轎車兩軸五檔變速器變速箱的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說明書】

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The development of its technology is an important basis to measure the national automobile technology level. It can be said that the transmission is the heart of the transmission system. This subject takes car transmission as the research object. According to the main data of engine type and speed and power, the structural scheme is allocated. The design of transmission and the strength calculation of each main component are completed. Finally, the overall structure is determined according to the calculation data, and the two-dimensional design drawings are drawn. The design and calculation of specific parts such as gears is the main part of this specification, which mainly includes three parts: scheme determination, structure analysis, calculation and verification. Structural analysis is the premise and basis for the design of main parts. This process includes the center moment between the two axles, gear parameters, transmission ratio matching and the check of input and output shafts, etc. The scheme determines the type selection of the reversing shaft and the structural scheme of the synchronizer of the shifting mechanism. The checking calculation is to check the main parts such as gears and shafts calculated in the whole design process. Key Words Manual transmission; Analysis; Gear; Synchronizer; Check; 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 目 錄 摘 要 43 Abstract 44 第1章 緒 論 1 1.1 變速器的簡介 1 1.2 變速器的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.1手動(dòng)變速器(MT) 1 1.2.2自動(dòng)變速器（AT） 2 1.2.3手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT） 2 1.3 變速器的分類 3 1.4 變速器的功用及設(shè)計(jì)要求 5 1.4.1 變速器的功用 5 1.4.2 變速器的設(shè)計(jì)要求 5 1.5 課題研究的目的與意義 6 第2章 變速器總體設(shè)計(jì)方案的確定 6 2.1 傳動(dòng)方案的分析 6 2.2 總體結(jié)構(gòu)方案的確定 7 2.2.1 齒輪形式 7 2.2.2 變速器軸承 7 2.2.3 換擋機(jī)構(gòu) 8 第3章 變速器主要零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 8 3.1 檔位數(shù)的確定 8 3.2 各檔傳動(dòng)比的確定 8 3.2.1 最大傳動(dòng)比的確定 8 3.2.2 確定其他各檔傳動(dòng)比 10 3.3 中心距的確定 10 3.4 外形尺寸 10 3.5 齒輪參數(shù)的確定 10 3.5.1 模數(shù) 10 3.5.2 壓力角 11 3.5.3 螺旋角 11 3.5.4 齒寬 11 3.6 變位系數(shù)的確定 12 第4章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 12 4.1 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 12 4.1.1 各擋齒輪齒數(shù)的分配 12 4.1.2 齒輪材料的選擇 20 4.1.3 各軸的轉(zhuǎn)矩的確定 20 4.2 齒輪的強(qiáng)度校核 21 4.2.1 輪齒的失效模式 21 4.2.2 彎曲強(qiáng)度的計(jì)算 21 4.2.3 輪齒接觸應(yīng)力的計(jì)算 24 第5章 軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算與校核 28 5.1 軸的工藝要求 28 5.2 軸的結(jié)構(gòu) 28 5.3 初選軸的直徑 29 5.4 軸的強(qiáng)度計(jì)算 29 第6章 軸承的選擇及校核 32 6.1 輸入軸的軸承選擇與校核 32 6.2 輸出軸軸承校核 34 第7章 變速器同步器的設(shè)計(jì) 35 7.1 同步器的結(jié)構(gòu)分析 35 7.2 同步器的工作原理 35 7.3 同步器主要參數(shù)的設(shè)計(jì) 36 7.3.1 摩擦系數(shù) 36 7.3.2 同步環(huán)尺寸的確定 36 7.3.3 鎖止角 36 7.3.4 同步時(shí)間 36 7.3.5 摩擦力矩 36 總 結(jié) 38 致 謝 39 參 考 文 獻(xiàn) 40 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第1章 緒 論 1.1 變速器的簡介 隨著汽車變速器的發(fā)展，其傳動(dòng)方式從一開始的鏈條傳動(dòng)已經(jīng)發(fā)展到了現(xiàn)在的齒輪傳動(dòng)手動(dòng)變速器,而在如今的21世紀(jì)已經(jīng)發(fā)展到了機(jī)械液力自動(dòng)變速器和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器。