三軸四檔式手動(dòng)變速器設(shè)計(jì)剖析

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1、三軸四檔式手動(dòng)變速器設(shè)計(jì) 1緒論 1.1概述 自1886年世界上第一輛汽車誕生以來，汽車已經(jīng)歷了近120年的發(fā)展。隨著科學(xué) 技術(shù)的日益發(fā)展，汽車的各項(xiàng)性能也日臻完善?，F(xiàn)代汽車已成為世界各國國民經(jīng)濟(jì)和社 會(huì)生活中不可缺少的交通工具?，F(xiàn)代汽車除了裝有性能優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)外還應(yīng)該有性能優(yōu) 異的傳動(dòng)系與之匹配才能將汽車的性能淋漓盡致的發(fā)揮出來，因此汽車變速器的設(shè)計(jì)顯 得尤為重要。 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是指動(dòng)力裝置輸出的動(dòng)力，經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)到達(dá)驅(qū)動(dòng)車輪之間的一系列 部件的總稱，它使汽車實(shí)現(xiàn)起步、變速、減速、差速、變向等功能，為汽車提供良好的 動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性能。其基本功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)車輪。動(dòng)

2、力傳遞的 方式按結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)介質(zhì)可分為機(jī)械式、液力機(jī)械式、靜液式（容積液壓式）、電力式等。 傳動(dòng)系的組成及其在汽車上的布置形式，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的形式和性能、汽車總體結(jié)構(gòu)形 式、汽車行駛系及傳動(dòng)系本身的結(jié)構(gòu)形式等許多因素。 變速器在發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車之間主要起著匹配作用，通過改變變速器的傳動(dòng)比，可以使 發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。 變速器通常還設(shè)有到檔，在不改變發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下汽車能倒退行駛；設(shè)有 空檔，在滑行或停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系能保持分離。變速器還應(yīng)能進(jìn)行動(dòng)力輸出。手動(dòng) 變速器基本上是由齒輪、軸、軸承、同步器等動(dòng)力傳動(dòng)部件組成。 變速器能使汽車以非常低的穩(wěn)定車速行駛，而這種低的車速只靠

3、內(nèi)燃機(jī)的最低穩(wěn)定 轉(zhuǎn)速是難以達(dá)到的。變速器的倒檔使汽車可以倒退行駛；其空檔使汽車在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、 停車和滑行時(shí)能長時(shí)間將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系分離。 變速器由變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)需要，還可以加裝動(dòng)力輸出器。 按傳動(dòng)比變化方式，變速器可以分為有級式、無級式和綜合式三種。 有級式變速器應(yīng)用最為廣泛。它采用齒輪傳動(dòng)，具有若干個(gè)定值傳動(dòng)比。按所用輪 系形式不同，有軸線固定式（普通變速器）和軸線旋轉(zhuǎn)式變速器（行星齒輪變速器）兩 種。目前，轎車和輕、中型貨車變速器的傳動(dòng)比通常有3?5個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)倒檔，在 重型貨車用的組合變速器中，則有更多檔位。所謂變速器檔數(shù)即指其前進(jìn)檔位數(shù)。 無級式變速器的

4、傳動(dòng)比在一定的數(shù)值范圍內(nèi)可按無限多級變化，常見的有電力式和 液力式（動(dòng)液式）兩種。電力式無級變速器的變速傳動(dòng)部件為直流串激電動(dòng)機(jī)，除在無 軌電車上應(yīng)用外，在超重型自卸車傳動(dòng)系中也有廣泛采用的趨勢。動(dòng)液式無級變速器的 傳動(dòng)部件是液力變矩器。 綜合式變速器是指由液力變矩器和齒輪式有級變速器組成的液力機(jī)械式變速器，其 傳動(dòng)比可在最大值與最小值之間的幾個(gè)間斷的范圍內(nèi)作無級變化，目前應(yīng)用較多。 強(qiáng)制操縱式變速器靠駕駛員直接操縱變速桿換擋，為大多數(shù)汽車所采用。 半自動(dòng)操縱式變速器有兩種型式。一種是常用的幾個(gè)檔位自動(dòng)操縱，其余檔位則由 駕駛員操縱；另一種是預(yù)選式，即駕駛員預(yù)先用按鈕選定檔位，在踩下離合

5、器踏板或松 開加速踏板時(shí)，接通一個(gè)電磁裝置或液壓裝置來進(jìn)行換檔。 在多軸驅(qū)動(dòng)汽車上，變速器之后還裝有分動(dòng)器，以便把轉(zhuǎn)矩分別輸送給各驅(qū)動(dòng)橋。 除此之外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足拆裝容易和維修方便等要求。變速器由變速器傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可按前進(jìn)檔數(shù)或軸的形式不同分類。具體分類如下： 變速器的結(jié)構(gòu)對汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、換檔操縱的可靠性與輕便性，傳動(dòng)的 平穩(wěn)性與效率性等都有直的影響。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對變速器與主減速器，以及發(fā)動(dòng)機(jī) 的參數(shù)作優(yōu)化匹配，可得到良好的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性；采用自鎖及互鎖裝置、倒檔安 全裝置，對接合齒采取倒錐齒側(cè)(或越程咬合、錯(cuò)位接合、齒厚減薄、臺

6、階齒側(cè))等措 施，以及其它結(jié)構(gòu)措施，可使操縱可靠，不跳檔、亂檔、自行脫檔和誤掛倒檔；采用同 步器可使換檔輕便、無沖擊及噪聲；采用高齒、修形及參數(shù)優(yōu)化等措施可使齒輪傳動(dòng)平 穩(wěn)、噪聲低。降低噪聲水平已成為提高變速器質(zhì)量和設(shè)計(jì)、工藝水平的關(guān)鍵。隨著汽車 技術(shù)的發(fā)展，增力式同步器，雙及三中間軸變速器，后置常嚙合傳動(dòng)齒輪、短第二軸的 變速器，各種自動(dòng)、半自動(dòng)以及電子控制的自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)也相繼問世。 變速器多采用飛濺潤滑，重型汽車有時(shí)強(qiáng)制潤滑第一、二軸等。 變速器都裝有單向的通氣閥，以防殼內(nèi)空氣熱脹而漏油及潤滑油氧化。殼底的放油 塞多置磁鐵，以吸附油中鐵屑。涉水車需有防水措施。 變速器的設(shè)計(jì)系

7、列按輸出轉(zhuǎn)矩分級，供各種車型選用，也可根據(jù)具體車型的使用壽 命要求進(jìn)行設(shè)計(jì)?？筛鶕?jù)同類型在典型路段上實(shí)測的隨機(jī)載荷，用統(tǒng)計(jì)分析法組成載荷 譜，進(jìn)行變速器的疲勞壽命計(jì)算。這種可靠性設(shè)計(jì)方法比較符合實(shí)際，如果再以油畫設(shè) 計(jì)方法選擇有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)作最佳匹配，則可得到以最小零部件尺寸滿足設(shè)計(jì)所要求的壽 命和性能的設(shè)計(jì)方案。有時(shí)亦可輔以有限元分析。 為保證變速器具有良好的工作性能，對變速器應(yīng)提出如下的設(shè)計(jì)要求。 (1) 正確地選擇變速器的檔位數(shù)和傳動(dòng)比，并使之與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及主減速比作優(yōu)化 匹配，以保證汽車具有良好的動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性。 (2) 設(shè)置空擋，以保證汽車在必要時(shí)能將發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系長時(shí)間分離

