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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract ………………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論…………………………………………………………………………………1
1.1 選題的目的及意義……………………………………………………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………………………………………………………………1
1.3 研究方法設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………2
1.4 研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………3
第 2 章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案……………………………………………………4
2.1變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析………………………………………………………4
2.1.1兩軸式和中間軸式變速器 ……………………………………………………4
2.1.2倒檔的形式和布置方案 ………………………………………………………4
2.2 變速器零、部件布置方案分析 ………………………………………………………5
2.2.1齒輪形式 ………………………………………………………………………5
2.2.2換擋的結(jié)構(gòu)形式 ………………………………………………………………5
2.2.3軸承的形式 ……………………………………………………………………6
2.2.4軸的形式 ………………………………………………………………………7
2.3 變速器操縱機(jī)構(gòu)布置方案設(shè)計(jì)………………………………………………………7
2.3.1變速器操縱機(jī)構(gòu)的分類 ………………………………………………………7
2.3.2典型的操縱機(jī)構(gòu)及其鎖定裝置設(shè)計(jì)……………………………………………7
2.4 本章小結(jié)……………………………………………………………………………9
第 3 章 變速器主要參數(shù)的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………………10
3.1 變速器設(shè)計(jì)依據(jù)的主要參數(shù) ………………………………………………………10
3.2 擋數(shù)及傳動(dòng)比范圍的確定……………………………………………………………10
3.2.1擋數(shù)的確定……………………………………………………………………10
3.2.2傳動(dòng)比范圍……………………………………………………………………10
3.3 變速器各檔傳動(dòng)比的確定 …………………………………………………………11
3.3.1 主減速器傳動(dòng)比………………………………………………………………11
3.3.2 最低擋傳動(dòng)比計(jì)算……………………………………………………………11
3.3.3 變速器各擋傳動(dòng)比的分配……………………………………………………13
3.4 中心距的選擇…………………………………………………………………………13
3.5 外形尺寸確定…………………………………………………………………………13
3.6 齒輪參數(shù)確定…………………………………………………………………………14
3.7 各擋齒輪齒數(shù)的分配…………………………………………………………………17
3.7.1 確定一擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比………………………………………………17
3.7.2 確定二擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比………………………………………………18
3.7.3 確定三擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比………………………………………………19
3.7.4 確定四擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比………………………………………………19
3.7.5 確定五擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比………………………………………………20
3.7.6 確定倒擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比………………………………………………20
3.8 變速器齒輪的變位……………………………………………………………………21
3.8.1 確定一擋齒輪變位系數(shù)………………………………………………………21
3.8.2 確定二擋齒輪變位系數(shù)………………………………………………………22
3.8.3 確定三擋齒輪變位系數(shù)………………………………………………………23
3.8.4 確定四擋齒輪變位系數(shù)………………………………………………………24
3.8.5 確定五擋齒輪變位系數(shù)………………………………………………………25
3.8.6 本次設(shè)計(jì)所有齒輪的幾何尺寸………………………………………………25
3.9 本章小結(jié)………………………………………………………………………………27
第 4 章 變速器主要結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計(jì)與計(jì)算………………………………………28
4.1 齒輪損壞的原因及形式………………………………………………………………28
4.2 齒輪材料的選擇原則…………………………………………………………………28
4.3 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)矩………………………………………………………………………29
4.4 齒輪強(qiáng)度計(jì)算…………………………………………………………………………29
4.4.1 齒輪彎曲強(qiáng)度校核……………………………………………………………30
4.4.2 齒輪接觸應(yīng)力校核……………………………………………………………33
4.5 軸的強(qiáng)度計(jì)算…………………………………………………………………………38
4.5.1 初選軸的直徑…………………………………………………………………38
4.5.2 軸的剛度計(jì)算…………………………………………………………………39
4.5.3 軸的強(qiáng)度校核…………………………………………………………………47
4.6 軸承校核……………………………………………………………………………51
4.6.1輸入軸軸承校核………………………………………………………………51
4.6.2輸出軸軸承校核………………………………………………………………52
4.7 同步器設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………53
4.7.1慣性式同步器…………………………………………………………………54
4.7.2 同步器主要尺寸的確定………………………………………………………55
4.7.3 主要參數(shù)的確定………………………………………………………………56
4.8 軸的有限元分析……………………………………………………………………59
4.8.1有限元基本理論簡(jiǎn)介…………………………………………………………59
