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變速器的設(shè)計(jì)與仿真 設(shè)計(jì)說明書 學(xué)生姓名 xxx 學(xué) 號 8011208228 所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 12-2 指導(dǎo)教師 xxx 日 期 2012.06 xxx大學(xué)教務(wù)處監(jiān)制 前 言 在電視和現(xiàn)實(shí)生活中看到很多人駕駛著各式汽車施展著自己的的車技，速度變化讓人瞠目結(jié)舌。這時(shí)，我們談?wù)摰米疃嗟木褪前l(fā)動機(jī)的性能以及車手的駕駛技術(shù)。駕車的時(shí)候體會一下極速感覺或是在買車的時(shí)候關(guān)注一下發(fā)動機(jī)的性能，這是橫量汽車品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。作為動力的締造者，擁有一顆“超強(qiáng)的心臟”是非常重要的。但是，掌控速度快慢的，卻是它身后的變速器。 通過查閱一些資料得知現(xiàn)在市場上不同車型所配置的變速器主要分為：手動變速器（MT）、自動變速器（AT）、手動/自動變速器（AMT）、無級變速器（CVT）[1]。 手動變速器（Manual Transmission）采用的是齒輪組，而且每檔的齒輪組的齒數(shù)是不變的，所以不同檔位變速比是個(gè)定值。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比，總共只有5個(gè)值(即有5級)，所以說它是有級變速器[7]。 自動變速器（AutomaticTransmission），通過借助行星齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變速，根據(jù)踩壓油門踏板程度，實(shí)現(xiàn)自動變速。自動變速汽車是沒有離合器，可是自動變速器中卻有很多離合器，自動變速器中的離合器能隨車速變化而自動分離或合閉，從而達(dá)實(shí)現(xiàn)自動變速。 自動變速器的轎車優(yōu)勢就是通過簡便的操作來降低駕駛疲勞，同時(shí)還能享受高速駕駛時(shí)快樂的感覺。而且，現(xiàn)在大多數(shù)的城市的交通狀況不好，堵車是經(jīng)常的事情，有時(shí)要不停地起步停步，使用手動檔的轎車則會反復(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。使用自動擋就完全可以避免此類麻煩。 手動/自動變速器，由于有些司機(jī)并不希望摒棄傳統(tǒng)的手動變速器，而且在某些時(shí)候也需要自動的感覺。這樣便誕生手動/自動變速器。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)的自動檔束縛，讓駕駛者也能享受手動換檔的樂趣。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(+)，如同手動檔一樣。 自動—手動變速系統(tǒng)向人們提供兩種駕駛方式—為了駕駛樂趣使用手動檔，而在交通擁擠時(shí)使用自動檔，這樣的變速方式對于我國的現(xiàn)狀還是非常適合的。 無級變速器，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，無級變速器便是人們追求的“最高境界”。無級變速器最早由荷蘭人范·多尼斯（VanDoorne’s）發(fā)明。無級變速系統(tǒng)不像手動變速器或自動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，其傳動比可以隨意變化，沒有換檔的突跳感覺。它能克服普通自動變速器“突然換檔”、油門反應(yīng)慢、油耗高等缺點(diǎn)。有些時(shí)候?qū)⒆詣幼兯倨鞣Q為無級變速器，這是錯(cuò)誤的。雖然它們有著共同點(diǎn)，但是自動變速器只有換檔是自動的，但它的傳動比是有級的，也就是常說的檔，一般自動變速器有2～7個(gè)檔[2]。而無級變速器能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)速比的無級變化，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)動機(jī)可在任何轉(zhuǎn)速下自動獲得最合適的傳動比。 目 錄 1緒 論 1 1.1變速器的設(shè)計(jì)背景及目的 1 1.2國內(nèi)外研究狀況及成果 1 1.2.1摩擦傳動CVT 2 1.2.2液力傳動 2 1.2.3電控機(jī)械式自動變速器 2 1.2.4齒輪無級變速器 2 1.3變速器的設(shè)計(jì)方法原理和設(shè)計(jì)內(nèi)容 2 1.3.1 三軸五檔變速器的工作原理 2 1.3.2各檔動力動力傳遞情況 3 1.3.3 變速器的設(shè)計(jì)內(nèi)容 3 2變速器結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 3 2.1兩軸式和三軸式變速器 3 2.2齒輪安排 4 2.3換檔結(jié)構(gòu)方式 4 2.4倒檔的結(jié)構(gòu)方案及倒檔軸的位置 4 3變速器主要參數(shù)的選擇與主要零件的設(shè)計(jì) 5 3.1變速器主要參數(shù)的選擇 5 3.1.1檔數(shù)與傳動比 5 3.1.2中心距 6 3.1.3軸向尺寸 6 3.1.4齒輪參數(shù) 6 3.2各檔傳動比及其齒輪齒數(shù)的確定 7 3.2.1確定一檔齒輪的齒數(shù) 