五菱宏光手动变速器设计

五菱宏光手动变速器设计 系部名称： 汽车工程系 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors Degree WuLing HongGuang Manual Transmission Design Candidate： Specialty： Class： Supervisor： Heilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin摘 要变速器用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，目的是在原地起步，爬坡，转弯，加速等各种行驶工况下，使汽车获得不同的牵引力和速度，同时使发动机在最有利工况范围内工作。变速器设有空挡和倒挡。需要时变速器还有动力输出功能。因为变速箱在低档工作时作用有较大的力，所以一般变速箱的低档都布置靠近轴的后支承处，然后按照从低档到高档顺序布置各档位齿轮。这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证装配容易。变速箱整体结构刚性与轴和壳体的结构有关系。一般通过控制轴的长度即控制档数，来保证变速箱有足够的刚性。本文设计研究了三轴式五挡手动变速器，对变速器的工作原理做了阐述，变速器的各挡齿轮和轴做了详细的设计计算，并进行了强度校核，对一些标准件进行了选型。变速器的传动方案设计并讲述了变速器中各部件材料的选择。关键字：变速器；设计；齿轮；轴；校核ABSTRACTTransmission to change the engine reached on the driving wheel torque and speed, is aimed at marking start, climbing, turning, accelerate various driving conditions, the car was different traction and speed Meanwhile engine in the most favorable working conditions within the scope of the work. And the trans mission in neutral gear with reverse gear. Transmission also need power output function.Gearbox because of the low-grade work at a larger role, In general, the low-grade gearbox layout are close to the axis after support, Following from low-grade to high-grade order of the layout of stalls gear. This will not only allow axis are large enough for a rigid, but also ensures easy assembly. Gear box overall structure and rigid axle and the shell structure of relations. Generally through the control shaft length control over several stalls to ensure that adequate gear box rigid. This paper describes the design of three-axis five block manual tran mission, the transmission principle of work elaborated, Transmission of the gear shaft and do a detailed design, and the intensity of a school. For some standard parts for the selection. Transmission Trans mission program design. A brief description of the trans mission of all components of the material choice. Keywords : Transmission; Design; Gear; Axis;Checking目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1选题的背景11.2目的及意义2第2章 总体方案设计32.1汽车参数的选择32.2变速器设计应满足的基本要求32.3传动机构布置方案分析32.3.1固定轴式变速器32.3.2倒档布置方案42.3.3其它问题62.4齿轮形式72.5换挡机构形式72.6变速器轴承82.7本章小结9第3章 