哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的部件，它的設(shè)計(jì)好壞將直接影響到汽車的實(shí)際使用性能。變速器用來改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步，爬坡，轉(zhuǎn)彎，加速等各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋和倒擋。需要時(shí)變速器還有動(dòng)力輸出功能。
因?yàn)樽兯傧湓诘蜋n工作時(shí)作用有較大的力，所以一般變速箱的低檔都布置靠近軸的后支承處，然后按照從低檔到高檔順序布置各檔位齒輪。這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證裝配容易。變速箱整體結(jié)構(gòu)剛性與軸和殼體的結(jié)構(gòu)有關(guān)系。一般通過控制軸的長(zhǎng)度即控制檔數(shù)，來保證變速箱有足夠的剛性。
本文設(shè)計(jì)研究了兩軸式五擋手動(dòng)變速器，對(duì)變速器的工作原理做了闡述，變速器的各擋齒輪和軸做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了選型。變速器的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)并講述了變速器中各部件材料的選擇。
關(guān)鍵詞 擋數(shù)；傳動(dòng)比；齒輪；軸；強(qiáng)度校核
Abstract
Transmission is more cruical in automotive driveline components, it is dseigned to ditectly affect the quality of the actual use of performance automobiles. Transmission to change the engine reached on the driving wheel torque and speed, is aimed at marking start, climbing, turning, accelerate various driving conditions, the car was different traction and speed Meanwhile engine in the most favorable working conditions within the scope of the work. And the trans mission in neutral gear with reverse gear. Transmission also need power output function.
Gearbox because of the low-grade work at a larger role, In general, the low-grade gearbox layout are close to the axis after support, Following from low-grade to high-grade order of the layout of stalls gear. This will not only allow axis are large enough for a rigid, but also ensures easy assembly. Gear box overall structure and rigid axle and the shell structure of relations. Generally through the control shaft length control over several stalls to ensure that adequate gear box rigid.
This paper describes the design of two-axis five block manual trans mission, the transmission principle of work elaborated, Transmission of the gear shaft and do a detailed design, and the intensity of a school. For some standard parts for the selection. Transmission Trans mission program design. A brief description of the trans mission of all components of the material choice.
Keywords Block Transmission ratio Gear Axis Checking
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.1.1 設(shè)計(jì)二軸五檔變速器的目的和意義 2
1.1.2 汽車變速器設(shè)計(jì)要求 2
1.1.3 研究變速的現(xiàn)狀 3
1.2 變速器的設(shè)計(jì)思想 3
第2章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與操縱機(jī)構(gòu)的布置 4
2.1 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置方案 4
2.1.1 變速器傳動(dòng)方案分析與選擇 4
2.1.2 倒檔布置方案 5
2.2 操縱機(jī)構(gòu)布置方案 6
2.2.1 概述 6
2.2.2 典型的操縱機(jī)構(gòu)以及鎖止裝置 7
2.3 本章小結(jié) 9
第3章 變速器設(shè)計(jì)的總體方案 10
3.1 變速器主要參數(shù)的選擇 10
3.1.1 檔數(shù) 10
3.1.2 傳動(dòng)比范圍 10
3.1.3 變速器各檔傳動(dòng)比確定 11
3.1.4 中心距的選擇 12
3.1.5 齒輪參數(shù)的選擇 13
3.1.6 各擋齒輪的分配及傳動(dòng)比的計(jì)算 14
3.2 變速器齒輪強(qiáng)度校核 20
3.2.1 變速器齒輪彎曲強(qiáng)度的校核 21
3.2.2 輪齒接觸應(yīng)力的校核 22
3.2.3 變速器齒輪的材料及熱處理 23
3.3 軸的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì) 24
3.3.1 初選軸的直徑 24
3.3.2 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算 25
3.4 主減速比的計(jì)算 33
3.4.1 主減速齒輪計(jì)算載荷的確定 33
3.4.2 主減速器基本參數(shù)的選擇 34
3.4.3 主減速器螺旋錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 36
3.4.4 主減速器齒輪的材料及熱處理 39
3.5 差速器設(shè)計(jì) 39
3.5.1 差速器齒輪的基本參數(shù)選擇 40
3.5.2 差速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算與強(qiáng)度計(jì)算 41
3.6 本章小結(jié) 44
第4章 變速器同步器其它零件設(shè)計(jì) 46
4.1 運(yùn)慣性式同步器 46
4.1.1 鎖環(huán)式同步器的結(jié)構(gòu) 46
4.1.2 鎖環(huán)式同步器的工作原理 46
4.1.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 47
4.2 主要參數(shù)的確定 48
4.2.1 摩擦因數(shù)f 48
4.2.2 同步環(huán)主要尺寸的確定 48
4.2.3 鎖止角 50
4.2.4 同步時(shí)間 50
4.3 變速器箱體設(shè)計(jì)原則 50
4.4 本章小結(jié) 51
結(jié) 論 52
致 謝 53
參考文獻(xiàn) 54
附錄1 55
附錄2 57
-59-
第1章 緒論
