ZF自动变速器行星排设计

I 摘要 ：汽车动力传动系统中，由于发动机转速较高、扭矩较小、转速与扭矩变化范围有限等特点，需要自动变速器改变转速和转矩，并根据外界环境的变化自动切换到与之相匹配的档位，因而得到广泛使用。 近些年来， 自动变速器 的 发展 状态呈现出多档位化的特点 ，自动变速器实现换挡的关键部件 是行星传动，其结构也愈加复杂， 同时由于相关专利限制， 对于 自动变速器行星 排 设计与分析 的 研究具有重要的工程实际价值。 设计 的主要研究内容如下 : 对自动变速器 的 结构和工作原理进行 详细的 介绍， 对 自动变速器中行星齿轮机构不同的 组合方式 进行分类与整理 ， 总结出 构造自动变速器行星齿轮机构的 一些 规则。 并且在 行星排特性方程 基础之上 ，提出 了如何优选 行星传动换挡方案 对东风六速自动变速器行星 排 的方案 进行 优化 设计， 合理利用已经 开发 的 软件完成 了六速自动变速器行星 排 行星齿轮机构、控制元件方案、换挡方案的设计 。 对六速自动变速器行星 排 强度进行 合理 分析 ， 齿轮静态安全系数 能够得出结果 ， 并且对 行星排强度 的 设计 进行验证 ;对设计的六速自动变速器行星 排 啮合特性进行分析，得到各齿轮副啮合印痕，验证行星排几何修形量设计的合理性 ;并且 详细认真 剖析了 六速自动变速器行星 排 的 传动效率 和 疲劳寿命。 关键词： 机械工程；变速器；行星齿轮传动；行星排 F In to up to in to In a to of as of of of in a of of By in of be is in in of in in in 录 摘要 . . . 目录 . 1 绪论 . 1 速器的分类 . 1 动变速器（ . 1 动变速器（ . 1 动 自动变速器（ . 2 级变速器 . 2 论文的主要工作内容 . 3 2 整体方案的研究与确定 . 4 . 4 星齿轮机构的简介 . 4 档执行机构的简介 . 5 本工作原理 . 5 3 行星齿轮变速器传动比的确定 . 8 4 行星排的设计 . 10 1行星排的设计 . 11 数选择 . 11 料选择及热处理方法： . 11 轮 2接触强度计算： . 11 1 传动系主要尺寸： . 11 算强度 . 12 轮抗弯强度校核 . 13 2行星排的设计 . 13 数选择： . 13 材料选择及热处理方式： . 13 a c 齿轮按接触强度初步计算 . 13 算相互接触时的强度的值 ： . 14 轮抗弯强度校核 . 15 3行星排的设计 . 16 . 16 阳轮的结构： . 16 星轮及行星架的结构： . 16 5 轴和轴承的设计 . 18 的设计及检验 . 18 承校核 . 21 6 主要零件的工艺设计 . 22 . 22 艺过程： . 22 键工序分析： . 22 齿圈加工工艺 . 22 艺工程： . 22 艺分析： . 22 7 辅助系统设计 . 24 制系统设计 . 24 滑系统设计 . 24 8 结论 . 26 参考文献 . 27 致 谢 . 28 1 1 绪论 这次毕业设计是 动变速器行星排的毕业设计，行星排的设计其实就是变速器设计。常见的有 手动 和 自动变速器 ，以及 手动 /自动变速器 和 最新发明的 无级变速器。 速器的分类 动变速器（ 手动变速器 1（ 。在 自动变速器出现之前 ， 所有的汽车 使用的 变速器 都是手动的，其工作原理是通过各个 不同的齿轮 密切 配合 进而 达到变速 的目的。大多数手动挡的汽车都有 四挡或五挡 ，驾驶者 需要双脚踩下离合，然后通过手对变速杆进行拨动，这时齿轮 啮合 的 位置 会发生改变，带动 传动比发生改变，最终可以改变速度。为了换挡方便，这种类型的汽车一般都会带有同步器，还可以达到降低噪音的效果。通常来说， 个 挡位 ，其中 包括 4 个前进挡 和 1 个倒挡， 也 有 变速器是 6 挡位（见图 手动变速器与自动变速器 优缺点对比 ： 优点： 首先驾驶爱好者通过自己控制手动变速器，可以获得更多操控的愉悦感； 引擎煞车的效能 更 强 ； 另外，手动挡的汽车，在维修保养成本时更低，也相对省油，更实惠；而且如果 驾驶者 的 技术 很 好 ， 在加速 和 超车时 ， 因为传输效率相对较高的原因 ，手动 挡 的汽车 速度更快。 缺点： 在 开车时 ， 手动 挡 的汽车 需要不断换挡，所以必须反复 控制离合器 ，显然手动挡操作更加复杂 麻烦。 