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SY-025-BY-2 畢業(yè)設計任務書 學生姓名 申 一 系部 汽車與交通 工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程07-8班 指導教師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 從事專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 捷達轎車GIF兩軸式變速器的設計 一、設計目的、意義 捷達轎車以其經久耐用、操控性好受到許多用戶的青睞，銷量全國領先。汽車變速器是汽車上的重要部件，其設計的合理性關系到整車的性能。 變速器設計應該以車輛的類型、使用條件和運行參數為依據。 變速器設計的關鍵是結構設計和各零件材料的選擇。變速器結構型式和材料的選擇一方面關系到整車應用的可靠性，另一方面也關系到是否由于過設計而成為造成車輛超載的隱患。因此，合理進行變速器設計對整車使用性能起著關鍵的作用。 本設計是根據轎車的工作特點，設計一款簡單適用的二軸變速器。 變速器操縱機構設計合理性關系到平穩(wěn)換檔、使駕駛員操作輕便不過早感到疲勞。二軸式變速器設計的合理性，關系到動力的傳遞和動力的有效輸出。 二、設計內容、研究方法 1．設計內容 完成捷達轎車GIF兩軸式變速器的設計。 根據轎車的結構特點和行駛條件，擬定汽車的基本技術參數，完成該車發(fā)動機的選擇和傳動系檔數和各檔傳動比的確定，完成汽車變速器總成設計，包括操縱機構、輸入軸和輸出軸。 2．研究方法 1）在調研及查閱資料的基礎上，合理確定必要的車輛技術參數作為設計的依據。主要包括汽車的質量參數、總體布置型式、汽車的行駛條件以及要達到的基本的性能指標等； 2）合理選擇發(fā)動機及確定傳動系的檔數和各檔傳動比，確定變速器各檔傳動比，要求 綜合考慮汽車動力性和經濟性指標， 3）完成變速器總布置設計，要求結構合理； 4）完成動力傳遞路線設計，要求傳遞參數綜合考慮各因素并經多次反復驗算后確定； 5）完成變速器的總成和零部件設計； 6）總體結構設計和零件設計滿足機械設計的要求，做必要的運動學和動力學方面的校核。 三、設計完成后應提交的成果 （一）設計說明書一份 要求：內容完整、數據詳實、應用性強。 （二）圖紙部分 圖紙量折合成0號圖紙3張以上 要求：包含總成圖和零件圖各若干張，結構表達清楚，材料選擇合理。 四、設計進度安排 （1）調研、搜集資料，撰寫開題報告和文獻綜述 第1~2周（2月28日~3月11日） （2）確定設計依據的技術參數，選擇發(fā)動機并確定傳動系參數 第 3-4周（3月14日~3月25日） （3）確定設計方案，確定總布置形式 第5~6周（3月28日~4月8日） （4）確定動力傳遞路線及傳遞數據 第7周（4月11日~4月15日） （5）完成變速器的操縱機構及傳動機構的結構設計（參數運算和力學分析） 第8~10周（4月18日~5月6日） （6）繪制操縱機構和傳動機構的總成及零件圖。 第11~13周（5月9日~5月27日） （7）撰寫設計說明書 第14周（5月30日~6月3日） （8）畢業(yè)設計審核、修改 第15~16周（6月6日~6月17日） （9）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月20日~6月24日） 五、主要參考資料 [1] 王望予 . 汽車設計 ，機械工業(yè)出版社 [2] 王國林 . 汽車底盤構造及維修 ，高等教育出版社 , 2005.1 [3] 劉惟信 . 汽車變速器設計 . 清華大學出版社 [4] 陳家瑞 . 汽車構造 ，機械工業(yè)出版社 , 2005.1 [5] 王寶璽 . 汽車拖拉機制造工藝學，機械工業(yè)出版社，2005 [6] 齊曉杰 . 汽車液壓、液力與氣壓傳動技術，化學工業(yè)出版社，2004.12 [7] 王世剛 . 機械設計實踐 . 哈爾濱工程大學出版社，2003 [8] 戴枝榮 . 工程材料 . 高等教育出版社，2001 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目: 捷達轎車GIF兩軸式變速器設計 院 系 名 稱: 汽車與交通工程學院 專 業(yè) 班 級: 車輛工程07-8班 學 生 姓 名: 申 一 導 師 姓 名: 紀峻嶺 開 題 時 間: 2011年3月11號 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 申 一 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛工程07-8班 指導教師姓名 紀峻嶺 職稱 副教授 從事專業(yè) 車輛工程 是否外聘 □是■否 題目名稱 捷達轎車GIF兩軸式變速器設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1.課題研究現(xiàn)狀 在汽車變速箱100多年的歷史中，主要經歷了從手動到自動的發(fā)展過程。目前世界上使用最多的汽車變速器為手動變速器（MT）、自動變速器（AT）、手自一體變速器（AMT）、無級變速器（CVT）、雙離合變速器（DCT）五種型式。 它們各有優(yōu)缺點：MT的節(jié)能效果最好、經濟性娛樂性強，但對駕駛技術要求高；AT的節(jié)能效果差一些，但是操作簡單、舒適性好、元器件可靠性高；AMT具備前兩者的優(yōu)點，但在換擋時會有短暫的中斷，舒適性差一些；CVT結構簡單、效率高、功率大、車速變化平穩(wěn)，但它的傳動帶容易損壞，無法承受較大的載荷；DCT結合了手動變速器的燃油經濟性和自動變速器的舒適性，它是從傳統(tǒng)的手動變速器演變而來，目前代表變速器的最高技術。 在我國，據調查2007年手動變速器的市場比重為74%，占據較大的市場份額。從2002到2007年間自動檔變速器市場占有率從9%增長到26%，Global Insight公司預計到2012年自動檔變速器將占據33%的份額，而乘用車市場自動檔所占的比例可能達到44%。從2002-2006年間，女性用戶從20.3%增長到30.9%，而自動檔變速器使用方便特點深受女性用戶群的喜愛。另外在消費者調查中最受關注的汽車配件中，第一名是安全氣囊，第二就是自動檔的變速器。在中國，自動檔變速器的市場是十分樂觀的。同時手動檔變速器的節(jié)能型，經濟性以及駕駛娛樂性也決定了其不可替代性。 2.國內研究綜述 我國從60年代起,就在“紅旗”770轎車上使用了具有2個前進檔的液力自動變速器,1975年又研制出具有3個前進檔的CA774液力自動變速器。80年代初,老“紅旗”轎車因油耗高而停止生產。油耗高的原因除液力自動變速器效率問題外,更主要的要歸因于其高達5.6L排量的發(fā)動機。 此外,除在部分軍用車輛上使用了液力自動變速器外,國內汽車行業(yè)幾乎與自動變速器無緣。甚至有人認為,中國在2000年以前不需要自動變速器。 隨著中國的改革開放,大量國外轎車進入我國市場,其中許多中高檔轎車是帶有自動變速器的,而其類別幾乎全部是液力自動變速器。這也使一大批汽車修理企業(yè)對液力自動變速器的維修變得十分熟悉。 由于對自動變速器良好性能的逐漸認識,用戶的需求量越來越大,使國內汽車企業(yè)加快了自動變速器的發(fā)展步伐。1998年,一汽大眾公司生產的“捷達王”已將自動變速器列為選裝件。神龍汽車公司也在其“富康”1.6L的車型上推出了電控式液力自動變速器。上海通用汽車公司在所生產的別克“世紀”轎車上裝備了目前最為先進的一種液力自動變速器——4T65E型四檔電控自動變速驅動橋。而廣州本田“雅閣”轎車,自動變速器幾乎是標準配置。因此,在國產車上選裝液力自動變速器已成為必然之勢。 