汽車變速器設(shè)計(jì)【三軸式五擋手動(dòng)變速器】

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6.2.1 鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu) 34 6.2.2 鎖環(huán)式同步器工作原理 34 6.2.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 36 7 變速器操縱機(jī)構(gòu) 39 7.1 直接操縱手動(dòng)換擋變速器 39 7.2 遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器 39 8 結(jié)論 41 致謝 42 參考文獻(xiàn) 43 41 前言 現(xiàn)代汽車的動(dòng)力裝置，幾乎都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。它具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，如體積小，質(zhì)量輕，工作可靠，使用方便等。但其性能與汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在著較大的矛盾。如在坡道上行駛時(shí)，所需的牽引力往往是發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的牽引力的數(shù)倍。而且一般發(fā)動(dòng)機(jī)如果直接與車輪相連，其輸出轉(zhuǎn)速換算到對(duì)應(yīng)的汽車車速上，將達(dá)到現(xiàn)代汽車極限速度的數(shù)倍。上述發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力、轉(zhuǎn)速與汽車牽引力、車速要求之間的矛盾，單靠現(xiàn)代汽車內(nèi)燃機(jī)本身是無法解決的。因此就出現(xiàn)了車用變速箱和主減速器。它們的共同努力使驅(qū)動(dòng)輪的扭矩增大到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的若干倍，同時(shí)又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的幾分之一。 另外，現(xiàn)代汽車的使用條件極為復(fù)雜，在不同場(chǎng)合下有不同的要求。往往要受到如載運(yùn)量、道路坡度、路面好壞及交通是否通暢等條件的影響。這就要求汽車的牽引力和車速能在較大范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)使用的要求。在條件良好的平直路面上要能以高速行駛，而在路面不平和有較大坡度時(shí)能提供較大的扭矩。變速箱的多擋位選擇就能滿足這些需求。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，燃油的消耗量也是不一樣的。駕駛員可以根據(jù)具體情況，選擇變速箱的某一擋位，來減少燃油的消耗。在某些情況下，汽車還需要能倒向行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)本身是不可能倒轉(zhuǎn)的，只有靠變速箱的倒擋齒輪來實(shí)現(xiàn)。 變速箱是由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)前進(jìn)擋數(shù)的不同，變速箱有三、四、五和多擋幾種。根據(jù)軸的不同類型，分為固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式兩大類。而前者又分為兩軸式、中間軸式和多中間軸式變速箱。 現(xiàn)在汽車變速器的發(fā)展趨勢(shì)是向著可調(diào)自動(dòng)變速箱或無級(jí)變速器方向發(fā)展。無級(jí)變速機(jī)構(gòu)由兩組錐形輪組成，包括一對(duì)主動(dòng)錐形輪（錐形輪組1）和一對(duì)被動(dòng)錐形輪（錐形輪組2） 同時(shí)有一根鏈條運(yùn)行在兩對(duì)錐形輪V形溝槽中間，鏈條的運(yùn)動(dòng)如同動(dòng)力傳遞單元。錐形輪組1由發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過鏈條傳遞給錐形輪組2直至終端驅(qū)動(dòng)。在每組錐形輪中有一個(gè)錐形輪可以在軸向移動(dòng)，調(diào)整鏈條在錐形輪的工作直徑并傳遞速比。兩組錐形輪必須保持相同的調(diào)整，以保證鏈條始終處與漲緊狀態(tài)，使傳遞扭矩時(shí)錐形輪接觸充分的壓力。采用無級(jí)變速器可以節(jié)約燃料，使汽車單位油耗的行駛里程提高30%。通過選擇最佳傳動(dòng)比，獲得最有利的功率輸出，它的傳動(dòng)比比傳統(tǒng)的變速器輕，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單而緊湊。世界各大汽車制造商正競(jìng)相開發(fā)無級(jí)變速器。目前一些著名汽車制造商（如福特、通用、本田、克萊斯勒等）正致力于無級(jí)變速器的開發(fā)工作?，F(xiàn)在全球CVT的產(chǎn)量約為50萬臺(tái)，而普通型自動(dòng)變速器的產(chǎn)量約為2,500萬臺(tái)，雙向通訊和線控技術(shù)的應(yīng)用，無級(jí)變速器有無比的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)不久將來中國各大汽車制造商也將生產(chǎn)自己的CVT無級(jí)變速器，并廣泛應(yīng)用于國產(chǎn)轎車。 在此次設(shè)計(jì)中對(duì)變速器作了總體設(shè)計(jì)，對(duì)變速器的傳動(dòng)方案進(jìn)行了選擇，變速器的齒輪和軸做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)同步器和一些標(biāo)準(zhǔn)件做了選型設(shè)計(jì)。 1 總體方案設(shè)計(jì) 1.1 汽車參數(shù)的選擇 根據(jù)變速器設(shè)計(jì)所選擇的汽車基本參數(shù)如下表 表1-1設(shè)計(jì)基本參數(shù)表 Tablet 1-1 able basic design parameters 項(xiàng)目 參數(shù)值 發(fā)動(dòng)機(jī)： 2.5L V6 擋數(shù): 5 最大功率(kW/n)： 1526 最大扭矩(N·m/n)： 245/3500 1.2 變速器設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求 對(duì)變速器如下基本要求. 1）保證汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。 2）設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力向驅(qū)動(dòng)輪的傳輸。 3）設(shè)置倒檔，使汽車能倒退行駛。 4）設(shè)置動(dòng)力輸出裝置，需要時(shí)能進(jìn)行功率輸出。 5）換擋迅速，省力，方便。 6）工作可靠。汽車行駛過程中，變速器不得有跳擋，亂擋以及換擋沖擊等現(xiàn)象發(fā)生。 7）變速器應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。 除此以外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小，制造成本低，維修方便等要求。滿足汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，這與變速器的檔數(shù)，傳動(dòng)比范圍和各擋傳動(dòng)比有關(guān)。汽車工作的道路條件越復(fù)雜，比功率越小，變速器的傳動(dòng)比范圍越大。 