中型貨車變速器設(shè)計(jì)（三軸式）
摘 要
三軸式變速器由于具有體積小、原理簡(jiǎn)單、工作可靠、操縱方便等優(yōu)點(diǎn)，故在大多數(shù)汽車中廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)的目的主要是基于對(duì)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、AutoCAD等知識(shí)的熟練運(yùn)用和掌握，同時(shí)運(yùn)用汽車構(gòu)造、汽車設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、互換性測(cè)量等學(xué)科知識(shí)，對(duì)三軸式變速器的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
首先，本文將概述汽車變速器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，介紹變速器領(lǐng)域的最新發(fā)展?fàn)顩r。
其次，本文將對(duì)不同的變速器傳動(dòng)方案進(jìn)行比較，選擇合理的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
再次，本文重點(diǎn)對(duì)變速器的兩種重要部件—軸和齒輪進(jìn)行受力分析,強(qiáng)度、剛度的校核計(jì)算，以及為這些元件選擇合適的工程材料及熱處理方法。
最后，本文將對(duì)變速器換檔過(guò)程中的重要部件—同步器以及操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行闡述，講述同步器的類型、工作原理、設(shè)計(jì)方法以及重要參數(shù)。
在附錄中，本文還將給出進(jìn)行計(jì)算的必要公式、表格及圖形，供參考之用。
關(guān)鍵詞：變速器，同步器，軸，齒輪
Design Three-shaft Transmission for Medium-duty Truck
Abstract
Three-shaft transmission is widely used most vehicle for its particular advantages ,such as small dimension ,simply theory ,good stability, conveniently operation .The purpose of my paper is based on the skillful of using mechanic theory ,mechanic design, AutoCAD. Meanwhile, my paper is incorporated structure of vehicle, design of vehicle, mechanic of materials, and survey of interchangeability. I will design the parts of three-shaft transmission.
At first, I will give a summary of the current situation and the tendency of development of the vehicle transmission, and introduce the latest development state in the field of the transmission.
The second, I will compare the transmitting scheme of different transmission, and choose a better structure scheme.
Next, I will do some mechanic analyses, strength, stiffness check of the shafts and gears, which are the important parts of the transmission, and choose appropriate materials and heat treatment.
At last, I will introduce the operation mechanism and the synchronizer, which plays an important role in changing gear. I will give an account of the type, operation, design procedure and major parameter of the synchronizer.
At the supplement, I will write some thing like formula, tableau graph and so on. It may be helpful for the future design.
Key words: Transmission, Synchronizer, Shaft, Gear
目 錄
1 緒論…………………………………………………………1
1.1變速器的設(shè)計(jì)意義及背景…………………………………………………1
1.2變速器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)…………………………………………………2
1.3變速器的設(shè)計(jì)方法和研究?jī)?nèi)容……………………………………………5
2 變速器結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)……………………………………6
2.1兩軸式和三軸式變速器……………………………………………………6
2.2齒輪安排……………………………………………………………………7
2.3換檔結(jié)構(gòu)方式………………………………………………………………8
2.4倒檔的結(jié)構(gòu)方案及倒檔軸的位置………………………………………...8
3 變速器軸的設(shè)計(jì)………………………………………….10
3.1軸的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………..10
3.2軸的受力分析與校核計(jì)算……………………………………………….13
4 變速器齒輪的設(shè)計(jì)……………………………………….21
4.1齒輪傳動(dòng)的失效形式…………………………………………………….21
4.2 變速器齒輪設(shè)計(jì)步驟……………………………………………………22
4.3各檔齒輪齒數(shù)的分配……………………………………………………..26
4.4 齒輪的材料及其選擇原則………………………………………………31
4.5圓柱齒輪強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法………………………………………….33
5 同步器設(shè)計(jì)……………………………………………….39
5.1慣性式同步器…………………………………………………………….39
5.2同步器工作原理………………………………………………………….42
5.3同步器的主要參數(shù)的確定……………………………………………….42
6 變速器操縱機(jī)構(gòu)………………………………………….46
6.1操縱機(jī)構(gòu)的功用………………………………………………………….46
6.2 換檔位置圖………………………………………………………………46
6.3變速桿的布置…………………………………………………………….46
6.4鎖止裝置………………………………………………………………….47
結(jié)論………………………………………………………….51
致謝………………………………………………………….52
參考文獻(xiàn)…………………………………………………….53
