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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(chē)傳動(dòng)系中的主要部件之一。變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)兩部分組成。變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要作用是改變轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速的數(shù)值和方向；操縱機(jī)構(gòu)的主要作用是控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變速器傳動(dòng)比的改變，即實(shí)現(xiàn)換擋，以達(dá)到變速變距。本題目主要進(jìn)行轎車(chē)三軸六擋機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)，包括變速器的整體結(jié)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算與校核。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)與校核，該變速器主要結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、零件強(qiáng)度也達(dá)到了使用要求。 關(guān)鍵詞：汽車(chē)機(jī)械變速器；三軸六擋；傳動(dòng)比；齒輪 Abstract Transmission in the automotive transmission lines, one of the most important components. Transmission speed by a variable speed transmission and control mechanism of two parts. The main role of the variable-speed transmission is to change the value of torque and rotational speed and direction; manipulation of the organization's main role is to control the transmission mechanism, transmission gear ratio to achieve the exchange, that is, to achieve shift in order to achieve variable-speed pitch. This subject, mainly for automotive six-axis mechanical transmission gear structural design, including the gear drive parts, control of part of the, etc., and the associated calculation and verification, through the design and verification,The main structure of the transmission line design standards, parts intensity reached the use requirements. Keywords: Automotive Mechanical Transmission；Axis 6 block ；gear ratio；gear wheel 目錄 - III - 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 選題的背景及意義 1 1.2 變速器的功用和要求 2 1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況 3 1.4 部分已知的主要參數(shù) 5 1.5 本章小結(jié) 6 第2章 機(jī)械式變速器的概述及其方案的確定 7 2.1 變速器結(jié)構(gòu)方案的確定 7 2.1.1 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與型式選擇 7 2.1.2 倒擋傳動(dòng)方案 12 2.2 變速器主要零件結(jié)構(gòu)方案的分析 13 2.2.1 齒輪型式 13 2.2.2 換擋機(jī)構(gòu)型式 13 2.3 本章小結(jié) 16 第3章 變速器主要參數(shù)的選擇與主要零件的設(shè)計(jì) 17 3.1 變速器主要參數(shù)的選擇 17 3.1.1 擋數(shù)和傳動(dòng)比 17 3.1.2 中心距 18 3.1.3 軸向尺寸 19 3.1.4 齒輪參數(shù) 19 3.2各擋傳動(dòng)比及其齒輪齒數(shù)的確定 21 3.2.1 確定各擋齒輪的齒數(shù) 21 3.2.2 齒輪變位系數(shù)的選 23 3.3 變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與材料的選擇 24 3.3.1 齒輪的損壞原因及形式 24 3.3.2 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核 24 3.4 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 28 3.4.1變速器軸的結(jié)構(gòu)和尺寸 28 3.4.2 軸的校核 30 3.5 軸承的選擇與校核 34 3.5.1 幾種軸承的特點(diǎn)與選擇 34 3.5.2 軸承的校核 36 3.6 變速器同步器的設(shè)計(jì) 42 3.6.1 同步器的結(jié)構(gòu) 42 3.6.2 同步環(huán)主要參數(shù)的確定 43 3.7 本章小結(jié) 46 結(jié)論 47 致謝 48 參考文獻(xiàn) 49 附錄1 50 附錄2 54 - 60 - 第1章 緒論 1.1 選題的背景及意義 汽車(chē)在不同使用場(chǎng)合有不同的要求，采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車(chē)，其在實(shí)際工況下所要求的性能與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性之間存在著較大的矛盾。例如，受到載運(yùn)量、道路坡度、路面質(zhì)量、交通狀況等條件的影響，汽車(chē)所需的牽引力和車(chē)速需要在較大范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)各種使用要求；此外，汽車(chē)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(lái)實(shí)現(xiàn)。上述發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向與汽車(chē)牽引力、車(chē)速、行駛方向等之間的矛盾，單靠發(fā)動(dòng)機(jī)本身是難以解決的，車(chē)用變速器應(yīng)運(yùn)而生，它與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配，通過(guò)多擋位切換，可以使驅(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。 從現(xiàn)在市場(chǎng)上不同車(chē)型所配置的變速器來(lái)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(wú)級(jí)變速器（CVT）。 （1）手動(dòng)變速器(MT) 手動(dòng)機(jī)械式變速器采用齒輪組，每擋的齒輪組的齒數(shù)是固定的，所以各擋的變速比是定值，即所謂有級(jí)變速器。雖然這種變速器在操作時(shí)比較繁瑣，駕駛工作強(qiáng)度大，但具有成本低、起速快、傳遞扭矩大等特點(diǎn)，從目前市場(chǎng)實(shí)際需求和適用角度來(lái)看，手動(dòng)變速器還不能被其它新型汽車(chē)變速器所完全替代。 （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(mén)踏板程度和車(chē)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(chē)速即可。雖說(shuō)自動(dòng)變速汽車(chē)沒(méi)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(chē)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。 （3）手動(dòng)/自動(dòng)變速器（AMT） 其實(shí)通過(guò)對(duì)一些車(chē)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(jué)。這樣手動(dòng)/自動(dòng)變速器便由此誕生。這種變速器在德國(guó)保時(shí)捷911車(chē)型上首先推出，稱(chēng)為T(mén)iptronic，它可使高性能跑車(chē)不必受限于傳統(tǒng)的自動(dòng)擋束縛，讓駕駛者也能享受手動(dòng)換擋的樂(lè)趣。此型車(chē)在其擋位上設(shè)有“+”、“-”選擇擋位。在D擋時(shí)，可自由變換降擋(-)或加擋(+)，如同手動(dòng)擋一樣。 （4）無(wú)級(jí)變速器 當(dāng)今汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，是非常迅速的，用戶(hù)對(duì)于汽車(chē)性能的要求是越來(lái)越高的。汽車(chē)變速器的發(fā)展也并不僅限于此，無(wú)級(jí)變速器便是人們追求的“最高境界”。無(wú)級(jí)變速器最早由荷蘭人范·多尼斯（VanDoorne’s）發(fā)明。無(wú)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(lái)變速，其傳動(dòng)比可以隨意變化，沒(méi)有換擋的突跳感覺(jué)。它能克服普通自動(dòng)變速器“突然換擋”、油門(mén)反應(yīng)慢、油耗高等缺點(diǎn)。通常有些人將自動(dòng)變速器稱(chēng)為無(wú)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)變速器只有換擋是自動(dòng)的，但它的傳動(dòng)比是有級(jí)的，也就是我們常說(shuō)的擋，一般自動(dòng)變速器有4～8個(gè)擋。而無(wú)級(jí)變速器能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)速比的無(wú)級(jí)變化，并選定幾個(gè)常用的速比作為常用的“擋”。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。 1.2 變速器的功用和要求 變速器的功用是根據(jù)汽車(chē)在不同的行駛條件下提出的要求，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，使汽車(chē)具有適合的牽引力和速度，并同時(shí)保持發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。為保證汽車(chē)倒車(chē)以及使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系能夠分離，變速器具有倒擋和空擋。在有動(dòng)力輸出需要時(shí)，還應(yīng)有功率輸出裝置。 對(duì)變速器的主要要求是： （1）應(yīng)保證汽車(chē)具有高的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在汽車(chē)整體設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)汽車(chē)載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及汽車(chē)使用要求，選擇合理的變速器擋數(shù)及傳動(dòng)比，來(lái)滿(mǎn)足這一要求。 （2）工作可靠，操縱輕便。汽車(chē)在行駛過(guò)程中，變速器內(nèi)不應(yīng)有自動(dòng)跳擋、亂擋、換擋沖擊等現(xiàn)象的發(fā)生。為減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，提高行駛安全性，操縱輕便的要求日益顯得重要，這可通過(guò)采用同步器和預(yù)選氣動(dòng)換擋或自動(dòng)、半自動(dòng)換擋來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （3）重量輕、體積小。影響這一指標(biāo)的主要參數(shù)是變速器的中心距。選用優(yōu)質(zhì)鋼材，采用合理的熱處理，設(shè)計(jì)合適的齒形，提高齒輪精度以及選用圓錐滾柱軸承可以減小中心距。 （4）傳動(dòng)效率高。為減小齒輪的嚙合損失，應(yīng)有直接擋。提高零件的制造精度和安裝質(zhì)量，采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑油都可以提高傳動(dòng)效率。 （5）噪聲小。采用斜齒輪傳動(dòng)及選擇合理的變位系數(shù)，提高制造精度和安裝剛性可減小齒輪的噪聲。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況 20世紀(jì)90年代以來(lái)，科學(xué)技術(shù)的急速發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，促使汽車(chē)工業(yè)發(fā)生了根本性的變革，其生產(chǎn)組織方式從傳統(tǒng)的大批量、少品種的剛性生產(chǎn)結(jié)構(gòu)向著多品種、中小批量的柔性生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。以CAD/CAE等為代表的現(xiàn)代汽車(chē)設(shè)計(jì)方法正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。許多大型應(yīng)用軟件也應(yīng)運(yùn)而生，如文件處理、繪圖軟件、數(shù)學(xué)分析軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件、加上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及基于這些通用軟件的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用軟件的誕生，使“無(wú)紙化設(shè)計(jì)”在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械制造企業(yè)中得以實(shí)現(xiàn)。 