從研究與生產環(huán)節(jié)來看,CA770液力自動變速器生產過近2 000臺,加之工程機械、軍用車輛采用動力換檔的行星齒輪變速器已有10多年的歷史,近幾年,國內也為大功率車輛研制成功電控自動變速器,因此可以說,在液力自動變速器的研究、生產以及修理方面均有一定的基礎。但目前國產轎車所裝用的液力自動變速器全部都依靠進口。不過通用汽車公司在上海的合資企業(yè)已開始試生產4T65E型四檔電控自動變速驅動橋。當然,完全國產化還有一段路要走。 在電子控制機械式自動變速器方面,國內有關部門也正在進行研究。目前已生產出樣機。 至于機械式無級變速器,早在十年前,國內就有高校購買過國外樣機作分析研究,但苦于經費問題,無法深入進行。近一兩年一些高校才又開始重新起步。根據國外目前CVT應用的趨勢和所做的預測,CVT可能是小功率(發(fā)動機排量2L以下)液力自動變速器最有威脅的挑戰(zhàn)者,國內市場前景不容忽視。但要想完全依靠國內自己的力量做成實用的CVT,既不現(xiàn)實,時間上也不允許。走技術引進的道路是一條捷徑。 按照我國汽車工業(yè)產業(yè)政策的規(guī)劃,到2010年我國轎車產量將達400萬輛,不過這個目標可能過于樂觀。筆者認為,屆時年產200萬輛轎車是完全有可能的,而由于大量非職業(yè)駕駛人員的出現(xiàn)和對汽車性能要求的提高,裝備自動變速器的至少占10%,再加上部分大客車也采用自動變速器,對自動變速器的需求量將在20萬臺以上,這對于我國的汽車工業(yè)而言,將是一個極好的機遇,同時也是一場新的挑戰(zhàn)。 3.目的與意義: 捷達轎車以其經久耐用、操控性好受到許多用戶的青睞，銷量全國領先。汽車變速器是汽車上的重要部件，其設計的合理性關系到整車的性能。 變速器設計應該以車輛的類型、使用條件和運行參數為依據。 變速器設計的關鍵是結構設計和各零件材料的選擇。變速器結構型式和材料的選擇一方面關系到整車應用的可靠性，另一方面也關系到是否由于過設計而成為造成車輛超載的隱患。因此，合理進行變速器設計對整車使用性能起著關鍵的作用。 本設計是根據轎車的工作特點，設計一款簡單適用的二軸變速器。 變速器操縱機構設計合理性關系到平穩(wěn)換檔、使駕駛員操作輕便不過早感到疲勞。二軸式變速器設計的合理性，關系到動力的傳遞和動力的有效輸出。 二、設計（論文）的基本內容、擬解決的主要問題 1.設計基本內容 （1）捷達轎車五檔兩軸式變速器傳動機構布置方案 （2）捷達轎車變速器基本參數的確定 （3）捷達轎車各擋齒輪的設計及校核 （4）捷達轎車傳動軸的設計及校核 （5）捷達轎車軸承的選擇及校核 （6）捷達轎車同步器和操縱機構的設計選用 （7）捷達轎車變速器箱體的設計 （8）CAD繪制裝配圖及零件圖 2.擬解決的主要問題 （1）根據轎車的結構特點和行駛條件，擬定汽車的基本技術參數 （2）完成該車發(fā)動機的選擇和傳動系檔數和各檔傳動比的確定 （3）完成汽車變速器總成設計，包括操縱機構、輸入軸和輸出軸 三、技術路線（研究方法） 收集資料，選擇車型知識準備，選擇方案 確定設計參數 變速器傳動機構布置方案 擋數及各擋傳動比的確定 CAD繪制裝配圖、零件圖 完成設計說明書 變速器箱體的設計 同步器和操縱機構的設計選用 主要零部件的設計及計算 齒輪參數確定及各擋齒輪齒數分配 輪齒強度計算 軸的設計及校核 軸承的選擇及校核 軸向尺寸的確定 變速器中心距的確定 變速器基本參數的確定 四、進度安排 （1）調研、搜集資料，撰寫開題報告和文獻綜述 第1~2周（2月28日~3月11日） （2）確定設計依據的技術參數，選擇發(fā)動機并確定傳動系參數 第 3-4周（3月14日~3月25日） （3）確定設計方案，確定總布置形式 第5~6周（3月28日~4月8日） （4）確定動力傳遞路線及傳遞數據 第7周（4月11日~4月15日） （5）完成變速器的操縱機構及傳動機構的結構設計（參數運算和力學分析） 第8~10周（4月18日~5月6日） （6）繪制操縱機構和傳動機構的總成及零件圖。 第11~13周（5月9日~5月27日） （7）撰寫設計說明書 第14周（5月30日~6月3日） （8）畢業(yè)設計審核、修改 第15~16周（6月6日~6月17日） （9）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月20日~6月24日） 5、 參考文獻 [1] 劉惟信.汽車設計[M].清華大學出版社，2001.7 [2] 臧杰，閻巖.汽車構造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.7 [3] 王望予.汽車設計（第4版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.9 [4] 余志生.汽車理論（第4版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.1 [5] 王寶璽，賈慶祥.汽車制造工藝學（第3版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.1 [6] 楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設計基礎（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5 [7] 殷玉楓.機械設計課程設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.6 [8] 蔡春源.簡明機械零件手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.3 [9] 徐灝.機械設計手冊（3）[M].機械工業(yè)出版社，1991 [10] 劉品.機械精度設計與檢測基礎（第5版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007.9 [11] 蔡炳炎，徐勇，林寧.機械式汽車變速器的速比配置分析[J].機械研究與應用 2005-04 [12] 向立明.汽車變速器的發(fā)展歷史及未來趨勢[J].公路與汽運，2007.1（1）：21～41 [13] 寧斌.474汽車變速器倒檔錐度環(huán)的結構改進[J].裝備制造技術，2007（1）：77～82 [14] 馬力，印昌元.國外轎車變速器發(fā)展現(xiàn)狀[J] 世界汽車，1999,（02） [15] 張炳力，趙韓，今朝勇，朱可.汽車自動變速器研究現(xiàn)轉機展望[J] 中國機械工程，2006（S2） [16] 過學迅,吳濤.汽車自動變速器在中國的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J] 汽車研究與開發(fā)，1999，（06） [17] 王銘.汽車變速器全解析[J] 汽車維修，2010,（05） [18] 吳光強，孫賢安.汽車自動變速器發(fā)展綜述[J] 同濟大學學報（自然科學版）2010,（10） [19] 彭運鈞. 自動變速器的換擋規(guī)律[J] 工程機械與維修 , 2005, (07) [20] 楊勝義.現(xiàn)代汽車變速器技術發(fā)展[J] 中國商界(上半月),2010,(09) [21] Liu Weixin,Ge Ping,Li Wei.Study of Optimal Matching Between Automobile Transmission Parameters and Engine,Transportation Systems-1990-,AMD-Vol.108.The Winter Annual Meeting of The ASME,Dallas,Texas,Nov.25～30，1990 [22] John Fenton.Hand Book of Vehicle Design Analysis.Warrendale,PA.,USA:Society of Automotive Engineer,Inc.65～71，1996 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計（論文） 摘　　要 汽車傳動系是汽車的核心組成部分。