7 3.2.2確定常嚙合齒輪副的齒數(shù) 7 3.2.3確定其他檔位的齒數(shù) 8 3.2.4確定倒檔齒輪的齒數(shù) 8 3.3齒輪變位系數(shù)的選擇 9 4變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與材料的選擇 9 4.1齒輪的損壞原因及形式 9 4.2齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與校核 9 4.2.1齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算 9 4.2.2齒輪接觸應(yīng)力 11 5變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 12 5.1軸的設(shè)計(jì) 12 5.1.1軸的功用及其設(shè)計(jì)要求 12 5.1.2軸的尺寸 12 5.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 5.1.4接合器設(shè)計(jì) 13 5.2軸的受力分析與校核 13 5.2.1軸的受力分析 14 5.2.2軸的強(qiáng)度計(jì)算 14 5.2.3軸的剛度計(jì)算 17 6變速器同步器的設(shè)計(jì) 18 6.1同步器的結(jié)構(gòu) 18 6.2同步環(huán)主要參數(shù)的確定 19 7變速器操縱機(jī)構(gòu) 20 7.1操縱機(jī)構(gòu)的功用 20 7.2 換檔位置圖 20 7.3變速桿的布置 20 7.3.1直接操縱手動換擋變速器 20 7.3.2遠(yuǎn)距離操縱手動換擋變速器 20 7.4鎖止裝置 21 7.4.1互鎖裝置 21 7.4.2自鎖裝置 21 7.4.3倒檔鎖裝置 21 小 結(jié) 22 致 謝 23 參考文獻(xiàn) 24 塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1緒 論 1.1變速器的設(shè)計(jì)背景及目的 現(xiàn)代汽車很多都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的動力設(shè)置的動力設(shè)置。它雖然有著體積小、質(zhì)量輕、工作可靠、使用方便等方面優(yōu)點(diǎn)，但其性能與汽車的動力性和經(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。即便以低速等速直線行駛在平坦的柏油路上也需要克服約占汽車總質(zhì)量1.5%的滾動阻力。 例如，NJ130汽車，滿載時(shí)總質(zhì)量為5360kg，其滾動阻力為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)動機(jī)直接帶動汽車驅(qū)動輪，則發(fā)動機(jī)需要發(fā)出2050N·m.的扭矩。而NJ130汽車發(fā)動機(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。像這樣小的牽引力，不僅在上坡時(shí)難以行駛，就是在平坦的路面上也是不能行駛的。 另一方面，NJ130汽車發(fā)動機(jī)，最大功率為51.5kW，此時(shí)曲軸的轉(zhuǎn)速為2800r/min。如發(fā)動機(jī)和車輪直接相連，則對應(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)本身是無法解決的。為此，在汽車傳動系中設(shè)置了變速器和主減速器。既可使驅(qū)動車輪的扭矩增大為發(fā)動機(jī)扭矩的若干倍，同時(shí)又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的若干分之一。 此外，汽車的使用條件有著復(fù)雜，變化很大的特點(diǎn)。譬如：汽車的載貨量、道路坡度、路面好壞以及交通等方面。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)動機(jī)的節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速或大或小而已，可是發(fā)動機(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)動機(jī)燃料消耗量減小。 汽車在某些情況下，如進(jìn)出停車場或車庫，或在較窄的路上掉頭等需要倒向行駛。然而，汽車發(fā)動機(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，可中斷動力傳遞，以滿足汽車暫時(shí)停止行駛和對發(fā)動機(jī)檢查調(diào)整的需要[4]。 對變速器的要求。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力性和經(jīng)濟(jì)性。 2) 設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動機(jī)動力向驅(qū)動輪的傳輸。 3) 設(shè)置倒檔，使汽車能倒退行駛。 4) 設(shè)置動力輸出裝置，需要時(shí)能進(jìn)行功率輸出。 5) 換擋迅速，省力，方便。 6) 工作可靠。汽車行駛過程中，變速器不得有跳擋，亂擋以及換擋沖擊等現(xiàn)象發(fā)生。 7) 變速器應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。 8) 變速器的工作噪聲低。 