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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
汽車變速器是汽車總成部件中的重要組成部分，是主要的傳動(dòng)系統(tǒng)。變速器的結(jié)構(gòu)對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)的平穩(wěn)性與效率等都有直接影響。
本次設(shè)計(jì)主要是依據(jù)五菱LZW1010P的有關(guān)參數(shù)，通過變速器各部分參數(shù)的選擇和計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種基本符合要求的手動(dòng)變速器。研究的基本內(nèi)容為：變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案，變速器各擋傳動(dòng)比的分配，變速器齒輪參數(shù)選擇，變速器各擋齒輪齒數(shù)分配，變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算，變速器軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算，同步器和操縱機(jī)構(gòu)及箱體的設(shè)計(jì)，利用Auto CAD軟件繪制裝配圖和零件圖等八項(xiàng)內(nèi)容。在設(shè)計(jì)過程中主要需解決的問題有：變速器各參數(shù)的確定，變速器齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核，變速器軸的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核和軸承的校核計(jì)算，同步器和操縱機(jī)構(gòu)及箱體的設(shè)計(jì)以及繪制裝配圖及零件圖五大主要問題。
關(guān)鍵詞：變速器；傳動(dòng)比；參數(shù)；設(shè)計(jì)計(jì)算；校核
ABSTRACT
Automotive transmission parts in the automobile assembly of an important part of the main drive system. Transmission of the power structure of the vehicle, economy, manipulation of the reliability and portability, the smooth drive and have a direct impact on efficiency.
The design is mainly based on the relevant parameters Wuling LZW1010P through the transmission parameters of the various parts of the selection and terms designed to meet the requirements of a basic manual transmission. Research on the basic content for: transmission transmission layout program block transmission of the transmission ratio of the distribution, transmission gear selection parameters, transmission gear unit of the block distribution, design and calculation of transmission gear, transmission shaft and bearing design, the synchronization and manipulation of body and tank design, the use of Auto CAD software draw assembly drawings and parts of eight elements, such as Fig. During the design process, the main issues to be addressed are: the determination of parameters of transmission, gear transmission design, calculation and checking, transmission shaft of the design, calculation and check calculation and design of bearings, synchronization and manipulation of bodies and body the design and assembly drawings and parts mapping the top five major problems Fig.
Key words: Transmission；Transmission Ratio；Parameters；Design and Calculation；Checking
I
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 汽車變速器概述 1
1.2汽車變速器設(shè)計(jì)的目的和意義 1
1.3 汽車變速器國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2
1.3.1 變速器國內(nèi)外的現(xiàn)狀 2
1.3.2 汽車變速器的發(fā)展趨勢 3
1.4 手動(dòng)變速器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 3
1.4.1 手動(dòng)變速器的特點(diǎn) 3
1.4.2 手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)要求 4
1.4.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4
第2章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案確定 6
2.1設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要技術(shù)參數(shù) 6
2.2 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和形式選擇 6
2.2.1兩軸式變速器的特點(diǎn)分析 7
2.2.2 中間軸式變速器特點(diǎn)分析 7
2.2.3 倒擋布置方案分析 8
2.2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置的其他問題 9
2.3 零部件結(jié)構(gòu)方案分析 10
2.3.1 齒輪形式 10
2.3.2 換擋機(jī)構(gòu)形式 10
2.3.3 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu) 11
2.3.4 變速器軸承 11
2.4 本設(shè)計(jì)所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 11
2.5 本章小結(jié) 12
第3章 變速器主要參數(shù)的選擇和齒數(shù)分配 13
3.1 變速器各擋傳動(dòng)比的確定 13
3.1.1 變速器最低擋傳動(dòng)比的確定 13
3.1.2 變速器其他各擋傳動(dòng)比的確定 14
3.2中心距的確定 14
3.3變速器外形尺寸的初選 15
3.4 變速器齒輪參數(shù)的選擇 15
3.4.1模數(shù) 15
3.4.2 齒形、壓力角及螺旋角 16
3.4.3 齒寬 16
3.4.4 齒頂高系數(shù) 17
3.5 變速器各擋齒輪齒數(shù)的分配 17
3.5.1 確定一擋齒輪的 齒數(shù) 17
3.5.2 對中心距進(jìn)行修正 18
3.5.3 確定常嚙合齒輪的齒數(shù) 19
3.5.4 確定其他各擋齒輪的齒數(shù) 20
3.6 本章小結(jié) 23
第4章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
4.1變速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算 24
4.2 計(jì)算變速器各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速 24
4.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算和材料選擇 25
4.3.1 齒輪損壞的原因和形式 25
4.3.2 齒輪的材料選擇 26
4.3.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 27
4.4 本章小結(jié) 38
第5章 變速器軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 39
5.1初選變速器軸的軸徑和軸長 39
5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 40
5.3 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算 40
5.3.1齒輪和軸上的受力計(jì)算 40
5.3.2 軸的強(qiáng)度計(jì)算 41
5.3.3 軸的剛度計(jì)算 46
5.4變速器軸承的選擇和校核 49
5.4.1 第一軸軸承的選擇和校核 49
5.4.2 第二軸軸承的選擇和校核 50
5.4.3 中間軸軸承的選擇和校核 51
5.5 本章小結(jié) 52
第6章 同步器和操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用 53
6.1 同步器的設(shè)計(jì)選用 53
6.1.1 鎖環(huán)式同步器 53
6.1.2 鎖銷式同步器 54
6.1.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 55
6.1.4 同步器主要參數(shù)的確定 56
6.2 變速器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用 58
6.2.1 變速器操縱機(jī)構(gòu)的分類 58
6.2.2 變速器常用操縱機(jī)構(gòu)分析 59
6.3 變速器箱體的設(shè)計(jì) 60
6.4 本章小結(jié) 61
結(jié)論 62
參考文獻(xiàn) 63
致謝 64
附錄 65
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
汽車變速器是汽車總成部件中的重要組成部分，是主要的傳動(dòng)系統(tǒng)。變速器的結(jié)構(gòu)對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)的平穩(wěn)性與效率等都有直接影響。
本次設(shè)計(jì)主要是依據(jù)五菱LZW1010P的有關(guān)參數(shù)，通過變速器各部分參數(shù)的選擇和計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種基本符合要求的手動(dòng)變速器。研究的基本內(nèi)容為：變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案，變速器各擋傳動(dòng)比的分配，變速器齒輪參數(shù)選擇，變速器各擋齒輪齒數(shù)分配，變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算，變速器軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算，同步器和操縱機(jī)構(gòu)及箱體的設(shè)計(jì)，利用Auto CAD軟件繪制裝配圖和零件圖等八項(xiàng)內(nèi)容。在設(shè)計(jì)過程中主要需解決的問題有：變速器各參數(shù)的確定，變速器齒輪的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核，變速器軸的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核和軸承的校核計(jì)算，同步器和操縱機(jī)構(gòu)及箱體的設(shè)計(jì)以及繪制裝配圖及零件圖五大主要問題。
關(guān)鍵詞：變速器；傳動(dòng)比；參數(shù)；設(shè)計(jì)計(jì)算；校核
ABSTRACT
Automotive transmission parts in the automobile assembly of an important part of the main drive system. Transmission of the power structure of the vehicle, economy, manipulation of the reliability and portability, the smooth drive and have a direct impact on efficiency.
