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附 錄A1
Dynamic Modeling of Vehicle Gearbox for Early
Detection of Localized Tooth Defect
ABSTRACT
Dynamic modeling of the gear vibration is a useful tool to study the vibration response of a geared system under various gear parameters and operating conditions. An improved understanding of vibration signal is required for early detection of incipient gear failure to achieve high reliability. However, the aim of this work is to make use of a 6-degree-of-freedom gear dynamic model including localized tooth defect for early detection of gear failure. The model consists of a gear pair, two shafts, two inertias representing load and prime mover and bearings. The model incorporates the effects of time-varying mesh stiffness and damping, backlash, excitation due to gear errors and modifications. The results indicate that the simulated signal shows that as the defect size increases the amplitude of the acceleration signal increases. The crest factor and kurtosis values of the simulated signal increase as the fault increases. Though the crest factor and kurtosis values give similar trends, kurtosis is a better indicator as compared to crest factor.
KEYWORDS：Vibration acceleration, system modeling, Crest Factor, Kurtosis value, defect size, gear meshing, pinion, gear
INTRODUCTION
Much of the past research in the dynamic modeling area has concluded that an essential solution to the problem is to use a comprehensive computer modeling and simulation tool to aid the transmission design and experiments. These have been two major obstacles to such an approach: (1) Progress in understanding of the basic gear rattle phenomenon has been limited and slow. This is because the engine-clutch-transmission system involves some strong nonlinearities including gear backlash, multi-valued springs, dry friction, hysteresis, and the like. (2)The gear rattle is a system problem and not only problem of gear teeth. Even through the research and industrial community has discussed the difficulties in varies stages of the problem, yet no thorough frame work covering the entire investigation process of such problem currently exists. This is largely due o the complexity of the power train system, which may make a computer analysis tool inefficient, in particularly when many different elements and clearances are encountered (e.g., gears, bearings, splines, synchronizers, and clutch).
A comprehensive review of mathematical models used in gear dynamics, published before 1986, has been presented by. In this review, gear dynamic models without defects have been discussed. In the past few years, researchers have been working on the gear dynamic models which include defects like pitting, spalling, crack and broken tooth.
A single-degree-of-freedom model is used which include the e4ffects of variable mesh stiffness, damping, gear errors, profile modifications and backlash. The effect of time-varying meshing damping is also included in this case, The solution is obtained by using the harmonic balance methods. A method of calculated the optimum profile modification has been proposed in order to obtain a zero vibration of the gear pair. They also proposed a linear approximate equation to mode the gear pair by using a single-degree-of freedom model
Gear rattle vibration is a undesirable vibration for passenger cars and light trucks equipped with manual transmissions. Unlike automatic transmissions, manual transmission do not have the high viscous damping inherent to a hydrodynamic torque converter to suppress the impacting of gear teeth oscillating through their gear backlash. Therefore a significant level of vibration an be produced by the gear rattle and transmitted both inside the passenger compartment and outside the vehicle. Gear rattle, idle shake, and other vibration generated in the automobile driveline have become an important concern to automobile manufactures in their pursuit of an increased level of perception of high vibration quality. The torsional vibration o driveline is a major source of gear rattle vibration. The manual transmission produces gear rattle by the impacting of gear oscillating through their gear backlash. The impact collisions are transmitted to the transmission housing via shafts and bearings.
The gear pair dynamic models including defects have been done by. The study suggests that little work has been done on modeling of gear vibration with defect and an accurate analytical procedure to predict gear vibrations in the presence of local tooth fault has yet to be developed.However, the purpose of this paper is to develop a multidegree-of-freedom nonlinear model for a gear pair that can be used to study the effect of lateral-torsional vibration coupling on vibration response in the presence of localized tooth defect. A typical fault signal is assumed to be impulsive in nature because of the way it is generated. The simulation artificially introduced pitting in gears in multi-stage automotive transmission gearbox at different operation conditions (load, speed, etc). The processing of simulated and experimental signals is also introduced.
SIGNAL-PROCESSING TECHNIQUE
Among various signal-processing techniques, crest factor and kurtosis analysis have been used for analyzing the whole vibration signal for the early detection of fault. In this section, crest factor and kurtosis value have been explained.
MATHEMATICAL MODEL FORMULATION
Helical gears are almost always used in automotive transmissions. The meshing stiffness of a helical tooth pair is time-varying, and was modeled as a series of suggested spur gears so that the simulation techniques for spur gears can be applied. where M is Module (mm), b is Face width (mm), is pressure angle (deg), is helix angle (deg) and D1 is pitch diameter (mm).
