CA7220轿车变速器设计

长春理工大学本科毕业设计摘要本设计的任务是设计CA7220轿车手动变速器设计。本设计采用两轴式变速器，该变速器具有两个突出的优点：一是其各档的传动效率高，磨损及噪声也最小；二是在齿轮中心距较小的情况下仍然可以获得较大的一档传动比。根据轿车的外形、轮轴、车辆重量、满载重量以及最高车速等参数结合增加选择的适合该轿车的发动机型号可以得出发动机的最大功率、最大扭矩、排量等重要参数。再结合某些轿车的基本参数，选择适当的主减速比。根据上述参数，再结合汽车设计、汽车理论、机械设计等相关知识，计算出相关的变速器参数并论证设计的合理性。它的功用是：改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，如起步、加速、上坡等，同时使发动机在有利的工况下工作；在发动机旋转方向不变的前提下，使汽车能倒退行驶；利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够启动、怠速，并便于发动机换档或进行动力输出。这台变速器具有五个前进档（包括一个超速档五档）和一个倒档，并通过锁环式同步器来实现换档。关键词：变速器 锁环式同步器 传动比 齿轮ABSTRACTThe duty of this design is to design CA7220 car transmission.This design uses the two shafts type transmission.This transmission has two prominent merits:Firstly,the transmission efficiency of the direct keeps off high,the attrition and the noise are also slightest;Secondly,its allowed to obtain in the biger gear ratio of the first gear when the center distance is smaller.According to the contour, wheel base,the vehicles weight,the all-up weight as well as the highest speed and so on,union the choosing engine model we can obtain the important parameters of the max power,the max torque,the displacement and so on.According to the basic parameters of the certain saloon,choose the suitable final drive ratio.According to the above parameters,combining the knowledge of automobile design,automobile theory,machine design and so on,calculate the correlated parameters of the gearbox and proof the rationality of the design.Its function is:Changing gear ratio,expanding the torque of the driving wheel and the range of the rotational speed,to adapt the travel condition which frequently changes,like start,acceleration,climbing and so on,simultaneously causes the engine to work under the advantageous operating mode;Under the premise of the invariable rotation,enables the automobile to travel back;Using neutral,severances the power transmission,to make the engine strart,idle,and is advantafeous for the enfine to shift gears or to carry on the dynamicoutput.This gearbox has five(including over drivefifth gear)and a reverse gear,and through the inertial type of synchronizer to realize shift gears.KEY WORDS:transmission；inertial type of synchronizer；gear ratio；gearII目录摘要IABSTRACTII目录i第1章 绪论11.1 研究的目的和意义11.2.1变速器的要求11.2.2变速器的分类21.3 国内外发展现状3第2章 设计方案论证52.1 手动变速器的工作原理52.2 变速器结构方案的确定52.2.1传动机构的结构分析52.2.2三轴式变速器与两轴式变速器52.2.3倒档传动方案72.3 