1.2國內(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，美國成功研制出兩擋的液力-機(jī)械變速器以來，自動變速器技術(shù)得到了迅速發(fā)展。80年代，美國已將液力自動變速器作為轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。1983年時(shí)，美國通用汽車公司的自動變速器裝車率已經(jīng)達(dá)到了94%。近些年來，由于電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動變速器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。自動變速器與機(jī)械式變速器相比，具有許多不可比擬的優(yōu)勢：提高發(fā)動機(jī)和傳動系的使用壽命；提高汽車的通過性；具有良好的自適應(yīng)性；操縱更加方便[10]。 目前，國內(nèi)變速器廠商都朝無級變速器和自動變速器方向發(fā)展，國內(nèi)現(xiàn)已有好幾款轎車已經(jīng)應(yīng)用上無級變速器，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。 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，這就是無級變速(Continuously Variable Transmission簡稱"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。 汽車的無奈和缺憾是在跨越了三個(gè)世紀(jì)的一百多年后的今天，汽車還沒有使用上滿意的無級變速箱。但是,人們始終在為實(shí)現(xiàn)汽車?yán)硐胱兯倨髯鲋恍傅呐?各大汽車廠商對無級變速器(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)[5]。 圍繞汽車變速箱四個(gè)研究方向，各國汽車變速器專家展開了激烈的角逐。 1.2.1摩擦傳動CVT 金屬帶式無級變速箱(VDT-CVT)的傳動功率已能達(dá)到轎車實(shí)用的要求，裝備金屬帶式無級變速箱的轎車已達(dá)100多萬輛。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級變速箱Multitronic CVT ，能傳動142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。這是真正意義的無級變速器。 另一種摩擦傳動CVT(名為Extroid CVT)是滾輪轉(zhuǎn)盤式。日產(chǎn)把它裝在概念車XVL上首次于去年東京車展展示，新款公爵(Cedric)車也裝用這種CVT。可與3L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[4]。 從V形橡膠帶CVT到V型金屬帶CVT再到滾輪轉(zhuǎn)盤式CVT，摩擦傳動CVT的研究已持續(xù)了整整一個(gè)世紀(jì)，盡管摩擦傳動無級變速器的發(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，這至少說明了四個(gè)問題： 1) 無級變速（CVT）是汽車變速箱始終追逐的目標(biāo)。 2) 摩擦傳動CVT實(shí)現(xiàn)大功率的無級變速傳動是極為困難的。 3) 摩擦傳動CVT傳動效率低是必然的。 4) 摩擦傳動CVT的效率，功率無法與齒輪變速相比。 1.2.2液力傳動 人們經(jīng)常把液力自動變速器（AT）和無級變速器（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。液力自動變速器免除了手動變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，使開車變得簡單、省力。但是, 液力自動變速器（AT）不是無級變速，是有級變速的自動控制，沒有從根本上滿足汽車對變速器的要求。從原始橡膠帶無級變速箱到現(xiàn)代金屬鏈無級變速箱、滾輪轉(zhuǎn)盤式CVT，百年大回轉(zhuǎn)說明：無級變速箱是汽車變速箱的最終歸屬，液力自動變速器只不過是一種過渡產(chǎn)品。 1.2.3電控機(jī)械式自動變速器 電控機(jī)械式自動變速器(Automated Mechanical Transmission簡稱"AMT")和液力自動變速器（AT）一樣，不是無級變速器，是有級變速器的自動換檔控制。其特點(diǎn)是機(jī)械傳動部分沿用了傳統(tǒng)的有級變速箱，但控制參量太多，實(shí)現(xiàn)自動控制相當(dāng)困難。 1.2.4齒輪無級變速器 齒輪無級變速器（Gear Continuously Variable Transmission）這是一種全新的設(shè)計(jì)思想，是利用齒輪傳動實(shí)現(xiàn)高效率、大功率的無級變速傳動。 據(jù)最新消息：一種"齒輪無級變速裝置"(Gear Continuously Variable Transmission簡稱"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)。"齒輪無級變速裝置"結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單，只有不足20種非標(biāo)零件，51個(gè)零件，生產(chǎn)成本甚至低于手動變速箱。預(yù)計(jì)今年進(jìn)行裝車試驗(yàn)[6]。 