4.8.2 有限元分析基本步驟…………………………………………………………60
4.8.3變速器輸出軸的有限元分析的主要步驟……………………………………60
4.9 本章小結(jié)………………………………………………………………………………66
第 5 章 變速器操縱機(jī)構(gòu)和箱體設(shè)計(jì)………………………………………………67
5.1直接操縱手動(dòng)換擋變速器……………………………………………………………67
5.2遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器…………………………………………………………69
5.2.1換擋操縱機(jī)構(gòu)（外換擋操縱機(jī)構(gòu)）……………………………………………69
5.2.2 換擋機(jī)構(gòu)（內(nèi)換擋操縱機(jī)構(gòu)）…………………………………………………70
5.3電控自動(dòng)換擋變速器…………………………………………………………………71
5.4 變速器箱體 …………………………………………………………………………72
5.5 本章小結(jié)……………………………………………………………………………73
結(jié)論…………………………………………………………………………………………74
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………75
致謝……………………………………………………………………………………………76
附錄……………………………………………………………………………………………77
第1章 緒 論
1.1選題的目的及意義
隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展，汽車工業(yè)也漸漸成為我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)，汽車的使用已經(jīng)遍布全國(guó)。而隨著我國(guó)加入WTO，人民生活水平的不斷提高，微型客貨兩用車、轎車等高級(jí)消費(fèi)品已進(jìn)入平常家庭。在面臨著前所未有的機(jī)遇同時(shí)，不得不承認(rèn)在許多技術(shù)上，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家還一定的差距，所以我們要努力為我國(guó)的汽車工業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速非常高，最大功率及最大扭矩僅在一定的轉(zhuǎn)速區(qū)出現(xiàn)，為了發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳性能，就必須有一套變速裝置。變速器可以在汽車行駛過程中，在發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間產(chǎn)生不同的變速比，通過換擋可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性狀態(tài)下。變速器是汽車傳動(dòng)系的重要組成部分，其發(fā)展無疑代表著汽車工業(yè)的發(fā)展，它的設(shè)計(jì)也是汽車設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。而發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的轎車，若變速器傳動(dòng)比小，則常用兩軸式變速器。兩軸變速器有其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，制造成本低，傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)在變速器發(fā)展中屹立不倒，雖然現(xiàn)在的自動(dòng)變速器操作簡(jiǎn)單，但是效率很低，所以市場(chǎng)的大部分份額被機(jī)械式變速器占據(jù)著，汽車發(fā)展要向節(jié)能，舒適，操作方便方向發(fā)展， 兩軸式變速器更是符合條件的。
1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況
現(xiàn)今的汽車變速器發(fā)展的十分迅速，各大公司紛紛推出新的產(chǎn)品，但是變速器技術(shù)的每次革新都與汽車相關(guān)科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，模擬仿真材料科學(xué)等都為變速器的發(fā)展提供了有力的保障，同時(shí)變速器的發(fā)展也為相關(guān)科學(xué)技術(shù)提出了更高的要求。1894年，一個(gè)法國(guó)工程師給一輛汽車裝上世界上第一個(gè)變速器至今，汽車變速器已經(jīng)經(jīng)過了一百多年的發(fā)展。變速器作為汽車重要的組成部分，是承擔(dān)放大發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，實(shí)現(xiàn)理想動(dòng)力傳遞，從而適應(yīng)各種路況實(shí)現(xiàn)汽車行駛的主要裝置。從最初采用側(cè)鏈傳動(dòng)到手動(dòng)變速器，及至液力自動(dòng)變速器和電控機(jī)械式自動(dòng)變速器，再到現(xiàn)在無級(jí)自動(dòng)變速器的普及，在汽車工業(yè)技術(shù)不斷前進(jìn)的同時(shí)，變速器也向著更平順、更省油、更富駕駛樂趣的方向不斷發(fā)展。直至雙離合自動(dòng)變速器的出現(xiàn)，變速器技術(shù)又伴隨著速度和夢(mèng)想，邁向了一個(gè)全新的高度?，F(xiàn)代汽車的動(dòng)力裝置，幾乎都采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。它具有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，如體積小，質(zhì)量輕，工作可靠，使用方便等。但其性能與汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在著較大的矛盾。如在坡道上行駛時(shí)，所需的牽引力往往是發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的牽引力的數(shù)倍。而且一般發(fā)動(dòng)機(jī)如果直接與車輪相連，其輸出轉(zhuǎn)速換算到對(duì)應(yīng)的汽車車速上，將達(dá)到現(xiàn)代汽車極限速度的數(shù)倍。上述發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力、轉(zhuǎn)速與汽車牽引力、車速要求之間的矛盾，單靠現(xiàn)代汽車內(nèi)燃機(jī)本身是無法解決的。因此就出現(xiàn)了車用變速箱和主減速器。它們的共同努力使驅(qū)動(dòng)輪的扭矩增大到發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的若干倍，同時(shí)又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的幾分之一。另外，現(xiàn)代汽車的使用條件極為復(fù)雜，在不同場(chǎng)合下有不同的要求。往往要受到加載運(yùn)量、道路坡度、路面好壞及交通是否通暢等條件的影響。這就要求汽車的牽引力和車速能在較大范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)使用的要求。在條件良好的平直路面上要能以高速行駛，而在路面不平和有較大坡度時(shí)能提供較大的扭矩。變速箱的多擋位選擇就能滿足這些需求。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，燃油的消耗量也是不一樣的。駕駛員可以根據(jù)具體情況，選擇變速箱的某一擋位，來減少燃油的消耗。在某些情況下，汽車還需要能倒向行駛。發(fā)動(dòng)機(jī)本身是不可能倒轉(zhuǎn)的，只有靠變速箱的倒擋齒輪來實(shí)現(xiàn)。