1.1 概述
隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人們生活水平的迅速提高，汽車（尤其是轎車）作為一種必不可少的交通工具已走進(jìn)千家萬戶?？傊?，汽車工業(yè)的發(fā)展水平直接代表著一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的實(shí)力。中國(guó)未來10年，經(jīng)濟(jì)型轎車至少應(yīng)翻一番。因此設(shè)計(jì)一種適合我國(guó)國(guó)情的經(jīng)濟(jì)型轎車的變速器具有十分重要的意義，而且也符合全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的要求，小排量低排放的經(jīng)濟(jì)型轎車肯定是未來汽車的主力。汽車的發(fā)展經(jīng)歷了三大革命，動(dòng)力革命（內(nèi)燃機(jī)的使用），傳動(dòng)革命（機(jī)械傳動(dòng)的完善和液體傳動(dòng)的使用）和控制革命（用傳感器、微機(jī)和電液閥進(jìn)行信息處理）。
從先進(jìn)國(guó)家來看，動(dòng)力革命和傳動(dòng)革命已經(jīng)完成，目前正處于控制革命階段，要解決的主要是機(jī)械太“機(jī)械”，沒有靈性的問題，過去機(jī)械全靠人來操縱控制，然而人的生理和心理能力（感覺器官的功能、頭腦分析的能力和體能）是有限的，操縱汽車這樣復(fù)雜的機(jī)械對(duì)于人來說體力和腦力負(fù)擔(dān)是很重要的，更主要的是單靠人力操縱將阻礙汽車的發(fā)展和其性能的提高。因此必須對(duì)汽車各部分（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、懸架、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等）進(jìn)行自動(dòng)控制，并從各部分的單獨(dú)控制向整車一體化控制發(fā)展，從一般控制向智能控制發(fā)展。要解決機(jī)械信息處理能力問題，機(jī)械本身是無能為力的，液壓控制在性能上也達(dá)不到要求，必須引入具有良好控制性能和信息處理能力的電子技術(shù)。但是僅僅采用機(jī)電液技術(shù)還不夠，還需要應(yīng)用聲學(xué)、光學(xué)、和化學(xué)等多學(xué)科技術(shù)才能使機(jī)械具有良好的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化。
變速器是汽車傳動(dòng)系中一個(gè)比較關(guān)鍵的部件，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到汽車的使用性能。隨著汽車工業(yè)的告訴發(fā)展和現(xiàn)汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的開發(fā)和應(yīng)用，人們對(duì)汽車變速器的設(shè)計(jì)要求是越來越高。其中，減少變速器體積，提高變速器可靠性以及改善其與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配更是當(dāng)前急需解決的重要問題！
兩軸式變速器與三變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且除到檔外其他各檔的傳動(dòng)效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車的動(dòng)力—傳動(dòng)系統(tǒng)緊湊、操縱性好且使汽車質(zhì)量降低6%~10%。兩軸式變速器縱置時(shí)，傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（即輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體從而簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了成本）。
1.1.1 設(shè)計(jì)二軸五檔變速器的目的和意義
變速器是汽車傳動(dòng)系中一個(gè)比較關(guān)鍵的部件，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到汽車的使用性能。隨著汽車工業(yè)的告訴發(fā)展和現(xiàn)汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的開發(fā)和應(yīng)用，人們對(duì)汽車變速器的設(shè)計(jì)要求是越來越高。其中，減少變速器體積，提高變速器可靠性以及改善其與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配更是當(dāng)前急需解決的重要問題！
本課題將可靠?jī)?yōu)化二軸五檔變速器設(shè)計(jì)理論應(yīng)用汽車機(jī)械式變速器齒數(shù)系的設(shè)計(jì)中，根據(jù)汽車的動(dòng)力性要求，在保證零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度可靠使用的條件下，以變速器體積最小化和功率使用最大化為目標(biāo)函數(shù)，通過可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對(duì)比，使變速器設(shè)計(jì)得到一個(gè)更可靠的優(yōu)化。
1.1.2 汽車變速器設(shè)計(jì)要求
汽車傳動(dòng)系是汽車的核心組成部分。其任務(wù)是調(diào)節(jié)、變換發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，將動(dòng)力有效而經(jīng)濟(jì)地傳至驅(qū)動(dòng)車輪，以滿足汽車的使用要求。變速器是完成傳動(dòng)系任務(wù)的重要部件，也是決定整車性能的主要部件之一。變速器的結(jié)構(gòu)要求對(duì)汽車的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性、換檔操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，轎車變速器的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是增大其傳遞功率與重量之比，并要求其具有更小的尺寸和良好的性能。在汽車變速器的設(shè)計(jì)工作開始之前，首先要根據(jù)變速器運(yùn)用的實(shí)際場(chǎng)合來對(duì)一些主要參數(shù)做出選擇。主要參數(shù)包括中心距、變速器軸向尺寸、軸的直徑、齒輪參數(shù)、各檔齒輪的齒數(shù)等。
（1） 正確選擇變速器的檔位數(shù)和傳動(dòng)比，使之與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化匹配，以保證汽車具有良好的動(dòng)力性與經(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)置倒擋，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；
（7） 變速器應(yīng)有高的工作效率；
（8） 變速器的工作噪聲低。
除此之外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小、制造成本低、拆裝容易、維修方便等要求。
1.1.3 研究變速的現(xiàn)狀
眾所周知，中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的轎車車型，90%都來自日本和德國(guó)技術(shù)，更確切地說，是來自于日本豐田和德國(guó)大眾技術(shù)。國(guó)內(nèi)的許多車廠在研發(fā)、生產(chǎn)方式上，或是購買技術(shù)，或是與德·日方聯(lián)合經(jīng)營(yíng)，自主獨(dú)立開發(fā)的能力相對(duì)欠缺。因此，我國(guó)的轎車車型及所屬關(guān)緊部件的研發(fā)方面的發(fā)展相對(duì)滯后，進(jìn)而造成國(guó)內(nèi)的許多老型產(chǎn)品一干就是十幾年，甚至二十幾年的尷尬局面。但是根據(jù)我們國(guó)家的實(shí)際現(xiàn)狀，目前中國(guó)市場(chǎng)對(duì)轎車的需求，在短時(shí)間內(nèi)，甚至相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)轎車仍然具有一定的發(fā)展的空間。