附 錄A2
汽車變速箱動態(tài)建模輪齒局部缺陷的早期檢測
摘要：
在研究齒輪系統(tǒng)中各種齒輪參數(shù)的振動響應和操作條件時，齒輪振動的動態(tài)建模是一個非常有用的工具。對早期的齒輪檢測提出了一種改進理解的振動信號，但還沒達到高的可靠性。但是，這項工作的目的是利用一個6自由度的齒輪動力學模型對齒輪輪齒缺陷故障的早期檢測。該模型包括一對齒輪副、兩個軸、兩個慣性負載、動力傳動裝置和軸承。由于齒輪的誤差和變動，該模型被采用時受到時變嚙合剛度、阻尼、反彈和勵磁的影響。模擬信號顯示的結果表明，隨著缺陷尺寸的增加加速度信號的振幅增加。模擬信號的波峰因素和峰值隨著缺陷的增加而增加。雖然波峰因素和峰值做同樣的趨勢，但和波峰因素相比峰值是一個比較好的指標。
關鍵詞：振動加速度、系統(tǒng)建模、波峰因素、峰值、缺陷大小、齒輪嚙合、齒輪
引言：
在大多數(shù)過去的動態(tài)建模研究領域中，解決問題的重要辦法是全面使用計算機建模和仿真工具來輔助變速器的設計和實驗。這種方法有兩種主要的障礙：（1）對齒輪傳動中噪聲基本認識的進展是有限的和緩慢的。這是因為發(fā)動機離合器傳動系統(tǒng)中包括齒輪側隙、多值彈簧、非線性滯后等等。（2）齒輪發(fā)出的噪聲是一個系統(tǒng)問題，并不是齒輪的唯一問題。既使是工業(yè)研究領域已經討論了這個問題在不同階段所出現(xiàn)的不同問題，但并沒有徹底覆蓋工作的框架，整個研究過程中的問題依然存在。這主要是由于列車電力系統(tǒng)的復雜性，可能導致你的計算機的分析工具效率不高，尤其是工作中遇到許多不同的因素和間隙（例如：齒輪、軸承、花鍵、同步器和離合器）。
在1986年出版之前，對齒輪動力學中提出的齒輪動態(tài)建模進行了審查。這次審查中，對不存在齒輪缺陷的齒輪動力學模型進行了討論。在過去的幾年里，研究人員對齒輪的動態(tài)模型缺陷進行了研究，其中包括點蝕、剝落、裂縫和齒輪折斷等。
單自由度系統(tǒng)模型中，對嚙合剛度的影響包括4個方面的因素，阻尼、齒輪誤差、輪廓變動和齒側間隙，時變嚙合阻尼效應也包含在這種情況中。解決問題的方法是利用諧波平衡的方法。為了實現(xiàn)齒輪副的零振動，提出了一種最優(yōu)化的計算方法。他們還利用齒輪副單自由度模型提出了一個近似的線性方程模型。
齒輪噪聲振動是轎車和輕型貨車手動變速箱中的不良振動。不同于自動變速箱的是，手動變速箱沒有一個固有的高粘性阻尼液力變矩器以制止通過齒輪側隙造成的齒輪擺動的影響。因此，無論是在車廂內外由齒輪振動和傳動產生的噪聲，對車輛振動的影響都非常大。隨著人們對汽車高性能振動的追求，齒輪松動、振動以及其他汽車傳動系產生的噪聲已成為人們關注的重點。傳動系統(tǒng)中的扭轉振動是齒輪振動的一種主要噪聲來源。手動變速箱產生的齒輪噪聲是由于齒輪受到齒輪間隙振動的影響。通過軸和軸承把碰撞產生的影響傳輸?shù)阶兯傧錃んw。
對齒輪副的動態(tài)模型缺陷的研究結果表明，對齒輪副動態(tài)模型缺陷已做了大量工作，用準確的分析方法對齒輪振動的檢測在當時輪齒故障方面還沒得到發(fā)展。然而，本研究的目的是建立一個多自由度非線性模型用于研究，結果表明輪齒局部缺陷的扭轉振動是耦合振動的響應。由于他的產生一個典型的故障信號被假設為自然的脈沖信號。在不同操作條件下（負荷、轉速等），模擬人工對多級汽車變速器齒輪缺陷進行了介紹。同時也對信號的仿真和實驗處理進行了介紹。
信號處理技術：
在各種各樣的信號處理技術中，波峰因素、峰值已用于分析整個振動信號的早期故障。在本節(jié)中，波峰因素和峰值已被解釋。
數(shù)學模型：
汽車變速器中的齒輪大都是斜齒圓柱齒輪。被視為一系列齒輪仿真技術適用于螺旋狀的輪齒時變嚙合剛度。其中m是模數(shù)(毫米),b齒面寬(毫米),是壓力角(度),是螺旋角(度)，D1是直徑(毫米)。
6
湖 南 農 業(yè) 大 學
全日制普通本科生畢業(yè)設計
小型農田作業(yè)機變速箱設計
DESIGN OF SMALL FARMLAND OPERATION MACHINE GEARBOX
學生姓名： 李巧云
學 號： 200940654118
年級專業(yè)及班級： 2009級汽車服務工程(1)班
指導老師及職稱： 李軍政 講師
學 院： 工學院
湖南·長沙
提交日期：2013 年 5 月
湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
畢業(yè)設計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘 要……………………………………………………………………………………1
關鍵詞……………………………………………………………………………………1
1 前言……………………………………………………………………………………2
1.1 變速器的功用………………………………………………………………………3
1.2 變速器的基本結構…………………………………………………………………3
1.3 變速器的設計目的及設計要求……………………………………………………3