附錄………………………………………………………….54
1 緒論
1.1變速器的設(shè)計(jì)背景及目的
現(xiàn)代汽車的動(dòng)力設(shè)置，幾乎都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。它具有體積小，質(zhì)量輕，工作可靠，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。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。
大家知道，汽車需要克服作用在它上面的阻力，才能起步和正常的行駛。即使在平坦的柏油路上，汽車以低速等速直線行駛，也需要克服約占汽車總質(zhì)量1.5%的滾動(dòng)阻力。 例如，NJ130汽車，滿載時(shí)總質(zhì)量為5360kg，其滾動(dòng)阻力為800N左右。若需要滿載汽車在坡度為9%的道路上等速上坡行駛，僅上坡阻力就達(dá)4824N。如果用發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪，則發(fā)動(dòng)機(jī)需要發(fā)出2050N·m.的扭矩。而NJ130汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩只有205N·m，此時(shí)，所產(chǎn)生的最大牽引力為482N，和上坡阻力相差10倍之多。顯然，如此小的牽引力，不僅不能上坡行駛，即使在平坦的道路上也不能行駛。
另一方面，NJ130汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為51.5kW，此時(shí)曲軸的轉(zhuǎn)速為2800r/min。如發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪直接相連，則對(duì)應(yīng)于該轉(zhuǎn)速所換算的汽車速度，竟達(dá)到458km/h.。顯然，這樣高的車速是不能實(shí)現(xiàn)的。
上述發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速與汽車的牽引力、車速要求之間的矛盾，靠現(xiàn)代汽車的內(nèi)燃機(jī)本身是無(wú)法解決的。為此，在汽車傳動(dòng)系中設(shè)置了變速器和主減速器。既可使驅(qū)動(dòng)車輪的扭矩增大為發(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)速的若干分之一。
此外，汽車的使用條件頗為復(fù)雜，變化很大。如汽車的載貨量、道路坡度、路面好壞以及交通情況等。這就要求汽車的牽引力和車速具有較大的變化范圍，以及適應(yīng)使用的需要。當(dāng)汽車在平坦的道路上，以高速行駛時(shí)，可掛入變速器的高速檔；而在不平的路上或爬較大的坡道時(shí)，則應(yīng)掛入變速器的低速檔。根據(jù)汽車的使用條件，選擇合適的變速器檔位，不僅是汽車動(dòng)力性的要求，而且也是汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的要求。例如，汽車在同樣的載貨量、道路、車速等條件下行時(shí)，往往可掛入較高的變速器檔位，也可掛入較低的檔位工作。此時(shí)只是發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度和轉(zhuǎn)速或大或小而已，可是發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工況下，燃料的消耗量是不一樣的。一般變速器具有四個(gè)或更多的檔位，駕駛員可根據(jù)情況選擇合適的檔位，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗量減小。
汽車在某些情況下，如進(jìn)出停車場(chǎng)或車庫(kù)，或在較窄的路上掉頭等需要倒向行駛。然而，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不能倒轉(zhuǎn)工作，因此在變速器設(shè)立倒檔。此外，變速器還設(shè)有空檔，可中斷動(dòng)力傳遞，以滿足汽車暫時(shí)停止行駛和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)檢查調(diào)整的需要。
對(duì)變速器的要求。除一般便于制造、使用、維修以及質(zhì)量輕、尺寸緊湊外，主要還有以下幾點(diǎn)：
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(lái)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(guò)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。
8）變速器的工作噪聲低。
1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況及成果
現(xiàn)代汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)汽車的要求不斷的變化，機(jī)械式變速器不能滿足人們的需要。從40年代初，美國(guó)成功研制出兩擋的液力-機(jī)械變速器以來(lái)，自動(dòng)變速器技術(shù)得到了迅速發(fā)展。80年代，美國(guó)已將液力自動(dòng)變速器作為轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。1983年時(shí)，美國(guó)通用汽車公司的自動(dòng)變速器裝車率已經(jīng)達(dá)到了94%。近些年來(lái)，由于電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)變速器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。自動(dòng)變速器與機(jī)械式變速器相比，具有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)：提高發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的使用壽命；提高汽車的通過(guò)性；具有良好的自適應(yīng)性；操縱更加方便。
目前，國(guó)內(nèi)變速器廠商都朝無(wú)級(jí)變速器和自動(dòng)變速器方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有好幾款轎車已經(jīng)應(yīng)用上無(wú)級(jí)變速器，而重型汽車則采用多中間軸的形式，將低速檔和高速檔區(qū)分開(kāi)。
汽車行駛的速度是不斷變化的，這就要求汽車的變速器的變速比要盡量多，這就是無(wú)級(jí)變速(Continuously Variable Transmission簡(jiǎn)稱"CVT") 。盡管傳統(tǒng)的齒輪變速箱并不理想，但其以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率大三大顯著優(yōu)點(diǎn)依然占領(lǐng)著汽車變速箱的主流地位。
在跨越了三個(gè)世紀(jì)的一百多年后的今天，汽車還沒(méi)有使用上滿意的無(wú)級(jí)變速箱。這是汽車的無(wú)奈和缺憾。但是,人們始終沒(méi)有放棄尋找實(shí)現(xiàn)理想汽車變速器的努力,各大汽車廠商對(duì)無(wú)級(jí)變速器(CVT)表現(xiàn)了極大的熱情，極度重視CVT在汽車領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。這是世界范圍尚未根本解決的難題，也是汽車變速器的研究的終極目標(biāo)。
圍繞汽車變速箱四個(gè)研究方向，各國(guó)汽車變速器專家展開(kāi)了激烈的角逐。