汽車變速器發(fā)展經(jīng)歷了100多年，從最初采用側(cè)鏈傳動(dòng)到手動(dòng)變速器，到現(xiàn)在的液力自動(dòng)變速器和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器，再向無級(jí)自動(dòng)變速器方向發(fā)展。變速器是汽車傳動(dòng)系的重要組成部分，其發(fā)展無疑代表著汽車工業(yè)的發(fā)展，它的設(shè)計(jì)也是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。手動(dòng)變速器(MT)主要采用齒輪傳動(dòng)的降低原理，變速器內(nèi)有多組傳動(dòng)比不同的齒輪副，汽車行駛時(shí)的換擋就是通過操縱機(jī)構(gòu)使變速器內(nèi)不同的齒輪副工作。
我國(guó)汽車工業(yè)采用CAD技術(shù)，從無到有，至今已有十多年的歷史。與其他機(jī)械產(chǎn)品相比，汽車行業(yè)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的投入比較多。各汽車廠紛紛引進(jìn)軟硬件并逐步建立了計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)。AutoCAD在用戶的心目中也變成了二維設(shè)計(jì)軟件的縮影。
1.2 變速器的設(shè)計(jì)思想
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的轎車的基本參數(shù)，及發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)。
（1） 發(fā)動(dòng)機(jī)排量2.0升；
（2） 五個(gè)前進(jìn)擋，一個(gè)倒檔；
（3） 輸入、輸出軸保證兩點(diǎn)支承；
（4） 采用同步器，保證可靠平穩(wěn)換擋；
（5） 齒輪、軸及軸承滿足使用要求。
第2章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與操縱機(jī)構(gòu)的布置
2.1 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置方案
2.1.1 變速器傳動(dòng)方案分析與選擇
機(jī)械式變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、制造成本底和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。機(jī)械式變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案主要有兩種：兩軸式變速器和中間軸式變速器。
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。與中間軸式變速器相比，它具有軸和軸承數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輪廓尺寸小、易布置等優(yōu)點(diǎn)。此外，各中間檔因只經(jīng)一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)，故傳動(dòng)效率高，同時(shí)噪聲小。但兩軸式變速器不能設(shè)置直接檔，所以在工作時(shí)齒輪和軸承均承載，工作噪聲增大且易損壞，受結(jié)構(gòu)限制其一檔速比不能設(shè)計(jì)的很大。其特點(diǎn)是：變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)直接輸出動(dòng)力。
而中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)的汽車上。其特點(diǎn)是：變速器一軸后端與常嚙合齒輪做成一體絕大多數(shù)方案的第二軸與一軸在同一條直線上，經(jīng)嚙合套將它們連接后可得到直接檔，使用直接檔變速器齒輪和軸承及中間軸不承載，此時(shí)噪聲低，齒輪、軸承的磨損減少。
對(duì)不同類型的汽車，具有不同的傳動(dòng)系檔位數(shù)，其原因在于它們的使用條件不同、對(duì)整車性能要求不同、汽車本身的比功率不同[5]。而傳動(dòng)系的檔位數(shù)與汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有著密切的聯(lián)系。就動(dòng)力性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會(huì)，提高了汽車的加速和爬坡能力。就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低燃油消耗率區(qū)下作的能力，降低了油耗。從而能提高汽車生產(chǎn)率，降低運(yùn)輸成木。不過，增加檔數(shù)會(huì)使變速器機(jī)構(gòu)復(fù)雜和質(zhì)量增加，軸向尺寸增大、成本提高、操縱復(fù)雜。
綜上所述，此次設(shè)計(jì)變速器是驅(qū)動(dòng)形式屬于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)，且可布置變速器的空間較小，對(duì)變速器的要求較高，要求運(yùn)行噪聲小，設(shè)計(jì)車速高，故選用二軸式變速器作為傳動(dòng)方案。選擇5檔變速器，并且五檔為超速檔。大體結(jié)構(gòu)可參考如圖2-1所示的結(jié)構(gòu)。
圖2-1 發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)布置示意圖
2.1.2 倒檔布置方案
常見的倒檔布置方案如圖2-2所示。圖2-2b方案的優(yōu)點(diǎn)是倒檔利用了一檔齒輪，縮短了中間軸的長(zhǎng)度。但換檔時(shí)有兩對(duì)齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換檔困難；圖2-2c方案能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換檔程序不合理；圖2-2d方案對(duì)2-2c的缺點(diǎn)做了修改；圖2-2e所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，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的齒輪，換檔換更為輕便。
圖2-2 倒檔的布置方案
綜合考慮以上因素，為了換檔輕便，減小噪聲，倒檔傳動(dòng)采用圖2.2f所示方案。
2.2 操縱機(jī)構(gòu)布置方案
2.2.1 概述
根據(jù)汽車使用條件的需要，駕駛員利用操縱機(jī)構(gòu)完成選檔和實(shí)現(xiàn)換檔或退到空檔。變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求[9]：換檔時(shí)只能掛入一個(gè)檔位，換檔后應(yīng)使齒輪在全齒長(zhǎng)上嚙合，防止自動(dòng)脫檔或自動(dòng)掛檔，防止誤掛倒檔，換檔輕便。
變速器操縱機(jī)構(gòu)通常裝在頂蓋或側(cè)蓋內(nèi)，也有少數(shù)是分開的。變速器操縱機(jī)構(gòu)操縱第二軸上的滑動(dòng)齒輪、嚙合套或同步器得到所需不同檔位。
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、自鎖和倒檔裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選檔、換檔或推到空檔工作，稱為手動(dòng)換檔變速器。