变速器主要零件结构的方案分析72.3.1齿轮型式72.3.2换档结构型式82.3.3轴的结构与分析82.3.4轴承型式92.4 传动方案的最终设计92.5 小结11第3章 手动变速器主要零件参数的设计计算123.1 档位数和传动比123.1.1档数的选择123.1.2传动比范围123.2 功率转速123.3 齿轮的设计要求133.3.1齿轮基本参数的确定133.3.2各档齿轮齿数的确定173.3.3齿轮变位系数的选择273.4 小结28第4章 齿轮的设计计算294.1 齿轮的损坏原因及形式294.1.1轮齿折断294.1.2齿面点蚀294.2 齿轮的材料选择及热处理294.3 齿轮强度参数计算304.3.1斜齿轮齿根弯曲疲劳强度校核304.3.2齿面接触疲劳强度计算31第5章 变速器轴的设计计算325.1 轴的功用及设计要求325.2 轴的结构和尺寸325.2.1轴尺寸的初选325.2.2轴向尺寸335.2.3轴的刚度和强度校核33第6章 变速器轴承的设计计算386.1 轴承型号的选择386.2 轴承当量动载荷386.3 计算轴承的基本额定寿命386.4 轴承的强度参数计算386.4.1初选轴承型号386.4.2计算轴承当量动载荷396.4.3计算轴承的基本额定寿命39第7章 变速器同步器的设计计算407.1 同步器的结构407.2 同步环主要参数的确定417.2.1同步环锥面上的螺纹槽417.2.3摩擦锥面平均半径427.2.4锥面工作长度427.2.5同步环径向厚度427.2.6锁止角427.2.7同步时间427.3 变速器的操纵机构437.3.1操纵机构的功用437.3.2设计变速器操纵机构时，应满足下列主要要求：437.3.3操纵机构的结构与分类437.3.4换档位置44第8章 结论468.1 工作总结468.2 研究展望46参考文献47致谢4850第1章 绪论发动机的性能，这似乎成为了衡量汽车品质优劣的一个标准。的确，拥有一颗“健康的心”是非常重要的，因为它是动力的缔造者。但是，掌控速度快慢的，确是它身后的变速器。1.1 研究的目的和意义21世纪，汽车工业成为中国经济发展的支柱产业之一，汽车企业对各系统部件的设计需求旺盛。其实，汽车与人一样，也是有着整套健康系统的有机结合体。发动机是心脏，车轮、底盘与悬挂是躯干与四肢，然而连接它们的，是类似于人体经脉的变速器系统。可以说，变速器是伴随着汽车工业出现的必然产物，是汽车上的必需品。在完成了最基本的传动功能之外，我们对变速器的要求也是越来越高，这是变速箱演变过程的首要催产素。由此可见，对汽车的变速器进行研究具有十分重要的意义。变速器作为汽车的传动系的关键部件，对汽车的动力性与经济性、操纵的可靠性与轻便性、传动的平稳性与效率都有着直接的影响。通过调查发现，传动机械式的手动变速器仍然是目前使用最为广泛的汽车变速器。即使它有诸多缺点，如换档冲击大、体积大、操纵麻烦等；但同时它也有很多优点，结构简单紧凑，使用寿命长，瞬时传动比为常数，传动效率高达98%，生产和制造工艺成熟以及成本低等，如果能改善手动变速器上述的缺点，它还是有很大发展空间的。所以对手动变速器变速传动机构进行研究是很必要也是很有意义的。目前，国内变速器主要采用齿轮传动机构传递动力。齿轮是手动变速器的主要传动部件，由于其具有结构紧凑、效率高、寿命长、工作可靠和维修方便等特点，在运动和动力的传递等方面得到了非常普遍的应用，并且有关齿轮的设计方法也已经有了相应的规范和标准。然而随着汽车节能环保和轻量化要求的提高，希望变速器在尺寸和质量尽量小的情况下，仍能够可靠地进行高速、重载的传递，具有更小的噪声，这些都对变速器的设计提出了更高的要求。但是传动的齿轮设计方法偏于安全，变速器内的部件，无论是齿轮还是轴等都显得过于笨重，已经不能满足当前变速器轻量化的发展需要，因此对手动变速器进行必要的优化设计，使整个传动机构既能保证具有足够的可靠性要求，又能保证具有最佳的使用性能，这些都是值得进一步研究的课题。1.2 变速器的要求与分类1.2.1变速器的要求为了确保变速器具有良好的工作性能，对于变速器的设计一般有以下要求：（1）应保证汽车具有高的动力性和经济性指标。在汽车整体设计时，根据汽车载重量、发动机参数及汽车使用要求，选择合理的变速器档数及传动比，来满足这一要求。（2）工作可靠，操纵轻便。汽车在行驶过程中，变速器内不应有自动跳档、乱档、换档冲击等现象的发生。为减轻驾驶员的疲劳强度，提高行驶安全性，操纵轻便的要求日益显得重要，这可通过采用同步器和预选气动换档或自动、半自动换档来实现。（3）重量轻、体积小。影响这一指标的主要参数是变速器的中心距。选用优质钢材，采用合理的热处理，设计合适的齿形，提高齿轮精度以及选用圆锥滚柱轴承可以减小中心距。（4）设置空挡，用来切断发动机的动力传输；设置倒档，使汽车能够倒退行驶。（5）设置动力输出装置。（6）传动效率高。为减小齿轮的啮合损失，应有直接档。提高零件的制造精度和安装质量，采用适当的润滑油都可以提高传动效率。（7）噪声小。采用斜齿轮传动及选择合理的变位系数，提高制造精度和安装刚性可减小齿轮的噪声。除此之外，变速器还有应当满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、维修方便等要求。近年来，随着汽车技术的飞速进步和道路车辆密度的不断增大，对变速器的性能要求也越来越高，设计研究中对变速器主要零部件的强度和刚度计算及校核的意义十分重大。例如齿轮，作为变速器中的重要零件，它起着传动发动机转矩的作用，由于车速的不断变化和频繁的换档，齿轮的运转工况较为复杂多变，工作环境较为恶劣，对其进行科学准确的建模和强度计算十分必要。