变速器设计和计算103.1档数113.2传动比范围113.3各档传动比的确定113.3.1主减速器传动比的确定113.3.2最低档传动比的确定123.3.3各档传动比的确定133.3.4中心距的选定133.3.5变速器的外形尺寸143.4齿轮参数143.4.1模数的选取143.4.2压力角153.4.3螺旋角153.4.4齿宽163.4.5齿顶高系数173.4.6变位系数的选择原则173.5各档齿数的分配183.5.1确定一档齿轮的齿数183.5.2对中心距进行修正203.5.3确定常啮合传动齿轮副齿数及变位系数203.5.4确定其他各档齿数及变位系数213.5.5确定倒档齿轮齿数及变位系数263.6本章小结28第4章 变速器的校核294.1齿轮的损坏形式294.2 齿轮强度计算284.2.1齿轮弯曲强度计算284.2.2齿轮接触应力计算304.3轴的结构设计324.4轴的强度验算334.4.1轴的刚度的计算334.4.2轴的强度的计算384.5轴承寿命计算414.6本章小结44第5章 同步器的设计455.1 锁销式同步器455.1.1锁销式同步器结构455.1.2锁销式同步器工作原理455.2锁环式同步器465.2.1锁环式同步器结构465.2.2锁环式同步器的工作原理465.2.3锁环式同步器主要尺寸的确定47 5.3 本章小结49第6章 变速器操纵机构506.1直接操纵手动换挡变速器506.2远距离操纵手动换挡变速器506.3本章小结51结论52参考文献53致谢54附录55第1章 绪 论1.1选题的背景近几年国内外汽车工业迅猛发展，车型的多样化和个性化已经成为汽车发展的趋势。但变速器设计一直是汽车设计中最重要的环节之一，它是用来改变发动机传到驱动轮上的转矩和转速，因此它的性能影响到汽车的动力性和经济性指标，特别是对轻型商用车而言，其设计意义更为明显。在对汽车性能要求越来越高的今天，车辆的舒适性也是评价汽车的一个重要指标，而变速器的设计如果不合理，将会使汽车的舒适性下降，使汽车的运行噪声增大。国产商用车所装配的变速器主要以国产手动档变速器为主，变速器是由变速传动机构和操纵机构组成。根据前进挡数的不同，变速箱有三、四、五和多挡几种。根据轴的不同类型，分为固定轴式和旋转轴式两大类。而前者又分为两轴式、中间轴式和多中间轴式变速箱。汽车变速器是影响整车动力性、经济性、舒适性的重要总成，国内外的汽车制造与销售数据显示，人们对汽车驾乘的舒适性越来越重视。国内商用车市场的快速发展，2008年全国载货汽车保有量为10、465、404辆，与2007年相比，增加722、181辆，增长7.41%。其中轻型载货汽车5、863、787辆，贡献度最大的车型是轻型货车，轻型货车对商用车销量的贡献度为44.16%，其次是重型货车和微型货车，其贡献度分别为19.89%和12.93%。汽车变速器的使用寿命与整车基本相当，售后维修市场对变速器总成的需求仅占少数，故此可将轻型商用车市场近似为它的变速器配套市场空间。随着全球能源及原材料价格的不断上涨，汽车销售价格的下降，要求汽车变速器向着体积小质量轻、承载能力大、结构紧凑上发展。这就要求零件设计结构机械性能也要相应有所改变，向着小巧紧凑高强度，高刚性方向改进，进而也要求有新技术新工艺来保证能够制造出来。目前许多变速器生产企业正在研发一些能大幅提高离合器、同步器寿命和行车安全性，且保留了传统有级机械变速器传动效率高、体积小、机构简单、使用可靠、易于制造、成本低、燃油消耗少和维护与使用费用低、多档位、大速比变化范围改善了汽车的动力性、燃油经济性和换档平顺性的变速器。现在汽车变速器的发展趋势是向着可调自动变速箱或无级变速器方向发展。无级变速机构由两组锥形轮组成，包括一对主动锥形轮（锥形轮组1）和一对被动锥形轮（锥形轮组2） 同时有一根链条运行在两对锥形轮V形沟槽中间，链条的运动如同动力传递单元。锥形轮组1由发动机的辅助减速机构驱动，发动机的动力通过链条传递给锥形轮组2直至终端驱动。在每组锥形轮中有一个锥形轮可以在轴向移动，调整链条在锥形轮的工作直径并传递速比。两组锥形轮必须保持相同的调整，以保证链条始终处与涨紧状态，使传递扭矩时锥形轮接触充分的压力。采用无级变速器可以节约燃料，使汽车单位油耗的行驶里程提高30%。通过选择最佳传动比，获得最有利的功率输出，它的传动比比传统的变速器轻，结构更简单而紧凑。世界各大汽车制造商正竞相开发无级变速器。专家预计2008至2009年间无级变速器将成为世界各大汽车制造商的技术开发重点。1.2 目的及意义通过一步步的计算和校核来改善变速器的工作状态，使其达到理想的舒适性并减小工作时的噪声。传统的变速器设计设计方法一般是根据性能要求利用经验公式取初值，然后计算其强度，传动质量指标等，如不符合要求根据经验公式改变某些参数，继续计算直至符合所有的条件与要求。通过本题目的设计，可综合运用所学知识对轻型商用车的手动变速器进行设计。由于本题目模拟工程一线实际情况，通过毕业设计可与工程实践直接接触，从而可以提高解决实际问题的能力，综合提高自身的设计和制造水平。本设计研究基本内容是研究轻型商用车的机械变速器的组成、结构与原理，弄清楚同步器、齿轮、轴等零部件之间的配合关系。