三轴四档式手动变速器设计(总56页)

三轴四档式手动变速器设计1 绪论1.1概述自1886年世界上第一辆汽车诞生以来，汽车已经历了近120年的发展。随着科学技术的日益发展，汽车的各项性能也日臻完善。现代汽车已成为世界各国国民经济和社会生活中不可缺少的交通工具。现代汽车除了装有性能优良的发动机外还应该有性能优异的传动系与之匹配才能将汽车的性能淋漓尽致的发挥出来，因此汽车变速器的设计显得尤为重要。动力传动系统是指动力装置输出的动力，经过传动系统到达驱动车轮之间的一系列部件的总称，它使汽车实现起步、变速、减速、差速、变向等功能，为汽车提供良好的动力性与燃油经济性能。其基本功能是将发动机发出的动力传给驱动车轮。动力传递的方式按结构和传动介质可分为机械式、液力机械式、静液式（容积液压式）、电力式等。传动系的组成及其在汽车上的布置形式，取决于发动机的形式和性能、汽车总体结构形式、汽车行驶系及传动系本身的结构形式等许多因素。变速器在发动机和汽车之间主要起着匹配作用，通过改变变速器的传动比，可以使发动机在最有利的工况范围内工作。变速器通常还设有到档，在不改变发动机旋转方向的情况下汽车能倒退行驶；设有空档，在滑行或停车时发动机和传动系能保持分离。变速器还应能进行动力输出。手动变速器基本上是由齿轮、轴、轴承、同步器等动力传动部件组成。变速器能使汽车以非常低的稳定车速行驶，而这种低的车速只靠内燃机的最低稳定转速是难以达到的。变速器的倒档使汽车可以倒退行驶；其空档使汽车在启动发动机、停车和滑行时能长时间将发动机与传动系分离。变速器由变速器传动机构和操纵机构组成。根据需要，还可以加装动力输出器。按传动比变化方式，变速器可以分为有级式、无级式和综合式三种。有级式变速器应用最为广泛。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按所用轮系形式不同，有轴线固定式（普通变速器）和轴线旋转式变速器（行星齿轮变速器）两种。目前，轿车和轻、中型货车变速器的传动比通常有35个前进档和一个倒档，在重型货车用的组合变速器中，则有更多档位。所谓变速器档数即指其前进档位数。无级式变速器的传动比在一定的数值范围内可按无限多级变化，常见的有电力式和液力式（动液式）两种。电力式无级变速器的变速传动部件为直流串激电动机，除在无轨电车上应用外，在超重型自卸车传动系中也有广泛采用的趋势。动液式无级变速器的传动部件是液力变矩器。综合式变速器是指由液力变矩器和齿轮式有级变速器组成的液力机械式变速器，其传动比可在最大值与最小值之间的几个间断的范围内作无级变化，目前应用较多。强制操纵式变速器靠驾驶员直接操纵变速杆换挡，为大多数汽车所采用。半自动操纵式变速器有两种型式。一种是常用的几个档位自动操纵，其余档位则由驾驶员操纵；另一种是预选式，即驾驶员预先用按钮选定档位，在踩下离合器踏板或松开加速踏板时，接通一个电磁装置或液压装置来进行换档。在多轴驱动汽车上，变速器之后还装有分动器，以便把转矩分别输送给各驱动桥。除此之外，变速器还应当满足拆装容易和维修方便等要求。变速器由变速器传动机构和操纵机构组成。变速传动机构可按前进档数或轴的形式不同分类。具体分类如下：变 速 器三档变速器四档变速器五档变速器多档变速器固定轴式旋转轴式多中间轴式双中间轴式中间轴式两轴式变速器的结构对汽车的动力性、燃油经济性、换档操纵的可靠性与轻便性，传动的平稳性与效率性等都有直的影响。采用优化设计方法对变速器与主减速器，以及发动机的参数作优化匹配，可得到良好的动力性与燃油经济性；采用自锁及互锁装置、倒档安全装置，对接合齿采取倒锥齿侧（或越程咬合、错位接合、齿厚减薄、台阶齿侧）等措施，以及其它结构措施，可使操纵可靠，不跳档、乱档、自行脱档和误挂倒档；采用同步器可使换档轻便、无冲击及噪声；采用高齿、修形及参数优化等措施可使齿轮传动平稳、噪声低。降低噪声水平已成为提高变速器质量和设计、工艺水平的关键。随着汽车技术的发展，增力式同步器，双及三中间轴变速器，后置常啮合传动齿轮、短第二轴的变速器，各种自动、半自动以及电子控制的自动换档机构等新结构也相继问世。变速器多采用飞溅润滑，重型汽车有时强制润滑第一、二轴等。变速器都装有单向的通气阀，以防壳内空气热胀而漏油及润滑油氧化。壳底的放油塞多置磁铁，以吸附油中铁屑。涉水车需有防水措施。变速器的设计系列按输出转矩分级，供各种车型选用，也可根据具体车型的使用寿命要求进行设计。可根据同类型在典型路段上实测的随机载荷，用统计分析法组成载荷谱，进行变速器的疲劳寿命计算。这种可靠性设计方法比较符合实际，如果再以油画设计方法选择有关设计参数作最佳匹配，则可得到以最小零部件尺寸满足设计所要求的寿命和性能的设计方案。有时亦可辅以有限元分析。为保证变速器具有良好的工作性能，对变速器应提出如下的设计要求。(1) 正确地选择变速器的档位数和传动比，并使之与发动机参数及主减速比作优化匹配，以保证汽车具有良好的动力性与燃料经济性。(2) 设置空挡，以保证汽车在必要时能将发动机与传动系长时间分离；使汽车可以倒退行驶。(3) 体积小、质量小、承载能力强、使用寿命长、工作可靠。(4) 操纵简单、准确、轻便、迅速。