2 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 機(jī)械式變速器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，制造成本低和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，在不同形式的汽車上得到 廣泛應(yīng)用。 2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析 2.1.1 固定軸式變速器 固定軸式又分為兩軸式，中間軸式，雙中間軸式變速器。固定軸式應(yīng)用廣泛，其中兩軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的汽車上，中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的汽車上。與中間軸式變速器比較，兩軸式變速器有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輪廓尺寸小，布置方便，中間擋位傳動(dòng)效率高和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。因兩軸式變速器不能設(shè)置直接擋，所以在高擋工作時(shí)齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。此外，受結(jié)構(gòu)限制，兩軸式變速器的一擋速比不可能設(shè)計(jì)得很大。所以我選擇的是中間軸式的變速器。 圖2-1，分別示出了幾種中間軸式五擋變速器傳動(dòng)方案。它們的共同特點(diǎn)是：變速器第一軸和第二軸的軸線在同一直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接得到直接擋。使用直接擋，變速器的齒輪和軸承及中間軸均不承載，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器第一軸和第二軸直接輸出，此時(shí)變速器的傳動(dòng)效率高，可達(dá)90%以上，噪聲低，齒輪和軸承的磨損減少。因?yàn)橹苯訐醯睦寐矢哂谄渌鼡跷?，因而提高了變速器的使用壽命；在其它前進(jìn)擋位工作時(shí)，變速器傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過設(shè)置在第一軸，中間軸和第二軸上的兩對(duì)齒輪傳遞，因此在變速器中間軸與第二軸之間的距離（中心距）不大的條件下，一擋仍然有較大的傳動(dòng)比；擋位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，擋位低的齒輪（一擋）可以采用或不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一擋以外的其他擋位的換擋機(jī)構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一擋也采用同步器或嚙合套換擋，還有各擋同步器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。再除直接擋以外的其他擋位工作時(shí)，中間軸式變速器的傳動(dòng)效率略有降低，這是它的缺點(diǎn)。在擋數(shù)相同的條件下，各種中間軸式變速器主要在常嚙合齒輪對(duì)數(shù)，換擋方式和到檔傳動(dòng)方案上有差別。 圖2-1a所示方案，除一，倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋外，其余各擋為常嚙合齒輪傳動(dòng)。圖2-1b，c，d所示方案的各前進(jìn)擋，均用常嚙合齒輪傳動(dòng)；圖2-1d所示方案中的倒擋和超速擋安裝在位于變速器后部的副箱體內(nèi)，這樣布置除可以提高軸的剛度，減少齒輪磨損和降低工作噪聲外，還可以在不需要超速擋的條件下，很容易形成一個(gè)只有四個(gè)前進(jìn)擋的變速器。 圖2-1 中間軸式五擋變速器傳動(dòng)方案 Figure 2 -1 middle coaxial five block Transmission 以上各種方案中，凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的擋位，其換擋方式可以用同步器或嚙合套來實(shí)現(xiàn)。同一變速器中，有的擋位用同步器換擋，有的擋位用嚙合套換擋，那么一定是擋位高的用同步器換擋，擋位低的用嚙合套換擋。 發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的轎車采用中間軸式變速器，為縮短傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，可將變速器后端加長(zhǎng)。伸長(zhǎng)后的第二軸有時(shí)裝在三個(gè)支承上，其最后一個(gè)支承位于加長(zhǎng)的附加殼體上。如果在附加殼體內(nèi)，布置倒擋傳動(dòng)齒輪和換擋機(jī)構(gòu)，還能減少變速器主體部分的外形尺寸。 綜上所述選擇第2種傳動(dòng)方案，前進(jìn)擋，均用常嚙合齒輪傳動(dòng)。 2.1.2 倒擋布置方案 與前進(jìn)擋位比較，倒擋使用率不高，而且都是在停車狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)換倒擋，故多數(shù)方案采用直齒滑動(dòng)齒輪方式換倒擋。為實(shí)現(xiàn)倒擋傳動(dòng)，有些方案利用在中間軸和第二軸上的齒輪傳動(dòng)路線中，加入一個(gè)中間傳動(dòng)齒輪的方案。前者雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是中間傳動(dòng)齒輪的輪齒，是在最不利的正，負(fù)交替對(duì)稱變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，而后者是在較為有利的單向循環(huán)彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，并使倒擋傳動(dòng)比略有增加。 圖2-2 倒擋布置方案 Figure 2 -2 reverse gear layout program 圖2-2為常見的倒擋布置方案。圖2-2b所示方案的優(yōu)點(diǎn)是換倒擋時(shí)利用了中間軸上的一擋齒輪，因而縮短了中間軸的長(zhǎng)度。但換擋時(shí)有兩對(duì)齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換擋困難。圖2-2c所示方案能獲得較大的倒擋傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換擋程序不合理。圖2-2d所示方案針對(duì)前者的缺點(diǎn)做了修改，因而取代了圖2-2c所示方案。圖2-2e所示方案是將中間軸上的一，倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)。圖2-2f所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換擋更為輕便。為了充分利用空間，縮短變速器軸向長(zhǎng)度，有的貨車倒擋傳動(dòng)采用圖2-2g所示方案。其缺點(diǎn)是一，倒擋須各用一根變速器撥叉軸，致使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。 綜上所述選擇第四種倒擋布置方案。 圖2-3 倒擋軸位置與受力分析 Figure 2 -3 reverse gear axles and Analysis 因?yàn)樽兯倨髟谝粨鹾偷箵豕ぷ鲿r(shí)有較大的力，所以無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的低檔與倒擋，都應(yīng)當(dāng)布置在在靠近軸的支承處，以減少軸的變形，保證齒輪重合度下降不多，然后按照從低擋到高擋順序布置各擋齒輪，這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒擋的傳動(dòng)比雖然與一擋的傳動(dòng)比接近，但因?yàn)槭褂玫箵醯臅r(shí)間非常短，從這點(diǎn)出發(fā)有些方案將一擋布置在靠近軸的支承處，然后再布置倒擋。