然而從目前汽車上配置的變速器來看，主要有以下幾種變速器占主導(dǎo)地位：手動(dòng)變速器（MT）、液力機(jī)械變速器（AT）、手/自一體變速器（AMT）和機(jī)械無級(jí)變速器（CVT）[1]。不過即使這樣，無論是哪種變速器，它都是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的心臟，是任何一輛汽車不可缺少的一部分，在汽車的行駛過程中發(fā)揮重要的作用。 1.2 變速器的發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1手動(dòng)變速器(MT) 手動(dòng)變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個(gè)定值(也就是所謂的“級(jí)” )。比如，一檔變速比是3.85,二檔是2.55,再到五檔的0.75,這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動(dòng)比，總共只有5個(gè)值(即有5級(jí))，所以說它是有級(jí)變速器。 曾有人斷言，繁瑣的駕駛操作等缺點(diǎn)，阻礙了汽車高速發(fā)展的步伐，手動(dòng)變速器會(huì)在不久“下課”，從事物發(fā)展的角度來說，這話確實(shí)有道理。但是從目前市場的需求和適用角度來看，筆者認(rèn)為手動(dòng)變速器不會(huì)過早的離開。 首先，從商用車的特性上來說，手動(dòng)變速器的功用是其他變速器所不能替代的。以卡車為例，卡車用來運(yùn)輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對如此高的“壓力”，除了發(fā)動(dòng)機(jī)需要強(qiáng)勁的動(dòng)力之外，還需要變速器的全力協(xié)助。我們都知道一檔有“勁”，這樣在起步的時(shí)候有足夠的牽引力量將車帶動(dòng)。特別是面對爬坡路段，它的特點(diǎn)顯露的非常明顯。而對于其他新型的變速器，雖然具有操作簡便等特性，但這些特點(diǎn)尚不具備。 其次，對于老司機(jī)和大部分男士司機(jī)來說，他們的最愛還是手動(dòng)變速器。從我國的具體情況來看，手動(dòng)變速器幾乎貫穿了整個(gè)中國的汽車發(fā)展歷史，資歷郊深的司機(jī)都是“手動(dòng)”駕車的，他們對手動(dòng)變速器的認(rèn)識(shí)程度是非常深刻的，如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實(shí)的。雖然自動(dòng)變速器以及無級(jí)變速器已非常的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機(jī)還是崇尚手動(dòng)，尤其是喜歡超車時(shí)手動(dòng)變速帶來的那種快感，所以一些中高檔的汽車（尤其是轎車）也不敢輕易放棄手動(dòng)變速器。另外，現(xiàn)在在我國的汽車駕駛學(xué)校中，教練車都是手動(dòng)變速器的，除了經(jīng)濟(jì)適用之外，關(guān)鍵是能夠讓學(xué)員打好扎實(shí)的基本功以及鍛煉駕駛協(xié)調(diào)性。 第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車已經(jīng)進(jìn)入了家庭，對于普通工薪階級(jí)的老百姓來說，經(jīng)濟(jì)型轎車最為合適，手動(dòng)變速器以其自身的性價(jià)比配套于經(jīng)濟(jì)型轎車廠家，而且經(jīng)濟(jì)適用型轎車的銷量一直在車市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、吉利等國內(nèi)廠家的經(jīng)濟(jì)型轎車都是手動(dòng)變速的車，它們的各款車型基本上都是5檔手動(dòng)變速。 1.2.2自動(dòng)變速器（AT） 自動(dòng)變速器（AutomaticTransmission），利用行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速，它能根據(jù)油門踏板程度和車速變化，自動(dòng)地進(jìn)行變速。而駕駛者只需操縱加速踏板控制車速即可。雖說自動(dòng)變速汽車沒有離合器，但自動(dòng)變速器中有很多離合器，這些離合器能隨車速變化而自動(dòng)分離或合閉，從而達(dá)到自動(dòng)變速的目的。 在中檔車的市場上，自動(dòng)變速器有著一片自己的天空。使用此類車型的用戶希望在駕駛汽車的時(shí)候?yàn)榱撕啽悴僮?、降低駕駛疲勞，盡可能的享受高速駕駛時(shí)快樂的感覺。在高速公路上，這是個(gè)體現(xiàn)地非常完美。而且，以北京市來說，現(xiàn)在的交通狀況不好，堵車是經(jīng)常的事情，有時(shí)要不停地起步停步數(shù)次，司機(jī)如果使用手動(dòng)檔，則會(huì)反復(fù)地掛檔摘檔，操作十分煩瑣，尤其對于新手來說更是苦不堪言。使用自動(dòng)檔，就不會(huì)這樣麻煩了。 在市場上，此類汽車銷售狀況還是不錯(cuò)的，尤其是對于女性朋友比較適合，通常女性朋友駕車時(shí)力求便捷。而我國要普及這種車型，關(guān)鍵要解決的是路況問題，現(xiàn)在的路況狀況不均勻，難以發(fā)揮自動(dòng)檔汽車的優(yōu)勢。 1.2.3手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT） 其實(shí)通過對一些車友的了解，他們并不希望摒棄傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器，而且在某些時(shí)候也需要自動(dòng)的感覺。這樣手動(dòng)/自動(dòng)變速器便由此誕生。這種變速器在德國保時(shí)捷車廠911車型上首先推出，稱為Tiptronic，它可使高性能跑車不必受限于傳統(tǒng)的自動(dòng)檔束縛，讓駕駛者也能享受手動(dòng)換檔的樂趣。