The design is mainly based on the relevant parameters Wuling LZW1010P through the transmission parameters of the various parts of the selection and terms designed to meet the requirements of a basic manual transmission. Research on the basic content for: transmission transmission layout program block transmission of the transmission ratio of the distribution, transmission gear selection parameters, transmission gear unit of the block distribution, design and calculation of transmission gear, transmission shaft and bearing design, the synchronization and manipulation of body and tank design, the use of Auto CAD software draw assembly drawings and parts of eight elements, such as Fig. During the design process, the main issues to be addressed are: the determination of parameters of transmission, gear transmission design, calculation and checking, transmission shaft of the design, calculation and check calculation and design of bearings, synchronization and manipulation of bodies and body the design and assembly drawings and parts mapping the top five major problems Fig.
Key words: Transmission；Transmission Ratio；Parameters；Design and Calculation；Checking
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 汽車變速器概述 1
1.2汽車變速器設(shè)計(jì)的目的和意義 1
1.3 汽車變速器國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2
1.3.1 變速器國內(nèi)外的現(xiàn)狀 2
1.3.2 汽車變速器的發(fā)展趨勢 3
1.4 手動(dòng)變速器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容 3
1.4.1 手動(dòng)變速器的特點(diǎn) 3
1.4.2 手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)要求 4
1.4.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4
第2章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案確定 6
2.1設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要技術(shù)參數(shù) 6
2.2 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和形式選擇 6
2.2.1兩軸式變速器的特點(diǎn)分析 7
2.2.2 中間軸式變速器特點(diǎn)分析 7
2.2.3 倒擋布置方案分析 8
2.2.4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置的其他問題 9
2.3 零部件結(jié)構(gòu)方案分析 10
2.3.1 齒輪形式 10
2.3.2 換擋機(jī)構(gòu)形式 10
2.3.3 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu) 11
2.3.4 變速器軸承 11
2.4 本設(shè)計(jì)所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案 11
2.5 本章小結(jié) 12
第3章 變速器主要參數(shù)的選擇和齒數(shù)分配 13
3.1 變速器各擋傳動(dòng)比的確定 13
3.1.1 變速器最低擋傳動(dòng)比的確定 13
3.1.2 變速器其他各擋傳動(dòng)比的確定 14
3.2中心距的確定 14
3.3變速器外形尺寸的初選 15
3.4 變速器齒輪參數(shù)的選擇 15
3.4.1模數(shù) 15
3.4.2 齒形、壓力角及螺旋角 16
3.4.3 齒寬 16
3.4.4 齒頂高系數(shù) 17
3.5 變速器各擋齒輪齒數(shù)的分配 17
3.5.1 確定一擋齒輪的 齒數(shù) 17
3.5.2 對中心距進(jìn)行修正 18
3.5.3 確定常嚙合齒輪的齒數(shù) 19
3.5.4 確定其他各擋齒輪的齒數(shù) 20
3.6 本章小結(jié) 23
第4章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
4.1變速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算 24
4.2 計(jì)算變速器各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速 24
4.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算和材料選擇 25
4.3.1 齒輪損壞的原因和形式 25
4.3.2 齒輪的材料選擇 26
4.3.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算 27
4.4 本章小結(jié) 38
第5章 變速器軸和軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 39
5.1初選變速器軸的軸徑和軸長 39
5.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 40
5.3 變速器軸的強(qiáng)度計(jì)算 40
5.3.1齒輪和軸上的受力計(jì)算 40
5.3.2 軸的強(qiáng)度計(jì)算 41
5.3.3 軸的剛度計(jì)算 46
5.4變速器軸承的選擇和校核 49
5.4.1 第一軸軸承的選擇和校核 49
5.4.2 第二軸軸承的選擇和校核 50
5.4.3 中間軸軸承的選擇和校核 51
5.5 本章小結(jié) 52
第6章 同步器和操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用 53
6.1 同步器的設(shè)計(jì)選用 53
6.1.1 鎖環(huán)式同步器 53
6.1.2 鎖銷式同步器 54
6.1.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 55
6.1.4 同步器主要參數(shù)的確定 56
6.2 變速器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用 58
6.2.1 變速器操縱機(jī)構(gòu)的分類 58
6.2.2 變速器常用操縱機(jī)構(gòu)分析 59
6.3 變速器箱體的設(shè)計(jì) 60
6.4 本章小結(jié) 61
結(jié)論 62
參考文獻(xiàn) 63
致謝 64
附錄 65
第1章 緒 論
1.1 汽車變速器概述
變速器用于轉(zhuǎn)變發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)汽車在起步、加速、行駛以及克服各種道路障礙等不同行駛條件下，對驅(qū)動(dòng)車輪牽引力及車速不同要求的需要。用變速器轉(zhuǎn)變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的必要性在于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速變化特性的特點(diǎn)是具有相對小的對外部載荷改變的適應(yīng)性[1]。
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內(nèi)燃機(jī)的最低穩(wěn)定車速是難以達(dá)到的。變速器的倒擋使汽車能倒退行駛；其空擋使汽車在啟動(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)和傳動(dòng)系分離。
變速器按其傳動(dòng)比的改變方式可分為有級、無級和綜合式的。有級變速器按其前進(jìn)擋的擋位數(shù)分為三、四、五擋和多擋的；而按其軸中心線的位置又可分為固定軸線式、旋轉(zhuǎn)軸線式和綜合式的。固定軸式變速器又分為兩軸式、三軸式和多軸式的。變速器按其操縱方式又可分為自動(dòng)式、半自動(dòng)式、預(yù)選式、指令式、直接操縱式和遠(yuǎn)距離操縱式[2]。
變速器的結(jié)構(gòu)對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)的平穩(wěn)性與效率等都有直接影響。變速器與主減速器及發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)做優(yōu)化匹配，可得到良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性；采用自鎖及互鎖裝置，倒擋安全裝置，對接合齒采取倒錐齒側(cè)措施以及其他結(jié)構(gòu)措施，可使操縱可靠，不跳擋、亂擋、自動(dòng)脫擋和誤掛倒擋；采用同步器可使換擋輕便，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、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)換擋機(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、二軸軸承等。