此時(shí)在倒擋工作時(shí)，齒輪磨損與噪聲在短時(shí)間內(nèi)略有增加，與此同時(shí)在一擋工作時(shí)齒輪的磨損與噪聲有所減少。 除此以外，倒擋的中間齒輪位于變速器的左側(cè)或右側(cè)對(duì)倒擋軸的受力狀況有影響，見圖2-3所示。 2.1.3 其他問題 經(jīng)常使用的擋位，其齒輪因接觸應(yīng)力過高而造成表面電蝕損壞。將高擋布置在靠近軸的支承中部區(qū)域較為合理，在該區(qū)因軸的變形而引起的齒輪偏轉(zhuǎn)角較小，齒輪保持較好的嚙合狀態(tài)，偏載減少能提高齒輪壽命。 某些汽車變速器有僅在好路或空車行駛時(shí)才使用的超速擋。使用傳動(dòng)比小于1（為0.7~0.8）的超速擋，能夠充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，使汽車行駛1KM所需發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的總轉(zhuǎn)速降低，因而有助于減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損和降低燃料消耗。但是與直接擋比較，使用超速擋會(huì)使傳動(dòng)效率降低，噪聲增大。 機(jī)械式變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力時(shí)處于工作狀態(tài)的齒輪對(duì)數(shù)，每分鐘轉(zhuǎn)速，傳遞的功率，潤滑系統(tǒng)的有效性，齒輪和殼體等零件的制造精度等。 3 零部件結(jié)構(gòu)方案分析 3.1 齒輪形式 與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長(zhǎng)，工作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是制造時(shí)稍復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會(huì)使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒擋。 我的設(shè)計(jì)中一擋和倒擋用的是直齒輪，其他擋都是斜齒輪。 3.2 換擋機(jī)構(gòu)形式 變速器換擋機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪，嚙合套和同步器換擋三種形式。汽車行駛時(shí)各擋齒輪有不同的角速度，因此用軸向滑動(dòng)直齒齒輪的方式換擋，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，并伴隨有噪聲。這使齒輪端部磨損加劇并過早損壞，同時(shí)使駕駛員精神緊張，而換擋產(chǎn)生的噪聲又使乘坐舒適性降低。只有駕駛員用熟練的操作技術(shù)（如兩腳離合器），時(shí)齒輪換擋時(shí)無沖擊，才能克服上述缺點(diǎn)。但是該瞬間駕駛員注意力被分散，會(huì)影響行駛安全性。因此，盡管這種換擋方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但除一擋，倒擋外已很少使用。 由于變速器第二軸齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)，所以可用移動(dòng)嚙合套換擋。這時(shí)，因同時(shí)承受換擋沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多。而輪齒又不參與換擋，它們都不會(huì)過早損壞，但不能消除換擋沖擊，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，使變速器旋轉(zhuǎn)部分的總慣性矩增大。 因此，目前這種換擋方法只在某些要求不高的擋位及重型貨車變速器上應(yīng)用。這是因?yàn)橹匦拓涇嚀跷婚g的公比較小，則換擋機(jī)構(gòu)連件之間的角速度差也小，因此采用嚙合套換擋，并且還能降低制造成本及減小變速器長(zhǎng)度。 使用同步器能保證迅速、無沖擊、無噪聲換擋，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(guān)，從而提高了汽車的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換擋方法比較，雖然它有機(jī)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。 使用同步器或嚙合套換擋，其換擋行程要比滑動(dòng)齒輪換擋行程小。在滑動(dòng)齒輪特別寬的情況下，這種差別就更為明顯。為了操縱方便，換入不同擋位的變速桿行程要求盡可能一樣。 自動(dòng)脫擋是變速器的主要故障之一。為解決這個(gè)問題，除工藝上采取措施外，目前在結(jié)構(gòu)上采取措施比較有效的方案有以下幾種： 圖3-1防止自動(dòng)脫擋的機(jī)構(gòu)措施Ⅰ Figure 3 -1 prevent automatic block from the institutional measures Ⅰ 圖3-2防止自動(dòng)脫擋的機(jī)構(gòu)措施Ⅱ Figure 3 -2 prevent automatic block from the institutional measures II 圖3-3防止自動(dòng)脫擋的機(jī)構(gòu)措施Ⅲ Figure 3 -3 prevent automatic block from the institutional measures Ⅲ 1）將兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開，見圖3-1。這樣在嚙合時(shí)，使接合齒端部超過被接合齒約1~3mm。使用中接觸部分?jǐn)D壓和磨損，因而在接合齒端部形成凸肩，用來阻止接合齒自動(dòng)脫擋。 2）將嚙合套齒座上前齒圈的齒厚切薄（切下0.3~0.6mm），這樣，換擋后嚙合套的后端面被后齒圈的前端面頂住，從而減少自動(dòng)脫擋，見圖3-2。 3）將接合齒的工作面加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜2°~3°），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫擋的軸向力，見圖3-3。這種方案比較有效，應(yīng)用較多。 3.3 變速器軸承 變速器軸承常采用圓柱滾子軸承，球軸承，滾針軸承，圓錐滾子軸承，滑動(dòng)軸套等。至于何處應(yīng)當(dāng)采用何種軸承，是受結(jié)構(gòu)限制并隨所承受的載荷特點(diǎn)不同而不同。 汽車變速器結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，采用尺寸大些的軸承結(jié)構(gòu)受限制，常在布置上有困難。如變速器的第二軸前端支承在第一軸常嚙合齒輪的內(nèi)腔中，內(nèi)腔尺寸足夠時(shí)可布置圓柱滾子軸承，若空間不足則采用滾針軸承。變速器第一軸前端支承在飛輪的內(nèi)腔里，因有足夠大的空間長(zhǎng)采用球軸承來承受向力。作用在第一軸常嚙合齒輪上的軸向力，經(jīng)第一軸后部軸承傳給變速器殼體，此處常用軸承外圈有擋圈的球軸承。第二軸后端常采用球軸承，以軸向力和徑向力。中間軸上齒輪工作時(shí)產(chǎn)生的軸向力，原則上由前或后軸承來承受都可以，但當(dāng)在殼體前端面布置軸承蓋有困難的時(shí)候，必須由后端軸承承受軸向力，前端采用圓柱滾子軸承來承受徑向力。 變速器中采用圓錐滾子軸承雖然有直徑小，寬度較寬因而容量大，可承受高負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，但也有需要調(diào)整預(yù)緊，裝配麻煩，磨損后軸易歪斜而影響齒輪正確嚙合的缺點(diǎn)。 變速器第一軸，第二軸的后部軸承以及中間軸前，后軸承，按直徑系列一般選用中系列球軸承或圓柱滾子軸承。軸承的直徑根據(jù)變速器中心距確定，并要保證殼體后壁兩軸承孔之間的距離不小于6~20mm，下限適用于輕型車和轎車。 滾針軸承，滑動(dòng)軸套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地方。