此型車在其檔位上設(shè)有“+”、“-”選擇檔位。在D檔時(shí)，可自由變換降檔(-)或加檔(+)，如同手動(dòng)檔一樣。 自動(dòng)—手動(dòng)變速系統(tǒng)向人們提供兩種駕駛方式—為了駕駛樂趣使用手動(dòng)檔，而在交通擁擠時(shí)使用自動(dòng)檔，這樣的變速方式對于我國的現(xiàn)狀還是非常適合的。筆者曾在上面提到，手動(dòng)變速器有著很大的使用群體,而自動(dòng)變速器也能適應(yīng)女士群體以及解決交通堵塞帶來的麻煩，這樣對于一些夫妻雙方均會(huì)駕車的家庭來說，可謂是兼顧了雙方，體現(xiàn)了“夫妻檔”。雖然這種二合一的配置擁有較高的技術(shù)含量，但這類的汽車并不會(huì)在價(jià)格上都高不可攀，比如廣州本田飛度1.3L CVT 兩廂、南京菲亞特2004派力奧1.3 HL Speedgear、南京菲亞特 西耶那Speedgear EL這些“二合一”的車型價(jià)格均在10萬元左右，這個(gè)價(jià)格層面還比較低的。 所以，手動(dòng)/自動(dòng)車在普及上還是具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。而汽車廠商和配套的變速器廠家應(yīng)該以此為契機(jī)，根據(jù)市場要求精心打造此類變速器。因?yàn)檫@類變速器是有比較廣闊的市場的。 1.3 變速器的分類 從現(xiàn)在市場上不同車型所配置的變速器來看，主要分為：手動(dòng)變速器（MT）、自動(dòng)變速器（AT）、手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT）、無級(jí)變速器（CVT）。 一、手動(dòng)變速器(MT) 手動(dòng)變速器（Manual Transmission）采用齒輪組，每檔的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各檔的變速比是個(gè)定值(也就是所謂的“級(jí)” )。比如，一檔變速比是3.85,二檔是2.55,再到五檔的0.75,這些數(shù)字再乘上主減速比就是總的傳動(dòng)比，總共只有5個(gè)值(即有5級(jí))，所以說它是有級(jí)變速器。 曾有人斷言，繁瑣的駕駛操作等缺點(diǎn)，阻礙了汽車高速發(fā)展的步伐，手動(dòng)變速器會(huì)在不久“下課”，從事物發(fā)展的角度來說，這話確實(shí)有道理。但是從目前市場的需求和適用角度來看，筆者認(rèn)為手動(dòng)變速器不會(huì)過早的離開。 首先，從商用車的特性上來說，手動(dòng)變速器的功用是其他變速器所不能替代的。以卡車為例，卡車用來運(yùn)輸，通常要裝載數(shù)噸的貨品，面對如此高的“壓力”，除了發(fā)動(dòng)機(jī)需要強(qiáng)勁的動(dòng)力之外，還需要變速器的全力協(xié)助。我們都知道一檔有“勁”，這樣在起步的時(shí)候有足夠的牽引力量將車帶動(dòng)。特別是面對爬坡路段，它的特點(diǎn)顯露的非常明顯。而對于其他新型的變速器，雖然具有操作簡便等特性，但這些特點(diǎn)尚不具備。 其次，對于老司機(jī)和大部分男士司機(jī)來說，他們的最愛還是手動(dòng)變速器。從我國的具體情況來看，手動(dòng)變速器幾乎貫穿了整個(gè)中國的汽車發(fā)展歷史，資歷郊深的司機(jī)都是“手動(dòng)”駕車的，他們對手動(dòng)變速器的認(rèn)識(shí)程度是非常深刻的，如果讓他們改變常規(guī)的做法，這是不現(xiàn)實(shí)的。雖然自動(dòng)變速器以及無級(jí)變速器已非常的普遍，但是大多數(shù)年輕的司機(jī)還是崇尚手動(dòng)，尤其是喜歡超車時(shí)手動(dòng)變速帶來的那種快感，所以一些中高檔的汽車（尤其是轎車）也不敢輕易放棄手動(dòng)變速器。另外，現(xiàn)在在我國的汽車駕駛學(xué)校中，教練車都是手動(dòng)變速器的，除了經(jīng)濟(jì)適用之外，關(guān)鍵是能夠讓學(xué)員打好扎實(shí)的基本功以及鍛煉駕駛協(xié)調(diào)性。 第三，隨著生活水平的不斷提高現(xiàn)在轎車已經(jīng)進(jìn)入了家庭，對于普通工薪階級(jí)的老百姓來說，經(jīng)濟(jì)型轎車最為合適，手動(dòng)變速器以其自身的性價(jià)比配套于經(jīng)濟(jì)型轎車廠家，而且經(jīng)濟(jì)適用型轎車的銷量一直在車市名列前茅。例如，夏利、奇瑞、吉利等國內(nèi)廠家的經(jīng)濟(jì)型轎車都是手動(dòng)變速的車，它們的各款車型基本上都是5檔手動(dòng)變速。 二、自動(dòng)變速器（AT） 自動(dòng)變速器（AutomaticTransmission），利用行星齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速，它能根據(jù)油門踏板程度和車速變化，自動(dòng)地進(jìn)行變速。而駕駛者只需操縱加速踏板控制車速即可。雖說自動(dòng)變速汽車沒有離合器，但自動(dòng)變速器中有很多離合器，這些離合器能隨車速變化而自動(dòng)分離或合閉，從而達(dá)到自動(dòng)變速的目的。 在中檔車的市場上，自動(dòng)變速器有著一片自己的天空。使用此類車型的用戶希望在駕駛汽車的時(shí)候?yàn)榱撕啽悴僮?、降低駕駛疲勞，盡可能的享受高速駕駛時(shí)快樂的感覺。在高速公路上，這是個(gè)體現(xiàn)地非常完美。而且，以北京市來說，現(xiàn)在的交通狀況不好，堵車是經(jīng)常的事情，有時(shí)要不停地起步停步數(shù)次，司機(jī)如果使用手動(dòng)檔，則會(huì)反復(fù)地掛檔摘檔，操作十分煩瑣，尤其對于新手來說更是苦不堪言。使用自動(dòng)檔，就不會(huì)這樣麻煩了。 在市場上，此類汽車銷售狀況還是不錯(cuò)的，尤其是對于女性朋友比較適合，通常女性朋友駕車時(shí)力求便捷。而我國要普及這種車型，關(guān)鍵要解決的是路況問題，現(xiàn)在的路況狀況不均勻，難以發(fā)揮自動(dòng)檔汽車的優(yōu)勢。 三、手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT） 其實(shí)通過對一些車友的了解，他們并不希望摒棄傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器，而且在某些時(shí)候也需要自動(dòng)的感覺。