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。殼底放油塞多放置磁鐵以吸附油內(nèi)鐵屑。
1.2汽車變速器設(shè)計(jì)的目的和意義
現(xiàn)代汽車上廣泛采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍很小，而復(fù)雜的使用條件要求汽車的驅(qū)動(dòng)力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。為解決這一矛盾，在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置了變速器，用來改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，如起步、加速、上坡等，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍下工作；在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車能倒退行駛；利用空擋，中斷動(dòng)力傳遞，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)、怠速，并便于變速器換擋或進(jìn)行動(dòng)力輸出。變速器設(shè)計(jì)的目的就是為了滿足上述的要求，使汽車在特定的工況下穩(wěn)定的工作。
變速器除了要能滿足一定的使用要求外，還要保證使其和汽車能有很好的匹配性，可以提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的工況范圍內(nèi)工作提高汽車的使用壽命、降低能源消耗、減少汽車的使用噪聲等。這就要求設(shè)計(jì)人員依據(jù)汽車的技術(shù)參數(shù)，合理的選擇變速器的參數(shù)，使所設(shè)計(jì)的變速器能和整車具有很好的匹配性。
1.3 汽車變速器國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.3.1 變速器國內(nèi)外的現(xiàn)狀
早期的汽車傳動(dòng)系，從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪之間的動(dòng)力傳動(dòng)形式是很簡單的。1892年法國制造出第一輛帶有變速器的汽車。1921年英國人赫伯特·福魯特采用耐用的摩擦材料進(jìn)一步完善了變速器的性能?，F(xiàn)代汽車變速器是1894年由法國人路易斯·雷納·本哈特和艾米爾·拉瓦索爾推廣使用的。目前為止，變速器經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，主要為：
1、手動(dòng)變速器
手動(dòng)變速器主要采用齒輪傳動(dòng)的降速原理。變速器內(nèi)有多組傳動(dòng)比不同的齒輪副，而汽車行駛時(shí)的換擋工作，也就是通過操縱機(jī)構(gòu)使變速器內(nèi)的不同的齒輪副工作。手動(dòng)變速器又稱手動(dòng)齒輪式變速器，含有可以在軸向滑動(dòng)的齒輪，通過不同齒輪的嚙合達(dá)到變速變矩的目的[3]。手動(dòng)變速器的換擋操作可以完全遵從駕駛者的意志，且結(jié)構(gòu)簡單、故障率相對較低、價(jià)廉物美。
2、自動(dòng)變速器
自動(dòng)變速器是根據(jù)車速和負(fù)荷（油門踏板的行程）來進(jìn)行雙參數(shù)控制，擋位根據(jù)上面的兩個(gè)參數(shù)來自動(dòng)升降。自動(dòng)變速器與手動(dòng)變速器的共同點(diǎn)，就是二者都屬于有級式變速器，只不過自動(dòng)變速器可以根據(jù)車速的快慢來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)換擋，可以消除手動(dòng)變速器“頓挫”的換擋感覺。
自動(dòng)變速器是由液力變矩器、行星齒輪和液壓操縱機(jī)構(gòu)組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達(dá)到變速變矩的目的。
3、無級變速器
無級變速器又稱為連續(xù)變速式無級變速器。這種變速器與一般齒輪式自動(dòng)變速器的最大區(qū)別，是它省去了復(fù)雜而又笨重的齒輪組合變速傳動(dòng)，而只用了兩組帶輪進(jìn)行變速傳動(dòng)。無級變速器結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)變速器簡單，體積更小，它既沒有手動(dòng)變速器的眾多齒輪副，也沒有自動(dòng)變速器復(fù)雜的行星齒輪組，主要靠主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和傳動(dòng)帶來實(shí)現(xiàn)速比的無級變化[4]。
4、無限變速式機(jī)械無級變速器（IVT）
無限變速式機(jī)械無級變速器與其它自動(dòng)變速器的差別之一是不使用變矩器。變矩器的作用是通過油液介質(zhì)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞給變速器，它的傳遞效率通常只有80%。IVT由于不使用變矩器，與其它變矩器比較，IVT具有效率高、不易打滑、油耗低、不需要工藝復(fù)雜造價(jià)高昂的金屬傳送帶、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，加上傳遞扭矩大，長時(shí)間使用也不會(huì)過度發(fā)熱，不但使用于轎車，也使用于越野車，是一種新型變速器。
1.3.2 汽車變速器的發(fā)展趨勢
回顧汽車變速器的發(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)水平的一個(gè)重要依據(jù)?，F(xiàn)代汽車變速器的發(fā)展趨勢，是向著可調(diào)自動(dòng)變速器或無級變速器的方向發(fā)展。
自動(dòng)變速器多擋化雖能擴(kuò)大自動(dòng)變速的范圍，但它并非安全迅速。理想的無級變速器是在整個(gè)傳動(dòng)范圍內(nèi)能連續(xù)的、無擋比的切換變速比，是變速器始終按最佳換擋規(guī)律自動(dòng)變速。無級化是對自動(dòng)變速器的理想追求。
現(xiàn)代無級變速器傳動(dòng)效率提高，變速反應(yīng)快、油耗低。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，變速器的自動(dòng)控制進(jìn)一步完善，在各種使用工況下能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的最佳匹配，控制更加精確、有效，性能價(jià)格比大大提高。無級變速器裝有自動(dòng)控制裝置，行車中可以根據(jù)車速自動(dòng)調(diào)整擋位，無需人工操作，省去了換擋及踩踏離合器踏板的操作。其不足之處在于價(jià)格昂貴、維修費(fèi)用很高，而且使用起來比手動(dòng)擋車費(fèi)油，尤其是低速行駛或堵車中走走停停時(shí)，更會(huì)增大油耗[5]。
當(dāng)今世界各大汽車公司對無級變速器的研究都十分活躍。不久的將來，隨著電子控制技術(shù)的進(jìn)一步完善，電子控制式的無級變速器可望得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。
1.4 手動(dòng)變速器的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容
1.4.1 手動(dòng)變速器的特點(diǎn)
手動(dòng)變速器的擋數(shù)通常在6擋以下，當(dāng)擋數(shù)超過6擋時(shí)，可以在6擋以下的主變速器的基礎(chǔ)上，再行配置副變速器，通過兩者的組合獲得多擋變速器。
近年來，為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢。目前，乘用車一般采用4-5個(gè)擋位的變速器。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車多用5個(gè)擋。商用車變速器采用4-5個(gè)擋或多擋。載質(zhì)量在2.0-3.5t的貨車采用五擋變速器，載質(zhì)量在4.0-8.0t的貨車采用六擋變速器。多擋變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車和越野車上[6]。
某些汽車的變速器，設(shè)置有用在良好的路面上輕載或空車駕駛的場合的超速擋，超速擋的傳動(dòng)比小于1。采用超速擋，可以提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。但是如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率不高，則超速擋使用頻率很低，節(jié)油效果不顯著，甚至影響汽車的動(dòng)力性。
從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置上來說，目前，兩軸式和三軸式變速器都得到了廣泛的應(yīng)用。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)的汽車上。三軸式變速器的第一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各擋齒輪分別與中間軸的相應(yīng)齒輪相嚙合，且第一、第二軸同心。將第一、第二軸直接連接起來傳遞轉(zhuǎn)矩則稱為直接擋。此時(shí)，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、第二軸也僅傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接擋的傳動(dòng)效率高，磨損及噪聲也最小，因?yàn)橹苯訐醯睦寐室哂谄渌鼡跷?，因此提高了變速器的使用壽命；在其它前進(jìn)擋位工作時(shí)，變速器傳遞的動(dòng)力需要經(jīng)過設(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和第二軸之間的距離（中心距）不大的情況下，一擋仍有較大的傳動(dòng)比；擋位高的齒輪采用長嚙合齒輪傳動(dòng)，擋位低的齒輪可以采用或不采用長嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案中除一擋以外的其它擋位的換擋機(jī)構(gòu)，均采用同步器或嚙合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一擋也用同步器或嚙合套換擋，還有各擋同步器或嚙合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。