1． 摩擦傳動(dòng)CVT
金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱(VDT-CVT)的傳動(dòng)功率已能達(dá)到轎車實(shí)用的要求，裝備金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱的轎車已達(dá)100多萬(wàn)輛。據(jù)報(bào)道：大排量6缸內(nèi)燃機(jī)（2.8L）的奧迪A6轎車上裝備的金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱Multitronic CVT ，能傳動(dòng)142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。這是真正意義的無(wú)級(jí)變速器。
另一種摩擦傳動(dòng)CVT(名為Extroid CVT)是滾輪轉(zhuǎn)盤(pán)式。日產(chǎn)把它裝在概念車XVL上首次于去年?yáng)|京車展展示，新款公爵(Cedric)車也裝用這種CVT?？膳c3L以上排量的大馬力內(nèi)燃機(jī)(XVL的引擎輸出為330Nm/194kw)搭配使用，可謂汽車變速箱發(fā)展史上又一重要進(jìn)步。
從V形橡膠帶CVT到V型金屬帶CVT再到滾輪轉(zhuǎn)盤(pán)式CVT，摩擦傳動(dòng)CVT的研究已持續(xù)了整整一個(gè)世紀(jì)，盡管摩擦傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到很高的水平，也已經(jīng)裝備上汽車達(dá)到了實(shí)用的水平。但齒輪變速箱依然占據(jù)著半壁河山，這至少說(shuō)明了四個(gè)問(wèn)題：
（1）無(wú)級(jí)變速（CVT）是汽車變速箱始終追逐的目標(biāo)。
（2）摩擦傳動(dòng)CVT實(shí)現(xiàn)大功率的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)是極為困難的。
（3）摩擦傳動(dòng)CVT傳動(dòng)效率低是必然的。
（4）摩擦傳動(dòng)CVT的效率，功率無(wú)法與齒輪變速相比。
2． 液力傳動(dòng)
人們經(jīng)常把液力自動(dòng)變速器（AT）和無(wú)級(jí)變速器（CVT）兩個(gè)概念混為一談。實(shí)際上這兩種變速器工作原理完全不同。液力自動(dòng)變速器免除了手動(dòng)變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，使開(kāi)車變得簡(jiǎn)單、省力。但是, 液力自動(dòng)變速器（AT）不是無(wú)級(jí)變速，是有級(jí)變速的自動(dòng)控制，沒(méi)有從根本上滿足汽車對(duì)變速器的要求。從原始橡膠帶無(wú)級(jí)變速箱到現(xiàn)代金屬鏈無(wú)級(jí)變速箱、滾輪轉(zhuǎn)盤(pán)式CVT，百年大回轉(zhuǎn)說(shuō)明：無(wú)級(jí)變速箱是汽車變速箱的最終歸屬，液力自動(dòng)變速器只不過(guò)是一種過(guò)渡產(chǎn)品。
3．電控機(jī)械式自動(dòng)變速器
電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmission簡(jiǎn)稱"AMT")和液力自動(dòng)變速器（AT）一樣，不是無(wú)級(jí)變速器，是有級(jí)變速器的自動(dòng)換檔控制。其特點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)部分沿用了傳統(tǒng)的有級(jí)變速箱，但控制參量太多，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制相當(dāng)困難。
4．齒輪無(wú)級(jí)變速器
齒輪無(wú)級(jí)變速器（Gear Continuously Variable Transmission）這是一種全新的設(shè)計(jì)思想，是利用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效率、大功率的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。
據(jù)最新消息：一種"齒輪無(wú)級(jí)變速裝置"(Gear Continuously Variable Transmission簡(jiǎn)稱"G-CVT")已經(jīng)試制成功，并已經(jīng)進(jìn)行了多次樣機(jī)試驗(yàn)。"齒輪無(wú)級(jí)變速裝置"結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，只有不足20種非標(biāo)零件，51個(gè)零件，生產(chǎn)成本甚至低于手動(dòng)變速箱。預(yù)計(jì)今年進(jìn)行裝車試驗(yàn)。
齒輪無(wú)級(jí)變速器的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：
（1）傳動(dòng)功率大，200KW的傳動(dòng)功率是很容易達(dá)到的；
（2）傳動(dòng)效率高，90%以上的傳動(dòng)效率是很容易達(dá)到的；
（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大幅度降低生產(chǎn)成本，相當(dāng)于自動(dòng)變速箱的1/10；
（4）對(duì)汽車而言，提高傳動(dòng)效率，節(jié)油20%；
（5）發(fā)動(dòng)機(jī)在理想狀態(tài)下工作，燃料燃燒完全，排放干凈，極大的減少了對(duì)環(huán)境的污染。
1.3變速器的設(shè)計(jì)方法和研究?jī)?nèi)容
在本次設(shè)計(jì)中，由于是對(duì)傳統(tǒng)的變速器進(jìn)行改進(jìn)性設(shè)計(jì)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中參考了東風(fēng)汽車有限公司生產(chǎn)的EQ1090E和一汽集團(tuán)的CA10兩種類型的中型貨車的變速器，采用了鎖環(huán)式同步器與鎖銷式同步器相結(jié)合的換檔方式。
在設(shè)計(jì)中，我們除了對(duì)汽車變速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的布置外，還運(yùn)用了材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等知識(shí)，對(duì)變速器的重要零件—軸和齒輪進(jìn)行受力分析，強(qiáng)度、剛度的校核，以及為這些零件選擇合理的工程材料和熱處理方法，同時(shí)也為變速器選擇合理的同步器和操縱機(jī)構(gòu)。
在設(shè)計(jì)的初期，我們專門(mén)去東風(fēng)公司的特約維修站參觀汽車的整體構(gòu)造尤其是變速器的各部件的功用；在設(shè)計(jì)的第二階段，通過(guò)參考以上提及的兩種類型的變速器，對(duì)變速器進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)布置，校核軸和齒輪的強(qiáng)度、剛度，選擇材料和熱處理方法；在第三階段的主要任務(wù)是繪制變速器的裝配圖和重要的零件圖，確定個(gè)零件的精度等級(jí)及其它參數(shù)；最后，是對(duì)整體論文的編寫(xiě)整理整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種資料，以及對(duì)前期設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤做出修改。
2 變速器結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