這樣手動(dòng)/自動(dòng)變速器便由此誕生。這種變速器在德國保時(shí)捷車廠911車型上首先推出，稱為Tiptronic，它可使高性能跑車不必受限于傳統(tǒng)的自動(dòng)檔束縛，讓駕駛者也能享受手動(dòng)換檔的樂趣。此型車在其檔位上設(shè)有“+”、“-”選擇檔位。在D檔時(shí)，可自由變換降檔(-)或加檔(+)，如同手動(dòng)檔一樣。 自動(dòng)—手動(dòng)變速系統(tǒng)向人們提供兩種駕駛方式—為了駕駛樂趣使用手動(dòng)檔，而在交通擁擠時(shí)使用自動(dòng)檔，這樣的變速方式對于我國的現(xiàn)狀還是非常適合的。筆者曾在上面提到，手動(dòng)變速器有著很大的使用群體,而自動(dòng)變速器也能適應(yīng)女士群體以及解決交通堵塞帶來的麻煩，這樣對于一些夫妻雙方均會(huì)駕車的家庭來說，可謂是兼顧了雙方，體現(xiàn)了“夫妻檔”。雖然這種二合一的配置擁有較高的技術(shù)含量，但這類的汽車并不會(huì)在價(jià)格上都高不可攀，比如廣州本田飛度1.3L CVT 兩廂、南京菲亞特2004派力奧1.3 HL Speedgear、南京菲亞特 西耶那Speedgear EL這些“二合一”的車型價(jià)格均在10萬元左右，這個(gè)價(jià)格層面還比較低的。 所以，手動(dòng)/自動(dòng)車在普及上還是具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。而汽車廠商和配套的變速器廠家應(yīng)該以此為契機(jī)，根據(jù)市場要求精心打造此類變速器。因?yàn)檫@類變速器是有比較廣闊的市場的。 四、無級(jí)變速器 當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是非常迅速的，用戶對于汽車性能的要求是越來越高的。汽車變速器的發(fā)展也并不僅限于此，無級(jí)變速器便是人們追求的“最高境界”。無級(jí)變速器最早由荷蘭人范·多尼斯（VanDoorne’s）發(fā)明。無級(jí)變速系統(tǒng)不像手動(dòng)變速器或自動(dòng)變速器那樣用齒輪變速，而是用兩個(gè)滑輪和一個(gè)鋼帶來變速，其傳動(dòng)比可以隨意變化，沒有換檔的突跳感覺。它能克服普通自動(dòng)變速器“突然換檔”、油門反應(yīng)慢、油耗高等缺點(diǎn)。通常有些朋友將自動(dòng)變速器稱為無級(jí)變速器，這是錯(cuò)誤的。雖然它們有著共同點(diǎn)，但是自動(dòng)變速器只有換檔是自動(dòng)的，但它的傳動(dòng)比是有級(jí)的，也就是我們常說的檔，一般自動(dòng)變速器有2～7個(gè)檔。而無級(jí)變速器能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)速比的無級(jí)變化，并選定幾個(gè)常用的速比作為常用的“檔”。裝配該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)可在任何轉(zhuǎn)速下自動(dòng)獲得最合適的傳動(dòng)比。 從市場走向來看，雖然無級(jí)變速器是一個(gè)技術(shù)分量比較高的部件，但是也已經(jīng)走進(jìn)了普通轎車的“身體” 之中，廣本兩廂飛度每個(gè)排量都有一款配置了CVT無級(jí)變速器，既方便又省油，且售價(jià)也僅在9.68～11.68萬元。而且奇瑞汽車銷售公司表示QQ無級(jí)變速器型年底上市?？磥頍o級(jí)變速器在中檔車中的運(yùn)用將越為廣泛。 1.4 變速器的功用及設(shè)計(jì)要求 1.4.1 變速器的功用 變速器把發(fā)動(dòng)機(jī)的能量通過驅(qū)動(dòng)橋傳遞給車輪，其主要功用是： （1）通過換擋改變傳動(dòng)比從而改變轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪的有效工作范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的路況，以便汽車能在最利的工況下工作，發(fā)揮出其最佳性能； （2）在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的情況下，使傳遞至主動(dòng)輪的輸出軸實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)，從而滿足汽車在實(shí)際情況，根據(jù)需要可以倒退行駛； （3）利用空擋能夠中斷發(fā)動(dòng)機(jī)向變速器傳遞動(dòng)力，便于變速器換擋以保證汽車能夠平穩(wěn)起步、正常行駛。 1.4.2 變速器的設(shè)計(jì)要求 此外為了讓汽車能夠滿足使用性能，在設(shè)計(jì)過程中對變速器還有以下要求： （1）在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車的載重、用途及發(fā)動(dòng)機(jī)排量，合理的分配傳動(dòng)比及變速器檔位數(shù)，以滿足汽車所需要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。并且在當(dāng)今擁堵城市路況條件下，為保證使用性能應(yīng)盡量擴(kuò)大變速器傳動(dòng)比范圍[1]。 （2）要合理選擇齒輪傳動(dòng)方式及正當(dāng)?shù)淖兾幌禂?shù)，同時(shí)選用合適的材料，采用最佳的熱處理方法，以便在加工時(shí)增加齒輪的精度，提高傳動(dòng)效率降低傳動(dòng)噪聲，延長變速器工作壽命。 （3）變速器還應(yīng)該滿足外形尺寸小、制造成本低、使用維修方便、工作性能可靠等要求[2]。 1.5 課題研究的目的與意義 隨著汽車向多元化、工業(yè)化的發(fā)展，變速器設(shè)計(jì)在汽車設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位。其工作性能直接影響汽車的行駛狀況，由于轎車對動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性有很高要求，因此對于對其變速器的設(shè)計(jì)更為重要。