8、；使汽車可以 倒退行駛。 (3) 體積小、質(zhì)量小、承載能力強(qiáng)、使用壽命長、工作可靠。 (4) 操縱簡單、準(zhǔn)確、輕便、迅速。 (5) 傳動(dòng)效率高、工作平穩(wěn)、無噪聲或低噪聲。 (6) 制造工藝性好、造價(jià)低廉、維修方便。 (7) 貫徹零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化和變速器總成系列化等設(shè)計(jì)要求，遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 和法規(guī)。 (8) 需要時(shí)應(yīng)設(shè)置動(dòng)力輸出裝置。 1.2國內(nèi)外發(fā)展趨勢 回顧變速器技術(shù)的發(fā)展可以清楚的知道，變速器作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分， 其技術(shù)的發(fā)展，是衡量汽車技術(shù)水平的一項(xiàng)重要依據(jù)。21世紀(jì)能源與環(huán)境、先進(jìn)制造技 術(shù)、新型材料技術(shù)、信息與控制技術(shù)等是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域，這些領(lǐng)

9、域的科技進(jìn) 步推動(dòng)了變速器技術(shù)的發(fā)展。 變速器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向如下： （1） 節(jié)能與環(huán)境保護(hù)。表示且的節(jié)能與環(huán)境保護(hù)既包括傳動(dòng)系統(tǒng)本身的節(jié)能與環(huán) 境保護(hù)，也包括發(fā)動(dòng)機(jī)本身的節(jié)能與環(huán)境保護(hù)。因此研究高效率的傳動(dòng)副來節(jié)約能源， 采用零污染的工作介質(zhì)或潤滑油來避免環(huán)境污染，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的特性和形式工況來設(shè)計(jì) 變速器，提高傳動(dòng)效率和最低污染物排放區(qū)運(yùn)行等措施。 （2） 應(yīng)用新型材料。材料科學(xué)與技術(shù)是21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。各種新 型材料在變速器中的應(yīng)用已經(jīng)推動(dòng)了汽車技術(shù)的發(fā)展和性能的提高。 （3） 高性能、低成本、微型化。高性能、高效、精密、低噪聲、長壽命、重量輕、 體積小、低成本一直以來

10、是變速器的發(fā)展方向。 2變速器機(jī)構(gòu)方案的確定 2.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析 本設(shè)計(jì)應(yīng)用在現(xiàn)今使用廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)前置、后輪驅(qū)動(dòng)的4X2總體布置方案，發(fā)動(dòng) 機(jī)發(fā)出的動(dòng)力依次經(jīng)過離合器、變速器、萬向傳動(dòng)裝置(萬向節(jié)和傳動(dòng)軸)、主減速器、 差速器、半軸，傳到驅(qū)動(dòng)輪，如圖2.1所示 1.離合器；2.變速器；3.萬向傳動(dòng)裝置；4.驅(qū)動(dòng)橋 圖2.1發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車傳動(dòng)系 變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。 根據(jù)前進(jìn)檔數(shù)的不同，變速器有三、四、五和多檔幾種。根據(jù)軸的不同類型，分為 固定軸式和旋轉(zhuǎn)軸式兩大類。而前者又分為兩軸式、三軸式和多中間軸式變速器。 2.1.1固定軸式變速器 (1

11、)兩軸式變速器 固定軸式中的兩軸式和中間軸式變速器應(yīng)用廣泛。其中兩軸式 變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)汽車上。 與中間軸式變速器比較，兩軸式變速器因軸承數(shù)少，所以有結(jié)構(gòu)簡單、輪廓尺寸小 和容易布置等優(yōu)點(diǎn)，此外，各中間檔位因只經(jīng)一對齒輪傳遞動(dòng)力，故傳動(dòng)效率高同時(shí)噪 聲也低。因兩軸式變速器不能設(shè)置直接檔，所以在高檔工作時(shí)齒輪和軸承均承載，不僅 工作噪聲增大，而且易損壞。還有，受結(jié)構(gòu)限制，兩軸式變速器的一檔速比不可能設(shè)計(jì) 得很大。對于前進(jìn)檔，兩軸式變速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；而中 間軸式變速器的第一軸與輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。 本設(shè)計(jì)主要針對的是一噸級貨車或旅行車，所以兩軸式變速

12、器不適用于本設(shè)計(jì)。 （2）中間軸式變速器中間軸式變速器多用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)汽車和發(fā)動(dòng)機(jī) 后置后輪驅(qū)動(dòng)的客車上。變速器第一軸的前端經(jīng)軸承支承在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上，第一軸上的 花鍵用來裝設(shè)離合器的從動(dòng)盤，而第二軸的末端經(jīng)花鍵與萬向節(jié)連接。各傳動(dòng)方案的共 同特點(diǎn)是：變速器的第一軸后端與常嚙合主動(dòng)齒輪做成一體。絕大多數(shù)方案的第二軸前 端經(jīng)軸承支承在第一軸后端的孔內(nèi)，且保持兩軸軸線在同一直線上，經(jīng)嚙合套將它們連 接后可得到直接檔。是直接檔，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)橹苯訖n的利用

13、率要高于其它檔位，因而提高了變速器的使用 壽命；在其它前進(jìn)檔位工作時(shí)，變速器傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過設(shè)置在第一軸、中間軸和第 二軸上的兩對齒輪傳遞，因此在變速器中間軸與第二軸之間的距離（中心距）不太大的 條件下，一檔仍然有較大的傳動(dòng)比；檔位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，檔位低的齒輪 （一檔）可以采用或不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一檔外的其它檔位換檔 機(jī)構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換檔，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一檔也采用同步器或嚙合齒套換檔，還 有各檔同步器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。 在除直接檔以外的其它檔位工作時(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)。 在檔數(shù)相同的條件下，各中間軸式變速

14、器主要在常嚙合齒輪對數(shù)、軸的支承方式、 換檔方式和倒檔傳動(dòng)方案以及檔位布置順序上有差別。 由于本設(shè)計(jì)針對的是輕型汽車，中間軸式五檔和六檔變速器體積和質(zhì)量顯得過于龐 大，而且傳動(dòng)比大不適用于本設(shè)計(jì)，因此，選用中間軸式三軸四檔變速器設(shè)計(jì)方案。 凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的檔位，其換檔方式可以用同步器或嚙合套來實(shí)現(xiàn)。同一變 速器中，有的檔位用同步器換檔，有的檔位用嚙合套換檔，那么一定是檔位高的用同步 器換檔，檔位低的用嚙合套換檔。 發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)的乘用車采用中間軸式變速器，為縮短傳動(dòng)軸長度，將第二軸 加長，置于附加的殼體內(nèi)。如果在附加殼體內(nèi)布置倒檔傳動(dòng)齒輪和換檔機(jī)構(gòu)，還能減小 變速器主體部分的外