(5) 传动效率高、工作平稳、无噪声或低噪声。(6) 制造工艺性好、造价低廉、维修方便。(7) 贯彻零件标准化、部件通用化和变速器总成系列化等设计要求，遵守有关标准和法规。(8) 需要时应设置动力输出装置。1.2 国内外发展趋势 回顾变速器技术的发展可以清楚的知道，变速器作为汽车传动系统的重要组成部分，其技术的发展，是衡量汽车技术水平的一项重要依据。21世纪能源与环境、先进制造技术、新型材料技术、信息与控制技术等是科学技术发展的重要领域，这些领域的科技进步推动了变速器技术的发展。变速器技术的发展动向如下：（1）节能与环境保护。表示且的节能与环境保护既包括传动系统本身的节能与环境保护，也包括发动机本身的节能与环境保护。因此研究高效率的传动副来节约能源，采用零污染的工作介质或润滑油来避免环境污染，根据发动机的特性和形式工况来设计变速器，提高传动效率和最低污染物排放区运行等措施。（2）应用新型材料。材料科学与技术是21世纪重点发展的科学技术领域。各种新型材料在变速器中的应用已经推动了汽车技术的发展和性能的提高。（3）高性能、低成本、微型化。高性能、高效、精密、低噪声、长寿命、重量轻、体积小、低成本一直以来是变速器的发展方向。2 变速器机构方案的确定2.1 传动机构布置方案分析本设计应用在现今使用广泛的发动机前置、后轮驱动的42总体布置方案，发动机发出的动力依次经过离合器、变速器、万向传动装置（万向节和传动轴）、主减速器、差速器、半轴，传到驱动轮，如图2.1所示1.离合器； 2.变速器； 3.万向传动装置； 4.驱动桥图2.1 发动机前置后轮驱动汽车传动系变速器由变速传动机构和操纵机构组成。根据前进档数的不同，变速器有三、四、五和多档几种。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、三轴式和多中间轴式变速器。2.1.1 固定轴式变速器（1）两轴式变速器 固定轴式中的两轴式和中间轴式变速器应用广泛。其中两轴式变速器多用于发动机前置前轮驱动汽车上。与中间轴式变速器比较，两轴式变速器因轴承数少，所以有结构简单、轮廓尺寸小和容易布置等优点，此外，各中间档位因只经一对齿轮传递动力，故传动效率高同时噪声也低。因两轴式变速器不能设置直接档，所以在高档工作时齿轮和轴承均承载，不仅工作噪声增大，而且易损坏。还有，受结构限制，两轴式变速器的一档速比不可能设计得很大。对于前进档，两轴式变速器输入轴的转动方向与输出轴的转动方向相反；而中间轴式变速器的第一轴与输出轴的转动方向相同。本设计主要针对的是一吨级货车或旅行车，所以两轴式变速器不适用于本设计。（2）中间轴式变速器 中间轴式变速器多用于发动机前置后轮驱动汽车和发动机后置后轮驱动的客车上。变速器第一轴的前端经轴承支承在发动机飞轮上，第一轴上的花键用来装设离合器的从动盘，而第二轴的末端经花键与万向节连接。各传动方案的共同特点是：变速器的第一轴后端与常啮合主动齿轮做成一体。绝大多数方案的第二轴前端经轴承支承在第一轴后端的孔内，且保持两轴轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接后可得到直接档。是直接档，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。因为直接档的利用率要高于其它档位，因而提高了变速器的使用寿命；在其它前进档位工作时，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）不太大的条件下，一档仍然有较大的传动比；档位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，档位低的齿轮（一档）可以采用或不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一档外的其它档位换档机构，均采用同步器或啮合套换档，少数结构的一档也采用同步器或啮合齿套换档，还有各档同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。在除直接档以外的其它档位工作时，中间轴式变速器的传动效率略有降低，这是它的缺点。在档数相同的条件下，各中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数、轴的支承方式、换档方式和倒档传动方案以及档位布置顺序上有差别。由于本设计针对的是轻型汽车，中间轴式五档和六档变速器体积和质量显得过于庞大，而且传动比大不适用于本设计，因此，选用中间轴式三轴四档变速器设计方案。凡采用常啮合齿轮传动的档位，其换档方式可以用同步器或啮合套来实现。同一变速器中，有的档位用同步器换档，有的档位用啮合套换档，那么一定是档位高的用同步器换档，档位低的用啮合套换档。发动机前置后轮驱动的乘用车采用中间轴式变速器，为缩短传动轴长度，将第二轴加长，置于附加的壳体内。如果在附加壳体内布置倒档传动齿轮和换档机构，还能减小变速器主体部分的外形尺寸及提高中间轴和输出轴的刚度。因此，这种方案比较适合本设计，但需要加以改进。