28日～3月13日） 2、熟悉變速器的結(jié)構(gòu)原理 第3周（3月14日～3月20日） 3、變速器傳動方案與設計步驟確定 第4周（3月21日～3月27日） 4、變速器參數(shù)的選擇、計算及完成裝配草圖 第5～8周（3月28日～4月24日） 5、對裝配草圖進行修改，繪制零件圖 第9～10周（4月25日～5月8日） 6、設計說明書定稿，完成圖紙繪制 第11～14周（5月9日～6月5日） 7、設計審核、修改 第15～16周（6月6日～6月19日） 8、畢業(yè)論文（設計）答辯 第17周（6月20日～6月26日） 五、參考文獻 [1] 劉惟信. 汽車設計[M].北京:清華大學出版社, 2001. [2] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社，2001. [3] 王望予. 汽車設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004. [4] 張洪欣．汽車設計[M].北京:機械工業(yè)出版社，1981． [5] 余志生. 汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2000. [6] 馬秋生. 機械設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003. [7] 石允國. 汽車變速器的現(xiàn)狀與前景[J]. 機械研究與應用, 2007 (4). [8] 韋志林. 汽車變速器軸承的校核計算[J]. 廣西工學院學報，2000 (11). [9] 林紹義．一種汽車變速器設計[J]. 機電技術(shù)，2004 (1)． [10]王尚軍．DC6J80T六檔變速器設計[J]．大同齒輪集團有限責任公司，2001 (3)． [11]董炳武. 汽車變速器的優(yōu)化設計[J]. 福州大學學報(自然科學版)，1997 (5). [12]丁能根、連小珉、蔣孝煜.變速器軸的參數(shù)優(yōu)化設計和分析[J]. 汽車研究與開發(fā), 1996 (6). [13]鄭明國. 汽車機械式變速器現(xiàn)代設計方法應用研究[D]. 吉林大學，2007. [14] Leitermann.Modern manual transmissions – innovative solutions for a mature technology.VDI – Berichte Nr.1943 ,2006(Germany). [15] Domian,Grumbach.Passenger car transmissions – today and in the future；ATZ, Germany,2006,2. 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 摘 要 變速器由傳動機構(gòu)和操縱機構(gòu)組成，其基本功用是改變傳動比，擴大驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應經(jīng)常變化的行駛條件，同時使發(fā)動機在有利的工況下工作；在發(fā)動機曲軸旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下使汽車能倒退行駛；利用空檔中斷動力傳遞，以使發(fā)動機能夠起動、怠速，并便于變速器換檔或進行動力輸出。變速器的結(jié)構(gòu)要求對汽車的動力性、燃料經(jīng)濟性、換檔操縱的可靠性與輕便性、傳動平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。 本設計研究了中間軸式五檔手動變速器，其目的主要是基于對機械原理、機械設計、AutoCAD等知識的熟練運用和掌握，同時運用汽車構(gòu)造、汽車設計、材料力學等學科知識，對中間軸式變速器的各部件進行設計，并利用AutoCAD軟件繪制裝配圖和零件圖等內(nèi)容。首先，本文介紹了變速器的現(xiàn)狀和設計的主要內(nèi)容。其次，對工作原理做了闡述，對不同的變速器傳動方案進行比較，選擇合理的結(jié)構(gòu)方案進行設計。最后，對變速器的各檔齒輪和軸以及軸承做了詳細的設計計算，并進行了受力分析、強度和剛度校核計算。本文將對變速器換檔過程中的重要部件—同步器以及操縱機構(gòu)進行闡述，講述同步器的類型、工作原理、選擇方法及變速器殼體的設計。 關鍵詞：變速器；傳動比；軸；齒輪；設計計算；校核 ABSTRACT Transmission by transmission transmission mechanism and control mechanisms, its basic function is composed rotation, expand drive change transmission torque and speed range change, in order to adapt to the changes often, and make the engine driving conditions in favorable conditions work; In engine crankshaft direction invariable premise that car can drive backward; Use neutral interrupt power transfer to make the engine can start, idle, and facilitate the transmission shift or power output. The transmission of the structure of the power, request car fuel economy and shift reliability and manipulation of portability, transmission stability and efficiency to wait to have direct influence. Using the transmission oart type transmission with two prominent advantages: one is the direct transmission of high transmission efficiency, wear and noise also is the minimum; Second, in the gear center distance is smaller still can acquire larger gear transmission. This paper studies the design manual shift transmission oart in five, its main purpose is based on mechanical principle, mechanical design, good use AutoCAD and master knowledge, and using this automobile structure, automobile design, material mechanics, interchangeability measurements to discipline knowledge, all the parts of the transmission oart in design, and using AutoCAD software rendering drawings and parts graph, etc. First, this