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商要
變速器用于轉(zhuǎn)變發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)汽車(chē)在起步、加速、行駛以及克服各種道路障礙等不同條件下對(duì)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪牽引力及車(chē)速的不同要求的需要。變速器在汽車(chē)中起著重要的作用，它能使汽車(chē)以非常低且穩(wěn)定的車(chē)速行駛，而這種低的車(chē)速只靠?jī)?nèi)燃機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是難以達(dá)到的。
隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷壯大，以及汽車(chē)行業(yè)持續(xù)快速的發(fā)展，如何設(shè)計(jì)出更經(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(chē)已經(jīng)是當(dāng)前汽車(chē)設(shè)計(jì)者的緊迫問(wèn)題，也是我們作為汽車(chē)工程本科畢業(yè)生，必須肩負(fù)的重任。在面臨著前所未有的機(jī)遇的同時(shí)，我們要努力為我們的汽車(chē)工業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)四年的刻苦學(xué)習(xí)，我掌握了四十多門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，閱讀了大量的專業(yè)書(shū)籍，為從事汽車(chē)行業(yè)的工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在大學(xué)畢業(yè)，即將走向工作崗位之際，按國(guó)家教委的要求，進(jìn)行了這次設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們?cè)诖髮W(xué)期間所學(xué)知識(shí)的一次檢閱，充分體現(xiàn)了一個(gè)設(shè)計(jì)者的知識(shí)掌握程度和創(chuàng)新思想。畢業(yè)設(shè)計(jì)總體質(zhì)量的好壞也直接體現(xiàn)了畢業(yè)生的獨(dú)立創(chuàng)造設(shè)計(jì)能力。由于畢業(yè)設(shè)計(jì)具有特殊的重要意義，在兩個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間里我們到單位實(shí)習(xí)，并閱讀了大量的汽車(chē)資料，虛心向老師請(qǐng)教，且在老師的指導(dǎo)下，將老師傳授的設(shè)計(jì)方法運(yùn)用到自己的設(shè)計(jì)中，使本次畢業(yè)設(shè)計(jì)得以順利完成。
目錄
商要 ....................................................................1
第一章 變速器的功用和要求................................................3
1.1.1 變速器的功用....................................................3
1.1.2 設(shè)計(jì)變速器必須滿足的基本要求....................................3
第二章 變速器的方案論證..................................................4
2.1.1 結(jié)構(gòu)工藝性......................................................4
2.1.2 變速器的經(jīng)向尺寸................................................4
2.1.3 變速器齒輪的壽命................................................4
2.1.4 變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)效率................................................4
2.2.1 變速器轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析............................................4
2.2.2 換擋結(jié)構(gòu)形式的選擇 ............................................4
(1） 滑動(dòng)齒輪換擋...................................................4
（2） 齒合套換擋.....................................................4
（3） 同步器換擋.....................................................4
2.2.3 倒檔的形式及布置方案..........................................5
2.2.3 變速器操縱機(jī)構(gòu)方案分析........................................7
（1） 變速器操縱機(jī)構(gòu)的功用...........................................7
（2） 設(shè)計(jì)變速器操縱機(jī)構(gòu)基本要求.....................................7
（3） 換擋位置.......................................................7
2.2.4 變速器傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)...........................................7
（1） 整車(chē)總布置.....................................................7
（2） 駕駛員的使用習(xí)慣...............................................7
（3） 提高平均傳動(dòng)效率...............................................8
（4） 變速器的傳動(dòng)效率...............................................8第三章 變速器設(shè)計(jì)計(jì)算..................................................10
3.3.1 變速器主要參數(shù)的選擇..........................................10
3.3.2 抽的直徑......................................................10
3.3.3 傳動(dòng)比的選擇.................................................10
3.3.4 中心距A......................................................11
3.3.5 齒輪參數(shù)選擇.................................................11
（1）模數(shù)的選擇..................................................11
（2）壓力角的選擇................................................12
（3）螺旋角......................................................12
（4）齒寬........................................................12
3.3.6 各檔數(shù).......................................................13
（1）一檔齒輪齒數(shù)................................................13
（2）確定二檔齒輪齒數(shù)............................................13