2.1.2 倒档布置方案与前进档位比较，倒档使用率不高，而且都是在停车状态下实现倒档，故多次数方案均采用直齿滑动齿轮方式换倒档。为实现倒档传动，有些方案利用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；也有利用两个联体齿轮方案的。前者虽然结构简单，但是中间传动齿轮的轮齿是在最不利的正、负交替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，并使倒档传动比略有增加。也有少数变速器采用结构复杂和使成本增加的啮合套或同步器方案换入倒档。(d)图2.2 倒档布置方案(c)(b)(a) 图2.2为常见的倒档布置方案。图2.2(a)所示方案的优点是换倒档时利用了中间轴上的一档齿轮，因而缩短了中间轴的长度；但换档时要求有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难。图2.2(b)所示方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理。图2.2(c)所示方案是将中间轴上的一、倒档齿轮做成一体，将其齿宽加长。图2.2(d)所示方案适用于全部齿轮副均为常啮合的齿轮，换档更为轻便。综上所述，方案(c)较为适合本设计变速器的一档或倒档因传动比大，工作时在齿轮上作用的力增大，并导致变速器轴产生较大的挠度和转角，使工作齿轮啮合状态变坏，最终表现出齿轮磨损加快和工作噪声增加。为此，无论是两轴式变速器还是中间轴式变速器的一档与倒档，都应当布置在靠近轴的支承处，以便改善上述不良状况，然后按照从抵档到高档的顺序布置各档齿轮，这样做既能使轴有足够大的刚性，又能保证容易装配。倒档的传动比虽然与一档的传动比接近，但因为使用倒档的时间非常短，从这点出发有些方案将一档布置在靠近轴的支承处，然后再布置倒档。此时在倒档工作时，轮齿磨损与噪声在短时间内略有增加，而在一档工作时轮齿的磨损与噪声有所减少。倒档设置在变速器的左侧或右侧，在结构上均能实现，不同之处是挂倒档时驾驶员移动变速杆的方向改变了。为防止意外挂入倒档，一般在挂倒档时设有一个挂倒档时需克服弹簧所产生的力，用来提醒驾驶员注意。从这一点来考虑，图2.3(a)、(b)的换档方案比图2.3(c)的方案更合理。图2.3(c)所示方案在挂一档时也需克服用来防止误挂倒档所产生的力，这对换档不熟练的驾驶员是不利的。除此之外，倒档的中间齿轮位于变速器的左侧或右侧对倒档轴的受力情况有影响。 图2.3 变速杆换档位置与顺序(c)(b)(a)2.1.3其它问题常用档位的齿轮因接触应力过高而易造成表面点蚀损坏。将高档布置在靠近轴的两端支承中部区域较为合理，在该区域因轴的变形而引起的齿轮偏转角较小，齿轮可保持较好的啮合状态，以减少偏载并提高、齿轮寿命。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。图2.4 四档变速器结构方案图2.4为中间轴式四档变速器结构简图。其结构特点是：前进档全部采用常啮合齿轮传动，用同步器换档，同步器装在第二轴上；本设计就是选择的这种方案并在其基础上进行局部改进优化设计的。2.2零、部件结构方案分析2.2.1齿轮形式变速器用齿轮有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两种。与直齿圆柱齿轮比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长、运转平稳、工作噪声低等优点；缺点是制造时稍复杂，工作时有轴向力，这对轴承不利。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，并导变速器的质量和转动惯量增大。直齿圆柱齿轮仅用于低档和倒档，本设计为一档和倒档采用直齿圆柱齿轮，二、三、四档常啮合齿轮采用斜齿圆柱齿轮。2.2.2换档机构形式变速器换档机构有直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换档三种形式。汽车行驶时，因变速器内各转动齿轮有不同的角速度，所以用轴向滑动直齿齿轮方式换档，会在轮齿端面产生冲击，并伴随噪声。这不仅使齿轮端部磨损加剧并过早损坏，同时使驾驶员精神紧张，而换档产生的噪声又使乘坐舒适性降低。除此之外，采用直齿滑动齿轮换档时，换档行程长也是它的缺点。因此现在已很少在轻型汽车的变速器中使用。当变速器第二轴上的齿轮与中间轴齿轮处于常啮合状态时，可以用移动啮合套换档。这时，不仅换档行程短，同时因承受换档冲击的接合齿齿数多，而轮齿又不参与换档，所以它们都不会过早损坏；但因不能消除换档冲击，仍然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力矩增大。因此，目前这种换档方法只在某些要求不高档位及重型货车变速器上应用。使用同步器能保证迅速、无冲击、无噪声换档，而与操作技术程度无关，从而提高了汽车 的加速性、燃油经济性和行驶安全性。