paper will outline the present situation and developing trend of the transmission. Secondly, it is elaborated, principle of work of different variable speed . Key words: Transmission; Ratio; Axis; Gear; Design calculation; Checking 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1汽車變速器選題目的及意義 1 1.2汽車變速器研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1 1.3汽車變速器設計內(nèi)容 4 第2章 變速器傳動機構(gòu)布置方案 5 2.1變速器傳動機構(gòu)布置方案分析 5 2.1.1兩軸式變速器和中間軸式變速器的特點分析 5 2.1.2變速器倒檔布置方案 6 2.1.3傳動機構(gòu)布置中齒輪的安排 6 2.2變速器零、部件結(jié)構(gòu)方案分析 6 2.2.1變速器的齒輪形式 6 2.2.2變速器自動脫檔 7 2.3本章小結(jié) 8 第3章 變速器主要參數(shù)的選擇 9 3.1變速器檔位數(shù)和傳動比 9 3.1.1變速器檔位數(shù)的確定 9 3.1.2主減速比的確定 9 3.1.3 變速器各檔傳動比的確定 10 3.2變速器中心距的確定 12 3.3變速器的外形尺寸 13 3.4變速器的齒輪參數(shù)的確定 13 3.4.1齒輪齒數(shù) 13 3.4.2齒輪模數(shù) 13 3.4.3齒形、壓力角及螺旋角 16 3.4.4齒寬 17 3.4.5齒頂高系數(shù) 18 3.4.6齒輪的修正 18 3.5變速器各檔齒輪齒數(shù)的分配 19 3.5.1確定一檔齒輪齒數(shù) 20 3.5.2對中心距進行修正 20 3.5.3確定常嚙合齒輪齒輪副的齒數(shù) 22 3.5.4確定其他各檔的齒數(shù) 24 3.5.5確定倒檔齒輪齒數(shù) 30 3.6變速器齒輪的設計及校核 32 3.6.1 齒輪的壞損形式 32 3.6.2輪齒的強度計算 32 3.7計算各軸的轉(zhuǎn)矩 36 3.8各檔齒輪的強度計算 36 3.9計算各檔齒輪的受力 44 3.10變速器軸的設計及校核 47 3.10.1軸的結(jié)構(gòu)與分析 47 3.10.2軸的尺寸 48 3.11軸的強度計算 48 3.11.1軸的剛度驗算 48 3.11.2軸的強度計算 53 3.12軸承的選擇及校核 57 3.13本章小結(jié) 58 第4章 同步器和變速器操縱機構(gòu) 59 4.1慣性式同步器 59 4.1.1鎖銷式同步器 59 4.1.2鎖環(huán)式同步器 60 4.2變速器操縱機構(gòu)的分類 61 4.3鎖止裝置 62 4.3.1互鎖裝置 62 4.3.2自鎖裝置 63 4.3.3倒檔鎖裝置 63 4.4變速器殼體 64 4.5本章小結(jié) 64 結(jié)論 65 參考文獻 66 致謝 67 附錄 68 附錄A 外文文獻原文 68 附錄B 外文文獻中文翻譯 71 V 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計 第1章 緒 論 1.1汽車變速器選題目的及意義 變速器用來改變發(fā)動機傳到驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步、爬坡、 轉(zhuǎn)彎、加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機在最有利的工況范圍內(nèi)工作。變速器設有空檔，可在起動發(fā)動機、汽車滑行或停車時使發(fā)動機的動力停止向驅(qū)動輪傳輸。變速器設有空檔，使汽車獲得倒退行駛能力。需要時，變速器還有動力輸出功能[1]。 汽車的使用條件頗為復雜，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，以及適應使用的需要。當汽車在平坦的道路上，以高速行駛時，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，則應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，不僅是汽車動力性的要求，而且也是汽車燃料經(jīng)濟性的要求。例如，汽車在同樣的載貨量、道路、車速等條件下行時，往往可掛入較高的變速器檔位，也可掛入較低的檔位工作。此時只是發(fā)動機的節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速或大或小而已，可是發(fā)動機在不同的工況下，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)動機燃料消耗量減小。 變速器的檔位數(shù)和傳動比與發(fā)動機參數(shù)優(yōu)化匹配，可以保證汽車具有良好的動力性與經(jīng)濟性。因此現(xiàn)代汽車變速器向著節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、高效、可靠方向不斷提高，結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊，傳動效率更高。變速器的結(jié)構(gòu)型式選擇、設計參數(shù)選取及設計計算對汽車的整車設計極其重要。 1.2汽車變速器研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 現(xiàn)代汽車變速器的發(fā)展十分快，不斷出現(xiàn)嶄新的變速器裝置。變速器技術(shù)的每次跨越都和相關學科的發(fā)展密切相關。計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡、先進制造技術(shù)、運動仿真等為變速器的進一步發(fā)展提供了有力的保障。變速器的發(fā)展也給相關學科提出更高的理論要求，使人類的認識邁向新的、更高的境界。 汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對汽車的要求不斷的變化，機械式變速器不能滿足人們的需要。從40年代初，美國成功研制出兩檔的液力-機械變速器以來，自動變速器技術(shù)得到了迅速發(fā)展。80年代，美國已將液力自動變速器作為轎車的標準裝備。1983年時，美國通用汽車公司的自動變速器裝車率已經(jīng)達到了94%。近些年來，由于電子技術(shù)和電子計算機技術(shù)的發(fā)展，自動變速器技術(shù)已經(jīng)達到了相當高的水平。自動變速器與機械式變速器相比，具有許多不可比擬的優(yōu)勢：提高發(fā)動機和傳動系的使用壽命；提高汽車的通過性；具有良好的自適應性；操縱更加方便[2]。 機械式變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個定值(也就是所謂的“級”)。比如，一檔變速比是3.85, 二檔是2.55, 再到五檔的0.75, 這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動比，總共只有5個值(即有5級)，所以說它是有級變速器。曾有人斷言，繁瑣的駕駛操作等缺點，阻礙了汽車高速發(fā)展的步伐，機械式變速器會在不久“下課”，從事物發(fā)展的角度來說，這話確實有道理。