（3) 確定三檔齒輪齒數(shù)............................................14
(4) 確定倒檔傳動(dòng)比..............................................15
3.3.7 齒輪精度的選擇..............................................15
3.3.8 螺旋方向....................................................16
3 3 9 齒輪變位系數(shù)的選擇及計(jì)算....................................16
3.3.10 材料選擇...................................................18
（1） 輪齒拆斷...................................................19
（2） 齒面點(diǎn)濁...................................................19
（3） 齒面膠夸...................................................19
3.4.1 變速器軸的設(shè)計(jì)計(jì)算..........................................21
3.4.2 軸的功用及設(shè)計(jì)要求..........................................21
3.4.3 軸尺寸初選..................................................22
3.4.4 軸的受力分析................................................23
（1）齒輪的受力分析..............................................23
（2）方向........................................................23
（3）各力的作用點(diǎn)................................................24
3.4.5 軸的強(qiáng)度計(jì)算及校核..........................................24
3.4.6 軸的剛度計(jì)算和校核..........................................28
3.4.7 軸上花建的設(shè)計(jì)計(jì)算..........................................29
3.5.1 變速器軸承的選擇............................................30
3.5.2 幾種 軸承的特點(diǎn)............................................30
(1) 圓柱滾子軸承...............................................30
（2）深溝球軸承..... ...........................................30
（3）交接觸軸承.................................................30
（4）滾針軸承..................................................30
3.5.3 類(lèi)型的選擇.................................................30
(1) 軸承的載荷................................................30
（2 )軸承的轉(zhuǎn)速................................................30
（3）軸承的周心性能............................................31
（4）軸承的安裝和拆卸..........................................31
3.5.4 軸承的計(jì)算................................................31
（1）計(jì)算軸承在各檔位時(shí)的反力..................................32
（2）中間軸受力分析............................................33
（3）一軸受力分析..............................................34
（4）計(jì)算掛入X檔..............................................35
3.5.5 計(jì)算各齒輪所受切向力軸向力 經(jīng)向力..........................36
3.5.6 計(jì)算各軸承的總當(dāng)量動(dòng)載荷...................................36
（1) 計(jì)算各軸承在各檔位時(shí)的徑向載荷............................36
（2）計(jì)算軸承在各檔位總動(dòng)量載荷................................36
(3) 計(jì)算軸承的總當(dāng)量動(dòng)載荷....................................36
（4）計(jì)算二軸后軸軸承的總當(dāng)量動(dòng)載荷............................36
3.5.7 校核軸承壽命..............................................36
(1) 計(jì)算各軸承1到3檔時(shí)壽命..................................36
(2) 計(jì)算各軸承在1.2.3檔時(shí)所需要的壽命........................36
3.6.1 同步器的設(shè)計(jì)..............................................38
3.6.2 慣性式同步器..............................................38
3.6.3 同步器工作原理............................................38
(1) 摩擦因數(shù)..................................................38
(2) 同步器主要尺寸的確定......................................38
第四章 變速器總成的拆裝順序........................................42
4.4.1 變速器的裝配順序............................................42
(1) 領(lǐng)料........................................................42
（2） 零件清洗....................................................42
（3） 部件總成裝..................................................42.
4.4.2 變速器的拆卸................................................42
4.4.3 變速器總成裝配應(yīng)注意的問(wèn)題..................................43
致謝................................................................44
參考文..............................................................45
1、 第一章 變速器的功用和要求
現(xiàn)代汽車(chē)采用的活塞式內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化范圍較小，不能適應(yīng)汽車(chē)在各種條件下阻力變化的要求，因此在汽車(chē)傳動(dòng)系中，采用了可以改變轉(zhuǎn)速比和傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩比的裝置，即變速器。變速器不但可以擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)車(chē)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)汽車(chē)在各種條件下行駛的需要，而且能在保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變的情況下，實(shí)現(xiàn)倒車(chē)，還能利用空擋暫時(shí)地切斷發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力傳遞，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