15、形尺寸及提高中間軸和輸出軸的剛度。因此，這種方案比較適合本設(shè)計(jì)，但需要加以改進(jìn)。 2.1.2倒檔布置方案 與前進(jìn)檔位比較，倒檔使用率不高，而且都是在停車狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)倒檔，故多次數(shù)方 案均采用直齒滑動(dòng)齒輪方式換倒檔。為實(shí)現(xiàn)倒檔傳動(dòng)，有些方案利用中間軸和第二軸上 的齒輪傳動(dòng)路線中加入一個(gè)中間傳動(dòng)齒輪的方案；也有利用兩個(gè)聯(lián)體齒輪方案的。前者 雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是中間傳動(dòng)齒輪的輪齒是在最不利的正、負(fù)交替變化的彎曲應(yīng)力狀態(tài) 下工作；而后者是在較為有利的單向循環(huán)彎曲應(yīng)力狀態(tài)下工作，并使倒檔傳動(dòng)比略有增 加。也有少數(shù)變速器采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜和使成本增加的嚙合套或同步器方案換入倒檔。 (a) (b) (c) (

16、d) 圖2.2倒檔布置方案 圖2.2為常見的倒檔布置方案。圖2.2(a)所示方案的優(yōu)點(diǎn)是換倒檔時(shí)利用了中間軸 上的一檔齒輪，因而縮短了中間軸的長度；但換檔時(shí)要求有兩對齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使 換檔困難。圖2.2(b)所示方案能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換檔程序不合理。圖2.2(c) 所示方案是將中間軸上的一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長。圖2.2(d)所示方案適 用于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，換檔更為輕便。 綜上所述，方案(c)較為適合本設(shè)計(jì) 變速器的一檔或倒檔因傳動(dòng)比大，工作時(shí)在齒輪上作用的力增大，并導(dǎo)致變速器軸 產(chǎn)生較大的撓度和轉(zhuǎn)角，使工作齒輪嚙合狀態(tài)變壞，最終表現(xiàn)出齒輪磨損

17、加快和工作噪聲增加。為此，無論是兩軸式變速器還是中間軸式變速器的一檔與倒檔，都應(yīng)當(dāng)布置在 靠近軸的支承處，以便改善上述不良狀況，然后按照從抵檔到高檔的順序布置各檔齒輪， 這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒檔的傳動(dòng)比雖然與一檔的傳動(dòng) 比接近，但因?yàn)槭褂玫箼n的時(shí)間非常短，從這點(diǎn)出發(fā)有些方案將一檔布置在靠近軸的支 承處，然后再布置倒檔。此時(shí)在倒檔工作時(shí)，輪齒磨損與噪聲在短時(shí)間內(nèi)略有增加，而 在一檔工作時(shí)輪齒的磨損與噪聲有所減少。 倒檔設(shè)置在變速器的左側(cè)或右側(cè)，在結(jié)構(gòu)上均能實(shí)現(xiàn)，不同之處是掛倒檔時(shí)駕駛員 移動(dòng)變速桿的方向改變了。為防止意外掛入倒檔，一般在掛倒檔時(shí)設(shè)有一個(gè)掛倒檔時(shí)需 克

18、服彈簧所產(chǎn)生的力，用來提醒駕駛員注意。從這一點(diǎn)來考慮，圖2.3(a)、(b)的換檔方 案比圖2.3(c)的方案更合理。圖2.3(c)所示方案在掛一檔時(shí)也需克服用來防止誤掛倒檔所 產(chǎn)生的力，這對換檔不熟練的駕駛員是不利的。除此之外，倒檔的中間齒輪位于變速器 的左側(cè)或右側(cè)對倒檔軸的受力情況有影響。 (b) (c) 圖2.3變速桿換檔位置與順序 2.1.3其它問題 常用檔位的齒輪因接觸應(yīng)力過高而易造成表面點(diǎn)蝕損壞。將高檔布置在靠近軸的兩 端支承中部區(qū)域較為合理，在該區(qū)域因軸的變形而引起的齒輪偏轉(zhuǎn)角較小，齒輪可保持 較好的嚙合狀態(tài)，以減少偏載并提高、齒輪壽命。 機(jī)械式變速器的傳動(dòng)效率與

19、所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力時(shí)處于工作狀態(tài) 的齒輪對數(shù)、每分鐘轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤滑系統(tǒng)的有效性、齒輪和殼體等零件的制造 精度等。 圖2.4四檔變速器結(jié)構(gòu)方案 圖2.4為中間軸式四檔變速器結(jié)構(gòu)簡圖。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：前進(jìn)檔全部采用常嚙合齒 輪傳動(dòng)，用同步器換檔，同步器裝在第二軸上；本設(shè)計(jì)就是選擇的這種方案并在其基礎(chǔ) 上進(jìn)行局部改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的。 2.2零、部件結(jié)構(gòu)方案分析 2.2.1齒輪形式 變速器用齒輪有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。 與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作噪聲低等優(yōu)點(diǎn)； 缺點(diǎn)是制造時(shí)稍復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力，這對軸承不利。變速器中的

20、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)變速器的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。 直齒圓柱齒輪僅用于低檔和倒檔，本設(shè)計(jì)為一檔和倒檔采用直齒圓柱齒輪，二、三、四 檔常嚙合齒輪采用斜齒圓柱齒輪。 2.2.2換檔機(jī)構(gòu)形式 變速器換檔機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器換檔三種形式。 汽車行駛時(shí)，因變速器內(nèi)各轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪有不同的角速度，所以用軸向滑動(dòng)直齒齒輪方 式換檔，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，并伴隨噪聲。這不僅使齒輪端部磨損加劇并過早損壞， 同時(shí)使駕駛員精神緊張，而換檔產(chǎn)生的噪聲又使乘坐舒適性降低。除此之外，采用直齒 滑動(dòng)齒輪換檔時(shí)，換檔行程長也是它的缺點(diǎn)。因此現(xiàn)在已很少在輕型汽車的變速器

21、中使 用。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)嚙合套換檔。 這時(shí)，不僅換檔行程短，同時(shí)因承受換檔沖擊的接合齒齒數(shù)多，而輪齒又不參與換檔， 所以它們都不會(huì)過早損壞；但因不能消除換檔沖擊，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 前這種換檔方法只在某些要求不高檔位及重型貨車變速器上應(yīng)用。 使用同步器能保證迅速、無沖擊、無噪聲換檔，而與操作技術(shù)程度無關(guān)，從而提高 了汽車 的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種方法比較，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)