其任務是調節(jié)變換發(fā)動機的性能，將動力有效而經濟地傳至驅動車輪，以滿足汽車的使用要求。變速器是完成傳動系任務的重要部件，也是決定整車性能的主要部件之一。變速器的設計水平對汽車的動力性、燃料經濟性、換擋操縱的可靠性與輕便性、傳動平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,轎車變速器的設計趨勢為增大變速器傳遞功率與重量之比,并要求變速器具有較小的尺寸和良好性能。 本文闡述了發(fā)動機的選擇、變速器方案的確定、變速器設計、變速器同步器設計、變速器箱體設計。在給定捷達GIF發(fā)動機輸出轉矩、轉速及最高車速、最大爬坡度等條件下,著重對變速器齒輪的結構參數、軸的結構尺寸等進行設計計算。 關鍵詞：變速器；齒輪；同步器；設計；結構 ABSTRACT Drivetrain is the core components of automobile. Its task is transforming and regulateing the performance of engine. Transmission can effectively and economically conveyed the power to the wheel which can meet the requirement of vehicles. Transmission is the important part of drivetrain components to complete the tasks. as well as one of the main factor to decide the whole performance of vehicle. The standards of Transmission designing can directly impact the vehicle dynamics, fuel economy, the reliability and portability of shifting, the smoothness and efficiency of Transmiting. Along with the development of the automobile industry, the trend of car transmission designing is to increase its transmission power and decrese its weight ,and hope have smaller size and excellent performance. This thesis are expounded the engine choice, transmission solution, transmission design , design for transmission the synchronizer, design for transmission the first axis ,design for transmission box.In conditions that knowing the JATTA engine out put torque, speed of engine and maximum speed of vehicles, maximum degree, focus on the designing of transmission gear structural parameters, axis geometry design computation; as well as the transmission and drive program structure design. Key words: Transmission；Gear；Synchronizer ；Design；Structure I  目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 概述 1 1.1.1 汽車變速器的設計要求 1 1.1.2 國內外汽車變速器的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2 設計的內容及方法 2 第2章 變速器傳動機構與操縱機構的布置 3 2.1 變速器傳動機構布置方案 3 2.1.1 變速器傳動方案分析與選擇 3 2.1.2 倒檔布置方案 3 2.1.3 零部件結構方案分析 4 2.2 變速器操縱機構布置方案 6 2.2.1 概述 6 2.2.2 典型的操縱機構及其鎖定裝置 7 2.3 本章小結 9 第3章 變速器的設計與計算 10 3.1 變速器主要參數的選擇 10 3.1.1 檔數 10 3.1.2 傳動比范圍 10 3.1.3 變速器各檔傳動比的確定 10 3.1.4 中心距的選擇 13 3.1.5 變速器的外形尺寸 13 3.1.6 齒輪參數的選擇 13 3.1.7 各檔齒輪齒數的分配及傳動比的計算 15 3.1.8 變速器齒輪的變位及齒輪螺旋角的調整 18 3.2 變速器齒輪強度校核 19 3.2.1 齒輪材料的選擇原則 19 3.2.2 變速器齒輪彎曲強度校核 20 3.2.3 輪齒接觸應力校核 23 3.2.4 倒檔齒輪的校核 27 3.3 軸的結構和尺寸設計 30 3.3.1 初選軸的直徑 30 3.4 軸的強度驗算 32 3.4.1 軸的剛度計算 32 3.4.2 軸的強度計算 39 3.5 軸承選擇與壽命計算 44 3.5.1 輸入軸軸承的選擇與壽命計算 45 3.5.2 輸出軸軸承的選擇與壽命計算 47 3.6 本章小結 49 第4章 變速器同步器及結構元件設計 50 4.1 同步器設計 50 4.1.1 同步器的功用及分類 50 4.1.2 慣性式同步器 50 4.1.3 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定 51 4.1.4 主要參數的確定 52 4.2 變速器殼體 54 4.3 本章小結 54 結論 55 參考文獻 56 致謝 57 附錄 58 第1章 緒 論 1.1 概述 隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，車型的多樣化、個性化已經成為汽車發(fā)展的趨勢。而變速器設計是汽車設計中重要的環(huán)節(jié)之一。它是用來改變發(fā)動機傳到驅動輪上的轉矩和轉速，目的是在各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時使發(fā)動機在最有利的工況范圍內工作。因此它的性能影響到汽車的動力性和經濟性指標，對轎車而言，其設計意義更為明顯。在對汽車性能要求越來越高的今天，車輛的舒適性也是評價汽車的一個重要指標，而變速器的設計不合理，將會使汽車的舒適性下降，使汽車的運行噪聲增大，影響汽車的整體性。 1.1.1 汽車變速器的設計要求 汽車傳動系是汽車的核心組成部分。其任務是調節(jié)、變換發(fā)動機的性能，將動力有效而經濟地傳至驅動車輪，以滿足汽車的使用要求[1]。變速器是完成傳動系任務的重要部件，也是決定整車性能的主要部件之一。