目前，汽車上采用的變速器結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，這是由于各國(guó)汽車的使用、制造、修理等條件不同，也是由于各種類型汽車的使用要求不同所決定的。盡管如此，一般變速器的結(jié)構(gòu)形式，仍具有很多共同點(diǎn)。各種機(jī)構(gòu)形式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，這些優(yōu)缺點(diǎn)隨主觀和客觀條件的變化而變化。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入實(shí)際，收集資料，調(diào)查研究，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，并盡可能地考慮到產(chǎn)品的系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，最后確定較合適的方案。
2.1兩軸式和三軸式變速器
現(xiàn)代汽車大多數(shù)采用三軸式變速器。兩軸式變速器只用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前輪驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)后置、后輪驅(qū)動(dòng)的轎車上。究竟采用哪種形式，除了汽車總布置的要求外，主要考慮以下三個(gè)方面：
2.1.1變速器的徑向尺寸
兩軸式變速器的前進(jìn)檔均由一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力。當(dāng)需要大的傳動(dòng)比時(shí)，需將主動(dòng)齒輪做得小些，而將從動(dòng)齒輪做得大些，因此兩軸的中心距和變速器殼體的相關(guān)尺寸也必然增大。而三軸式變速器由兩對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力，在同樣傳動(dòng)比的情況下，可將大齒輪的徑向尺寸做得小些，因此中心距及變速器殼的相關(guān)尺寸均可減小。
2.1.2變速器的壽命
兩軸式變速器的低檔齒輪幅大小相差懸殊，小齒輪工作循環(huán)次數(shù)比大齒輪要高得多，因此小齒輪的壽命比大齒輪的壽命短。三軸式變速器各前進(jìn)檔（除直接檔），均為常嚙合斜齒輪傳動(dòng)，大小齒輪的徑向尺寸相差較小，工作循環(huán)次數(shù)和壽命也比較接近，用直齒輪工作時(shí)，因第一軸與第二軸直接連接在一起，齒輪只是空轉(zhuǎn)，并不傳遞動(dòng)力，故不影響齒輪的壽命。
2.1.3變速器的效率
兩軸式變速器雖然可以由等于1的傳動(dòng)比，但仍要經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力，因此用功率損失。而三軸式變速器可將輸入軸和輸出軸直接相連，得到直接檔，這種動(dòng)力傳遞方式幾乎無(wú)功率損失，且噪聲較小。
轎車、尤其是微型汽車，采用兩軸式變速器比較多，這樣可將變速器和主傳動(dòng)器組成一個(gè)整體，使傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)緊湊，汽車得到較大的有效空間，便于汽車的總體布置。因此，近年來(lái)在歐洲的轎車中采用的比較多。
2.2齒輪安排
各齒輪副的相對(duì)安裝位置對(duì)于整個(gè)變速器的結(jié)構(gòu)布置有很大的影響。各檔位置的安排應(yīng)考慮以下四個(gè)方面：
2.2.1整車總布置
根據(jù)整車的總布置，對(duì)變速器輸入軸和輸出軸的相對(duì)位置和變速器的輪廓形狀以及換檔機(jī)構(gòu)提出要求。
2.2.2駕駛員的使用習(xí)慣
有人認(rèn)為人們習(xí)慣于按檔的高低順序，由左到右或由右到左排列來(lái)?yè)Q檔。但是也有人認(rèn)為應(yīng)該將常用檔位放在中間位置。值得注意的是倒檔，雖然他是平常換檔序列之外的一個(gè)特殊檔位，然而卻是決定序列組合方案的重要環(huán)節(jié)。按習(xí)慣，倒檔最好與序列不接合。否則，從安全角度考慮，將倒檔與一檔放在一起較好。
在五檔變速其中，倒檔與序列接合與不接合兩者比較，前者在結(jié)構(gòu)上可省去一個(gè)撥叉和一根變速滑桿，后者的布置適當(dāng)，則可使變速器的軸向長(zhǎng)度縮短。
2.2.3提高平均傳動(dòng)效率
為提高平均傳動(dòng)效率，在三軸式變速器中，普遍采用具有直接檔的傳動(dòng)方案，并盡可能地將使用時(shí)間最多的檔位設(shè)計(jì)成直接檔。
2.2.4改善齒輪受載狀況
各檔齒輪在變速器中的位置安排，應(yīng)考慮齒輪的受載狀況。承受載荷大的低檔齒輪，一般安置在離軸承較近的地方，以較小軸的變形，使齒輪的重疊系數(shù)不致下降過(guò)多。變速器齒輪主要是因接觸應(yīng)力過(guò)高而造成表面點(diǎn)蝕損壞，因此將高檔齒輪安排在離兩支撐較遠(yuǎn)處較好。該處因軸的變形而引起齒輪的偏轉(zhuǎn)角較小，故齒輪的偏載也小。
2.3換檔結(jié)構(gòu)方式
目前汽車上的機(jī)械式變速器采用的換檔結(jié)構(gòu)形式有三種：
2.3.1滑動(dòng)齒輪換檔
通常是采用滑動(dòng)直齒輪進(jìn)行換檔，但也有采用滑動(dòng)斜齒輪換檔的?；瑒?dòng)直齒輪換檔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、容易制造。缺點(diǎn)是換檔使齒面承受很大的沖擊，會(huì)導(dǎo)致齒輪過(guò)早損壞，并且直齒輪工作噪聲大，所以這種換檔方式一般僅用在倒檔上。
2.3.2嚙合套換檔
用接合套換檔，可將構(gòu)成某傳動(dòng)比的一對(duì)齒輪，制成常嚙合斜齒輪。而斜齒輪上另外有一部分做成直的結(jié)合齒，用來(lái)與嚙合套向嚙合。這種結(jié)構(gòu)具有斜齒輪的傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了滑動(dòng)齒輪換檔時(shí)沖擊力集中在1~2個(gè)輪齒上的缺陷。因?yàn)樵趽Q檔時(shí)，有嚙合套以及相嚙合的結(jié)合齒上所有的輪齒共同承擔(dān)所受到的沖擊，所以嚙合套和結(jié)合齒的輪齒所受的沖擊損傷和磨損較小。它的缺點(diǎn)是增大了變速器的軸向尺寸，未能徹底消除齒輪端面所受到的沖擊。
2.3.3同步器換檔
現(xiàn)在大多數(shù)汽車的變速器都采用同步器。使用同步器可減輕結(jié)合齒在換檔時(shí)引起的沖擊及零件的損壞。并且具有操縱輕便，經(jīng)濟(jì)性和縮短換檔時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，從而改善了汽車的加速性，經(jīng)濟(jì)性和山區(qū)行使的安全性。其缺點(diǎn)是零件增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸向尺寸增加，制造要求高，同步環(huán)磨損大，壽命低。但是近年來(lái)由于同步器的廣泛使用，受命問(wèn)題已解決。
上述三種換檔方案，可同時(shí)用在同一變速器中的不同檔位上。一般考慮原則是不常用的倒檔和一檔采用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的滑動(dòng)直齒輪或嚙合套的形式。對(duì)于常用的檔位則采用同步器或嚙合套。
2.4倒檔的結(jié)構(gòu)方案及倒檔軸的位置
倒檔齒輪的結(jié)構(gòu)及其軸的位置，應(yīng)與變速器的整體結(jié)構(gòu)方案同時(shí)考慮。在結(jié)構(gòu)布置上，要注意在不掛入倒檔時(shí)，不能與第二軸齒輪有嚙合情況。換倒檔時(shí)能順利換入倒檔，而不和其它齒輪發(fā)生干涉。