但是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的意義不僅僅在于擺脫筆和圖紙，還應(yīng)該包括設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算；專(zhuān)家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的自動(dòng)智能推理和學(xué)習(xí)；設(shè)計(jì)圖紙的自動(dòng)生成或從數(shù)據(jù)庫(kù)中提?。簧踔灵_(kāi)始采用虛擬設(shè)計(jì)的方法，從而幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)甚至全自動(dòng)的設(shè)計(jì)。這就要求計(jì)算機(jī)具有專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的專(zhuān)家知識(shí)和思維能力，能根據(jù)設(shè)計(jì)者的要求給出一定的設(shè)計(jì)結(jié)果，一般人們把這種掌握大量知識(shí)，能從事各種專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)專(zhuān)家級(jí)水平工作的計(jì)算機(jī)程序稱(chēng)為專(zhuān)家系統(tǒng)（Expert System）。 一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)至少由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和學(xué)習(xí)機(jī)三部分組成。在實(shí)際應(yīng)用中，專(zhuān)家系統(tǒng)一般還應(yīng)具有一個(gè)人機(jī)交互界面，用于向用戶(hù)提問(wèn)，接受用戶(hù)回答并對(duì)其進(jìn)行判別。對(duì)于較完善的專(zhuān)家系統(tǒng)而言，還有一個(gè)知識(shí)獲取部分，可以及時(shí)補(bǔ)充最新得到的人類(lèi)專(zhuān)家知識(shí)并將其整理為系統(tǒng)可識(shí)別的表達(dá)方式；還有一個(gè)解釋部分，用來(lái)向用戶(hù)解釋系統(tǒng)的“思維過(guò)程”。幫助部分則是解釋部分的補(bǔ)充，用來(lái)就已知的事實(shí)或得出的結(jié)果向用戶(hù)提出詳細(xì)的建議，如應(yīng)采取的措施和步驟。 對(duì)專(zhuān)家系統(tǒng)的研究源于1965年E.A.Feigenbaum等人對(duì)DENDRAL（解析化學(xué)質(zhì)譜分析和預(yù)測(cè)的化學(xué)專(zhuān)家系統(tǒng)）的研究，至今專(zhuān)家系統(tǒng)的研究和應(yīng)用有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，特別是七十年代中期形成知識(shí)工程方向之后，專(zhuān)家系統(tǒng)具體應(yīng)用領(lǐng)域幾乎沒(méi)有限制，如故障診斷、分析解釋、咨詢(xún)、設(shè)計(jì)、規(guī)劃、教學(xué)、監(jiān)控等。 通過(guò)國(guó)際聯(lián)機(jī)檢索（工程索引，NTIS美國(guó)政府報(bào)告）和國(guó)內(nèi)科技期刊情報(bào)檢索發(fā)現(xiàn)，專(zhuān)家系統(tǒng)在工程技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，其中應(yīng)用在設(shè)計(jì)方面的例子有很多。例如，日本佳能公司開(kāi)發(fā)一個(gè)設(shè)計(jì)長(zhǎng)焦距鏡頭的專(zhuān)家系統(tǒng)OPTEX，鏡頭設(shè)計(jì)組已經(jīng)總結(jié)有50 種長(zhǎng)焦距鏡頭類(lèi)型的設(shè)計(jì)手冊(cè)以及一個(gè)復(fù)雜的進(jìn)行光學(xué)物理射線(xiàn)跟蹤的FORTRAN程序，他們把這些知識(shí)和設(shè)計(jì)過(guò)程的啟發(fā)性知識(shí)（包括有關(guān)制造能力的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，如磨出的鏡頭玻璃片能達(dá)到多薄，鏡片間的距離能靠多近，空氣間隙有什么作用等）都放入專(zhuān)家系統(tǒng)，這樣只要設(shè)計(jì)人員輸入要設(shè)計(jì)鏡頭的技術(shù)性能要求和挑選一種鏡頭設(shè)計(jì)作為樣板，系統(tǒng)就能自動(dòng)地設(shè)計(jì)出所需的新鏡頭來(lái)。據(jù)稱(chēng)，該系統(tǒng)運(yùn)行的效果可提高工效10倍，設(shè)計(jì)人員由原先的40人降為4人就能以同樣的數(shù)量和質(zhì)量完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 目前汽車(chē)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車(chē)開(kāi)發(fā)能力越來(lái)越依賴(lài)于汽車(chē)自動(dòng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件。發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)開(kāi)發(fā)能力的高低已不再用它擁有多少高級(jí)開(kāi)發(fā)能力的人才和先進(jìn)設(shè)備的多少來(lái)評(píng)價(jià)，而是用更重要的一個(gè)方面就是它是否擁有最先進(jìn)的開(kāi)發(fā)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)評(píng)價(jià)。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般是根據(jù)性能要求利用經(jīng)驗(yàn)公式取初值，然后驗(yàn)算其強(qiáng)度，傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)等，如果不符合要求則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)改變某些參數(shù)，繼續(xù)驗(yàn)算，直至符合所有的條件與要求。這種設(shè)計(jì)方法計(jì)算量較大，得到的答案僅僅是符合要求的一個(gè)解，而一般的經(jīng)驗(yàn)公式又較保守，對(duì)于不符合要求時(shí)改變的參數(shù)有一定的局限性，導(dǎo)致結(jié)果過(guò)于保證安全性。產(chǎn)品笨重，而許多性能未必很好甚至變的較差。在當(dāng)今轎車(chē)市場(chǎng)日益競(jìng)爭(zhēng)激烈，國(guó)際市場(chǎng)已趨于飽和，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展的同時(shí)，又是各主要廠(chǎng)家占領(lǐng)市場(chǎng)的良好機(jī)會(huì)。那么憑什么來(lái)吸引大量客戶(hù)呢？只有良好的性能價(jià)格比，盡量在降低成本的基礎(chǔ)上提高性能，才是所有產(chǎn)品打開(kāi)市場(chǎng)的根本所在。 當(dāng)前對(duì)轎車(chē)設(shè)計(jì)中動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性要求日漸提高的情況下，對(duì)零部件的限制條件也越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新型變速器設(shè)計(jì)的要求。