众多的汽车工程师在改进汽车变速器性能的研究中倾注了大量的心血，使变速器技术得到了飞速的发展。1.2.2变速器的分类在汽车变速器100多年的历史中，主要经历了从手动到自动的发展过程。目前世界上使用最多的汽车变速器为手动变速器（MT）、自动变速器（AT）、半自动变速器（AMT）、无级变速器（CVT）、双离合变速器（DCT）等。（1）按变速器传动比的变化方式可分为有级式、无级式和综合式三种。有级式变速器采用齿轮传动，由多组不用的齿轮相互啮合进行传动，它有几个可供选择的固定传动比，其传动比的变化也不是连续的，而是分级变速的。按其中齿轮组成轮系的不同，又可分为齿轮轴线固定的普通齿轮变速器和部分齿轮（行星齿轮）轴线旋转的行星齿轮变速器两种。无级式变速器的传动比可在一定范围内连续变化，根据传力介质的不同又可分为液力式和电力式。综合式变速器由液力变矩器和行星齿轮式变速器共同组成的，其传动比可以再最大值与最小值之间若干个分割的区间内作无级变化。（2）按变速器操纵方式的不同，可分为手动变速器（MT）、自动变速器（AT）和半自动变速器三种。手动变速器也叫手动档，即用手拨动变速杆改变变速器内的齿轮啮合位置，改变传动比，从而达到变速的目的。手动变速器换挡装置有直齿滑动式、接合套式和同步器式三种。齿轮式有级变速器大都采用的是手动变速器。半自动变速器可分为两种，一种是部分档位自动换档，部分档位手动换档；另一种是预先用按钮选定档位，同时连接变速器换档机构的控制系统，在控制系统操纵下由执行机构自行换档。自动变速器能够根据发动机负荷和车速等情况自动变换传动比，使汽车获得良好的动力性和燃料经济性，并减少发动机排放污染。多数自动变速器是采用行星齿轮机构也有采用平行轴齿轮机构的。单排行星齿轮机构不能满足汽车行驶中变速变矩的需要。在自动变速器中，两排或三排行星齿轮机构组合成在一起，用以满足汽车行驶需要的多种传动比。1.3 国内外发展现状汽车行驶的速度是不断变化的，即要求汽车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器并不理想，但以其结构简单、效率高、功率大三大显著优点依然占领着汽车变速器的主流地位。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器，这是汽车的无奈和缺憾。但是，人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力，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，也是汽车变速器研究的终极目标。（1）自动变速器发展趋势分析液力自动变速器已有60多年的历史，其优点是技术成熟、性能可靠，因此国外一直未停止对液力自动变速器替代品的研究与开发。对于电控机械式自动变速器，虽然世界上许多国家投入了研究与开发，但一直未见批量生产的报道，足见其进展的艰难。尽管电控机械式自动变速器产业化的进程不会一帆风顺，但前景是广阔的。在更能满足重型车的动力传递要求方面，电控机械式自动变速器更具发展的优势。金属带无级自动变速器商品化的时间虽不长，目前在汽车变速器中的占有率也不高，但从产品性能看，其发展前景却十分看好。（2）手动变速器发展趋势分析手动变速器的许多最近的发展集中在为降低成本和体积的新制造方法上。传统来说，变速器制造包含大量昂贵的机器，以及为机械加工和装配操作所需留出的空间限制的设计。目前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力都在大力进行CVT的研发工作，NISSAN、TOYOTA、FORD、GM、AUDI等著名汽车品牌中都配备CVT的轿车销售，全世界CVT轿车的年产量已达到近50万辆。值得注意的一点是，装备有CVT的汽车市场，由最初的日本、欧洲已经渗透到北美市场，CVT汽车已经成为当今汽车发展的主要趋势。根据我国汽车变速器的技术条件和市场情况，对于未来20年的中国市场，可以得出以下结论：手动变速器在短期内仍将主导市场，但自动变速器将不断受到市场青睐，其中，双离合器技术潜力巨大。在汽车工业高速发展的今天，随着世界燃油价格的日益上涨和运用在汽车各种配件上的技术日趋成熟，变速器发展面临的主要问题如下：（1）如何设计出更加节能环保、经济型的变速器，将是变速器乃至汽车发展所要面临的一个巨大问题；（2）自动变速器之所以发展如此迅速是因为它操纵起来简单方便，但同时也减少了驾车的乐趣。因此，在不减少驾车娱乐性的同时，又能使操纵更加方便快捷，也是变速器设计时要考虑的一个重要问题；（3）如何设计出结构更简单、传动效率更高、使汽车车速变化更加平稳以及驾车舒适性更高的变速器，则一直都是变速器设计所要攻克的技术难关。第2章 设计方案论证2.1 手动变速器的工作原理改变齿轮的啮合位置，可以改变传动比，可以改变速度。前进档时，动力由第一轴（或中间轴）直接传给第二轴，只经过一对齿轮传动，两轴转动方向相反。通过增加齿轮传动的对数，可以实现倒档。倒档时，动力由第一轴传给倒档轴、再由倒档轴传给第二轴，经过两对齿轮传动，第一轴与第二轴转动方向相同。变速器结构方案的确定。2.2 变速器结构方案的确定2.2.1传动机构的结构分析有级变速器与无级变速器相比，其结构简单、制造低廉，具有高的传动效率，因此在各类汽车上均得到广泛的应用。传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。汽车行驶的道路状况愈多样，发动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。