滾針軸承有滾動(dòng)摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，徑向配合間隙小，定位及運(yùn)轉(zhuǎn)精度高，有利于齒輪嚙合等優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)軸套的徑向配合間隙大，易磨損，間隙增大后影響齒輪的定位和運(yùn)轉(zhuǎn)精度并使工作噪聲增加?；瑒?dòng)軸套的優(yōu)點(diǎn)是制造容易，成本低。 在本次設(shè)計(jì)中主要選用了圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承和滾針軸承。 4變速器設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.1 擋數(shù) 增加變速器的擋數(shù)能改善汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。擋數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，并且是尺寸輪廓和質(zhì)量加大。同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且在使用時(shí)換擋頻率也增高。 在最低擋傳動(dòng)比不變的條件下，增加變速器的當(dāng)屬會(huì)是變速器相鄰的低擋與高擋之間傳動(dòng)比比值減小，是換擋工作容易進(jìn)行。要求相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值在1.8以下,該制約小換擋工作越容易進(jìn)行。要求高擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值要比低擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值小。 近年來為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前轎車一般用4~~5個(gè)擋位，級(jí)別高的轎車變速器多用5個(gè)擋，貨車變速器采用4~~5個(gè)擋位或多擋。裝載質(zhì)量在2~3.5T的貨車采用5擋變速器，裝載質(zhì)量在4~8T的貨車采用6擋變速器。多擋變速器多用于重型貨車和越野車。 選用的是5擋變速器。 4.2 傳動(dòng)比范圍 變速器的傳動(dòng)比范圍是指變速器最低擋傳動(dòng)比與最高擋轉(zhuǎn)動(dòng)比的比值。傳動(dòng)比范圍的確定與選定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，汽車的最高車速和使用條件等因素有關(guān)。 目前轎車的傳動(dòng)比范圍在3~4之間，輕型貨車在5~6之間，其他貨車則更大。 轎車的傳動(dòng)比范圍為3.6：1 4.3 中心距A 對(duì)中間軸式變速器，是將中間軸與第二軸之間的距離成為變速器中心距。其大小不僅對(duì)變速器的外形尺寸，體積和質(zhì)量大小，而且對(duì)輪齒的接觸強(qiáng)度有影響。中心距越小，齒輪的接觸應(yīng)力大，齒輪壽命短。最小允許中心距當(dāng)有保證齒輪有必要的接觸強(qiáng)度來確定。變速器軸經(jīng)軸承安裝在殼體上，從布置軸承的可能與方便和不影響殼體的強(qiáng)度考慮，要求中心距取大些。此外受一擋小齒輪齒數(shù)不能過少的限制，要求中心距也要大些。 A= ==85mm （4-1） 式中，A為中心距（mm）；為中心距系數(shù)，轎車：=8.9~9.3； 為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（）；為變速器一擋傳動(dòng)比；為變速器傳動(dòng)效率0.96。 轎車變速器的中心距在65~80mm變化范圍。原則上總質(zhì)量小的汽車中心距小。 4.4 外形尺寸 變速器的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒擋中間齒輪和換擋機(jī)構(gòu)的布置初步確定。 轎車四擋變速器殼體的軸向尺寸（3.0~3.4）A。 當(dāng)變速器選用常嚙合齒輪對(duì)數(shù)和同步器多時(shí)，中心距系數(shù)K應(yīng)取給出系數(shù)的上限。為檢測(cè)方便，A取整。 設(shè)計(jì)的是五擋變速器，初定軸向殼體尺寸為300mm。 4.5 軸的直徑 變速器工作時(shí)軸除傳遞轉(zhuǎn)矩外，還承受來自齒輪作用的徑向力，如果是斜齒輪還有軸向力。在這些力的作用下，變速器的軸必須有足夠的剛度和強(qiáng)度。軸的剛度不足會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，破壞齒輪的正確嚙合，對(duì)齒輪的強(qiáng)度和耐磨性產(chǎn)生影響，增加工作噪聲。 中間軸式變速器的第二軸和中間軸中部直徑D=0.45A，軸的最大直徑D和支撐間距離L的比值，對(duì)中間軸，D/L=0.16~0.18；對(duì)第二軸，D/L=0.18~0.21。 第一軸花健部分直徑D（mm）可按下式初選 d=K =4.2=26mm (4-2) 式中K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，K=4.0~4.6，為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（） 第二軸和中間軸中部直徑 D=0.45A=0.4585=36mm 4.6 齒輪參數(shù) 4.6.1 模數(shù)的選取 遵循的一般原則：為了減少噪聲應(yīng)合理減少模數(shù)，增加尺寬；為使質(zhì)量小，增加數(shù)，同時(shí)減少尺寬；從工藝方面考慮，各擋齒輪應(yīng)選用同一種模數(shù)，而從強(qiáng)度方面考慮，各擋齒數(shù)應(yīng)有不同的模數(shù)。減少轎車齒輪工作噪聲有較為重要的意義，因此齒輪的模數(shù)應(yīng)選??；對(duì)貨車，減小質(zhì)量比噪聲更重要，故齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)。 低擋齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)，其他擋位選另一種模數(shù)。少數(shù)情況下汽車變速器各擋齒輪均選用相同的模數(shù)。 嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)采用漸開線齒輪。由于工藝上的原應(yīng)，同一變速器的接合齒模數(shù)相同。其取用范圍是：乘用車和總質(zhì)量在1.8～14.0t的貨車為2.0～3.5mm。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利換擋。 初選齒輪模數(shù) =3.0mm 齒輪法向模數(shù) =3.0mm 4.6.2 壓力角 壓力角較小時(shí)，重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；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)轎車，為加大重合度已降低噪聲，取小些。 變速器齒輪壓力角為 20 嚙合套或同步器的接合齒壓力角用30°。 4.6.3 螺旋角 斜齒輪在變速器中得到廣泛的應(yīng)用。選斜齒輪的螺旋角，要注意他對(duì)齒輪工作噪聲齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。在齒輪選用大些的螺旋角時(shí)，使齒輪嚙合的重合度增加，因而工作平穩(wěn)、噪聲降低。試驗(yàn)還證明：隨著螺旋角的增大，齒的強(qiáng)度也相應(yīng)提高。不過當(dāng)螺旋角大于30時(shí)，其抗彎強(qiáng)度驟然下降，而接觸強(qiáng)度仍然繼續(xù)上升。因此，從提高低擋齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，并不希望用過大的螺旋角，以15～25為宜；而從提高高擋齒輪的接觸強(qiáng)度和增加重合度著眼，應(yīng)選用較大螺旋角。 