同上述两种方法比较，虽然它有结构复杂、制造精度要求高、轴向尺寸大等缺点，但仍然得到广泛应用。本设计的全部前进档位均采用同步器换档。2.2.3自动脱档自动脱档是变速器的主要故障之一。由于接合齿磨损、变速器轴刚度不足以及振动等原因都会导致自动脱档。为解决这个问题，除工艺上采取措施以外，目前在结构上采取措施行之有效的方案有：将两接合齿的啮合齿位置错开;将啮合齿套齿座上前齿圈的齿厚切薄；将接合齿的工作面设计并加工成斜面，形成倒锥角等等一些措施可以有效防止脱档现象的发生。2.2.4变速器轴承作旋转运动的变速器轴支承在壳体或其它部位的地方以及齿轮与轴不做固定连接处应安置轴承。变速器轴承常采用圆柱辊子轴承、球轴承、滚针轴承圆锥辊子轴承、滑动轴套等。至于何处应当采用何种类型的轴承，是受结构限制并随所承受的载荷特点不同而不同的。汽车变速器结构紧凑、尺寸小的特点，采用尺寸大些的轴承受限制，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辊子轴承，若空间不足则采用滚针轴承。本设计主要针对的是轻型汽车，故内腔空间比较狭小，只能采用滚针轴承，而第二轴后端采用球轴承，用来承受轴向力和径向力。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，此处用轴承外圈有挡圈的球轴承。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，但在壳体前端面布置轴承盖有困难，必须由后端轴承承受轴向力，前端采用圆柱辊子轴承来承受径向力，而后端采用外圈有挡圈的球轴承或圆柱辊子轴承，本设计两端均采用有挡圈的球轴承。变速器第一轴、第二轴的后部轴承，以及中间轴前、后轴承，按之直径系列一般选用中系列球轴承或圆柱辊子轴承。轴承的直径根据变速器中心距确定，并要保证后壁两轴承孔之间的距离不小于620mm。滚针轴承、滑动轴承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，但为了设计的整体质量，在设计中只采用滚针轴承。3 变速器主要参数的选择变速器设计时选取的各主要参数将直接影响变速器的技术性能及与汽车发动机和其它传动系匹配，因此，选择合适的主要参数就显得尤为重要。选取汽车发动机主要是通过计算汽车的整备质量和动力特性来选取。由于发动机是生产成品，所以只要根据所设计汽车的性能选择合适的发动机即可。在选取发动机时，一般用适用性系数Q表示发动机的适应性，Q值越大，说明发动机的适应性越好。查文献1，2-1可知：式中：发动机最大转矩Nm；发动机额定功率时的转矩Nm；发动机额定功率时的转速r/min；发动机最大转矩时的转速r/min。本设计选择的发动机是一汽解放生产的CA488-1型发动机，形式为四冲程、直列、四缸、单顶置凸轮轴化油器式汽油发动机，工作容积为2.2L，发动机在4500r/min时最大功率59kW，发动机在2600r/min时的最大扭矩为196Nm。由上式可得该型发动机的适应性系数Q： =2.7143.1变速器的传动比范围、档位数及各档传动比设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及各档传动比，因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。3.1.1档数变速器的档数可在320个档位范围内变化，通常变速器的档数在6档以下。增加变速器的档数，能够改善汽车的动力性和燃油经济性以及平均车速。档数越多，变速器的结构越复杂，并且使轮廓尺寸和质量加大，同时操纵机构复杂，因此，需要设计者综合考虑设计要求来选取合适的档位。在最近档传动比不变的条件下，增加变速器的档数会使变速器相邻的低档与高档之间的传动比比值小，使换档工作容易进行，一般要求相邻档位之间的传动比值在1.8以下。近年来，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。商用车变速器采用45个档或多档。载荷质量在2.03.5吨的货车采用五档变速器，载质量在4.08.0吨的货车采用六档变速器。本设计主要应用在旅行车和一吨级轻型货车上，所以采用四档变速器。3.1.2传动比范围表3.1 变速器设计原始参数表发动机最大扭矩(2600r/min)196Nm发动机最大功率(4500r/min)59kw空载整车质量1470kg满载整车质量2470kg满载时前轴轴荷985kg满载时后轴轴荷1389kg设计最高时速最大爬坡度主减速比15105km/h6.17车轮滚动半径325mm项目参数变速器的传动比范围是指变速器最低档传动比与最高档传动比的比值。本设计最高档位是四档，传动比为1.0。影响最低档传动比的选取的因素有：发动机的最大转矩和最低稳定转速所要求的汽车最大爬坡能力、驱动轮与路面间的附着力、主减速比和驱动轮的滚动半径以及所要求达到的最低稳定行驶的车速等。目前乘用车的传动比范围在3.04.5之间，轻型商用车的传动比在3.05.5之间。本设计的一些重要技术参数见表3.1考虑到汽车在平坦硬路面上行驶时的燃油经济性，变速器的最高档位多为直接档（传动比为1）或超速档（传动比小于1）。