直接操縱式手動(dòng)換檔變速器當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近時(shí)，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檔功能的手動(dòng)換檔變速器，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，各檔同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，但它要求各檔換檔行程相等。
2.2.2 典型的操縱機(jī)構(gòu)以及鎖止裝置
圖2-3 典型的操縱機(jī)構(gòu)圖
定位裝置的作用是將被嚙合件保持在一定位置上，并防止自動(dòng)嚙合和分離，一般采
用彈簧和鋼球式機(jī)構(gòu)。
1、 換檔機(jī)構(gòu)
變速器換檔機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器換檔三種形式。
采用軸向滑動(dòng)直齒齒輪換檔，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過早損壞，并伴隨著噪聲。因此，除一檔、倒檔外已很少使用。
常嚙合齒輪可用移動(dòng)嚙合套換檔。因承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，嚙合套不會(huì)過早被損壞，但不能消除換檔沖擊。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型貨車變速器上應(yīng)用。
使用同步器能保證換檔迅速、無沖擊、無噪聲，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。同上述兩種換檔方法比較，雖然它有結(jié)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。利用同步器或嚙合套換檔，其換檔行程要比滑動(dòng)齒輪換檔行程小。
通過比較，考慮汽車的操縱性能，本設(shè)計(jì)全部檔位均選用同步器換檔。
2、 防脫檔設(shè)計(jì)
互鎖裝置是保證移動(dòng)某一變速叉軸時(shí)，其它變速叉軸互被鎖住，該機(jī)構(gòu)的作用是防止同時(shí)掛入兩檔，而使掛檔出現(xiàn)重大故障。常見的互鎖機(jī)構(gòu)有：
（1） 互鎖銷式
圖2-4是汽車上用得最廣泛的一種機(jī)構(gòu)，互鎖銷和頂銷裝在變速叉軸之間，用銷子的長(zhǎng)度和凹槽來保證互鎖。
圖2-4，a為空檔位置，此時(shí)任一叉軸可自由移動(dòng)。圖2-4，b、c、d為某一叉軸在工作位置，而其它叉軸被鎖住。
（2） 擺動(dòng)鎖塊式
圖2-5為擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu)工作示意圖，鎖塊用同心軸螺釘安裝在殼體上，并可繞螺釘軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)，操縱桿的撥頭置于鎖塊槽內(nèi)，此時(shí)，鎖塊的一個(gè)或兩個(gè)突起部分A檔住其它兩個(gè)變速叉軸槽，保證換檔時(shí)不能同時(shí)掛入兩檔。
（3） 轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式
圖2-6為與上述鎖塊機(jī)構(gòu)原理相似的轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式互鎖裝置。操縱桿撥頭置于鉗口中，鉗形板可繞A軸轉(zhuǎn)動(dòng)。選檔時(shí)操縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)鉗形板選入某一變速叉軸槽內(nèi)，此時(shí)鉗形板的一個(gè)或兩個(gè)鉗爪抓住其它兩個(gè)變速叉，保證互鎖作用。
圖2-5 擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu)
圖2-6轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式互鎖機(jī)操縱機(jī)
構(gòu)還應(yīng)設(shè)有保證不能誤掛倒檔的機(jī)構(gòu)。通常是在倒檔叉或叉頭上裝有彈簧機(jī)構(gòu)，使司機(jī)在換檔時(shí)因有彈簧力作用，產(chǎn)生明顯的手感。
鎖止機(jī)構(gòu)還包括自鎖、倒檔鎖兩個(gè)機(jī)構(gòu)。
自鎖機(jī)構(gòu)的作用是將滑桿鎖定在一定位置，保證齒輪全齒長(zhǎng)參加嚙合，并防止脫檔和掛檔。自鎖機(jī)構(gòu)有球形鎖定機(jī)構(gòu)與桿形鎖定機(jī)構(gòu)兩種類型。
倒檔鎖的作用是使駕駛員必須對(duì)變速桿施加更大的力，方能掛入倒檔，起到提醒注意的作用，以防誤掛倒檔，造成安全事故。本次設(shè)計(jì)屬于前置前輪驅(qū)動(dòng)的轎車，操縱機(jī)構(gòu)采用直接操縱方式，鎖定機(jī)構(gòu)全部采用，即設(shè)置自鎖、互鎖、倒檔鎖裝置。采用自鎖鋼球來實(shí)現(xiàn)自鎖，通過互鎖銷實(shí)現(xiàn)互鎖。倒檔鎖采用限位彈簧來實(shí)現(xiàn)，使駕駛員有感覺，防止誤掛倒檔。
2.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置方案和零、部件結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并給出了此次設(shè)計(jì)的具體方案，即設(shè)計(jì)兩軸式變速器，倒擋布置方案如圖2-2（f）所示，前進(jìn)擋皆為斜齒圓柱齒輪，倒擋為直齒圓柱齒輪，采用全同步器式換擋形式，圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承。并且對(duì)操縱機(jī)構(gòu)做了詳細(xì)的介紹，說明了常用的鎖止機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理。
第3章 變速器設(shè)計(jì)的總體方案
3.1 變速器主要參數(shù)的選擇
本次變速器設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如下表4-1所示。
表4-1 主要參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率
115kw
車輪型號(hào)
215/60R15
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩
189N·m
最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速
6300r/min
最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速
4300r/min
最高車速
200km/h
總質(zhì)量
1430kg
整備質(zhì)量
2500kg
3.1.1 檔數(shù)
近年來，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前，乘用車一般用4～5個(gè)檔位的變速器。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車變速器多用5個(gè)檔。商用車變速器采用4～5個(gè)檔或多檔。載質(zhì)量在2.0～3.5t的貨車采用五檔變速器，載質(zhì)量在4.0～8.0t的貨車采用六檔變速器。多檔變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車和越野汽車上。
3.1.2 傳動(dòng)比范圍
變速器傳動(dòng)比范圍是指變速器最高檔與最低檔傳動(dòng)比的比值。最高檔通常是直接檔，傳動(dòng)比為1.0；有的變速器最高檔是超速檔，傳動(dòng)比為0.7～0.85。影響最低檔傳動(dòng)比選取的因素有：發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最大爬坡能力、驅(qū)動(dòng)輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑以及所要求達(dá)到的最低穩(wěn)定行駛車速等。目前乘用車的傳動(dòng)比范圍在3.0～4.5之間，總質(zhì)量輕些的商用車在5.0～8.0之間，其它商用車則更大。