手動(dòng)變速器的發(fā)展趨勢是增多常嚙合齒輪副的數(shù)目，從而可采用斜齒圓柱齒輪。斜齒圓柱齒輪比直齒圓柱齒輪有更長的壽命、更低的噪聲，雖然其制造稍微復(fù)雜且在工作時(shí)有軸向力。因此，在變速器中，除低擋及倒擋齒輪外，直齒圓柱齒輪已被斜齒圓柱齒輪所取代。當(dāng)然，常嚙合齒輪副的增多將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部分總慣性力矩的增大。
1.4.2 手動(dòng)變速器的設(shè)計(jì)要求
1、正確選擇變速器的擋位數(shù)和傳動(dòng)比，使其和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化匹配，以保證汽車具有良好的動(dòng)力性和經(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)和傳動(dòng)系長時(shí)間分離，設(shè)置倒擋使汽車能倒退行駛；
3、操縱簡單、方便、迅速、省力；
4、傳動(dòng)效率高，工作平穩(wěn)、無噪聲；
5、體積小、質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)，工作可靠；
6、制造容易、成本低廉、維修方便、使用壽命長；
7、貫徹零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化及總成系列化等設(shè)計(jì)要求，遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；
8、需要時(shí)應(yīng)設(shè)置動(dòng)力輸出裝置。
1.4.3設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)主要是依據(jù)五菱LZW1010P的有關(guān)參數(shù)，通過變速器各部分參數(shù)的選擇和計(jì)算，設(shè)計(jì)出一種基本符合要求的手動(dòng)變速器。本文主要完成下面一些主要工作：
1、參數(shù)計(jì)算。包括變速器傳動(dòng)比計(jì)算、中心距計(jì)算、齒輪參數(shù)計(jì)算、各擋齒輪齒數(shù)的分配；
2、變速器齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算。變速器齒輪幾何尺寸計(jì)算；變速器齒輪的強(qiáng)度計(jì)算及材料選擇；計(jì)算各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速；齒輪強(qiáng)度計(jì)算及檢驗(yàn)；
3、變速器軸設(shè)計(jì)計(jì)算。包括各軸直徑及長度計(jì)算、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸的強(qiáng)度計(jì)算、軸的加工工藝分析；
4、變速器軸承的選擇及校核；
5、同步器的設(shè)計(jì)選用和參數(shù)選擇；
6、變速器操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選用；
7、變速器箱體的設(shè)計(jì)。
第2章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案確定
2.1設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要技術(shù)參數(shù)
本設(shè)計(jì)是根據(jù)五菱LZW1010P微型車的技術(shù)參數(shù)來設(shè)計(jì)一種輕型貨汽車變速器，其具體參數(shù)如表2.1。
表2.1 五菱LZW1010P微型車的主要技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
LZW1010P
發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率(kw)
25.7
外廓尺寸(mm)(長×寬×高)
3500/1395/1690
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩(N.m)
(3000～3500r/min)
51.5
輪距(前)(mm)
1214
滿載軸荷
前(kg)
678
輪距(后)(mm)
1190
后(kg)
852
軸距(mm)
2010
官方油耗(L/100km)
6.1
最高車速(km/h)
95
載質(zhì)量(kg)
640
最大爬坡度(%)
12
整車整備質(zhì)量(kg)
輪胎規(guī)格
215/70R14
滿載總重(kg)
1450
2.2 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析和形式選擇
有級變速器與無級的相比，其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，具有高的傳動(dòng)效率（η=0.96～0.98），因此在各種類型的汽車上均得到了廣泛的應(yīng)用。
通常，有級變速器具有三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)前進(jìn)擋；重型載貨汽車和重型越野車則采用多擋變速器，其前進(jìn)擋位數(shù)多大6～16個(gè)甚至20個(gè)。變速器擋位的增多可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率利用率、汽車的燃料經(jīng)濟(jì)性和平均車速，從而可提高汽車的運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本。但擋位數(shù)的增多也使變速器的尺寸及質(zhì)量增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本提高，操縱也復(fù)雜。
某些轎車和貨車的變速器，采用僅在良好的路面和空載行駛時(shí)才使用的超速擋。采用傳動(dòng)比小于1（約為0.7～0.8）的超速擋，可充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低單位行駛里程的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，降低燃料消耗。但與傳動(dòng)比為1的直接擋比較，采用超速擋會(huì)降低傳動(dòng)效率。
有級變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力的齒輪副數(shù)目、轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等。
兩軸式和三軸式變速器都得到了廣泛的應(yīng)用。
2.2.1兩軸式變速器的特點(diǎn)分析
與中間軸式變速器相比較，兩軸式變速器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊且除最高擋外其他各擋的傳動(dòng)效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車的動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量減少6%～10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且使傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)簡單。兩軸式變速器沒有直接擋，因此在高擋工作時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲較大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。
如圖2.1a～c所示為發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)轎車的兩軸式變速器傳動(dòng)方案。其特點(diǎn)是：變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體；多數(shù)方案的倒擋傳動(dòng)常用滑動(dòng)齒輪，其它擋位均用常嚙合齒輪傳動(dòng)。圖2.1c中的倒擋齒輪為常嚙合齒輪，并用同步器換擋；圖2-1a所示方案的變速器有輔助支承，用來提高軸的剛度。
圖2.1 兩軸式變速器傳動(dòng)方案
2.2.2 中間軸式變速器特點(diǎn)分析
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)的飛輪上，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。
如圖2.2a～d所示為中間軸式變速器的傳動(dòng)方案，其中a～b為中間軸式五擋變速器，c～d為中間軸式六擋變速器的傳動(dòng)方案。中間軸式變速器的共同特點(diǎn)為：變速器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)，且保證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擋。使用直接擋，變速器的齒輪和軸承及中間軸均不承載，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器第一軸和第二軸直接輸出，此時(shí)變速器的傳動(dòng)效率高，可達(dá)到90%以上，噪聲低、齒輪和軸承的磨損減少。因?yàn)橹苯訐醯睦寐室哂谄渌麚跷?，因而提高了變速器的使用?