尤其是 新手 司机开车时很容易熄火，上坡困难，并且操作有误的话，还会弄坏 引擎跟变速箱。 动变速器 2（ 自动变速器（ 。自动档相对手动挡操作更为简单，为了使 自动变速器 变速，需要 根据 脚 踏板 的 高低以及 车速 的 大小，变换 行星齿轮机构 。 自动变速器 能够自动变速的原因是因为在 自动变速器中 有大大小小的 离合器，根据车速 不断的 变化 ，不同的 离合器 可以 自动分离或合闭， 最终实现 自动变速的 目标 。 自动变速器 的汽车在中档车市场中所占比重很大，因为驾驶 自动变速器 的汽车，操控比较简单，驾驶较为轻松，可以很好的享受驾驶的乐趣。众所周知，我国各大城市的 2 图 档变速器档位 堵车现象是极为严重的，起步停步次数很多， 如果 驾驶 手动变速器 的汽车 ， 就需要不断 地挂档摘档， 相当麻烦。但是如果使用自动变速，反复换挡的问题便迎刃而解。对语自动变速器汽车的普及，主要的问题还是路况，良好的路况可以完美展 自动档汽车的优 点 。 动 自动变速器（ 一种是享受驾驶快感的手动挡，另一种是便利简单的自动挡。这类汽车技术含量较高，配置全面，但是价格也很亲民。均价差不多 10 万左右，相当实惠。 级变速器 4 近年来，随着驾车用户对汽车性能要求的提高，汽车产业也得到了迅猛发展，变速器的发展更是日新月异。荷兰 先发明无级变速器，这是时代进步人类创新的成果， 在任何转速下 ，无级变速 都 可以 自动 调整到 合适的传动比。 它 不是 用齿轮 来进行 变速 ， 而是用两个滑轮和一个钢变速 。 这种创新的变速方法可以随意 变化 传动比 ， 驾驶者完全不会有 突跳 的换挡 感觉 ， 而且 油门反应 更快 、油耗 更低 。 3 论文的主要工作内容 本设计是 依据 东风康明斯 动机 展开 的，设计中所采用的相关数据 都 来源于此种车型。 东风康明斯 动机数据： 1） 发动机 表 动机参数 发动机型号 工作转速范围 最大功率 /对应转速 最大转矩 /对应转速 东风康明斯0075100550100） 传动系传动比 表 位参数 1挡 2挡 3挡 4挡 5挡 6挡 分动器 车桥主减速器 ） 传动轴材料 表 动抽参数 发动机输出轴 中后桥输出轴 前桥输入轴 中桥半轴 40000） 前后桥扭矩比 1: 5） 液力变矩器的变矩系数 ） 驱动形式 6） 总质量 20吨 4 图 风康明斯卡车 5 2 整体方案的研究与确定 星齿轮变速器的原理和功用 五前一倒三行星排传动系统 ，也称为 行星齿轮变速器 。其结构包括 行星齿轮和换档操纵 两个 机构。换档操纵实现档位的变换。 星齿轮机构的简介 行星齿轮机构的类型：如 图 排行星齿轮机构 本 设计 中 采用 的是 三行星排 ，原因是 相比于 单排行星齿轮机构 ， 多排行星齿轮机构（如图 可以 得到 相对 更多的档位。 因为许 多行星齿轮 在同时 工作， 并 且利用内啮合 的 方式，由于采用常啮合传动 ，可以不间断 的提供动力，所以在大小功率相同时，如果使用 行星齿轮机构 当作 变速机构，变速器的重量 以及尺寸会明显 减少， 同时可以 实现同向、同轴减速传动。 档执行机构的简介 7 离合器（如图 制动器、和单向离合器 共同构成 行星齿轮的换档 机构。 因为许 多行星齿轮 在同时 工作， 并 且利用内啮合 的 方式，由于采用常啮合传动 ，可以 不间断 的提供动力，所以在大小功率相同时，如果使用 行星齿轮机构 当作 变速机构，变速器的重量 以及尺寸会明显 减少， 同时可以 实现同向、同轴减速传动。 本工作原理 行星齿轮变速器 的不同档位是通过结合 行星齿轮与操纵执行机构 完成的 ，转速、转矩相同 时 ，输出 的 转速和转矩 会因为 行星齿轮变速器档位 的变换而 有所不同 。（如图 6 图 离合器 图 理简图 图 理实物图 7 图 排行星齿轮机构 8 3 行星齿轮变速器传动比的确定 确定行星齿轮变速器传动比方案 ,如图 示， 确定 总方案 前 仔细 分析 每个 传动比方案。 