这时汽车的动力性及燃油经济性由发动机及驱动桥减速比决定。变速器低档（一档，有时还有爬坡档）的传动比则决定了汽车的最大爬坡度。选择最低档传动比时，应根据汽车最大爬坡度、驱动车轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速，以及主减速比和驱动车轮的滚动半径等来综合考虑。 汽车爬陡坡时车速不高，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，查文献1，4-1可知： （3.1）式中：汽车总质量；重力加速度；道路最大阻力系数；驱动车轮的滚动半径；发动机最大转矩；主减速比；汽车传动系的传动效率；最大爬坡度；滚动阻力系数；变速器一档传动比。则由最大爬坡度要求的变速器一档传动比查文献1，4-4可知： （3.2） =2.0094根据驱动车轮与路面的附着条件有： （3.3）式中：汽车满载静止于水平路面时驱动桥给地面的载荷；道路的附着系数，计算时取。求得的变速器一档传动比查文献1，4-4可知： （3.4）=4.0647根据本设计要求的具体情况和上述条件可以初选一档传动比。3.1.3各档传动比变速器最高档的传动比与最低档的传动比确定以后，中间各档的传动比理论上是按公比查文献1，4-4可知： （3.5）的几何级数排列，式中为档位数（），四档传动比。=1.5639 实际上各档传动比之间的排列与几何级数排列略有出入，因齿数为整数且常用档位间的公比医小些，以便于换档。另外还要考虑与发动机参数的合理配合。因此初选各档传动比：3.2.变速器中心距A的确定 对三轴式变速器而言，其中心距系指第一、第二中心线与中间轴中心线之间的距离。变速器的中心距对其尺寸及质量的大小有直接影响，它也代表着变速器的承载能力。三轴式变速器的中心距A，可根据对已有变速器的统计数据而得出经验公式进行初选，查文献1，4-4可知： （3.6）式中： 中心距系数，轿车取K=8.99.3，货车取K=8.69.6，多档变速器取K=9.511；发动机最大转矩，Nm；变速器一档传动比；变速器的传动效率，取。本设计变速器的中心距为：=81mm3.3外型尺寸的确定变速器的横向外型尺寸，可根据齿轮直径以及倒档中间（过度）齿轮和换档机构的布置初步确定。影响变速器壳体轴向尺寸的因素有档数、换档机构形式以及齿轮形式。乘用车四档变速器壳体的轴向尺寸为(3.03.4)。商用车变速器壳体的轴向尺寸可参考下列数据选用： 四档 五档 六档当变速器选用的档数和同步器时，上述中心距应取给出范围的上限。为了检测方便，中心距最好为正数。 轴向尺寸处取 mm3.4齿轮参数3.4.1模数齿轮模数是一个重要参数，并且影响它的选取因素又很多，如齿轮的强度、质量、噪声、工艺要求等。应该指出的，选取齿轮模数时一般遵守的原则是：在变速器中心距相同的条件下，选取较小的模数，就可以增加齿轮的齿数，同时增加齿宽可使齿轮啮合的重合度增加，并减少齿轮噪声，所以为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽；为使质量小些，应该增加模数，同时减小齿宽；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；变速器低档齿轮应选用大些的模数，其它档位选用另一种模数。结合本设计的具体情况查文献2，3-3可知：一档齿轮初选=2.75mm;其它档位初选mm。3.4.2压力角齿轮压力角较小时，重合度较大并降低了齿轮的刚度，为此能减少进入啮合和退出啮合的动载荷，使传动平稳，有利于降低噪声；压力角大时，可提高轮齿的抗弯强度和表面接触强度。因此，理论上对于乘用车为加大重合度以降低噪声应取用14.5、15、1616.5等小些的压力角；对商用车为提高齿轮承载能力应选用22.5或25等大些的压力角。实际上，因国家规定的标准压力角为20，所以变速器齿轮普遍采用压力角为 20。本设计从实际出发，为满足各项技术要求和工艺性要求查文献2，3-3可知：压力角。3.4.3螺旋角斜齿轮在变速器中得到广泛用。选取斜齿轮的螺旋角，因该注意它对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力有影响。在齿轮选用大些的螺旋角时，使齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低。实验还证明：随着螺旋角的增大，齿的强度也相应提高。不过当螺旋角大于30时，其抗弯强度骤然下降，而接触强度仍继续上升。因此，从提高低档齿轮的抗弯强度出发，以1525宜；结合本设计技术要求初选螺旋角。图3.1 中间轴轴向力平衡 斜齿轮传递转矩时，要产生轴向力并作用到轴承上。设计时，应力要求使中间轴上同时作用的两对齿轮产生的轴向力平衡，以减小轴承负荷，提高轴承寿命。因此，中间轴上不同档位齿轮的螺旋角因该是不一样的。为使工艺简便，在中间轴轴向力不大时，可将螺旋角设计成一样的，或者仅取为两种螺旋角。