圖2.2 中間軸式變速器傳動(dòng)方案
命；在其他前進(jìn)擋位工作時(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）不大的條件下，一擋仍然有較大的傳動(dòng)比；擋位高的齒輪采用常嚙合齒輪傳動(dòng)，擋位低的齒輪可以不采用常嚙合齒輪傳動(dòng)；多數(shù)傳動(dòng)方案件中除一擋以外的其他擋位的換擋機(jī)構(gòu)，均采用同步器或接合套換擋，少數(shù)結(jié)構(gòu)的一擋也采用同步器或接合套換擋，各擋同步器或接合套多數(shù)情況下裝在第二軸上。
在除直接擋以外的其他擋位工作時(shí)，中間軸式變速器的傳動(dòng)效率略有降低，這是它的缺點(diǎn)。
以上各方案中，凡采用常嚙合齒輪傳動(dòng)的擋位，其換擋形式可以用同步器或嚙合套來實(shí)現(xiàn)。同一變速器中，有的擋位用同步器換擋，有的擋位用嚙合套換擋，那么一定是擋位高的用同步器換擋，擋位低的用嚙合套換擋
2.2.3 倒擋布置方案分析
如圖2.3所示為常見的倒擋布置方案。圖2.3b方案的優(yōu)點(diǎn)是倒擋利用了一擋齒輪，縮短了中間軸的長度。但換擋時(shí)有兩對齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換擋困難。圖2.3c方案能獲得較大的倒擋傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換擋程序不合理。圖2.3d方案對2.3c的缺點(diǎn)做了修改。圖2.3e所示方案是將一、倒擋齒輪做成一體，將其齒寬加長。圖2.3f的方案適用
圖2.3 倒擋布置方案
于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，擋換更為輕便。
為了縮短變速器軸向長度，有的貨車倒擋傳動(dòng)采用圖2.3g所示方案；其缺點(diǎn)是一、倒擋各用一根變速器撥叉軸，使變速器上蓋中的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜一些。
變速器的一擋或倒擋因傳動(dòng)比大，工作時(shí)在齒輪上作用的力也增大，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)出輪齒磨損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擋與倒擋，都應(yīng)當(dāng)布置在靠近軸的支撐處，以便改善上述不良情況，然后按照從低擋到高擋的順序布置各擋齒輪，這樣做既能使軸具有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。倒擋的傳動(dòng)比雖然與一擋的傳動(dòng)比接近，但因?yàn)槭褂玫箵醯臅r(shí)間非常短，從這點(diǎn)出發(fā)有些方案將一擋布置在靠近軸的支承處，然后再布置倒擋。
為防止意外掛入倒擋，一般在掛倒擋時(shí)設(shè)有一個(gè)掛倒擋時(shí)需克服彈簧所產(chǎn)生的力，用來提醒駕駛員注意。
2.2.4傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置的其他問題
常用擋位的齒輪因接觸應(yīng)力過高而易造成表面點(diǎn)蝕損壞。將高擋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[7]。
某些汽車的變速器有僅在好路或空車行駛時(shí)才使用的超速擋。使用傳動(dòng)比小于1的超速擋，能夠更充分的利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，使汽車行駛1Km所需發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的總轉(zhuǎn)數(shù)減少，因而有助于減少發(fā)動(dòng)機(jī)磨損和降低燃料消耗。但是與直接擋比較，使用超速擋會(huì)使傳動(dòng)效率降低、工作噪聲增加。
機(jī)械式變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力時(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[8]。
2.3 零部件結(jié)構(gòu)方案分析
2.3.1 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)稍有復(fù)雜，工作時(shí)有軸向力，這對軸承不利。變速器中的常嚙合齒輪均采用斜齒圓柱齒輪，盡管這樣會(huì)使常嚙合齒輪數(shù)增加，并導(dǎo)致變速器的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大。直齒圓柱齒輪僅用于低擋和倒擋。
2.3.2 換擋機(jī)構(gòu)形式
變速器換擋機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器換擋三種形式。
汽車行駛時(shí)，因變速器內(nèi)各轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪有不同的角度，所以用軸向滑動(dòng)直齒齒輪方式換擋，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，而換擋產(chǎn)生的噪聲又使乘坐舒適性降低。只有駕駛員用熟練的操作技術(shù)（如兩腳離合器）才能使換擋時(shí)齒輪無沖擊，并克服上述缺點(diǎn)；但換擋瞬間駕駛員注意力被分散，又影響行駛安全。除此之外，采用直齒換擋時(shí)，換擋行程長也是它的缺點(diǎn)。因此，盡管這種換擋方式結(jié)構(gòu)簡單，制造、拆裝與維修工作皆容易，并能減小變速器旋轉(zhuǎn)部分的慣性力矩，但除一擋、倒擋已很少使用。
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)嚙合套換擋。這時(shí)，不僅換擋行程短，同時(shí)因承受換擋沖擊載荷的接合齒數(shù)多，而輪齒又不參與換擋，所以它們都不會(huì)過早損壞；但因不能消除換擋沖擊，仍然要求駕駛員有熟練的操作技術(shù)。此外，因增設(shè)了嚙合套和常嚙合齒輪，使變速器旋轉(zhuǎn)部分的總慣性力矩增大。因此，目前這種換擋方法只在某些要求不高的擋位及重型貨車變速器上應(yīng)用。這是因?yàn)橹匦拓涇嚀跷婚g的公比較小，則換擋機(jī)構(gòu)連接件之間的角速度差也小，因此采用嚙合套換擋，并且與同步器比較還有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、能夠減低制造成本及減小變速器長度等優(yōu)點(diǎn)。
使用同步器能保證迅速、無沖擊、無噪聲換擋，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(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。同上述兩種換擋方法比較，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。利用同步器換擋，其換擋行程要比滑動(dòng)齒輪換擋行程短。在滑動(dòng)齒輪特別寬的情況下，這種差別就更為明顯。為了操縱方便發(fā)，要求換入不同擋位的變速桿行程應(yīng)盡可能一樣，如利用同步器或嚙合套換擋，就很容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
2.3.3 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)
圖2.4 防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)措施
自動(dòng)脫擋是變速器的主要故障之一。由于接合齒磨損、變速器剛度不足以及振動(dòng)等原因，都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)脫擋。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)上采取措施且行之有效的方案有以下幾種：