而總結(jié)新的經(jīng)驗(yàn)公式又需要豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)，是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。當(dāng)今科技日新月異，轎車(chē)生產(chǎn)的手段方法與目標(biāo)也不斷在改變。大量使用的經(jīng)驗(yàn)公式已不具備長(zhǎng)期生存實(shí)用的必要性和可能性。 綜上所述，不僅從變速箱本身的特點(diǎn)，還是設(shè)計(jì)手段與方法的整個(gè)趨勢(shì)來(lái)看，將先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法引入變速箱的設(shè)計(jì)是及其必要的。其優(yōu)點(diǎn)不僅僅在于得到一個(gè)能使性能達(dá)到較高水平的設(shè)計(jì)方案，而且由于知識(shí)工程和專(zhuān)家系統(tǒng)的引入，使得其更具有可擴(kuò)展性。它可以直接將一個(gè)復(fù)雜的要求引入到設(shè)計(jì)過(guò)程中，能在不改變或較少改變?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)的情況下，進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)其合理性。而在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，要做到這樣是很困難的，因?yàn)楦淖冊(cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)和過(guò)程將是一個(gè)復(fù)雜的工作。 采用前置后驅(qū)形式的轎車(chē)一直被認(rèn)為是極具駕駛樂(lè)趣的車(chē)型。目前國(guó)內(nèi)采用這種驅(qū)動(dòng)布置的主要有華晨寶馬、豐田銳志、皇冠等少數(shù)車(chē)型。以寶馬為例，除其中某幾款四驅(qū)車(chē)型以外，其余車(chē)型均采用前置后驅(qū)的形式。在這種布置中，發(fā)動(dòng)機(jī)的位置通常較前置前驅(qū)車(chē)型靠后，甚至直接位于前軸之上，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用縱置布置，這就使得變速器要采用三軸形式，變速器距離駕駛員位置較近，從而簡(jiǎn)化了操縱機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。而前置后驅(qū)的布置，使得寶馬汽車(chē)的前后軸荷可以達(dá)到完美的50:50。采用性能優(yōu)異的手動(dòng)變速器，更能增加汽車(chē)的操控性與駕駛樂(lè)趣；而增加變速器的擋數(shù)，又能夠改善汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和平均車(chē)速，因此目前寶馬汽車(chē)的手動(dòng)變速器均采用六擋形式。 1.4 部分已知的主要參數(shù) 本設(shè)計(jì)主要進(jìn)行中級(jí)轎車(chē)三軸六擋機(jī)械式變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括齒輪傳動(dòng)部分、操縱機(jī)構(gòu)部分等，并進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算與校核。設(shè)計(jì)中所采用的相關(guān)參數(shù)均來(lái)源于中級(jí)轎車(chē)車(chē)型： 主減速比：3.64 最高時(shí)速：215km/h 輪胎型號(hào)：205/55R16 最大扭矩：200//Nm/3600rpm 最大功率：115kw/6400rpm 最高轉(zhuǎn)速：6500r/min 1.5 本章小結(jié) 本章主要對(duì)變速器的基本分類(lèi)及其一些發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析，在遵循變速器設(shè)計(jì)要求并結(jié)合所設(shè)計(jì)車(chē)型的具體參數(shù)確立了基本的研究設(shè)計(jì)方向。本設(shè)計(jì)為手動(dòng)換擋形式的機(jī)械式變速器，通過(guò)以上的初步研究為今后具體的結(jié)構(gòu)分析和零部件設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備工作。 第2章 機(jī)械式變速器的概述及其方案的確定 2.1 變速器結(jié)構(gòu)方案的確定 變速器由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與操縱機(jī)構(gòu)組成。 2.1.1 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與型式選擇 有級(jí)變速器與無(wú)級(jí)變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造低廉，具有高的傳動(dòng)效率（η=0.96~0.98），因此在各類(lèi)汽車(chē)上均得到廣泛的應(yīng)用。 設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)根據(jù)汽車(chē)的使用條件及要求確定變速器的傳動(dòng)比范圍、擋位數(shù)及各擋的傳動(dòng)比，因?yàn)樗鼈儗?duì)汽車(chē)的動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性都有重要的直接影響。 傳動(dòng)比范圍是變速器低擋傳動(dòng)比與高擋傳動(dòng)比的比值。汽車(chē)行駛的道路狀況愈多樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與汽車(chē)質(zhì)量之比愈小，則變速器的傳動(dòng)比范圍應(yīng)愈大。目前，轎車(chē)變速器的傳動(dòng)比范圍為3.0~4.5；一般用途的貨車(chē)和輕型以上的客車(chē)為5.0~8.0；越野車(chē)與牽引車(chē)為10.0~20.0。 通常，有級(jí)變速器具有4、5、6個(gè)前進(jìn)擋；重型載貨汽車(chē)和重型越野汽車(chē)則采用多擋變速器，其前進(jìn)擋位數(shù)多達(dá)6~16個(gè)甚至20個(gè)。 變速器擋位數(shù)的增多可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用效率、汽車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性及平均車(chē)速，從而可提高汽車(chē)的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。但采用手動(dòng)的機(jī)械式操縱機(jī)構(gòu)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)迅速、無(wú)聲換擋，對(duì)于多于6個(gè)前進(jìn)擋的變速器來(lái)說(shuō)是困難的。因此，直接操縱式變速器擋位數(shù)的上限為6擋。多于5個(gè)前進(jìn)擋將使操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜化，或者需要加裝具有獨(dú)立操縱機(jī)構(gòu)的副變速器，后者僅用于一定行駛工況。 某些轎車(chē)和貨車(chē)的變速器，采用僅在好路和空載行駛時(shí)才使用的超速擋。采用傳動(dòng)比小于1（0.7~0.8）的超速擋，可以更充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低單位行駛里程的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，降低燃料消耗。