22、的全部前進(jìn)檔 位均采用同步器換檔。 2.2.3自動(dòng)脫檔 自動(dòng)脫檔是變速器的主要故障之一。由于接合齒磨損、變速器軸剛度不足以及振動(dòng) 等原因都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)脫檔。為解決這個(gè)問題，除工藝上采取措施以外，目前在結(jié)構(gòu)上采 取措施行之有效的方案有:將兩接合齒的嚙合齒位置錯(cuò)開;將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒 厚切??；將接合齒的工作面設(shè)計(jì)并加工成斜面，形成倒錐角等等一些措施可以有效防止 脫檔現(xiàn)象的發(fā)生。 2.2.4變速器軸承 作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的變速器軸支承在殼體或其它部位的地方以及齒輪與軸不做固定連接 處應(yīng)安置軸承。變速器軸承常采用圓柱輥?zhàn)虞S承、球軸承、滾針軸承圓錐輥?zhàn)虞S承、滑 動(dòng)軸套等。至于何處應(yīng)當(dāng)采用何種類型的

23、軸承，是受結(jié)構(gòu)限制并隨所承受的載荷特點(diǎn)不 同而不同的。 汽車變速器結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小的特點(diǎn)，采用尺寸大些的軸承受限制，常在布置上有 困難。如變速器的第二軸前端支承在第一軸常嚙合齒輪的內(nèi)腔中，內(nèi)腔尺寸足夠時(shí)可布 置圓柱輥?zhàn)虞S承，若空間不足則采用滾針軸承。本設(shè)計(jì)主要針對的是輕型汽車，故內(nèi)腔 空間比較狹小，只能采用滾針軸承，而第二軸后端采用球軸承，用來承受軸向力和徑向 力。作用在第一軸常嚙合齒輪上的軸向力，經(jīng)第一軸后部軸承傳給變速器殼體，此處用 軸承外圈有擋圈的球軸承。中間軸上齒輪工作時(shí)產(chǎn)生的軸向力，原則上由前或后軸承來 承受都可以，但在殼體前端面布置軸承蓋有困難，必須由后端軸承承受軸向力，前端采

24、用圓柱輥?zhàn)虞S承來承受徑向力，而后端采用外圈有擋圈的球軸承或圓柱輥?zhàn)虞S承，本設(shè) 計(jì)兩端均采用有擋圈的球軸承。 變速器第一軸、第二軸的后部軸承，以及中間軸前、后軸承，按之直徑系列一般選 用中系列球軸承或圓柱輥?zhàn)虞S承。軸承的直徑根據(jù)變速器中心距確定，并要保證后壁兩 軸承孔之間的距離不小于6?20mm。 滾針軸承、滑動(dòng)軸承主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對運(yùn)動(dòng)的地 方。滾針軸承有滾動(dòng)摩擦損失小、傳動(dòng)效率高、徑向配合間隙小、定位及運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、 有利于齒輪嚙合等優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)軸套的徑向配合間隙大、易磨損、間隙增大后影響齒輪的 定位和運(yùn)轉(zhuǎn)精度并使工作噪聲增加?；瑒?dòng)軸套的優(yōu)點(diǎn)是制造容易、成本低，但

25、為了設(shè)計(jì) 的整體質(zhì)量，在設(shè)計(jì)中只采用滾針軸承。 3變速器主要參數(shù)的選擇 變速器設(shè)計(jì)時(shí)選取的各主要參數(shù)將直接影響變速器的技術(shù)性能及與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和 其它傳動(dòng)系匹配，因此，選擇合適的主要參數(shù)就顯得尤為重要。 選取汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要是通過計(jì)算汽車的整備質(zhì)量和動(dòng)力特性來選取。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是 生產(chǎn)成品，所以只要根據(jù)所設(shè)計(jì)汽車的性能選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)即可。在選取發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)， 一般用適用性系數(shù)Q表示發(fā)動(dòng)機(jī)的適應(yīng)性，Q值越大，說明發(fā)動(dòng)機(jī)的適應(yīng)性越好。查文 獻(xiàn)［1，2-1］可知： Q=叫max叩 (M n ) 式中：M —發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩N ? m； Mp 一發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)矩N - m； n 一發(fā)動(dòng)機(jī)額

26、定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速r/min； n^一發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速r/min。 本設(shè)計(jì)選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)是一汽解放生產(chǎn)的CA488-1型發(fā)動(dòng)機(jī)，形式為四沖程、直列、 四缸、單頂置凸輪軸化油器式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，工作容積為2.2L，發(fā)動(dòng)機(jī)在4500r/min時(shí)最 大功率59kW，發(fā)動(dòng)機(jī)在2600r/min時(shí)的最大扭矩為196N - m。由上式可得該型發(fā)動(dòng)機(jī) 的適應(yīng)性系數(shù)Q： Q = We max 叩 (M n ) _(196 x 4500) 一 125 x 2600 =2.714 3.1變速器的傳動(dòng)比范圍、檔位數(shù)及各檔傳動(dòng)比 設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)根據(jù)汽車的使用條件及要求確定變速器的傳動(dòng)比范圍、檔位數(shù)及各檔

27、傳動(dòng)比，因?yàn)樗鼈儗ζ嚨膭?dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性都有重要的直接影響。 參數(shù) 196N ? m 59kw 1470kg 2470kg 985kg 1389kg 105km/h 15° 6.17 325mm 3.1.1檔數(shù) 變速器的檔數(shù)可在3?20個(gè)檔位范圍內(nèi)變化，通常變速器的檔數(shù)在6檔以下。增加 變速器的檔數(shù)，能夠改善汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性以及平均車速。檔數(shù)越多，變速器 的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，并且使輪廓尺寸和質(zhì)量加大，同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，因此，需要設(shè)計(jì)者綜 合考慮設(shè)計(jì)要求來選取合適的檔位。 在最近檔傳動(dòng)比不變的條件下，增加變速器的檔數(shù)會(huì)使變速器相鄰的低檔與高檔之 間的傳動(dòng)比比值

28、小，使換檔工作容易進(jìn)行，一般要求相鄰檔位之間的傳動(dòng)比值在1.8以 下。 近年來，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。商用車變速器采用4?5個(gè)檔或多檔。載荷質(zhì)量在2.0?3.5噸的貨車 采用五檔變速器，載質(zhì)量在4.0?8.0噸的貨車采用六檔變速器。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在旅行 車和一噸級輕型貨車上，所以采用四檔變速器。 3.1.2傳動(dòng)比范圍 表3.1變速器設(shè)計(jì)原始參數(shù)表 項(xiàng)目 發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩 (2600r/min) 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率 (4500r/min) 空載整車質(zhì)量 滿載整車質(zhì)量 滿載時(shí)前軸軸荷 滿載時(shí)后軸軸荷 設(shè)計(jì)最高時(shí)速 最大爬坡度