本設(shè)計(jì)是基于轎車的基本參數(shù)，利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法對轎車機(jī)械變速器進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)中所采用的基本參數(shù)如下： 主減速比 3.15 最大扭矩 150/3700 最高時(shí)速 188 最大功率 75/5000 輪胎型號(hào) 185/6015 整備質(zhì)量 1150 通過本課題的設(shè)計(jì)，可綜合運(yùn)用汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊、工程材料手冊、汽車工程手冊汽車構(gòu)造、汽車電子技術(shù)等課程的知識(shí)，達(dá)到綜合訓(xùn)練的效果[5]。同時(shí)可以學(xué)會(huì)汽車變速器的基本設(shè)計(jì)方法和步驟，對今后從事汽車行業(yè)的工作有很大的幫助。 第2章 變速器總體設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 傳動(dòng)方案的分析 圖2-1 變速器傳動(dòng)路線圖 機(jī)械式變速器優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)效率高、工作可靠和制造成本低。本設(shè)計(jì)各檔位只經(jīng)過一對嚙合齒輪傳遞輸出，故其工作噪聲小且傳動(dòng)效率高。而且本設(shè)計(jì)變速器其輸入軸與輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此在整車設(shè)計(jì)過程中在匹配車輪與發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)考慮旋轉(zhuǎn)方向問題。同時(shí)為保證輸出強(qiáng)度一般將輸出軸與主減速器的主動(dòng)齒輪做成一體。發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器齒輪采用弧齒錐齒輪，以改變傳遞方向；發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則采用斜齒圓柱齒輪[6]。本設(shè)計(jì)采用弧齒錐齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)縱置的布置方式。倒檔采用滑動(dòng)直齒輪，其他檔位采用常嚙合斜齒輪傳動(dòng)，最終確定的傳動(dòng)方案如圖2-1。 2.2 總體結(jié)構(gòu)方案的確定 2.2.1 齒輪形式 變速器中常采用的齒輪主要有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。盡管斜齒輪工藝設(shè)計(jì)比較復(fù)雜同時(shí)加工制造困難，且旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向力，會(huì)影響軸承的壽命，但是與直齒輪相比斜齒圓柱齒輪具有使用壽命長、工作噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊等許多優(yōu)點(diǎn)。此外如果選擇斜齒輪傳動(dòng)需要合理選擇軸承的類型[7]。綜合考慮本設(shè)計(jì)中變速器的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，只有采用直齒圓柱齒輪。 2.2.2 變速器軸承 在變速器軸與殼體、齒輪與軸等相對旋轉(zhuǎn)部位應(yīng)安裝軸承。變速器中常用的軸承有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、球軸承、滾針軸承等。至于何處采用何種軸承，要根據(jù)結(jié)構(gòu)及承受的載荷來決定。如由于斜齒輪在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生徑向力和部分軸向力，故在變速器的輸出軸前端采用圓柱滾子軸承，在末端常采用深溝球軸承[8]由于變速器軸后部的軸承需要安裝在變速器殼體上，因此在根據(jù)變速器的中心距確定軸承型號(hào)的同時(shí)也要保證殼體有足夠強(qiáng)度殼體壁上的兩軸承孔之間的距離不小于。 2.2.3 換擋機(jī)構(gòu) 變速器換擋機(jī)構(gòu)主要有嚙合套、滑動(dòng)齒輪和同步器換擋三種形式[9]。本設(shè)計(jì)中采用同步器換擋如圖2-2。同步器能保證換擋迅速且無沖擊，而且駕駛員不再用兩腳離合器換擋，減輕了駕駛強(qiáng)度，從而減輕了駕駛員工作強(qiáng)度、提高了行駛安全性和燃油經(jīng)濟(jì)性。因此雖然它制造加工困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在手動(dòng)變速器上仍然得到了廣泛的應(yīng)用。 圖2-2 5+1檔變速器 1-輸入軸 2-輸出軸 3-同步器 3 1 2 第3章 變速器主要零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 檔位數(shù)的確定 變速器的檔位數(shù)可以在3~20個(gè)檔位內(nèi)變化。增加檔位數(shù)可以擴(kuò)大傳動(dòng)比范圍，是改善汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要方法，眾所周知隨著變速器檔位數(shù)增多常嚙合齒輪就增多，變速器結(jié)構(gòu)就會(huì)十分復(fù)雜，并且相應(yīng)的外形尺寸也會(huì)增加，不但如此，同時(shí)得操縱機(jī)構(gòu)也給駕駛員增加了負(fù)擔(dān)，因此通常變速器的檔位在6個(gè)以內(nèi)。近幾年為了降低油耗/提高汽車動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)性，許多車多采用五檔變速器。本課題設(shè)計(jì)的變速器也是五個(gè)檔位。 3.2 各檔傳動(dòng)比的確定 3.2.1 最大傳動(dòng)比的確定 變速器中最大傳動(dòng)比即為一檔傳動(dòng)比，首先必須滿足最大爬坡度。由于爬坡過程中車速不高，空氣阻力忽略不計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量完全用于克服車輪與路面間的滾動(dòng)阻力[11]。故： （3.1） 式中：G—車重，=43100N； —發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，； —主減速器傳動(dòng)比，=4.875 —傳動(dòng)系效率，=97%； —車輪平均半徑，=0.5m； —滾動(dòng)阻力系數(shù)，本設(shè)計(jì)??