但是從目前市場的需求和適用角度來看，機械式變速器不會過早的離開。首先，從商用車的特性上來說，機械式變速器的功用是其他變速器所不能替代的。以卡車為例，卡車用來運輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對如此高的“壓力”，除了發(fā)動機需要強勁的動力之外，還需要變速器的全力協(xié)助。我們都知道一檔有“勁”，這樣在起步的時候有足夠的牽引力量將車帶動。特別是面對爬坡路段，它的特點顯露的非常明顯。而對于其他新型的變速器，雖然具有操作簡便等特性，但這些特點尚不具備。其次，對于老司機和大部分男士司機來說，他們的最愛還是機械式變速器。從我國的具體情況來看，機械式變速器幾乎貫穿了整個中國的汽車發(fā)展歷史，資歷較深的司機都是用機械式變速器的，他們對機械式變速器的認識程度是非常深刻的，如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實的。雖然自動變速器以及無級變速器已非常的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機還是崇尚手動，尤其是喜歡超車時機械式變速器帶來的那種快感，所以一些中高檔的汽車（尤其是轎車）也不敢輕易放棄機械式變速器。另外，現(xiàn)在在我國的汽車駕駛學校中，教練車都是機械式變速器的，除了經(jīng)濟適用之外，關鍵是能夠讓學員打好扎實的基本功以及鍛煉駕駛協(xié)調(diào)性。第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車已經(jīng)進入了家庭，對于普通工薪階級的老百姓來說，經(jīng)濟型轎車最為合適，機械式變速器以其自身的性價比配套于經(jīng)濟型轎車廠家，而且經(jīng)濟適用型轎車的銷量一直在車市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、吉利等國內(nèi)廠家的經(jīng)濟型轎車都是機械式變速器的車，它們的各款車型基本上都是5檔機械式變速器。 早期的汽車傳動系，從發(fā)動機到車輪之間的動力傳動形式是很簡單的。1892年法國制造出第一輛帶有變速器的汽車。1921年英國人赫伯特·福魯特采用耐用的摩擦材料進一步完善了變速器的性能?，F(xiàn)代汽車變速器是1894年由法國人路易斯·雷納·本哈特和艾米爾·拉瓦索爾推廣使用的。目前為止，變速器經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段，主要為： 1．手動變速器 手動變速器主要采用齒輪傳動的降速原理。變速器內(nèi)有多組傳動比不同的齒輪副，而汽車行駛時的換檔工作，也就是通過操縱機構(gòu)使變速器內(nèi)的不同的齒輪副工作。手動變速器又稱手動齒輪式變速器，含有可以在軸向滑動的齒輪，通過不同齒輪的嚙合達到變速變矩的目的。手動變速器的換檔操作可以完全遵從駕駛者的意志，且結(jié)構(gòu)簡單、故障率相對較低、價廉物美。 2．自動變速器 自動變速器是根據(jù)車速和負荷（油門踏板的行程）來進行雙參數(shù)控制，檔位根據(jù)上面的兩個參數(shù)來自動升降。自動變速器與手動變速器的共同點，就是二者都屬于有級式變速器，只不過自動變速器可以根據(jù)車速的快慢來自動實現(xiàn)換檔，可以消除手動變速器“頓挫”的換擋感覺。 自動變速器是由液力變矩器、行星齒輪和液壓操縱機構(gòu)組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速變矩的目的。 3．無級變速器 無級變速器又稱為連續(xù)變速式無級變速器。這種變速器與一般齒輪式自動變速器的最大區(qū)別，是它省去了復雜而又笨重的齒輪組合變速傳動，而只用了兩組帶輪進行變速傳動。無級變速器結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)變速器簡單，體積更小，它既沒有手動變速器的眾多齒輪副，也沒有自動變速器復雜的行星齒輪組，主要靠主動輪、從動輪和傳動帶來實現(xiàn)速比的無級變化。 4．無限變速式機械無級變速器（IVT） 無限變速式機械無級變速器與其它自動變速器的差別之一是不使用變矩器。變矩器的作用是通過油液介質(zhì)將發(fā)動機動力傳遞給變速器，它的傳遞效率通常只有80%。IVT由于不使用變矩器，與其它變矩器比較，IVT具有效率高、不易打滑、油耗低、不需要工藝復雜造價高昂的金屬傳送帶、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等一系列優(yōu)點，加上傳遞扭矩大，長時間使用也不會過度發(fā)熱，不但使用于轎車，也使用于越野車，是一種新型變速器。 汽車變速器的發(fā)展可以清楚的知道，變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其技術(shù)的發(fā)展，是衡量汽車技術(shù)水平的一個重要依據(jù)?，F(xiàn)代汽車變速器的發(fā)展趨勢，是向著可調(diào)自動變速器或無級變速器的方向發(fā)展。 自動變速器多檔化雖能擴大自動變速的范圍，但它并非安全迅速。理想的無級變速器是在整個傳動范圍內(nèi)能連續(xù)的、無檔比的切換變速比，是變速器始終按最佳換檔規(guī)律自動變速。無級化是對自動變速器的理想追求。 現(xiàn)代無級變速器傳動效率提高，變速反應快、油耗低。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，變速器的自動控制進一步完善，在各種使用工況下能實現(xiàn)發(fā)動機與傳動系的最佳匹配，控制更加精確、有效，性能價格比大大提高。無級變速器裝有自動控制裝置，行車中可以根據(jù)車速自動調(diào)整檔位，無需人工操作，省去了換檔及踩踏離合器踏板的操作。其不足之處在于價格昂貴、維修費用很高，而且使用起來比手動檔車費油，尤其是低速行駛或堵車中走走停停時，更會增大油耗。 當今世界各大汽車公司對無級變速器的研究都十分活躍。不久的將來，隨著電子控制技術(shù)的進一步完善，電子控制式的無級變速器可望得到廣泛的發(fā)展和應用。 1.3汽車變速器設計內(nèi)容 本次設計主要是依據(jù)參考參數(shù)，通過對變速器各部分參數(shù)的選擇和計算，設計出一種基本符合要求的手動5檔變速器。本設計主要完成下面一些主要工作： 1．參數(shù)計算。包括變速器傳動比、中心距、齒輪參數(shù)、各檔齒輪齒數(shù)的分配計算； 2．變速器齒輪設計計算。齒輪的強度計算及材料選擇、齒輪強度計算及檢驗； 3．變速器軸設計計算。包括各軸直徑及長度計算、軸的結(jié)構(gòu)設計、軸的強度計算； 4．變速器軸承的選擇及校核； 5．同步器的設計選用； 6．變速器操縱機構(gòu)的設計選用； 7．變速器箱體的結(jié)構(gòu)設計。 第2章 變速器傳動機構(gòu)布置方案 2.1變速器傳動機構(gòu)布置方案分析 機械式變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、制造成本低和工作可靠等優(yōu)點，故在不同形式的汽車上得到廣泛應用。 通常，有級變速器具有三個、四個、五個前進檔；重型載貨汽車和重型越野車則采用多檔變速器，其前進檔位數(shù)多大6～16個甚至20個。 變速器檔位的增多可提高發(fā)動機的功率利用率、汽車的燃料經(jīng)濟性和平均車速，從而可提高汽車的運輸效率，降低運輸成本。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)復雜，制造成本提高，操縱也復雜。