29、 主減速比 車輪滾動(dòng)半徑 變速器的傳動(dòng)比范圍是指變速器最低檔傳動(dòng)比與最高檔傳動(dòng)比的比值。本設(shè)計(jì)最高 檔位是四檔，傳動(dòng)比為1.0。影響最低檔傳動(dòng)比的選取的因素有：發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和 最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所要求的汽車最大爬坡能力、驅(qū)動(dòng)輪與路面間的附著力、主減速比和驅(qū)動(dòng) 輪的滾動(dòng)半徑以及所要求達(dá)到的最低穩(wěn)定行駛的車速等。目前乘用車的傳動(dòng)比范圍在 3.0?4.5之間，輕型商用車的傳動(dòng)比在3.0?5.5之間。本設(shè)計(jì)的一些重要技術(shù)參數(shù)見表 3.1 考慮到汽車在平坦硬路面上行駛時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性，變速器的最高檔位多為直接檔 （傳動(dòng)比為1）或超速檔（傳動(dòng)比小于1）。這時(shí)汽車的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性由發(fā)動(dòng)機(jī)及 驅(qū)動(dòng)橋減

30、速比決定。變速器低檔（一檔，有時(shí)還有爬坡檔）的傳動(dòng)比則決定了汽車的最 大爬坡度。選擇最低檔傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著力、 汽車的最低穩(wěn)定車速，以及主減速比和驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑等來綜合考慮。 汽車爬陡坡時(shí)車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動(dòng)力用于克服輪胎與路面間的 滾動(dòng)阻力及爬坡阻力，查文獻(xiàn)［1，4-1］可知： T i - i .門 / ） e max gi_q——匚 > mg \f cos + sin a ）= mg^ （3.1） r 式中：m —汽車總質(zhì)量； g —重力加速度； v max 一道路最大阻力系數(shù)； j 一驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑； T —發(fā)

31、動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩； i —主減速比； 門t 一汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率； a —最大爬坡度； f —滾動(dòng)阻力系數(shù)； i 一變速器一檔傳動(dòng)比。 g1 則由最大爬坡度要求的變速器一檔傳動(dòng)比查文獻(xiàn)［1, 4-4］可知: (3.2) .> mg W ma，. J UT =2470 x 9.8 x 0.278 x 0.325 _ 196 x 6.17 x 0.9 =2.0094 根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件有: （3.3） 式中：％一汽車滿載靜止于水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷; 中一道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取中=0.5?0.6。 求得的變速器一檔傳動(dòng)比查文獻(xiàn)

32、［1，4-4］可知: (3.4) i ^G^2^ g1 "I 13612.2 x 0.6 x 0.325 196 x 6.17 x 0.9 =4.0647 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求的具體情況和上述條件可以初選一檔傳動(dòng)比I； 1 = 3邸。 3.1.3各檔傳動(dòng)比 變速器最高檔的傳動(dòng)比ign與最低檔的傳動(dòng)比ig1確定以后，中間各檔的傳動(dòng)比理論上是 按公比查文獻(xiàn)［1，4-4］可知： （3.5） 的幾何級數(shù)排列，式中n為檔位數(shù)（n = 4），四檔傳動(dòng)比、=1.00。 :y 61 = n nJ 廣 I gn ,'3.825 '1.00 =1.5639 ,i 3.825 1 =

33、』= =2.4458 2 q 1.5639 .i 3.825 i = —^ = v = 1.5639 3 q 2 （1.5639力 i4 = 1.00 實(shí)際上各檔傳動(dòng)比之間的排列與幾何級數(shù)排列略有出入，因齒數(shù)為整數(shù)且常用檔位 間的公比醫(yī)小些，以便于換檔。另外還要考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的合理配合。因此初選各檔 傳動(dòng)比: i] = 3.825 i 2 = 2.732 i3 = 1.397 ii = 1.00 3.2.變速器中心距A的確定 對三軸式變速器而言，其中心距系指第一、第二中心線與中間軸中心線之間的距離。 變速器的中心距對其尺寸及質(zhì)量的大小有直接影響，它也代表著變速

34、器的承載能力。三 軸式變速器的中心距人，可根據(jù)對已有變速器的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而得出經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初選，查 文獻(xiàn)［1，4-4］可知： A = K 3：T~~i 1n （3.6） 式中：K 一中心距系數(shù)，轎車取K=8.9?9.3,貨車取K=8.6?9.6,多檔變速器取K=9.5?11； T —發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N ? m； i 一變速器一檔傳動(dòng)比； g1 門一變速器的傳動(dòng)效率，取門=0.96。 本設(shè)計(jì)變速器的中心距為： A = K 3,OX =9.13 "196 x 3.825 x 0.96 =81mm 3.3外型尺寸的確定 變速器的橫向外型尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間(過度)齒輪和

35、換檔機(jī)構(gòu)的 布置初步確定。 影響變速器殼體軸向尺寸的因素有檔數(shù)、換檔機(jī)構(gòu)形式以及齒輪形式。 乘用車四檔變速器殼體的軸向尺寸為(3.0?3.4) A。 商用車變速器殼體的軸向尺寸可參考下列數(shù)據(jù)選用： 四檔—— (2.2?2.7)A 五檔—— (2.7?3.0)A 六檔—— (3.2?3.5)A 當(dāng)變速器選用的檔數(shù)和同步器時(shí)，上述中心距應(yīng)取給出范圍的上限。為了檢測方便， 中心距A最好為正數(shù)。 軸向尺寸處取 2.6 A = 2.6 x 81 = 211mm 3.4齒輪參數(shù) 3.4.1模數(shù) 齒輪模數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，并且影響它的選取因素又很多，如齒輪的強(qiáng)度、質(zhì)量、 噪聲、工藝要求等

36、。 應(yīng)該指出的，選取齒輪模數(shù)時(shí)一般遵守的原則是： 在變速器中心距相同的條件下，選取較小的模數(shù)，就可以增加齒輪的齒數(shù)，同時(shí)增 加齒寬可使齒輪嚙合的重合度增加，并減少齒輪噪聲，所以為了減少噪聲應(yīng)合理減小模 數(shù)，同時(shí)增加齒寬；為使質(zhì)量小些，應(yīng)該增加模數(shù)，同時(shí)減小齒寬；從工藝方面考慮， 各檔齒輪應(yīng)該選用一種模數(shù)，而從強(qiáng)度方面考慮，各檔齒輪應(yīng)有不同的模數(shù)；變速器 低檔齒輪應(yīng)選用大些的模數(shù)，其它檔位選用另一種模數(shù)。結(jié)合本設(shè)計(jì)的具體情況查文獻(xiàn) [2，3-3]可知：一檔齒輪初選m =2.75mm;其它檔位初選m^ = 2.5 mm。 3.4.2壓力角 齒輪壓力角較小時(shí)，重合度較大并降低了齒輪的剛度，為