斜齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，要產(chǎn)生軸向力并作用到軸承上。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求中間軸上同時(shí)工作的兩對(duì)齒輪產(chǎn)生軸向力平衡，以減少軸承負(fù)荷，提高軸承壽命。因此，中間軸上的不同擋位齒輪的螺旋角應(yīng)該是不一樣的。為使工藝簡(jiǎn)便，在中間軸軸向力不大時(shí)，可將螺旋角設(shè)計(jì)成一樣的，或者僅取為兩種螺旋角。中間軸上全部齒輪的螺旋方向應(yīng)一律取為右旋，則第一、第二軸上的斜齒輪應(yīng)取為左旋。軸向力經(jīng)軸承蓋作用到殼體上。一擋和倒擋設(shè)計(jì)為直齒時(shí)，在這些擋位上工作，中間軸上的軸向力不能抵消(但因?yàn)檫@些擋位使用得少，所以也是允許的)，而此時(shí)第二軸則沒有軸向力作用。 根據(jù)圖4-1可知，欲使中間軸上兩個(gè)斜齒輪的軸向力平衡，需滿足下述條件 （4-3） （4-4） 由于T=，為使兩軸向力平衡，必須滿足 （4-5） 式中，F(xiàn)a1，F(xiàn)a2為作用在中間軸齒輪1、2上的軸向力，F(xiàn)n1，F(xiàn)n2為作用在中間軸齒輪1、2上的圓周力；r1，r2為齒輪1、2的節(jié)圓半徑；T為中間軸傳遞的轉(zhuǎn)矩。 最后可用調(diào)整螺旋角的方法，使各對(duì)嚙合齒輪因模數(shù)或齒數(shù)和不同等原因而造成的中心距不等現(xiàn)象得以消除。 圖4-1 中間軸軸向力的平衡 Figure 4 -1 intermediate shaft axial force balance 斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用： 轎車中間軸式變速器為 22～34° 初選的螺旋角=28 4.6.4 齒寬b 應(yīng)注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸，齒輪工作平穩(wěn)性，齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)受力的均勻程度均有影響。 考慮到盡可能的減少質(zhì)量和縮短變速器的軸向尺寸，應(yīng)該選用較小的齒寬。減少齒寬會(huì)使斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)被削弱，還會(huì)使工作應(yīng)力增加。使用寬些的齒寬，工作時(shí)會(huì)因軸的變形導(dǎo)致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻并在齒寬方向磨損不均勻。 通常根據(jù)齒輪模數(shù)m的大小來選定齒寬。 直齒：b=m， 為齒寬系數(shù)，取為4.5~8.0 取=5 斜齒：b=，取6.0~8.5 ，取=7 第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)，可取大些，使接觸線長(zhǎng)度增加、接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)平穩(wěn)性和齒輪壽命。 直齒 b==53=15mm 斜齒 b==73=21mm 4.6.5 變位系數(shù)的選擇原則 齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除為了避免齒輪產(chǎn)生根切和配湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲。 變位齒輪主要有兩類：高度變位和角度變位。高度變位齒輪副的一對(duì)嚙合齒輪的變位系數(shù)的和為零。高度變位可增加小齒輪的齒根強(qiáng)度，使它達(dá)到和大齒輪強(qiáng)度想接近的程度。高度變位齒輪副的缺點(diǎn)是不能同時(shí)增加一對(duì)齒輪的強(qiáng)度，也很難降低噪聲。角度變位齒輪副的變位系數(shù)之和不等于零。角度變位既具有高度變位的優(yōu)點(diǎn)，有避免了其缺點(diǎn)。 有幾對(duì)齒輪安裝在中間軸和第二軸上組合并構(gòu)成的變速器，會(huì)因保證各檔傳動(dòng)比的需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對(duì)齒輪有相同的中心距，此時(shí)應(yīng)對(duì)齒輪進(jìn)行變位。當(dāng)齒數(shù)和多的齒輪副采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)或高度變位時(shí)，則對(duì)齒數(shù)和少些的齒輪副應(yīng)采用正角度變位。由于角度變位可獲得良好的嚙合性能及傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)，故采用的較多。對(duì)斜齒輪傳動(dòng)，還可通過選擇合適的螺旋角來達(dá)到中心距相同的要求。 變速器齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對(duì)于高檔齒輪，其主要損壞形勢(shì)是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合劑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)使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這樣兩齒輪的齒輪漸開線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對(duì)于低擋齒輪，由于小齒輪的齒根強(qiáng)度較低，加之傳遞載荷較大，小齒輪可能出現(xiàn)齒根彎曲斷裂的現(xiàn)象。 總變位系數(shù)越小，一對(duì)齒輪齒更總厚度越薄，齒根越弱，抗彎強(qiáng)度越低。但是由于輪齒的剛度較小，易于吸收沖擊振動(dòng)，故噪聲要小些。 更據(jù)上述理由，為降低噪聲，對(duì)于變速器中除去一，二擋和倒擋以外的其他各擋齒輪的總變位系數(shù)要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。 4.7 各擋齒輪齒數(shù)的分配 在初選中心距，齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可更據(jù)變速器的擋數(shù)，傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來分配各擋齒輪的齒數(shù)。 圖4-2 五擋變速器傳動(dòng)方案 Figure 4 -2 5 block Transmission 4.7.1 確定一擋齒輪的齒數(shù) 一擋傳動(dòng)比 （4-6） 如果，齒數(shù)確定了，則與的傳動(dòng)比可求出，為了求，的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和 直齒=2A/m （4-7） 斜齒=2A/ （4-8） 因?yàn)橐粨跤玫氖侵饼X輪，所以=2A/m=285/3=57 計(jì)算后取整，然后進(jìn)行大小齒輪齒數(shù)的分配。中間軸上的一檔小齒輪的齒數(shù)盡可能取小些，以便使/的傳動(dòng)比大些，在已定的情況下，/的傳動(dòng)比可分配小些，使第一軸常嚙合齒輪的齒數(shù)多些，以便在其內(nèi)腔設(shè)置第二軸的前軸承并保證輪軸有足夠的厚度。考慮到殼體上的第一軸軸孔尺寸的限制和裝配的可能性，該齒輪齒數(shù)又不宜取多。 中間軸上小齒輪的最少齒數(shù)，還受中間軸軸經(jīng)尺寸的限制，即受剛度的限制。在選定時(shí)，對(duì)軸的尺寸及齒輪齒數(shù)都要統(tǒng)一考慮。轎車中間軸式變速器一擋傳動(dòng)比=3.5~3.8時(shí)，中間軸上一擋齒輪數(shù)可在15~17間取，貨車在2~17間取。 因?yàn)?3.6取中間軸上一擋齒輪=15 輸出軸上一擋齒輪=-=57-15=42 4.7.2 對(duì)中心距進(jìn)行修正 因?yàn)橛?jì)算齒數(shù)和后，經(jīng)過取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)和齒輪變位系數(shù)新計(jì)算中心距，在以修正后的中心距作為各擋齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。 