當采用手動的機械式操縱時，要實現(xiàn)迅速、無聲換檔，對于多于5個前進檔得變速器來說是困難的。因此，直接操縱式變速器檔位數(shù)上限為5檔。多于5個前進檔將使操縱機構(gòu)復雜化，或者需加裝具有獨立操縱機構(gòu)的副變速器，后者僅用于一定的行駛工況[3]。 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才使用的超速檔。采用傳動比小于1（約為0.7～0.8）的超速檔，可充分地利用發(fā)動機功率，降低單位行駛里程的發(fā)動機曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會減少發(fā)動機的磨損，降低燃料消耗。但與傳動比為1的直接檔比較，采用超速檔會降低傳動效率。 有級變速器的傳動效率與所選用的傳動方案有關，包括齒輪副的數(shù)目、齒輪的轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等。 2.1.1兩軸式變速器和中間軸式變速器的特點分析 1. 兩軸式變速器 兩軸式變速器多用于發(fā)動機前置前輪驅(qū)動的汽車上。與中間軸式變速器相比，兩軸式變速器因軸和軸承數(shù)少，所以結(jié)構(gòu)簡單、輪廓尺寸小和容易布置等優(yōu)點，此外，各中間檔因只經(jīng)一對齒輪傳遞動力，故傳動效率高同時噪聲低。因兩軸式變速器不能設置直接檔，所以在高檔工作時齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。還有，受結(jié)構(gòu)限制，其一檔速比不能設計的很大。對于前進檔，兩軸式變速器輸入軸的傳動方向與輸出軸的傳動方向相反。 2．中間軸式變速器 中間軸式變速器多用于發(fā)動機前置后輪驅(qū)動汽車和發(fā)動機后置后輪驅(qū)動的客車上。變速器第一軸的前端經(jīng)軸承支承在發(fā)動機飛輪上，第一軸上的花鍵用來裝設有離合器的從動盤上，而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬向節(jié)連接。 變速器一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各檔齒輪分別與中間軸的相應齒輪相嚙合，且第一、二軸同心。將第一、二軸直接連接起來傳遞轉(zhuǎn)矩則稱為直接檔。此時，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、二軸也僅傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接檔的傳動效率高，磨損及噪聲也最小，這是三軸變速器的主要優(yōu)點。其他前進檔需依次經(jīng)過兩對齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，在齒輪中心距較小的情況下仍然可以獲得大的一檔傳動比，這是三軸變速器的另一個優(yōu)點。其缺點是：除直接檔外其他各檔的傳動效率有所降低[3]。 2.1.2變速器倒檔布置方案 變速器的一檔或倒檔因傳動比大，工作時在齒輪上的作用力也增大，并導致變速器軸產(chǎn)生較大的撓度和轉(zhuǎn)角，使工作齒輪嚙合狀態(tài)變壞，最終表現(xiàn)出齒輪磨損加快和工作噪聲增加。為此無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的一檔與倒檔，都應該布置在靠軸的支承處，然后按照從低檔到高檔的順序布置各檔齒輪，這樣既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配[3]。 倒檔設計在變速器的左側(cè)或右側(cè)在機構(gòu)上均能實現(xiàn)，不同之處是掛倒檔時駕駛員移動變速桿的方向改變了。為了防止意外掛入倒檔，一般在掛倒檔時設有一個掛倒檔時需克服彈簧所產(chǎn)生的力，用來提醒駕駛員注意。 2.1.3傳動機構(gòu)布置中齒輪的安排 常用檔位的輪齒因接觸應力過高而易造成表面點蝕損壞。將高檔布置在靠近軸的兩端支承中部區(qū)域較為合理，在該區(qū)域因軸的變形而引起的齒輪偏轉(zhuǎn)角較小，齒輪可保持較好的嚙合狀態(tài)，以減少偏載并提高齒輪壽命[3]。 2.2變速器零、部件結(jié)構(gòu)方案分析 2.2.1變速器的齒輪形式 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，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、作時噪聲低等優(yōu)點；缺點是制造時工藝復雜，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，盡管這樣會使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導致變速器的轉(zhuǎn)動慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒檔。 變速器齒輪可以與軸設計為一體或與軸分開，然后用花鍵、過盈配合或者滑動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2.1）影響齒輪強度。要求尺寸應該大于或等于輪齒危險斷面處的厚度。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)允許條件下應盡可能取大些，至少滿足尺寸要求，為花鍵內(nèi)徑。 圖2.1 變速器齒輪尺寸控制圖 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在范圍內(nèi)選用。要求齒輪制造精度不低于7級[1]。 2.2.2變速器自動脫檔 自動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等原因，都會導致自動脫檔。為解決這個問題，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]： 1．將兩接合齒的嚙合位置錯開，如圖2.2a所示。這樣在嚙合時，使接合齒端部超過被接合齒的1～3。使用中兩齒接觸部分受到擠壓同時磨損，并在接合齒端部形成凸肩，可用來阻止接合齒自動脫檔。 2．將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒厚切薄（切下0.3～0.6），這樣，換檔后嚙合套的后端面被后齒圈的前端面頂住，從而阻止自動脫檔，如圖2.2b所示。 3．將接合齒的工作面設計并加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜2～3°），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動脫檔的軸向力，如圖2.2c所示。這種方案比較有效，應用較多。將接合齒的齒側(cè)設計并加工成臺階形狀，也具有相同的阻止自動脫檔的效果。 a） b) c) 圖2.2防止自動脫擋的機構(gòu)措施 2.3本章小結(jié) 本章主要對變速器傳動機構(gòu)進行分析并選擇變速器的布置方案、倒檔的布置方案。對變速器零、部件的結(jié)構(gòu)進行分析，對傳動機構(gòu)的齒輪進行布置，介紹了變速器的自動脫檔，為下面的設計過程作鋪墊。 第3章 變速器主要參數(shù)的選擇 3.1變速器檔位數(shù)和傳動比 3.1.1變速器檔位數(shù)的確定 對不同類型的汽車，其檔位數(shù)也不盡相同。增加變速器的檔數(shù)，能夠改善汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性以及平均車速。