37、此能減少進(jìn)入嚙合和退出 嚙合的動(dòng)載荷，使傳動(dòng)平穩(wěn)，有利于降低噪聲；壓力角大時(shí)，可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和 表面接觸強(qiáng)度。因此，理論上對于乘用車為加大重合度以降低噪聲應(yīng)取用14.5°、15°、 16° 16.5。等小些的壓力角；對商用車為提高齒輪承載能力應(yīng)選用22.5。或25°等大些 的壓力角。 實(shí)際上，因國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20。，所以變速器齒輪普遍采用壓力角為 20°。本設(shè)計(jì)從實(shí)際出發(fā)，為滿足各項(xiàng)技術(shù)要求和工藝性要求查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知：壓 力角a = 20°。 3.4.3螺旋角 斜齒輪在變速器中得到廣泛用。選取斜齒輪的螺旋角，因該注意它對齒輪工作噪聲、 輪齒的強(qiáng)度和軸向力有影響。

38、在齒輪選用大些的螺旋角時(shí)，使齒輪嚙合的重合度增加， 因而工作平穩(wěn)、噪聲降低。實(shí)驗(yàn)還證明：隨著螺旋角的增大，齒的強(qiáng)度也相應(yīng)提高。不 過當(dāng)螺旋角大于30°時(shí)，其抗彎強(qiáng)度驟然下降，而接觸強(qiáng)度仍繼續(xù)上升。因此，從提高 低檔齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，以15°?25。宜；結(jié)合本設(shè)計(jì)技術(shù)要求初選螺旋角&= 25°。 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)力要求使中間軸上 同時(shí)作用的兩對齒輪產(chǎn)生的軸向力平衡，以減小軸承負(fù)荷，提高軸承壽命。因此，中間 軸上不同檔位齒輪的螺旋角因該是不一樣的。為使工藝簡便，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。 根據(jù)圖3.1可知

39、，欲使中間軸上兩個(gè)斜齒輪的軸向力平衡，需滿足下述條件 F = F tan p F = F tan p 由于T = F r = F r，為使兩軸向力平衡，查文獻(xiàn)［2，3-3］可知必須滿足： 小1 n 2 （3.7） tan P r tan P r 式中，F(xiàn)、F為作用在中間軸齒輪1、2上的軸向力；F、F為作用在中間齒輪1、 △ 1 a 2 n1 n 2 2上的圓周力；r「r 2的節(jié)圓半徑；T為中間軸傳遞的轉(zhuǎn)矩。 斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用： 乘用車變速器： 兩軸式變速器為20°?25°； 中間軸式變速器為22° ~34°； 由公式3.7可得 tan P =削

40、P 2 x r2 1 r 1 tan P x r P = arctan 2——2 i _ tan25°x 96..6 109.17 =22.4218。 -?°x'i a" 3.4.4齒寬 在選擇齒寬時(shí)，應(yīng)該注意齒寬對變速器的軸向尺寸、質(zhì)量、齒輪工作平穩(wěn)、齒輪強(qiáng) 度和齒輪工作時(shí)的受力均勻程度等均有影響。 考慮到盡可能縮短變速器的軸向尺寸和減小質(zhì)量，應(yīng)該選用較小的齒寬。另一方面， 齒寬減小時(shí)斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)被削弱，此時(shí)雖然可以用增加齒輪螺旋角的方法給予 補(bǔ)償，但這時(shí)軸承承受的軸向力增大，使其壽命降低。 通常根據(jù)齒輪模數(shù)m(m )的大小來選定齒寬： n 直齒b =

41、k m，k為齒寬系數(shù)，取為4.5?8.0，k =6.0 C c c b = 6.5 x 2.75 = 18mm 斜齒 b = k m，k 取為 6.0?8.5，k =8.0 cn c c b = 8.0 x 2.5 = 20 mm 3.5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 來分配各檔齒輪的齒數(shù)。應(yīng)該注意的是，各檔齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使 齒面磨損均勻。圖3.2為本設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)簡圖。 圖3.2四檔變速器傳動(dòng)方案簡圖 3.5.1確定一檔齒輪的齒數(shù) 一檔傳動(dòng)比，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知： ii =工

42、 （3.8） 七Z 8 如果z和z的齒數(shù)確定了，則z與z的傳動(dòng)比可求出.為了求z和z的齒數(shù)，先 7 8 2 2A 求其齒數(shù)合zh，查文獻(xiàn)［2，3-3］可知： （3.9） 2Acosp 直齒 斜齒 n ~ 計(jì)算后取z為整數(shù)，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 h 數(shù)盡可能取少些，以便使z /z的傳動(dòng)比大些，在i 一定的條件下，z /z的傳動(dòng)比可分 7 8 1 2 1 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)置第二軸的前軸承保證輪輻 有足夠的厚度?？紤]到殼體上的第一軸軸承孔的限制和裝配的可能性，該齒輪齒數(shù)又不 易取多。乘用車中間軸式變速器一

43、檔傳動(dòng)比〈=3.5?3.8時(shí)，中間軸上一檔齒數(shù)可在 z =15?17之間選取，貨車可在12~17之間選用。一檔大齒輪齒數(shù)用z = z - z計(jì)算求 8 7 h 8 得。 由公式（3.9）得： 2 A z = 一 h m _ 2 x 81 =2.75 =59 初選 z =17，則 z = z - z =59-17=42 8 7 h 8 對中心距進(jìn)行修正： A = 空 2 59 x 2.75 2 =81.125mm 由公式（3.9）求出常嚙合傳動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比 z z = l —8- z1 1 z 7 (3.10) 而常嚙合傳動(dòng)齒輪的中心距與一檔

44、齒輪的中心距相等，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知: A = % (Z1 +Z 2) 2cos p （3.11） 解方程式（3.10）和式（3.11）求z與z，z、z都應(yīng)取整數(shù)；然后計(jì)算一檔傳動(dòng)比， 12 12 最后根據(jù)所確定的輪齒數(shù)，按式（3.11）算出精確的螺旋角。 聯(lián)立公式（3.10）和公式（3.11）得： 紜=l& z 1 z < 1 7 A =氣(七 +4 2) 2cos p 解方程組 z 17 土 = 3.825 x — z 42 1 1 81 =方 ￡ +z 2) I 2cos25 z -2 = 1.548 1 z 1 z + z = 56

45、 v 1 2 解得:A 34 v 2 由公式（3.11 ）算出精確的螺旋角： m (z^ + z、) 2 cos p p = arccos 2.5 x 56 =arccos 3.5.3確定其它各檔的齒數(shù) = 29.36。 =29°2! 36〃 二檔齒輪是斜齒輪，螺旋角P6與常嚙合齒輪的&2不同時(shí)，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知: （3.12） A —?dú)?z5 +

46、z6) 2cos p 6 （3.13） 初選p 6 — 20。，由公式（3.12）和公式（3.13）得: . z —5 — I —1 z 2 z < 6 2 m (z + z ) A — —n__5——6- 2 cos p 6 解方程組 勺—2.73222 z 34 4 6 81 -方z5 +'6) I 2cos20。 解得: 紡—1.7678 < z 6 z + z — 61 5 6 z — 39 z6 - 22 此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知，還必須滿足下列 關(guān)系式: tan P 2 tan P