兩軸式變速器因軸與軸承數(shù)少，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小和容易布置等優(yōu)點(diǎn)，此外，各中間擋位因只經(jīng)一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力，故傳動(dòng)效率高同時(shí)噪聲也低。變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器采用弧齒錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則采用斜齒圓柱齒輪。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，應(yīng)該布置在靠近軸的支撐處，以便改善上述不良狀況，然后按照從低檔到高擋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。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撐中部區(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)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)的輪對(duì)數(shù)、每分鐘轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤(rùn)滑系統(tǒng)的有效性、輪齒和殼體等零件的制造精度等。
由于兩軸式變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械零件設(shè)計(jì)與制造精度不十分高，裝配精度也較低，所以工人裝配與修理均比較容易。手動(dòng)變速器換擋操作完全遵從駕駛者的意志，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故障率相對(duì)較低，占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。大部分微型轎車都是裝備兩軸式變速器，在汽車向節(jié)能方向發(fā)展的今天，兩軸式變速器將是新時(shí)代的寵兒。
1.3 研究方法設(shè)計(jì)
根據(jù)此次設(shè)計(jì)要求，依據(jù)哈飛路寶的整車參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，完成變速器的結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有確定變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案，變速器主要參數(shù)的選擇，變速器齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算，軸與軸承的設(shè)計(jì)校核。
查閱圖書館電子資源、館藏圖書和文獻(xiàn)，以及本市各大型圖書館的館藏圖書資源，了解變速器研究領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)向；閱讀關(guān)于變速器設(shè)計(jì)方面的書籍，學(xué)習(xí)前人進(jìn)行變速器設(shè)計(jì)的過程、步驟、方法和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)；向指導(dǎo)教師請(qǐng)教；同學(xué)之間互相討論；親自去實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手拆裝各種類型的變速器，了解各種變速器的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行變速器的設(shè)計(jì)和計(jì)算。
1.4 研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)
（1）研究汽車機(jī)械變速器的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)；
（2）建立有限元計(jì)算模型；
（3）研究汽車機(jī)械變速器的載荷；
（4）加載進(jìn)行應(yīng)力分析與結(jié)果分析；
第2章 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案
2.1 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案分析
機(jī)械式變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、制造成本低和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。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)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，中間軸式和多軸式變速器。
2.1.1 兩軸式和中間軸式變速器
對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的轎車，若變速器傳動(dòng)比小，則常用兩軸式變速器。在設(shè)計(jì)時(shí)，究竟采用哪一種方案，除了汽車總布置的要求外，主要考慮以下四個(gè)方面：
1、結(jié)構(gòu)工藝性
兩軸式變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋圓錐齒輪或雙曲面齒輪；而發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)用圓柱齒輪，因而簡(jiǎn)化了制造工藝。
2、變速器的徑向尺寸
兩軸式變速器輸出軸的前進(jìn)擋均為一對(duì)齒輪副，而中間軸式變速器則有兩對(duì)齒輪副。因此，對(duì)于相同的傳動(dòng)比要求，中間軸式變速器的徑向尺寸可以比兩軸式變速器小得多。
3、變速器齒輪的壽命
兩軸式變速器的低擋齒輪副，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短。中間軸式變速器的各前進(jìn)擋均為常嚙合斜齒輪傳動(dòng)，大小齒輪的徑向尺寸相差較小，因而壽命較接近。在直接擋時(shí)，齒輪只空轉(zhuǎn)，不影響齒輪壽命。
4、 變速器的傳動(dòng)效率
兩軸式變速器雖然有等于1的傳動(dòng)比，但仍要有一對(duì)齒輪傳動(dòng)，因而有功率損失。而中間軸式變速器可將輸入軸和輸出軸直接相連，得到直接擋，因而傳動(dòng)效率較高，磨損小，噪聲也較小。轎車尤其是微型汽車，采用兩軸式變速器比較多，而中、重型載重汽車則采用中間軸式變速器。
2.1.2 倒檔的形式和布置方案
圖2.1為常見的布置方案。圖a方案廣泛用于前進(jìn)擋都是同步器換擋的五擋轎車和輕型貨車變速器中；b方案的優(yōu)點(diǎn)是可以利用中間軸上的1擋齒輪，因而縮短了中間軸的長(zhǎng)度，但換擋時(shí)兩對(duì)齒輪必須同時(shí)嚙合，致使換擋困難，某些輕型貨車五擋變速器采用這種方案；c方案能獲得較大的倒擋速比，突出的缺點(diǎn)是換擋程序不合理；d方案針對(duì)前者的缺點(diǎn)作了修改，因而在貨車變速器中取代了c方案；e方案中，將中間軸上的一擋和倒擋齒輪做成一體，其齒寬加大，因而縮短了一些長(zhǎng)度；f方案采用了全部齒輪副均為常嚙合齒輪，換擋更為輕便；為了充分利用空間，縮短變速器軸向長(zhǎng)度，有的貨車采用g方案，其缺點(diǎn)是一擋和倒擋得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。后述五種方案可供五擋變速器的選擇：