但與傳動(dòng)比為1的直接擋比較，采用超速擋會(huì)降低傳動(dòng)效率。 有級(jí)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)力的齒輪副數(shù)目、轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤(rùn)滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等。 三軸式和兩軸式變速器得到的最廣泛的應(yīng)用。 三軸式變速器如圖2-1所示，其第一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各擋齒輪分別與中間軸的相應(yīng)齒輪相嚙合，且第一、第二軸同心。將第一、第二軸直接連接起來(lái)傳遞扭矩則稱(chēng)為直接擋。此時(shí)，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、第二軸也傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接擋的傳遞效率高，磨損及噪音也最小，這是三軸式變速器的主要優(yōu)點(diǎn)。其他前進(jìn)擋需依次經(jīng)過(guò)兩對(duì)齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。因此。在齒輪中心距（影響變速器尺寸的重要參數(shù)）較小的情況下仍然可以獲得大的一擋傳動(dòng)比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：除直接擋外其他各擋的傳動(dòng)效率有所下降。 圖2-1 轎車(chē)中間軸式四擋變速器 1— 第一軸；2—第二軸；3—中間軸 兩軸式變速器如圖2-2所示。與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且除最到擋外其他各擋的傳動(dòng)效率高、噪聲低。轎車(chē)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(chē)的動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車(chē)質(zhì)量降低6%~10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如圖所示，兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則可用圓柱齒輪，從而簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了成本。除倒擋常用滑動(dòng)齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他擋均采用常嚙合斜齒輪傳動(dòng)；個(gè)擋的同步器多裝在第二軸上，這是因?yàn)橐粨醯闹鲃?dòng)齒輪尺寸小，裝同步器有困難；而高擋的同步器也可以裝在第一軸的后端，如圖示。 兩軸式變速器沒(méi)有直接擋，因此在高擋工作時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。另外，低擋傳動(dòng)比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到較大限制,但這一缺點(diǎn)可通過(guò)減小各擋傳動(dòng)比同時(shí)增大主減速比來(lái)取消。 圖2-2 兩軸式變速器 1— 第一軸；2—第二軸；3—同步器 有級(jí)變速器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是增多常嚙合齒輪副的數(shù)目，從而可采用斜齒輪。后者比直齒輪有更長(zhǎng)的壽命、更低的噪聲，雖然其制造稍復(fù)雜些且在工作中有軸向力。因此，在變速器中，除低擋及倒擋外，直齒圓柱齒輪已經(jīng)被斜齒圓柱齒輪所代替。但是在本設(shè)計(jì)中，由于倒擋齒輪采用的是常嚙式，因此也采用斜齒輪。 由于所設(shè)計(jì)的汽車(chē)是發(fā)動(dòng)機(jī)前置，后輪驅(qū)動(dòng)，因此采用中間軸式變速器。 圖2-3、圖2-4、圖2-5分別示出了幾種中間軸式四，五，六擋變速器傳動(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(xiàn)在同一直線(xiàn)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(guò)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)，換擋方式和到擋傳動(dòng)方案上有差別。 圖2-3 中間軸式四擋變速器傳動(dòng)方案 如圖2-3中的中間軸式四擋變速器傳動(dòng)方案示例的區(qū)別：圖1-3a、b所示方案有四對(duì)常嚙合齒輪，倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋；圖1-3c所示傳動(dòng)方案的二，三，四擋用常嚙合齒輪傳動(dòng)，而一擋和倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋。 圖2-4a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2-4b、c、d所示方案的各前進(jìn)擋，均用常嚙合齒輪傳動(dòng)；圖2-4d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)。 圖2-4 中間軸式五擋變速器傳動(dòng)方案 圖2-5a 所示方案中的一擋、倒擋和圖b所示方案中的倒擋用直齒滑動(dòng)齒輪換擋，其余各擋均用常嚙合齒輪。 圖2-5 中間軸式六擋變速器傳動(dòng)方案 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(lái)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(chē)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)，如圖2-3a、b所示。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。 變速器用圖2-4c所示的多支承結(jié)構(gòu)方案，能提高軸的剛度。這時(shí)，如用在軸平面上可分開(kāi)的殼體，就能較好地解決軸和齒輪等零部件裝配困難的問(wèn)題。圖2-4c所示方案的高擋從動(dòng)齒輪處于懸臂狀態(tài)，同時(shí)一擋和倒擋齒輪布置在變速器殼體的中間跨距里，而中間擋的同步器布置在中間軸上是這個(gè)方案的特點(diǎn)。 2.1.2 倒擋傳動(dòng)方案 圖2-6為常見(jiàn)的倒擋布置方案。圖2-6b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2-6c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2-6d所示方案針對(duì)前者的缺點(diǎn)做了修改，因而取代了圖2-6c所示方案。圖2-6e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2-6f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(chē)倒擋傳動(dòng)采用圖2-6g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。 