目前，轿车变速器的传动比范围为3.04.5；一般用途的货车和轻型以上的客车为5.08.0；越野车与牵引车为10.020.0。变速器档位数的增多可提高发动机的功率利用效率、汽车的燃料经济性及平均车速，从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。但采用手动的机械式操纵机构时，要实现迅速、无声换档，对于多于5个前进档的变速器来说是困难的。因此，直接操纵式变速器档位数的上限为5档。有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、刚度等。2.2.2三轴式变速器与两轴式变速器三轴式变速器如图2-1所示，其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。将第一、第二轴直接连接起来传递扭矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也传递转矩。因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此。在齿轮中心距（影响变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。其缺点是：处直接档外其他各档的传动效率有所下降。两轴式变速器如图2-2所示。与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最到档外其他各档的传动效率高、噪声低。轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力-传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车质量降低6%10%。两轴式变速器则方便于这种布置且传动系的结构简单。如图所示，两轴式变速器的第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺，降低了成本。除倒档常用滑动齿轮（直齿圆柱齿轮）外，其他档均采用常啮合斜齿轮传动；个档的同步器多装在第二轴上，这是因为一档的主动齿轮尺寸小，装同步器有困难；而高档的同步器也可以装在第一轴的后端，如图示。图2-1 轿车三轴式四档变速器1.第一轴；2.第二轴；3.中间轴图2-2 两轴式变速器1.第一轴；2.第二轴；3.同步器由于所设计的汽车是发动机前置，前轮驱动，因此采用二轴式变速器。2.2.3倒档传动方案常见的倒档结构方案有以下几种：图2-3 倒档换档方式a)方案为常见的倒档布置方案。此方案广泛用于轿车和轻型的货车的四档同步器式变速器中。b)方案的优点是换倒档时利用了中间轴上的一挡齿轮，因为缩短了中间轴的长度。但换档时有两对齿轮同时进入啮合，使换档困难。某些轻型货车四档变速器采用此方案。c)方案能获得较大的倒档传动比，缺点是换档程序不合理。d)方案针对前者的缺点做了修改，因而经常在货车变速器中使用。e)方案是将中间轴上的一档、倒档齿轮做成一体，将其齿宽加长。f)方案适用于全部齿轮副均为常啮合齿轮，换档更为轻便。综合考虑，本次设计采用f方案的倒档换档方式。2.3 变速器主要零件结构的方案分析变速器的设计方案必须满足使用性能、制造条件、维护方便及三化等要求。在确定变速器结构方案时，也要考虑齿轮型式、换档结构型式、轴承型式、润滑和密封等因素。2.3.1齿轮型式手动变速器采用的传动齿轮型式主要分直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮两种。两者相比较，斜齿圆柱齿轮有使用寿命长，工作时噪声低，运转平稳等优点；缺点是制造上较为复杂，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档。在本设计中，由于倒档采用的是常啮合方案，因此倒档也采用斜齿轮传动方案，即除一档外，均采用斜齿轮传动。2.3.2换档结构型式手动变速器的换档结构分为直齿滑动齿轮、啮合套和同步器换档三种型式。直齿滑动齿轮换档的特点是结构简单、紧凑，但由于换档不轻便、换档时齿端面受到很大冲击、导致齿轮早期损坏、滑动花键磨损后易造成脱档、噪声大等原因，除一档、倒档外很少采用。啮合套换档型式一般是配合斜齿轮传动使用的。由于齿轮常啮合，因而减少了噪声和动载荷，提高了齿轮的强度和寿命。啮合套有分为内齿啮合套和外齿啮合套，视结构布置而选定，若齿轮副内空间允许，采用内齿啮合式，以减小轴向尺寸。结合套换档结构简单，但还不能完全消除换档冲击，目前在要求不高的档位上常被使用。采用同步器换挡虽然具有结构复杂、制造精度高、成本高、轴向尺寸有所增加以及同步环使用寿命短等问题，但可保证齿轮在换档时不受冲击，使齿轮强度得以充分发挥，同时无噪声，操纵轻便，缩短了换档时间，从而提高了汽车的动力性、燃油经济性以及行驶安全性，同时也可以延长齿轮传动的寿命。此外，该种型式还有利于实现操纵自动化。故在现代轿车上采用的大部分都是同步器换档。目前，同步器广泛应用于各式变速器中。自动脱档是变速器的主要障碍之一。为解决这个问题，除工艺上采取措施外，在结构上，目前比较有效的方案有以下几种：（1）将啮合套做得长一些或者两接合齿的啮合位置错开，这样在啮合时使接合齿端部超过被接合齿约13 。使用中因接触部分挤压和磨损，因而在接合齿端部形成凸肩，以阻止自动脱档。（2）将啮合套齿座上前齿圈的齿厚切薄（0.30.6 ），这样，换档后啮合套的后端面便被后齿圈的前端面顶住，从而减少自动脱档。