47、6 z (1 + 土) z1 + z 2 z 6 （3.14） 由公式（3.14）得: tan P tan 29.36° A — tan P tan 20° =1.546 z 2—— Z] + z 2 z、 34 39、 (1 + T)= — (1 + ——) z 56 22 =1.583 由于相差不大，滿足設(shè)計(jì)要求， 所以不需要調(diào)整。 三檔齒輪

48、是斜齒輪，螺旋角七與常嚙合齒輪的P2不同時(shí)，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知: zz —3 — I 1 z 4 3 z 2 （3.15） A—m( z 5 + z6) 2cos p 6 （3.16） 查文獻(xiàn)［2，3-3］可知：p 4= 26。，由公式（3.15）和式（3.16）得: ' —土 z 3 z < 4 2 m (z + z ) A — ―n__3——4- 2 cos p 4 解方程組 z 1 cn_ 22 ——1.397 — z 34 < 4 81 -頊'3 *「 I 2cos26。 勺=0.9039 < z 4 z + z = 61 3

49、4 z — 29 / - 32 4 此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知，還必須滿足下列 解得： 關(guān)系式: tan p 2 tan p 4 z 2— z1 + z 2 （3.17） 由公式（3.17）得: tan p tan 29.36。 2 — tan p tan 26° z □ J Z] + z 2 =1.153 ,1 z、 34 29、 (1 + T)=——(1 + ——) z 56 32 =1.157 由于相差不大，滿足設(shè)計(jì)要求，所以不需要調(diào)整。 3.5.4確定倒檔齒輪齒數(shù) 倒檔齒

50、輪選用的模數(shù)往往與一檔相近。圖3.7所示倒檔齒輪z10的齒數(shù)，一般在21?28 之間，初選z10=26,計(jì)算出中間軸與倒檔軸的中心距人'，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知: (3.18) A'= 2 m( z 8 + [的) 由公式（3.18）得: A、= 2 m( z 8 + zp =2 x 2.75 x (17 + 26) =59 mm 為保證倒檔齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，齒輪8和9的齒頂圓之間保持有0.5mm 以上的間隙，查文獻(xiàn)［2, 3-3］可知 齒輪9的齒頂圓直徑D 9應(yīng)為: D D ——e8 + 0.5 + ——e9 = A (3.19) 2 2 D 9

51、 = 2A、-D8 -1 齒輪8的齒頂圓直徑D e8 =z 8 m =17X2.75 =46.75mm h = (f0 +Q )m = (1.0 + 0)2.75 = 2.75mm D 8 = d8 + 2h = 46.75 + 2 x 2.75 = 52.25 mm 由公式(3.19)得 D 9 = 2A、-D 8 -1 =2X59.125-52.25-1 =65mm 由D 9 = d9 + 2h可得: d9 = D - 2h = 65 - 2 x 2.75 = 59.5 mm d 竺=22.6 2.75 齒輪圓整至z9 = 23 變速器倒檔傳動(dòng)比:

52、 計(jì)算倒檔軸與第二軸的中心距A〃查文獻(xiàn)［2, 34 26 42 =4.316 22 17 23 3-3 ］可知：， A〃 = \ z 2 7 =2 x 2.75 x (42 + 23) + z 9) (3.20) =89mm 確定各檔齒數(shù)后重新計(jì)算各檔傳動(dòng)比 一檔 z —2 z 1 z T z 8 3 = 3.818 22 x 17 二檔 z q z 1 Z —5 z 6 嘗=2.740 22 x 22 三檔 z T z 1 z T z 4 34 x 30 1 =1.496 22 x 31 四檔

53、 =1.00 倒檔 z 2 z10 z1 z 8 ￡ =業(yè)萸竺=4.316 z9 22 17 23 4變速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 變速器齒輪的損壞形式主要有：輪齒折斷、齒面疲勞剝落（點(diǎn)蝕）、移動(dòng)換檔齒輪 端部破壞以及齒面膠合。變速器在工作時(shí)，齒輪受到較大的沖擊載荷作用；一對齒輪相 互嚙合，齒面相互擠壓造成齒面點(diǎn)蝕；換檔瞬間在齒輪端部產(chǎn)生沖擊載荷。所以需要 對齒輪進(jìn)行計(jì)算和校荷。 4.1輪齒設(shè)計(jì)計(jì)算 與其它機(jī)械設(shè)備用變速器比較，不同用途汽車的變速器齒輪使用條件仍是相似的。 此外，汽車變速器齒輪用的材料、熱處理方法、加工方法、精度級別、支承方式也基本 一致。如汽車變速器齒輪用低碳合金鋼制

54、作，采用剃齒或磨齒精加工，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。 4.1.1齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算 （1）一檔直齒輪彎曲應(yīng)力?！保槲墨I(xiàn)［2, 3-4］可知： q = F "。* f （4.1） w bty 式中： q 一彎曲應(yīng)力（MPa）； F 一圓周力（N），F(xiàn) =—； T為計(jì)算載荷（N ? mm）； d為節(jié)圓直徑（mm）； t 1 d g Kq 一應(yīng)力集中系數(shù)，氣=1.65； 七一摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪Kf=1.1，從動(dòng)齒輪Kf=0.9； b 一齒寬（mm）

55、； t 一端面齒距，t =兀-m ； Y 一齒形系數(shù)，Y =0.46 因?yàn)辇X輪節(jié)圓直徑d = mz，式中z為齒數(shù)，所以將上述有關(guān)參數(shù)帶入式（4.1）后得 2T K K (4.2) 當(dāng)計(jì)算載荷Tg取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)距Temax時(shí)，一、倒檔直齒輪許用 彎曲應(yīng)力在400?800MPa,查文獻(xiàn)［2，3-4］可知，［b ］=600 MPa。 由公式（4.2）得: 2T K K w 兀.m 3 zK y c _2x 196x 103 x 1.65x0.9 =兀 x 2.753 x 43 x 2 x 0.46 =225.33MPa<[b ] 滿足設(shè)計(jì)要求。 （2）二

56、檔斜齒輪彎曲應(yīng)力b^，查文獻(xiàn)［2, 3-4］可知: ° = FK w btyK g (4.3) b 一彎曲應(yīng)力（MPa）； 一 -, 2T F 一圓周力(N), F] =-d 為計(jì)算載荷（N ? mm）； d為節(jié)圓直徑（mm）； d = m -z/cos p ； P —斜齒輪螺旋角（° ），P =20°； K ° —應(yīng)力集中系數(shù)， 氣=1.50； b 一齒寬（mm）； t —法向齒距，t =兀-m ； y 一齒形系數(shù)，y =0.47 K g —重合度影響系數(shù)，氣=2.0。 將上述有關(guān)參數(shù)帶入公式（4.3），整理后得到斜齒輪彎曲應(yīng)力為： 2T cospK （44