故修正后中心距A取85mm 4.7.3 確定常嚙合傳動(dòng)齒輪副的齒數(shù) 求出傳動(dòng)比 （4-9） 而常嚙合傳動(dòng)齒輪中心距和一檔齒輪的中心距相等，即 A=/2 （4-10） 85=3（+）/2cos28 求得五擋齒輪齒數(shù)為 =22 =28 各擋傳動(dòng)比分別為 2.6 =1.9 1.4 1 4.7.4 確定其他各擋的齒數(shù) 二擋齒輪是斜齒輪 求得二擋齒輪齒數(shù)為 三擋齒輪齒數(shù) 求得 四擋齒輪齒數(shù) 求得 4.7.5 確定倒擋齒輪齒數(shù) 取中間軸上的倒擋齒輪和中間軸上一擋齒輪齒數(shù)相同，即==15 有中心距 求得 =40 倒擋齒輪選用的模數(shù)往往與一檔相同，倒擋齒輪的齒數(shù)，一般在21-22之間，初選后，可計(jì)算出中間軸與倒擋軸的中心距 取=21 ===54mm 為保證倒擋齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，齒輪14和12的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙，則齒輪14的齒頂圓直徑應(yīng)為 =2=56mm 所以求出 =16  5 變速器的校核 5.1 齒輪的損壞形式 齒輪的損壞形式分三種：輪齒折斷，齒面疲勞剝落，移動(dòng)換擋齒輪端部破壞。 輪齒折斷分兩種：輪齒受足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；輪齒再重復(fù)載荷作用下齒根產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展深度逐漸加大，然后出現(xiàn)彎曲折斷。前者在變速器中出現(xiàn)的很少，后者出現(xiàn)的多。 齒輪工作時(shí)，一對(duì)相互嚙合，齒面相互擠壓，這時(shí)存在齒面細(xì)小裂縫中的潤滑油油壓升高，并導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，然后齒面表層出現(xiàn)塊狀脫落形成齒面點(diǎn)蝕。他使齒形誤差加大，產(chǎn)生動(dòng)載荷，導(dǎo)致輪齒折斷。 用移動(dòng)齒輪的方法完成換擋的抵擋和倒擋齒輪，由于換擋時(shí)兩個(gè)進(jìn)入嚙合的齒輪存在角速度差，換擋瞬間在齒輪端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。 5.2 齒輪強(qiáng)度計(jì)算 與其他機(jī)械行業(yè)相比，不同用途汽車的變速器齒輪使用條間仍是相似的。此外，汽車變速器齒輪用的材料，熱處理方法，加工方法，精度級(jí)別，支承方式也基本一致。如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制作，采用剃齒和磨齒精加工 ，齒輪表面采用滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度為JB179—83，6級(jí) 和7級(jí)。因此，用于計(jì)算通用齒輪強(qiáng)度公式更為簡(jiǎn)化一些的計(jì)算公式來計(jì)算汽車齒輪，同樣可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。下面介紹的是計(jì)算汽車變速器齒輪強(qiáng)度用的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。 5.2.1 齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算 1） 直齒輪彎曲應(yīng)力 （5-1） 式中，為彎曲應(yīng)力；為圓周力，；為計(jì)算載荷；d為節(jié)圓直徑；為應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.65；為摩擦力影響系數(shù)，主、從動(dòng)齒輪在嚙合點(diǎn)上的摩擦力方向不同，對(duì)彎曲應(yīng)力的影響也不同：主動(dòng)齒輪=1.1，從動(dòng)齒輪=0.9；b為齒寬；t為端面齒距，，m為模數(shù)；y為齒形系數(shù)，如圖5-1所示。 因?yàn)辇X輪節(jié)圓直徑d=，z為齒數(shù)，帶入式（5-1）得 （5-2） 一擋從動(dòng)齒輪 一擋主動(dòng)齒輪 一、倒擋直齒輪作用彎曲應(yīng)力在400~850N/mm 故直齒輪彎曲應(yīng)力均符合要求 2） 斜齒輪彎曲應(yīng)力 （5-3） 式中，為圓周力，；為計(jì)算載荷；d為節(jié)圓直徑， ，為法向模數(shù)；z為齒數(shù)；為斜齒輪螺旋角；為應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；b為齒面寬；t為法向齒距，；y為齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖5-1中查得；為重合度影響系數(shù)，=2.0。 將上述有關(guān)參數(shù)代入式（5-3），整理后得斜齒輪彎曲應(yīng)力為 （5-4） 五擋齒輪彎曲應(yīng)力 當(dāng)計(jì)算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，對(duì)乘用車常嚙合齒輪和高擋齒輪，許用應(yīng)力在180～350范圍。 符合要求。 圖5-1 齒形系數(shù)圖 （假定載荷作用在齒頂，） Figure 5 -1 Profile coefficient map (Assuming the load in top gear ，) 5.2.2 輪齒接觸應(yīng)力計(jì)算 輪齒接觸應(yīng)力 δ=0.418 （5-5） 式中，為輪齒的接觸應(yīng)力；F為齒面上的法向力， ；為圓周力，；為計(jì)算載荷；d為節(jié)圓直徑；為節(jié)點(diǎn)處壓力角，為齒輪螺旋角；E為齒輪材料的彈性模量；b為齒輪接觸的實(shí)際寬度； 、為主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑，直齒輪 、，斜齒輪 ， ； 、為主、從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑。 一擋齒輪接觸應(yīng)力 δ=0.418 =1955.3 五擋齒輪接觸應(yīng)力 δ=0.418 =1341.8 校核都在范圍之內(nèi)，符合要求 將作用在變速器第一軸上的載荷作為計(jì)算載荷時(shí)，變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力見表5-1。 表5-1 變速器齒輪許用接觸應(yīng)力 Table 5 -1 transmission gear allowable contact stress 齒 輪 ／ 滲碳齒輪 液體碳氮共滲齒輪 一擋和倒擋 1900--2000 950--1000 常嚙合齒輪和高擋 1300--1400 650--700 變速器齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度與芯部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎取疲勞和接觸疲勞的能力。在選用鋼材及熱處理時(shí)，對(duì)切削加工性能及成本也應(yīng)考慮。值得指出的是，對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸處理以后，齒輪彎曲疲勞壽命和接觸疲勞壽命都能提高。齒輪在熱處理之后進(jìn)行磨齒，能消除齒輪熱處理的變形；磨齒齒輪精度高于熱處理前剃齒和擠齒齒輪精度，使得傳動(dòng)平穩(wěn)、效率提高；在同樣負(fù)荷的條件下，磨齒的彎曲疲勞壽命比剃齒的要高。 國內(nèi)汽車變速器齒輪材料主要用20CrMnTi、20Mn2TiB、16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5。