图 动比方案 传动比计算 9 311Z 182Z 293Z 204Z 235Z 666Z 607Z 158Z 309Z 图 计简图 表 能表： 挡次 换挡执行元件状态 实现传动比 1 2 3 4 5 1 O O O O O O O O O O 1 O O O 0 注： 挡次 1 的传动比： 46461 ， 111 446464 11H ， 21272279797 11H 故 )(1(794624 979 2 挡次 2的传动比： 31311 ， 131131313 11H 7979 2 ， 272279797 11H 故 )(1(793123 的传 动比： 31311 ，131131313 11H 10 161314646 2126272929797nn 联立，得 3 15 0 91 20 0202 0123 的传动比： 7979 2 ， 2 H 挡次 5 的传动比： 即 00.1i 倒挡 传动比： 6414646 ， 2621262 19797 ，所以97126 ( 974624 的传动比： 太阳轮、齿圈、行星架都不制动 且 不 互相锁定 时 ， 它们彼此 都可以 自由转动。 若 0挡 ，此时， 输入轴 转动不一定带动输出轴 ，行星齿轮 便 不 会将 动力 传遍输出轴 。 11 4 行星排的设计 1 行星排的设计 数选择： 311Z 182Z 293Z 07.2i 料选择及热处理方法： 1. 齿轮 3 与 齿 轮 2：用 20渗 碳 后 淬 火 58 62300 ， 00 2. 齿轮 1： 35质， 250 280 齿轮 2接触强度计算： 3 23)1(483 （ 4 1） (1) 齿轮副配对材料对传动尺寸的影响系数 按表 2 1E (2) 计算 (3) 按 K= K=4) 3 (5) 计算齿宽系数)1(23 ，因 75.0d ，取 6.0d 。 故 （ 6）计算 1 1 7 01 3 0 l i m （ 7）初定中心距： 7 5 8 4 8 3 3 20 （ 8）计算模数： 9 652)1(23 0 uZ 取标准值 m=3 9）中心距 918(232 32 ）（1 传动系主要尺寸： 1) 太阳轮 3的主要尺寸： 729333 12 2) 行星轮 2的主要尺寸： 418322 3) 齿轮 1 的主要尺寸： 4 933133111 算强度 (1) 圆柱齿轮接触应力计算公式： 0（ 4 2） 0H 计算接触应力的基本值 （ 4 3） （ 2）计算 F t 566087 3 (3) 确定公式中的参数： 3 H 7100060 )( 333 由 K ； 得： K ； 查得： （ 4）确定参数 Z Z 查得： Z Z Z （ 5）计算 H 在 公式中 代入各数值 ，得： 又 170p 故合格。 13 轮抗弯强度校核 （ 1）齿根应力计算公式 11： 0 （ 4 4） 式中： 0F 齿根应力的基本值 Y , Y , Y 代入公式得： 6 3 0 M P 0 M P 99.0 l i m （ 2）验算： ， 故合格。 2 行星排的设计 数选择： 3.4i 20aZ 23 66bZ 取 4料选择及热处理方式： (1) 太阳轮与行星轮： 20碳后淬火 58 62300 ， 00 （ 2）内齿圈： 35质， 250 280 a c 齿轮按接触强度初步计算 按（ 3 1）公式：3 2 1)1(48 3 （ 1）影响系数 E 按表 2E （ 2） （ 3） K=，取 K= 4） T 01 （ 5）计算齿宽系数： (2 ， 式中取 5.0d （ 6）计算 MP l i m （ 7）初定中心距： 14 7 04 6 8 3 320 （ 8）计算模数 m am a 0 802)1(2 0 取标准值 （ 9）中心距： 6)2320(24)(2 (10) 太阳轮 0204 （ 11）行星轮 2234 5)540(5 (12) 内齿圈 64664 0 算相互接触时的强度的值 ： （ 1）圆柱齿轮接触应力计算公式为 （ 2）计算 F a 1 （ 3）确定参数： 0100060 )( 由 K ； K 表 10得 区域系数 Z ， ， 重合度系数 Z 1Z （ 4）代入公式 得 120 。 又 170 故合格。 15 轮抗弯强度校核 （ 1）齿根应力计算公式为 对称循环的弯曲应力 作用于 行星轮 c， 并且 行星轮 c 承载能力 相对 较低， 所以 应该 按 照 该齿轮计算。 由 Y , Y , Y 将相关数据代入公式 得 （ 2）验算： M l i m 故合格。 7. 齿轮强度的校核 为什么不再进行结果验算，是因为设计中的 轮 的 传动 是 内啮合齿轮， 所以它的 承 受 能力 范围 高于外啮合 的 传动。 