选择标准齿轮模数在总当数和一档传动比确定后，合理分配各档位的速比，接着计算出齿轮参数和中心距，并对齿轮进行强度验算，确定齿轮的结构与尺寸，绘制出所有齿轮的零件图，根据经验公式初步计算出所有轴的基本尺寸，对每个档位下对轴的刚度和强度进行验算，确定出轴的结构与尺寸，绘制出各个轴的结构与尺寸，对现有传统变速器的结构进行改进、完善，最终完成变速器的零件图和装备图的绘制。利用计算机辅助设计软件绘制变速器的各零件的零件图，并完成变速器的总装配图。在此次设计中对变速器作了总体设计，对变速器的传动方案进行了选择，变速器的齿轮和轴做了详细的设计计算，对同步器和一些标准件做了选型设计。 第 2 章 总体方案设计2.1 汽车参数的选择 变速器设计所需的汽车基本参数如下表:表2.1 设计基本参数表发动机最大功率63kw 最高车速 140km/h 总质量2880kg 最大转矩108Nm2.2 变速器设计应满足的基本要求对变速器如下基本要求: 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。除此以外，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，传动比范围和各挡传动比有关。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。2.3 传动机构布置方案分析2.3.1 固定轴式变速器固定轴式又分为两轴式，中间轴式，双中间轴式变速器。固定轴式应用广泛，其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动的汽车上，中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动的汽车上。与中间轴式变速器比较，两轴式变速器有结构简单，轮廓尺寸小，布置方便，中间挡位传动效率高和噪声低等优点。因两轴式变速器不能设置直接挡，所以在高挡工作时齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，且易损坏。此外，受结构限制，两轴式变速器的一挡速比不可能设计得很大。所以我选择的是中间轴式的变速器。图2.1，分别示出了几种中间轴式五挡变速器传动方案。它们的共同特点是：变速器第一轴和第二轴的轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接得到直接挡。使用直接挡，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，发动机转矩经变速器第一轴和第二轴直接输出，此时变速器的传动效率高，可达90%以上，噪声低，齿轮和轴承的磨损减少。因为直接挡的利用率高于其它挡位，因而提高了变速器的使用寿命；在其它前进挡位工作时，变速器传递的动力需要经过设置在第一轴，中间轴和第二轴上的两对齿轮传递，因此在变速器中间轴与第二轴之间的距离（中心距）不大的条件下，一挡仍然有较大的传动比；挡位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，挡位低的齿轮（一挡）可以采用或不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一挡以外的其他挡位的换挡机构，均采用同步器或啮合套换挡，少数结构的一挡也采用同步器或啮合套换挡，还有各挡同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。再除直接挡以外的其他挡位工作时，中间轴式变速器的传动效率略有降低，这是它的缺点。在挡数相同的条件下，各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数，换挡方式和到档传动方案上有差别。图2.1a所示方案，除一档和倒挡用直齿滑动齿轮换挡外，其余各挡为常啮合齿轮传动。图2.1b，c，d所示方案的各前进挡，均用常啮合齿轮传动；图3.1d所示方案中的倒挡和超速挡安装在位于变速器后部的副箱体内，这样布置除可以提高轴的刚度，减少齿轮磨损和降低工作噪声外，还可以在不需要超速挡的条件下，很容易形成一个只有四个前进挡的变速器。以上各种方案中，凡采用常啮合齿轮传动的挡位，其换挡方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，有的挡位用同步器换挡，有的挡位用啮合套换挡，那么一定是挡位高的用同步器换挡，挡位低的用啮合套换挡。发动机前置后轮驱动的货车采用中间轴式变速器，为加强传动轴刚度，可将变速器后端加中间支撑。 中间轴和第二轴都有三个支承。如果在壳体内，布置倒挡传动齿轮和换挡机构，还能减少变速器主体部分的外形尺寸。2.3.2 倒挡布置方案与前进挡位比较，倒挡使用率不高，而且都是在停车状态下实现换倒挡，故多数方案采用直齿滑动齿轮方式换倒挡。为实现倒挡传动，有些方案利用在中间轴和第二轴上的齿轮传动路线中，加入一个中间传动齿轮的方案。