； —爬坡度，取=16.7° 帶入數(shù)值計(jì)算得≥10.192 （3.2） 其次要滿足附著條件： Φ為地面附著系數(shù)，本設(shè)計(jì)取為0.8； 為汽車滿載靜止于水平面時(shí)，車輪對地面的載荷，本設(shè)計(jì)??； 計(jì)算可得。 由式（3.1）、（3.2）計(jì)算可得；結(jié)合主減速比，所以得取值范圍是，本設(shè)計(jì)取。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該車配置的發(fā)動(dòng)機(jī)要求的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為， 則最低穩(wěn)定車速為 所以滿足設(shè)計(jì)要求。 3.2.2 確定其他各檔傳動(dòng)比 初選五擋傳動(dòng)比 在乘用車變速器中，各擋傳動(dòng)比大致按等比數(shù)列形式分配[12]： （3.3） 式中：—各擋傳動(dòng)比的公比；由式3-3可知： ，， 其他各擋傳動(dòng)比為： =3.455， ==1.944，==1.286， 由于在高速行駛中4和5擋為常用擋，因此其擋位間公比應(yīng)該小一些 本設(shè)計(jì)取，所以，。 3.3 中心距的確定 中心距在變速器設(shè)計(jì)中是非常重要的的一個(gè)基本參數(shù)，對變速器的外形尺寸和質(zhì)量大小有十分重要的影響為保證軸承及殼體的強(qiáng)度因此，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下要盡量增大中心距。本設(shè)計(jì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)初選，A=71mm。 3.4 外形尺寸 影響變速器的外形輪廓尺寸的有倒檔齒輪的布置情況、換擋機(jī)構(gòu)的形式、檔位數(shù)、齒輪結(jié)構(gòu)等[14]。查閱資料可知汽車兩軸變速器殼體的軸向尺寸一般為3.0~3.4A。本設(shè)計(jì)五檔變速器的軸向尺寸初步定為3×72=216mm。 3.5 齒輪參數(shù)的確定 3.5.1 模數(shù) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定中心距后應(yīng)選擇較小的模數(shù)，這樣可以增加齒輪的齒數(shù)，從而保證傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)噪聲小。此外在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足各擋齒輪選用的模數(shù)應(yīng)該相同；同時(shí)未保證變速器結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)使低速檔模數(shù)大，高速檔模數(shù)小。 在變速器中大多數(shù)齒輪采用漸開線形式齒輪。具體的取值范圍如表3-1和3-2所示： 表3-1　汽車變速器齒輪法向模數(shù) 車型 乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量V/L 轎車的最大總質(zhì)量/t 1.0≤V≤1.6 1.6＜V≤2.5 6.0＜≤14 ＞14.0 模數(shù)/mm 2.25～2.75 2.75～3.00 3.50～4.50 4.50~6.00 表3-2　汽車變速器常用齒輪模數(shù) 一系列 1.00 1.25 1.50 2.00 2.50 3.00 4.00 5.00 6.00 二系列 1.75 2.25 2.75 3.25 3.50 3.75 4.50 5.50 —— 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量及表3.1、3.2中的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)初步確定變速齒輪的模數(shù)范圍2.25~2.75mm。同步器的模數(shù)范圍2.0~2.75mm。 3.5.2 壓力角 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以本設(shè)計(jì)中變速器齒輪采用的壓力角為20°，同步器的結(jié)合齒壓力角為30°[16]。 3.5.3 螺旋角 由于本設(shè)計(jì)中齒輪多數(shù)為斜齒輪，齒輪的螺旋角對輪齒的強(qiáng)度有很大影響。為了增加齒輪嚙合的重合度、降低噪聲、增強(qiáng)輪齒強(qiáng)度，使齒輪產(chǎn)生的軸向力相互抵消平衡，以減輕軸承的負(fù)荷，提高軸承使用壽命，螺旋角一般在20°～25°之間為宜[16]。本設(shè)計(jì)中取螺旋角為20° 3.5.4 齒寬 齒寬b的大小會(huì)影響齒輪工作中的承載能力，在保證齒輪強(qiáng)度的前提下應(yīng)該盡量縮小輪齒的寬度，以縮短變速器軸向尺寸從而減輕重量。 齒輪的寬度由齒輪的模數(shù)來確定： 直齒，為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0； 斜齒 ，取為6.0～8.5。 如果換擋機(jī)構(gòu)采用同步器換擋，其接合齒的寬度一般為，本設(shè)計(jì)中取接合齒寬度為2mm。 3.6 變位系數(shù)的確定 在變速器齒輪的設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際情況，對齒輪進(jìn)行變?yōu)槭潜仨毜?，同時(shí)也是非常必要的。因此變位系數(shù)會(huì)影響齒輪使用的平穩(wěn)性、抗膠合能力和齒輪嚙合噪聲。在設(shè)計(jì)時(shí)，如果相嚙合的兩齒輪都為變位齒輪，那么總變位系數(shù)應(yīng)取的大些來提高接觸強(qiáng)度。 本設(shè)計(jì)中，由于一檔齒輪齒數(shù)為Z=11<17,所以其變位系數(shù)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊設(shè)計(jì)中取齒頂高系數(shù)為1.00[18]。 