1） 齒輪無級變速器的優(yōu)勢表現(xiàn)為： 2） 2）傳動功率大，200KW的傳動功率是很容易達(dá)到的； 3）傳動效率高，90%以上的傳動效率是很容易達(dá)到的； 4）結(jié)構(gòu)簡單，大幅度降低生產(chǎn)成本，相當(dāng)于自動變速箱的1/10； 5）對汽車而言，提高傳動效率，節(jié)油20%； 6）發(fā)動機(jī)在理想狀態(tài)下工作，燃料燃燒完全，排放干凈，極大的減少了對環(huán)境的污染。 1.3變速器的設(shè)計(jì)方法原理和設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.3.1 三軸五檔變速器的工作原理 一對嚙合傳動的齒輪，設(shè)小齒輪齒數(shù)Z1=20，大齒輪齒數(shù)Z2=40，在相同的時(shí)間內(nèi)小齒輪轉(zhuǎn) 過一圈時(shí)，大齒輪轉(zhuǎn)過半圈。顯然，當(dāng)小齒輪是主動齒輪時(shí)，它的轉(zhuǎn)速經(jīng)大齒輪輸出時(shí)就降低了;如果大齒輪是主動齒輪時(shí)，它的轉(zhuǎn)速經(jīng)小齒輪輸出時(shí)就提高三軸五檔變速器有五個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔，由殼體、第一軸、中間軸、第二軸、倒檔軸、各軸上齒輪、操縱機(jī)構(gòu)等幾部分組成[4]。 1) 第一軸第一軸和第一軸常嚙合齒輪為一個(gè)整體，是變速器的動力輸入軸。第一軸前部花鍵插于離合器從動盤轂中。 2) 中間軸在中間軸上制有有六個(gè)齒輪，作為一個(gè)整體而轉(zhuǎn)動。最前面的齒輪與一軸常嚙合齒輪相嚙合，稱為中間軸常嚙合齒輪，從離合器輸入一軸的動力經(jīng)這一對常嚙合齒輪傳到中間軸各齒輪上。向后依次稱各齒輪為中間軸三檔、二檔、倒檔、一檔和五檔齒輪。 3) 第二軸在第二軸上，通過花鍵固裝有三個(gè)花鍵轂，通過軸承安裝有二軸各檔齒輪。其中從前向后，在第一和第二花鍵轂之間裝有三檔和二檔齒輪，在第二和第三花鍵轂之間裝有一檔和五檔齒輪，它們分別與中間軸上各相應(yīng)檔齒輪相嚙合。在三個(gè)花鍵轂上分別套有帶有內(nèi)花鍵的接合套，并設(shè)有同步機(jī)構(gòu)。通過接合套的前后移動，可以使花鍵轂與相鄰齒輪上的接合齒圈連接在一起，將齒輪上的動力傳給二軸。其中在第二個(gè)接合套上還制有倒檔齒輪。第二軸前端插入一軸齒輪的中心孔內(nèi)，兩者之間設(shè)有滾針軸承。第二軸后端通過凸緣與萬向傳動裝置相連。 4) 倒檔軸倒檔軸采用過盈配合壓裝在殼體相應(yīng)的軸孔中。倒檔齒輪通過軸承活套在倒檔軸上[11]。 1.3.2各檔動力動力傳遞情況 一檔輸入軸→第一軸常嚙齒輪→中間軸→中間軸第一檔齒輪→第二軸一檔齒輪→一檔同步器接合齒圈→接合套→第二軸→輸出。 二檔輸入軸→第一軸常嚙齒輪→中間軸→中間軸第二檔齒輪→第二軸二檔齒輪→二檔同器接合齒圈→接合套→第二軸→輸出。 三檔輸入軸→第一軸常嚙齒輪→中間軸→中間軸第三檔齒輪→第二軸三檔齒輪→三檔同步器接合齒圈→接合套→第二軸→輸出。 四檔輸入軸→一檔常嚙齒輪→第一軸上四檔齒輪接合齒圈→三、四檔同步器接合套→第二軸→輸出。 五檔輸入軸→第一軸常嚙齒輪→中間軸→中間軸第五檔齒輪→第二軸五檔齒輪→五檔同步器接合齒圈→接合套→第二軸→輸出。 倒檔輸入軸→第一軸常嚙齒輪→中間軸→中間軸倒檔齒輪→倒檔軸上的倒檔齒輪→第二軸上倒檔齒輪→第二軸倒檔齒輪接合齒圈→倒檔同步器接合套→第二軸→輸出了[10]。 1.3.3 變速器的設(shè)計(jì)內(nèi)容 在本次設(shè)計(jì)中，由于是對傳統(tǒng)的變速器進(jìn)行改進(jìn)性設(shè)計(jì)，我們在設(shè)計(jì)中采用了鎖環(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，對變速器的重要零件—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)。 設(shè)計(jì)的主要參數(shù)： 主減速比：4.982 最高時(shí)速：190km/h 最大扭矩：170Nm/4500 最大功率：95kw/5750 最高轉(zhuǎn)速：5000r/min 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[11]。 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)動機(jī)前置、前輪驅(qū)動或發(fā)動機(jī)后置、后輪驅(qū)動的轎車上。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。 1) 變速器的徑向尺寸 兩軸式變速器的前進(jìn)檔均由一對齒輪傳遞動力。當(dāng)需要大的傳動比時(shí)，需將主動齒輪做得小些，而將從動齒輪做得大些，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齒輪傳遞動力，在同樣傳動比的情況下，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) 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，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)，并不傳遞動力，故不影響齒輪的壽命。 3) 變速器的效率 兩軸式變速器雖然可以由等于1的傳動比，但仍要經(jīng)過一對齒輪傳遞動力，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，這種動力傳遞方式幾乎無功率損失，且噪聲較小[5]。 