1.1.1 變速器的功用：
（1）改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，如起步、加速、上坡等，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的工況下工作。
（2）在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車(chē)能倒退行駛。
（3）利用空擋，中斷動(dòng)力傳遞，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)、怠速，并便于變速器換檔或進(jìn)行動(dòng)力輸出。
因此變速器通常還設(shè)有倒檔，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下汽車(chē)能倒退行駛；設(shè)有空擋，在滑行或停車(chē)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系能保持分離。變速器還應(yīng)能進(jìn)行動(dòng)力輸出。
1.1.2 為保證變速器具有良好的工作性能，設(shè)計(jì)變速器必須滿足以下的使用條件和基本要求：
（1）應(yīng)該合理地選擇變速器的檔數(shù)和傳動(dòng)比，使汽車(chē)具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。
（2）工作可靠，在使用過(guò)程中不應(yīng)該有自動(dòng)跳檔、脫檔和換檔沖擊現(xiàn)象發(fā)生；此外，還不允許出現(xiàn)誤掛倒檔的現(xiàn)象。
（3）操縱輕便，以減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（4）傳動(dòng)效力高、噪音小。為了減少齒輪的嚙合損失，應(yīng)設(shè)有直接檔。此外合理地齒輪形式以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高其制造和安裝精度，都是提高效率和減小噪聲的有效措施。
（5）結(jié)構(gòu)緊湊，盡量做到質(zhì)量輕、體積小、制造成本底。
（6）制造容易、成本低廉、維修方便、使用壽命長(zhǎng)。
（7）貫徹零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化及總成系列化等設(shè)計(jì)要求，遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
(8）需要時(shí)應(yīng)設(shè)置動(dòng)力輸出裝置。
第二章 變速器的方案論證
2.1.1 變速器類(lèi)型選擇及傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
變速器的種類(lèi)很多，按其傳動(dòng)比的改變方式可以分為有級(jí)、無(wú)級(jí)和綜合式的。有級(jí)變速器根據(jù)前進(jìn)檔檔數(shù)的不同，可以分為三、四、五檔和多檔變速器；而按其軸中心線的位置又分為固定軸線式、螺旋軸線（行星齒輪）式和綜合式的。其中，固定式變速器應(yīng)用較廣泛，又可分為兩軸式，三軸式和多軸式變速器。
現(xiàn)代汽車(chē)大多都采用三軸式變速器。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的轎車(chē)，如變速器傳動(dòng)比小，則常采用兩軸式變速器。以下是兩軸式和三軸式變速器的傳動(dòng)方案。要采用哪一種方案，除了汽車(chē)總布置的要求外，主要考慮以下四個(gè)方面：
2.1.2 結(jié)構(gòu)工藝性
兩軸式變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋圓錐齒輪或雙曲面齒輪，而發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)用圓柱齒輪，因而簡(jiǎn)化了制造工藝。
2.1.3 變速器的徑向尺寸
兩軸式變速器的前進(jìn)檔均為一對(duì)齒輪副，而三軸式變速器則有兩對(duì)齒輪副。因此，對(duì)于相同的傳動(dòng)比要求，三軸式變速器的徑向尺寸可以比兩軸式變速器小得多。
2.1.4 變速器齒輪的壽命
兩軸式變速器的低檔齒輪副大小相差懸殊，小齒輪工作循環(huán)次數(shù)比大齒輪要高得多，因此，小齒輪工作壽命比大齒輪要短。三軸式變速器的各前進(jìn)檔均為常嚙合齒輪傳動(dòng)，大小齒輪的徑向尺寸相差較小，因此壽命比較接近。在直接檔時(shí)，齒輪只是空轉(zhuǎn)，不影響齒輪壽命。
2.1.5 變速器的傳動(dòng)效率
兩軸式變速器，雖然可以有等于1的傳動(dòng)比，但是仍要有一對(duì)齒輪傳動(dòng)，因而有功率損失。而三軸式變速器，可以將輸入軸和輸出軸直接相連，得到直接檔，因而傳動(dòng)效率高，磨損小，噪聲也較小。
轎車(chē)，尤其是微型汽車(chē)，采用兩軸式變速器比較多，這樣可將變速器和主傳動(dòng)器組成一個(gè)整體，使傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)緊湊，汽車(chē)得到較大的有效空間，便于汽車(chē)的總體布置。因此，近年來(lái)在歐洲的轎車(chē)中采用得比較多。而中、重型載貨汽車(chē)則多采用三軸式變速器。
這次設(shè)計(jì)的變速器是輕型貨車(chē)使用，所以采用三軸式變速器。
2.2.1 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析
根據(jù)第一節(jié)所述，采用中間軸式變速器，在各檔數(shù)相同的條件下，各變速器的差別主要在常嚙合齒輪對(duì)數(shù)，換檔方案和倒檔傳動(dòng)方案。
2.2.2 換檔結(jié)構(gòu)形式的選擇
目前，汽車(chē)上的機(jī)械式變速器的換檔結(jié)構(gòu)形式有直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器換檔三種。
1、滑動(dòng)齒輪換檔
通常是采用滑動(dòng)直齒輪換檔，但也有采用滑動(dòng)斜齒輪換檔的。滑動(dòng)直齒輪換檔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、容易制造。缺點(diǎn)是換檔時(shí)齒端面承受很大的沖擊會(huì)導(dǎo)致齒輪過(guò)早損壞，并且直齒輪工作噪聲大，所以這種換檔方式一般僅用在一檔和倒檔上。
2、嚙合套換檔
用嚙合套換檔，可以將結(jié)構(gòu)為某傳動(dòng)比的一對(duì)齒輪，制造成常嚙合的斜齒輪。用嚙合套換檔，因同時(shí)承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，而輪齒又不參與換檔，因此它們都不會(huì)過(guò)早損壞，但是不能消除換檔沖擊，所以仍要求駕駛員有熟練的操作技術(shù)。此外，因增設(shè)了嚙合套和常嚙合齒輪，使變速器的軸向尺寸和旋轉(zhuǎn)部分的總慣量增大。因此，這種換檔方法目前只在某些要求不高的檔位及重型貨車(chē)變速器上使用。這是因?yàn)橹匦拓涇?chē)檔位間的公比較小，要求換檔手感強(qiáng)，而且在這種車(chē)型上又不宜使用同步器（壽命太短，維修不便）。
3、同步器換檔
現(xiàn)在大多數(shù)汽車(chē)的變速器都采用同步器換檔。使用同步器能保證迅速、無(wú)沖擊、無(wú)噪聲換檔，與操作技術(shù)熟練程度無(wú)關(guān)，從而提高了汽車(chē)的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換檔方法相比，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大、同步環(huán)使用壽命短等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，由于同步器廣泛使用，壽命問(wèn)題已得到基本解決。
上述三種換檔方案，可同時(shí)用在同一變速器中的不同檔位上，一般倒檔和一檔采用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的滑動(dòng)直齒輪或嚙合套的形式，對(duì)于常用的高檔位則采用同步器或嚙合套.