變速器的結構要求對汽車的動力性、燃料經濟性、換檔操縱的可靠性與輕便性、傳動平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，轎車變速器的設計趨勢是增大其傳遞功率與重量之比，并要求其具有更小的尺寸和良好的性能。在汽車變速器的設計工作開始之前，首先要根據變速器運用的實際場合來對一些主要參數做出選擇。主要參數包括中心距、變速器軸向尺寸、軸的直徑、齒輪參數、各檔齒輪的齒數等。 變速器的基本設計要求[2]：保證汽車有必要的動力性和經濟性；設置空檔，用來切斷發(fā)動機動力向驅動輪的傳輸；設置倒檔，使汽車能倒退行駛；換檔迅速、省力、方便；工作可靠，汽車行駛過程中，變速器不得有跳檔、亂檔，以及換檔沖擊等現(xiàn)象出現(xiàn)；工作效率高，噪聲?。唤Y構簡單、方案合理；在滿載及沖擊載荷條件下，使用壽命長；除此之外，變速器還應當滿足輪廓尺寸和質量小、制造成本低、維修方便等要求。 變速器傳動機構有兩種分類方法。 根據前進檔數分為：三檔變速器，四檔變速器，五檔變速器，多檔變速器。 根據軸的形式分為：固定軸式，旋轉軸式。其中固定軸式又分為：兩軸式變速器，中間軸式變速器，雙中間軸式變速器，多中間軸式變速器。固定軸式應用廣泛，其中兩軸式變速器多用于發(fā)動機前置前輪驅動的汽車上，中間軸式變速器多用于發(fā)動機前置后輪驅動的汽車上。旋轉軸式主要用于液力機械式變速器。 1.1.2 國內外汽車變速器的發(fā)展現(xiàn)狀 汽車自動變速器目前在國際上已成為發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)的手動變速器相比，汽車自動變速器在節(jié)能、可操控和駕駛舒適性等方面有顯著優(yōu)勢。因此，自動變速器在汽車工業(yè)發(fā)達國家和地區(qū)的市場占有率越來越高。當前，自動變速器在美國汽車市場上的占有率接近90%，在日本汽車市場上占有率在80%以上，在歐洲乘用車市場上占有率在50%以上，而在我國目前6000多萬輛的汽車保有量中，自動擋車約占10%以上。 在美國，AT（液力自動變速器）占有絕對優(yōu)勢。這主要是因為其自動變速器發(fā)展較早，消費者要求汽車必須操控簡單，駕乘舒適，且對油耗并不敏感。這種消費習慣造就了美國以AT為主的自動變速器市場。 歐洲消費者注重駕駛體驗和駕駛樂趣，喜歡手動操控對機械帶來的控制感，并且對油耗比較看重，所以自動變速器發(fā)展空間T（雙離合器式自動變速器）出現(xiàn)后，立刻成為歐洲市場的寵兒。 日本是世界上CVT（無級變速器）裝車率最高的市場。日本消費者對CVT這種可以使發(fā)動機一直工作在同一轉速區(qū)間保持低噪聲并連續(xù)加速的變速器青睞有加。在我國，自動變速器市場近些年每年都在以20%的速度增長，但畢竟起步晚，基礎薄弱，大量自動變速器仍然依賴進口。自主品牌企業(yè)開發(fā)了一些新產品，但多數沒有形成產業(yè)化，產品技術路線也不是十分清晰。本刊將從第10期開始連續(xù)在“產業(yè)透視”欄目介紹我國自動變速器發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢，以饗讀者。 變速器是汽車能量的“轉換器”,其性能好壞對現(xiàn)代汽車行駛的平順性、舒適性、連貫性等至關重要。隨著國內外汽車市場的發(fā)展，采用自動變速器的自動擋車需求量加大，近兩年我國轎車市場中自動擋車型的銷量約占總銷量的35%左右。但由于自動變速器結構復雜，研發(fā)成本高，零件加工難度大，研制技術及生產被國外企業(yè)所壟斷，國內市場這類產品生產能力很小，主要由外資及外資控股企業(yè)生產，其余基本依靠進口。 我國從60年代起,就在“紅旗”770轎車上使用了具有2個前進檔的液力自動變速器,1975年又研制出具有3個前進檔的CA774液力自動變速器。80年代初,老“紅旗”轎車因油耗高而停止生產。油耗高的原因除液力自動變速器效率問題外,更主要的要歸因于其高達5.6L排量的發(fā)動機。 此外,除在部分軍用車輛上使用了液力自動變速器外,國內汽車行業(yè)幾乎與自動變速器無緣。甚至有人認為,中國在2000年以前不需要自動變速器。 隨著中國的改革開放,大量國外轎車進入我國市場,其中許多中高檔轎車是帶有自動變速器的,而其類別幾乎全部是液力自動變速器。這也使一大批汽車修理企業(yè)對液力自動變速器的維修變得十分熟悉。 由于對自動變速器良好性能的逐漸認識,用戶的需求量越來越大,使國內汽車企業(yè)加快了自動變速器的發(fā)展步伐。1998年,一汽大眾公司生產的“捷達王”已將自動變速器列為選裝件。神龍汽車公司也在其“富康”1.6L的車型上推出了電控式液力自動變速器。上海通用汽車公司在所生產的別克“世紀”轎車上裝備了目前最為先進的一種液力自動變速器——4T65E型四檔電控自動變速驅動橋。而廣州本田“雅閣”轎車,自動變速器幾乎是標準配置。因此,在國產車上選裝液力自動變速器已成為必然之勢。 從研究與生產環(huán)節(jié)來看,CA770液力自動變速器生產過近2 000臺,加之工程機械、軍用車輛采用動力換檔的行星齒輪變速器已有10多年的歷史,近幾年,國內也為大功率車輛研制成功電控自動變速器,因此可以說,在液力自動變速器的研究、生產以及修理方面均有一定的基礎。但目前國產轎車所裝用的液力自動變速器全部都依靠進口。不過通用汽車公司在上海的合資企業(yè)已開始試生產4T65E型四檔電控自動變速驅動橋。當然,完全國產化還有一段路要走。 在電子控制機械式自動變速器方面,國內有關部門也正在進行研究。目前已生產出樣機。 至于機械式無級變速器,早在十年前,國內就有高校購買過國外樣機作分析研究,但苦于經費問題,無法深入進行。近一兩年一些高校才又開始重新起步。根據國外目前CVT應用的趨勢和所做的預測,CVT可能是小功率(發(fā)動機排量2L以下)液力自動變速器最有威脅的挑戰(zhàn)者,國內市場前景不容忽視。但要想完全依靠國內自己的力量做成實用的CVT,既不現(xiàn)實,時間上也不允許。走技術引進的道路是一條捷徑。 按照我國汽車工業(yè)產業(yè)政策的規(guī)劃,到2010年我國轎車產量將達400萬輛,不過這個目標可能過于樂觀。筆者認為,屆時年產200萬輛轎車是完全有可能的,而由于大量非職業(yè)駕駛人員的出現(xiàn)和對汽車性能要求的提高,裝備自動變速器的至少占10%,再加上部分大客車也采用自動變速器,對自動變速器的需求量將在20萬臺以上,這對于我國的汽車工業(yè)而言,將是一個極好的機遇,同時也是一場新的挑戰(zhàn)。 目前，國內外汽車變速器的發(fā)展十分迅速，普遍研究和采用電控自動變速器，這種變速器具有更好的駕駛性能、良好的行駛性能、以及更高的行車安全性[3]。但是駕駛員失去了駕駛樂趣，不能更好的體驗駕駛所帶來的樂趣。機械式手動變速器具有結構簡單、傳動效率高、制造成本底和工作可靠，具有良好的駕駛樂趣等優(yōu)點，故在不同形式的汽車上得到廣泛應用。在檔位的設置方面，國外對其操縱的方便性和檔位數等方面的要求愈來愈高。目前，4檔特別是5檔變速器的用量有日漸增多的趨勢。同時，6檔變速器的裝車率也在日益上升[4]。 1.2 設計的內容及方法 本次設計的變速器是在原有捷達的變速器的基礎上，在給定發(fā)動機輸出轉矩、轉速及最高車速、最大爬坡度等條件下，主要完成傳動機構的設計，并繪制出變速器裝配圖及主要零件的零件圖。 1、對變速器傳動機構的分析與選擇 通過比較兩軸和中間軸式變速器各自的優(yōu)缺點，以及所設計車輛的特點，確定傳動機構的布置形式。 2、變速器主要參數的選擇 變速器主要參數的選擇：檔數、傳動比、中心距、齒輪參數等。 3、變速器齒輪強度的校核 變速器齒輪強度的校核主要對變速器的齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度進行校核。 4、軸的基本尺寸的確定及強度計算 對于軸的強度計算則是對軸的剛度和強度分別進行校核。 