57、） w 丸.z - m 3yK 當(dāng)計(jì)算載荷Tg取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)距Temax時(shí)，斜齒輪許用彎曲應(yīng)力 在 180?350MPa,查文獻(xiàn)[2，3-4]可知，[b ]=320 MPa。 由公式(4.4)得： 2T cos ^K w 兀? z - m 3yK _ 2 x 196 x 103 x cos 20° x 1.50 _-兀 x40x2.5

58、3 x0.47x2.0 =299.62MPa<[b ] 滿足設(shè)計(jì)要求。 4.1.2輪齒接觸應(yīng)力 （4.5） 式中： 七一輪齒的接觸應(yīng)力（MPa）； F —齒面上的法向力（N），F(xiàn) = Fj（cosa cos p）；七為圓周力; P 一斜齒輪螺旋角（° ）； b —齒輪接觸的實(shí)際寬度（mm）； P —主動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm） P b —從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm） E 一齒輪材料的彈性模量（MPa）, E = 2.1 x 105MPa 直齒輪p = r sin a， 斜齒輪 p . = (r sin a)' cos2 p ； 直齒輪P = r sin a，

59、 斜齒輪 p = (r sin a), cos 2 p ； 將作用在變速器第一軸上的載荷tmaj2作為計(jì)算載荷時(shí)，變速器齒輪的許用接觸 應(yīng)力b查文獻(xiàn)［2，3-4］可知，見表4.1 j 表4.1變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力c j(MPa) 齒 輪 滲碳齒輪 液體碳氮共滲齒 一檔和倒檔齒輪 輪 1900~2000 輪 950?1000 常嚙合齒輪和高檔齒輪 1300~1400 650?700 計(jì)算二軸一檔直齒輪接觸應(yīng)力。J 廠 2T 2 x 0.5 x 196 x 103 八丁 F] =~d^ = ng 25 = 1657.5N F = -F1- = 16

60、57.5 = 1763.87N cos a cos 20° p = r sin a = 24.75 x sin 20° = 8.465 mm p = r sin a = 59.125 x sin 20° = 20.223 mm 由公式(4.5)得： c = 0.418J僖(—+』' j \ b "p p ^) =0.418 **竺」x-^] ]i 18 "8.465 20.223) =145.73 MPa<[c j ] 滿足設(shè)計(jì)要求。 本設(shè)計(jì)變速器齒輪材料采用20CrMnTi，并進(jìn)行滲碳處理，大大提高齒輪的耐磨性 及抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力。 4.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 變速器

61、在工作時(shí)，由于齒輪上的圓周力、徑向力和軸向力作用，變速器的軸要受轉(zhuǎn) 矩和彎矩。要求變速器的軸應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度。因?yàn)閯偠炔蛔銜?huì)產(chǎn)生彎曲變形，結(jié) 果破壞了齒輪的正確嚙合，對齒輪的強(qiáng)度、耐磨性和工作噪聲等均有不利影響。因此， 在設(shè)計(jì)變速器時(shí)，其剛度大小應(yīng)以保證齒輪能有正確的嚙合為前提條件。 （1） 初選軸的直徑 在已知中間軸式變速器的中心距A時(shí)，第二軸和中間軸中部直徑d = 0.45A，三軸 式變速器的第二軸與中間軸的最大直徑d可根據(jù)中心距A按下式初選。 d " （0.45 ?0.60）A （mm） 初選二軸中部直徑 d = 0.45 x 81.125 = 36.506mm，圓整至 d

62、= 39mm。 （2） 按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算 計(jì)算二軸一檔齒輪嚙合的圓周力F、徑向力F和軸向力F。查文獻(xiàn)［2, 3-4］可知： t r a F =- e max （4.6） t d （4.7） （4.8） F 2T - i - tan a r d -cos P F 2T - i - tan p a d 式中：i一至計(jì)算齒輪的傳動(dòng)比； d 一計(jì)算齒輪的節(jié)圓直徑，mm； a 一節(jié)點(diǎn)處壓力角； P 一螺旋角。 圖4.1二軸結(jié)構(gòu)簡圖 因?yàn)槎S一檔齒輪是直齒輪，所以P=0，軸向力七=0。 圖4.1為變速器二軸結(jié)構(gòu)簡圖 a) b) 圖4.2軸的載荷分析圖

63、 如圖4.2所示，I截面為危險(xiǎn)截面 由公式（4.6）計(jì)算二軸一檔齒輪所受圓周力Ft為： d = mz = 2.75 x 42 = 115.5 mm F = 土二 t 2 x 196 x 103 x 3.818 115.5 由公式（4.7） =12958.06 N 計(jì)算二軸一檔齒輪所受徑向力二為： F 2 - i - tan a r d -cos P _2x 196x 103 xtan

64、20o = 115.5 x 1 =1235.3 N 垂直力計(jì)算: F x L + F x (L + L ) = 0 r 2 NV1 1 2 1235.3x 28 + Fnv】x (168 + 28) = 0 廠 1235.3 x 28 F = NV1 168 + 28 = 176.47N Fnv2 = F - Fnv1 = 1235.3 -176.47 = 1058.83N 水平力計(jì)算: F x L + F x (L + L ) = 0 a 2 NH1 1 2 12958.06x 28 + F”】x (168 + 28

65、) = 0 「 12958.06 x 28 F = NH 1 168 + 28 =1851.15N .?. Fnh2 = F - Fnh1 = 12958.06 -1851.15 = 11106.91N 彎矩計(jì)算: Mv = Fnv 1 x % = 176.47 x 168 = 29646.96 N ? mm Mh = Fnh 1 x L] = 1851.15 x 168 = 311052 N ? mm 計(jì)算轉(zhuǎn)矩：t =T = 196x 103 x3.818 = 748328 N - mm 作用在齒輪上的0和［使軸在鉛垂面內(nèi)彎曲變形并產(chǎn)生垂向撓度fc ;

66、而1使軸在 水平面內(nèi)彎曲變形并產(chǎn)生水平撓度f。在求得各支點(diǎn)的鉛垂反力和水平反力后，計(jì)算相 應(yīng)的垂向彎矩肱。和水平彎矩M、則在彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用下的軸向應(yīng)力為： b= ^ = 32M d］ （MPa） （4.8） W Kd 3 w 式中：M =雙2 + M2 + T2 T .一計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N ? mm; d 一軸在計(jì)算斷面處的直徑，花鍵處取內(nèi)徑，mm； Ww 一彎曲截面系數(shù)，mm3； M,一在計(jì)算斷面處軸的水平彎矩，N?mm； M 一在計(jì)算斷面出軸的垂向彎矩，N ? mm； k ］一許用應(yīng)力，在低檔工作時(shí)查文獻(xiàn)［2，3-4］可知t］= 400MPa. M = \；M2 + M2 + T2 =\'29646.962 + 3110522 + 7483282 = 810942.1N ? mm 由公式（4.8）得: M 32 M b = = W nd 3 w _ 32 x 810942.1 n x 393 =139.32 MPa. < "］ 對齒輪工作影響最大的是軸的垂向撓度f和軸斷面在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。前者改變 c 了齒輪中心距并破壞了其正確嚙合；后者使大