檔數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復雜，并且使輪廓尺寸和質(zhì)量加大，同時操縱機構(gòu)復雜，而且在使用時換檔頻率增高并增加了換檔難度。 近年來，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢。目前，乘用車一般用4～5個檔位的變速器。發(fā)動機排量大的乘用車變速器多用5個檔。商用車變速器采用4～5個檔或多檔。載質(zhì)量3.5～10.0的貨車多采用五檔變速器，載質(zhì)量在4.0～8.0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[3]。 長安杰勛汽車的主要技術(shù)參數(shù)見表3.1。 表3.1 長安杰勛汽車的主要技術(shù)參數(shù) 發(fā)動機最大功率 112 車輪型號 195/65 R15 發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩 192 最大功率時轉(zhuǎn)速 5500~6000r/min 最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)速 4000~4500r/min 最高車速 195km/h 3.1.2主減速比的確定 (3.1) 式中：——汽車行駛速度（）； ——發(fā)動機轉(zhuǎn)速（）； ——車輪滾動半徑（）； ——變速器傳動比； ——主減速器傳動比。 (3.2) 式中：——發(fā)動機最大扭矩（）； ——發(fā)動機最大功率（）； ——發(fā)動機最大功率轉(zhuǎn)速（）； ——轉(zhuǎn)矩適應系數(shù)=1.1～1.3 (3.3) 式中：——發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速 已知：最高車速==；最高檔為直接檔，傳動比=1；車輪滾動半徑由所選用的輪胎規(guī)格=0.317(m)；發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速=4000 ()；發(fā)動機最大功率轉(zhuǎn)速=5500 ()；由公式（3.1）得到主減速器傳動比： 3.1.3 變速器各檔傳動比的確定 在選擇最低檔傳動比時，應根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動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)動車輪的滾動半徑等綜合考慮來確定。 汽車爬坡時車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動力用于克服輪胎與路面間的滾動阻力及爬坡阻力。故有： (3.4) 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擋傳動比為： (3.5) 式中：——汽車總質(zhì)量，； ——重力加速度，； ——滾動阻力系數(shù)，； ——驅(qū)動車輪的滾動半徑，m； ——發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，； ——主減速比，； ——汽車傳動系的傳動效率，。 將各數(shù)據(jù)代入式(3.5)中得： 根據(jù)驅(qū)動車輪與路面的附著條件： (3.6) 可求得變速器一檔傳動比為： (3.7) 式中：——汽車滿載靜止與水平路面時驅(qū)動橋給地面的載荷，因為乘用車發(fā)動機前置前驅(qū)動的軸荷分配范圍為47%～60%，所以=1485×9.8 ×55％=8004.15 ——道路的附著系數(shù)，計算時取 通過以上計算可得到2.34＜＜3.41，國產(chǎn)汽車中，轎車變速器傳動比變化范圍是3～4，中、輕型貨車約為5～6，其他貨車在7以上。所以，取。 變速器各檔傳動比之間的關系基本是幾何級數(shù),故相鄰檔位傳動比比值就是幾何級數(shù)的公比；但是實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)動機參數(shù)的合理匹配。 此變速器的最高檔為直接檔，其傳動比為1.0，一檔傳動比初選為3.4，中間各檔的傳動比按理論公式 （其中n為檔位數(shù)）求得公比。 因為，所以： 3.2變速器中心距的確定 對中間軸式變速器，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。它是一個基本參數(shù)，其大小不僅對變速器的外形尺寸、體積和質(zhì)量大小有影響，而且對輪齒的接觸強度有影響。中心距越小，輪齒的接觸應力越大，齒輪壽命越短。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。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小而影響殼體的強度考慮，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小，會使變速器長度增加，并因此使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合狀態(tài)變壞[3]。 中間軸式變速器的中心距（）的確定 初選中心距，可根據(jù)下述經(jīng)驗公式計算 (3.8) 式中：——中心距系數(shù)，乘用車： ，商用車： ——發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩()； ——變速器一擋傳動比； ——變速器的傳動效率，取96%； 將各數(shù)代入式(3.8)中得 初選中心距=78。 乘用車變速器的中心距在60~80范圍內(nèi)變化，而商用車變速器的中心距在80~170范圍內(nèi)變化。 3.3變速器的外形尺寸 變速器的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間（過渡）齒輪和換檔機構(gòu)的布置初步確定。 影響變速器殼體軸向尺寸的因素有檔數(shù)、換檔機構(gòu)形式以及齒輪形式。 乘用車四檔變速器殼體的軸向尺寸為（3.0～3.4）。 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）=210.6～234。 3.4變速器的齒輪參數(shù)的確定 3.4.1齒輪齒數(shù) 確定變速器齒輪齒數(shù)時，應考慮： 1．盡量符合動力性、經(jīng)濟性等對各檔傳動比的要求； 2．最少齒數(shù)不應產(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，此齒輪不應產(chǎn)生根切，而且齒根圓直徑應大于中間軸直徑； 3．互相嚙合的齒輪，齒數(shù)間不應有公因數(shù)，速度高的齒輪更應注意這點； 4．齒數(shù)多，可降低齒輪傳動的躁聲。 3.4.2齒輪模數(shù) 齒輪模數(shù)由輪齒的彎曲疲勞強度或最大載荷作用下的靜強度所決定。選擇模數(shù)時應考慮到當增大齒寬而減小模數(shù)時將降低變速器的噪聲，而為了減小變速器的質(zhì)量，則應增大模數(shù)并減小齒寬和中心距。降低噪聲水平對轎車很重要，而對載貨汽車則應重視減小質(zhì)量。 