傳動(dòng)比范圍的選擇要求：
1、 相鄰檔位之間的傳動(dòng)比比值在1.8以下。
2、 高檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動(dòng)比比值要比低檔區(qū)相鄰檔位之間的比值小。
因此，本次設(shè)計(jì)的轎車變速器為5檔變速器，最高檔傳動(dòng)比初定為0.8左右。
3.1.3 變速器各檔傳動(dòng)比確定
（1）主減速器傳動(dòng)比的確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系為： （3.1）
式中 ——汽車行駛速度（km/h）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——車輪滾動(dòng)半徑（m）；
——變速器傳動(dòng)比；
——主減速器傳動(dòng)比。
由上文可知最高車速==189km/h；最高檔為超速檔，傳動(dòng)比=0.75；車輪滾動(dòng)半徑由所選用的輪胎規(guī)格215/60R15得到=267.65（mm）；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速==4300（r/min）；由公式（4.1）得到主減速器傳動(dòng)比計(jì)算公式：
（2）確定變速器一擋傳動(dòng)比
汽車爬陡坡時(shí)車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動(dòng)力用于克服輪胎與路間的滾動(dòng)阻力及爬坡阻力。故有：，則由最大爬坡度要求的變速器一擋傳動(dòng)比為[1]：
（3.2）
式中：m——汽車總質(zhì)量，1430kg；
g——重力加速度，9.8；
——道路最大阻力系數(shù)，由于一般瀝青或混凝土路面滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.018~0.020，故取f=0.019；最大爬坡度，故坡角，所以為0.359；
——驅(qū)動(dòng)車輪滾動(dòng)半徑，0.267mm；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，189N·m；
——主減速比，4；
——汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，轎車可取0.9~0.92，故選為0.9。
由公式（2.2）得：；
根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件，求得變速器一擋傳動(dòng)比為[1]：
（3.3）
式中：——汽車滿載靜止于水平路面時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的乘用車，滿載時(shí)后軸占55%~65%，故取=60%mg；
——道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取=0.55~0.65，故選為0.6；
，，，——見式（3.2）下說明。
由公式（3.3）得：；最終取。
（3）變速器各檔速比的配置
按等比級(jí)數(shù)分配其它各檔傳動(dòng)比，即：
3.1.4 中心距的選擇
初選中心距可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[14]：
（3.4）
式中：
A ——變速器中心距（mm）；
——中心距系數(shù)，乘用車=8.9~9.3；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)距為189（N·m）；
——變速器一檔傳動(dòng)比為3.5；
——變速器傳動(dòng)效率，取96%。
（8.9~9.3）=（8.9-9.3）8.375=74.54~77.89mm
轎車變速器的中心距在60～80mm范圍內(nèi)變化。初取A=80mm。
3.1.5 齒輪參數(shù)的選擇
1. 模數(shù)m
齒輪模數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，并且影響它的選取因素又很多，如齒輪的強(qiáng)度、質(zhì)量、噪聲、工藝要求等。對(duì)于乘用車為了減少噪聲應(yīng)合理減小模數(shù)，乘用車和總質(zhì)量在1.8~14.0t的貨車為2.0~3.5mm，取m=2.5mm。
2. 壓力角
壓力角較小時(shí)，重合度較大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲較低；壓力角較大時(shí)，可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。
對(duì)于轎車，為了降低噪聲，應(yīng)選用14.5°、15°、16°、16.5°等小些的壓力角。對(duì)貨車，為提高齒輪強(qiáng)度，應(yīng)選用22.5°或25°等大些的壓力角[15]。
國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以普遍采用的壓力角為20°。嚙合套或同步器的壓力角有20°、25°、30°等，普遍采用30°壓力角。
本變速器為了加工方便，故全部選用標(biāo)準(zhǔn)壓力角20°。
3. 螺旋角
齒輪的螺旋角對(duì)齒輪工作噪聲、輪齒的強(qiáng)度和軸向力有影響。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)證明：隨著螺旋角的增大，齒的強(qiáng)度相應(yīng)提高，但當(dāng)螺旋角大于30°時(shí)，其抗彎強(qiáng)度驟然下降，而接觸強(qiáng)度仍繼續(xù)上升。因此，從提高低檔齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，并不希望用過大的螺旋角；而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)度著眼，應(yīng)當(dāng)選用較大的螺旋角。
本設(shè)計(jì)初選螺旋角全部為28°。
4. 齒寬b
齒寬的選擇既要考慮變速器的質(zhì)量小，軸向尺寸緊湊，又要保證輪齒的強(qiáng)度及工作平穩(wěn)性的要求，通常是根據(jù)齒輪模數(shù)來確定齒寬b。，其中為齒寬系數(shù)。變速器中一般倒擋采用直齒圓柱齒輪=4.5~8.0；常嚙合及其他擋位用斜齒圓柱齒輪=6.0~8.5。
5. 齒頂高系數(shù)
齒頂高系數(shù)對(duì)重合度、輪齒強(qiáng)度、工作噪聲、輪齒相對(duì)滑動(dòng)速度、輪齒根切和齒頂厚度等有影響。一般齒輪的齒頂高系數(shù)，為一般汽車變速器齒輪所采用。
3.1.6 各擋齒輪的分配及傳動(dòng)比的計(jì)算
分配齒數(shù)時(shí)應(yīng)注意的是，各擋齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使齒面磨損均勻。
（1）確定一擋齒輪的齒數(shù)
由于一擋采用斜齒輪傳動(dòng)，所以齒數(shù)和=56，修正后得。
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)生根切和湊配中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性、耐磨損、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲[6]。
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，得；
由于湊配中心距與原中心距相等即為高度變位。
。兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，全齒高不變。一擋齒輪參數(shù)如表3.1。