2 變速器結構方案分析…………………………………………………………………4
2.1 傳動機構分析………………………………………………………………………4
2.2 齒輪形式分析………………………………………………………………………4
2.3 轉向機構分析………………………………………………………………………5
2.4 安全裝置分析………………………………………………………………………5
3 變速器主要參數(shù)的選擇………………………………………………………………5
3.1 檔數(shù)…………………………………………………………………………………6
3.2 傳動比………………………………………………………………………………6
3.3 齒輪主要參數(shù)的選擇………………………………………………………………6
3.3.1 齒數(shù)………………………………………………………………………………6
3.3.2 模數(shù)………………………………………………………………………………6
3.3.3 壓力角和齒寬……………………………………………………………………7
3.3.4 齒高、齒頂高系數(shù)和徑向間隙系數(shù)……………………………………………7
4 軸的設計及校核………………………………………………………………………7
4.1 軸的設計計算………………………………………………………………………7
4.2 第一軸和半軸的校核………………………………………………………………8
4.2.1 強度校核…………………………………………………………………………8
4.2.2 剛度校核…………………………………………………………………………10
4.3 其它軸的校核………………………………………………………………………11
5 齒輪的設計及校核……………………………………………………………………12
5.1 齒輪的設計計算……………………………………………………………………12
5.1.1 1-2 檔齒輪和中央傳動大齒輪…………………………………………………12
5.1.2 從動軸齒輪………………………………………………………………………12
5.1.3 倒檔齒輪…………………………………………………………………………13
5.2 齒輪的校核…………………………………………………………………………13
5.2.1 齒輪接觸疲勞強度校核…………………………………………………………13
5.2.2 齒根彎曲疲勞強度校核…………………………………………………………14
6 軸承的選擇及壽命校核………………………………………………………………15
6.1 軸承的選擇…………………………………………………………………………15
6.2 軸承的壽命校核……………………………………………………………………15
7 鍵的選擇及強度校核…………………………………………………………………16
7.1 鍵的選擇……………………………………………………………………………16
7.2 強度校核……………………………………………………………………………16
8 結論……………………………………………………………………………………17
參考文獻…………………………………………………………………………………17
致 謝…………………………………………………………………………………18
小型農田作業(yè)機變速箱設計
學 生：李巧云
指導老師：李軍政
(湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128)
摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，農業(yè)對于科學技術的要求也隨之提高，農業(yè)機械化已經越來越普遍，而變速器在農業(yè)機械中起著至關重要的作用。對于農田作業(yè)機，必須保證的是可以前進，后退以及左右轉向，因此相應的對于其核心部件變速箱的設計就要求滿足有前進擋，倒擋，空擋以及左右轉向裝置。本文將根據以上思路進行小型農田作業(yè)機變速箱的設計以及各重要參數(shù)的詳細分析，力求通過此次設計進一步熟悉機械設計原理，機械設計基礎以及汽車構造等課程，熟悉運用Auto CAD繪圖軟件繪制零件圖和總裝配圖。
關鍵詞：變速器；齒輪；軸承；牙嵌式轉向離合器
Design of Small Farmland Operation Machine Gearbox
Student：Li qiaoyun
Tutor： Li junzheng