根據(jù)圓柱齒輪強度的簡化計算方法，可列出齒輪模數(shù)與彎曲應力之間有如下關系： 直齒輪模數(shù) (3.9) 式中：——計算載荷，； ——應力集中系數(shù)，直齒齒輪取1.65； ——摩擦力影響系數(shù)，主動齒輪取1.1，被動齒輪取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)； ——輪齒彎曲應力，當時，直齒齒輪的許用應力MPa。 斜齒輪法向模數(shù) (3.10) 式中：——計算載荷，； ——應力集中系數(shù)，斜齒齒輪取1.5； ——斜齒螺旋角； ——摩擦力影響系數(shù)，主動齒輪取1.1，被動齒輪取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)； ——輪齒彎曲應力，當時，對乘用車變速器斜齒齒輪的許用應力MPa，商用車變速器斜齒齒輪的許用應力MPa。 從輪齒應力的合理性及強度考慮,每對齒輪應有各自的模數(shù),但出于工藝考慮，模數(shù)應盡量統(tǒng)一,多采用折衷方案[3]。 表3.2給出了汽車變速器齒輪模數(shù)范圍。 表3.2汽車變速器齒輪的法向模數(shù)（） 車型 乘用車的發(fā)動機排量 貨車的最大總質(zhì)量 1.0＞V≤1.6 1.6＜V≤2.5 6.0＜≤14.0 ＞14.0 模數(shù) 2.25～2.75 2.75～3.00 3.50～4.50 4.50～6.00 設計時所選模數(shù)應符合國標GB1357-78規(guī)定（表3.3）并滿足強度要求。 表3.3 汽車變速器常用齒輪模數(shù)（） 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 — 選取齒輪模數(shù)時一般要遵守的原則是： 在變速器中心距相同的條件下，選取較小的模數(shù)，就可以增加齒輪的齒數(shù)，同時增加齒寬可使齒輪嚙合的重合度增加，并減少齒輪噪聲，所以為了減少噪聲應合理減少模數(shù)，同時增加齒寬；為使質(zhì)量小些，應增加模數(shù)，同時減小齒寬；從工藝方面考慮，各檔齒輪應該選用一種模數(shù)，而從強度方面考慮，各檔齒輪應有不同的模數(shù)；減少乘用車齒輪工作噪聲有較為重要的意義，因此齒輪的模數(shù)應選得小些；變速器低檔齒輪應選用大些的模數(shù)，其他檔選用另一種模數(shù)。少數(shù)情況下，汽車變速器各檔齒輪均選用相同的模數(shù)[1]。 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1.8～14.0的貨車為2.0～3.5；總質(zhì)量大于14.0的貨車為3.5～5.0。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利于換檔。 由表3.1和表3.2并且參照同類車型選取模數(shù) 3.4.3齒形、壓力角及螺旋角 壓力角較小時，重合度大并降低了齒輪剛度，為此能減少進入嚙合和退出嚙合時的動載荷，使傳動平穩(wěn)，有利于降低噪聲；壓力角較大時，可提高齒輪的抗彎強度和表面接觸強度。試驗證明：對于直齒輪，壓力角為28°強度增加不多；對于斜齒輪，壓力角為25°時強度最高。因此，理論上對于乘用車，為加大重合度以降低噪聲應選用14.5°、15°、16°、16.5°等于小些得壓力角；對商用車，為提高齒輪承載能力應選用22.5°或25°等大些的壓力角。 斜齒輪在變速器中得到廣泛的應用。選斜齒輪的螺旋角，要注意它對齒輪工作噪聲齒輪的強度和軸向力的影響。在齒輪選用大些的螺旋角時，使齒輪的嚙合的重合度增加，因而工作平穩(wěn)、噪聲降低。實驗證明：隨著螺旋角的增大，齒輪的強度也相應提高。從提高低檔齒輪的抗彎強度出發(fā)，不希望用過大的螺旋角，以15°~25°；而從提高高檔齒輪的接觸強度著眼，應選用較大螺旋角。 斜齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時，要產(chǎn)生軸向力并作用到軸承上。設計時應力求中間軸上同時工作的兩對齒輪產(chǎn)生軸向力平衡，以減少軸承負荷，提高軸承壽命。因此，中間軸上的不同檔位齒輪的螺旋角應該是不一樣的。為使工藝簡便，在中間軸軸向力不大時，可將螺旋角設計成一樣的，或者僅取為兩種螺旋角。中間軸上全部齒輪的螺旋方向應一律取為右旋，則第一、第二軸上的斜齒輪應取為左旋。軸向力經(jīng)軸承蓋作用到殼體上。一檔和倒檔設計為直齒時，在這些檔位上工作，中間軸上的軸向力不能抵消(但因為這些檔位使用得少，所以也是允許的)，而此時第二軸則沒有軸向力作用。 根據(jù)圖3.1可知，欲使中間軸上兩個斜齒輪的軸向力平衡，須滿足下述條件 (3.11) 由于T=，為使兩軸向力平衡，必須滿足 (3.12) 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3.1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[1]。 斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用： 乘用車變速器： 兩軸式變速器為 ：20°～25° 中間軸式變速器為：22°～34° 貨車變速器：18°～26° 汽車變速器的齒形、壓力角及螺旋角按表3.4選取。 表3.4 汽車變速器齒輪的齒形、壓力角與螺旋角 項目 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)定的標準齒形 ～ 重型車 GB1356-78規(guī)定的標準齒形 低檔、倒檔齒輪， 小螺旋角 3.4.4齒寬 在選擇齒寬時，應該注意齒寬對變速器的軸向尺寸、質(zhì)量、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強度和齒輪工作時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，應該選用較小的齒寬。另一方面，齒寬減小使斜齒輪傳動平穩(wěn)的優(yōu)點被削弱，此時雖然可以用增加齒輪螺旋角的方法給予補償，但這時軸承承受的軸向力增大，使其壽命降低。齒寬窄又會使齒輪的工 作應力增加。選用寬些的齒寬，工作時會因軸的變形導致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻造成偏載，導致承載能力降低，并在齒寬方向磨損不均勻。 通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來選定齒寬： 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，其接合齒的工作寬度初選時可取為2～4。 第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)可取大些，使接觸線長度增加，接觸應力降低，以提高傳動平穩(wěn)性和齒輪壽命。對于模數(shù)相同的各檔齒輪，檔位低的齒輪的齒寬系數(shù)取的稍大。 3.4.5齒頂高系數(shù) 齒頂高系數(shù)對重合度、輪齒強度、工作噪聲、輪齒相對滑動速度、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，輪齒的彎曲應力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認為輪齒上受到的載荷集中齒頂上，所以曾采用過齒頂高系數(shù)為0.75～0.80的短齒制齒輪。 在齒輪加工精度提高以后，短齒制齒輪不再被采用，包括我國在內(nèi)，規(guī)定齒頂高系數(shù)取為1.00。 3.4.6齒輪的修正 為了改善齒輪傳動的某些性能，常對齒輪進行修正。