1、將兩接合齒的嚙合位置錯(cuò)開，如圖2.4a所示。這樣在嚙合時(shí)，使接合齒端部超過被接合齒的1～3mm。使用中兩齒接觸部分受到擠壓同時(shí)磨損，并在接合齒端部形成凸肩，可用來阻止接合齒自動(dòng)脫擋。
2、將嚙合齒套齒座上前齒圈的齒厚切?。ㄇ邢?.3～0.6mm），這樣，換擋后嚙合套的后端面被后齒圈的前端面頂住，從而阻止自動(dòng)脫擋，如圖2.4b所示。
3、將接合齒的工作面設(shè)計(jì)并加工成斜面，形成倒錐角（一般傾斜2。～3。），使接合齒面產(chǎn)生阻止自動(dòng)脫擋的軸向力，如圖2.4c所示。這種方案比較有效，應(yīng)用較多。將接合齒的齒側(cè)設(shè)計(jì)并加工成臺(tái)階形狀，也具有相同的阻止自動(dòng)脫擋的效果。
2.3.4 變速器軸承
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)可布置圓柱滾子軸承，若空間不足則采用滾針軸承。第二軸后端常采用球軸承，用來承受軸向力和徑向力。變速器第一軸、第二軸的后部軸承，以及中間軸前、后軸承，按直徑系列一般選用中系列球軸承或圓柱滾子軸承。軸承的直徑根據(jù)變速器中心距確定，并要保證殼體后壁兩軸承孔之間的距離不小于6～20mm[9]。
2.4 本設(shè)計(jì)所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案
在本次設(shè)計(jì)中采用5+1擋中間軸式變速器。采用如圖2.5所示的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案。其中齒輪結(jié)構(gòu)形式斜齒圓柱齒輪；換擋機(jī)構(gòu)形式為環(huán)式同步器的方案。
圖2.5 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案
2.5 本章小結(jié)
本章主要依據(jù)變速器幾種常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案，對兩軸式和中間軸式的變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作了簡要說明，分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)介紹了幾種常見的倒擋機(jī)構(gòu)布置方案，并比較了各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。在零部件的選擇部分，對變速器齒輪、換擋機(jī)構(gòu)的形式和變速器防止自動(dòng)脫擋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和說明。最后結(jié)合本次設(shè)計(jì)所依據(jù)車輛的主要技術(shù)參數(shù)，選擇了本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案和零、部件的結(jié)構(gòu)形式，作為以后各章節(jié)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
第3章 變速器主要參數(shù)的選擇和齒數(shù)分配
3.1 變速器各擋傳動(dòng)比的確定
3.1.1 變速器最低擋傳動(dòng)比的確定
在選擇最低擋傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)車輪和地面的附著力、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、確定。
汽車爬坡時(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[10]。故有
則由最大爬坡度要求的變速器1擋傳動(dòng)比為
(3.1)
式中：－汽車總質(zhì)量，1450Kg；
－重力加速度，m/s2；
－道路附著系數(shù)，；
－驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑，215/70R14；Rr=245.8
－發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，51.5 NM
－主減速比，7.15
－汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，。
將各數(shù)據(jù)代入式(3.1)中得
根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件
可求得變速器一擋傳動(dòng)比為
(3.2)
式中：－汽車滿載靜止與水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，Kg；
－道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取～0.8；
其他參數(shù)同式(3.1)。
將各數(shù)據(jù)代入式(3.2)得
通過以上計(jì)算可得到3.345＜＜5.44，在本設(shè)計(jì)中，取。
3.1.2 變速器其他各擋傳動(dòng)比的確定
變速器的四擋為直接擋，其傳動(dòng)比為1.0，中間擋的傳動(dòng)比理論上按公比(其中n為擋位數(shù))的幾何級數(shù)排列，實(shí)際上與理論值略有出入。將各數(shù)代入式中得
則變速器其他各擋的傳動(dòng)比為
3.2中心距的確定
對中間軸式變速器，是將中間軸與第二軸之間的距離稱為變速器中心距；對兩軸式變速器，將變速器輸入軸與輸出軸軸線之間的距離稱為變速器的中心距。它是一個(gè)基本參數(shù)，其大小不僅對變速器的外形尺寸、體積和質(zhì)量大小有影響，而且對輪齒的接觸強(qiáng)度有影響。中心距越小，輪齒的接觸應(yīng)力越大，齒輪壽命越短。因此，最小允許中心距應(yīng)當(dāng)由保證輪齒有必要的接觸強(qiáng)度來確定。變速器軸經(jīng)軸承安裝在殼體上，從布置變速器的可能與方便和不因同一垂直面上的兩軸承孔之間的距離過小而影響殼體的強(qiáng)度考慮，要求中心距取大些。還有，變速器中心取得過小，會(huì)使變速器長度增加，并因此使軸的剛度被削弱和使齒輪的嚙合狀態(tài)變壞[11]。
中間軸式變速器的中心距(mm)可根據(jù)對已有變速器的統(tǒng)計(jì)而得出的經(jīng)驗(yàn)公式初選，經(jīng)驗(yàn)公式為
(3.3)
式中：－中心距系數(shù)，乘用車：，商用車：；
－發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩(N·m)；
－變速器一擋傳動(dòng)比；
－變速器的傳動(dòng)效率，取96%。
將各數(shù)代入式(3.3)中得
=53.02~59.186mm
故可初選中心距mm。
3.3變速器外形尺寸的初選
變速器的橫向外形尺寸，可根據(jù)齒輪直徑以及倒擋中間齒輪和換擋機(jī)構(gòu)的布置初步確定。
影響變速器殼體軸向尺寸的有變速器的擋數(shù)、換擋機(jī)構(gòu)形式以及齒輪形式。實(shí)際初可根據(jù)中心距離的尺寸參照下列關(guān)系初選。
乘用車變速器殼體的軸向尺寸為。
商用車變速器的軸向尺寸為： 四擋：五擋；六擋
所以本設(shè)計(jì)變速器的軸向尺寸可初選為mm，取整mm。
變速器殼體的軸向尺寸最后應(yīng)由變速器總圖的結(jié)構(gòu)尺寸鏈確定。
3.4 變速器齒輪參數(shù)的選擇
3.4.1模數(shù)
齒輪模數(shù)由齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度或最大載荷作用下的靜強(qiáng)度所確定。選擇模數(shù)時(shí)應(yīng)考慮到當(dāng)增大齒寬而減小模數(shù)時(shí)將降低變速器的噪聲，而為了減小變速器的質(zhì)量，則應(yīng)增大模數(shù)并減小齒寬和中心距。降低噪聲水平對乘用車很重要，而對商用車則更應(yīng)重視減小其質(zhì)量。
變速器用齒輪模數(shù)的范圍如表3.1。