前者虽然结构简单，但是中图2.1 中间轴式五挡变速器传动方案间传动齿轮的轮齿，是在最不利的正，负交替对称变化的弯曲应力状态下工作，而后者是在较为有利的单向循环弯曲应力状态下工作，并使倒挡传动比略有增加。图2.2为常见的倒挡布置方案。图2.2b所示方案的优点是换倒挡时利用了中间轴上的一挡齿轮，因而缩短了中间轴的长度。但换挡时有两对齿轮同时进入啮合，使换挡困难。图2.2c所示方案能获得较大的倒挡传动比，缺点是换挡程序不合理。图2.2d所示方案针对前者的缺点做了修改，因而取代了图2.2c所示方案。图2.2e所示方案是将中间轴上的一，倒挡齿轮做成一体，将其齿宽加长。图2.2f所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换挡更为轻便。为了充分利用空间，缩短变速器轴向长度，有的货车倒挡传动采用图2.2g所示方案。其缺点是一，倒挡须各用一根变速器拨叉轴，致使变速器上盖中的操纵机构复杂一些。因为变速器在一挡和倒挡工作时有较大的力，所以无论是两轴式变速器还是中间轴式变速器的低档与倒挡，都应当布置在在靠近轴的支承处，以减少轴的变形，保证齿轮重合度下降不多，然后按照从低挡到高挡顺序布置各挡齿轮，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。倒挡的传动比虽然与一挡的传动比接近，但因为使用倒挡的时间非常短，从这点出发有些方案将一挡布置在靠近轴的支承处，然后再 图2.2 倒挡布置方案图2.3 倒挡轴位置与受力分析布置倒挡。此时在倒挡工作时，齿轮磨损与噪声在短时间内略有增加，与此同时在一挡工作时齿轮的磨损与噪声有所减少。除此以外，倒挡的中间齿轮位于变速器的左侧或右侧对倒挡轴的受力状况有影响，如图2.3所示。2.3.3 其他问题 经常使用的挡位，其齿轮因接触应力过高而造成表面电蚀损坏。将高挡布置在靠近轴的支承中部区域较为合理，在该区因轴的变形而引起的齿轮偏转角较小，齿轮保持较好的啮合状态，偏载减少能提高齿轮寿命。某些汽车变速器有仅在好路或空车行驶时才使用的超速挡。使用传动比小于1（为0.70.8）的超速挡，能够充分地利用发动机功率，使汽车行驶1km所需发动机曲轴的总转速降低，因而有助于减少发动机磨损和降低燃料消耗。但是与直接挡比较，使用超速挡会使传动效率降低，噪声增大。机械式变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力时处于工作状态的齿轮对数，每分钟转速，传递的功率，润滑系统的有效性，齿轮和壳体等零件的制造精度等。 2.4 齿轮形式与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，工作时噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力。变速器中的常啮合齿轮均采用斜齿圆柱齿轮，尽管这样会使常啮合齿轮数增加，并导致变速器的转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒挡。我的设计中一挡和倒挡用的是直齿轮，其他挡都是斜齿轮。2.5换挡机构形式变速器换挡机构有直齿滑动齿轮，啮合套和同步器换挡三种形式。汽车行驶时各挡齿轮有不同的角速度，因此用轴向滑动直齿齿轮的方式换挡，会在轮齿端面产生冲击，并伴随有噪声。这使齿轮端部磨损加剧并过早损坏，同时使驾驶员精神紧张，而换挡产生的噪声又使乘坐舒适性降低。只有驾驶员用熟练的操作技术（如两脚离合器），时齿轮换挡时无冲击，才能克服上述缺点。但是该瞬间驾驶员注意力被分散，会影响行驶安全性。因此，尽管这种换挡方式结构简单，但除一挡，倒挡外已很少使用。由于变速器第二轴齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态，所以可用移动啮合套换挡。这时，因同时承受换挡冲击载荷的接合齿齿数多。而轮齿又不参与换挡，它们都不会过早损坏，但不能消除换挡冲击，所以仍要求驾驶员有熟练的操作技术。此外，因增设了啮合套和常啮合齿轮，使变速器旋转部分的总惯性矩增大。因此，目前这种换挡方法只在某些要求不高的挡位及重型货车变速器上应用。这是因为重型货车挡位间的公比较小，则换挡机构连件之间的角速度差也小，因此采用啮合套换挡，并且还能降低制造成本及减小变速器长度。使用同步器能保证迅速、无冲击、无噪声换挡，而与操作技术的熟练程度无关，从而提高了汽车的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种换挡方法比较，虽然它有机构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。使用同步器或啮合套换挡，其换挡行程要比滑动齿轮换挡行程小。在滑动齿轮特别宽的情况下，这种差别就更为明显。为了操纵方便，换入不同挡位的变速杆行程要求尽可能一样。自动脱挡是变速器的主要故障之一。为解决这个问题，除工艺上采取措施外，目前在结构上采取措施比较有效的方案有以下几种：互锁装置是保证移动某一变速叉轴时，其它变速叉轴互被锁住，该机构的作用是防止同时挂入两档，而使挂档出现重大故障。