在轎車和其它輕型汽車中，經(jīng)常只采用一個(gè)倒檔齒輪，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。載貨汽車由于需要較大的倒檔傳動(dòng)比，則多采用由兩個(gè)齒輪組成的齒輪組。為縮短變速器的軸向尺寸充分利用空間。但一檔和倒檔需各用一根變速滑桿，這比通常的換檔機(jī)構(gòu)多用一根變速滑桿和撥叉，使變速器的上蓋結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
倒檔齒輪安排在變速器的左側(cè)或右側(cè)，關(guān)系到操縱桿撥動(dòng)的方向和倒檔軸的受力狀況。掛倒檔時(shí)，操縱桿向左側(cè)撥動(dòng)，比較符合習(xí)慣要求。但此時(shí)倒檔齒輪需安排在右側(cè)，這是倒檔軸的軸向承受較大的作用力。反之，操縱桿向右側(cè)，雖不符合習(xí)慣，但可以減輕倒檔軸的負(fù)荷。
3 變速器軸的設(shè)計(jì)
3.1軸的設(shè)計(jì)
3.1.1軸的功用及其設(shè)計(jì)要求
變速器在工作是承受力扭矩、彎矩，因此應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度。軸的鋼的不足，在負(fù)荷作用下，軸會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，影響齒輪的正常嚙合，產(chǎn)生過(guò)大的噪聲，并會(huì)降低齒輪的使用壽命。這一點(diǎn)很重要，與其它零件的設(shè)計(jì)不同。
設(shè)計(jì)變速器軸時(shí)主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：軸的結(jié)構(gòu)形狀，軸直徑、長(zhǎng)度、軸的強(qiáng)的和剛度，軸上花鍵型式和尺寸。
軸的結(jié)構(gòu)主要依據(jù)變速器結(jié)構(gòu)布置的要求，并考慮加工工藝，裝配工藝而最后確定。
3.1.2軸的尺寸
軸的直徑與支承跨度長(zhǎng)度之間關(guān)系可按下式選取：
第一軸及中間軸：=0.16～0.18 （3-1）
第二軸： =0.18～0.21 （3-2）
第二軸及中間軸最大軸徑： （3-3）
第一軸最細(xì)處： （3-4）
第一軸花鍵部分直徑 ： （3-5）
式中：－發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，
－變速器中心距，
有相關(guān)手冊(cè)查得：＝353
中心距經(jīng)驗(yàn)公式：（）
取中心距=126.2
3.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)保證齒輪、同步器部件及軸承等安裝、固定。并與工藝要求有密切關(guān)系。
在三軸式變速器中，第一軸通常和齒輪做成一體，前端支承在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪內(nèi)腔的軸承上。其直徑根據(jù)前軸承內(nèi)徑確定。公差一般選。第一軸花鍵尺寸與離合器從動(dòng)盤(pán)轂內(nèi)花鍵統(tǒng)一考慮。第一軸的長(zhǎng)度根據(jù)離合器總稱軸向尺寸確定。確定第一軸后徑時(shí)，希望軸承外徑比第一軸上常嚙合齒圈外徑大，便于裝拆第一軸。
第二軸前頸通過(guò)軸承安裝在第一軸常嚙合齒圈的內(nèi)腔里，它受齒輪徑向尺寸的限制，前軸頸上安裝長(zhǎng)或短圓柱滾子軸承或滾針軸承或散滾針軸承。第二軸安裝同步器齒轂的花鍵采用漸開(kāi)線花鍵，漸開(kāi)線花鍵固定連接的精度要求比矩形花鍵低，定位性能好，承載能力大，花鍵齒短，其小徑相應(yīng)增大，可提高軸的剛度。選用漸開(kāi)線花鍵是以大徑定心更合適。第二軸各檔齒輪與軸之間有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，無(wú)論裝滾針軸承、襯套還是鋼件對(duì)鋼件直接接觸，軸的表面粗糙度均要求很高，不應(yīng)低于0.8。表面硬度不應(yīng)低于HRC58～63。在一般情況下軸上還應(yīng)開(kāi)螺旋油槽，以保證充分潤(rùn)滑。在低檔時(shí)，齒輪須軸向滑動(dòng)掛擋（有些變速器）齒輪處，軸上花鍵采用矩形花鍵，因?yàn)閽鞊鯐r(shí)，齒輪須軸向滑動(dòng)，要求定中心好滑動(dòng)靈活。所以除要求定中心的外徑磨削外，一般鍵齒側(cè)面也需要磨削，而矩形花鍵鍵側(cè)面磨削比漸開(kāi)線花鍵容易。
第二軸制成階梯式，便于齒輪安裝，從受力和合理使用材料看，這也是需要的。各截面尺寸要避免相差懸殊，軸上供磨削用的砂輪越程槽產(chǎn)生應(yīng)力集中，易造成軸折斷。輕型汽車變速器各檔位常用彈性擋圈軸向定位，彈性擋圈定位簡(jiǎn)單，但拆裝不方便，并且與旋轉(zhuǎn)件端面有相對(duì)摩擦，同時(shí)彈性擋圈亦不能傳遞很大的軸向力，這是很不利的。因此只在輕型汽車上采用。第二軸尾端螺紋不應(yīng)淬硬。
輕型汽車（尤其是轎車）為了縮短傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度，常常將第二軸做得很長(zhǎng)，在長(zhǎng)的后體設(shè)有輔助支承。有些變速器低檔、倒檔或超速檔傳動(dòng)往往不只在后體上。
變速器中間軸有旋轉(zhuǎn)式和固定式兩種：
固定式中間軸是根光軸，近期支撐作用，其剛度由安裝在軸上的寶塔齒輪結(jié)構(gòu)保證。軸和寶塔齒輪之間用滾針軸承、或短圓柱滾子軸承。軸常輕壓于殼體中。因此光軸有兩種配合公差的軸徑。固定式中間軸用鎖片或雙頭螺柱固定。輕型汽車的中心距較小，殼體上無(wú)足夠位置設(shè)置滾動(dòng)軸承和軸承蓋。因而多采用固定式中間軸。
旋轉(zhuǎn)式中間軸支承在前后兩個(gè)滾動(dòng)軸承上，一般軸向力常由后軸承承受。由于中間軸上一檔齒輪尺寸較小，常和軸做成一體，成為中間齒輪軸，而高檔齒輪則通過(guò)鍵或過(guò)盈配合與中間軸結(jié)合，以便齒輪損壞后更換。如結(jié)構(gòu)尺寸允許，應(yīng)盡量用旋轉(zhuǎn)式中間軸而不用固定式中間軸。
我這次設(shè)計(jì)的中型貨車的變速器就是采用的旋轉(zhuǎn)式中間軸。中間軸的前軸承運(yùn)用圓柱滾子軸承，從前之后依次是常嚙合齒輪，四檔齒輪，三檔齒輪，二檔齒輪，一檔齒輪由于尺寸較小，就與中間軸制成一體，并且中間軸一檔也和倒檔齒輪嚙合，后軸承使用球軸承，軸后端用螺紋鎖緊，再加后軸承改其定位密封作用。
3.1.4接合器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)接合器時(shí)主要考慮三個(gè)問(wèn)題：接合器強(qiáng)度、尺寸；換檔方便，不允許自行脫檔等。
接合器參數(shù)選擇,接合器采用漸開(kāi)線齒線，齒形參數(shù)應(yīng)盡量按漸開(kāi)線花鍵標(biāo)準(zhǔn)選取。花鍵模數(shù)依使用條件、傳遞的最大扭矩與同類汽車比較選取。近似公式如下：
（3-6）
式中：--接合齒模數(shù)，mm
--接合齒圈齒數(shù)
--接合齒圈傳遞最大扭矩，
當(dāng)嚙合套工作寬度b=11～16㎜時(shí)，系數(shù)c取0.19-0.34；b=4～7㎜時(shí)，c取0.13-0.19。計(jì)算的模數(shù)最后按標(biāo)準(zhǔn)確定 。一般推薦，對(duì)轎車和輕型、中型貨車模數(shù)為2-3.5，重型貨車為3.5-5.0?？紤]到加工工藝，各檔接合器齒的模數(shù)應(yīng)相同。齒面工作寬度初選可等于模數(shù)的2-5倍。一軸取模數(shù)為3.5，齒數(shù)為24。二軸鎖銷式同步器模數(shù)4，齒數(shù)24。
3.2軸的受力分析與校核計(jì)算
3.2.1軸的受力分析
計(jì)算軸的強(qiáng)度、剛度及選擇軸承都要首先分析軸的受力和各支承反力。這些力取決于齒輪上的作用力。