本次設(shè)計(jì)方案一、二檔和三、四檔采用同步器換檔，倒檔使用倒檔軸上滑動(dòng)直齒輪換檔。
2.2.3 倒檔的形式及布置方案
倒檔使用率不高，常采用直齒滑動(dòng)齒輪方案換入倒檔。為實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)有些利用在前進(jìn)檔的傳動(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)體齒輪的方案。
圖2.1
常見(jiàn)的倒檔結(jié)構(gòu)方案有以下幾種：
方案1.（如圖2.1a）所示）
在前進(jìn)檔的傳動(dòng)路線中，加入一個(gè)傳動(dòng)，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但齒輪處于正負(fù)交替對(duì)稱變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作。此方案廣泛用于轎車(chē)和輕型貨車(chē)的四檔全同步器式變速器中。
方案2.（如圖2.1b）所示）
此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以利用中間軸上一檔齒輪，因而縮短了中間軸的長(zhǎng)度，但換檔時(shí)兩對(duì)齒輪必須同時(shí)嚙合，致使換檔困難。某些輕型貨車(chē)四檔變速器采用此方案。
方案3.（如圖2.1c）所示）
此方案能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比，突出的缺點(diǎn)是換檔程序不合理。
方案4.（如圖2.1d）所示）
此方案針對(duì)前者的缺點(diǎn)作了修改，因而經(jīng)常在貨車(chē)變速器中使用。
方案5.（如圖2.1e）所示）
此方案中，將中間軸上一檔和倒檔齒輪做成一體其齒體、寬加大，因而縮短了一些長(zhǎng)度。
方案6.（如圖2.1f）所示）
此方案中，采用了全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換檔方便。
方案7.（如圖2.1g）所示）
為了充分利用空間，縮短變速器軸向長(zhǎng)度，有些貨車(chē)采用此方案，其缺點(diǎn)是一檔和倒檔得各用一根變速器撥叉軸，使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些，一般3、4、5、6、7五種方案用于五檔變速器。
綜合考慮，本次設(shè)計(jì)采用輸出軸上直齒滑動(dòng)換入倒檔換檔方式。其優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直齒輪加工要求不太高，無(wú)軸向力，成本低。但換檔時(shí)容易發(fā)生沖擊，產(chǎn)生噪聲大壽命短。
2.2.4 變速器操縱機(jī)構(gòu)方案分析
1、變速器操縱機(jī)構(gòu)的功用
變速器操縱機(jī)構(gòu)的功用是保證各檔齒輪、嚙合套或同步器移動(dòng)規(guī)定的距離，以獲得要求的檔位，而且又不允許同時(shí)掛入兩個(gè)檔位。
2、設(shè)計(jì)變速器操縱機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該滿足的基本要求
（1）要有鎖止裝置，包括自鎖、互鎖和倒檔鎖。
(2）要使換檔動(dòng)作輕便、省力，以減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度。
(3）應(yīng)使駕駛員得到必要的手感。
3、換檔位置
設(shè)計(jì)操縱機(jī)構(gòu)首先要確定換檔位置。換檔位置的確定主要從換檔方便考慮。為此應(yīng)該注意以下三點(diǎn)：
(1）按換檔次序來(lái)排列 。
(2）將常用檔放在中間位置，其它檔放在兩邊。
(3）為了避免誤掛倒檔，往往將倒檔安排在最靠邊的位置，有時(shí)于1檔組成一排。
2.2.5 變速器傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)
各齒輪副的相對(duì)安排位置，對(duì)于整個(gè)變速器的結(jié)構(gòu)布置有很大的影響。各檔位置的安排，應(yīng)考慮以下四個(gè)方面的要求：
1、 整車(chē)總布置
根據(jù)整車(chē)的總布置，對(duì)變速器輸入軸與輸出軸的相對(duì)位置和變速器的輪廓形狀以及換檔機(jī)構(gòu)提出要求。比如說(shuō)是該車(chē)是采用發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)動(dòng)還是發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)動(dòng)等等，這些問(wèn)題都牽連著變速器的設(shè)計(jì)方案。
2、 駕駛員的使用習(xí)慣
人們習(xí)慣于按檔的高低順序，由左到右或由右到左排列來(lái)?yè)Q檔，如下圖b和c。值得注意的是倒檔，雖然它是平常換檔序列之外的一個(gè)特殊檔位，然而卻是決定序列組合方案的重要環(huán)節(jié)。例如在四檔變速器中采用的基本序列組合方案有三種，見(jiàn)圖2.2。其中b和c是倒檔與序列不結(jié)合的方案，即掛檔時(shí)，需先換位再掛倒檔。倒檔與序列結(jié)合與不結(jié)合兩者比較，前者在結(jié)構(gòu)上可省去一個(gè)撥叉和一根變速滑桿，后者如布置適當(dāng)，則可使變速器的軸向長(zhǎng)度縮短。
按習(xí)慣，倒檔最好與序列不結(jié)合。否則，從安全考慮，將倒檔與一檔放在一起較好。
圖 2.2
根據(jù)以上的要求，本次設(shè)計(jì)的檔位布置方案如圖2.3所示：