5、軸承的選擇與壽命計算 對變速器軸的支撐部分選用圓錐磙子軸承，壽命計算是按汽車的大修里程來衡量，轎車的為30萬公里。 本次設計主要是查閱近幾年來有關國內外變速器設計的文獻資料，結合所學專業(yè)知識，在老師的正確指導下進行設計。通過比較不同方案和方法選取最佳方案進行設計，計算變速器的齒輪的結構參數并對其進行校核計算；同時對同步器、換檔操縱機構等結構件進行分析設計；另外，對現(xiàn)有傳統(tǒng)變速器的結構進行改進、完善。 第2章 變速器傳動機構與操縱機構的布置 2.1 變速器傳動機構布置方案 機械式變速器具有結構簡單、傳動效率高、制造成本底和工作可靠等優(yōu)點，故在不同形式的汽車上得到廣泛應用。 2.1.1 變速器傳動方案分析與選擇 機械式變速器傳動機構布置方案主要有兩種：兩軸式變速器和中間軸式變速器。 其中兩軸式變速器多用于發(fā)動機前置前輪驅動的汽車上。與中間軸式變速器相比，它具有軸和軸承數少，結構簡單、輪廓尺寸小、易布置等優(yōu)點。此外，各中間檔因只經一對齒輪傳遞動，故傳動效率高，同時噪聲小。但兩軸式變速器不能設置直接檔，所以在工作時齒輪和軸承均承載，工作噪聲增大且易損壞，受結構限制其一檔速比不能設計的很大。其特點是：變速器輸出軸與主減速器主動齒輪做成一體，發(fā)動機縱置時直接輸出動力。 而中間軸式變速器多用于發(fā)動機前置后輪驅動汽車和發(fā)動機后置后輪驅動的汽車上。其特點是：變速器一軸后端與常嚙合齒輪做成一體絕大多數方案的第二軸與一軸在同一條直線上，經嚙合套將它們連接后可得到直接檔，使用直接檔變速器齒輪和軸承及中間軸不承載，此時噪聲低，齒輪、軸承的磨損減少。 對不同類型的汽車，具有不同的傳動系檔位數，其原因在于它們的使用條件不同、對整車性能要求不同、汽車本身的比功率不同[5]。而傳動系的檔位數與汽車的動力性、燃油經濟性有著密切的聯(lián)系。就動力性而言，檔位數多，增加了發(fā)動機發(fā)揮最大功率附近高功率的機會，提高了汽車的加速和爬坡能力。就燃油經濟性而言，檔位數多，增加了發(fā)動機在低燃油消耗率區(qū)下作的能力，降低了油耗。從而能提高汽車生產率，降低運輸成木。不過，增加檔數會使變速器機構復雜和質量增加，軸向尺寸增大、成本提高、操縱復雜。 綜上所述，由于此次設計的捷達變速器是中檔轎車變速器，驅動形式屬于發(fā)動機前置前輪驅動，且可布置變速器的空間較小，對變速器的要求較高，要求運行噪聲小，設計車速高，故選用二軸式變速器作為傳動方案。選擇5檔變速器，并且五檔為超速檔。 2.1.2 倒檔布置方案 常見的倒檔布置方案如圖2.1所示。圖2.1b方案的優(yōu)點是倒檔利用了一檔齒輪，縮短了中間軸的長度。但換檔時有兩對齒輪同時進入嚙合，使換檔困難；圖2.1c方案能獲得較大的倒檔傳動比，缺點是換檔程序不合理；圖2.1d方案對2.1c的缺點做了修改；圖2.1e所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長；圖2.1f所示方案適用于全部齒輪副均為常嚙合的齒輪，換檔換更為輕便。 綜合考慮以上因素，為了換檔輕便，減小噪聲，倒檔傳動采用圖2.1f所示方案。 圖2.1 倒檔布置方案 2.1.3 零部件結構方案分析 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。直齒圓柱齒輪主要用于一檔、倒檔齒輪，與直齒圓柱齒輪相比，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、運轉平穩(wěn)、工作噪聲低等優(yōu)點，所以本設計全部選用斜齒輪。 變速器齒輪可以與軸設計為一體或與軸分開，然后用花鍵、過盈配合或者滑動支承等方式之一與軸連接。 齒輪尺寸小又與軸分開，其內徑直徑到齒根圓處的厚度（圖2.2）影響齒輪強度[6]。要求尺寸應該大于或等于輪齒危險斷面處的厚度。為了使齒輪裝在軸上以后，保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部分的寬度尺寸，在結構允許條件下應盡可能取大些，至少滿足尺寸要求： （2.1） 式中：——花鍵內徑。 為了減小質量，輪輻處厚度應在滿足強度條件下設計得薄些。圖2.2中的尺寸可取為花鍵內徑的1.25～1.40倍。 圖2.2 變速器齒輪尺寸控制圖 齒輪表面粗糙度數值降低，則噪聲減少，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。變速器齒輪齒面的表面粗糙度應在μm范圍內選用。要求齒輪制造精度不低于7級。 2、變速器軸 變速器軸多數情況下經軸承安裝在殼體的軸承孔內。當變速器中心距小，在殼體的同一端面布置兩個滾動軸承有困難時，輸出軸可以直接壓入殼體孔中，并固定不動。 用移動齒輪方式實現(xiàn)換檔的齒輪與軸之間，應選用矩形花鍵連接，以保證良好的定心和滑動靈活，而且定心外徑及矩形花鍵齒側的磨削比漸開線花鍵要容易[7]。兩軸式變速器輸入軸和中間軸式變速器中間軸上的高檔齒輪，通過軸與齒輪內孔之間的過盈配合和鍵固定在軸上。兩軸式變速器的輸出軸和中間軸式變速器的第二軸上的常嚙合齒輪副的齒輪與軸之間，常設置有滾針軸承、滑動軸承，少數情況下齒輪直接裝在軸上。此時，軸的表面粗糙度不應低與μm，硬度不低于58～63HRC。因漸開線花鍵定位性能良好，承載能力大且漸開線花鍵的齒短，小徑相對增大能提高軸的剛度，所以軸與同步器上的軸套常用漸開線花鍵連接。 倒檔軸為壓入殼體孔中并固定不動的光軸，并由螺栓固定。 由上述可知，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，所以設計時不僅要考慮裝配上的可能，而且應當可以順利拆裝軸上各零件。此外，還要注意工藝上的有關問題。 3、變速器軸承的選擇 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、滑動軸套等。 滾針軸承、滑動軸承套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對運動的地方[8]。 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、可承受高負荷等優(yōu)點，但也有需要調整預緊、裝配麻煩、磨損后軸易歪斜而影響齒輪正確嚙合的缺點。 由于本設計的變速器為兩軸變速器，具有較大的軸向力，所以設計中變速器輸入軸、輸出軸的前、后軸承按直徑系列均選用圓錐滾子軸承。 2.2 變速器操縱機構布置方案 2.2.1 概述 根據汽車使用條件的需要，駕駛員利用操縱機構完成選檔和實現(xiàn)換檔或退到空檔。變速器操縱機構應當滿足如下主要要求[9]：換檔時只能掛入一個檔位，換檔后應使齒輪在全齒長上嚙合，防止自動脫檔或自動掛檔，防止誤掛倒檔，換檔輕便。 變速器操縱機構通常裝在頂蓋或側蓋內，也有少數是分開的。變速器操縱機構操縱第二軸上的滑動齒輪、嚙合套或同步器得到所需不同檔位。 用于機械式變速器的操縱機構，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒檔裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選檔、換檔或推到空檔工作，稱為手動換檔變速器。 1、直接操縱式手動換檔變速器 當變速器布置在駕駛員座椅附近時，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檔功能的手動換檔變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結構最簡單，已得到廣泛應用。近年來 ，單軌式操縱機構應用較多，其優(yōu)點是減少了變速叉軸，各檔同用一組自鎖裝置，因而使操縱機構簡化，但它要求各檔換檔行程相等。 