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器組成一個(gè)整體，使傳動系的結(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 各齒輪副的相對安裝位置對于整個(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。 1) 整車總布置 根據(jù)整車的總布置，對變速器輸入軸和輸出軸的相對位置和變速器的輪廓形狀以及換檔機(jī)構(gòu)提出要求。 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換檔。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度縮短。 3) 提高平均傳動效率 為提高平均傳動效率，在三軸式變速器中，普遍采用具有直接檔的傳動方案，并盡可能地將使用時(shí)間最多的檔位設(shè)計(jì)成直接檔。 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)不致下降過多。變速器齒輪主要是因接觸應(yīng)力過高而造成表面點(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[12]。 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。 1) 滑動齒輪換檔 通常是采用滑動直齒輪進(jìn)行換檔，但也有采用滑動斜齒輪換檔的?；瑒又饼X輪換檔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、容易制造。缺點(diǎn)是換檔使齒面承受很大的沖擊，會導(dǎo)致齒輪過早損壞，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) 嚙合套換檔 用接合套換檔，可將構(gòu)成某傳動比的一對齒輪，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，用來與嚙合套向嚙合。這種結(jié)構(gòu)具有斜齒輪的傳動優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了滑動齒輪換檔時(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。 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。但是近年來由于同步器的廣泛使用，受命問題已解決。 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)較簡單的滑動直齒輪或嚙合套的形式。對于常用的檔位則采用同步器或嚙合套[12]。 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)較簡單。載貨汽車由于需要較大的倒檔傳動比，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，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[12]。 3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檔數(shù)與傳動比 年來，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢。目前，乘用車一般用4～5個(gè)檔位的變速器。本設(shè)計(jì)也采用5個(gè)檔位。 選擇最低檔傳動比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動輪與路面的附著力、汽車的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和驅(qū)動輪的滾動半徑等來綜合考慮、確定。 汽車爬陡坡時(shí)[1]車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動力用于克服輪胎與路面間的滾動阻力及爬坡阻力。故有 則由最大爬坡度要求的變速器Ⅰ檔傳動比為 （3-1） 式中 ---汽車總質(zhì)量； ---重力加速度； ---道路最大阻力系數(shù)； ----驅(qū)動輪的滾動半徑； ----發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩； ----主減速比； η----汽車傳動系的傳動效率。 根據(jù)驅(qū)動車輪與路面的附著條件 求得的變速器I檔傳動比為： (3-2) 式中 G2----汽車滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動橋給路面的載荷； 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：滿載質(zhì)量 1800kg； =337.25mm；=170Nm；=4.782； =0.95。 根據(jù)公式（3-2）可得：=3.85。 超速檔的的傳動比一般為0.7～0.8，本設(shè)計(jì)取五檔傳動比=0.75。 中間檔的傳動比理論上按公比為： （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)且常用檔位間的公比宜小些，另外還要考慮與發(fā)動機(jī)參數(shù)的合理匹配。