圖 2.3
3、 提高平均傳動(dòng)效率
為提高平均傳動(dòng)效率，在三軸式變速器中，普遍采用具有直接檔的傳動(dòng)方案，并盡可能地將使用時(shí)間最多的檔位實(shí)際成直接檔。
4、 改善齒輪受載狀況
各檔齒輪在變速器中的位置安排，應(yīng)考慮齒輪的受載狀況。承受載荷大的低檔齒輪，一般安置在離軸承較近的地方，以減小軸的變形，使齒輪的重疊系數(shù)不致下降過(guò)多。變速器齒輪主要是因接觸應(yīng)力過(guò)高而造成表面點(diǎn)蝕損壞，因此將高檔齒輪安排在離兩支承較遠(yuǎn)處較好。該處因軸的變形而引起齒輪的偏轉(zhuǎn)角較小，故齒輪的偏載也小。
本次設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案如圖2.3所示
傳動(dòng)路線：
Ⅰ檔：一軸→1→2→中間軸→8→7→二軸→5、7齒輪間的同步器→輸出
Ⅱ檔：一軸→1→2→中間軸→6→5→5、7齒輪間的同步器→二軸→輸出
Ⅲ檔：一軸→1→2→中間軸→4→3→1、3齒輪間同步器→二軸→輸出
Ⅳ檔：一軸→1→1、3齒輪間同步器→二軸→輸出
R檔：一軸→1→2→中間軸→10→11→9→二軸→輸出
圖2.4
第三章 變速器設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 變速器主要參數(shù)的選擇
3.3.2軸的直徑
第一軸花鍵部分直徑d(mm)初選
d=
式中：
——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，＝4.0～4.6，?。?.3；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N?m）；
d=23.34mm ，取d＝32mm。
3.3.3傳動(dòng)比的選擇
汽車(chē)在最大爬坡路面上行使時(shí)，最大驅(qū)動(dòng)力應(yīng)能克服輪胎與路面間滾動(dòng)阻力及上坡阻力。由于汽車(chē)上坡行使時(shí)，車(chē)速不高，故可以忽略空氣阻力，這時(shí)：
（3.1）
式中：——最大驅(qū)動(dòng)力；即 = / Error! No bookmark name given.
——滾動(dòng)阻力；即 =cos
——最大上坡阻力。即 =sin
把以上參數(shù)代入（3-1）得：
(3.2)
以上是根據(jù)最大爬坡度確定一檔傳動(dòng)比，式中：
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，=160 N·m；
——變速器一檔傳動(dòng)比；
——主傳動(dòng)器傳動(dòng)比，=4.5；
——汽車(chē)總質(zhì)量，＝2200kg；
——道路滾動(dòng)阻力系數(shù)取0.020；
——傳動(dòng)系機(jī)械效率，取0.84；
——重力加速度；取=9.8；
——驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑，取0.42 m；
——汽車(chē)最大爬坡度為30％，即＝
=4.3 取=4.8
由
式中，為常數(shù)，也就是各檔之間的公比，一般認(rèn)為不宜大于1.7—1.8。
由中等比性質(zhì)；得：
——檔位數(shù)，取=2,3,4,
——檔數(shù)，n=4 ；
=4.82/3=2.846
=4.81/3=1.687
=1.0(直接檔)
=1.687
=1.687
=1.687
符合q的要求。
∴=4.8, =2.864, =1.687, =1.00。
3.3 4中心矩A
對(duì)于中間軸式變速器，是將中間軸與第二軸之間的距離稱為變速器中心距A
初選中心矩A時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算
= (3.3)
—— 中心距系數(shù)：=9.5~11.0,取9.8；
—— 變速器一檔傳動(dòng)比；
—— 變速器傳動(dòng)效率：取＝96％；
—— 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，單位為（Nm）；
∴A=9.8×(160×4.8×0.96)1/3
取=89mm
3.3.5齒輪參數(shù)選擇
1、模數(shù)的選擇
影響齒輪模數(shù)選取的因素很多，如齒輪強(qiáng)度、質(zhì)量、噪聲、工藝要求等。選取齒輪模數(shù)時(shí)一般遵循的原則是：合理減少模數(shù)，增加齒寬會(huì)使噪聲降低；為了減輕變速器的質(zhì)量，應(yīng)增加模數(shù)，同時(shí)減小齒寬；從工藝方面考慮，各檔齒輪應(yīng)選用同一種模數(shù)，而從齒輪強(qiáng)度方面考慮，各檔齒輪應(yīng)該有不同的模數(shù)。對(duì)貨車(chē)，減輕質(zhì)量比減小噪聲更重要，故齒輪應(yīng)選用大些的模數(shù)。
初選模數(shù)時(shí)，可參考同類(lèi)型汽車(chē)的齒輪模數(shù)確定；也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，即：
= =2.52 高檔齒輪K=1
= =2.935 一檔齒輪
式中： 為斜齒輪法向模數(shù)；
為直齒輪模數(shù)；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；=160 N·m
——變速器一檔傳動(dòng)比；
—— 變速器傳動(dòng)效率：?。?6％；
該設(shè)計(jì)選用同一模數(shù)進(jìn)行，故斜齒輪法向模數(shù)取=3；直齒輪模數(shù)取=3
2、壓力角α的選擇