(College of engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract：With the continuous development of science and technology, increases to the requirement of science and technology of agriculture, agricultural mechanization has been more and more common, and the transmission plays an important role in agricultural machinery. For farmland rig, must make the pledge that we can move forward, backward and turn left, so the corresponding to its core parts of gearbox design is required to meet forward gears, reverse, neutral,as well as the left and right steering device. Small farms in this article, we will according to the above ideas for rig gearbox design and detailed analysis of the important parameters, makes every effort through this design to further be familiar with mechanical design principle, mechanical design basis and courses such as automobile engine be familiar with the use of Auto CAD drawing software rendering part drawing and total assembly drawings.
Key words：?transmission; gear; bearing; tooth type steering clutch
1 前言
從20世紀中葉以后，農業(yè)科技取得一系列重大突破，這些新技術應用都離不開農業(yè)機械，如選種、育種，應用種子加工成套機械，化肥、農藥施用依靠機械，先進的播種機可以實現(xiàn)開溝、播種、施肥、覆土、鎮(zhèn)壓等多工序一次完成，不僅出苗整齊而且省種、省肥，聯(lián)合收獲機裝有自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據地形、作物產量自動調節(jié)割茬高度和行駛速度，保證收獲的質量、效率，并減少了損失。
農業(yè)機械擁有以下一些重要特性：
農業(yè)機械的作業(yè)對象為生物及其生長的環(huán)境，如種子、作物、土壤、肥料、農藥等，由于它們種類繁多、形狀負責、物理機械性質多變并且軟弱易傷，因此農業(yè)機械必須有良好的工作性能，滿足各項作業(yè)的農業(yè)技術要求，保證農業(yè)豐產豐收。
農業(yè)生產季節(jié)性強，農業(yè)機械的使用作業(yè)時間短。因此既要求農業(yè)機械的工作性能可靠、生產效率高，又要求能夠一機多用，實現(xiàn)綜合利用以降低成本。
田間作業(yè)移動式農業(yè)機械受到地形、地表的制約，支承機器移動的松軟地面致使行走車輪易于打滑與下陷。因此，既要求農業(yè)機械能夠實現(xiàn)工作部件的自動控制，又要求減輕機器重量以節(jié)約金屬，同時降低運行過程中油料的耗費，從而降低成本與使用費用[1]。
農業(yè)的發(fā)展趨勢有以下一些重要特性：
對推進農田機械化提供了新的舞臺和機遇隨著黨和國家對農業(yè)和重視, 把農業(yè)放在發(fā)展國民經濟的首位, 政策上對農業(yè)傾斜,對農業(yè)的投人大幅度增加。這就給發(fā)展農機化事業(yè)帶來了契機就我省而言, 省委、省政府提出農業(yè)大省向農業(yè)強省、經濟富省的跨越, 確保本世紀末全省農村達到小康水平, 必須經歷從農業(yè)機械化一農業(yè)現(xiàn)代化一農村現(xiàn)代化這樣一個過程。近幾年及“ 九五”期間中央和地方加大農業(yè)的投人, 各種專項資金均對農機安排了一定的比例。這就給我省農機化事業(yè)的發(fā)展提供了新的舞臺和機遇。農田作業(yè)機具的發(fā)展重點和方向從我省主要農作物的播種面積、種植結構、栽培工藝、增產措施、機械化生產的薄弱環(huán)節(jié)、廣大農民的渴望來考慮, 農田作業(yè)機具在“ 九五” 期間應發(fā)展的重點是水稻生產的旱育秧設備, 拋秧機, 插秧機, 擺秧機, 履帶自走、立式或臥式割臺、半喂人聯(lián)合收割機, 小型割曬打捆機, 移動式帶清選脫粒機。小麥生產的精少量播種機, 施肥播種機, 旋耕播種機, 大中型背負式和自走式全喂人聯(lián)合收割機。玉米精量播種機, 單行或雙行聯(lián)合收割機, 秸桿、根茬粉碎還田機。
棉花、油菜生產的營養(yǎng)缽育苗及移栽機, 拔棉柴機、油菜切脫機。耕整地機械。隨著動力機械的發(fā)展,千瓦的拖拉機逐年呈上升趨勢,耕整地機械、除小拖的單樺犁、雙樺犁進一步提高質量外, 要發(fā)展先進的多樺犁、深松犁、驅動圓盤犁、旋耕機。田間管理機械。主要發(fā)展高性能、低消耗、操作安全方便的植保機械。一次性投資少、移動方便的噴灌機提高化肥利用率, 用來追施化肥的中耕施肥機。