（3）将接合齿的工作面加工成斜齿面，形成倒锥角，使接合齿面产生阻止自动脱档的轴向力。这种结构方案比较有效，采用较多。在本设计中，所采用的是锁环式同步器，该同步器是依靠摩擦作用实现同步的。但它可以从结构上保证结合套与待啮合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，以免齿间冲击和发生噪声。2.3.3轴的结构与分析本设计中，变速器采用的是两轴式结构，轴工作时要同时承受转矩及弯矩的作用，其变形将影响轴上齿轮的正常啮合，使得变速器不仅会产生较大的噪声，也会降低轴及其装配零件的使用寿命。变速器轴的结构设计除了要保证其自身的强度和刚度外，轴上齿轮、同步器以及轴承的安装于固定也是需要重点考虑的，同时它与加工工艺有着非常密切的关系。输入轴上的小齿轮通常与轴一体做成齿轮轴的形式，轴的总长度决定于离合器总成的轴向尺寸以及轴上各档主动齿轮和同步器的轴向尺寸之和。输入轴前端花键尺寸与离合器从动盘毂的内花键配合统一考虑，均采用渐开线花键的形式。从轴的受力及材料的合理使用来看，输入轴制成阶梯轴的形式较好，可以便于轴上齿轮、花键等零件的安装。同时输入轴的各截面尺寸不应相差太大，该轴上三档及五档主动齿轮均为接合齿形式，通过同步器完成换档，由于该车齿轮所受轴向力不是很大，故选用弹性挡圈定位即可。另外对于输入轴上同步器的安装问题，由于渐开线花键固定连接的精度要求相比于矩形花键较低，且定位性能好，承载能力强，对于轴的刚度有提高的作用，故轴上同步器齿毂的内花键将采用渐开线花键，并且以大径定心。2.3.4轴承型式手动变速器轴上支承多采用滚动轴承，包括圆柱滚子轴承、向心球轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等。一般情况下，轴承的选取是根据变速器的结构来确定，然后验算其寿命。第一轴常啮合齿轮的内腔尺寸足够时，可采用圆柱滚子轴承，若空间不足则采用滚针轴承。变速器中采用圆锥滚子轴承虽然有直径较小、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。在本设计中，输入轴的前轴承安装于发动机飞轮的内腔中，本变速器将采用向心球轴承；输入轴和输出轴的连接处将采用滚针轴承，使两轴的定位精度更高，有利于齿轮的啮合和传动效率的提高，但对其配合处的尺寸精度、表面粗糙度以及硬度等有较高的要求，配合需适宜。由于输出轴要承受向外的轴向力，故其前端将采用带止动槽的向心球轴承，后端也采用向心球轴承。变速器的第一轴的后部轴承按直径系列选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。2.4 传动方案的最终设计最终确定的传动方案如图所示：图2-4 传动结构形式图2-4为所设计的轿车手动变速器的传动结构形式简图。齿轮从左至右依次为四档、三档、二档、倒档、一档和五档齿轮，同时，三、四档采用同步器换档，一、二档采用同步器换挡，倒档齿轮直径通过与五档同步器连接的拨叉进行换档，并且一、二档位同步器位于第二轴上，三、四档位及五档同步器位于输入轴上。输入轴前轴承、输出轴前轴承及输出轴后轴承与变速器壳体支承，输入轴与输出轴之间也采用轴承连接。本人的题目为CA7220轿车变速器的设计，其基本参数如下表所示。表2-1 CA7220轿车的基本参数参数基本值车型名称CA7220轿车驱动形式42整车尺寸：长、宽、高（mm）4793、1814、1446轴距（mm）2687轮距：前/后（mm）1476/1483最高车速（km/h）170满载质量（kg）1710装备质量（kg）1160发动机功率（kW/rpm）67/4800发动机功率实际使用值（kW/rpm）63.3/4800发动机转矩（Nm/rpm）161/3000发动机转矩实际使用值（Nm/rpm）153/3000主减速器传动比3.89车轮滚动半径（m）0.314档位五档2.5 小结本章较为详细地阐述了手动变速器的基本结构和工作原理。结合该轿车手动变速器的相关要求对所设计的变速器进行了分析，同时对变速器的主要零件，如齿轮、轴、轴承、倒档型式以及换档机构的结构等型式进行了选择和分析。第3章 手动变速器主要零件参数的设计计算3.1 档位数和传动比为保证整车必要的动力性和经济性指标，必须合理选择档位和配置变速器的各档传动比。3.1.1档数的选择增加变速器的档数能够改善汽车的动力性和经济性。档数越多，变速器的结构越复杂，使轮廓尺寸和质量加大，而且在使用时换档频率也增高。在最低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减小，使换档工作容易进行。近年来，为了降低油耗，变速器的档数有增加的趋势。档数选择的要求：（1）相邻档位之间的传动比值在1.8以下；（2）高档区相邻档位之间的传动比比值要比低档区相邻档位之间的比值小。目前，轿车一般用45个档位变速器，火车变速器采用45个档或多档，多档变速器多用于重型火车和越野汽车。由主要参数知，本设计采用5个档位。3.1.2传动比范围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。传动比范围的确定与选定的发动机参数、汽车的最高车速和使用条件等因素有关。目前轿车的传动比范围在34之间，轻型货车在56之间，其他货车则更大。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。表3-1是由主要参数知，在其基础上完成齿轮相关参数的选取和计算。