圖2.1 倒擋布置方案
本次設(shè)計(jì)采用兩軸式五檔變速器，圖2.1（a）所示的倒擋布置方案。
2.2 變速器零、部件布置方案分析
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(zhǎng)、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(duì)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檔和倒擋。本次設(shè)計(jì)一擋到五擋均采用斜齒圓柱齒輪，倒擋采用直齒圓柱齒輪。
2.2.2 換擋的結(jié)構(gòu)形式
如圖2.2所示，變速器換擋機(jī)構(gòu)形式分為直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器換擋三種。
1、滑動(dòng)齒輪換擋
通常采用滑動(dòng)直齒輪換擋，也有采用斜齒輪換擋的?；瑒?dòng)直齒輪換擋的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、容易制造。缺點(diǎn)是換擋時(shí)齒面承受很大的沖擊，會(huì)導(dǎo)致齒輪過早損壞，并且直齒輪工作噪聲大，所以這種換擋方式一般僅用于一擋和倒擋。
（a）滑動(dòng)齒輪換擋 （b）嚙合套換擋 （c）同步器換擋
圖2.2 換擋機(jī)構(gòu)形式
2、嚙合套換擋
用嚙合套換擋，可將構(gòu)成某傳動(dòng)比的一對(duì)齒輪，制成常嚙合的斜齒輪。用嚙合套換擋，因同時(shí)承受換擋沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，而輪齒又不參與換擋，它們都不會(huì)過早損壞，但不能消除換擋沖擊，所以仍要求駕駛員有熟練的操縱技術(shù)。此外，因增設(shè)了嚙合套和常嚙合齒輪，使變速器的軸向尺寸和旋轉(zhuǎn)部分的總慣性力矩增大。因此，這種換擋方法目前只在某些要求不高的擋位及重型貨車變速器上應(yīng)用。
3、同步器換擋
現(xiàn)代大多數(shù)汽車的變速器都采用同步器能保證迅速，無沖擊，無噪聲換擋，而與操縱技術(shù)熟練程度無關(guān)，從而提高了汽車的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行車安全性。同上述兩種換擋方法相比，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，軸向尺寸大。同步環(huán)使用壽命短缺等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。由于同步器的廣泛應(yīng)用，壽命問題已得到基本解決。如瑞典的薩伯-斯堪尼亞（SAAB-Scania）公司，用球墨鑄鐵制造同步器的關(guān)鍵部件，并在其工作表面上鍍上一層鉬，不僅提高了耐磨性，而且提高了工作表面的摩擦系數(shù)，這種同步器試驗(yàn)表明，它的壽命不低于齒輪壽命，法國(guó)的貝利埃（Berliet）。德國(guó)擇孚（ZF）等公司的同步器均采用了這種工藝。
上述三種換擋方案，可同時(shí)用在一變速器中的不同擋位上，一般倒擋和一擋采用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的滑動(dòng)直齒輪或嚙合套的形式；對(duì)于常用的高擋位則采用同步器或嚙合套。轎車要求輕便性和縮短換擋時(shí)間，因此采用全同步器變速器，倒擋采用滑動(dòng)直齒輪。
2.2.3 軸承的形式
變速器軸承常采用圓柱滾子軸承、球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、滑動(dòng)軸承套等。滾針軸承、滑動(dòng)軸承套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的地方。變速器中采用圓錐滾子軸承雖然有直徑較小、寬度較大因而容量大、可承受高負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，但也有需要調(diào)整預(yù)緊、裝配麻煩、磨損后軸易歪斜而影響齒輪正確嚙合的缺點(diǎn)。
由于本設(shè)計(jì)的變速器為兩軸變速器，具有較大的軸向力，所以設(shè)計(jì)中變速器輸入軸的前、后按直徑系列選用深溝球軸承，輸出軸的前、后軸承按直徑系列選用圓錐滾子軸承，齒輪與軸之間選用滾針軸承。
2.2.4 軸的形式
變速器軸多數(shù)情況下經(jīng)軸承安裝在殼體的軸承孔內(nèi)。當(dāng)變速器中心距小，在殼體的同一端面布置兩個(gè)滾動(dòng)軸承有困難時(shí)，輸出軸可以直接壓入殼體孔中，并固定不動(dòng)。
倒檔軸為壓入殼體孔中并固定不動(dòng)的光軸，并由螺栓固定。
變速器的軸上裝有軸承、齒輪、齒套等零件，有的軸上又有矩形或漸開線花鍵，所以設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮裝配上的可能，而且應(yīng)當(dāng)可以順利拆裝軸上各零件。此外，還要注意工藝上的有關(guān)問題。
2.3 變速器操縱機(jī)構(gòu)布置方案設(shè)計(jì)
2.3.1 變速器操縱機(jī)構(gòu)的分類
用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒擋裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選擋、換擋或推到空擋工作，稱為手動(dòng)換擋變速器。
1、直接操縱式手動(dòng)換擋變速器
當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近時(shí)，可將變速桿直接安裝在變速器上，并依靠駕駛員手力和通過變速桿直接完成換擋功能的手動(dòng)換擋變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來 ，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是減少了變速叉軸，各擋同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，但它要求各擋換擋行程相等。
2、遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器
平頭式汽車或發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)汽車的變速器，受總體布置限制，變速器距駕駛員座位較遠(yuǎn)，這時(shí)需要在變速桿與撥叉之間布置若干傳動(dòng)件，換擋手力經(jīng)過這些轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)才能完成換擋功能。這種手動(dòng)換擋變速器，稱為遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器。
3、電動(dòng)自動(dòng)換擋變速器
20世紀(jì)80年代以后，在固定軸式機(jī)械變速器基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)和電子控制技術(shù)，使之實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，并取消了變速桿和離合器踏板。駕駛員只需控制油門踏板，汽車在行駛過程中就能自動(dòng)完成換擋，這種變速器成為電動(dòng)自動(dòng)換擋變速器[10]。