不同檔位時(shí)，軸所受到的力及支承反力是不同的，須分別計(jì)算。齒輪上的作用力認(rèn)為在有效齒面寬的中點(diǎn)。軸承上的支撐反力作用點(diǎn)，對(duì)于向心軸承取款度方向中點(diǎn)；對(duì)向心推力軸承，取滾動(dòng)體負(fù)荷向量與軸中心線匯交點(diǎn)；對(duì)圓錐滾子軸承，取滾動(dòng)體寬中點(diǎn)處滾動(dòng)體中心線的法線與軸中心線的匯交點(diǎn)。
3.1第二軸受力分析
3.2第一軸受力分析
3.3中間軸受力分析
求支撐反力，先從第二軸開(kāi)始，然后依次計(jì)算中間軸、第一軸。計(jì)算公式如下表若計(jì)算結(jié)果為正數(shù)，表示實(shí)際力的方向與圖示方向相同，若計(jì)算結(jié)果為負(fù)數(shù)，表示實(shí)際力的方向與圖示方向相反。
表3-1軸的支撐力計(jì)算
軸
支點(diǎn)
水平面內(nèi)支承反力
垂直面內(nèi)支承反力
二
軸
C
D
中
間
軸
E
F
一軸
B
A
3.2.2軸的強(qiáng)度計(jì)算
由變速器結(jié)構(gòu)布置并考慮到加工和裝配而確定的軸的尺寸，一般來(lái)說(shuō)強(qiáng)度是足夠的，僅對(duì)其危險(xiǎn)斷面進(jìn)行驗(yàn)算。
出不同檔位時(shí)的各支反力，可以計(jì)算軸的各截面的彎曲力矩：
= （3-7）
式中：—支撐中心至計(jì)算斷面距離。
確定危險(xiǎn)斷面，取危險(xiǎn)斷面處合成彎矩和扭矩最大值（因?yàn)楦鳈n時(shí)彎矩圖不同）計(jì)算彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及合成應(yīng)力。
彎曲應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
式中：— 軸截面抗彎截面模數(shù)；
— 軸截面抗扭截面模數(shù)。
圓截面：,,花鍵軸按小徑計(jì)算。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算軸的強(qiáng)度時(shí)，其安全系數(shù)（按金屬材料的屈服極限計(jì)算）在5～10范圍內(nèi)選取。第一軸取上限，中間軸和第二軸取下限。
具體計(jì)算如下表：
表3-2齒輪受計(jì)算表
斜齒輪
直齒輪
法向力
圓周力
徑向力
軸向力
0
一軸與中間軸嚙合時(shí)的圓周力= = 4468.355N
一軸與中間軸嚙合時(shí)的徑向力
=4468.355×20°/25°=1794.5N
一軸與中間軸嚙合時(shí)的軸向力=4468.355×20°=1626.5N
一檔時(shí)中間軸的扭矩==4468.355×0.1734/2=387.4N﹒m
=387400N﹒mm
一檔時(shí)中間軸與二軸嚙合的圓周力
=387.4×2×1000/58.5=13244.65N
一檔時(shí)中間軸與二軸嚙合的徑向力=13244.65×tan20°=4820.65N
因?yàn)橐粰n時(shí)中間軸與二軸嚙合是直齒輪，故軸向力為零。
一檔時(shí)二軸的扭矩==13244.65×193.9/2=1284069N﹒mm
3.4一檔時(shí)二軸受力分析
二軸C截面合成應(yīng)力
一檔時(shí)二軸的水平彎矩= =892.545Nm
一檔時(shí)二軸的垂直彎矩==357.07 Nm
合成彎矩==961.32Nm=961320 N﹒mm
軸截面模數(shù) ==0.000023385935=23385.935
==0.00004677187=46771.87
彎曲應(yīng)力==41.1 MPa
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力== 27.5 MPa
合成應(yīng)力==68.6MPa
選用40Mn調(diào)質(zhì)加表面淬火處理。
中間軸上B截面合成應(yīng)力
=
=762140.5 N﹒mm
=
=326713.1 N﹒mm
==829216.5N﹒mm
軸截面模數(shù)==10187.6
==5093.8
彎曲應(yīng)力==81.4 MPa
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力==76 MPa
合成應(yīng)力= =173.7MPa
選用35SiMn調(diào)質(zhì)加表面淬火處理。
3.2.3軸的剛度計(jì)算
變速器軸的剛度用軸的撓度和轉(zhuǎn)角來(lái)評(píng)價(jià)，軸的剛度比其強(qiáng)度更為重要。變速器第二軸的剛度最小，第二軸齒輪處軸截面的總撓度不得大于0.13~0.15mm。（對(duì)于低檔齒輪處軸截面的總撓度，又于低檔工作時(shí)間較短，又接近軸的支撐點(diǎn)，因此允許不得大于0.15~0.25mm。）齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過(guò)0.0012弧度；兩軸的分離不超過(guò)0.2mm。
斜齒輪對(duì)軸和支撐的變形較直齒輪敏感。變速器剛度試驗(yàn)表明，中心距的變化及齒輪的傾斜，不僅取決于周的變形，而且取決于支撐和殼體的變形。
計(jì)算中間軸時(shí)，通常只計(jì)算與第二軸上齒輪相嚙合的齒輪處的軸截面的撓度。常嚙合齒輪副的撓度不必計(jì)算，因?yàn)榫嚯x支撐點(diǎn)較近，符合較小，撓度值不大。
二軸C截面轉(zhuǎn)角及撓度
==875796
水平面內(nèi)轉(zhuǎn)角
=
=－3.1×＜0.0012
水平面內(nèi)撓度
==3.95× mm
垂直面內(nèi)撓度
+
=
+
=0.75× mm
==4.0× mm＜0.13 mm，符合要求。
中間軸B截面轉(zhuǎn)角及撓度
==574610
水平面內(nèi)轉(zhuǎn)角
=
+
=3.35×rad
水平面內(nèi)撓度
=+
=－4.95×mm
垂直面內(nèi)撓度
+
－－
=
+－
－
=－2.6×mm
==5.59×mm
4 變速器齒輪的設(shè)計(jì)
4.1齒輪傳動(dòng)的失效形式
汽車變速器的齒輪都是裝載經(jīng)過(guò)精確加工而且封閉嚴(yán)密的變速箱里，屬于閉式齒輪傳動(dòng)。它與開(kāi)式或半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)相比，潤(rùn)滑及防護(hù)等條件都要好得多。一般地說(shuō)，齒輪傳動(dòng)的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失效形式又是多種多樣的，較為常見(jiàn)的有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合等形式。至于齒輪的其它部分（如齒圈、輪輻、輪轂等），除了對(duì)齒輪的質(zhì)量大小需要嚴(yán)格限制外，通常指按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所定的尺寸對(duì)強(qiáng)度及剛度來(lái)說(shuō)均較富裕，實(shí)踐中也極少失效。
4.1.1齒輪折斷
輪齒折斷有多種形式，在正常工況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷，因?yàn)檩嘄X受載時(shí)，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過(guò)渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)收載后，齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。
此外，在輪齒受到突然過(guò)載時(shí)，也可能出現(xiàn)過(guò)載折斷或剪斷；在輪齒經(jīng)過(guò)嚴(yán)重磨損后齒后過(guò)分減薄時(shí)，也會(huì)在正常載荷作用下發(fā)生折斷。