根據(jù)上式可的出：=1.51 故有： 3.1.2中心距 中心距對變速器的尺寸及質(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)對已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初定： （3-4） 式中 K A----中心距系數(shù)。對轎車， =8.9～9.3；對貨車， =8.6～9.6；對多檔 主變速器， =9.5～11； ---變速器處于一檔時(shí)的輸出扭矩： 故可得出初始中心距A=77.08mm。 3.1.3軸向尺寸 變速器的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間齒輪和換檔機(jī)構(gòu)的布置初步確定。 轎車四檔變速器殼體的軸向尺寸3.0～3.4A。貨車變速器殼體的軸向尺寸與檔數(shù)有關(guān)： 四檔(2.2～2.7)A 五檔(2.7～3.0)A 當(dāng)變速器選用常嚙合齒輪對數(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。為檢測方便，A取整。 本次設(shè)計(jì)采用5+1手動擋變速器，其殼體的軸向尺寸是 377.08mm=231.24mm 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GB1357-80規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。 第一軸常嚙合斜齒輪的法向模數(shù) （3-5） 其中，可得出。 一檔直齒輪的模數(shù)m （3-6） 通過計(jì)算。 同步器和嚙合套的接合大都采用漸開線齒形。由于制造工藝上的原因，同一變速器中的結(jié)合套模數(shù)都取相同，轎車和輕型貨車取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 壓力角較小時(shí)，重合度大，傳動平穩(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。對轎車，為加大重合度以降低噪聲，取小些；對貨車，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)力求使中間軸上的軸向力相互抵消。為此，中間軸上的全部齒輪一律取右旋，而第一軸和第二軸上的的斜齒輪取左旋，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[8]。 通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來選定齒寬[13]： 直齒 b=(4.5～8.0)mm 斜齒 b=(6.0～8.5)mm 第一軸常嚙合齒輪副齒寬的系數(shù)值可取大一些，使接觸線長度增加，接觸應(yīng)力降低，以提高傳動的平穩(wěn)性和齒輪壽命。 表3-1 汽車變速器齒輪的齒形、壓力角與螺旋角 車型 齒形 壓力角α 螺旋角β 轎車 高齒并修形的齒形 14.5°，15°，16°16.5° 25°～45° 一般貨車 GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形 20° 20°～30° 重型車 GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形 低檔、倒檔齒輪22.5°，25° 小螺旋角 3.2各檔傳動比及其齒輪齒數(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)先確定的變速器檔數(shù)、傳動比和結(jié)構(gòu)方案來分配各檔齒輪的齒數(shù)。下面結(jié)合本設(shè)計(jì)來說明分配各檔齒數(shù)的方法。 3.2.1確定一檔齒輪的齒數(shù) 一檔傳動比 （3-7） 為了確定Z9和Z10的齒數(shù)， 先求其齒數(shù)和: = （3-8） 其中 A =77.08mm、m =3；故 有。 當(dāng)轎車三軸式的變速器 時(shí)，則 ， 此處取=16，則可得出=35。 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)反過來計(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51，則根據(jù)式（3-8）反推出A=76.5mm。 3.2.2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比 （3-9） 由已經(jīng)得出的數(shù)據(jù)可確定 而常嚙合齒輪的中心距與一檔齒輪的中心距相等 （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： 聯(lián)立可得：=19、=34。 則根據(jù)式（3-7）可計(jì)算出一檔實(shí)際傳動比為： 圖3-1 檔變速器示意 3.2.3確定其他檔位的齒數(shù) 二檔傳動比： （3-12） 而，故有： 對于斜齒輪， （3-13） 故有： 聯(lián)立得： 按同樣的方法可分別計(jì)算出：三檔齒輪 ；四檔齒輪 3.2.4確定倒檔齒輪的齒數(shù) 一般情況下，倒檔傳動比與一檔傳動比較為接近，在本設(shè)計(jì)中倒檔傳動比取3.7。中間軸上倒檔傳動齒輪的齒數(shù)比一檔主動齒輪10略小，取。 而通常情況下，倒檔軸齒輪取21～23，此處取=23。 由 （3-14） 可計(jì)算出。 故可得出中間軸與倒檔軸的中心距 （3-15） 而倒檔軸與第二軸的中心: （3-16） 3.3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：高度變位和角度變位。高度變位齒輪副的一對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)度相接近的程度。