1.1 變速器的功用
變速器是作業(yè)機傳動系中重要的部件，它的功用有主要如下三點：
1）改變傳動比，擴大驅動輪轉矩和轉速的變化范圍，以適應經常變化的行駛條件，同時使發(fā)動機在有利（功率較高而油耗率較低）的工況下工作；
2）在發(fā)動機曲軸旋轉方向不變的前提下，使機械能倒退行駛；
3）利用空擋中斷動力傳動，以使發(fā)動機能夠啟動、怠速，并便于變速器換擋或進行動力輸出。
變速器是由變速傳動機構和操縱機構組成，需要時，還可以加裝動力輸出器。在分類上有兩種方式：按傳動比變化方式和按操縱方式的不同來分[2]。
1.2 變速器的基本結構
變速器的由殼體、傳動部分和操縱部分組成。
1)殼體：殼體是基礎件，用以安裝支承變速器全部零件及存放潤滑油。其上有安裝軸承的精確鏜孔。變速器承受變載荷，所以殼體應有足夠的剛度，內壁有加強，形狀復雜，多為鑄件(材料為灰鑄鐵，常用HT200)。
為便于安裝，傳動部分和操縱部分常做成剖分式，箱蓋與殼體用螺栓聯(lián)接并可靠定位。殼體上有加油、放油口，油面檢查尺口，還應考慮散熱。
2)傳動部分：是指齒輪、軸、軸承等傳動件。軸的幾何尺寸通過強度、剛度計算確定。因主要決定于剛度，而碳鋼與合金鋼彈性模量近乎相等，所以一般用碳鋼(常用45鋼)。只有齒輪與軸制成一體或軸載荷嚴重才用合金鋼。軸與齒輪多為花鍵聯(lián)接(對中性好，能可靠傳遞動力，擠壓應力小等)。軸的花鍵部分和放軸承處經表面淬火處理。軸多用滾動軸承支承，潤滑簡單，效率高、徑向間隙小，軸向定位應可靠。潤滑方式多用飛濺(υ>25m/s，只要粘度適宜可甩到壁上)。
3)操縱部分：主要零件位于變速器蓋內。
1.3 變速器的設計目的及設計要求
本次變速器的設計目的主要是設計一個適用于小型農田作業(yè)機的變速箱，需要實現(xiàn)作業(yè)機的多級變速，使作業(yè)機能夠前進，倒退以及左右轉向。
本次設計對變速器的基本要求如下：
1）保證作業(yè)機有必要的經濟性和動力性；
2）設置空擋，用來切斷發(fā)動機動力向驅動輪的傳輸；
3）操縱輕便，換擋迅速、省力、方便，工作可靠；
4）結構緊湊，盡量做到質量輕、體積小、制造成本低、拆裝容易、維修方便。
2 變速器結構方案分析
2.1 傳動機構分析
作業(yè)機的工作條件惡劣，應充分考慮提高傳動裝置的效率，以減少能耗、降低運行費用。這時應選用傳動效率高的機構，如齒輪傳動。
變速箱主要由軸和大小不同的成對齒輪組成，主動輪和花鍵聯(lián)接，可軸向滑動，從動輪則固定安裝在從動軸上。
當主動雙聯(lián)齒輪處于兩個從動齒輪中間位置時，主動軸的動力不能傳給從動軸，動力切斷,變速器呈空擋；當主動齒輪向左右不同的方向滑動獲得較大或者較小的傳動比，主動齒輪和從動齒輪旋轉方向相反，作業(yè)機則前進行駛；當在主動齒輪與從動齒輪之間再增加一個中間齒輪時，主動齒輪和最后從動齒輪旋轉方向相同，則作業(yè)機實現(xiàn)倒退行駛。傳動路線如圖1所示。
圖1 傳動路線圖
Fig1 Transmission circuit diagram
倒檔軸是單獨的一根軸，1-2檔齒輪上的1檔齒輪和中央傳動齒輪上的大齒輪進行常嚙合。當1、2檔處于空擋位置時，倒檔齒輪如與中央傳動齒輪嚙合，一軸的動力就通過倒檔軸傳遞給二軸，即形成倒檔。
2.2 齒輪形式分析
齒輪是機械中的最重要的傳動零件，形式很多，應用廣泛，齒輪的作用是將主動軸的轉動傳送到從動軸上，以完成傳遞功率、變速及換向等功能。
齒輪的分類有幾種方法：
1）按其外形可分為圓柱齒輪、錐齒輪、齒條等；
2）按齒線形狀可分為直齒輪、斜齒輪、人字齒輪等；
3）按照工作條件，齒輪傳動可分為開式和閉式。
開式齒輪傳動是指齒輪傳動時，齒輪暴露在外面，因而容易落入灰塵、雜質，不能保證良好的潤滑，所以開式齒輪的齒面容易磨損；閉式齒輪傳動的齒輪封閉在剛性的箱體內，能保證良好的潤滑和工作條件。顯然，變速箱的齒輪傳動屬于閉式齒輪傳動。結合本次的設計要求，本次設計均采用直齒圓柱齒輪。為了避免變速箱過大且傳動不穩(wěn)定，本次設計的變速箱采用小齒數(shù)、高變位的齒輪。
2.3 轉向機構分析
為了實現(xiàn)轉向功能，在變速箱上安裝一撥叉用連在扶手上的撥桿來拉動撥叉使其轉動，并帶動齒輪移動，從而分離齒輪斷開動力傳動，并通過左右兩個轉向離合器共同完成作業(yè)機的轉向。具體轉向過程在后面闡述。
2.4 安全裝置分析
自動脫擋是變速器的主要故障之一。為解決此問題，除工藝上采取措施以外，目前在結構上采取的有效措施有以下幾種方案：
1）將兩結合齒的嚙合位置錯開，這樣在嚙合時，使結合齒端部超過被結合齒約1~3mm。使用中兩齒接觸部分受到擠壓同時磨損，并且在結合齒端部形成凸肩，可以用來阻止結合齒自動脫擋。
2）將嚙合套齒座上的前齒圈的齒厚切?。ㄇ邢?.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），使接合齒面產生阻止自動脫擋的軸向力，這種方案采用較多[2]。
3 變速器主要參數(shù)的選擇
本設計中可能用到的數(shù)據如下：
發(fā)動機功率：
p=2.25 KW