表3-1 各档传动比初值档位一档二档三档四档五档倒档主减速器传动比3.62.1251.4581.0710.8573.723.89由于齿数取整，最后的传动比允许在指定值的3%范围内浮动。3.2 功率转速 (3-1) 式中：最高车速，=170 ； 车轮滚动半径，=0.314 ；功率转速，； 最高档五档传动比，=0.857； 主减速器传动比，=3.89。故，=4787 。3.3 齿轮的设计要求作为机械传动中最重要也最广泛的传动形式之一，齿轮传动广泛的运用于手动变速器中。在其整个传动系统中，齿轮的作用主要是用来传递运动与动力，因而在此工作过程中可能会出现传动的不平稳，同时产生振动、冲击与噪声问题等。齿轮经过实际负载工况工作至一定的寿命后，就可能产生轮齿折断、齿面接触疲劳点蚀以及磨损等形式的损伤。由以上这些问题可以看出齿轮传动过程中必须遵循的两项基本要求：一是齿轮传动过程需具备必要的工作稳定性，即对不同用途的齿轮需要求不同程度的工作平稳性指标，使得齿轮在其传动过程中产生的振动、噪声等处于允许的范围内，保证整个传动系统都能正常的工作；二是齿轮应具备足够的强度，即要求传动齿轮尺寸小、重量轻，在保证承载能力的基本前提下有尽可能长的寿命，也就是说传动齿轮在工作过程中做到轮齿不折断，齿面无点蚀，同时也不会因为严重的磨损而失效。3.3.1齿轮基本参数的确定手动变速器齿轮的基本参数主要包括各档齿数、模数、齿宽、斜齿轮螺旋角、压力角以及齿顶高系数等。1.齿轮模数齿轮模数的确定受到很多因素的影响，其中最主要的是其所受载荷的大小。由于低档齿轮与高档齿轮承受载荷的不同，故低档与高档齿轮的模数也最好做到不相同。从齿轮现代加工工艺及日常维修的观点考虑，同一变速器中的齿轮模数种类不应过多。需要注意的是，在变速器中心距都相同的情况下，选用小模数的齿轮可以有效的减小传动噪声，故本设计轿车表俗气的齿轮将选用模数较小的齿轮。齿轮模数选取的一般原则：（1）为了减少噪声应合理减小模数，同时增加齿宽；（2）为使质量小些，应该增加模数，同时较少齿宽；（3）从工艺方面考虑，各档齿轮应该选用一种模数；（4）从强度方面考虑，各档齿轮应有不同的模数。对于轿车，较少工作噪声较为重要，因此模数应选的小些，一般在2.03.5；对于货车，减小质量比减小噪声更重要，因此模数应选得大些，一般在3.55.0。所选模数值应符合国家标准的规定。表3-2 汽车变速器齿轮法向模数车型轿车的发动机排量货车的最大总质量1.0V1.61.6V2.56.014.014.0模数2.252.752.753.003.504.504.506.00表3-3 汽车变速器常用齿轮模数一系列1.001.251.52.002.503.004.005.006.00二系列1.752.252.753.253.503.754.505.50齿轮模数初选时，可以对同类型汽车的齿轮模数进行参考来确定，也可以根据现代汽车的大量手动变速器齿轮模数使用的统计数据，找出其中的变化规律，即通过前人总结的经验公式来初选模数。（1）对于低档齿轮：= (3-2)式中：发动机最大转矩，已知=161；变速器的一档传动比，已知=3.6；变速器的传动效率，一般取=0.96。可得出=2.672，即一、二档齿轮的模数定为2.75。（2）对于高档齿轮：= (3-3)其中=1,可得出=2.525，即三、四、五档及倒档的模数定为2.5。（3）同步器和啮合套的接合大都采用渐开线齿形，轿车取23.5。本设计同步器和啮合套的模数取=2.25。初选的模数用来完成齿轮齿数的分配及其相关的几何尺寸计算，最后确定的模数值也应满足齿轮的相关强度要求，并符合GB1357-78中的规定。2.压力角、螺旋角、齿形、齿宽和齿顶高系数（1）压力角国家规定齿轮的标准压力角为20，因此该压力角使用的最多，同时也选用如14.5、16.5及22.5等其他角度的压力角。压力角的增大可以增加根圆的齿厚，并且啮合齿轮的节圆处渐开线曲率半径也增大，使得齿轮的弯曲强度和接触强度都显著提高，但同时不根切的最少齿数减小，重合度也减小，传动时噪声也随之增大。对轿车，为了加大重合度以降低噪声，取小些；对货车，为了提高齿轮强度，应取大些。对于本设计的轿车变速器，要求其噪声小，故应选用小的压力角，同时对于该变速器，低档齿轮承载能力大，应采用大的压力角，而高档齿轮需满足高转速工况，要求降低噪声故采用小的压力角。故本设计的变速器，齿轮压力角取20，啮合套或同步器的压力角取30；斜齿轮螺旋角取28。（2）螺旋角变速器采用斜齿轮时，其螺旋角选用范围一般在1035。齿轮的螺旋角对齿轮工作噪声、轮齿的强度和轴向力有影响。选用大些的螺旋角时，会使得轴向力以及轴承承受载荷过大，齿轮啮合的重合度增加，因而工作平稳、噪声降低；而选用螺旋角太小时，又难以发挥斜齿轮的优点。实验证明：随着螺旋角的增大，齿的强度相应提高，但当螺旋角大于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，并不希望用过大的螺旋角；而从提高高档齿轮的接触强度考虑，应当选用较大的螺旋角。对于所设计的轿车变速器，要求其齿轮转速高而噪声小，故选用螺旋角时应取较大值。为了适当减小输出轴上的轴向力，各档齿轮的螺旋角可不相同。当常啮合齿轮与各档齿轮的轴向力相互抵消时，各档齿轮的螺旋角应满足下式要求： (3-4)式中：输出轴上常啮合齿轮螺旋角；输出轴上常啮合齿轮节圆半径；当下标注=1，2，3，5时，分别表示变速器一、二、三和五档输出轴的齿轮螺旋角；输出轴上其他各档齿轮的节圆半径。（3）齿形斜齿轮螺旋角的方向有左旋和右旋之分。本设计中，第一轴斜齿轮全部采用左旋，可使得输入轴上所承受的轴向力经轴承盖直接作用于变速器的壳体上，而不需要通过轴承的弹性挡圈来传递。