由于所設(shè)計(jì)的變速器為兩軸變速器，采用發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)，變速器離駕駛員座椅較近，所以采用直接操縱式手動(dòng)換擋變速器。
2.3.2 典型的操縱機(jī)構(gòu)及其鎖定裝置設(shè)計(jì)
圖2.3為典型的操縱機(jī)構(gòu)圖
定位裝置的作用是將被嚙合件保持在一定位置上，并防止自動(dòng)嚙合和分離，一般采用彈簧和鋼球式機(jī)構(gòu)。
1、換擋機(jī)構(gòu)
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。
采用軸向滑動(dòng)直齒齒輪換擋，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過早損壞，并伴隨著噪聲。因此，除一擋、倒擋外已很少使用。
常嚙合齒輪可用移動(dòng)嚙合套換擋。因承受換擋沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，嚙合套不會(huì)過早被損壞，但不能消除換擋沖擊。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。
使用同步器能保證換擋迅速、無沖擊、無噪聲，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。利用同步器或嚙合套換擋，其換擋行程要比滑動(dòng)齒輪換擋行程小。
通過比較，考慮汽車的操縱性能，本設(shè)計(jì)全部擋位均選用同步器換擋。
2、防脫擋設(shè)計(jì)
互鎖裝置是保證移動(dòng)某一變速叉軸時(shí)，其它變速叉軸互被鎖住，該機(jī)構(gòu)的作用是防止同時(shí)掛入兩擋，而使掛擋出現(xiàn)重大故障。
操縱機(jī)構(gòu)還應(yīng)設(shè)有保證不能誤掛倒擋的機(jī)構(gòu)。通常是在倒擋叉或叉頭上裝有彈簧機(jī)構(gòu)，使司機(jī)在換擋時(shí)因有彈簧力作用，產(chǎn)生明顯的手感。
鎖止機(jī)構(gòu)還包括自鎖、倒擋鎖兩個(gè)機(jī)構(gòu)。
自鎖機(jī)構(gòu)的作用是將滑桿鎖定在一定位置，保證齒輪全齒長(zhǎng)參加嚙合，并防止自動(dòng)脫擋和掛擋。自鎖機(jī)構(gòu)有球形鎖定機(jī)構(gòu)與桿形鎖定機(jī)構(gòu)兩種類型。
倒擋鎖的作用是使駕駛員必須對(duì)變速桿施加更大的力，方能掛入倒擋，起到提醒注意的作用，以防誤掛倒擋，造成安全事故。
本次設(shè)計(jì)屬于前置前輪驅(qū)動(dòng)的轎車，操縱機(jī)構(gòu)采用直接操縱方式，鎖定機(jī)構(gòu)全部采用，即設(shè)置自鎖、互鎖、倒檔鎖裝置。采用自鎖鋼球來實(shí)現(xiàn)自鎖，通過互鎖銷實(shí)現(xiàn)互鎖。倒擋鎖采用限位彈簧來實(shí)現(xiàn)，使駕駛員有感覺，防止誤掛倒檔。
2.4 本章小結(jié)
本章對(duì)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置方案和零部件結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并給出了此次設(shè)計(jì)的具體方案，即設(shè)計(jì)兩軸式變速器，倒擋布置方案如圖2.1（a）所示，前進(jìn)擋皆為斜齒圓柱齒輪，倒擋為直齒圓柱齒輪，采用全同步器式換擋形式，軸承選取深溝球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承。
第3章 變速器主要參數(shù)的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 變速器設(shè)計(jì)依據(jù)的主要參數(shù)
本次設(shè)計(jì)是根據(jù)HLJIT5H-100的技術(shù)參數(shù)來設(shè)計(jì)的一種變速器，其具體參數(shù)如表3.1。
表3.1 HLJIT5H-100的主要技術(shù)參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率
48kw
車輪型號(hào)
165/66R13
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩
100N·m
最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速
5700 r/min
最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速
3000r/min
最高車速
145km/h
總質(zhì)量
1400kg
前軸載荷
840kg
3.2 擋數(shù)及傳動(dòng)比范圍的確定
3.2.1 擋數(shù)的確定
變速器的擋數(shù)可在3～20個(gè)擋位范圍內(nèi)變化，通常變速器的擋數(shù)在6擋以下，當(dāng)擋數(shù)超過6擋以后，可在6擋以下的主變速器基礎(chǔ)上，再行配置副變速器，通過兩者的組合獲得多擋變速器。
增加變速器的擋數(shù)，能夠改變汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性以及平均車速。擋數(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，而且在使用時(shí)換擋頻率增高并增加了換擋難度。
在最低擋傳動(dòng)比不變的條件，增加變速器的擋數(shù)會(huì)使變速器相鄰的低擋與高擋之間的傳動(dòng)比比值減小，使換擋工作容易進(jìn)行。要求相鄰擋位之間的傳動(dòng)比值在1.8以下，該值越小換擋工作越容易進(jìn)行。因高擋使用頻繁，所以又要求高擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值，要比低擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值小。
本次設(shè)計(jì)的變速器采用5個(gè)前進(jìn)擋位，1個(gè)倒擋位。
3.2.2 傳動(dòng)比范圍
變速器的傳動(dòng)比范圍是指變速器最低擋傳動(dòng)比與最高擋傳動(dòng)比的比值。最高擋通常是1.0，有的變速器最高擋是超速擋,傳動(dòng)比為0.7～0.8。影響最低擋傳動(dòng)比選取的因素有：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)定行駛車速等。目前乘用車的傳動(dòng)比范圍在3.0～4.5之間，總質(zhì)量輕的商用車在5.0～8.0之間，其他商用車則更大。
本次設(shè)計(jì)的變速器最高擋傳動(dòng)比范圍是0.8。
3.3 變速器各擋傳動(dòng)比的確定
3.3.1 主減速器傳動(dòng)比
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系式為：
（3.1）
式中：
——汽車行駛速度（km/h）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——車輪滾動(dòng)半徑（m）；
——變速器傳動(dòng)比；
——主減速器傳動(dòng)比。
已知：最高車速==145 km/h；最高檔為超速檔，傳動(dòng)比=0.8；車輪滾動(dòng)半徑由所選用的輪胎規(guī)格165/65R13得到=264(mm)；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速==5700（r/min）；由公式（3.1）得到主減速器傳動(dòng)比計(jì)算公式：
3.3.2 最低擋傳動(dòng)比計(jì)算