轉速：
n=2600 r/min
工作輪直徑：
D=650mm
各擋工作速度：
3.1 擋數(shù)
為了降低油耗，目前，農田作業(yè)機一般用3~6個擋位的變速器。本設計采用3擋手動變速器，兩個前進檔一個倒檔，并設置空擋。
3.2 傳動比
（1）
由已知的條件計算出各擋轉速：
設計減速器的傳動比為=1.97，則通過減速器的減速之后的各擋傳動比
（2）
故各擋傳動比分別為：
一檔
二檔
三檔
3.3 齒輪主要參數(shù)的選擇
3.3.1 齒數(shù)
在滿足傳動比的條件下，應盡量使變速箱小巧輕便，因此在有相互嚙合關系的兩個齒輪中應把小齒輪的齒數(shù)盡量取小。但是，對于20°和=1的正常齒制標準漸開線齒輪，當用齒條刀具加工時，其最小齒數(shù)；若允許有根切，正常齒制標準漸開線齒輪的最小齒數(shù)可取14。此處,為減小變速箱尺寸，1-2檔齒輪的最小齒數(shù)取，為了減少根切和加強齒輪傳動的接觸強度，變位系數(shù)盡量大。
3.3.2 模數(shù)
齒輪模數(shù)是一個重要的參數(shù)，并且影響它的選取因素又很多，如齒輪的強度、質量、噪聲、工藝要求等。應該指出，選取齒輪模數(shù)時一般要遵循的原則是：
在滿足傳動比的條件下，齒輪應盡量小以減輕重量，但傳動速度大的或者重要的傳動齒輪需要選用較大模數(shù)，并且所選模數(shù)值應符合國家標準GB1357-1987的規(guī)定，見表1。
表1變速器常用的齒輪模數(shù)（摘自GB1357-1987）（mm）
Table1 The transmission?gear?modulus?(from?the?GB1357-1987) (mm)
第一系列 1.00 1.25 1.5 — 2.00 — 2.50 — 3.00 — — — 4.00
第二系列 — — — 1.75 — 2.25 — 2.75 — (3.25) 3.50 (3.75) —
3.3.3 壓力角和齒寬
本次設計均采用國家規(guī)定的壓力角標準值即20°。
在選擇齒寬時，應注意齒寬對變速器的軸向尺寸、質量、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強度和齒輪工作時的受力均勻程度等均有影響。通常根據齒輪模數(shù)的大小來選定齒寬，對直齒：，為齒寬系數(shù)，取4.5~8.0。本設計取齒寬系數(shù)為7.0。
3.3.4 齒高、齒頂高系數(shù)和徑向間隙系數(shù)
（3）
（4）
（5）
式中：
——為齒高；
——為齒頂高；
——為齒根高；
——為齒頂高系數(shù)；
——為徑向間隙系數(shù)。
國家標準規(guī)定，對于標準正常齒，其齒頂高系數(shù)和徑向間隙系數(shù)分別為=1，=0.25[5]。
4 軸的設計及校核
4.1 軸的設計計算
軸的設計要求：
1）軸應便于加工，軸上零件要易于拆裝；
2）軸和軸上零件要有準確的工作位置；
3）各零件要牢固而可靠地相對固定；
4）改善受力狀況，減小應力集中。
本設計中取帶輪傳動效率，齒輪傳動效率。擬選軸的材料為40Cr。
初步計算軸的最小直徑
一軸（輸入軸）：
（6）
半軸：
（7）
現(xiàn)暫定各軸最小直徑分別為：
第一軸；
半軸。
4.2 第一軸和半軸的校核
4.2.1 強度校核
第一軸傳遞的功率：
（8）
（9）
作用在1-R檔齒輪上的圓周力，可以看出越小，齒輪所承受的圓周力就越大，因此選擇小齒輪進行強度校核。受力示意圖如下圖2所示。
圖2一軸受力圖
Fig2 Stress of the first axis
分析可知，受力深溝球軸承的變速箱，箱體里面的軸基本上不承受軸向力，故在此忽略不計。在垂直面上，箱體對軸的支承反力
作用在皮帶輪上的外力，其中
（10）
故
力在兩軸支承點所產生的反力
F力產生的彎矩
分析可知，a-a截面屬于危險截面，所以計算a-a截面的彎矩
考慮到最不利的情況，把與直接相加
軸傳遞的轉矩（按大齒輪計算）
（11）
危險截面的當量彎矩，a-a面最危險
（12）
因為軸的材料選用的是40Cr，調質處理，查表可知，許用彎曲應力
，則危險截面處軸的最小直徑:
（13）
剛好符合要求，故第一軸從強度說是安全的。
半軸傳遞的功率：
（14）
由傳動比可算出半軸在一檔時的轉速：
由于半軸由兩根半軸組成，故每根半軸只傳遞0.9kw的功率，則
作用在半軸齒輪上的圓周力：
式中：
——為軸所傳遞的轉矩，；
——為軸的抗扭截面系數(shù)，；
——為軸傳遞的功率，；
——為軸的轉速，；
——為軸材料的許用扭轉剪應力，見表3；
——為與軸的材料有關的常數(shù)，見表2[3]。
表2軸常用材料的值和值
Table2 Commonly used shaftvalue andvalue
指 標 Q235,20 35 45 40Cr，35SiMn
/ 12～20 20～30 30～40 40～52
160～135 135～118 118～107 107～98
前面已計算出半軸的最小軸徑，故半軸從強度上說是安全的。
4.2.2 剛度校核
對于第一軸，因為它要承受皮帶輪和齒輪的扭矩的作用，假設軸的扭轉角度不得超過1°為安全，根據公式[1]:
（15）
式中：
——為軸所傳遞的轉矩，；
——為軸瘦轉矩作用的長度，；
——為材料的切變模量，；
——為軸徑，；
——為軸截面的極慣性矩。
已知，，則可求得第一軸最小軸徑
<13mm
按照上述方法同樣可以得出半軸的最小軸徑
所以，從剛度上來說，半軸（圖3）和第一軸（圖4）也是安全的。
圖3 半軸
Fig3 half axis
圖4 第一軸
Fig4 primary shaft
4.3 其它軸的校核
由于轉向軸和倒檔軸屬于變速箱的中間傳動軸，雖然既傳遞轉矩又承受彎矩，但彎矩對其作用很小，在此可忽略不計。故可把它們看作只傳遞扭矩不承受彎矩的傳動軸。對于只傳遞轉矩的圓截面軸，其強度條件為
（16）
式中：
——為軸的切應力，；
——為軸所傳遞的轉矩，；
——為軸的抗扭截面系數(shù)，，對于圓截面軸；
——為軸傳遞的功率，；
——為軸的轉速，；
——為軸徑，；
——為軸材料的許用扭轉剪應力。
對于倒檔軸
故
所以，倒檔軸安全。
按照上述方法同樣可得出轉向軸的切應力。雖然此處的大于許用切應力，但由于轉向軸上的轉向齒輪剛好處于1-2檔齒輪與半軸齒輪的中心線上，所以1-2檔齒對轉向軸的作用力與半軸齒對轉向軸的作用力可以抵消，因此，轉向軸也是安全的。
5 齒輪的設計及校核
5.1 齒輪的設計計算
5.1.1 1-2檔齒輪和中央傳動齒輪
如前所述，1-2檔小齒輪的齒數(shù)取，變位系數(shù)取。一檔大齒輪的齒數(shù)取，則一軸到二軸的傳動比。由于一檔的傳動比，所以可以確定從二軸到從動軸的傳動比。
5.1.2 從動軸齒輪
前面的計算已確定從中央傳動齒輪到從動軸齒輪的傳動比，為了匹配中央傳動齒輪的齒頂圓直徑，盡量使從動軸齒輪的齒頂圓直徑與之相近。從動軸齒輪模數(shù)，中央傳動齒輪的齒頂圓直徑。因此，初步確定從動軸齒輪的齒數(shù)。從而，跟從動軸齒輪有嚙合關系的轉向齒輪齒數(shù)也可初步確定，相應地從動軸齒輪的齒數(shù)修正為。
5.1.3 倒檔齒輪
倒檔齒輪是一個中間過渡齒輪，其齒數(shù)的多少不影響總傳動比，因此暫取。由于倒檔齒輪是和一檔齒輪嚙合，所以取模數(shù)。
各擋齒輪主要參數(shù)如下表3所示。
表3各擋齒輪主要參數(shù)表
Table3 Each block gear main parameter table
齒 輪 齒數(shù)（） 模數(shù)（） 變位系數(shù) （）
17 2.5 0.85
12 2.5 0.85
77 2.5 0
82 2.5 0
10 3 0.896
69 3 0
15 2.5 0.34
5.2 齒輪的校核
5.2.1 齒面接觸疲勞強度校核
根據齒輪接觸強度計算公式
（17）
式中：
——法向力；
——曲率半徑；
——傳動比；
——綜合彈性模量。
對于半軸齒輪
一對標準齒輪的齒面接觸強度按下面公式計算
（18）
其中：
載荷系數(shù)，傳動比，，，
故，可求得
按照上述方法，同樣可以計算出：
1-檔齒輪的接觸強度：
中央傳動齒輪的接觸強度：
倒檔齒輪的接觸強度：
轉向齒輪是一個只有10個齒的高變位齒輪，為了方便校核，此處按正常齒進行強度校核。齒寬按照外齒計算。由于轉向齒有兩個，而且從一軸傳遞過來的動力在轉向軸除了分給兩個轉向齒輪外還有一個中央傳動齒輪，所以轉矩取三分之一計算，即。則轉向齒輪的接觸強度 。
顯然，各齒輪的齒面接觸疲勞強度均符合要求。
5.2.2 齒根彎曲疲勞強度校核
根據齒根彎曲疲勞強度的驗算公式
（19）
式中：
——為模數(shù)，；
——為齒形系數(shù)，；
——為應力修正系數(shù)。
對于半軸齒輪，查表得，1.75，
代入數(shù)值計算得：
按照上述方法可依次算出：
1-2檔齒輪的齒根彎曲疲勞強度：
倒檔齒輪的齒根彎曲疲勞強度：
中央傳動齒輪的齒根彎曲疲勞強度：
轉向齒輪的齒根彎曲疲勞強度：
因此，各擋齒輪的齒根彎曲疲勞強度也符合要求。
6 軸承的選擇及壽命校核
6.1 軸承的選擇
軸承是一種支承旋轉軸的組件。根據軸承中摩擦性質不同，分為滑動軸承和滾動軸承兩大類。滾動軸承是標準件，由于它具有摩擦力小、結構緊湊、功率消耗小等優(yōu)點，已被廣泛應用在機器、儀表等多種產品中。
滾動軸承依靠其主要元件間的滾動接觸來支承軸的，其相對運動表面間的摩擦為滾動摩擦。與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小、易啟動、效率高、潤滑和維護簡便、易于互換、運轉精度高、軸承組合結構較簡單、軸向結構緊湊、不需用有色金屬、標準化程度高、設計簡單等優(yōu)點；而其缺點主要是抗沖擊能力較差、高速重載下壽命較低且振動及噪音較大、徑向尺寸比滑動軸承大[3]。
由于以上特點，因此滾動軸承廣泛地用于中速、中載和一般工作條件下運轉的機器中。結合本次設計的變速箱的特點，此次設計采用滾動軸承。由于半軸和其他軸的受力情況不一樣，故半軸選用推力球軸承，其他軸選用深溝球軸承。
6.2 軸承的壽命校核
軸承壽命計算公式
（20）
式中：
——為轉速，；
——為基本額定動載荷，；
——為當量動載荷，，；
——為壽命指數(shù)，對于球軸承[4]。
對半軸處的軸承進行壽命校核
查表得