表3.1 一擋齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
端面壓力角
2
分度圓直徑
3
齒頂高
4
齒根高
5
齒頂圓直徑
6
齒根圓直徑
7
當(dāng)量齒數(shù)
8
齒寬
（2）確定二擋齒輪的齒數(shù)
二擋齒輪是斜齒輪，螺旋角與一檔嚙合齒輪不同，由得：
（3.5）
此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，還必須滿足下列關(guān)系式：
（3.6）
聯(lián)解上述三個(gè)方程式，采用試湊法，選定螺旋角，解式（3.4）（3.5）求出。
再把代入式（3.6），檢查近似滿足軸向力平衡關(guān)系
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，得；
由于湊配中心距與原中心距相等即為高度變位。
。兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，全齒高不變。二擋齒輪參數(shù)如表3.2。
表3.2 二擋齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
端面壓力角
2
分度圓直徑
3
齒頂高
4
齒根高
5
齒頂圓直徑
6
齒根圓直徑
7
當(dāng)量齒數(shù)
8
齒寬
（3）確定三擋齒輪的齒數(shù)
二擋齒輪是斜齒輪，螺旋角與一檔嚙合齒輪不同，由得：
（3.5）
此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，還必須滿足下列關(guān)系式：
（3.6）
聯(lián)解上述三個(gè)方程式，采用試湊法，選定螺旋角，解式（3.4）（3.5）求出。
再把代入式（3.6），檢查近似滿足軸向力平衡關(guān)系
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，得；
由于湊配中心距與原中心距相等即為高度變位。
。兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，全齒高不變。三擋齒輪參數(shù)如表3.3。
表3.3 三擋齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
端面壓力角
2
分度圓直徑
3
齒頂高
4
齒根高
5
齒頂圓直徑
6
齒根圓直徑
7
當(dāng)量齒數(shù)
8
齒寬
（4）確定四擋齒輪的齒數(shù)
二擋齒輪是斜齒輪，螺旋角與一檔嚙合齒輪不同，由得：而 （3.5）
此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，還必須滿足下列關(guān)系式：
（3.6）
聯(lián)解上述三個(gè)方程式，采用試湊法，選定螺旋角，解式（3.4）（3.5）求出。
再把代入式（3.6），檢查近似滿足軸向力平衡關(guān)系
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，得；
由于湊配中心距與原中心距相不等即為角度度變位。
。兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，全齒高不變。四擋齒輪參數(shù)如表3.4。
表3.4四擋齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
端面壓力角
2
分度圓直徑
3
齒頂高
4
齒根高
5
齒頂圓直徑
6
齒根圓直徑
7
當(dāng)量齒數(shù)
8
齒寬
（5）確定五擋齒輪的齒數(shù)
二擋齒輪是斜齒輪，螺旋角與一檔嚙合齒輪不同，由得：
（3.5）此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，還必須滿足下列關(guān)系式：
（3.6）
聯(lián)解上述三個(gè)方程式，采用試湊法，選定螺旋角，解式（3.4）（3.5）求出。
再把代入式（3.6），檢查近似滿足軸向力平衡關(guān)系
湊配中心距；
斜齒端面模數(shù)；
嚙合角，得；
由于湊配中心距與原中心距相等即為高度變位。
。兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，全齒高不變。五擋齒輪參數(shù)如表3.5。
表3.5 五擋齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
端面壓力角
2
分度圓直徑
3
齒頂高
4
齒根高
5
齒頂圓直徑
6
齒根圓直徑
7
當(dāng)量齒數(shù)
8
齒寬
（6）確定倒擋齒輪齒數(shù)
初選倒檔軸上齒輪齒數(shù)為=25，輸入軸齒輪齒數(shù)=13，為保證倒檔齒輪的嚙合不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉齒輪和齒輪的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙，即滿足以下公式：
（3.7）
已知：，，，把數(shù)據(jù)代入（3.7）式，齒數(shù)取整，解得：，則倒檔傳動(dòng)比為：
輸入軸與倒檔軸之間的距離：
mm
輸出軸與倒檔軸之間的距離：
mm
表3.6 倒擋齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
分度圓直徑
2
齒頂高
3
齒根高
4
齒頂圓直徑
5
齒根圓直徑
6
基圓直徑
7
齒寬
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
分度圓直徑
2
齒頂高
3
齒根高
4
齒頂圓直徑
5
齒根圓直徑
6
基圓直徑
7
齒寬
3.2 變速器齒輪強(qiáng)度校核
變速器齒輪的損壞形式主要有：輪齒折斷、齒面疲勞剝落（點(diǎn)蝕）、移動(dòng)換擋齒輪端部破壞以及齒面膠合。
輪齒折斷發(fā)生在下述幾種情況下：輪齒受到足夠大的沖擊載荷作用，造成輪齒彎曲折斷；輪齒在重復(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)的極少，而后者出現(xiàn)的多些[3]。變速器抵擋小齒輪由于載荷大而齒數(shù)少，齒根較弱，其主要破壞形式就是這種彎曲疲勞斷裂。
齒面點(diǎn)蝕是常用的高擋齒輪齒面接觸疲勞的破壞形式。點(diǎn)蝕使齒形誤差加大而產(chǎn)生動(dòng)載荷，甚至可能引起輪齒折斷。通常是靠近節(jié)圓根部齒面點(diǎn)蝕較靠近節(jié)圓頂部齒面處的點(diǎn)蝕嚴(yán)重；主動(dòng)小齒輪較被動(dòng)大齒輪嚴(yán)重。
3.2.1 變速器齒輪彎曲強(qiáng)度的校核
1）直齒輪彎曲應(yīng)力
（3.8）
式中：——計(jì)算載荷（N·mm）；
——應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.65；
——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；
——齒寬系數(shù)；
y——齒形系數(shù)。
倒擋主動(dòng)輪3，查手冊(cè)得y=0.165，代入（3.8）得；
倒擋傳動(dòng)齒輪13，查手冊(cè)得y=0.173，代入（3.8）得；
倒擋從動(dòng)輪11，查手冊(cè)得y=0.182，代入（3.8）得；
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)，倒擋直齒輪許用彎曲應(yīng)力在400~800Mpa，承受雙向交變載荷作用的倒擋齒輪的許用應(yīng)力應(yīng)取下限。
故<[]，彎曲強(qiáng)度足夠。
（2）斜齒輪彎曲應(yīng)力
（3.7）
式中：——計(jì)算載荷（N·mm）；
——斜齒輪螺旋角；
——應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.50；
Z——齒數(shù)；
——法向模數(shù)（mm）；
y——齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖中查得；
——齒寬系數(shù)；
——重合度影響系數(shù)，=2.0。
一擋齒輪1，查圖得y=0.154，代入（3.7）得=346.3Mpa；
一擋齒輪2，查圖得y=0.164，代入（3.7）得=.107.Mpa；