按最大爬坡度設(shè)計(jì)，滿足最大通過能力條件，即用一擋通過要求的最大坡道角坡道時(shí)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于或等于此時(shí)的滾動(dòng)阻力和上坡阻力（加速阻力為零，空氣阻力忽略不計(jì)）。用公式表示如下：
（3.2）
式中：
G ——車輛總重量(N)；
——坡道面滾動(dòng)阻力系數(shù)(對(duì)瀝青路面μ=0.01~0.02)；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩(N·m)；
——主減速器傳動(dòng)比；
——變速器傳動(dòng)比；
——為傳動(dòng)效率（0.85~0.9）；
R ——車輪滾動(dòng)半徑；
——最大爬坡度（一般轎車要求能爬上30%的坡，大約）
由公式（3.2）得：
（3.3）
已知：m=1400kg；；；r=0.264m； N·m；；g=9.8m/s2；，把以上數(shù)據(jù)代入（3.3）式：
滿足不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)條件。即用一擋發(fā)出最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。公式表示如下：
（3.4）
式中：
——驅(qū)動(dòng)輪的地面法向反力，；
——驅(qū)動(dòng)輪與地面間的附著系數(shù)；對(duì)混凝土或?yàn)r青路面可取0.5~0.6之間。
已知：kg；取0.6，把數(shù)據(jù)代入（3.4）式得：
所以，一擋傳動(dòng)比的選擇范圍是：
初選一擋傳動(dòng)比為2.8。
3.3.3 變速器各擋傳動(dòng)比的分配
等比級(jí)數(shù)分配其它各檔傳動(dòng)比，即：
3.4 中心距的選擇
初選中心距可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：
（3.5）
式中：
A ——變速器中心距（mm）；
——中心距系數(shù)，乘用車=8.9~9.3；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)距為100（N·m）；
——變速器一擋傳動(dòng)比為2.8；
——變速器傳動(dòng)效率，取96%。
（8.9~9.3）=（8.9-9.3）6.45=58.5~61.3mm
轎車變速器的中心距在60～80mm范圍內(nèi)變化。初取A=62mm。
3.5 外形尺寸確定
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。
影響變速器殼體的軸向尺寸的因素有擋數(shù)、換擋機(jī)構(gòu)形式以及齒輪形式。
乘用車四擋變速器殼體的軸向尺寸為（3.0～3.4）A。
商用車四擋變速器殼體的軸向尺寸可參考下列數(shù)據(jù)選用：
（1）四擋 （2.2～2.7）A
（2）五擋 （2.7～3.0）A
（3）六擋 （3.2～3.5）A
當(dāng)變速器選用的擋數(shù)和同步器多時(shí)，上述中心距系數(shù)應(yīng)取給出范圍的上限。為了檢測(cè)方便，中心距A最好取為整數(shù)。
軸向尺寸為（3.0～3.4）A=186～220.8mm，取為220mm。
3.6 齒輪參數(shù)確定
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。少數(shù)情況下，汽車變速器各擋齒輪均選用相同的模數(shù)，變速器用齒輪模數(shù)的范圍如表3.2。
所選模數(shù)值應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1357—1987的規(guī)定，如表3.3。選用時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用第一系列，括號(hào)內(nèi)的模數(shù)盡可能不用。嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)采用漸開線齒形。由于工藝上的原因，同一變速器中的接合齒模數(shù)相同。其取用范圍是：乘用車和總質(zhì)量在1.8～14.0t的貨車為2.0～3.5mm；總質(zhì)量大于14.0t的貨車為3.5～5.0mm。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利于換擋。
表3.2 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
表3.3 汽車變速器常用的齒輪模數(shù) （mm）
一系列
1.00
1.25
1.5
2.00
2.50
3.00
4.00
5.00
6.00
二系列
1.75
2.25
2.75
（3.25）
3.50
（3.75）
4.50
5.50
—
轎車模數(shù)的選取以發(fā)動(dòng)機(jī)排量作為依據(jù)，由表3.2選取各檔模數(shù)為，由于轎車對(duì)降低噪聲和振動(dòng)的水平要求較高，所以一擋到五擋均采用斜齒輪，倒擋采用直齒輪。
2、壓力角
對(duì)于轎車，為了降低噪聲，應(yīng)選用14.5°、15°、16°、16.5°等小些的壓力角。對(duì)貨車，為提高齒輪強(qiáng)度，應(yīng)選用22.5°或25°等大些的壓力角[15]。
國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20°，所以普遍采用的壓力角為20°。嚙合套或同步器的壓力角有20°、25°、30°等，普遍采用30°壓力角。
本變速器為了加工方便，故全部選用標(biāo)準(zhǔn)壓力角20°。
3、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)注意它對(duì)齒輪工作噪聲、輪齒的強(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。試驗(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；而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)度和增加重合度著眼，應(yīng)選用較大的螺旋角。
斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用：
（1）乘用車變速器
1）兩軸式變速器為20°～25°
2）中間軸式變速器為22°～34°
（2）貨車變速器：18°～26°
本設(shè)計(jì)初選螺旋角全部為20°。
4、齒寬
在選擇齒寬時(shí)，應(yīng)該注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸、質(zhì)量、齒輪工作平穩(wěn)性、齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)的受力均勻程度等均有影響。
通常根據(jù)齒輪模數(shù)m()的大小來選定齒寬：
（1）直齒b=m, 為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0；
（2）斜齒輪b=，取為6.0～8.5。
斜齒，取為6.0～8.5
一、二擋取8
mm
三、四、五擋取6
mm
直齒倒擋取8 mm
5、齒輪的變位系數(shù)的選擇原則
齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除為了避免齒輪產(chǎn)生根切和配湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨損、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲。
變位齒輪主要有兩類：高度變位和角度變位。高度變位齒輪副的一對(duì)嚙合齒輪的變位系數(shù)之和等于零。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(duì)齒輪的強(qiáng)度，也很難降低噪聲。角度變位齒輪副的變位系數(shù)之和不等于零。角度變位既具有高度變位的優(yōu)點(diǎn)，又避免了其缺點(diǎn)。