常见的互锁机构有：（1）互锁销式图2.4是汽车上用得最广泛的一种机构，互锁销和顶销装在变速叉轴之间，用销子的长度和凹槽来保证互锁。图2.4，a为空档位置，此时任一叉轴可自由移动。图2.4，b、c、d为某一叉轴在工作位置，而其它叉轴被锁住。图2.4 互锁销式互锁机构（2）摆动锁块式图2.5为摆动锁块式互锁机构工作示意图，锁块用同心轴螺钉安装在壳体上，并可绕螺钉轴线自由转动，操纵杆的拨头置于锁块槽内，此时，锁块的一个或两个突起部分A档住其它两个变速叉轴槽，保证换档时不能同时挂入两档。（3）转动钳口式图2.6为与上述锁块机构原理相似的转动钳口式互锁装置。操纵杆拨头置于钳口中，钳形板可绕A轴转动。选档时操纵杆转动钳形板选入某一变速叉轴槽内，此时钳形板的一个或两个钳爪抓住其它两个变速叉，保证互锁作用。操纵机构还应设有保证不能误挂倒档的机构。通常是在倒档叉或叉头上装有弹簧机构，使司机在换档时因有弹簧力作用，产生明显的手感。锁止机构还包括自锁、倒档锁两个机构。自锁机构的作用是将滑杆锁定在一定位置，保证齿轮全齿长参加啮合，并防止自动脱档和挂档。自锁机构有球形锁定机构与杆形锁定机构两种类型。倒档锁的作用是使驾驶员必须对变速杆施加更大的力，方能挂入倒档，起到提醒注意的作用，以防误挂倒档，造成安全事故。本次设计锁定机构采用自锁、互锁、倒档锁装置。采用自锁钢球来实现自锁，通过互锁销实现互锁。倒档锁采用限位弹簧来实现，使驾驶员有感觉，防止误挂倒档。2.6变速器轴承变速器轴承常采用圆柱滚子轴承，球轴承，滚针轴承，圆锥滚子轴承，滑动轴套等。至于何处应当采用何种轴承，是受结构限制并随所承受的载荷特点不同而不同。图2.5 摆动锁块式互锁机构 图2. 6转动钳口式互锁机构汽车变速器结构紧凑，尺寸小，采用尺寸大些的轴承结构受限制，常在布置上有困难。如变速器的第二轴前端支承在第一轴常啮合齿轮的内腔中，内腔尺寸足够时可布置圆柱滚子轴承，若空间不足则采用滚针轴承。变速器第一轴前端支承在飞轮的内腔里，因有足够大的空间长采用球轴承来承受向力。作用在第一轴常啮合齿轮上的轴向力，经第一轴后部轴承传给变速器壳体，此处常用轴承外圈有挡圈的球轴承。第二轴后端常采用球轴承，以轴向力和径向力。中间轴上齿轮工作时产生的轴向力，原则上由前或后轴承来承受都可以，但当在壳体前端面布置轴承盖有困难的时候，必须由后端轴承承受轴向力，前端采用圆柱滚子轴承来承受径向力。变速器中采用圆锥滚子轴承虽然有直径小，宽度较宽因而容量大，可承受高负荷等优点，但也有需要调整预紧，装配麻烦，磨损后轴易歪斜而影响齿轮正确啮合的缺点。变速器第一轴，第二轴的后部轴承以及中间轴前，后轴承，按直径系列一般选用中系列球轴承或圆柱滚子轴承。轴承的直径根据变速器中心距确定，并要保证壳体后壁两轴承孔之间的距离不小于620mm，下限适用于轻型车和轿车。滚针轴承，滑动轴套主要用在齿轮与轴不是固定连接，并要求两者有相对运动的地方。滚针轴承有滚动摩擦损失小，传动效率高，径向配合间隙小，定位及运转精度高，有利于齿轮啮合等优点。滑动轴套的径向配合间隙大，易磨损，间隙增大后影响齿轮的定位和运转精度并使工作噪声增加。滑动轴套的优点是制造容易，成本低。在本次设计中由于工作条件的需要主要选用了圆锥滚子轴承、深沟球轴承和滚针轴承。2.7 本章小结 本章首先先确定了设计变速器所需的汽车主要参数以及设计变速器所应满足的基本要求，对自己的设计也有了一定的规范。然后又对变速器的传动机构和档位的布置形式的进行了简单的介绍，分析了各个传动方案的优缺点，选取了合理高效的的传动方案和一些在设计变速器时常遇的问题，为后面齿轮和轴的计算打下了良好的基础。最后对齿轮的形式做了介绍和优缺点的比较，通过以上比较合理的选择齿轮形式。分析了几种换挡形式，和容易出现的问题，并提供了相关的解决方法，最后很据轴的工作条件和工作状态，对轴承也形式也做了选择。第3章 变速器设计和计算3.1 挡数增加变速器的挡数能改善汽车的动力性和经济性。挡数越多，变速器的结构越复杂，并且是尺寸轮廓和质量加大。同时操纵机构复杂，而且在使用时换挡频率也增高。在最低挡传动比不变的条件下，增加变速器的当属会是变速器相邻的低挡与高挡之间传动比比值减小，是换挡工作容易进行。要求相邻挡位之间的传动比比值在1.8以下,该制约小换挡工作越容易进行。要求高挡区相邻挡位之间的传动比比值要比低挡区相邻挡位之间的传动比比值小。近年来为了降低油耗，变速器的挡数有增加的趋势。目前轿车一般用45个挡位， （3.15）此外，从抵消或减少中间轴上的轴向力出发，还必须满足下列关系式： （3.16）联解上述三式，采用试凑法，当螺旋角为时，解（3.14）、（3.15）得：求得二挡齿轮齿数为 ： 代入上式近似满足轴向力平衡 凑配中心距 所以需变位 = =0.387 参数 分度圆直径 =77.65mm 节圆直径 = 60.25mm (u=1.39) 齿顶高 =1.793mm 齿根高 =0.21mm 全齿高 =5.607mm 齿顶圆直径 =88.408mm 齿根圆直径 =77.23mm参数 分度圆直径 =55.90mm 节圆直径 = u=83.75 (u=1.39) 齿顶高 =5.466mm 齿根高 =0.15mm 全齿高 =5.607mm 齿顶圆直径 =66.778mm 齿根圆直径 =55.6mm 