在斜齒輪傳動(dòng)中，輪齒工作面上的接觸線為一斜線，輪齒受載后，如有載荷集中時(shí)，就會(huì)發(fā)生局部折斷。如制造及安裝不良或軸的彎曲變形過(guò)大，輪齒局部受載過(guò)大時(shí)，即使是直齒輪，也會(huì)發(fā)生局部折斷。
為了提高輪齒的抗折斷能力，可采取下列措施：1）用增大齒根過(guò)渡圓角半徑及消除加工刀痕的方法來(lái)減小齒根應(yīng)力集中；2）增大軸及支撐的剛度，使輪齒接觸線上受載較為均勻；3）采用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性；4）采用噴丸、滾壓等工藝措施對(duì)齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化處理。
4.1.2齒面點(diǎn)蝕
點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤(rùn)滑良好的閉式齒輪傳動(dòng)中，常見(jiàn)的失效形式多為點(diǎn)蝕。所謂點(diǎn)蝕就是齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作用下，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。齒面上最初出現(xiàn)的點(diǎn)蝕僅為針狀大小的麻點(diǎn)，如工作條件未加改善，麻點(diǎn)就會(huì)逐步擴(kuò)大，甚至數(shù)點(diǎn)連成一片，最后形成了明顯的齒面損傷。
輪齒在嚙合過(guò)程中，齒面間的相對(duì)滑動(dòng)起著形成潤(rùn)滑膜的作用，而且相對(duì)滑動(dòng)速度越高，潤(rùn)滑也就越好。當(dāng)輪齒在靠近接線處嚙合時(shí)，由于相對(duì)滑動(dòng)速度低，形成油膜的條件差，潤(rùn)滑不良，摩擦力較大，特別是直齒輪傳動(dòng)中，通常這時(shí)只有一對(duì)齒嚙合，輪齒受力也最大，因此，點(diǎn)時(shí)也就首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上，然后再向其它部位擴(kuò)展。從相對(duì)意義上來(lái)說(shuō)，也就是靠近節(jié)線處的齒根面抵抗點(diǎn)蝕的能力最差。
提高接觸強(qiáng)度的措施，一方面是合理選擇齒輪參數(shù)，使接觸應(yīng)力降低；另一方面是提高齒面硬度，如采用需用應(yīng)力大的鋼材等。
4.1.3齒面膠合
對(duì)于高速重載的齒輪傳中，齒面間的壓力大，瞬時(shí)溫度高，潤(rùn)滑效果差，當(dāng)瞬時(shí)溫度過(guò)高時(shí)，相嚙合的兩齒面就會(huì)粘在一起，由于此時(shí)兩齒面又在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，向粘結(jié)的部位即使撕破，于是在齒面上演相對(duì)滑動(dòng)的方向形成傷痕，成為膠合。
加強(qiáng)潤(rùn)滑措施，采用抗膠合能力強(qiáng)的潤(rùn)滑油，在潤(rùn)滑油中加入極壓添加劑等，均可防止或減輕齒面的膠合。
4.2 變速器齒輪設(shè)計(jì)步驟
齒輪設(shè)計(jì)主要是對(duì)齒輪參數(shù)的選取
4.2.1模數(shù)的選取
遵循的一般原則：為了減少噪聲應(yīng)合理減小模數(shù)，增加齒寬；為使質(zhì)量小，增加模數(shù)，同時(shí)減少齒寬；從工藝方面考慮，各檔齒輪應(yīng)選用同一種模數(shù)，而從強(qiáng)度方面考慮，各檔齒數(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?。粚?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)。
低檔齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)，其他檔位選另一種模數(shù)。少數(shù)情況下汽車變速器各檔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(kāi)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。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利換檔。
4.2.2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；對(duì)貨車，為提高齒輪承載力，取大些。變速器齒輪用20°,嚙合套或同步器的接合齒壓力角用30°。
4.2.3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，要注意它對(duì)齒輪工作噪聲齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。從提高低檔齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，不希望用過(guò)大的螺旋角；而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)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(méi)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，須滿足下述條件
； （4-1）
由于T=，為使兩軸向力平衡，必須滿足
（4-2）
式中，F(xiàn)a1，F(xiàn)a2為軸向力，F(xiàn)n1，F(xiàn)n2為圓周力r1，r2為節(jié)圓半徑；T為中間軸傳遞的轉(zhuǎn)矩。
圖4.1中間軸軸向力的平衡
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。
斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用：
兩軸式變速器為 20°～30°
中間軸式變速器為 22°～34°
貨車變速器：18°～34°
4.2.4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。
通常跟據(jù)齒輪模數(shù)m的大小來(lái)選定齒寬。
直齒：b=KCm, KC為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0
斜齒：b= KCmn，KC取6.0～8.5
第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)，KC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。
4.2.5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(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)度和抗膠合及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)于低檔齒輪，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)齒輪齒根總厚度越薄，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，對(duì)于變速器中除去一、二檔和倒檔以外的其它各檔齒輪的總變位系數(shù)要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。
齒輪可與軸設(shè)計(jì)為一體或分開(kāi)，然后用花鍵，過(guò)盈配合或滑動(dòng)支承等方式與軸連接。
圖4.2變速器齒輪控制圖