滲碳齒輪表面硬度為58～63HRC，芯部硬度為33～48HRC。 5.2.3 軸的強(qiáng)度計(jì)算 變速器工作時(shí)，由于齒輪上有圓周力、徑向力和軸向力作用，其軸要承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。變速器的軸應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度。因?yàn)閯偠炔蛔愕妮S會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，破壞了齒輪的正確嚙合，對(duì)齒輪的強(qiáng)度、耐磨性和工作噪聲等均有不利影響。所以設(shè)計(jì)變速器軸時(shí)，其剛度大小應(yīng)以保證齒輪能實(shí)現(xiàn)正確的嚙合為前提條件。 對(duì)齒輪工作影響最大的是軸在垂直面內(nèi)產(chǎn)生的撓度和軸在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。前者使齒輪中心距發(fā)生變化，破壞了齒輪的正確嚙合；后者使齒輪相互歪斜，如圖5-2所示，致使沿齒長(zhǎng)方向的壓力分布不均勻。 圖5-2 變速器軸的變形簡(jiǎn)圖 a) 軸在垂直面內(nèi)的變形 b）軸在水平面內(nèi)的變形 Figure 5 -2 transmission shaft deformation schematic a) axis in the vertical plane deformation b) axis in the horizontal plane deformation 初步確定軸的尺寸以后，可對(duì)軸進(jìn)行剛度和強(qiáng)度驗(yàn)算。欲求中間軸式變速器第一軸的支點(diǎn)反作用力，必須先求第二軸的支點(diǎn)反力。擋位不同，不僅圓周力、徑向力和軸向力不同，而且力到支點(diǎn)的距離也有變化，所以應(yīng)當(dāng)對(duì)每個(gè)擋位都進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)將軸看做鉸接支承的梁。作用在第一軸上的轉(zhuǎn)矩應(yīng)取。 軸的撓度和轉(zhuǎn)角可按《材料力學(xué)》有關(guān)公式計(jì)算。計(jì)算時(shí)僅計(jì)算齒輪所在位置處軸的撓度和轉(zhuǎn)角。第一軸常嚙合齒輪副，因距離支承點(diǎn)近、負(fù)荷又小，通常撓度不大，故可以不必計(jì)算。變速器齒輪在軸上的位置如圖5-3所示時(shí)，可分別用下式計(jì)算 圖5-3 變速器軸的撓度和轉(zhuǎn)角 Figure 5 -3 transmission shaft and the deflection angle (5-6) =0.08mm (5-7) =0.13mm (5-8) =0.0008rad 式中，為齒輪齒寬中間平面上的圓周力；為齒輪齒寬中間平面上的徑向力；E為彈性模量，E=2.1X；I為慣性矩，對(duì)于實(shí)心軸：I=π/64；d為軸的直徑，花鍵處按平均直徑計(jì)算；a、b為齒輪上作用力距支座A、B的距離；L為支座間距離。 軸的全撓度為=0.15mm0.2mm。 軸在垂直面和水平面撓度的允許值為=0．05～0．10mm，=0．10～0．15mm。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過0.002rad。 校核都在范圍內(nèi)，符合要求。 與中間軸齒輪常嚙合的第二軸上的齒輪，常通過青銅襯套或滾針軸承裝在軸上，也有的省去襯套或滾針軸承直接裝在軸上，這就能夠增大軸的直徑，因而使軸的剛度增加。 作用在齒輪上的徑向力和軸向力，使軸在垂直面內(nèi)彎曲變形，而圓周力使軸在水平面內(nèi)彎曲變形。在求取支點(diǎn)的垂直面和水平面內(nèi)的支反力和之后，計(jì)算相應(yīng)的彎矩Mc、Ms。軸在轉(zhuǎn)矩和彎矩同時(shí)作用下，其應(yīng)力為 (5-9) ==18.94400 式中，；d為軸的直徑，花鍵處取內(nèi)徑；W為抗彎截面系數(shù)。 · 在低擋工作時(shí)，σ≤400 6 同步器的選型 同步器有常壓式、慣性式和慣性增力式三種。常壓式同步器結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但有不能保證嚙合件在同步狀態(tài)下(即角速度相等)換擋的缺點(diǎn)，現(xiàn)已不用。得到廣泛應(yīng)用的是慣性式同步器。慣性式同步器中有鎖銷式、鎖環(huán)式、滑塊式、多片式、和多錐式幾種。 6.1 鎖銷式同步器 6.1.1 鎖銷式同步器結(jié)構(gòu) 圖6-1所示鎖銷式同步器的摩擦元件是同步環(huán)2和齒輪3上的凸肩部分，分別在它們的內(nèi)圈和外圈設(shè)計(jì)有相互接觸的錐形摩擦面。鎖止元件位于滑動(dòng)齒套1的圓盤部分孔中做出的錐形肩角和裝在上述孔中、在中部位置處有相同角度的斜面鎖銷4。鎖銷與同步環(huán)2剛性連接。彈性元件是位于滑動(dòng)齒套1圓盤部分徑向孔中的彈簧7。在空擋位置，鋼球5在彈簧壓力作用下處在銷6的凹槽中，使之保持滑動(dòng)齒套與同步環(huán)之間沒有相對(duì)移動(dòng)。 圖6-1 鎖銷式同步器結(jié)構(gòu)方案 1-滑動(dòng)齒套 2-同步環(huán) 3-齒輪 4-鎖銷 5-鋼球 6-銷 7-彈簧 Figure6 -1 Lock pin synchronous structure for the program 1-sliding gear sets 2-synchronous Central 3-Gear 4-Lockpin 5-Ball 6-Pin 7-Spring 在慣性式同步器中，彈性元件的重要性僅次于摩擦元件和鎖止元件，它用來使有關(guān)部分保持在中立位置的同時(shí)，又不妨礙鎖止、解除鎖止和完成換擋的進(jìn)行。 6.1.2 鎖銷式同步器工作原理 同步器換擋過程由三個(gè)階段組成。 第一階段，同步器離開中間位置，作軸向移動(dòng)并靠在摩擦面上。摩擦面相互接觸瞬間，如圖6-1所示，由于齒輪3的角速度和滑動(dòng)齒套1的角速度不同，在摩擦力矩作用下瑣銷4相對(duì)滑動(dòng)齒套1轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)不大的角度，并占據(jù)圖上所示的鎖止位置。此時(shí)鎖止面接觸，阻止了滑動(dòng)齒套向換擋方向移動(dòng)。 第二階段，來自手柄傳至換擋撥叉并作用在滑動(dòng)齒套上的力F，經(jīng)過鎖止元件又作用到摩擦面上。由于和不等，在上述表面產(chǎn)生摩擦力。滑動(dòng)齒套1和齒輪3分別與整車和變速器輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)零件相連。于是，在摩擦力矩作用下，滑動(dòng)齒套1和齒輪3的轉(zhuǎn)速逐漸接近，其角速度差=|-|減小了。在=0瞬間同步過程結(jié)束。 第三階段，=0，摩擦力矩消失，而軸向力F仍作用在鎖止元件上，使之解除鎖止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)滑動(dòng)齒套和鎖削上的斜面相對(duì)移動(dòng)，從而使滑動(dòng)齒套占據(jù)了換擋位置。 鎖銷式同步器的優(yōu)點(diǎn)是零件數(shù)量少，摩擦錐面平均半徑較大，使轉(zhuǎn)矩容量增加。這種同步器軸向尺寸長(zhǎng)是它的缺點(diǎn)。鎖銷式同步器多用于中、重型貨車的變速器中。 6.2 鎖環(huán)式同步器 6.2.1 鎖環(huán)式同步器結(jié)構(gòu) 如圖6-2所示，鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是同步器的摩擦元件位于鎖環(huán)1或4和齒輪5或8凸肩部分的錐形斜面上。作為鎖止元件是做在鎖環(huán)1或4上的齒輪和做在嚙合套7上的齒的端部，且端部均為斜面稱為鎖止面。彈性元件是位于嚙合套座兩側(cè)的彈簧圈。彈簧圈將置于嚙合套座花鍵上中部呈凸起狀的滑塊壓向嚙合套。在不換擋的中間位置，滑塊凸起部分嵌入嚙合套中部的內(nèi)環(huán)槽中，使同步器用來換檔的零件保持在中立位置上。