2、遠距離操縱手動換檔變速器 平頭式汽車或發(fā)動機后置后輪驅動汽車的變速器，受總體布置限制，變速器距駕駛員座位較遠，這時需要在變速桿與撥叉之間布置若干傳動件，換檔手力經過這些轉換機構才能完成換檔功能。這種手動換檔變速器，稱為遠距離操縱手動換檔變速器。 3、電動自動換檔變速器 20世紀80年代以后，在固定軸式機械變速器基礎上，通過應用計算機和電子控制技術，使之實現(xiàn)自動換檔，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完成換檔，這種變速器成為電動自動換檔變速器[10]。 由于所設計的變速器為兩軸變速器，采用發(fā)動機前置前輪驅動，變速器離駕駛員座椅較近，所以采用直接操縱式手動換檔變速器。 2.2.2 典型的操縱機構及其鎖定裝置 圖2.3 為典型的操縱機構圖 定位裝置的作用是將被嚙合件保持在一定位置上，并防止自動嚙合和分離，一般采用彈簧和鋼球式機構。 1、換檔機構 變速器換檔機構有直齒滑動齒輪、嚙合套和同步器換檔三種形式。 采用軸向滑動直齒齒輪換檔，會在輪齒端面產生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過早損壞，并伴隨著噪聲。因此，除一檔、倒檔外已很少使用。 常嚙合齒輪可用移動嚙合套換檔。因承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數多，嚙合套不會過早被損壞，但不能消除換檔沖擊。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型貨車變速器上應用。 使用同步器能保證換檔迅速、無沖擊、無噪聲，而與操作技術的熟練程度無關，從而提高了汽車的加速性、燃油經濟性和行駛安全性。同上述兩種換檔方法比較，雖然它有結構復雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點，但仍然得到廣泛應用。利用同步器或嚙合套換檔，其換檔行程要比滑動齒輪換檔行程小。 通過比較，考慮汽車的操縱性能，本設計全部檔位均選用同步器換檔。 2、防脫檔設計 互鎖裝置是保證移動某一變速叉軸時，其它變速叉軸互被鎖住，該機構的作用是防止同時掛入兩檔，而使掛檔出現(xiàn)重大故障。常見的互鎖機構有： （1）互鎖銷式 圖2.4是汽車上用得最廣泛的一種機構，互鎖銷和頂銷裝在變速叉軸之間，用銷子的長度和凹槽來保證互鎖。 圖2.4，a為空檔位置，此時任一叉軸可自由移動。圖2.4，b、c、d為某一叉軸在工作位置，而其它叉軸被鎖住。 圖2.4 互鎖銷式互鎖機構 （2）擺動鎖塊式 圖2.5為擺動鎖塊式互鎖機構工作示意圖，鎖塊用同心軸螺釘安裝在殼體上，并可繞螺釘軸線自由轉動，操縱桿的撥頭置于鎖塊槽內，此時，鎖塊的一個或兩個突起部分A檔住其它兩個變速叉軸槽，保證換檔時不能同時掛入兩檔。 （3）轉動鉗口式 圖2.6為與上述鎖塊機構原理相似的轉動鉗口式互鎖裝置。操縱桿撥頭置于鉗口中，鉗形板可繞A軸轉動。選檔時操縱桿轉動鉗形板選入某一變速叉軸槽內，此時鉗形板的一個或兩個鉗爪抓住其它兩個變速叉，保證互鎖作用[11]。 圖2.5 擺動鎖塊式互鎖機構 圖2.6 轉動鉗口式互鎖機構 操縱機構還應設有保證不能誤掛倒檔的機構。通常是在倒檔叉或叉頭上裝有彈簧機構，使司機在換檔時因有彈簧力作用，產生明顯的手感。 鎖止機構還包括自鎖、倒檔鎖兩個機構。 自鎖機構的作用是將滑桿鎖定在一定位置，保證齒輪全齒長參加嚙合，并防止自動脫檔和掛檔。自鎖機構有球形鎖定機構與桿形鎖定機構兩種類型。 倒檔鎖的作用是使駕駛員必須對變速桿施加更大的力，方能掛入倒檔，起到提醒注意的作用，以防誤掛倒檔，造成安全事故。 本次設計屬于前置前輪驅動的轎車，操縱機構采用直接操縱方式，鎖定機構全部采用，即設置自鎖、互鎖、倒檔鎖裝置。采用自鎖鋼球來實現(xiàn)自鎖，通過互鎖銷實現(xiàn)互鎖。倒檔鎖采用限位彈簧來實現(xiàn)，使駕駛員有感覺，防止誤掛倒檔。 2.3 本章小結 本章主要介紹了變速器傳動機構和操縱機構的類型，分析了各類型機構的優(yōu)缺點，并針對所設計的變速器的類型、特點、及功用，對變速器的傳動方式、操縱機構的布置方式、及主要零件的形式，做出了初步的選擇，為后期的設計工作打下基礎。 第3章 變速器的設計與計算 3.1 變速器主要參數的選擇 本次畢業(yè)設計是在給定主要整車參數的情況下進行設計，捷達GIF整車主要技術參數如表3.1所示： 表3.1 捷達GIF整車主要技術參數 發(fā)動機最大功率 91kw 車輪型號 185/60R14S 發(fā)動機最大轉矩 180N·m 最大功率時轉速 5400 r/min 最大轉矩時轉速 4000r/min 最高車速 170km/h 總質量 1488kg 變速器形式 手動五檔 3.1.1 檔數 近年來，為了降低油耗，變速器的檔數有增加的趨勢。目前，乘用車一般用4～5個檔位的變速器。發(fā)動機排量大的乘用車變速器多用5個檔。商用車變速器采用4～5個檔或多檔。載質量在2.0～3.5t的貨車采用五檔變速器，載質量在4.0～8.0t的貨車采用六檔變速器。多檔變速器多用于總質量大些的貨車和越野汽車上。 檔數選擇的要求： 1、相鄰檔位之間的傳動比比值在1.8以下。 2、高檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動比比值要比低檔區(qū)相鄰檔位之間的比值小。 因此，本次設計的轎車變速器為5檔變速器。 3.1.2 傳動比范圍 變速器傳動比范圍是指變速器最高檔與最低檔傳動比的比值。最高檔通常是直接檔，傳動比為1.0；有的變速器最高檔是超速檔，傳動比為0.7～0.8。影響最低檔傳動比選取的因素有：發(fā)動機的最大轉矩和最低穩(wěn)定轉速所要求的汽車最大爬坡能力、驅動輪與路面間的附著力、主減速比和驅動輪的滾動半徑以及所要求達到的最低穩(wěn)定行駛車速等。目前乘用車的傳動比范圍在3.0～4.5之間，總質量輕些的商用車在5.0～8.0之間，其它商用車則更大。 本設計最高檔傳動比為0.77。 3.1.3 變速器各檔傳動比的確定 1、主減速器傳動比的確定 發(fā)動機轉速與汽車行駛速度之間的關系式為[12]： （3.1） 式中： ——汽車行駛速度（km/h）； ——發(fā)動機轉速（r/min）； ——車輪滾動半徑（m）； ——變速器傳動比； ——主減速器傳動比。 已知：最高車速==170 km/h；最高檔為超速檔，傳動比=0.77；車輪滾動半徑由所選用的輪胎規(guī)格185/60R14S得到=29(mm)；發(fā)動機轉速==5400（r/min）；由公式（3.1）得到主減速器傳動比計算公式： 2、最抵檔傳動比計算 按最大爬坡度設計，滿足最大通過能力條件，即用一檔通過要求的最大坡道角坡道時，驅動力應大于或等于此時的滾動阻力和上坡阻力（加速阻力為零，空氣阻力忽略不計）[13]。用公式表示如下： （3.2） 式中： G ——車輛總重量(N)； ——坡道面滾動阻力系數(對瀝青路面μ=0.01~0.02)； ——發(fā)動機最大扭矩(N·m)； ——主減速器傳動比； ——變速器傳動比； ——為傳動效率（0.85~0.9）； R ——車輪滾動半徑； ——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=1488kg；；；r=0.29m； N·m；；g=9.8m/s2；，把以上數據代入（3.3）式： 滿足不產生滑轉條件。即用一檔發(fā)出最大驅動力時，驅動輪不產生滑轉現(xiàn)象。公式表示如下： （3.4） 式中： ——驅動輪的地面法向反力，； ——驅動輪與地面間的附著系數；對混凝土或瀝青路面可取0.5~0.6之間。 已知：kg；取0.6，把數據代入（3.4）式得： 所以，一檔轉動比的選擇范圍是： 初選一檔傳動比為3.4。 