二擋齒輪5，查圖得y=0.157，代入（3.7）得=158.26Mpa；
二擋齒輪6，查圖得y=0.160，代入（3.7）得=337Mpa；
三擋齒輪7，查圖得y=0.130，代入（3.7）得=306.3Mpa；
三擋齒輪8，查圖得y=0.147，代入（3.7）得=163.7Mpa；
四擋齒輪9，查圖得y=0.137，代入（3.7）得=234.6Mpa；
四擋齒輪10，查圖得y=0.141，代入（3.7）得=196.57Mpa；
五檔齒輪11，查圖得y=0.139，代入（3.7）得=1981Mpa；
五檔齒輪12，查圖得y=0.137，代入（3.7）得=242.9Mpa；
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180~350Mpa范圍，所有斜齒輪滿足<[]，故彎曲強(qiáng)度足夠。
3.2.2 輪齒接觸應(yīng)力的校核
（3.9）
式中：——輪齒的接觸應(yīng)力（Mpa）；
F——齒面上的法向力（N）， ；
——圓周力（N），；
——計(jì)算載荷（N·mm）；
d——節(jié)圓直徑（mm）；
——節(jié)點(diǎn)處壓力角；
——齒輪螺旋角；
E——齒輪材料的彈性模量，合金鋼取E=；
b——齒輪接觸的實(shí)際寬度（mm）；
、——主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm），直齒輪，斜齒輪；、為主、從動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑（mm）。
將上述有關(guān)參數(shù)代入式（3.9），并將作用在變速器第一軸上的載荷/2作為計(jì)算載荷時(shí)，得出：
一擋接觸應(yīng)力；
二擋接觸應(yīng)力；
三擋接觸應(yīng)力；
四擋接觸應(yīng)力；
五檔接觸應(yīng)力；
倒擋接觸應(yīng)力（齒輪12主動(dòng)，13從動(dòng)）；
（齒輪13主動(dòng)，11從動(dòng)）；
對(duì)于滲碳齒輪變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力[]，一擋和倒擋[]=1900~2000Mpa，常嚙合齒輪和高擋[]=1300~1400Mpa。故所有齒輪滿足<[]，接觸強(qiáng)度足夠。
3.2.3 變速器齒輪的材料及熱處理
變速器齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度與心部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力。
國(guó)內(nèi)汽車變速器齒輪材料主要采用20CrMnTi,滲碳齒輪在淬火、回火后表面硬度為58~63HRC，心部硬度為33~48HRC。
淬火的目的是大幅度提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求?；鼗鸬淖饔迷谟谔岣呓M織穩(wěn)定性，使工件在使用過程中不再發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定；消除內(nèi)應(yīng)力，以改善工件的使用性能并穩(wěn)定工件幾何尺寸；調(diào)整鋼鐵的力學(xué)性能以滿足使用要求[8
3.3 軸的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)
變速器在工作時(shí)，由于齒輪上有圓周力、徑向力和軸向力作用，變速器的軸要承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。要求變速器的軸應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度。因?yàn)閯偠炔蛔銜?huì)產(chǎn)生彎曲變形，結(jié)果破壞了齒輪的正確嚙合，對(duì)齒輪的強(qiáng)度、耐磨性等均有不利影響。
3.3.1 初選軸的直徑
在已知兩軸式變速器中心距時(shí)，軸的最大直徑和支承距離的比值可在以下范圍內(nèi)選?。簩?duì)輸入軸，=0.16～0.18；對(duì)輸出軸，0.18～0.21。
輸入軸花鍵部分直徑（mm）可按下式初選?。?
式中： ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，=4.0～4.6；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N.m）。
輸入軸花鍵部分直徑：
=22.58～26.27mm
初選輸入、輸出軸支承之間的長(zhǎng)度=272mm。
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件確定軸的最小直徑：
（3.10）
式中： d——軸的最小直徑（mm）；
——軸的許用剪應(yīng)力（MPa）；
P——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率（kw）；
n——發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入（3.22）式，得：
mm
所以，選擇軸的最小直徑為23mm。
3.3.2 軸的強(qiáng)度驗(yàn)算
3.3.2.1 軸的剛度的計(jì)算
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，致使沿齒長(zhǎng)方向的壓力分布不均勻。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。
軸的撓度和轉(zhuǎn)角可按《材料力學(xué)》的有關(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。如圖3-1所示：
圖3-1 變速器軸的撓度和轉(zhuǎn)角
若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉(zhuǎn)角為，可分別用下式計(jì)算
（3.11）
（3.12）
（3.13）
式中 ——齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）；
——齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）；
——彈性模量（MPa），=2.1×105 MPa；
——慣性矩（mm4），對(duì)于實(shí)心軸，；
——軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計(jì)算；
、——齒輪上的作用力距支座A、B的距離（mm）；
——支座間的距離（mm）。
軸的全撓度為mm。
軸在垂直面和水平面內(nèi)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。
1、 計(jì)算變速器上個(gè)齒輪的圓周力、切向力、軸向力
輸入軸：
2、 變速器輸入軸的剛度計(jì)算
（1）一檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=43mm；b=171mm；L=214mm；d=28mm，則有
mm
mm
mm
（2）二檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=99mm；b=114.5mm；L=214mm；d=46mm，則有
mm
mmmm
（3）三檔工作時(shí)的計(jì)算
已知a=77；b=136.5mm；L=214mm；d=42mm，則有
=mm
mmmm
由于四、五檔距離支撐處只有20mm左右，而且受力相對(duì)于其它各檔的受力比較小，所以其撓度和轉(zhuǎn)角相對(duì)于一、二、檔可以忽略。
3、變速器輸出軸的剛度計(jì)算
（1）一檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=61mm；b=162mm；L=223mm；d=40mm，則有
mm
mm
mm
（2）二檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=106mm；b=117mm；L=223mm；d=34mm，則有
mm
mm
（3）三檔工作時(shí)的計(jì)算