根据图3.1可知，欲使中间轴上两个斜齿轮的轴向力平衡，需满足下述条件由于，为使两轴向力平衡，查文献2，3-3可知必须满足： （3.7）式中，、为作用在中间轴齿轮1、2上的轴向力；、为作用在中间齿轮1、2上的圆周力；、的节圆半径；为中间轴传递的转矩。斜齿轮螺旋角可在下面提供的范围内选用：乘用车变速器：两轴式变速器为2025；中间轴式变速器为2234；由公式3.7可得3.4.4齿宽在选择齿宽时，应该注意齿宽对变速器的轴向尺寸、质量、齿轮工作平稳、齿轮强度和齿轮工作时的受力均匀程度等均有影响。考虑到尽可能缩短变速器的轴向尺寸和减小质量，应该选用较小的齿宽。另一方面，齿宽减小时斜齿轮传动平稳的优点被削弱，此时虽然可以用增加齿轮螺旋角的方法给予补偿，但这时轴承承受的轴向力增大，使其寿命降低。通常根据齿轮模数的大小来选定齿宽：直齿，为齿宽系数，取为4.58.0，=6.0 mm 斜齿，取为6.08.5，=8.0mm3.5各档齿轮齿数的分配在初选中心距、齿轮模数和螺旋角以后，可根据变速器的档数、传动比和传动方案来分配各档齿轮的齿数。应该注意的是，各档齿轮的齿数比应该尽可能不是整数，以使齿面磨损均匀。图3.2为本设计传动方案结构简图。图3.2 四档变速器传动方案简图3.5.1 确定一档齿轮的齿数一档传动比，查文献2，3-3可知： （3.8）如果和的齿数确定了, 则与的传动比可求出. 为了求和的齿数, 先求其齿数合，查文献2，3-3可知：斜齿直齿 （3.9） 计算后取为整数，然后进行大、小齿轮齿数的分配。中间轴上的一档小齿轮的齿数尽可能取少些，以便使的传动比大些，在一定的条件下，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保证轮辐有足够的厚度。考虑到壳体上的第一轴轴承孔的限制和装配的可能性，该齿轮齿数又不易取多。乘用车中间轴式变速器一档传动比=3.53.8时，中间轴上一档齿数可在=1517之间选取，货车可在1217之间选用。一档大齿轮齿数用计算求得。由公式（3.9）得： 初选=17，则=59-17=42对中心距进行修正： = =81.125mm3.5.2确定常啮合齿轮副的齿数由公式（3.9）求出常啮合传动齿轮的传动比 （3.10）而常啮合传动齿轮的中心距与一档齿轮的中心距相等，查文献2，3-3可知： （3.11）解方程式（3.10）和式（3.11）求与，、都应取整数；然后计算一档传动比，最后根据所确定的轮齿数，按式（3.11）算出精确的螺旋角。联立公式（3.10）和公式（3.11）得： 解方程组解得：由公式（3.11）算出精确的螺旋角： =3.5.3确定其它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，查文献2，3-3可知： （3.12）而 （3.13）初选，由公式（3.12）和公式（3.13）得： 解方程组 解得：此外，从抵消或减少中间轴上的轴向力出发，查文献2，3-3可知，还必须满足下列关系式： （3.14）由公式（3.14）得： =1.546 =1.583由于相差不大，满足设计要求，所以不需要调整。三档齿轮是斜齿轮，螺旋角与常啮合齿轮的不同时，查文献2，3-3可知： （3.15）而 （3.16）查文献2，3-3可知：，由公式（3.15）和式（3.16）得： 解方程组 解得：此外，从抵消或减少中间轴上的轴向力出发，查文献2，3-3可知，还必须满足下列关系式： （3.17）由公式（3.17）得：=1.153 =1.157由于相差不大，满足设计要求，所以不需要调整。3.5.4确定倒档齿轮齿数倒档齿轮选用的模数往往与一档相近。图3.7所示倒档齿轮的齿数，一般在2128之间，初选=26，计算出中间轴与倒档轴的中心距，查文献2，3-3可知： （3.18）由公式（3.18）得： =59 mm为保证倒档齿轮的啮合和不产生运动干涉，齿轮8和9的齿顶圆之间保持有0.5mm以上的间隙，查文献2，3-3可知，齿轮9的齿顶圆直径应为：（3.19） 齿轮8的齿顶圆直径 =172.75 =46.75mm mm mm由公式（3.19）得 =259.125-52.25-1=65mm由可得：mm齿轮圆整至变速器倒档传动比：计算倒档轴与第二轴的中心距查文献2，3-3可知：， （3.20） =89mm确定各档齿数后重新计算各档传动比一档 二档 三档 四档 倒档 4 变速器的设计计算变速器齿轮的损坏形式主要有：轮齿折断、齿面疲劳剥落（点蚀）、移动换档齿轮端部破坏以及齿面胶合。变速器在工作时，齿轮受到较大的冲击载荷作用；一对齿轮相互啮合，齿面相互挤压造成齿面点蚀；换档瞬间在齿轮端部产生冲击载荷。 所以需要对齿轮进行计算和校荷。4.1轮齿设计计算与其它机械设备用变速器比较，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，采用剃齿或磨齿精加工，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。