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)，又避免了其缺點(diǎn)。 有幾對齒輪安裝在中間軸和第二軸上組合并構(gòu)成的變速器，會因保證各檔傳動比的需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對齒輪有相同的中心距，此時(shí)應(yīng)對齒輪進(jìn)行變位。當(dāng)齒數(shù)和多的齒輪副采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動或高度變位時(shí)，則對齒數(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質(zhì)量指標(biāo)，故采用的較多。對斜齒輪傳動，還可通過選擇合適的螺旋角來達(dá)到中心距相同的要求。 變速器齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對于高檔齒輪，其主要損壞形勢是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合劑耐磨損最有利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強(qiáng)度，應(yīng)使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這樣兩齒輪的齒輪漸開線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對于低檔齒輪，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[9]。 總變位系數(shù)越小，一對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，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、二檔和倒檔以外的其他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。其中，一檔主動齒輪10的齒數(shù)，因此一檔齒輪需要變位。 變位系數(shù) （3-17） 式中為要變位的齒輪齒數(shù)。 4變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算與材料的選擇 4.1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換檔齒輪端部破壞。 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)，一對相互嚙合，齒面相互擠壓，這時(shí)存在齒面細(xì)小裂縫中的潤滑油油壓升高，并導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，然后齒面表層出現(xiàn)塊狀脫落形成齒面點(diǎn)蝕。他使齒形誤差加大，產(chǎn)生動載荷，導(dǎo)致輪齒折斷。 用移動齒輪的方法完成換檔的抵擋和倒擋齒輪，由于換檔時(shí)兩個(gè)進(jìn)入嚙合的齒輪存在角速度差，換檔瞬間在齒輪端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。 4.2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，不同用途汽車的變速器齒輪使用條件仍是相似的。此外，汽車變速器齒輪所用的材料、熱處理方法、加工方法、精度等級、支撐方式也基本一致。如汽車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。因此，比用于計(jì)算通用齒輪強(qiáng)度公式更為簡化一些的計(jì)算公式來計(jì)算汽車齒輪，同樣、可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果[8]。在這里所選擇的齒輪材料為40Cr。 4.2.1齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算 1) 直齒輪彎曲應(yīng)力 （4-1） 式中，----彎曲應(yīng)力（MPa）； ----一檔齒輪10的圓周力（N）， ，其中計(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)，主動齒輪取1.1，從動齒輪取0.9； ----齒寬（mm），取20 ----端面齒距（mm）； ----齒形系數(shù)，如圖4-1所示。 圖4-1 齒形系數(shù)圖 當(dāng)處于一檔時(shí)，中間軸上的計(jì)算扭矩為： （4-2） 故可以得出；再將所得出的數(shù)據(jù)代入式（4-1）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)，一檔直齒輪的彎曲應(yīng)力在400～850MPa之間。 2) 斜齒輪彎曲應(yīng)力 （4-3） 式中 為重合度影響系數(shù)，取2.0；其他參數(shù)均與式（4-1）注釋相同，， 選擇齒形系數(shù)y時(shí)，按當(dāng)量模數(shù)在圖（4-1）中查得。 二檔齒輪圓周力： （4-4） 根據(jù)斜齒輪參數(shù)計(jì)算公式可得出：=6798.8N齒輪8的當(dāng)量齒數(shù)=47.7，可查表（4-1）得：。 