修正的方法有三種：加工時改變刀具與齒輪毛坯的相對位置，又稱變位；改變刀具的原始齒廓參數(shù)；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計中一個非常重要的環(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度，使它達到和大齒輪強度想接近的程度。高度變位齒輪副的缺點是不能同時增加一對齒輪的強度，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，又避免了其缺點。 有幾對齒輪安裝在中間軸和第二軸上組合并構(gòu)成的變速器，會因保證各檔傳動比的需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對齒輪有相同的中心距，此時應對齒輪進行變位。當齒數(shù)和多的齒輪副采用標準齒輪傳動或高度變位時，則對齒數(shù)和少些的齒輪副應采用正角度變位。由于角度變位可獲得良好的嚙合性能及傳動質(zhì)量指標，故采用的較多。對斜齒輪傳動，還可通過選擇合適的螺旋角來達到中心距相同的要求。 變速器齒輪是在承受循環(huán)負荷的條件下工作，有時還承受沖擊負荷。對于高檔齒輪，其主要損壞形勢是齒面疲勞剝落，因此應按保證最大接觸強度和抗膠合及耐磨損最有利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強度，應使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這樣兩齒輪的齒輪漸開線離基圓較遠，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應力。對于低檔齒輪，由于小齒輪的齒根強度較低，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，一對齒輪齒根總厚度越薄，齒根越弱，抗彎強度越低。但是由于輪齒的剛度較小，易于吸收沖擊振動，故噪聲要小些。 根據(jù)上述理由，為降低噪聲，對于變速器中除去一、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[1]。 3.5變速器各檔齒輪齒數(shù)的分配 圖3.2變速器傳動示意圖 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)、傳動比和傳動方案來分配各檔齒輪的齒數(shù)。 3.5.1確定一檔齒輪的齒數(shù) 一檔齒輪選用斜齒圓柱齒輪，模數(shù)=2.75，初選螺旋角=30°, 中間軸一檔齒輪齒數(shù)可在15-17之間選取，貨車可在12-17之間選用。取17，一檔齒輪為斜齒輪。 常嚙合傳動齒輪副的傳動比為: (3.13) 為了求、的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和 斜齒: (3.14) ==49.127，取整為49 即==49-17=32 3.5.2對中心距進行修正 因為計算齒數(shù)和后，經(jīng)過取整數(shù)使中心距有了變化，所以應根據(jù)取定的和齒輪變位系數(shù)重新計算中心距，再以修正后的中心距作為各檔齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。 ==77.79，取整為=78。 對一檔齒輪進行變位： 確定實際螺旋角： 端面分度圓壓力角： 端面嚙合角： 中心距變動系數(shù)λn： 變位系數(shù)之和： 查變位系數(shù)線圖得： 齒頂高變動系數(shù)σn： 計算一檔齒輪9、10參數(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：　　 基圓直徑： 節(jié)圓直徑： 當量齒數(shù)：　　　 3.5.3確定常嚙合傳動齒輪副的齒數(shù) 常嚙合齒輪選用斜齒圓柱齒輪，模數(shù)=2.75，初選螺旋角=28°。 由式(3.13)求出常嚙合傳動齒輪的傳動比 (3.15) 常嚙合傳動齒輪的中心距與一檔齒輪的中心距相等，即 (3.16) 取整為=19，=31，則： 對常嚙合齒輪進行變位： 確定實際螺旋角： 理論中心距： 端面分度圓壓力角 ： 端面嚙合角 ： 中心距變動系數(shù)λn： 變位系數(shù)之和： 查變位系數(shù)線圖得： 齒頂高變動系數(shù)σn： 計算常嚙合齒輪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: 基圓直徑： 節(jié)圓直徑： 當量齒數(shù): 3.5.4確定其他各檔的齒數(shù) 1．二檔齒輪為斜齒輪，模數(shù)=2.75，初選=26° (3.17) (3.18) 取整為=31，=20 對二檔齒輪進行變位： 確定實際螺旋角： 理論中心距： 端面分度圓壓力角 ： 端面嚙合角 ： 中心距變動系數(shù)λn： 變位系數(shù)之和： 查變位系數(shù)線圖得： 齒頂高變動系數(shù)σn： 計算二檔齒輪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：　　 基圓直徑： 節(jié)圓直徑： 當量齒數(shù)：　　　 2．三檔齒輪為斜齒輪，模數(shù)=2.5，初選=25° (3.19) (3.20) 取整為=30，=27 對三檔齒輪進行變位： 確定實際螺旋角： 理論中心距： 端面分度圓壓力角： 端面嚙合角： 中心距變動系數(shù)λn： 變位系數(shù)之和： 查變位系數(shù)線圖得： 齒頂高變動系數(shù)σn： 計算三檔齒輪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：　　 基圓直徑： 節(jié)圓直徑： 當量齒數(shù)：　　 3．四檔齒輪為斜齒輪，模數(shù)=2.5，初選=25° 　　　　　　　 (3.21) 　　 　　　　 (3.22) 取整為=26，=31 對四檔齒輪進行變位： 確定實際螺旋角： 理論中心距： 端面分度圓壓力角 ： 端面嚙合角 ： 中心距變動系數(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： 計算四檔齒輪3、4參數(shù)： 分度圓直徑：　　 齒頂高：　　　　 齒根高：　　　　 齒全高：　　　　 基圓直徑： 齒頂圓直徑：　　 齒根圓直徑：　　 節(jié)圓直徑： 當量齒數(shù)：　　　 3.5.5確定倒檔齒輪齒數(shù) 倒檔齒輪選用直尺圓柱齒輪，倒檔齒輪選用的模數(shù)為3，倒檔齒輪的齒數(shù)一般在21～23之間，初選后，可計算出中間軸與倒檔軸的中心距。初選=23，=16，則： = =58.5 為保證倒檔齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運動干涉，齒輪12和11的齒頂圓之間應保持有0.5mm以上的間隙，則齒輪11的齒頂圓直徑應為 =2×78－3×(16+2)－1=101 =31.66 為了保證齒輪11和12的齒頂圓之間應保持有0.5以上的間隙，取=31 計算倒檔軸和第二軸的中心距： = =81 計算倒檔傳動比： =3.16 分度圓直徑：　　 齒頂高： 齒根高： 　 齒全高： 　 齒頂圓直徑：　 齒根圓直徑： 3.6變速器齒輪的設計及校核 3.6.1 齒輪的壞損形式 變速器齒輪的損壞形式主要有三種：齒輪折斷、齒面點蝕、齒面膠合。 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載荷的作用，齒根受拉面的最大應力區(qū)出現(xiàn)疲勞裂縫，裂縫逐漸擴展到一定深度后，齒輪突然折斷。 齒面點蝕是閉式齒輪傳動經(jīng)常出現(xiàn)的一種損壞形式。