壓力角較小時(shí)，重合度較大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲較低；壓力角較大時(shí)，可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。對(duì)于轎車(chē)，為提高重合度以降低噪聲，應(yīng)采用14.5°,15°，16°，16.5°等小些的壓力角；對(duì)貨車(chē)，為提高齒輪的承載能力，應(yīng)選用22.5°或25°等大些的壓力。實(shí)際上，因國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以變速器齒輪普遍采用的壓力角為20°。
3、螺旋角β
選取斜齒輪的螺旋角，應(yīng)注意到它對(duì)齒輪工作噪聲，輪齒的強(qiáng)度和軸向力有影響。在齒輪選取大的螺旋角時(shí)，齒輪嚙合重合度增加，工作平穩(wěn)，噪聲降低。隨著β增大，齒的強(qiáng)度也相應(yīng)提高，不過(guò)，當(dāng)螺旋角大于30°時(shí)，抗彎強(qiáng)度急劇下降，會(huì)使軸向力及軸承載荷過(guò)大。
貨車(chē)變速器斜齒螺旋角β的選擇范圍：18°～26°。初選β1,2=25°，°
4、齒寬b
齒寬的選擇，應(yīng)注意到齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸、齒輪工作平穩(wěn)行、齒
強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)受力的均勻程度。
通常根據(jù)模數(shù)（）來(lái)選擇齒寬：
直齒：=,為齒寬系數(shù)，取4.5～8.0
斜齒：=，取為6.0～8.5；
小齒輪的齒寬在計(jì)算上認(rèn)為加寬約5～10，所以有
5、直齒
=(4.5～8.0)×3=13.5～24(mm)
=20mm, =22mm, =20mm
6、斜齒
=(6.0～8.0)×3=19.5～25.5(mm)
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中間軸上預(yù)定用寶塔齒輪，所以取:
=22mm, =20mm, =22mm, =20mm
=18mm, =20mm, =18mm, =20mm
3.3.6 各檔齒數(shù)Z
齒數(shù)確定原則：各檔齒輪齒數(shù)比應(yīng)盡可能不是整數(shù), 且各檔齒數(shù)無(wú)公約數(shù)。
1、一檔齒輪齒數(shù)
⑴斜齒=2×× (3.4)
選?。?0°，
=2×89×cos20°/3
=55.76 取=56
由進(jìn)行大小齒輪齒數(shù)分配，為使的傳動(dòng)比更大些，取
=38,=18；
⑵=×(+)/(2×cos) (3.5)
=2.5×(38＋18)/(2 ×cos20°)=89.39mm
?。?0mm；
⑶/＝/ (3.6)
=4.8×18/38=2.274；
⑷ 由= ×(+)/(2×cos) (3.7)
+＝2×90×cos25°/3=54.38
取=17，=37（圓整）；
⑸ 修正
=×/(×) (3.8)
=37×38/（17×28）
=4.59
%=|4.59-4.8|/4.8=4.3%<5% (合格)；
⑹ 修正
由＝×(+)/（2×cos） (3.9)
得＝arccos［×(+)/（2×A）］= 25.842°
同理
＝arccos［×(+)/（2×A）］= 21.039°
2、確定二檔齒輪齒數(shù)（?。?0°）
⑴/=×/ (3.10)
=2.846×17/37=1.3076
⑵+=2××cos/ (3.11)
=2×90×cos20°/3 = 56.38
取=24, =32(圓整)；
⑶修正
＝×/（×） (3.12)
＝37×32/（17×24）
＝2.90
％＝|2.90-2.846|/2.846×100%
＝1.966%<5% (合格)；
⑷修正β5.6
＝arccos［(+)/（2×A）］=21.039° (3.13)
⑸ 從抵消或減少中間軸的軸向力出發(fā)，齒數(shù)還必須滿足下列關(guān)系式：
tg /tg=/(+)×(1+/)
tg /tg=1.2571
/(+)×(1+/)=1.5988
|1.5988 -1.2571|=0.3417<0.5
兩者相差不大，近似認(rèn)為軸向力平衡。
3、確定三檔齒輪齒數(shù)（β3.4＝20°）
⑴ /＝×/ (3.14)
＝1.68×17/37
＝0.775
⑵ 由＝×(+)/2cos (3.15)
取＝20°,得
＋＝2××cos/
=2×90×cos20°/3=56.38
?。?4，＝32（圓整）；
⑶ 修正
=×/（×） (3.16)
=37×24/（17×32）
=1.632
i3%=|1.632-1.687|/1.687×100%=3.26%<5%(合格)
⑷ 修正
＝arccos［×(+)/（2×A）］ (3.17)
=21.039°;
⑸從抵消或減少中間軸的軸向力出發(fā)，齒數(shù)還必須滿足下列關(guān)系式：
tg/tg=/(+)×(1+/)
tg/tg=1.257
/(+)×(1+/)=1.102
|1.257-1.102|=0.123<0.5
兩者相差不大，近似滿足軸向力的平衡條件。
4、確定倒檔傳動(dòng)比
倒檔齒輪的模數(shù)往往與一檔相近，為保證中間軸倒檔齒輪不發(fā)生根切，初選＝17，倒檔齒輪一般在21～33之間選擇。
初選＝22。
根據(jù)中間軸和輸出軸的中心距A=90mm
那么 90= m×(Z9+) / 2 + 2××m + 2.5 (3.18)
代入數(shù)字圓整后可求得Z9 =38
修正倒擋傳動(dòng)比：ir=Z2×Z9/(Z1×Z11)= 37×38/（17×17）= 4.865
為了保證倒檔齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉， 齒輪9和齒輪10的齒頂圓之間應(yīng)保持0.5mm以上的間隙，因?yàn)?