變速器齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對(duì)于高擋齒輪，其主要損壞形式是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合及耐磨損最有利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強(qiáng)度，應(yīng)使總變位系數(shù)盡可能取大些，這樣兩齒輪的齒廓漸開線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對(duì)于低擋齒輪，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。為提高小齒輪的抗彎強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)危險(xiǎn)斷面齒厚相等的條件來選擇大小齒輪的變位系數(shù)，此時(shí)小齒輪的變位系數(shù)大于零。由于工作需要，有時(shí)齒輪齒數(shù)取得少（如一擋主動(dòng)齒輪）會(huì)造成輪齒根切。這不僅削弱了輪齒的抗彎強(qiáng)度，而且使重合度減少。此時(shí)應(yīng)對(duì)齒輪進(jìn)行正變位，以消除根切現(xiàn)象。
總變位系數(shù)減少，一對(duì)齒輪齒根總的厚度越薄，齒根越弱，抗彎強(qiáng)度越低。但是由于輪齒的剛度減小，易于吸收沖擊振動(dòng)故噪聲要小一些。另外，值越小，齒輪的齒形重合度越大，這不但對(duì)降噪有利，而且由于齒形重合度增大，單齒承受最大載荷時(shí)的著力點(diǎn)距齒根近，彎曲力矩減小，相當(dāng)于齒根強(qiáng)度提高，對(duì)由于齒根減薄而產(chǎn)生的削弱強(qiáng)度的因素有所抵消。
根據(jù)上述理由，為了降低噪聲，對(duì)于變速器中除去一、二擋和倒擋以外的其他各擋齒輪的總變位系數(shù)要選用較小一些的數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。一般情況下，最高擋和一軸齒輪副的可以選為－0.2～0.2。隨著擋位的降低，值應(yīng)該逐擋增大。一、二擋和倒擋齒輪，應(yīng)該選用較大的值，以便獲得高強(qiáng)度齒輪副。一擋齒輪的值可以選用1.0以上。
6、齒頂高系數(shù)
在齒輪加工精度提高以后，包括我國(guó)在內(nèi)，規(guī)定齒頂高系數(shù)取為1.00。為了增加齒輪嚙合的重合度，降低噪聲和提高齒根強(qiáng)度，有些變速器采用齒頂高系數(shù)大與1.00的細(xì)高齒。
本設(shè)計(jì)取為1.00。
3.7 各擋齒輪齒數(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)變速器的擋數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來分配各擋齒輪的齒數(shù)。應(yīng)該注意的是，各擋齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該盡可能不是整數(shù)，以使齒面磨損均勻。如圖3.1是本次設(shè)計(jì)的變速器的傳動(dòng)方案。
1-一檔主動(dòng)齒輪 2-一檔從動(dòng)齒輪 3-二檔主動(dòng)齒輪 4-二檔從動(dòng)齒輪 5-三檔主動(dòng)齒輪 6-三檔從動(dòng)齒輪 7-四檔主動(dòng)齒輪 8-四檔從動(dòng)齒輪 9-五檔主動(dòng)齒輪 10-五檔從動(dòng)齒輪 11倒檔中間軸齒輪
12-倒檔主動(dòng)齒輪13-倒檔輸出軸齒輪
圖3.1 變速器的傳動(dòng)示意圖
3.7.1 確定一擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比
1、一擋傳動(dòng)比
取整得46。轎車可在12～17之間選取，取12，則。則一擋傳動(dòng)比為：
2、對(duì)中心距A進(jìn)行修正
取整得mm，為標(biāo)準(zhǔn)中心矩。
3.7.2 確定二擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比
1、二擋傳動(dòng)比
取整得47。=15，則。則二擋傳動(dòng)比為：
2、對(duì)中心距A進(jìn)行修正
取整得mm，為標(biāo)準(zhǔn)中心矩。
3.7.3 確定三擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比
1、三擋傳動(dòng)比
取整得47。=19，則。則三擋傳動(dòng)比為：
2、對(duì)中心距A進(jìn)行修正
取整得mm，為標(biāo)準(zhǔn)中心矩。
3.7.4 確定四擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比
1、四擋傳動(dòng)比
取整得47。=22，則。則四擋傳動(dòng)比為：
2、對(duì)中心距A進(jìn)行修正
取整得mm，為標(biāo)準(zhǔn)中心矩。
3.7.5 確定五擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比
1、五擋傳動(dòng)比
取整得47。=26，則。則五擋傳動(dòng)比為：
2、對(duì)中心距A進(jìn)行修正
取整得mm，為標(biāo)準(zhǔn)中心矩。
3.7.6 確定倒擋齒輪的齒數(shù)及傳動(dòng)比
初選倒擋軸上齒輪齒數(shù)為=21，輸入軸齒輪齒數(shù)=11，為保證倒擋齒輪的嚙合不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉齒輪11和齒輪12的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙，即滿足以下公式：
（3.6）
已知：，，把數(shù)據(jù)代入（3.6）式，齒數(shù)取整，解得：，則倒檔傳動(dòng)比為：
輸入軸與倒擋軸之間的距離：
mm
輸出軸與倒擋軸之間的距離：
mm
3.8 變速器齒輪的變位
3.8.1 確定一擋齒輪變位系數(shù)
法面模數(shù) =2.5
端面模數(shù) ==≈2.66mm
法面壓力角
=20°
端面壓力角
=arctg=≈21.17°
理論中心距
A==2.66=61.19mm
中心距變動(dòng)系數(shù)
===0.324
===0.324=0.014
查表得=0.014483，則總變位系數(shù)
==0.014483=0.3331
根據(jù)齒數(shù)比==2.8，按線圖3.2分配變位系數(shù)得=0.28，則
=－=0.3331－0.28=0.0531
圖 3.2 選擇變位系數(shù)線路圖
3.8.2 確定二擋齒輪變位系數(shù)
法面模數(shù) =2.5
端面模數(shù) ==≈2.66mm
法面壓力角
=20°
端面壓力角
=arctg=≈21.17°
理論中心距
A==2.66=62.5mm
中心距變動(dòng)系數(shù)
===-0.2
===0.324=0.01378
查表得=0.0163617，則總變位系數(shù)
==0.0163617=0.3845
根據(jù)齒數(shù)比==2.13，按線圖3.2分配變位系數(shù)得=0.25，則
=－=0.3845－0.25=0.1345
3.8.3確定三擋齒輪變位系數(shù)
法面模數(shù) =2.5
端面模數(shù) ==≈2.66mm
法面壓力角
=20°
端面壓力角
=arctg=≈21.17°
理論中心距
A==2.66=62.5mm
中心距變動(dòng)系數(shù)
===-0.2
===0.324=0.01378