所選模數(shù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1357—1987的規(guī)定，在本設(shè)計(jì)中所有齒輪模數(shù)選擇2.25。同步器的接合齒和嚙合套多采用漸開線齒形。由于工藝上的考慮，同一變速器中的結(jié)合齒采用同一模數(shù)。其選取的范圍是：轎車及輕、中型貨車為2～3.5；重型貨車為3.5～5。選取較小模數(shù)并增多齒數(shù)有利于換擋。所選模數(shù)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)[12]。此處取2.5mm。
表3.1 汽車變速器齒輪的法向模數(shù)
車 型
乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量V/L
貨車的最大總質(zhì)量/t
1.0＞V≤ 1.6
1.6＜V≤ 2.5
6.0＜≤14.0
≥14.0
模數(shù)/mm
2.25～2.75
2.75～3.00
3.50～4.50
4.50～6.00
3.4.2 齒形、壓力角及螺旋角
汽車變速器的齒形、壓力角及螺旋角按表3.2選取。
表3.2 汽車變速器齒輪的齒形、壓力角與螺旋角
項(xiàng)目
車型
齒形
壓力角α
螺旋角β
轎車
高齒并修形的齒形
，，，
～
一般貨車
GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形
～
重型車
GB1356-78規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)齒形
低擋、倒擋齒輪，
小螺旋角
斜齒輪在變速器中得到廣泛應(yīng)用。選取斜齒輪的螺旋角，應(yīng)該注意它對齒輪工作噪聲、齒輪的強(qiáng)度和軸向力有影響。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 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，從提高低擋齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，并不希望用過大的螺旋角，以 15°～25°為宜；而從提高高擋齒輪的接觸強(qiáng)度和增加重合度著眼，應(yīng)當(dāng)選用較大的螺旋角。
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)力求使中間軸上同時(shí)工作的兩對齒輪產(chǎn)生的軸向力平衡，以減小軸承負(fù)荷，提高軸承壽命。因此，中間軸上不同擋位齒輪的螺旋角應(yīng)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。
壓力角初選
3.4.3 齒寬
齒寬的選擇既要考慮變速器的質(zhì)量小、軸向尺寸緊湊，又要保證輪齒的強(qiáng)度及工作平穩(wěn)性的要求。通?？梢愿鶕?jù)齒輪模數(shù)來選擇齒寬b。
式中：－齒寬系數(shù)，直齒輪取，斜齒輪??；
－法面模數(shù)。
3.4.4 齒頂高系數(shù)
齒頂高系數(shù)對重合度、輪齒強(qiáng)度、工作噪聲、輪齒相對滑動(dòng)速度、輪齒根切和齒頂厚度等有影響。若齒頂高系數(shù)小，則齒輪重合度小，工作噪聲大；但因輪齒受到的彎矩減小，輪齒的彎曲應(yīng)力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認(rèn)為輪齒上受到的載荷集中齒頂上，所以曾采用過齒頂高系數(shù)為0.75～0.80的短齒制齒輪。我國規(guī)定，齒頂高系數(shù)取為1.00。
3.5 變速器各擋齒輪齒數(shù)的分配
在初選了變速器的擋位數(shù)、傳動(dòng)比、中心距、軸向尺寸及齒輪模數(shù)和螺旋角并繪出變速器的結(jié)構(gòu)方案簡圖后，即可對各擋齒輪的齒數(shù)進(jìn)行分配。所設(shè)計(jì)的變速器的傳動(dòng)簡圖如圖3.1所示。
3.5.1 確定一擋齒輪的齒數(shù)
初選一擋螺旋角
已知一擋傳動(dòng)比，且
為了確定，的齒數(shù)，先求齒數(shù)和
直齒輪 (3.4)
斜齒輪 (3.5)
由于一擋齒輪為斜齒輪，故可用式(3.5)計(jì)算。代入數(shù)據(jù)后得
計(jì)算后應(yīng)取為整數(shù)，然后再進(jìn)行大、小齒輪齒數(shù)的分配，中間軸上小齒輪的最小齒數(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)，對軸的尺寸和齒
輪齒數(shù)要統(tǒng)一考慮。為避免根切、增加強(qiáng)度，一擋小齒輪應(yīng)為變位齒輪。貨車中間軸式變速器一擋傳動(dòng)比時(shí)，貨車中間軸上一擋齒輪的齒數(shù)可在之間選用 [13]。則可取
取一擋小齒輪齒數(shù)
圖3.1 變速器傳動(dòng)簡圖
3.5.2 對中心距進(jìn)行修正
因?yàn)橛?jì)算齒數(shù)和后，經(jīng)過取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)取定的和齒輪變位系數(shù)重新計(jì)算中心距，再以修正后的中心距作為各擋齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)，故中心距變?yōu)?
mm
對中心距進(jìn)行取整，取中心距mm。
由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對一擋齒輪進(jìn)行變位。中心距變動(dòng)系數(shù)為
嚙合角為
查變位系數(shù)線圖得
變位系數(shù)之和為
分配變位系數(shù)(查表) ，。
根據(jù)所確定的齒數(shù)，一擋齒輪精確的螺旋角的值為
3.5.3 確定常嚙合齒輪的齒數(shù)
由式得
因常嚙合齒輪副與1擋齒輪副以及其它各擋齒輪副的中心距相同，故由式(3.5)可得
聯(lián)立求解并將、取整數(shù)后得
，
故齒輪齒數(shù)不需調(diào)整。
mm
由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對常嚙合齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng)系數(shù)為
嚙合角為
查變位系數(shù)線圖得
變位系數(shù)之和為
分配變位系數(shù)得 ，。
根據(jù)所確定的齒數(shù)，常嚙合齒輪精確的螺旋角的值為
3.5.4 確定其他各擋齒輪的齒數(shù)
1、確定二擋齒輪的齒數(shù)
二擋齒輪為斜齒輪，則有
聯(lián)立求解，并對齒數(shù)取整后得
，
由平衡中間軸上兩工作齒輪的軸向力的要求出發(fā)，要平衡軸向力
中心距為
mm
由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對二擋齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng)系數(shù)為
嚙合角為
齒輪總變位系數(shù)為
變位系數(shù)可分配為 ，。
2、確定三擋齒輪的齒數(shù)
三擋齒輪為斜齒輪，當(dāng)其螺旋角與常嚙合齒輪不同時(shí)，則有
由平衡中間軸上兩工作齒輪的軸向力的要求出發(fā)，要平衡軸向力，要求滿足下式
求解上述三式，取整得，，。
故齒輪齒數(shù)不需調(diào)整。
mm
由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對三擋齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng)系數(shù)為
嚙合角為
查變位系數(shù)線圖得
變位系數(shù)之和為
分配變位系數(shù)得 ，。
3、確定五擋齒輪的齒數(shù)
五擋齒輪為斜齒輪，當(dāng)其螺旋角與常嚙合齒輪不同時(shí)，則有
由平衡中間軸上兩工作齒輪的軸向力的要求出發(fā)，要平衡軸向力，要求滿足下式
求解上述三式，取整得，，。
故齒輪齒數(shù)不需調(diào)整。
mm
由于調(diào)整后中心距發(fā)生了變化，所以需對五擋齒輪進(jìn)行角度變位。中心距變動(dòng)系數(shù)為
嚙合角為
查變位系數(shù)線圖得
變位系數(shù)之和為
分配變位系數(shù)得 ，。
4、倒擋齒輪的設(shè)計(jì)和齒數(shù)確定
通常1擋與倒擋齒輪選用同一模數(shù)，故倒擋齒輪的模數(shù)可以取為2.5。取。中間軸倒擋齒輪的齒數(shù)取為。