(1) 中間軸與倒檔軸之間的中心距A′
A′=× (+)/2 (3.19)
=3×（17+22）/2
=58.5mm
取A′=59mm
⑵ 第二軸與倒檔軸之間的中心矩A′′
′′=× (+)/2 (3.20)
=3 × (38+22)/2
=90mm
取′′=90mm
′+′′=146>=90mm
齒輪9和齒輪10的齒頂圓之間的間隙 =90-3×(38+17)/2.0-2×1×3
=1.5>0.5
所以齒輪能正常嚙合且不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。
修正后各檔的傳動(dòng)比為：i1 =4.590, i2 =2.902,i3 =1.632,i4 =1.000, ir =4.865
3.3.7 齒輪精度的選擇
根據(jù)推薦，提高高檔位齒輪的性能，取Z1～Z4為6級(jí)，Z5～Z11為7級(jí)。
3.3.8螺旋方向
由于斜齒輪傳遞扭矩時(shí)要產(chǎn)生軸向力，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)要求中間軸上的軸向力平衡。關(guān)于螺旋角的方向，第一、二軸齒輪采用左旋，這樣可使第一、二軸所受的軸向力直接經(jīng)過(guò)軸承蓋作用在變速器殼體上，而不必經(jīng)過(guò)軸承的彈性檔圈傳遞。中間軸齒輪全部采用右旋，因此同時(shí)嚙合的兩對(duì)齒輪軸向力方向相反，軸向力可互相抵消一部分。
3.3.9齒輪變位系數(shù)的選擇及計(jì)算
采用變位系數(shù)，除了避免齒輪產(chǎn)生干涉、根切和配湊中心距以外，還因?yàn)樽兯倨鞑煌瑱n位的齒輪在彎曲強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度、使用平穩(wěn)性、耐磨性及抗膠合能力等方面有不同的要求，采用齒輪變位就能分別予以兼故。齒輪變位是提高齒輪壽命的有效方法。
對(duì)實(shí)際中心距等于已知中心距時(shí)，采用高度變位，反之采用角度變位。由于角度變位可獲得良好的齒合性能及傳動(dòng)質(zhì)量,故較多被采用.