本設(shè)計(jì)采用圖2-6f所示的傳動(dòng)方案。 圖2-6 變速器倒擋傳動(dòng)方案 因?yàn)樽兯倨髟谝粨鹾偷箵豕ぷ鲿r(shí)有較大的力，所以無(wú)論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的低擋與倒擋，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。 2.2 變速器主要零件結(jié)構(gòu)方案的分析 變速器的設(shè)計(jì)方案必需滿(mǎn)足使用性能、制造條件、維護(hù)方便及三化等要求。在確定變速器結(jié)構(gòu)方案時(shí)，也要考慮齒輪型式、換擋結(jié)構(gòu)型式、軸承型式、潤(rùn)滑和密封等因素。 2.2.1 齒輪型式 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擋和倒擋。但是，在本設(shè)計(jì)中由于倒擋采用的是常嚙合方案，因此倒擋也采用斜齒輪傳動(dòng)方案，即除一擋外，均采用斜齒輪傳動(dòng)。 2.2.2 換擋機(jī)構(gòu)型式 換擋結(jié)構(gòu)分為直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器三種。 直齒滑動(dòng)齒輪換擋的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但由于換擋不輕便、換擋時(shí)齒端面受到很大沖擊、導(dǎo)致齒輪早期損壞、滑動(dòng)花鍵磨損后易造成脫擋、噪聲大等原因，采用直齒滑動(dòng)齒輪換擋時(shí)，換擋行程長(zhǎng)也是它的缺點(diǎn)。因此，除一擋、倒擋外很少采用。 采用同步器換擋可保證齒輪在換擋時(shí)不受沖擊，使齒輪強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，同時(shí)操縱輕便，縮短了換擋時(shí)間，從而提高了汽車(chē)的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性，此外，該種型式還有利于實(shí)現(xiàn)操縱自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，軸向尺寸有所增加，銅質(zhì)同步環(huán)的使用壽命較短。目前，同步器廣泛應(yīng)用于各式變速器中。 當(dāng)變速器第二軸上的齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)時(shí)，可以用移動(dòng)嚙合套換擋。這時(shí)，不僅換擋行程短，同時(shí)因承受換擋沖擊載荷的結(jié)合齒齒數(shù)多，而齒輪又不參與換擋，所以他們都不會(huì)過(guò)早損壞，但因不能消除換擋沖擊，仍然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)部分的總慣性力矩增大，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(chē)變速器上使用。 采用同步器換擋可保證齒輪在換擋時(shí)不受沖擊，使齒輪強(qiáng)度得以充分發(fā)揮，同時(shí)操縱輕便，縮短了換擋時(shí)間，從而提高了汽車(chē)的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性，此外，該種型式還有利于實(shí)現(xiàn)操縱自動(dòng)化。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，軸向尺寸有所增加，銅質(zhì)同步環(huán)的使用壽命較短。目前，同步器廣泛應(yīng)用于各式變速器中。 自動(dòng)脫擋是變速器的主要障礙之一。為解決這個(gè)問(wèn)題，除工藝上采取措施外，在結(jié)構(gòu)上，目前比較有效的方案有以下幾種： （1） 將嚙合套做得長(zhǎng)一些（如圖2-7a） 或者兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開(kāi)（圖2-7b），這樣在嚙合時(shí)使接合齒端部超過(guò)被接合齒約1~3mm。使用中因接觸部分?jǐn)D壓和磨損，因而在接合齒端部形成凸肩，以阻止自動(dòng)脫擋。 （2）將嚙合套齒座上前齒圈的齒厚切?。?.3~0.6mm），這樣，換擋后嚙合套的后端面便被后齒圈的前端面頂住，從而減少自動(dòng)脫擋。 （3）將接合齒的工作面加工成斜齒面，形成倒錐角（一般傾斜20~30），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫擋的軸向力（圖2-8）。這種結(jié)構(gòu)方案比較有效，采用較多 圖2-7 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)措施Ⅰ 加工成斜面 圖2-8 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)措施Ⅲ 在本設(shè)計(jì)中所采用的是鎖環(huán)式同步器，該同步器是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步的。但它可以從結(jié)構(gòu)上保證結(jié)合套與待嚙合的花鍵齒圈在達(dá)到同步之前不可能接觸，以免齒間沖擊和發(fā)生噪聲。同步器的結(jié)構(gòu)如圖2-9所示： 圖2-9 鎖環(huán)式同步器 l、4-同步環(huán);2-同步器齒鼓;3-接合套;5-彈簧;6—滑塊; 7-止動(dòng)球;8-卡環(huán);9—輸出軸;10、11-齒輪 2.3 本章小結(jié) 本章根據(jù)機(jī)械式變速器的設(shè)計(jì)要求并聯(lián)系實(shí)際設(shè)計(jì)車(chē)型確定了變速器的結(jié)構(gòu)方案與倒擋布置方案，并確定了所采用的齒輪形式，同步器為鎖環(huán)式同步器為下一步各部件具體結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。 第3章 變速器主要參數(shù)的選擇與主要零件的設(shè)計(jì) 3.1 變速器主要參數(shù)的選擇 3.1.1 擋數(shù)和傳動(dòng)比 近年來(lái)，為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前，乘用車(chē)一般用4~5個(gè)擋位的變速器。本設(shè)計(jì)也采用5個(gè)擋位。 選擇最低擋傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車(chē)最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)輪與路面的附著力、汽車(chē)的最低穩(wěn)定車(chē)速以及主減速比和驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑等來(lái)綜合考慮、確定。 汽車(chē)爬陡坡時(shí)車(chē)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面間的滾動(dòng)阻力及爬坡阻力。故有 則由最大爬坡度要求的變速器Ⅰ擋傳動(dòng)比為 （3-1） 式中，m----汽車(chē)總質(zhì)量(kg)； g----重力加速度(m/s)； ψmax----道路最大阻力系數(shù)； rr----驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑(m)； Temax----發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(N.m)； i0----主減速比； η----汽車(chē)傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率。 