图3.3选择变位系数线路图同理：三挡齿轮齿数 时近似满足轴向力平衡关系 凑配中心距 所以需变位 = 1.5923 =0.2923 参数 分度圆直径 =63.457mm 节圆直径 = 77mm (u=0.87) 齿顶高 =4.51mm 齿根高 =1.362mm 全齿高 =5.87mm 齿顶圆直径 =69.20mm 齿根圆直径 =60.733mm 参数 分度圆直径 =72.98mm 节圆直径 =u=66.99mm (u=0.87) 齿顶高 =4.51mm 齿根高 =1.362mm 全齿高 =5.87mm 齿顶圆直径 =82.00mm 齿根圆直径 =70.256mm 四挡齿轮齿数 时近似满足轴向力平衡关系 凑配中心距 所以需变位 = 1.157 =0.157 参数 分度圆直径 =48.76mm 节圆直径 = 93.51mm (u=0.54) 齿顶高 =4.239mm 齿根高 =2.04mm 全齿高 =6.279mm 齿顶圆直径 =57.238mm 齿根圆直径 =44.68mm 参数 分度圆直径 =91.03mm 节圆直径 = 50.49mm (u=0.54) 齿顶高 =4.239mm 齿根高 =2.04mm 全齿高 =6.279mm 齿顶圆直径 =99.51mm 齿根圆直径 =86.95mm3.5.5 确定倒挡齿轮齿数及变位系数倒档齿轮选用的模数往往与一档相近，倒档齿轮的齿数一般在23之间初选 计算中间轴与倒档轴的中心距 设有中心距 圆整后取为保证倒档齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮11和12的齿顶圆之间应保持有0.5mm以上的间隙，故取满足输入轴与中间轴距离假设当齿轮11和齿轮12啮合时中心距：=70A且mm凑配中心距 所以需变位 = =0.0128 =-0.6472参数 分度圆直径 d=m=96mm 节圆直径 =98.03 mm (u=0.469) 齿顶高 =4.97mm 齿根高 =3.72mm 全齿高 =8.69mm 齿顶圆直径 =105.94mm 齿根圆直径 =88.56mm参数 分度圆直径 d=m=45mm 节圆直径 =45.98 mm (u=0.469) 齿顶高 =4.95mm 齿根高 =3.74mm 全齿高 =8.69mm 齿顶圆直径 =54.9mm 齿根圆直径 =37.52mm3.6 本章小结本章对变速器的档数、传动比的范围进行了介绍并根据自身设计选择了所涉及变速器的档数，结合相应的汽车参数计算出传动比的范围，对变速器齿轮的参数也做了合理的选择，并计算了各档的齿数分配情况，对中心距也做了重新的修正。第4章 变速器的校核4.1 齿轮的损坏形式齿轮的损坏形式分三种：轮齿折断，齿面疲劳剥落，移动换挡齿轮端部破坏。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挡的抵挡和倒挡齿轮，由于换挡时两个进入啮合的齿轮存在角速度差，换挡瞬间在齿轮端部产生冲击载荷，并造成损坏。4.2 齿轮强度计算与其他机械行业相比，不同用途汽车的变速器齿轮使用条间仍是相似的。此外，汽车变速器齿轮用的材料，热处理方法，加工方法，精度级别，支承方式也基本一致。如汽车变速器齿轮用低碳合金钢制作，采用剃齿和磨齿精加工 ，齿轮表面采用渗碳淬火热处理工艺，齿轮精度为JB17983，6级 和7级。因此，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。下面介绍的是计算汽车变速器齿轮强度用的简化计算公式。4.2.1 齿轮弯曲强度计算1） 直齿轮弯曲应力 （4.1）式中，为弯曲应力；为圆周力，；为计算载荷；d为节圆直径；为应力集中系数，可近似取=1.65；为摩擦力影响系数，主、从动齿轮在啮合点上的摩擦力方向不同，对弯曲应力的影响也不同：主动齿轮=1.1，从动齿轮=0.9；b为齿宽；t为端面齿距，m为模数；y为齿形系数，如图6-1所示。因为齿轮节圆直径d=，z为齿数，带入式（4-1）得 （4.2）一挡从动齿轮 一挡主动齿轮 倒挡直齿轮作用弯曲应力在400850N/mm故直齿轮弯曲应力均符合要求2） 斜齿轮弯曲应力 （4.3）式中，为圆周力，；为计算载荷；d为节圆直径， ，为法向模数；z为齿数；为斜齿轮螺旋角；为应力集中系数，=1.50；b为齿面宽；t为法向齿距，；y为齿形系数，可按当量齿数在图6-1中查得；为重合度影响系数，=2.0。 将上述有关参数代入式（4.3），整理后得斜齿轮弯曲应力为 （4.4）四挡齿轮弯曲应力主动齿轮从动齿轮当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转矩时，对乘用车常啮合齿轮和高挡齿轮，许用应力在180250范围。 符合要求。图4.1 齿形系数图（假定载荷作用在齿顶，）4.2.2轮齿接触应力计算轮齿接触应力=0.418 （4.5）式中，为轮齿的接触应力；F为齿面上的法向力， ；为圆周力，；为计算载荷；d为节圆直径；为节点处压力角，为齿轮螺旋角；E为齿轮材料的弹性模量；b为齿轮接触的实际宽度； 、为主、从动齿轮节点处的曲率半径，直齿轮 、，斜齿轮 ， ； 、为主、从动齿轮节圆半径。