3、變速器各檔速比的配置 按等比級數分配其它各檔傳動比，即： 3.1.4 中心距的選擇 初選中心距可根據經驗公式計算[14]： （3.5） 式中： A ——變速器中心距（mm）； ——中心距系數，乘用車=8.9~9.3； ——發(fā)動機最大輸出轉距為180（N·m）； ——變速器一檔傳動比為3.4； ——變速器傳動效率，取96%。 （8.9~9.3）=（8.9-9.3）8.375=74.54~77.89mm 轎車變速器的中心距在60～80mm范圍內變化。初取A=75mm。 3.1.5 變速器的外形尺寸 變速器的橫向外形尺寸，可以根據齒輪直徑以及倒檔中間齒輪和換檔機構的布置初步確定。影響變速器殼體軸向尺寸的因素有檔數、換檔機構形式以及齒輪形式。 乘用車變速器殼體的軸向尺寸可參考下列公式選用： mm 初選長度為240mm。 3.1.6 齒輪參數的選擇 1、模數 選取齒輪模數時一般要遵守的原則是：為了減少噪聲應合理減小模數，同時增加齒寬；為使質量小些，應該增加模數，同時減少齒寬；從工藝方面考慮，各檔齒輪應該選用一種模數；從強度方面考慮，各檔齒輪應有不同的模數。對于轎車，減少工作噪聲較為重要，因此模數應選得小些；對于貨車，減小質量比減小噪聲更重要，因此模數應選得大些。 表3.2 汽車變速器齒輪的法向模數 車 型 乘用車的發(fā)動機排量V/L 貨車的最大總質量/t 1.014 模數/mm 2.25~2.75 2.75~3.00 3.50~4.50 4.50~6.00 轎車模數的選取以發(fā)動機排量作為依據，由表3.2選取各檔模數為，由于轎車對降低噪聲和振動的水平要求較高，所以各檔均采用斜齒輪。 2、壓力角 壓力角較小時，重合度較大，傳動平穩(wěn)，噪聲較低；壓力角較大時，可提高輪齒的抗彎強度和表面接觸強度。 對于轎車，為了降低噪聲，應選用14.5°、15°、16°、16.5°等小些的壓力角。對貨車，為提高齒輪強度，應選用22.5°或25°等大些的壓力角[15]。 國家規(guī)定的標準壓力角為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，故全部選用標準壓力角20°。 3、螺旋角 齒輪的螺旋角對齒輪工作噪聲、輪齒的強度和軸向力有影響。選用大些的螺旋角時，使齒輪嚙合的重合度增加，因而工作平穩(wěn)、噪聲降低。 試驗證明：隨著螺旋角的增大，齒的強度相應提高，但當螺旋角大于30°時，其抗彎強度驟然下降，而接觸強度仍繼續(xù)上升。因此，從提高低檔齒輪的抗彎強度出發(fā)，并不希望用過大的螺旋角；而從提高高檔齒輪的接觸強度著眼，應當選用較大的螺旋角。 本設計初選螺旋角全部為22°。 4、齒寬 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。 考慮到盡可能縮短變速器的軸向尺寸和減小質量，應該選用較小的齒寬。另一方面，齒寬減小使斜齒輪傳動平穩(wěn)的優(yōu)點被削弱，此時雖然可以用增加齒輪螺旋角的方法給予補償，但這時軸承承受的軸向力增大，使其壽命降低。齒寬較小又會使齒輪的工作應力增加。選用較大的齒寬，工作中會因軸的變形導致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻造成偏載，導致承載能力降低，并在齒寬方向磨損不均勻。 通常根據齒輪模數的大小來選定齒寬： 斜齒，取為6.0～8.5，取6.0 mm 5、齒頂高系數 齒頂高系數對重合度、輪齒強度、工作噪聲、輪齒相對滑動速度、輪齒根切和齒頂厚度等有影響。若齒頂高系數小，則齒輪重合度小，工作噪聲大；但因輪齒受到的彎矩減小，輪齒的彎曲應力也減少。因此，從前因齒輪加工精度不高，并認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為0.75～0.80的短齒制齒輪。 在齒輪加工精度提高以后，包括我國在內，規(guī)定齒頂高系數取為1.00。為了增加齒輪嚙合的重合度，降低噪聲和提高齒根強度，有些變速器采用齒頂高系數大與1.00的細高齒。 本設計取為1.00。 3.1.7 各檔齒輪齒數的分配及傳動比的計算 在初選中心距、齒輪模數和螺旋角以后，可根據變速器的檔數、傳動比和傳動方案來分配各檔齒輪的齒數。應該注意的是，各檔齒輪的齒數比應該盡可能不是整數，以使齒面磨損均勻[16]。根據圖3.1確定各檔齒輪齒數和傳動比。 1、一檔齒數及傳動比的確定 一檔傳動比為： 取整得53。轎車可在12～17之間選取，取13，則。則一檔傳動比為： 1-一檔主動齒輪 2-一檔從動齒輪 3-二檔主動齒輪 4-二檔從動齒輪 5-三檔主動齒輪 6-三檔從動齒輪 7-四檔主動齒輪 8-四檔從動齒輪 9-五檔主動齒輪 10-五檔從動齒輪 11-倒檔主動齒輪 12-倒檔中間軸齒輪 13-倒檔輸出軸齒輪 圖3.1 五檔變速器傳動方案簡圖 2、對中心距A進行修正 取整得mm，為標準中心矩。 3、二檔齒數及傳動比的確定 （3.6） （3.7） 已知：=80mm，=2.345，=2.75，；將數據代入（3.6）、（3.7）兩式，齒數取整得：，，所以二檔傳動比為： 4、計算三檔齒輪齒數及傳動比 （3.8） （3.9） 已知：=80mm，=1.618，=2.75，；將數據代入（3.8）、（3.9）兩式，齒數取整得：，，所以三檔傳動比為： 5、計算四檔齒輪齒數及傳動比 （3.10） （3.11） 已知：=80mm，=1.116，=2.75，；將數據代入（3.10）、（3.11）兩式，齒數取整得：，，所以四檔傳動比為： 6、計算五檔齒輪齒數及傳動比 （3.12） （3.13） 已知：=80mm，=0.77，=2.75，；將數據代入（3.12）、（3.13）兩式，齒數取整得：，，所以五檔傳動比為： 7、計算倒檔齒輪齒數及傳動比 初選倒檔軸上齒輪齒數為=25，輸入軸齒輪齒數=13，為保證倒檔齒輪的嚙合不產生運動干涉齒輪11和齒輪13的齒頂圓之間應保持有0.5mm以上的間隙，即滿足以下公式： （3.14） 已知：，，，把數據代入（3.14）式，齒數取整，解得：，則倒檔傳動比為： 輸入軸與倒檔軸之間的距離： mm 輸出軸與倒檔軸之間的距離： mm 3.1.8 變速器齒輪的變位及齒輪螺旋角的調整 采用變位齒輪的原因：配湊中心距；提高齒輪的強度和使用壽命；降低齒輪的嚙合噪聲[17]。 為了降低噪聲，對于變速器中除去一、二檔以外的其它各檔齒輪的總變位系數要選用較小一些的數值。一般情況下，隨著檔位的降低，總變位系數應該逐檔增大。一、二檔和倒檔齒輪，應該選用較大的值。 為了減小軸向力，抵檔選用較小的螺旋角，一檔選，二檔選；為了增加重合度，減小噪聲，三檔、四檔、五檔選用較大的螺旋角，都選為。 1、一檔齒輪的變位 查機械設計手冊中的齒輪變位系數線圖，得 2、二檔齒輪的變位 查機械設計手冊中的齒輪變位系數線圖，得 3、其他各檔齒輪的變位 同理得到三檔、四檔、五檔變位系數如下： 3.2 變速器齒輪強度校核 3.2.1 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。但是對于一般動力傳輸齒輪，要求其材料具有足夠的強度和耐磨性，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、小輪應采用不同鋼號材料。 （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，可選用圓鋼作毛坯。軟齒面齒輪常用中碳鋼或中碳合金鋼，經正火或調質處理后，再進行切削加工即可；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，故可適用于內齒輪等無法磨齒的齒輪[18]。 由于一對齒輪一直參與傳動，磨損較大，齒輪所受沖擊載荷作用也大，抗彎強度要求比較高。應選用硬齒面齒輪組合，所有齒輪均選用20CrMnTi滲碳后表面淬火處理，硬度為58～62HRC。 