因閉式齒輪傳動齒輪在潤滑油中工作，齒面長期受到脈動的接觸應力作用，會逐漸產(chǎn)生大量與齒面成尖角的小裂縫。面裂縫中充滿了潤滑油，嚙合時，由于齒面互相擠壓，裂縫中油壓增高，使裂縫繼續(xù)擴展，最后導致齒面表層一塊塊剝落，齒面出現(xiàn)大量扇形小麻點，這就是齒面點蝕現(xiàn)象。 高速重載齒輪傳動、軸線不平行的螺旋齒輪傳動及雙曲面齒輪傳動，由于齒面相對滑動速度大，接觸壓力大，使齒面間滑動油模破壞，兩齒面間金屬材料直接接觸，局部溫度過高，互相熔焊粘聯(lián)，齒面沿滑動方向形成撕傷痕跡，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。 3.6.2輪齒的強度計算 汽車的變速器齒輪使用條件是相似的。此外，汽車變速器齒輪用的材料、熱處理方法、加工方法、精度級別、支撐方式也基本一致。如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制造，采用剃齒或磨齒精加工，齒輪表面采用滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度不低于7級。因此，比用于通用齒輪強度公式更為簡化一些的計算公式來計算汽車齒輪，同樣可以獲得較為準確的結(jié)果。 1. 輪齒彎曲應力 (1)直齒輪彎曲應力公式為： (3.23) 式中：——彎曲應力(MPa)； ——圓周力(N)，； ——計算載荷()； ——節(jié)圓直徑()； ——應力集中系數(shù)，可近似取=1.65； ——摩擦力影響系數(shù)，主、從動齒輪在嚙合點上的摩擦力方向?qū)澢鷳Φ挠绊懸膊煌?，主動齒輪=1.1，從動齒輪=0.9； ——齒寬()； ——端面齒距()，； ——模數(shù)； ——齒形系數(shù)，如圖3.3所示。 因為齒輪節(jié)圓直徑，式中為齒數(shù)，所以將上述有關參數(shù)代入式后得： 　　　　　　　　　　　　　 (3.24) 當計算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時，一、倒檔直齒輪許用彎曲應力在400～850MPa范圍，貨車可取下限，承受雙向交變載荷作用的倒檔齒輪的許用應力取下限。 (2)斜齒彎曲應力公式為： (3.25) 式中：——圓周力()，； ——計算載荷()； ——節(jié)圓直徑()，， ——法向模數(shù)()，——齒數(shù)， ——斜齒輪螺旋角()； ——應力集中系數(shù)，； ——齒面寬()； ——法向齒距()，； ——齒形系數(shù)，可按當量齒數(shù)在圖3.3中查得； ——重合度影響系數(shù)，。 將上述有關參數(shù)代入公式后，可得到斜齒輪的彎曲應力公式為： 　 　　　　　　　　　 (3.26) 當計算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時，對乘用車常嚙合齒輪和高擋齒輪，許用應力在180～350MPa范圍，對貨車為100～250MPa范圍。 圖3.3 齒形系數(shù)圖 2. 輪齒接觸應力 　　　　　　　 (3.27) 式中：——輪齒的接觸應力（MPa）； ——齒面上的法向力（N），； ——端面內(nèi)分度圓切向力，； ——計算載荷()； ——節(jié)圓直徑()； ——節(jié)點處壓力角()； ——齒輪螺旋角()； ——齒輪材料彈性模量(MPa)，=2.1×10 ； ——齒輪接觸實際寬度()； ，——主動及被動齒輪節(jié)圓處齒廓曲率半徑()， 其中：斜齒輪——，； 直齒輪——，。 、 ——主動及被動齒輪節(jié)圓半徑()。 其中：斜齒輪——，直齒輪—— 所以：斜齒輪——，； 直齒輪——，。 ——斜齒輪法向模數(shù) ——直齒輪模數(shù) ——斜齒輪當量齒數(shù) ——直齒輪齒數(shù) 將所有參數(shù)帶入式(3.27)得： 斜齒輪 　　 　　　　　　 (3.28) 直齒輪 　 　 　　　 　 (3.29) 將作用在變速器第一軸上的載荷作為計算載荷時，變速器齒輪的許用接觸應力見表3.5。 表3.5 變速器齒輪的許用接觸應力 齒輪 /MPa 滲碳齒輪 液體碳氮共滲齒輪 一檔和倒檔 1900～2000 950～1000 常嚙合齒輪和高檔 1300～1400 650～700 3.7計算各軸的轉(zhuǎn)矩 發(fā)動機最大扭矩為192N·m，齒輪傳動效率99%，離合器傳動效率99%，軸承傳動效率96%。 Ⅰ軸： ==192×99%×96%=182.48 中間軸：==182.48×96%×99%×31/19=282.96 Ⅱ軸： 一檔=282.96×0.96×0.99×32/17=506.21 二檔=282.96×0.96×0.99×31/20=416.83 三檔=282.96×0.96×0.99×30/27=298.81 四檔=282.96×0.96×0.99×26/31=225.55 倒檔 =470.64 倒檔軸： =282.96×0.96×0.99×23/16=386.58 3.8各檔齒輪的強度計算 1．計算一檔斜齒輪9，10的彎曲應力 =32，=17，=0.137，=0.166，=506.20，=282.96，=30°，=2.75，=8.0 = =287.11MPa<180～350MPa = =249.33MPa<180～350MPa 2．計算二檔斜齒輪7，8的彎曲應力 =31，=20，=0.141，=0.158，=416.83，=282.96，=26°，=2.75，=8.5 = =231.62MPa<180～350MPa = =217.49MPa<180～350MPa 3．計算三檔斜齒輪5，6的彎曲應力 =30，=27，=0.131，=0.153，=298.81，=282.96，=25°，=2.5，=8.0 = =263.35MPa<180～350MPa = =237.24MPa<180～350MPa 4．計算四檔斜齒輪3，4的彎曲應力 =26，=31，=0.128，=0.152，=225.55，=282.96，=25°，=2.5，=8.0 = =234.74MPa<180～350MPa = =207.99MPa<180～350MPa 5．常嚙合齒輪1，2的彎曲應力 =19，=31，=0.163，=0.132，=192，=282.96，=30°，=2.75，=8.0 = =154.16MPa<180～350MPa = =171.95MPa<180～350MPa 6．計算倒檔直齒輪11，12，13的彎曲應力 =31，=16，=23，=0.143，=0.126，=0.132，=3，=8.0，=470.64，=282.96，=386.58 =464.91MPa<400～850MPa = = 751.20MPa<400～850MPa = =681.49MPa<400～850MPa 7．計算一檔斜齒輪9，10的接觸應力 =32，=17，=506.20，=282.96，=30，=8.0，=2.75 =14.15 = =1508.25MPa<1900～2000MPa = =1547.08MPa<1900～2000MPa 8．計算二檔斜齒輪7，8的接觸應力 =31，=20，=416.83，=282.96，=26，=8.5，=2.75 =21.99 =14.19mm = =1361.73MPa<1300～1400MPa = =1396.86MPa<1300～1400MPa 9．計算三檔斜齒輪5，6的接觸應力 =30，=27，=298.81，=282.96，=25，=8.0，=2.5 =17.82mm =16.04mm = =1357.99MPa<1300～1400MPa = =1393.00MPa<1300～1400MPa 10．計算四檔斜齒輪3，4的接觸應力 =26，=31，=225.55，=282.96，=25，=8.0，=2.5 =15.33 =18.27 = =1283.11MPa<13