齒輪尺寸小又與軸分開(kāi)時(shí)，其內(nèi)孔直徑到齒根圓處的厚度b(圖4.2)影響齒輪強(qiáng)度，要求尺寸b應(yīng)該大于或等于輪齒危險(xiǎn)斷面處的厚度。為了使齒輪裝到軸上以后保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部分寬度尺寸C，在結(jié)構(gòu)允許條件下應(yīng)盡可能取大些，至少滿足尺寸C=(1．2～1．4)d2，d2為花鍵內(nèi)徑。為了減小質(zhì)量，輪輻處厚度δ應(yīng)在滿足強(qiáng)度的條件下設(shè)計(jì)得薄些。圖4.2中尺寸D1，可取為花鍵內(nèi)徑的1．25～1．40倍。
齒輪表面粗糙度數(shù)值降低，則噪聲減小，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。汽車齒輪齒面的表面粗糙度應(yīng)在0．80～0．40m范圍內(nèi)選用。
4.3各檔齒輪齒數(shù)的分配
在初選中心距，齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的檔數(shù)，傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。以本次設(shè)計(jì)五檔變速器為例，說(shuō)明分配齒數(shù)的方法。盡可能使各檔齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該不是整數(shù)。
圖4.3變速器傳動(dòng)示意圖
4.3.1確定一檔齒輪的齒數(shù)
一檔傳動(dòng)比
i1=(z23z12)/(z2z18) (4-3)
如果z12z18齒數(shù)確定了，則z23與z2的傳動(dòng)比可求出。為了求z12z18的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和Zh
直齒Zh=2A/m
斜齒Zh=2Acosb/Mn
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z12/z18的傳動(dòng)比大些，在i1已定的情況下，z23/z2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?？紤]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)，還受中間軸軸徑尺寸的限制，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檔傳動(dòng)比i1=3.5～3.8時(shí)，中間軸上一檔齒輪數(shù)可在15～17間取，貨車在2～17間取。
4.3.2對(duì)中心距進(jìn)行修正
因?yàn)橛?jì)算齒數(shù)和zh后，經(jīng)過(guò)取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)zh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檔齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。
4.3.3確定常嚙合傳動(dòng)齒輪副的齒數(shù)
求出傳動(dòng)比z23/z2=i1z18/z12，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=mn(z2+z23)/2cos (4-4)
解方程式（4-3）和式（4-4）求z2與z23,求出的z2，z23都應(yīng)取整數(shù)；然后核算一檔傳動(dòng)比與原傳動(dòng)比相差多少，如相差較大，只要調(diào)整一下齒數(shù)即可；最后根據(jù)所確定的齒數(shù)，按式（4-2）算出精確的螺旋角值。
4.3.4確定其他各檔的齒數(shù)
若二檔齒輪是直齒輪，模數(shù)與一檔齒輪相同時(shí)，則得：
i2=z23z7/z2z21 (4-5)
A=m(z7+z21)/2 (4-6)
解兩方程式求出z7,z21。用取整后z7,z21的計(jì)算中心距，若與中心距A有偏差，通過(guò)齒輪變位來(lái)調(diào)整。
二檔齒輪是斜齒輪，螺旋角與常嚙合齒輪的不同時(shí)，由式(4-5)得
Z7/z21=i2z2/z23,而
A=Mn(z7+z21)/2cos
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
tan/tan=z2(1+z7/z21)/(z2+z23) (4-7)
聯(lián)解上述三個(gè)方程式，可求出z7,z21和三個(gè)參數(shù)。但借此方程組比較麻煩，可采用比較方便的試湊法，即先選定螺旋角，解式(4-6)和（4-7)式，求出z7,z21，再把z7,z21及代入式(4-4)中，檢查是否滿足或近似滿足軸向力平衡的關(guān)系。如相差太大，則要調(diào)整螺旋角，重復(fù)上述過(guò)程，直至符合設(shè)計(jì)要求為止。其他各檔齒輪的齒數(shù)用同一方法確定。
4.3.5確定倒檔齒輪齒數(shù)
倒檔齒輪選用的模數(shù)往往與一檔相同。圖4-3所是倒檔齒輪z10的齒數(shù)，一般在21-23之間，初選z10后，可計(jì)算出中間軸與倒檔軸的中心距A’
A’=m(z18+z17)/2
為保證倒檔齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，齒輪18和19的齒頂圓之間應(yīng)保持在以上的間隙，則齒輪9的齒頂圓直徑應(yīng)為
De18/2+0.5+De19/2=A’;De19=2A’-De18-1
根據(jù)求得的De19，再選擇適當(dāng)?shù)凝X數(shù)及采用變位齒輪，使齒頂圓De19符合上式。最后計(jì)算倒檔軸與第二軸的中心距。
4.3.6齒數(shù)和螺旋角具體計(jì)算如下：
初取中心矩A=125，直齒輪的模數(shù)m=4.5,則Zh==55.56,取整Zh=56.又貨車的z18在12～17之間選用[7]，選用z18=13,z12=Zh－z18=56－13=43, 修正A=4.5×56/2=126.2mm
=2.21;126.2=
由以上兩式，再取螺旋角為25°，求得z2=19,z23=42.
二檔齒輪的齒數(shù)和螺旋角的計(jì)算：
A=，, ，
由以上三個(gè)方程，解得z11=39,z20=20,=20.73°。
三檔齒輪的齒數(shù)和螺旋角的計(jì)算：
A=，，
由以上三個(gè)方程解得z7=31,z21=28,=21.14°。
四檔齒輪的齒數(shù)和螺旋角：
A=，，
由以上三個(gè)方程解得z6=25,z22=36,=24.95°
倒檔齒輪齒數(shù)的確定：
初選z19=22,=78.75mm
De18/2+0.5+De19/2=A’;De19=2A’-De18-1
修正中間軸與倒檔軸之間的距離mm.
綜上所述，本次設(shè)計(jì)變速器的齒輪參數(shù)如表4.1
表4.1齒輪參數(shù)
齒輪編號(hào)
齒數(shù)
分度圓直徑
模數(shù)
螺旋角
齒寬
2
19
79
3.75
25
26
6
25
103.4
3.75
24.95
30
7
31
132.95
4
21.14
28
11
39
166.8
4
20.73
30
12
43
193.9
4.5
0
32
17
21
94.5
4.5
0
25
18
13
58.5
4.5
0
50
19
22
99
4.5
0
26
20
20
85.56
4
20.73
30
21
28
119.45
4
21.14
30
22
36
148.96
3.75
24.95
30
23
42
173.4
3.75
25
28
變速器各檔傳動(dòng)比
一檔傳動(dòng)比：=
二檔傳動(dòng)比：
三檔傳動(dòng)比：
四檔傳動(dòng)比：
五檔傳動(dòng)比：
倒檔傳動(dòng)比：
4.4 齒輪的材料及其選擇原則
由齒輪的失效形式可知，設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)是齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力。因此，對(duì)