滑塊兩端伸入鎖環(huán)缺口內(nèi)，而缺口的尺寸要比滑塊寬一個(gè)接合齒。 圖6-2 鎖環(huán)式同步器 1、4—鎖環(huán) 2—滑塊 3—彈簧圈 5、8—齒輪 6—嚙合套座 7—嚙合套 Figure 6 -2 lock ring Synchronizer 1、4-locked Central 2-slider 3-coil 5、8-Gear 6-mesh sets Block 7-mesh sets 6.2.2 鎖環(huán)式同步器工作原理 換擋時(shí)，沿軸向作用在嚙合套上的換擋力，推嚙合套并帶動(dòng)滑塊和鎖環(huán)移動(dòng)，直至鎖環(huán)錐面與被接合、齒輪上的錐面接觸為止。之后，因作用在錐面上的法向力與兩錐面之間存在角速度，致使在錐面上作用有摩擦力矩，它使鎖環(huán)相對(duì)嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，并由滑塊予以定位。接下來，嚙合套的齒端與鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸（圖6-3a）,使嚙合套的移動(dòng)受阻，同步器處在鎖止?fàn)顟B(tài)，換擋的第一階段工作至此已完成。換擋力將鎖環(huán)繼續(xù)壓靠在錐面上，并使摩擦力矩增大，與此同時(shí)在鎖止面處作用有與之方向相反的撥環(huán)力矩。齒輪與鎖環(huán)的角速度逐漸接近，在角速度相等的瞬間，同步過程結(jié)束，完成了換擋過程的第二階段工作。之后，摩擦力矩隨之消失，而撥環(huán)力矩使鎖環(huán)回位，兩鎖止面分開，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，嚙合套上的接合齒在換擋力作用下通過鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合(圖6-3b)完成同步換擋。 鎖環(huán)式同步器有工作可靠，零件耐用等優(yōu)點(diǎn)，但因結(jié)構(gòu)布置上的限制，轉(zhuǎn)矩容量不大，而且由于鎖止面在鎖環(huán)的接合齒上，會(huì)因齒端磨損而失效，因而主要用于乘用車和總質(zhì)量不大的貨車變速器中。 圖6-3 鎖環(huán)式同步器工作原理 a) 同步器鎖止位置 b) 同步器換擋位置 1—鎖環(huán) 2—嚙合套 3—嚙合套上的接合齒 4—滑塊 Figure 6 -3 lock ring Synchronizer Principle a) Synchronizer Locking location b) Shifting position Synchronizer 1-locked Central 2-mesh sets 3-meshing gears bearing 4-slider 6.2.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 （1） 接近尺寸 b 同步器換擋第一階段中間，在滑塊側(cè)面壓在鎖環(huán)缺口側(cè)邊的同時(shí)，且嚙合套相對(duì)滑塊作軸向移動(dòng)前，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒倒角之間的軸向距離b（圖6-4），稱為接近尺寸。尺寸b應(yīng)大于零，取b=0.2～0.3mm。 圖6-4 接近尺寸和分度尺寸 1—嚙合套接合齒 2—滑塊 3—鎖環(huán) 4—齒輪接合齒 Figure 6 -4 close to the size and degree Dimensions 1-meshing gears sets 2-slider 3-locked Central 4-gear gear （2） 分度尺寸 a 滑塊側(cè)面與鎖環(huán)缺口側(cè)邊接觸時(shí)，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒中心線間的距a（圖6-4） ,稱為分度尺寸。尺寸a應(yīng)等于1/4接合齒齒距。 尺寸a和b是保證同步器處于正確鎖止位置的重要尺寸，應(yīng)予以控制。 （3） 滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)距離 c （圖6-5）滑塊在鎖環(huán)缺口內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)距離c影響分度尺寸a?；瑝K寬度d、滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)距離c與缺口寬度尺寸E之間的關(guān)系如下 E=d+2c （6-1） 滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)距離c與接合齒齒距t的關(guān)系如下 c （6-2） 式中，為滑塊軸向移動(dòng)后的外半徑（即鎖環(huán)缺口外半徑）；為接合齒分度圓半徑。 圖6-5 滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)距離 1—嚙合套 2—鎖環(huán) 3—滑塊 4—鎖環(huán)缺口 Figure 6 -5 slider rotation distance 1-mesh sets 2-locked Central 3-slider 4-locked Central gap （4）滑塊端隙 滑塊端隙系指滑塊端面與鎖環(huán)缺口端面之間的間隙，如圖6-6所示，同時(shí)，嚙合套端面與鎖環(huán)端面的間隙為，要求>。若<,則換擋時(shí)，在摩擦錐面尚未接觸時(shí)，嚙合套接合齒與鎖環(huán)接合齒的鎖止面已位于接觸位置，即接近尺寸b<0,此刻因鎖環(huán)浮動(dòng)，摩擦面處無摩擦力矩作用，致使嚙合套可以通過同步環(huán)，而使同步器失去鎖止作用。為保證b>0,應(yīng)使>，通常取=0.5mm左右。 鎖環(huán)端面與齒輪接合齒端面應(yīng)留有間隙（圖6-6），并可稱之為后備行程。 預(yù)留后備行程的原因是鎖環(huán)的摩擦面會(huì)因摩擦而磨損，并在接下來的換擋時(shí)，鎖環(huán)要向齒輪方向增加少量移動(dòng)。隨著磨損的增加，這種移動(dòng)量也逐漸增多，導(dǎo)致間隙逐漸減少，直至為零；此后，兩摩擦錐面間會(huì)在這種狀態(tài)下出現(xiàn)間隙和失去摩擦力矩。而此刻，若鎖環(huán)上的摩擦錐面還未達(dá)到許用磨損的范圍，同步器也會(huì)因失去摩擦力矩而不能實(shí)現(xiàn)鎖環(huán)等零件與齒輪同步后換擋，故屬于因設(shè)計(jì)不當(dāng)而影響同步器壽命。一般應(yīng)取=1.2～2.0mm。 在空擋位置，鎖環(huán)錐面的軸向間隙應(yīng)保持在0.2～0.5mm。 圖6-6 滑塊端隙 Figure 6 -6 slider-gap 7 變速器操縱機(jī)構(gòu) 根據(jù)汽車使用條件的需要，駕駛員利用變速器的操縱機(jī)構(gòu)完成選擋和實(shí)現(xiàn)換擋或退到空擋的工作。 變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求：換擋時(shí)只能掛人一個(gè)擋位，換擋后應(yīng)使齒輪在全齒長(zhǎng)上嚙合，防止自動(dòng)脫擋或自動(dòng)掛擋，防止誤掛倒擋，換擋輕便。 用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒擋鎖裝置等主要件組成，并依靠駕駛員手力完成選擋、換擋或退到空擋工作，稱為手動(dòng)換擋變速器。 7.1 直接操縱手動(dòng)換擋變速器 當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近，可將變速桿直接安裝在變速器上，并依靠駕駛員手力和通過變速桿直接完成換擋功能的手動(dòng)換擋變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是減少了變速叉軸，各擋同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，但它要求各擋換擋行程相等。 7.2 遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器 平頭式汽