3 行星排的设计 我们参照 模数 m=4 607Z 158Z 309Z ， 故： 4 060477 ， 015488 2 0 9 ， 5)560(8 097 8 小于 17， 变位 之后 。其变位系数 517 x。 型结构中三大系统的设计 阳轮的结构： 倘若太阳轮无法转动的时候 ， 这时我们就要在上面的悬臂安装一个简支或者另一个悬臂 。 但是在这次设计的时候 ， 因为 太阳轮尺寸 不能太大也不能太小 ， 于是 齿轮轴 就这样诞生了 （如图 16 图 轮轴 星轮及行星架的结构： 在传统的行星传动系统中行星轮和行星架式非常重要的零件，因而他的设计结构非常复杂 14。 行星架的构造其实有很多种，其中最常见的是 第一种 双臂整体式、 第二种 双臂分离式和 最后一种是 单臂式。 双臂整体式行星 架的原理图如图所示，这个结构的刚性非常不错 （如图 双臂分离式行星 架的原理图如图所示，这个结构的刚性就相对较差了 （如图 单臂式行星架 的原理图如图所示 结构 较为 简单， 相对于前两个行星架，这个架构的轴向尺寸就小很多了，安装起来也方便很多，其结构也很简单。这个架构的轴 （如图 17 图 双臂整体式行星架 图 双臂分离式行星架 图 单臂式行星架 18 5 轴和轴承的设计 的设计及检验 已知： 00 （ 1）根据表 9取 45号钢（调质处理）的 r 及 0A ，取 5 ， 1100 A （ 2）圆周力 F a 2 1 96 187960 502 0 002 0 001 径向力 r 799320t a a n 01 （ 3） 我们按照强度条件计算的话，这时我们需要依据的是一根轴的受力情况 ： 0991 1 0 3300 轴 需要 可增 大 5%，之所以这样，那是因为键连接着轴与连轴 即 m i n （ 4） 为了校对轴的强度系数，我们需要按照弯曲的的扭合成理论 1) 水平支反力： A 112196121 FF 46694 2112 1 96 12 垂直支反力： A 83799322 FF 1179931 2） 计算弯矩 水平弯矩： 2 4 9 2 8 411 垂直弯矩： 1 1 7 3 7 7 2 8 411 3) 求合成弯矩 19 22 12 11 22 22 22 4) 求扭矩 T 955298960 02 5）求合成弯扭矩 因为在这个轴的方向上是单一方向工作的， 因此 我们在应力上应该考虑脉动和弯曲转矩的影响 ，取 ，则 431899)( 22212 1 1 8 3 56222 22 ）（ 6） 校对轴的强度的同时我们依据的理论是弯扭合成强度 校核剖面 M P 87 3 根据表 9得 45号钢的 1 ，故合格。 7）应力图见图 45) 轴的刚度校核： 阶梯轴 zi 4 11073.5m)(444 取 m)( 0 ，故合格。 （ 6）轴的设计如图 420 图 4的应力图 图 4轴的设计图 17 21 承校核 已知： ， 000 ， ，初选 6310型轴承。 这时 ， 由表 9e=值法求得）。 由表 9载荷系数 2.1。 所以 验算轴承寿命： h 7 1 7 1) 9 86 1 8 0 0(96060 10)(6010 366 按这样算下来每天可以工作七小时到八个小时，每年需要工作 300 天计算的吧，这个轴承可以使用三年。 22 6 主要零件的工艺设计 阳轮和行星轮的加工工艺 艺过程： 这个工艺是一个很复杂的流程，需要经过多道手续，第一步 锻造 ， 然后 退火 ，进而用粗车 进行 预备热处理（ 这就是所谓的 正火） ，第二部 半精车 进行 粗滚齿 工艺 ， 倒角 工艺也是必要的， 第三步 热处理 ，进行 喷丸 ，将 磨内孔及基准端面 磨平 ，第四步 精滚齿 再把齿轮进行 磨齿 ，最后 检查钳 和 倒棱 。 键工序分析： （ 1）滚齿及磨齿余量 如果太阳轮需要提高效率，磨砂齿轮的时候，一定要做早齿轮刀进行精加工。 （ 2）喷丸 因为 抗弯疲劳强度 的原因， 硬齿面的承载能力 会有所限制 ， 所以必须 提高抗弯疲劳 的强度。 如何 提高抗弯疲劳 的强度？有两种方法，一种方法是 喷丸处理 齿轮 ，使齿根圆角处的 表面 形成 较 为强大 的残余压应力，另一 种方法是 压平碾实加工刀痕 和 热处理表面， 当我们采用以上两种方法时，这样就可以增加使用寿命，使齿轮更不易弯曲 。 齿圈加工工艺 艺工程： 这是一道经历过七个重要流程第一步 锻造 ， 第二步 退火 ， 第三步 粗车 ， 第四步