根據(jù)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪與路面的附著條件： 求得的變速器I擋傳動(dòng)比為： （3-2） 式中，G2----汽車(chē)滿(mǎn)載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給路面的載荷； φ----路面的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取φ=0.5~0.6。 由已知條件：滿(mǎn)載質(zhì)量 1800kg； rr=307mm； Te max=200Nm； i0=3.64； η=0.95。 根據(jù)公式（3-2）可得：igI =3.91。 本設(shè)計(jì)取六擋傳動(dòng)比為1， 中間擋的傳動(dòng)比理論上按公比為： （3-3） 的等比數(shù)列，實(shí)際上與理論上略有出入，因齒數(shù)為整數(shù)且常用擋位間的公比宜小些，另外還要考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的合理匹配。根據(jù)上式可的出：q=1.314。故有：ig2=2.979 ig3=2.267 ig4=1.725 ig5=1.313 ig6=1 3.1.2 中心距 中心距對(duì)變速器的尺寸及質(zhì)量有直接影響，所選的中心距、應(yīng)能保證齒輪的強(qiáng)度。三軸式變速器的中心局A（mm）可根據(jù)對(duì)已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初定： A = η (3-4) 式中， K A----中心距系數(shù)。對(duì)轎車(chē)，K A =8.9~9.3；對(duì)貨車(chē)，K A =8.6~9.6；對(duì)多擋變速器:K A =9.5~11； TI max ----變速器處于一擋時(shí)的輸出扭矩： TI max=Te max igI η =743.85N﹒m 故可得出初始中心距A=81.55mm。 3.1.3 軸向尺寸 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(chē)四擋變速器殼體的軸向尺寸3.0~3.4A。貨車(chē)變速器殼體的軸向尺寸與擋數(shù)有關(guān)： 五擋(2.7~3.0)A 六擋(3.2~3.5)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)KA應(yīng)取給出系數(shù)的上限。為檢測(cè)方便，A取整。 本次設(shè)計(jì)采用6+1手動(dòng)擋變速器，其殼體的軸向尺寸是3.581.55mm=285.43mm， 變速器殼體的最終軸向尺寸應(yīng)由變速器總圖的結(jié)構(gòu)尺寸鏈確定?！? 3.1.4 齒輪參數(shù) （1）齒輪模數(shù) 建議用下列各式選取齒輪模數(shù)，所選取的模數(shù)大小應(yīng)符合JB111-60規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。 第一軸常嚙合斜齒輪的法向模數(shù)mn (3-5) 其中=170Nm，可得出mn=2.749，取2.75。 一擋直齒輪的模數(shù)m mm (3-6) 通過(guò)計(jì)算m=2.99，取3。 同步器和嚙合套的接合大都采用漸開(kāi)線(xiàn)齒形。由于制造工藝上的原因，同一變速器中的結(jié)合套模數(shù)都去相同，轎車(chē)和輕型貨車(chē)取2~3.5。本設(shè)計(jì)取2.5。 （2）齒形、壓力角α、螺旋角β和齒寬b 汽車(chē)變速器齒輪的齒形、壓力角、及螺旋角按表2-1選取。 表3-1 汽車(chē)變速器齒輪的齒形、壓力角與螺旋角 項(xiàng)目 車(chē)型 齒形 壓力角α 螺旋角β 轎車(chē) 高齒并修形的齒形 14.5°，15°，16°16.5° 25°~45° 一般貨車(chē) GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形 20° 20°~30° 重型車(chē) 同上 低擋、倒擋齒輪22.5°，25° 小螺旋角 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(chē)，為加大重合度已降低噪聲，取小些；對(duì)貨車(chē)，為提高齒輪承載力，取大些。在本設(shè)計(jì)中變速器齒輪壓力角α取20°,嚙合套或同步器取30°；斜齒輪螺旋角β取30°。 應(yīng)該注意的是選擇斜齒輪的螺旋角時(shí)應(yīng)力求使中間軸上是軸向力相互抵消。為此，中間軸上的全部齒輪一律去右旋，而第一軸和第二軸上的的斜齒輪去左旋，其軸向力經(jīng)軸承蓋由殼體承受。 齒輪寬度b的大小直接影響著齒輪的承載能力，b加大，齒的承載能力增高。但試驗(yàn)表明，在齒寬增大到一定數(shù)值后，由于載荷分配不均勻，反而使齒輪的承載能力降低。所以，在保證齒輪的強(qiáng)度條件下，盡量選取較小的齒寬，以有利于減輕變速器的重量和縮短其軸向尺寸。 通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來(lái)選定齒寬： 直齒 b=(4.5~8.0)m，mm 斜齒 b=(6.0~8.5)m，mm 第一軸常嚙合齒輪副齒寬的系數(shù)值可取大一些，使接觸線(xiàn)長(zhǎng)度增加，接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性和齒輪壽命。 3.2各擋傳動(dòng)比及其齒輪齒數(shù)的確定 在初選了中心距、齒輪的模數(shù)和螺旋角后，可根據(jù)預(yù)先確定的變速器擋數(shù)、傳動(dòng)比和結(jié)構(gòu)方案來(lái)分配各擋齒輪的齒數(shù)。下面結(jié)合本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明分配各擋齒數(shù)的方法。 3.2.1 確定各擋齒輪的齒數(shù) 一擋傳動(dòng)比 （3-7） 為了確定Z11和Z12的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和: （3-8） 其中A=81.55，m=3，故有=54.367，取54 當(dāng)轎車(chē)三軸式的變速器時(shí)，則，此處取=17，則可得出=37。 上面根據(jù)初選的A及m計(jì)算出的可能不是整數(shù)，將其調(diào)整為整數(shù)后，從式（3-8）看出中心距有了變化，這時(shí)應(yīng)從及齒輪變位系數(shù)反過(guò)來(lái)計(jì)算中心距A，再以這個(gè)修正后的中心距作為以后計(jì)算的依據(jù)。 這里修正為54，則根據(jù)式（3-8）反推出A=81mm。 確定常嚙合齒輪副的齒數(shù) 由式（3-7）求出常嚙合齒輪的傳動(dòng)比 （3-9） 由已經(jīng)得出的數(shù)據(jù)可確定 ① 而常嚙合齒輪的中心距與一擋齒輪的中心距相等 （3-10） 由此可得： (3-11)而根據(jù)已求得的數(shù)據(jù)可計(jì)算出： 。 ② ① 與②聯(lián)立可得：=19、=33。 則根據(jù)式（3-7）可計(jì)算出一擋實(shí)際傳動(dòng)比為：。 確定其他擋位的齒數(shù) 二擋傳動(dòng)比 （3-12） 而 ，故有 ③ 對(duì)于斜齒輪， （3-13） 故有： ④ ③ 聯(lián)立④得：。 按同樣的方法可分別計(jì)算出：三擋齒輪 ；四擋齒輪 ，。 確定倒擋齒輪的齒數(shù) 一般情況下，倒擋傳動(dòng)比與一擋傳動(dòng)比較為接近，在本設(shè)計(jì)中倒擋傳動(dòng)比取3.6。