4.1.1齿轮弯曲强度计算 （1）一档直齿轮弯曲应力，查文献2，3-4可知： （4.1）式中： 弯曲应力（MPa）； 圆周力（N），；为计算载荷（Nmm）；为节圆直径（mm）； 应力集中系数， =1.65； 摩擦力影响系数，主动齿轮=1.1，从动齿轮=0.9； 齿宽(mm)； 端面齿距，； 齿形系数，=0.46因为齿轮节圆直径，式中为齿数，所以将上述有关参数带入式（4.1）后得 （4.2）当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转距时，一、倒档直齿轮许用弯曲应力在400800MPa, 查文献2，3-4可知，=600 MPa。由公式（4.2）得： =225.33MPa满足设计要求。（2）二档斜齿轮弯曲应力，查文献2，3-4可知： （4.3）弯曲应力（MPa）； 圆周力（N），；为计算载荷（Nmm）；为节圆直径（mm）； ； 斜齿轮螺旋角( )，=20； 应力集中系数， =1.50； 齿宽(mm)； 法向齿距，； 齿形系数，=0.47 重合度影响系数，=2.0。将上述有关参数带入公式（4.3），整理后得到斜齿轮弯曲应力为： （4.4）当计算载荷取作用到变速器第一轴上的最大转距时，斜齿轮许用弯曲应力在180350MPa, 查文献2，3-4可知， =320 MPa。由公式（4.4）得：=299.62MPa满足设计要求。4.1.2轮齿接触应力 （4.5）式中： 轮齿的接触应力（MPa）； 齿面上的法向力（N），；为圆周力； 斜齿轮螺旋角( )； 齿轮材料的弹性模量（MPa）, 齿轮接触的实际宽度(mm)； 主动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮，斜齿轮；从动齿轮节点处的曲率半径(mm)，直齿轮，斜齿轮； 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查文献2，3-4可知，见表4.1表4.1 变速器齿轮的许用接触应力(MPa)齿 轮液体碳氮共渗齿轮渗 碳 齿 轮950100019002000一档和倒档齿轮65070013001400常啮合齿轮和高档齿轮计算二轴一档直齿轮接触应力NNmmmm由公式(4.5)得：=145.73 MPa 满足设计要求。本设计变速器齿轮材料采用20CrMnTi，并进行渗碳处理，大大提高齿轮的耐磨性及抗弯曲疲劳和接触疲劳的能力。4.2轴的设计计算变速器在工作时，由于齿轮上的圆周力、径向力和轴向力作用，变速器的轴要受转矩和弯矩。要求变速器的轴应有足够的刚度和强度。因为刚度不足会产生弯曲变形，结果破坏了齿轮的正确啮合，对齿轮的强度、耐磨性和工作噪声等均有不利影响。因此，在设计变速器时，其刚度大小应以保证齿轮能有正确的啮合为前提条件。（1）初选轴的直径在已知中间轴式变速器的中心距时，第二轴和中间轴中部直径，三轴式变速器的第二轴与中间轴的最大直径可根据中心距按下式初选。 （mm）初选二轴中部直径，圆整至。（2）按弯扭合成强度条件计算计算二轴一档齿轮啮合的圆周力、径向力和轴向力。查文献2，3-4可知： （4.6） （4.7） （4.8）式中： 至计算齿轮的传动比；计算齿轮的节圆直径，mm；节点处压力角；螺旋角。图4.1 二轴结构简图因为二轴一档齿轮是直齿轮，所以，轴向力。图4.1为变速器二轴结构简图图4.2 轴的载荷分析图如图4.2所示，I截面为危险截面由公式（4.6）计算二轴一档齿轮所受圆周力为：mm=12958.06 N由公式（4.7）计算二轴一档齿轮所受径向力为：=1235.3 N垂直力计算：= 176.47N水平力计算：=1851.15NN弯矩计算：Nmm Nmm计算转矩： Nmm作用在齿轮上的和使轴在铅垂面内弯曲变形并产生垂向挠度；而使轴在水平面内弯曲变形并产生水平挠度。在求得各支点的铅垂反力和水平反力后，计算相应的垂向弯矩和水平弯矩。则在弯矩和转矩联合作用下的轴向应力为： （MPa） （4.8）式中：计算转矩，Nmm; 轴在计算断面处的直径，花键处取内径，mm；弯曲截面系数，mm；在计算断面处轴的水平弯矩，Nmm；在计算断面出轴的垂向弯矩，Nmm；许用应力，在低档工作时查文献2，3-4可知MPa.Nmm由公式（4.8）得：=139.32 MPa.对齿轮工作影响最大的是轴的垂向挠度和轴断面在水平面内的转角。前者改变了齿轮中心距并破坏了其正确啮合；后者使大、小齿轮相互歪斜，如图（4.3）所示，易导致沿齿长方向压力分布不均匀。a)轴在垂直面内的变形 b)轴在水平面内的变形图4.3 变速器轴的变形简图b)a)变速器齿轮在轴上的位置如图（4.4）所示时，若轴在垂直面内挠度为，在水平面内挠度为和转角为，查文献2，3-4可知： （4.9） （4.10） （4.11）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）,MPa;惯性矩(mm)，对于实心轴，；轴的直径，花键处按平均直径计算；、为齿轮上的作用力距支座、的距离（mm）；支座间的距离（mm）。图4.4 变速器轴的挠度和转角查文献2，3-4可知，轴的合成挠度为：mm （4.12）计算惯性矩： mm计算垂直面内挠度由公式（4.9）得：=0.00209 mm计算水平面内挠度由公式（4.10）得：=0.0254 mm计算轴的转角，由式（4.11）得：=0.000098 rad计算轴的合成挠度由公式（4.12）得：=0.0255 mm轴的垂向挠度的容许值=0.050.10mm；轴的水平挠度=0.100.15mm;轴断面的角不应大于0.002rad。