第4章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 4.1 齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 4.1.1 各擋齒輪齒數(shù)的分配 本設(shè)計(jì)中一擋齒輪為斜齒輪傳動(dòng)，擬定模數(shù)為2.75，壓力角，初選螺旋角β=20° 一擋傳動(dòng)比為=3.455 （4.1） 為了求，的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和， 斜齒=49.2取整為49 （4.2） 取=11 =38 下面對中心距進(jìn)行修正： 由于計(jì)算出來的齒數(shù)和不是整數(shù)，為使設(shè)計(jì)方便需要對齒數(shù)和取整，而取整后會(huì)使中心距發(fā)生變化，所以需根據(jù)取整的齒數(shù)和和齒輪變位系數(shù)重新計(jì)算中心距，再以修正后的中心距為基礎(chǔ)，分配其他各擋齒輪的齒數(shù)[18]。 ==71.68mm （4.3） 取整后得中心距A=72mm 修正螺旋角度β (4.4) 分度圓直徑 =32.325mm =111.668mm 未變位中心距 mm 由于中心距已改變，為滿足中心距需要對一擋齒輪副進(jìn)行變位： 端面嚙合角 ： tan=tan/cos （4.5） = 嚙合角 ： cos==0.935 （4.6） =21.27° 變位系數(shù)之和 =0 （4.7） 當(dāng)量齒數(shù)：=13.25, 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取 計(jì)算一擋齒輪副的參數(shù)： 齒頂高 =3.254mm =2.264mm 式中： =0.0035 = -0.0035 齒根高 =2.943mm =3.933mm 式中： 齒頂圓直徑 =38.833mm =116.196mm 齒根圓直徑 =26.439mm =103.302mm 齒全高 h==6.197 二擋齒輪為斜齒輪，選定模數(shù)為2.5，壓力角，初選螺旋角=22° 二擋傳動(dòng)比為=1.944 齒數(shù)和：=53.4 取整為53 取 =18， =35 修正螺旋角β 計(jì)算二擋齒輪變位系數(shù)： 理論中心距 =72.003mm 端面壓力角 tan=tan/cos =21.58° 端面嚙合角 當(dāng)量齒數(shù) =23.110 =44.935 變位系數(shù)之和 = 0.08 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取 =-0.02 二擋齒輪的參數(shù)： 分度圓直徑 =48.90mm =95.10mm 齒頂高 =2.5575mm =2.2575mm 式中： = 0.003 =0.077 齒根高 =2.875mm =3.175mm 式中： 齒頂圓直徑 =54.015mm =99.615mm 齒根圓直徑 =43.15mm =88.75mm 齒全高 h==5.4325 三擋齒輪為斜齒輪，模數(shù)為2.5，壓力角，初選螺旋角=23° 三擋傳動(dòng)比為 =1.286 齒數(shù)和： ==64.3, 取整為64 取=28，=36 計(jì)算三擋齒輪變位系數(shù)： 理論中心距 =72.42mm 端面壓力角 tan=tan/cos =21.38° 端面嚙合角 變位系數(shù)之和 =0.1 當(dāng)量齒數(shù) =35.90 =46.16 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取 =0.08 = 0.02 三擋齒輪5、6參數(shù)： 分度圓直徑 =76.05mm =97.77mm 齒頂高 =2.87mm =2.72mm 式中： = 0.168 =-0.068 齒根高 =2.925mm =3.075mm 式中： 齒頂圓直徑 =81.79mm =103.21mm 齒根圓直徑 =70.20mm =91.62mm 齒全高 h==5.795 四擋齒輪為斜齒輪，模數(shù)=2.5，壓力角，初選螺旋角=24° 四擋傳動(dòng)比為 =0.969 齒數(shù)和 63.05取整為63 取 =32 =31 修正螺旋角度β =0.9294 計(jì)算四擋齒輪變位系數(shù)： 理論中心距 =72.24mm 端面壓力角 tan=tan/cos =21.38° 端面嚙合角 變位系數(shù)之和 = 0.1 當(dāng)量齒數(shù) =39.860 =38.615 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取 = 0.06 = 0.04 四擋齒輪7、8參數(shù)： 分度圓直徑 =86.08mm =83.39mm 齒頂高 =2.64mm =2.59mm 式中： =0.096 =0.004 齒根高 =2.975mm =3.025mm 式中： 齒頂圓直徑 =91.26mm =88.67mm 齒根圓直徑 =80.03mm =77.44mm 全齒高 =5.615 五擋齒輪為斜齒輪，模數(shù)=2.5，壓力角，初選螺旋角=25° 五檔齒輪傳動(dòng)比為 =0.80 齒數(shù)和 = 取整為63 取=35 =28 計(jì)算五擋齒輪變位系數(shù)： 理論中心距 =72.09mm 端面壓力角 tan=tan/cos =21.72° 端面嚙合角 變位系數(shù)之和 =-0.04 當(dāng)量齒數(shù) =47.043 =37.634 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊取 = -0.03 = -0.01 五擋齒輪9、10參數(shù)： 分度圓直徑 =96.58mm =77.26mm 齒頂高 =2.435mm =2.485mm 式中： =-0.036 =-0.004 齒根高 =3.2mm =3.15mm 齒頂圓直徑 =101.45mm =82.23mm 齒根圓直徑 =90.18mm =70.96mm 全齒高 =5.635 確定倒擋齒輪齒數(shù) 倒擋齒輪選用的模數(shù)與一擋相同， 壓力角 初選=23后，根據(jù)公式計(jì)算出輸入軸與倒擋軸之間的距離： =48.125mm 為避免齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不相互干涉，兩齒輪齒頂圓之間應(yīng)保持有一定的間隙d，一般取d=0.5mm，則倒檔齒輪13的齒頂圓直徑應(yīng)為 2*h 38.36 為了保證齒輪11和13的齒頂圓之間一定的裝配間隙，取=38 計(jì)算倒擋軸和輸出軸的中心距 =83.875 計(jì)算倒擋傳動(dòng)比 =3.176 4.1.2 齒輪材料的選擇 變速器中的齒輪，為了改變傳動(dòng)比，因此兩齒輪齒數(shù)不相等，故其嚙合頻率也不等，通由于小齒輪轉(zhuǎn)速高，因此小齒輪的硬度略高于大齒輪，以保證兩齒輪的使用壽命接近。