3.2.2 變速器齒輪彎曲強度校核 齒輪彎曲強度校核（斜齒輪） (3.15) 式中： 　——圓周力（N），； ——計算載荷（N·mm）； 　——節(jié)圓直徑（mm）， ，為法向模數（mm）； 　——斜齒輪螺旋角； ——應力集中系數，=1.50； 　——齒面寬（mm）； 　 ——法向齒距，； 　——齒形系數，可按當量齒數在齒形系數圖3.2中查得； ——重合度影響系數，=2.0。 圖3.2 齒形系數圖 將上述有關參數據代入公式（3.15），整理得到 (3.16) （1）一檔齒輪校核 主動齒輪： 已知： N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.191，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa 從動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.182，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa （2）二檔齒輪校核 主動齒輪： 已知： N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.168，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa 從動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.175，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa （3）三檔齒輪校核 主動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.148，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa 從動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.154，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa （4）四檔齒輪的校核 主動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.149，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa 從動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.151，把以上數據代入(3.16)式，得： N·mm （5）五檔齒輪的校核 主動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.154，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa 從動齒輪： 已知：N·mm；；；mm；；；；，查齒形系數圖3.2得：y=0.144，把以上數據代入(3.16)式，得： MPa 對于轎車當計算載荷取變速器輸入軸最大轉距時，其許用應力不超過180~350MPa，以上各檔均合適。 3.2.3 輪齒接觸應力校核 （3.17） 式中： 　——輪齒接觸應力（MPa）； 　——齒面上的法向力（N），； 　——圓周力（N），； 　——計算載荷（N·mm）；為節(jié)圓直徑（mm）； 　——節(jié)點處壓力角，為齒輪螺旋角； 　——齒輪材料的彈性模量（MPa）； 　——齒輪接觸的實際寬度（mm）； ，——主從動齒輪節(jié)點處的曲率半徑（mm），直齒輪，斜齒輪，； 、 ——主從動齒輪節(jié)圓半徑（mm）。 表3.3 變速器齒輪許用接觸應力 齒輪 /MPa 滲碳齒輪 液體碳氮共滲齒輪 一檔和倒檔 1900-2000 950-1000 常嚙合齒輪和高檔齒輪 1300-1400 650-700 將作用在變速器第一軸上的載荷作為作用載荷時，變速器齒輪的許用接觸應力[]見表3.3： 1、一檔齒輪接觸應力校核 已知：N·mm；；；MPa； mm； mm； ；mm N 由于作用在兩齒輪上的力為作用力與反作用力，故只計算一個齒輪的接觸應力即可，將作用在變速器第一軸上的載荷作為計算載荷，將以上數據代入（3.17）可得： MPa 2、二檔齒輪接觸應力校核 已知：N·mm；；；MPa； mm； mm； mm； N 同一檔，將以上數據代入（3.17）可得： MPa 3、三檔齒輪接觸應力校核 已知：N·mm；；；MPa； mm； mm； mm； N 同一檔，將以上數據代入（3.17）可得： MPa 4、四檔齒輪接觸應力校核 已知：N·mm；；；MPa； mm； mm； mm； N 同一檔，將以上數據代入（3.17）可得： MPa 5、五檔齒輪接觸應力校核 已知：N·mm；；；MPa； mm； mm； mm； N 同一檔，將以上數據代入（3-17）可得： MPa 以上各檔變速器齒輪的接觸應力均小于齒輪的許用接觸應力[]，所以各檔均合格。 3.2.4 倒檔齒輪的校核 1、齒面接觸疲勞許用應力的計算[19] （3.18） 式中： ——齒輪的接觸疲勞極限應力（MPa）； 　——壽命系數； ——潤滑油膜影響系數； 　——工作硬化系數； 　——尺寸系數； ——最小安全系數。 查機械設計手冊得到：=1500；=1；=1；=1；=1；=1將這些數據代入（3.18）式，得： MPa 2、齒根彎曲疲勞許用應力計算 （3.19） 式中： ——齒根彎曲疲勞極限應力； 　——壽命系數； ——相對齒根圓角敏感系數； 　——尺寸系數； ——表面系數； ——最小安全系數。 查機械設計手冊得到：=920 MPa；=1；=1；=0.9；=1；=1.25將這些數據代入（3.19）式，得： MPa 3、接觸疲勞強度校核 （3.20） 式中： ——節(jié)點區(qū)域系數； ——彈性系數； ——重合度系數； 　 ——齒輪上的圓周力（N）； ——表示齒寬（mm）； ——齒輪直徑； ——表示傳動比； ——使用系數。 查機械設計手冊得到： =2.33；=189.8；0.73； 已知： mm； ； N 將以上數據代入（3.20）式，得： MPaMPa。 4、齒根彎曲疲勞強度校核 （3.21） 式中： ——齒形修正系數； ——重合度系數。 查機械設計手冊得到： =4.9；=0.64 將以上數據代入（3.21）式得： MPa 所以倒檔齒輪接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度均合格。 3.3 軸的結構和尺寸設計 變速器在工作時，由于齒輪上有圓周力、徑向力和軸向力作用，變速器的軸要承受轉矩和彎矩。要求變速器的軸應有足夠的剛度和強度。因為剛度不足會產生彎曲變形，結果破壞了齒輪的正確嚙合，對齒輪的強度、耐磨性等均有不利影響。 3.3.1 初選軸的直徑 在已知兩軸式變速器中心距時，軸的最大直徑和支承距離的比值可在以下范圍內選?。簩斎胼S，=0.16～0.18；對輸出軸，0.18～0.21。 輸入軸花鍵部分直徑（mm）可按下式初選?。? 式中： ——經驗系數，=4.0～4.6； ——發(fā)動機最大轉矩（N.m）。 輸入軸花鍵部分直徑： =22.58～25.97mm 初選輸入、輸出軸支承之間的長度=265mm。 按扭轉強度條件確定軸的最小直徑： （3.22） 式中： d——軸的最小直徑（mm）； ——軸的許用剪應力（MPa）； P——發(fā)動機的最大功率（kw）； n——發(fā)動機的轉速（r/min）。 將有關數據代入（3.22）式，得： mm 所以，選擇軸的最小直徑為25mm。 根據軸的制造工藝性要求[20]，將軸的各部分尺寸初步設計如圖3.3、3.4所示： 圖3.3 輸入軸各部分尺寸