同时，第二轴上斜齿轮全部采用右旋，因此相互啮合的几对齿轮副具有方向相反的轴向力，故该力可以部分抵消。（4）齿宽齿轮宽度对变速器的轴向尺寸、齿轮工作平稳性、齿轮强度和齿轮工作时受力均匀程度等均有影响。选用较小的齿宽可以缩短变速器的轴向尺寸和减小质量。但齿宽减少使斜齿轮传动平稳的优点呗削弱，齿轮的工作应力增加；选用较大的齿宽，工作时会因轴的变形导致齿轮倾斜，使齿轮沿齿宽方向受力不均匀并在齿宽方向磨损不均匀。齿轮宽度的大小直接影响着齿轮的承载能力，加大，齿的承载能力增高，但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，在保证齿轮的强度条件下，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。通常根据齿宽系数来选定齿宽： = (3-5)式中：齿宽系数,取=7；法向模数。齿轮的齿宽在按公式计算后再做适当圆整，而且常将小齿轮的齿宽在圆整值的基础上加宽510，以防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时导致啮合齿宽减小而增大齿轮单位齿宽的工作载荷。（5）齿顶高系数一般汽车变速器的齿轮均采用标准齿顶高系数=1.0。而现代轿车变速器多采用长齿齿轮，即齿顶高系数大于1，因为该长齿齿轮不仅可以增大重合度，而且相比标准齿高齿轮在强度、噪声、动载荷和振动等方面均有明显改善，但同时也存在着相对滑动速度大、易根切或齿顶变尖等问题，如果能有效平衡其优缺点选取一个较好的齿顶高系数，则对变速器齿轮的传动性能有着很大的帮助。3.中心距齿轮中心距作为变速器的重要参数之一，对变速器的外形尺寸、体积及质量大小、轮齿的接触强度有着直接的影响，所选取的中心距也应该能保证齿轮的强度。中心距越小，轮齿的接触应力越大，齿轮寿命越短。因此，最小允许中心距应当由保证轮齿有必要的接触强度来确定。本文设计的两轴式变速器的齿轮中心距，可根据对已有变速器统计而得出的经验公式来进行初选： = (3-6)式中， 中心距系数,对轿车，=8.99.3；对货车，=8.69.6； 发动机最大转矩，已知=161；变速器的一档传动比，已知=3.6；变速器的传动效率，一般可取=0.96。则, =（8.99.3）=73.20276.492（）初选中心距=76。档变速器选用常啮合齿轮对数和同步器多时，中心距系数应取给出系数的上限。另外，当汽车在良好路面上行驶时，中心距应取最小值。同时，中心距的确定还要考虑齿轮相关的几何参数和变速器结构的要求，如模数、齿数、变位系数及斜齿轮螺旋角要与所选的中心距相匹配。3.3.2各档齿轮齿数的确定在初选了变速器的档位数、传动比、中心距、轴向尺寸、齿轮模数和螺旋角并绘出变速器的结构方案简图后，即可对各档齿轮的齿数进行分配。变速器的齿轮齿数确定应考虑一下几点因素：（1）应尽量满足整车动力性、经济性等对变速器各档传动比的要求；（2）增加齿轮齿数可适当降低齿轮传动时的噪声；（3）最少齿数应使齿轮不产生根切。通常变速器一档小齿轮的齿数最少，因此该小齿轮不应产生根切，并且其根圆直径应大于所在轴的直径；（4）对于相互啮合的齿轮，其齿数不应有公因数，高速齿轮更应该注意这点。图3-1 变速器结构简图1.确定一档齿轮的齿数分配初选模数时，一档=2.75；初选中心距时，取=76；初选螺旋角=28；一档传动比： (3-7)一档齿数和： (3-8)则初步确定一档齿数和=48.80；初取=11，=40，则= =51，得此时的中心距=79.69 。对一档齿轮进行角度变位：分度圆压力角：即=22.47。端面啮合角：即=14.32分度圆直径：齿顶高：齿根高：全齿高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：2.确定二档齿轮的齿数分配二档齿轮选用斜齿轮，令其螺旋角和不同，初选螺旋角=32；初选模数=2.75；二档传动比：二档齿数和：则初步确定二档齿数和=46.87；初取=15，=32，则=47，得此时的中心距=76.21。对二档齿轮进行角度变位：分度圆压力角：即=23.23端面啮合角：即=22.86分度圆直径：齿顶高：齿根高：全齿高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：3.确定三档齿轮的齿数分配三档齿轮选用斜齿轮，令其螺旋角和不同，初选螺旋角=35；初选模数=2.5；三档传动比：三档齿数和：则初步确定三档齿数和=49.80；初取=20，=30，则=50，得此时的中心距=76.31。对三档齿轮进行角度变位：分度圆压力角：即=23.96端面啮合角：即=23.43分度圆直径：齿顶高：齿根高：全齿高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：4.确定四档齿轮的齿数分配四档齿轮选用斜齿轮，令其螺旋角和不同，初选螺旋角=35；初选模数=2.5；四档传动比：四档齿数和：则初步确定四档齿数和=49.80；初取=24，=26，则=50，得此时的中心距=76.31。对四档齿轮进行角度变位：分度圆压力角：即=23.96。端面啮合角：即=23.43分度圆直径：齿顶高：齿根高：全齿高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：5.确定五档（超速档）齿轮的齿数分配五档齿轮选用斜齿轮，令其螺旋角和不同，初选螺旋角=35；初选模数=2.5；五档传动比：五档齿数和：则初步确定五档齿数和=49.80；初取=27，=23，则=50，得此时的中心距=76.31。