同時(shí) 汽車變速器齒輪一般采用35SiMn、40Cr、40CrNi等鋼材作原材料，然后經(jīng)過滲碳、淬火、回火處理，以提高表面硬度，增強(qiáng)齒輪耐磨性[19]。 本設(shè)計(jì)變速箱齒輪采用低碳鋼，擬定的工藝路線如下： 鍛造毛坯 正火處理 粗切 調(diào)質(zhì)處理 精切 滲碳淬火 低溫回火 磨齒 4.1.3 各軸的轉(zhuǎn)矩的確定 本設(shè)計(jì)中發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，齒輪的傳動(dòng)效率，離合器的傳動(dòng)效率，軸承的傳動(dòng)效率。 輸入軸 ==380×96%×99%=361.15N·m 輸出軸一擋 =1247.78N·m 輸出軸二擋 =702.08N·m 輸出軸三擋 =464.44N·m 輸出軸四擋 =361.15N·m 輸出軸五擋 =288.92N·m 倒擋 =568.340N·m =531.310N·m 4.2 齒輪的強(qiáng)度校核 4.2.1 輪齒的失效模式 在啊變速器使用過程中，輪齒的損壞會(huì)導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)的失效，這是非常嚴(yán)重的，而輪齒的失效主要包括輪齒折斷和工作齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合及塑性變形等[20]。同時(shí)由于換擋過程中，兩個(gè)齒輪進(jìn)入嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷，也會(huì)加劇齒輪的斷裂。這就需要提高齒輪的質(zhì)量，同時(shí)設(shè)計(jì)同步器來降低齒輪磨損。本設(shè)計(jì)的齒輪主要用剃齒方式對齒輪進(jìn)行精加工，熱處理工藝采用常用的滲碳淬火[20]。 4.2.2 彎曲強(qiáng)度的計(jì)算 圖4-1 齒形系數(shù)圖 1、倒檔直齒 輪彎曲應(yīng)力 式中：—彎曲應(yīng)力（MPa）； —理論載荷（N.mm）； —應(yīng)力集中系數(shù)，本設(shè)計(jì)取； —摩擦力系數(shù)，主動(dòng)齒輪取，從動(dòng)齒輪取； —齒寬（mm）； —模數(shù)； —齒寬系數(shù)；倒檔取7.5 —齒形系數(shù)，如圖4-1。 根據(jù)變速器設(shè)計(jì)手冊可知，當(dāng)理論載荷為變速器輸入軸上的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，倒擋軸齒輪的許用彎曲應(yīng)力在400～850MPa之間[20]， 倒擋齒輪的彎曲應(yīng)力 ，，： =12，=23，=38，=0.132，=0.134，=0.138，=273.041N.m，=174.87N.m, =428.736N·m =818.195MPa<400～850MPa =537.233MPa<400～850MPa =495.786MPa<400～850MPa 2、 斜齒輪彎曲應(yīng)力 式中：—理論載荷，N·mm； —法向模數(shù)，mm； —齒數(shù)； —斜齒輪螺旋角，°； —應(yīng)力集中系數(shù)，本設(shè)計(jì)??； —齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖4-1中查得； —齒寬系數(shù)，取7.5 —重合度影響系數(shù)，=2.0。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知，汽車變速器常嚙合齒輪的許用應(yīng)力一般在180～350MPa范圍內(nèi)。 （1）計(jì)算一擋齒輪的彎曲應(yīng)力 、 =11，=38，=0.135，=0.143，=1247.78N.m，=361.15N.m， =336.942MPa<180～350MPa =243.789MPa<180～350MPa （2）計(jì)算二擋齒輪的彎曲應(yīng)力 、 =18，=35，=0.146，=0.148，=702.08N.m，=361.15N.m， =247.784MPa<180～350MPa =221.028MPa<180～350MPa （3）計(jì)算三擋齒輪的彎曲應(yīng)力 、 =28，=36，=0.144，=0.145，=464.44N.m，=361.15N.m =164.820MPa<180～350MPa =188.83MPa<180～350MPa （4）計(jì)算四擋齒輪的彎曲應(yīng)力 、 =32，=31，=0.145，=0.146，=361.15N.m，=361.15N.m =142.085MPa<180～350MPa =159.75MPa<180～350MPa （5）計(jì)算五擋齒輪的彎曲應(yīng)力 、 =35，=28，=0.148，=0.142，=288.92N.m，=361.15N.m =125.075MPa<180～350MPa =121.603MPa<180～350MPa 4.2.3 輪齒接觸應(yīng)力的計(jì)算 式中：-理論載荷N.mm； -輪齒的接觸應(yīng)力MPa -節(jié)圓的直徑mm； -壓力角； -螺旋角； -齒輪材料的彈性模量MPa； -齒輪嚙合寬度mm； 、-主、從動(dòng)齒輪的曲率半徑，mm，直齒輪、，斜齒輪、； 、-主、從動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑(mm)。 當(dāng)作用在變速器輸入軸上的理論載荷=時(shí)，變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力如表4-1所示： 表4-1　變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力 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 彈性模量=20.6×104 N·mm-2，齒寬 （1）計(jì)算一擋齒輪1，2的接觸應(yīng)力 =1247.78N.m，=361.15N.m， ，， =41.2mm， =114.79 mm =8.56mm =23.86mm =1642.835MPa<1900～2000MPa =1601.568MPa<1900～2000MPa （2）計(jì)算二擋齒輪3，4的接觸應(yīng)力 =702.08N.m，=361.15N.m，，， =54.736mm， =101.263mm =12.137mm =22.455