经过验算，变速器二轴满足设计要求。5 同步器设计计算同步器使变速器换档轻便、迅速、无冲击、无噪声，且可延长齿轮寿命、提高汽车的加速性能并节油，故轿车变速器除倒档、货车除一、倒档外，其它档位多装用。要求其转矩容量较大、性能稳定、耐用。同步器有常压式、惯性式和惯性增力式三种，其中，惯性式同步器应用最为广泛。本设计所采用就是惯性式同步器。惯性式同步器能做到换档时，在两换档元件之间的角速度达到完全相等之前不允许换档，因而能很好地完成同步器的功能和实现对同步器的基本要求。按结构分，惯性式同步器有锁销式、滑块式、锁环式、多片式和多维式几种。虽然它们的结构不同，但是它们都有摩擦元件、锁止元件和弹性元件。本设计所采用的是锁环式惯性同步器。5.1锁环式惯性同步器结构 如图5.1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壮的滑块压向啮合套。在不换档的中间位置，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。1.锁环 2滑块 3.弹簧 4.锁环 5.齿轮 6.啮合套座 7.啮合套 8.齿轮图5.1 锁环式同步器5.2锁环式同步器主要尺寸的确定（1）接近尺寸同步器换档第一阶段中间，在滑块侧面压在锁环缺口侧边的同时，且啮合套相对滑块作轴向移动前，啮合套接合齿与锁环接合倒角之间的轴向距离，称为接近尺寸。尺寸应大于零，取=0.20.3 mm。查文献2，3-5取=0.3 mm。（2）分度尺寸滑块侧面与锁环缺口侧边接触时，啮合套接合齿与锁环接合齿中心线间的距离，称为分度尺寸。尺寸等于1/4接合齿齿距。尺寸和是保证同步器处于正确锁止位置的重要尺寸，应予以控制，查文献2，3-5可知=1 mm。（3）滑块转动距离滑块在锁环缺口内转动距离(图5.2)影响分度尺寸。滑块宽度、滑块转动距离与缺口宽度尺寸之间的关系如下：滑块转动距离与接合齿齿距的关系如下：式中，为滑块轴向移动后的半径；为接合齿分度圆半径。1.啮合套 2.锁环 3.滑块 4.锁环缺口图5.2 滑块移动距离滑块移动距离：mm缺口宽度：mm （4）滑块端隙 滑块端隙系指滑块端面与锁环缺口端面之间的间隙，如图5.3所示，同时，啮合套端面与锁环端面的间隙为，要求。查文献2，3-5可知mm，mm。锁环端面与齿轮接合端面应留有间隙，并可称之为后备行程，一般应取=1.22.0 mm，查文献2，3-5可知mm。图5.3 滑块端隙5.3主要参数的确定以三、四档间惯性锁环式惯性同步器为例。（1）摩擦因数和摩擦锥面角 汽车在行驶过程中换档，特别是在高档区换档次数较多，意味着同步器工作频繁。同步器是在同步环与连接齿轮之间存在角速度差的条件下工作，要求同步环有足够的使用寿命，应当选用耐磨性能良好的材料。愈小，则摩擦力矩愈大。但为了避免摩擦面自锁，应使大雨摩擦角，后者又与摩擦系数有关，即。推荐，但当时，当锥面粗糙度控制不严会有粘着和咬住现象。对于在油中工作的青铜钢同步器摩擦副，可按计算，查文献2，3-5可知=0.1，。（2）摩擦锥面的平均半径 设计的越大，则摩擦力矩越大。往往受结构限制，包括变速器中心距及相关零件尺寸和布置限制，原则上是在可能的条件下，尽可能将取大些，查文献2，3-5可知=25 mm。（3）摩擦锥面的工作面宽查文献2，3-5可知根据摩擦表面许用压力来确定：（mm） （5.1）式中：摩擦力矩，Nmm，； 摩擦系数； -摩擦面的平均半径，mm；摩擦表面的许用压力，钢、青铜摩擦副，查文献2，3-5可知=1.2MPa。 Nmm由公式（5.1）得：=6 mm（4）锁止角锁止角选取的正确，可以保证只有在换档的两个部分之间角速度差达到零值才能进行换档。影响锁止角的选取因素，主要有摩擦因数、摩擦锥面的平均半径、锁止面平均半径和锥面半锥角。已有结构的锁止角在范围内变化。查文献2，3-5可知。（5）同步时间与轴向力 一般轴向力在100350N范围内，轿车和轻型客、货车取下限。同步时间应控制在1.0s以下，其中轻型车挂高档时应在0.10.5s范围内。图5.同步器计算模型5.4同步器计算惯性同步器的结构型式虽各有不同，但工作原理都是一样的，其实质是利用接合件的惯性防止同步前挂档。图5.4是计算模型。在分析计算中，认为在常温条件下润滑油阻力对齿轮转速的影响可忽略不计，且假设在同步过程中车速保持不变。这意味着变速器输出端的转速在换档瞬时保持不变，而输入端靠摩擦作用达到与输出端同步。则可知同步时间为： （5.2）式中：同步器输入端零件的转动惯量；同步器输出端零件的角速度；同步器的摩擦力矩；发动机曲轴的角速度，；、分别为变速器第和（）档传动比，；摩擦面所受的轴向力即换档力；同步器摩擦面的摩擦系数；、摩擦锥面的半锥角和平均半径；发动机转速，由较低档换至较高档时取为发动机最大功率下的转速，否则取为最大转矩下的转速。查文献1，4-4可知同步器摩擦锥面的滑磨功为：