查表得=0.01637，則總變位系數(shù)
==0.01637=0.3847
根據(jù)齒數(shù)比==1.47，按線圖3.2分配變位系數(shù)得=0.1，則
=－=0.3847－0.1=0.2847
3.8.4 確定四擋齒輪變位系數(shù)
法面模數(shù) =2.5
端面模數(shù) ==≈2.66mm
法面壓力角 =20°
端面壓力角 =arctg=≈21.17°
理論中心距 A==2.66=62.5mm
中心距變動(dòng)系數(shù)
===-0.2
===0.314=0.01378
查表得=0.01637，則總變位系數(shù)
==0.01637=0.3847
根據(jù)齒數(shù)比==1.136，按線圖3.2分配變位系數(shù)得=0.05，則
=－=0.3847－0.05=0.3347
3.8.5 確定五擋齒輪變位系數(shù)
法面模數(shù) =2.5
端面模數(shù) ==≈2.66mm
法面壓力角 =20°
端面壓力角 =arctg=≈21.17°
理論中心距
A==2.66=62.5mm
中心距變動(dòng)系數(shù)
===-0.2
===0.324=0.01378
查表得=0.01637，則總變位系數(shù)
==0.01637=0.3847
根據(jù)齒數(shù)比==0.8，按線圖3.2分配變位系數(shù)得=0.1923，則
=－=0.3847－0.1923=0.1923
3.8.6 本次設(shè)計(jì)所有齒輪的幾何尺寸如表3.4、3.5所示。
表3.4 直齒圓柱齒輪的幾何尺寸 (mm)
分度圓直徑
27.5
75
52.5
齒頂高
2.5
2.5
2.5
齒根高
3
3
3
齒全高
5.5
5.5
5.5
齒頂圓直徑
32.5
80
57.5
齒根圓直徑
25
68.75
46.25
中心距
=62 =40 =63.75
節(jié)圓直徑
33.27
90.73
81.4
基節(jié)
6
6
6
基圓直徑
26
70.5
49.3
表3.5 斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸 (mm)
端面模數(shù)
2.66
2.66
2.66
2.66
2.66
2.66
2.66
2.66
2.66
2.66
端面壓力角
21.17
21.17
21.17
21.17
21.17
21.17
21.17
21.17
21.17
21.17
螺旋角
20
20
20
20
20
20
20
20
20
20
分度圓直徑
31.9
90
40
85
50.55
76
58.53
66.5
69.17
53.87
齒頂高
2.5
2.61
1.66
1.375
1.29
1.75
1.16
1.875
1.519
1.519
齒根高
2.425
3
1.875
2.79
2.875
2.4
3
2.29
1.06
1.07
齒全高
4.925
5.61
3.535
4.165
4.165
3.13
4.16
4.165
3.525
3.526
齒頂圓直徑
37
93
43.22
87
53.13
78
60.85
70.25
72.2
58
中心距
62
62
62
62
62
基圓直徑
28.19
80
35.3
75.2
44.64
65.78
51.68
58.73
61.08
49.33
節(jié)圓直徑
32.34
91.66
39.57
84.4
50.13
73.87
58.04
65.96
68.6
55.4
當(dāng)量齒數(shù)
14
40
18
38
23
33
26
30
31
25
齒根圓直徑
29
86.5
38
79.52
44.8
69.7
52.53
61.92
67
50
3.9 本章小結(jié)
本章主要介紹了變速器主要參數(shù)的選擇，包括確定擋數(shù)、傳動(dòng)比范圍，根據(jù)最大爬坡度和驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著力確定一擋傳動(dòng)比和五擋傳動(dòng)比，進(jìn)而確定其它各擋傳動(dòng)比，選擇中心距、外形尺寸以及齒輪參數(shù)，根據(jù)變速器的傳動(dòng)示意圖確定各擋齒輪齒數(shù)，進(jìn)行各擋齒輪變位系數(shù)的分配。最后列出了各擋齒輪的幾何尺寸。這些為之后齒輪、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算做好了準(zhǔn)備。
第4章 變速器主要結(jié)構(gòu)元件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1 齒輪損壞的原因及形式
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）、齒面膠合以及移動(dòng)換擋齒輪端部破壞。
齒輪在嚙合過程中，輪齒根部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，過渡圓角處又有應(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)的粗粒狀表面。在汽車變速器中這種破壞情況很少發(fā)生。而常見的斷裂是由于在重復(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)展到一定深度后產(chǎn)生的折斷，其破壞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。變速器低擋小齒輪由于載荷大而齒數(shù)少、齒根較弱，其主要的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的破壞形式。齒面長(zhǎng)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(rùn)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，使齒面上形成大量的扇形小麻點(diǎn)，即所謂點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕使齒形誤差加大而產(chǎn)生載荷，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)圓頂部齒面處的點(diǎn)蝕嚴(yán)重；主動(dòng)小齒輪較被動(dòng)大齒輪嚴(yán)重。
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(duì)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，提高齒面硬度等，可提高齒面的接觸強(qiáng)度。采用黏度大、耐高溫、耐高壓的潤(rùn)滑油，提高油膜強(qiáng)度，選擇適當(dāng)?shù)凝X面表面處理和鍍層等，是防止齒面膠合的措施。
用移動(dòng)齒輪的方法完成換擋的低檔和倒擋齒輪，由于換擋時(shí)兩個(gè)進(jìn)入嚙合的齒輪存在角速度差，換擋瞬間在輪齒端部產(chǎn)生沖擊載荷，并造成損壞。
4.2 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(duì)齒輪傳動(dòng)有不同的要求，故對(duì)齒輪材料亦有不同的要求。但是對(duì)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(duì)
如對(duì)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
變速器齒輪滲碳層深度推薦采用下列值：
時(shí)滲碳層深度0.8～1.2
時(shí)滲碳層深度0.9～1.3
時(shí)滲碳層深度1.0～1.3
表面硬度HRC58～63；心部硬度HRC33～48
對(duì)于氰化齒輪，氰化層深度不應(yīng)小于0.2；表面硬度HRC48～53。
對(duì)于大模數(shù)的重型汽車變速器齒輪，可采用25CrMnMO，20CrNiMO，12Cr3A等鋼材，這些低碳合金鋼都需隨