已知a=69；b=154mm；L=223mm；d=34mm，則有
=mm
mmmm
由于四、五檔距離支撐處只有20mm左右，而且受力相對(duì)于其它各檔的受力比較小，所以其撓度和轉(zhuǎn)角相對(duì)于一、二、檔可以忽略。
3.3.2.2 軸的強(qiáng)度的計(jì)算
1、輸入軸強(qiáng)度校核
=5266.29N, =1799.18N，=tg=5266.29×tg24.11°=1711.12N
（1）求H面內(nèi)支反力、和彎矩
輸入軸受力如圖3-2（a）所示，則
+=
×=×
由以上兩式可得=4833.96N，=432.33N，=89428.26N·mm。
（a）輸入軸水平方向受力圖（b）輸入軸垂直方向受力圖
圖3-2 輸入軸受力圖
（2）求V面內(nèi)支反力、和彎矩
輸入軸受力如圖3-2（b）所示，則
+=
（+）－×－= 0
由以上兩式可得=1747.15N，=52.03N，=32322.28N·mm
彎矩圖如圖3-3所示。
=
=115953.25N·mm
===103.74＜[]
=89428.26 N·mm =32322.28N·mm
（a）輸入軸水平彎矩圖 （b）輸入軸垂直彎矩圖
圖3-3 輸入軸彎矩圖
2、輸出軸強(qiáng)度校核
=5213.62N，=1781.19N，=tg=5213.62×tg24.11°=1694.01N
（1） 求H面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖3.4（a）所示，則
+=
=
由以上兩式可得=1243.54N，=539.63N，=117946.68N·mm
（2）求V面內(nèi)支反力、和彎矩
輸出軸受力如圖3-4（b）所示，則
+=
（+）=－= 0
由以上兩式可得=1243.54N，=539.63N，=31710.27N·mm
=
=265267.77N·mm
===29.67＜[]
（a）輸出軸水平方向受力圖 （b）輸出軸垂直方向受力圖
圖3-4 輸入軸受力圖
彎矩圖如圖3-5所示。
=117946.68N·mm =31710.27N·mm
（a）輸出軸水平彎矩圖 （b）輸出軸垂直彎矩圖
圖3-5 輸出軸彎矩圖
3.4 主減速比的計(jì)算
主減速比對(duì)主減速器的結(jié)構(gòu)形式、輪廓尺寸、質(zhì)量大小以及當(dāng)變速器處于最高檔位時(shí)汽車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性都有直接影響。的選擇應(yīng)在汽車總體設(shè)計(jì)時(shí)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比一起由整車動(dòng)力計(jì)算來確定?？衫迷诓煌南碌墓β势胶鈭D來計(jì)算對(duì)汽車動(dòng)力性的影響。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系參數(shù)作最佳匹配的方法來選擇值，可是汽車獲得最佳的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。
3.4.1 主減速齒輪計(jì)算載荷的確定
通常是將發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩配以傳動(dòng)系最低檔傳動(dòng)比時(shí)和驅(qū)動(dòng)車輪打滑時(shí)這兩種情況下作用于主減速器從動(dòng)齒輪上的轉(zhuǎn)矩（）的較小者，作為載貨汽車計(jì)算中用以驗(yàn)算主減速器從動(dòng)齒輪最大應(yīng)力的計(jì)算載荷。即
/n=2382（） （3.14） =2646（） （3.15）
式中：——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩190；
——由發(fā)動(dòng)機(jī)到所計(jì)算的為加速器從動(dòng)齟輪之間的傳動(dòng)系最低檔傳動(dòng)比；
==4×3.5=14
——上述傳動(dòng)部分的效率，取=0.9；
——超載系數(shù)，取=1.0；
——滾動(dòng)半徑，取=（267毫米 X 65%）+（17 X1.4毫米/1）=0.27mm；
n——驅(qū)動(dòng)橋數(shù)目1；
——汽車滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給水平地面的最大負(fù)荷，N；但后橋來說還應(yīng)考慮到汽車加速時(shí)負(fù)載增大量，可初取：=
——分別為由所計(jì)算的主減速器從動(dòng)齒輪到驅(qū)動(dòng)輪之間的傳動(dòng)效率和減速比，分別取0.96和1。
由式(3.14),(3.15)求得的計(jì)算載荷，是最大轉(zhuǎn)矩而不是正常持續(xù)轉(zhuǎn)矩，不能用它作為疲勞損壞依據(jù)。對(duì)于公路車輛來說，使用條件較非公路車倆穩(wěn)定，其正常持轉(zhuǎn)矩是根據(jù)所謂平均牽引力的值來確定的，即主加速器的平均計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
==147.812（） （3.16）
式中：——汽車滿載總重2500×9.8=24500N；
——所牽引的掛車滿載總重，N，僅用于牽引車取=0；
——道路滾動(dòng)阻力系數(shù)，越野車通常取0.020~0.035，可初選=0.034；
——汽車正常使用時(shí)的平均爬坡能力系數(shù)。貨車通常取0.09~0.30，可初選取=0.15；
——汽車性能系數(shù)
（3.17）
當(dāng) =46.86>16時(shí)，取=0.134。
3.4.2 主減速器基本參數(shù)的選擇
（1）主、從動(dòng)斜齒輪齒數(shù)和
選擇主、從動(dòng)斜齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：
①為了磨合均勻，，之間應(yīng)避免有公約數(shù)；
②為了得到理想的齒面重合度和高的輪齒彎曲強(qiáng)度，主、從動(dòng)齒輪齒數(shù)和應(yīng)不小于40；
③為了嚙合平穩(wěn)，噪聲小和具有高的疲勞強(qiáng)度對(duì)于車一般不小于9；取12。
④主傳動(dòng)比較大時(shí)，盡量取得小一些，以便得到滿意的離地間隙；
⑤對(duì)于不同的主傳動(dòng)比，和應(yīng)有適宜的搭配。
（2）從動(dòng)斜齒輪大端分度圓直徑和端面模數(shù)
對(duì)于單級(jí)主減速器，增大尺寸會(huì)影響驅(qū)動(dòng)橋殼的離地間隙，減小又會(huì)影響跨置式主動(dòng)齒輪的前支承座的安裝空間和差速器的安裝。
可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式初選，即
（3.18）
式中：——直徑系數(shù)，一般取13.0～16.0；
——從動(dòng)錐齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，，為和中的較小者取其值為2382；
由式（3.18）得：
=（13.0～16.0）=（168.09～199.27）；
初選=197 則齒輪端面模數(shù)=/=197/48=4.1
==484.1=197.05
由于湊配中心距與原中心距相不等即為高度變位，總變位0.89
斜齒端面模數(shù)；
。兩齒輪分度圓仍相切，節(jié)圓與分度圓重合，全齒高不變。主減速器齒輪參數(shù)如表3.6。
表3.6主減速器齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
端面壓力角
2
分度圓直徑
3
齒頂高
4
齒根高
5
齒頂圓直徑
6
齒根圓直徑
7
當(dāng)量齒數(shù)
8
齒寬
3.4.3 主減速器螺旋錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算
在完成主減速器齒輪的幾何計(jì)算之后，應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，以保證其有足夠的強(qiáng)度和壽命以及安全可靠性地工作。在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算