因為一檔時的載荷最大，故按一檔時的工作狀態(tài)進行壽命計算，得
以上是只轉向工作時半軸軸承的工作壽命。當按照直線行駛時的狀態(tài)進行壽命計算時
按照上述方法，同樣可計算出：一軸處軸承的使用壽命
轉向軸處軸承的使用壽命
由于農田作業(yè)機是季節(jié)性的工作，所以軸承的使用壽命均符合要求。
7 鍵的選擇及強度校核
7.1 鍵的選擇
鍵是一種標準零件，主要用于實現(xiàn)軸和軸上零件之間的軸向固定以傳遞轉矩，有的還能實現(xiàn)軸上零件的軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉矩。鍵聯(lián)接的主要類型有平鍵聯(lián)接、半圓鍵聯(lián)接、楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。平鍵聯(lián)接的特點是靠側面?zhèn)鬟f轉矩，鍵的兩側面的工作面，鍵的上表面和轂槽底面間留有間隙。平鍵聯(lián)接結構簡單、對中良好、拆裝方便、加工容易。根據用途的不同，平鍵分為普通平鍵、薄型平鍵、導向平鍵和滑鍵。故本設計中的鍵聯(lián)接選用平鍵聯(lián)接，安裝在半軸。平鍵聯(lián)接中普通平鍵用于靜聯(lián)接。而半軸處的鍵聯(lián)接屬于靜聯(lián)接，故用普通平鍵聯(lián)接。
7.2 強度校核
平鍵連接傳遞轉矩時，其主要失效形式時工作面唄壓潰。除非有嚴重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。因此，通常只按工作面上的擠壓應力進行強度校核計算。靜聯(lián)接按照下面的公式進行強度計算：
（21）
將代入上式，得
齒面經過了熱處理，查表可取
顯然，半軸的普通平鍵符合要求。
8 結論
通過此次畢業(yè)設計，感覺自己的專業(yè)水平有了很大程度的提高，雖然設計過程坎坷而艱辛，但收獲的喜悅讓一切的沒有白費。本次設計的變速箱可以滿足不同工況的要求，結構簡單，易于生產和維修，價格低廉。在設計中采用了兩擋（兩個前進檔和一個倒檔）手動變速器，通過較大的變速器傳動比變化范圍，可以滿足農田作業(yè)機在不同的工況下的要求。牙嵌式轉向離合器的使用使作業(yè)機能夠實現(xiàn)左右轉向，結構簡單，操作方便?？v觀本次設計，基本上達到了老師的要求。
這次的設計是對我大學四年所學知識的一次綜合性檢驗，在運用所學知識進行設計的同時我也鞏固和學習了更多的知識，同時也使我對自己、對未來更加充滿了信心。也讓我更好的了解了本專業(yè)的特色對即將進入工作崗位有了更多的信心和自信。
完成了畢業(yè)設計，心情也頓時開朗了許多，感覺自己的設計是一件偉大的發(fā)明，雖然設計中依然存在瑕疵，但我相信，通過不斷的修改，不斷的發(fā)揮創(chuàng)造力，使其中的問題迎刃而解，自己在本次設計過程中的提高是有目共睹的。同時在這次的設計中也讓我學會了團隊精神，光靠一個人來完成確實很難，如果有好的伙伴和好的導師哪就是成功的一半，四年一次的畢業(yè)設計完成的時候，也讓我想起去年的課程設計，感覺比課程設計難了很多，并且要求的比較高，在畫圖的時候就發(fā)現(xiàn)了其中的不同，但不論結果如何，我都對我自己的畢業(yè)設計感到滿意，非常的滿意。
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致 謝
本設計是在李軍政老師的悉心指導和熱情關懷下完成的。
經過兩個多月的奮戰(zhàn)，終于把畢業(yè)設計全部完成了。這兩個月為畢業(yè)設計真的付出了很多，所以雖然我的畢業(yè)生設計還有很多不足之處，但對我來說卻如掌上明珠般珍貴。這次的設計對我來說是一個挑戰(zhàn)，更是一次難得的溫故知新的機會。在畢業(yè)設計初期，由于設計思路的問題而走了很多彎路，做了很多的無用功，內心也非常焦慮，多虧有李老師的細心指導，才最終確定了正確的設計思路，一步步排疑解難進行設計計算。這次畢業(yè)設計不但鞏固了我以前所學的知識如材料力學、機械設計基礎、汽車構造、機械制圖等，并且讓我接觸到了很多新的課程，如農業(yè)機械學、汽車拖拉機學等。雖然在畢業(yè)設計中遇到很多困難，但在做的過程中我真正掌握和領會了各項知識。面對問題仔細分析，查閱各方文件資料，也得到老師和同學的幫助。在這次設計過程中，指導老師李軍政一直都關注著我進展，給了我很多建議和幫助，同時他對我的設計的認可也倍增了我的自信心，使我在之后的設計中越來越順利。在此，我對李老師表示真心的感謝。
最后也非常感謝工學院各位老師的指導和幫助，同時也感謝關心和幫助過我的同學們，讓我大學四年獲益匪淺。在畢業(yè)之際，再次感謝工學院的各位老師和領導，感謝所有為我們的學習和進步提供過無私幫助的人，讓我從一個迷茫的大一新生成長成一個對未來充滿信心的畢業(yè)生。未來還有很長的路要走，雖然即將離開學校，但是“活到老，學到老”的精神我會依然銘記在心，在未來的道路上繼續(xù)努力提升自己，奮勇前行，成就自我。
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