一挡齿轮接触应力=0.418 =1249.9四挡齿轮接触应力=0.418 =713.7 校核都在范围之内，符合要求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表4.1。表4.1 变速器齿轮许用接触应力齿 轮渗碳齿轮液体碳氮共渗齿轮一挡和倒挡1900-2000950-1000常啮合齿轮和高挡1300-1400650-700变速器齿轮多数采用渗碳合金钢，其表层的高硬度与芯部的高韧性相结合，能大大提高齿轮的耐磨性及抗弯取疲劳和接触疲劳的能力。在选用钢材及热处理时，对切削加工性能及成本也应考虑。值得指出的是，对齿轮进行强力喷丸处理以后，齿轮弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命都能提高。齿轮在热处理之后进行磨齿，能消除齿轮热处理的变形；磨齿齿轮精度高于热处理前剃齿和挤齿齿轮精度，使得传动平稳、效率提高；在同样负荷的条件下，磨齿的弯曲疲劳寿命比剃齿的要高。国内汽车变速器齿轮材料主要用20CrMnTi、20Mn2TiB、16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5。渗碳齿轮表面硬度为5863HRC，芯部硬度为3348HRC。4.3 轴的结构尺寸设计变速器轴在工作时承受转矩、弯矩，因此应具备足够的强度和刚度。轴的刚度不足，在负荷的作用下，轴会产生过大的变形，影响齿轮的经常啮合，产生过大的噪声，并会降低齿轮的使用寿命。设计变速器时主要考虑的问题有： 轴的结构形状、轴的直径、长度、轴的强度和刚度等。在已知两轴式变速器中心距时，轴的最大直径和支承距离的比值可在以下范围内选取：对输入轴，=0.160.18；对输出轴，0.180.21。输入轴花键部分直径（mm）可按下式初选取： （4. 6）式中 经验系数，=4.04.6；发动机最大转矩（N.m）。输入轴花键部分直径为=23.7827.34mm初选输入、输出轴支承之间的长度=310mm。按扭转强度条件确定轴的最小直径为 （4. 7）式中 d轴的最小直径（mm）；轴的许用剪应力（MPa）；P发动机的最大功率（kw）；n发动机的转速（r/min）。得：mm所以，选择轴的最小直径为21mm4.4 轴的强度验算4.4.1 轴的刚度的计算对齿轮工作影响最大的是轴在垂直面内产生的挠度和轴在水平面内的转角。前者使齿轮中心距发生变化，破坏了齿轮的正确啮合；后者使齿轮相互歪斜，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。轴的挠度和转角如图4.2所示，若轴在垂直面内挠度为，在水平面内挠度为和转角为，可分别用下式计算：图4.2 变速器轴的挠度和转角 （4.8） （4.9） （4.10）式中 齿轮齿宽中间平面上的径向力（N）；齿轮齿宽中间平面上的圆周力（N）；弹性模量（MPa），=2.1105 MPa；惯性矩（mm4），对于实心轴，；轴的直径（mm），花键处按平均直径计算；、齿轮上的作用力距支座A、B的距离（mm）； 支座间的距离（mm）。轴的全挠度为mm。轴在垂直面和水平面内挠度的允许值为=0.050.10mm，=0.100.15mm。齿轮所在平面的转角不应超过0.002rad。1、 计算变速器上个齿轮的圆周力、切向力、轴向力一轴：二轴：中间轴： 2、 变速器输入轴的刚度计算（1）一档工作时的计算 已知：a=248mm；b=22mm；L=270mm；d=32mm，则有mmmmmm（2）二档工作时的计算已知：a=99mm；b=114.5mm；L=214mm；d=46mm，则有mmmmmm（3）三档工作时的计算已知a=77mm；b=136.5mm；L=214mm；d=42mm，则有=mmmmmm由于四、五档距离支撑处只有20mm左右，而且受力相对于其它各档的受力比较小，所以其挠度和转角相对于一、二、档可以忽略。3、 变速器输出轴的刚度计算（1）一档工作时的计算 已知：a=61mm；b=162mm；L=223mm；d=40mm，则有mmmmmm（2）二档工作时的计算已知：a=184mm；b=86mm；L=270mm；d=40mm，则有mm mm（3）三档工作时的计算已知a=110mm；b=160mm；L=270mm；d=35mm，则有=mmmmmm由于四、五档距离支撑处只有20mm左右，而且受力相对于其它各档的受力比较小，所以其挠度和转角相对于一、二、档可以忽略。4.4.2 轴的强度的计算1、 中间轴校核 发动机转矩T=108 N.m 中间轴转矩T=108 圆周力N 径向力N 轴向力N （1）绘制轴受力简图（图a) （2）绘制垂直面弯矩图（图b) N N 截面C右侧弯矩N.m 截面C左侧弯矩N.m （3）绘制水平面弯矩图（图C） 轴承支反力N 截面C处的弯矩N.m （4）绘制合成弯矩图（图d） N.m N.m （5）绘制转矩图（图e) (6)绘制当量转矩图（图f) 转矩产生的扭剪应力按动脉循环变化取a=0.6截面C处的当量弯矩 N.m (7)校核危险截面C的强度 图abcdef2，输出轴的校核输出轴转矩T=N.mNN(1) 绘制轴受力简图（图a)(2) 绘制垂直面弯矩图（图b）轴承支反力NN截面C右侧弯矩N.m截面C左面侧弯矩N.m（3） 绘制水平弯矩图（c）轴承支反力N截面C处的弯矩N.m（4）绘制合成弯矩图（图d） N.m N.m（5）绘制转矩图（图e) (6)绘制当量转矩图（图f) 转矩产生的扭剪应力按动脉循环变化取a=0.6截面C处的当量弯矩 N.m (7)校核危险截面C的强度 图abcdef4.5轴承寿命计算轴承的使用寿命可按汽车以平均速度行驶至大修前的总行驶里程S来计算，对于汽车轴承寿命的要求是轿车30万公里，货车和大客车25万公里。 （5.19）其中，h。初选轴承型号根据机械设计手册选择30305型号轴承KN，KN；30306型号轴承KN，KN1、变速器一档工作时N，N轴承的径向载荷 =1066N；N查机械设计手册得，Y=1.6。 NNN所以轴承内部轴向力NN计算轴承当量动载荷查机械设计手册得到，查机械设计手册得到，查机械设计手册得到。当量动载荷式中 支反力。NN查表4.1可得到该档的使用率，所以h h所以轴承寿命满足要求。h2、变速器四档工作时NN表4.1 变速器各档的相对工作时间或使用率车型档位数最高档传动比变速器档位货车4113754114605113167551136420611281570611287015810.510.51015N轴承的径向载荷：=198N；N轴承内部轴向力： 查机械设计手册得：Y=2NN所以NN计算轴承当量动载荷，查机械设计手册得到。当量动载荷NN查表4.1可得到该档的使用率，于是h所以轴承寿命满足要求。4.6 本章小结本章首先讨论了齿轮的损坏形式，并对齿轮强度的计算进行了介绍，对所涉及齿轮的强度进行的刚度校核和强度校核，最后对轴的尺寸进行了计算，并对其进行了刚度和强度的验算。第5章 同步器的计算同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种。常压式同步器结构虽然简单，但有不能保证啮合件在同步状态下(即角速度相等)换挡的缺点，现已不用。得到广泛应用的是惯性式同步器。惯性式同步器中有锁销式、锁环式、滑块式、多片式、和多锥式几种。5.1 锁销式同步器5.1.1 锁销式同步器结构图5.1所示锁销式同步器的摩擦元件是同步环2和齿轮3上的凸肩部分，分别在它们的内圈和外圈设计有相互接触的锥形摩擦面。锁止元件位于滑动齿套1的圆盘部分孔中做出的锥形肩角和装在上述孔中、在中部位置处有相同角度的斜面锁销4。锁销与同步环2刚性连接。弹性元件是位于滑动齿套1圆盘部分径向孔中的弹簧7。在空挡位置，钢球5在弹簧压力作用下处在销6的凹槽中，使之保持滑动齿套与同步环之间没有相对的移动。在惯性式同步器中，弹性元件的重要性仅次于摩擦元件和锁止元件，它用来使有关部分保持在中立位置的同时，又不妨碍锁止、解除锁止和完成换挡的进行。5.1.2 锁销式同步器工作原理同步器换挡过程由三个阶段组成。第一阶段，同步器离开中间位置，作轴向移动并靠在摩擦面上。摩擦面相互接触瞬间，如图5.1所示，由于齿轮3的角速度和滑动齿套1的角速度不同，在摩擦力矩作用下琐销4相对滑动齿套1转动一个不大的角度，并占据图上所示的锁止位置。此时锁止面接触，阻止了滑动齿套向换挡方向移动。第二阶段，来自手柄传至换挡拨叉并作用在滑动齿套上的力F，经过锁止元件又作用到摩擦面上。由于和不等，在上述表面产生摩擦力。滑动齿套1和齿轮3分别与整车和变速器输入轴转动零件相连。于是，在摩擦力矩作用下，滑动齿套1和齿轮3的转速逐渐接近，其角速度差=|-|减小了。在=0瞬间同步过程结束。第三阶段，=0，摩擦力矩消失，而轴向力F仍作用在锁止元件上，使之解除锁止状态，此时滑动齿套和锁削上的斜面相对移动，从而使滑动齿套占据了换挡位置。锁销式同步器的优点是零件数量少，摩擦锥面平均半径较大，使转矩容量增加。这种同步器轴向尺寸长是它的缺点。锁销式同步器多用于中、重型货车的变速器中。1-滑动齿套 2-同步环 3-齿轮 4-锁销5-钢球 6-销 7-弹簧图5.1 锁销式同步器结构方案5.2 锁环式同步器 5.2.1 锁环式同步器结构如图5.2所示，锁环式同步器的结构特点是同步器的摩擦元件位于锁环1或4和齿轮5或8凸肩部分的锥形斜面上。作为锁止元件是做在锁环1或4上的齿轮和做在啮合套7上的齿的端部，且端部均为斜面称为锁止面。弹性元件是位于啮合套座两侧的弹簧圈。弹簧圈将置于啮合套座花键上中部呈凸起状的滑块压向啮合套。在不换挡的中间位置，滑块凸起部分嵌入啮合套中部的内环槽中，使同步器用来换档的零件保持在中立位置上。滑块两端伸入锁环缺口内，而缺口的尺寸要比滑块宽一个接合齿。5.2.2 锁环式同步器工作原理 换挡时，沿轴向作用在啮合套上的换挡力，推啮合套并带动滑块和锁环移动，直至锁环锥面与被接合、齿轮上的锥面接触为止。之后，因作用在锥面上的法向力与两锥面之间存在角速度，致使在锥面上作用有摩擦力矩，它使锁环相对啮合套和滑块转过一个角度，并由滑块予以定位。接下来，啮合套的齿端与锁环齿端的锁止面接触（图5.3a）,使啮合套的移动受阻，同步器处在锁止状态，换挡的第一阶段工作至此已完成。换挡力将锁环继续压靠在锥面上，并使摩擦力矩增大，与此同时在锁止面处作用有与之方向相反的拨环力矩。