第二軸倒擋齒輪的齒數(shù)為?。盐?你自己選）。
倒擋軸與中間軸的中心距為
倒擋軸與第二軸的中心距為
mm
3.6 本章小結(jié)
本章主要任務(wù)是對齒輪齒數(shù)進(jìn)行分配、確定中心距。在確定完傳動(dòng)方案后，開始進(jìn)行齒輪各參數(shù)的選擇以及齒輪齒形和齒數(shù)的計(jì)算，為后續(xù)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
第4章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1變速器齒輪的幾何尺寸計(jì)算
汽車變速器均為漸開線齒輪。漸開線齒輪除了能滿足傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比恒定不變等基本要求外，還有互換性好、中心距具有可分性及切齒刀具制造容易等優(yōu)點(diǎn)。漸開線齒輪的正確嚙合條件是：兩齒輪的模數(shù)、分度圓壓力角必須分別相等，兩斜齒輪的螺旋角必須相等而方向相反。根據(jù)以上計(jì)算所得到的變速器齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、齒頂高系數(shù)、齒寬系數(shù)等條件，可計(jì)算得出變速器齒輪的幾何尺寸。
4.2 計(jì)算變速器各軸的扭矩和轉(zhuǎn)速
已知發(fā)動(dòng)機(jī)的最的轉(zhuǎn)矩為51.5N·m，轉(zhuǎn)速為3000~3500r/min；離合器的傳動(dòng)效率為0.99，齒輪傳動(dòng)效率為0.99，軸承的傳動(dòng)效率為0.96。通過計(jì)算可得到各軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。
一軸
N·m
r/min
中間軸
N·m
r/min
二軸
（1）掛1擋時(shí)
N·m
r/min
（2）掛2擋時(shí)
N·m
r/min
（3）掛3擋時(shí)
N·m
r/min
（4）掛4擋時(shí)
N·m
r/min
（5）掛5擋時(shí)
N·m
r/min
4.3 齒輪的強(qiáng)度計(jì)算和材料選擇
4.3.1 齒輪損壞的原因和形式
齒輪在嚙合過程中，輪齒根部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，過渡轉(zhuǎn)角處又有應(yīng)力集中，故當(dāng)齒輪受到足夠大的載荷作用，其根部的彎曲應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力時(shí)，輪齒就會(huì)斷裂。這種由于強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生的斷裂，其斷面為一次性斷裂所呈現(xiàn)的粗狀顆粒面。在汽車變速器中這種情況很少發(fā)生。而最常見的斷裂則是由于在重復(fù)載荷作用下使齒根受拉面的最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)疲勞裂縫而逐漸擴(kuò)展到一定深度后所產(chǎn)生的折斷，其疲勞斷面在疲勞裂縫部分呈光滑表面，而突然斷裂部分呈粗粒狀表面[14]。變速器低擋小齒輪由于載荷大而齒數(shù)少、齒根較弱，其主要破壞形式就是這種彎曲疲勞斷裂。
齒面點(diǎn)蝕是常用的高擋齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的形式。齒面長期在脈動(dòng)的接觸應(yīng)力作用下，會(huì)逐漸產(chǎn)生大量與齒面成尖角的小裂縫。嚙合時(shí)由于齒面的相互擠壓，使充滿了潤滑油的裂縫處油壓增高，導(dǎo)致裂縫的擴(kuò)展，最后產(chǎn)生剝落，使齒面上產(chǎn)生大量的扇形小麻點(diǎn)，即是所謂點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕使齒形誤差加大而產(chǎn)生動(dòng)載荷，甚至可能引起輪齒折斷。通常是靠近節(jié)圓根部齒面處的點(diǎn)蝕較靠近節(jié)圓頂部齒面出的點(diǎn)蝕嚴(yán)重；主動(dòng)小齒輪較被動(dòng)大齒輪嚴(yán)重。
對于高速重載齒輪，由于齒面相對滑動(dòng)速度高、接觸壓力大且接觸區(qū)產(chǎn)生高溫而使齒面間的潤滑油膜破壞，使齒面直接接觸。在局部高溫、高壓下齒面互相熔焊粘連，齒面沿滑動(dòng)方向形成撕傷痕跡的損壞形式成為齒面膠合。在一般汽車變速器中，產(chǎn)生膠合損壞的情況較少。
增大輪齒根部齒厚，加大齒根圓角半徑，采用高齒，提高重合度，增多同時(shí)嚙合的輪齒對數(shù)，提高輪齒柔度，采用優(yōu)質(zhì)材料等，都是提高輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度的措施。合理選擇齒輪參數(shù)及變位系數(shù)，增大齒廓曲率半徑，降低接觸應(yīng)力，提高齒面強(qiáng)度等，可提高齒面的接觸強(qiáng)度。采用黏度大、耐高溫、耐高壓的潤滑油，提高油膜強(qiáng)度，提高齒面強(qiáng)度，選擇適當(dāng)?shù)凝X面表面處理方法和鍍層等，是防止齒面膠合的措施。
4.3.2 齒輪的材料選擇
1、齒輪材料的選擇原則
(1)滿足工作條件的要求
不同的工作條件，對齒輪傳動(dòng)有不同的要求，故對齒輪材料亦有不同的要求。但是對于一般動(dòng)力傳輸齒輪，要求其材料具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，而且齒面硬，齒芯軟。
(2)合理選擇材料配對
如對硬度≤ 350HBS的軟齒面齒輪，為使兩輪壽命接近，小齒輪材料硬度應(yīng)略高于大齒輪，且使兩輪硬度差在30～50HBS左右。為提高抗膠合性能，大、小輪應(yīng)采用不同鋼號(hào)材料。
(3)考慮加工工藝及熱處理工藝
大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵；中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常采用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時(shí)，可選用圓鋼作毛坯。軟齒面齒輪常用中碳鋼或中碳合金鋼，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后，再進(jìn)行切削加工即可；硬齒面齒輪（硬度>350HBS）常采用低碳合金鋼切齒后再表面滲碳淬火或中碳鋼（或中碳合金鋼）切齒后表面淬火，以獲得齒面、齒芯韌的金相組織，為消除熱處理對已切輪齒造成的齒面變形需進(jìn)行磨齒。但若采用滲氮處理，其齒面變形小，可不磨齒，故可適用于內(nèi)齒輪等無法磨齒的齒輪。
2、齒輪材料的選擇
現(xiàn)代汽車變速器齒輪大都采用滲碳合金鋼制造，使輪齒表面的高硬度與輪齒心部的高韌性相結(jié)合，以大大提高其接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及耐磨性。在選擇齒輪的材料及熱處理時(shí)也應(yīng)考慮其加工性能及制造成本。
國產(chǎn)汽車變速器齒輪的常用材料是20CrMnTi,也有采用20Mn2TiB，20MnVB，20MnCr5的。這些低碳合金鋼都需隨后的滲碳、淬火處理，以提高表面硬度，細(xì)化材料晶粒。為消除內(nèi)應(yīng)力，還要進(jìn)行回火。
變速器齒輪輪齒表面滲碳層深度的推薦范圍如下：
滲碳層深度0.8～1.2mm
3.5＜＜5 滲碳層深度0.9～1.3mm
滲碳層深度1.0～1.6mm
滲碳齒輪在淬火、回火后，要求輪齒的表面硬度為HRC58～63，心部硬度為HRC33～48。
某些輕型以下的載貨汽車和轎車等變速器的小模數(shù)（）齒輪，采用了40Cr或35Cr鋼并進(jìn)行表面氰化處理。這種中碳鉻鋼具有滿意的鍛造性能及良好的強(qiáng)度指標(biāo)，氰化鋼熱處理后變形小也是優(yōu)點(diǎn)。但由于氰化層較薄且鋼的含碳量又高，故接觸強(qiáng)度和承載能力均受到限制。
4.3.3 齒輪的強(qiáng)度計(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是相似的。此外，汽車變速器齒輪用