變速器齒輪是斷續(xù)工作的,各檔使用條件不同,齒輪經(jīng)常承受循環(huán)負(fù)荷,有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。使用表明,變速器齒輪大多是因?yàn)辇X面剝落和疲勞斷裂而損壞的,因此,變位系數(shù)只要應(yīng)按提高接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和抗膠合及耐磨損最有利的原則選擇變位系數(shù)。對(duì)于常用的高檔齒輪，其主要損壞形式是齒面疲勞剝落，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)使所選用的變位系數(shù)盡可能取大些,這樣兩齒輪的齒廓漸開(kāi)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)于低擋齒輪，由于齒輪的齒根強(qiáng)度較低，加之傳遞的載荷較大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)小齒輪的彎曲強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)危險(xiǎn)斷面齒厚相等的條件來(lái)選擇大、小齒輪的變位系數(shù)，此時(shí)小齒輪的變位系數(shù)大于零。為提高耐磨性及抗膠合能力，應(yīng)使所選用的變位系數(shù)能降低兩齒合齒輪的相對(duì)滑動(dòng)系數(shù)，并使兩齒輪齒根外的滑動(dòng)系數(shù)趨于平齊。
利用變位系數(shù)封閉圖分配變位系數(shù)是目前較好的一種方法，它比較全面地綜合了各種限制條件和各種傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)。使用該圖分配變位系數(shù)可不必校核是否干涉，根切，齒頂變尖以及重合系數(shù)過(guò)低等情況。
變位系數(shù)的計(jì)算：
已知實(shí)際中心距A’，β，mn，Z
標(biāo)準(zhǔn)中心距A=mn(Z1+Z2)/(2*cosβ)
端面壓力角αt: tgαt=tgαn/cosβ
端面齒合角αt’ :
invαt’=invαt+2*(Xt1 +Xt2)*tgαt /(Z1 +Z2)
(invαt =tgαt –αt)
A’ =A*cosαt /cosαt’
αt’ =arccos(A*cosαt /A’ )
代入式并整理得：
X=Xt1+Xt2 =(invαt’ –invαt )*(Z1 +Z2 )/2*tgαt
根據(jù)以上各式計(jì)算得：
X(1,2) = 0.198 X(3,4) =-0.3001 X(5,6) =0.120 X(7,8) =0.120
X(9,11) =0 X(10,11) =0
表 3.1
Zi
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6
Z7
XI
0.25
-0.25
0.125
-0.125
-0.125
0.125
-0.25
Z8
Z9
Z10
Z11
0.25
0
0
0
表2為計(jì)算所得齒數(shù)：
表 3.2
Z
17
37
24
32
32
24
38
18
38
17
22
b
22
20
22
20
18
20
18
20
20
22
20
β
25.842°
21.039°
21.039°
21.039°
0°
3.33
3.21
3.21
3.21
3
3
3
3
3
3
20°
20°
20°
20°
20°
3.75
2.25
3.375
2.25
2.63
3.375
2.25
3.75
3
3
3
3
4.5
3.375
4.5
4.13
3.375
4.5
30
3.75
3.75
3.75
d
56.67
123.33
77.14
102.85
102.85
77.14
122.14
57.86
114
51
66
64.17
127.83
83.89
108.11
108.11
83.89
126.64
65.36
120
57
72
50.67
114.33
70.39
94.61
94.61
70.39
113.14
51.86
106.5
43.5
58.5
y
0.145
0.130
0.142
0.135
0.135
0.151
0.132
0.148
0.148
0.119
0.132
（1）直齒圓柱齒輪： (2) 斜齒圓柱齒輪：
分度圓直徑：d=Z×m 端面模數(shù)=cosβ
齒頂高h(yuǎn)a=m（+） 分度圓直徑：d=Z×mt
齒根高h(yuǎn)f=(ha*＋c*-Xt)×m 齒頂高：ha=ha*×mt+Xt×mt
齒頂圓直徑：da=d+2×ha 齒全高：h=(2×ha*+C*)×mt
齒高h(yuǎn)=ha+hf 齒頂圓直徑da=d+2×ha
齒頂高系數(shù)ha*=1.0
齒根高系數(shù)c*=0.25
3.3.10 材料選擇
現(xiàn)代汽車(chē)變速器的齒輪材料大部分采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度與心部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力。本次設(shè)計(jì)的齒輪的材料選用40Cr。
齒輪的強(qiáng)度校核
1、齒輪的損壞形式
變速器齒輪的損壞有以下幾種形式：
（1）輪齒折斷
齒輪在嚙合過(guò)程中，齒輪表面承受有集中載荷的作用?？梢园妖X輪看作是懸臂梁，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。輪齒折斷有兩種情況，一種是輪齒受到足夠大的突然載荷的沖擊作用，導(dǎo)致輪齒斷裂。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)展到一定深度以后，齒輪突然折斷。
為避免齒輪輪齒折斷，需降低輪齒的彎曲應(yīng)力，提高齒輪的彎曲強(qiáng)度。采用下列措施，可提高輪齒的彎曲強(qiáng)度：增大輪齒根部齒厚；加大輪齒根部過(guò)渡圓角半徑；采用長(zhǎng)齒齒輪傳動(dòng)；提高重合度；使同時(shí)嚙合的輪齒對(duì)數(shù)增多；使齒面及齒根部過(guò)渡圓角處盡量光滑；提高材料的許用應(yīng)力，如采用優(yōu)質(zhì)鋼材等。
（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。而裂縫中油壓增高，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)大量的扇形小麻點(diǎn)，這就是齒面點(diǎn)蝕現(xiàn)象。
提高接觸強(qiáng)度的措施：一方面是合理選擇齒輪參數(shù)，使接觸應(yīng)力降低；另一方面是提高齒面硬度，如采用許用應(yīng)力大的鋼材等。
（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，接觸應(yīng)力大，使齒面間潤(rùn)滑油膜破壞，兩齒面之間金屬材料直接接觸，局部溫度過(guò)高，互相熔焊粘連，齒面沿滑動(dòng)方向形成撕傷痕跡，這種損壞形式叫膠合。
防止膠合的措施有：一方面采用較大或加有耐壓添加劑的潤(rùn)滑油，提高油膜強(qiáng)度，使油膜不破壞，就可以不產(chǎn)生局部溫升；另一方面可提高齒面硬度，或嚙合齒輪采用不同材料等。
2、圓柱齒輪強(qiáng)