故 同理可得： 依據(jù)計(jì)算二檔齒輪的方法可以得出其他檔位齒輪的彎曲應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如下： 三檔： 四檔： 五檔： 當(dāng)計(jì)算載荷取作用到第一軸上的最大扭矩時(shí)，對常嚙合齒輪和高檔齒輪，許用應(yīng)力在180～350MPa范圍內(nèi)，因此，上述計(jì)算結(jié)果均符合彎曲強(qiáng)度要求。 4.2.2齒輪接觸應(yīng)力 (4-5) 式中， ---齒輪的接觸應(yīng)力（MPa）； ----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），查資料可取； b----齒輪接觸的實(shí)際寬度，20mm； ----主、從動齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm）； 直齒輪： （4-6） （4-7） 斜齒輪： （4-8） （4-9） 其中，分別為主從動齒輪節(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)力見下表： 表4-1 變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力 齒輪 /MPa 滲碳齒輪 液體碳氮共滲齒輪 一檔和倒檔 1900～2000 950～1000 常嚙合齒輪和高檔 1300～1400 650～700 通過計(jì)算可以得出各檔齒輪的接觸應(yīng)力分別如下： 對照上表可知，所設(shè)計(jì)變速器齒輪的接觸應(yīng)力基本符合要求。 5變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算與校核 5.1軸的設(shè)計(jì) 5.1.1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，軸會產(chǎn)生過大的變形，影響齒輪的正常嚙合，產(chǎn)生過大的噪聲，并會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)問題：軸的結(jié)構(gòu)形狀，軸直徑、長度、軸的強(qiáng)的和剛度，軸上花鍵型式和尺寸[2]。 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。 5.1.2軸的尺寸 軸的直徑與支承跨度長度之間關(guān)系可按下式選取： 第一軸及中間軸： （5-1） 第二軸： （5-2） 第二軸及中間軸最大軸徑： （5-3） 第一軸最細(xì)處： （5-4） 第一軸花鍵部分直徑 ： （5-5） 式中：－發(fā)動機(jī)最大扭矩， 　　　－變速器中心距， 有相關(guān)手冊查得： 中心距經(jīng)驗(yàn)公式： （） 取中心距: =126.2 5.1.3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盤轂內(nèi)花鍵統(tǒng)一考慮。第一軸的長度根據(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線花鍵，漸開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旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此，無論裝滾針軸承、襯套還是鋼件對鋼件直接接觸，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)開螺旋油槽，以保證充分潤滑。在低檔時(shí)，齒輪須軸向滑動掛擋（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，要求定中心好滑動靈活。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，彈性擋圈定位簡單，但拆裝不方便，并且與旋轉(zhuǎn)件端面有相對摩擦，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）為了縮短傳動軸的長度，常常將第二軸做得很長，在長的后體設(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，殼體上無足夠位置設(shè)置滾動軸承和軸承蓋。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，而高檔齒輪則通過鍵或過盈配合與中間軸結(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。 5.1.4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,接合器采用漸開線齒線，齒形參數(shù)應(yīng)盡量按漸開線花鍵標(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： （5-6） 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。 5.2軸的受力分析與校核 5.2.1軸的受力分析 求支撐反力，先從第二軸開始，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。 5.2.2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，一般來說強(qiáng)度是足夠的，僅對其危險(xiǎn)斷面進(jìn)行驗(yàn)算不同檔位時(shí)的各支反力，可以計(jì)算軸的各截面的彎曲力矩： （5-7） 式中：—支撐中心至計(jì)算斷面距離。