中間軸上倒擋傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)比一擋主動(dòng)齒輪10略小，取。 而通常情況下，倒擋軸齒輪取21~23，此處取=23。 由 （3-14） 可計(jì)算出。 故可得出中間軸與倒擋軸的中心距 (3-15) =58mm 而倒擋軸與第二軸的中心: (3-16) =81.00mm。 3.2.2 齒輪變位系數(shù)的選擇 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(lèi)：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)因保證各擋傳動(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(guò)選擇合適的螺旋角來(lái)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)于高擋齒輪，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(kāi)線(xiàn)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。 根據(jù)上述理由，為降低噪聲，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)。其中，一擋主動(dòng)齒輪12的齒數(shù)Z12=17，因此一擋齒輪不需要變位。 3.3 變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與材料的選擇 3.3.1 齒輪的損壞原因及形式 齒輪的損壞形式分三種：輪齒折斷、齒面疲勞剝落和移動(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，這是存在齒面細(xì)小裂縫中的潤(rùn)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茶，換擋瞬間在齒輪端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。 3.3.2 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核 與其他機(jī)械設(shè)備使用的變速器比較，不同用途汽車(chē)的變速器齒輪使用條件仍是相似的。此外，汽車(chē)變速器齒輪所用的材料、熱處理方法、加工方法、精度等級(jí)、支撐方式也基本一致。如汽車(chē)變速器齒輪用低碳合金鋼制造，采用剃齒或齒輪精加工，齒輪表面采用滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度不低于7級(jí)。因此，比用于計(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(lái)計(jì)算汽車(chē)齒輪，同樣、可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。在這里所選擇的齒輪材料為40Cr。 （1）齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算 直齒輪彎曲應(yīng)力 （3-17） 式中，----彎曲應(yīng)力（MPa）； ----一擋齒輪10的圓周力（N）， ；其中 為計(jì)算載荷（N·mm），d為節(jié)圓直徑。 ----應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取1.65； ----摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪取1.1，從動(dòng)齒輪取0.9； b----齒寬（mm），取20 t----端面齒距（mm）； y----齒形系數(shù) 當(dāng)處于一擋時(shí)，中間軸上的計(jì)算扭矩為： （3-18） =20010002.181.78 =659668Nm 故由 可以得出；再將所得出的數(shù)據(jù)代入式（3-17）可得 當(dāng)計(jì)算載荷取作用到變速器第一軸上的最大扭矩時(shí)，一擋直齒輪的彎曲應(yīng)力在400~850MPa之間。 斜齒輪彎曲應(yīng)力 （3-19） 式中 為重合度影響系數(shù)，取2.0；其他參數(shù)均與式（3-17）注釋相同，， 選擇齒形系數(shù)y時(shí)，按當(dāng)量模數(shù)在圖（3-17）中查得。 二擋齒輪圓周力： （3-20） 根據(jù)斜齒輪參數(shù)計(jì)算公式可得出：=6798.8N 齒輪10的當(dāng)量齒數(shù)=47.7，可查表（3-17）得：。 故 同理可得： 。 依據(jù)計(jì)算二擋齒輪的方法可以得出其他擋位齒輪的彎曲應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如下： 三擋： 四擋： 五擋： 六擋： 當(dāng)計(jì)算載荷取作用到第一軸上的最大扭矩時(shí)，對(duì)常嚙合齒輪和高擋齒輪，許用應(yīng)力在180~550MPa范圍內(nèi)，因此，上述計(jì)算結(jié)果均符合彎曲強(qiáng)度要求。 （2）齒輪接觸應(yīng)力 （3-21） 式中， ----齒輪的接觸應(yīng)力（MPa）； F----齒面上的法向力（N），； ----圓周力在（N）， ； ----節(jié)點(diǎn)處的壓力角（°）； ----齒輪螺旋角（°）； E----齒輪材料的彈性模量（MPa），查資料可?。? b----齒輪接觸的實(shí)際寬度，20mm； ----主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm）； 直齒輪： （3-22） （3-23） 斜齒輪： （3-24） （3-25） 其中，分別為主從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑（mm）。 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(jiàn)下表： 齒輪 /MPa 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 表3-2 變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力 整理可得： 直齒： 斜齒： 通過(guò)計(jì)算可以得出各擋齒輪的接觸應(yīng)力分別如下： 一擋： 二擋： 三擋： 四擋： 五擋： 倒擋： 對(duì)照上表可知，所設(shè)計(jì)變速器齒輪的接觸應(yīng)力基本符合要求。 3.4 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 3.4.1變速器軸的結(jié)構(gòu)和尺寸 （1）軸的結(jié)構(gòu) 第一軸通常和齒輪做成一體，前端大都支撐在飛輪內(nèi)腔的軸承上，其軸徑根據(jù)前軸承內(nèi)徑確定。該軸承不承受軸向力，軸的軸向定位一般由后軸承用卡環(huán)和軸承蓋實(shí)現(xiàn)。第一軸長(zhǎng)度由離合器的軸向尺寸確定，而花鍵尺寸應(yīng)與離合器從動(dòng)盤(pán)轂的 內(nèi)花鍵統(tǒng)一考慮。第一軸如圖3-1所示： 圖3-1 變速器第一軸 中間軸分為旋轉(zhuǎn)軸式和固定軸式。本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)軸式傳動(dòng)方案。由于一擋和倒擋齒輪較小，通常和中間軸做成一體，而高擋齒輪則分別用鍵固定在軸上，以便齒輪磨損后更換。 （2）軸的尺寸 變速器軸的確定和尺寸，主要依據(jù)結(jié)構(gòu)布置上的要求并考慮加工工藝和裝配工藝要求而定。