对五档齿轮进行角度变位：分度圆压力角：即=23.96。端面啮合角：即=23.43分度圆直径：齿顶高：齿根高：全齿高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：6.确定倒档齿轮的齿数分配该手动变速器的倒档机构示意图如图所示：图3-2 倒档机构示意图由于倒档采用的是直齿轮，初选其模数时采用较大值。倒档齿轮选用的模数与一档相同，初选=2.75；倒档的传动比为:为了保证齿轮11和12的齿顶圆之间应保持有0.5以上的间隙，故即=11，=40，=21。倒档的传动比为：对倒档齿轮进行角度变位：分度圆压力角：即=23.96。端面啮合角：即=23.43分度圆直径：齿顶高：齿根高：全齿高：齿顶圆直径：齿根圆直径：当量齿数：由于齿数需要取整，故完成齿轮的齿数分配后，由齿轮齿数计算得到的传动比相比之前满足整车动力性和经济性优化得到的传动比值有一定的误差，如表3-4所示，表3-4 各档传动比与真实值的误差档位一档二档三档四档五档倒档精确值3.62.1251.4581.0710.8573.72计算值3.6362.1331.51.0830.8523.636相对误差1%0.38%2.88%1.12%0.58%2.26%由上表可知，二档、五档设计误差较小，一档、三档、四档和倒档的设计误差较大。在一定的条件下允许此类误差存在，对整车的动力性和经济性不会造成太大的影响。3.3.3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。采用变位齿轮的原因：（1）为了避免齿轮产生根切和配凑中心距；（2）提高齿轮的强度、使用平稳性、耐磨性、抗胶合能力和使用寿命；（3）降低齿轮的啮合噪声。对变速器进行齿轮修正可以有效改善齿轮传动的某些性能。齿轮修正的方法主要有以下三种：一是加工前改变刀具的原始齿廓参数；二是加工时改变刀具与齿轮毛坯的相对位置，即齿轮变位；三是加工后改变齿轮齿廓的局部渐开线，即齿面修形。为了避免齿轮啮合时 产生根切或干涉，同时为了配凑中心距以及满足各档传动齿轮在弯曲强度、接触强度、抗胶合、耐磨损和运转平稳性等方面的不同要求，并且有效地提高齿轮寿命，汽车变速器均采用变位齿轮。变位齿轮的主要优点在于加工标准齿轮时，不用改变其所有刀具的参数，只需要改变刀具和工件的相对位置并且相应地改变毛胚的外径就可以了。加工出的变位齿轮齿廓具有与未变位的标准齿轮相同的基圆渐开线，差别在于选取了不同的齿轮部位而已。变位齿轮可分为正变位和负变位。用齿条刀具加工标准齿轮时，齿条中线与齿轮的分度圆相切，若此时将刀具移向毛胚则为负变位，反之则为正变位。齿轮正变位时，其分度圆齿厚增大，齿间减小，同时齿根圆和齿顶圆都增大，但基圆不变。正变位会增强齿根，可用来避免根切，但正变位量过大时会使齿顶变尖，易断裂。负变位对齿轮的影响则正好相反。另外，变位齿轮又可分为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，故中心距、啮合角都与未变位的标准齿轮传动相同。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。角度变位可获得良好的啮合性及传动质量指标，既具有高度变位的优点，也避免了其缺点，故采用得较多。当齿数和多的齿轮副采用标准齿轮传动或高度变位时，则对齿轮和少些的齿轮副应采用正角度变位。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。需要注意的是，当采用一种齿轮变位时，其某一变位值只能够改善传动质量的某些指标，对其他指标却会产生相反的效果。因此在选择变位的种类和变位系数时，需具体分析该齿轮副在其使用条件下的破坏形式和原因。若实际齿轮中心距为已经确定的中心距，则齿轮应采用高度变位；若需配凑中心距，则齿轮应采用角度变位。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。变速器齿轮的主要损坏形式是疲劳断裂和齿面剥落，故选择变位系数时应主要保证提高齿轮的接触强度和弯曲强度。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。由于低档齿轮需要传递大转矩，则小齿轮的齿根需要加强，为防止其弯曲断裂，故应加强小齿轮而采用正变位；对于高档齿轮，其主要损坏形式是齿面疲劳剥落，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。由于高档齿轮其转速高，啮合次数多，则需要保证其接触强度，为提高接触强度，应使两齿正变位且变位系数尽量取大些，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。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。3.4 小结本章根据考虑整车动力性和经济性优化后的传动比并结合变速器的相关设计理论，完成了其主要零件的参数选择计算，包括齿轮的基本参数和几何尺寸、齿数的分配等。第4章 齿轮的设计计算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、齿面点蚀和移动换档齿轮端部破坏。以下简要叙述一下轮齿折断和齿面点蚀两种损坏形式的机理和解决措施。4.1.1轮齿折断轮齿折断分两种：轮齿受足够大的冲击载荷作用，造成轮齿弯曲折断；轮齿在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，