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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 選題的背景及目的意義
隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人們生活水平的迅速提高，汽車(chē)（尤其是轎車(chē)）作為一種必不可少的交通工具已走進(jìn)千家萬(wàn)戶。在發(fā)達(dá)國(guó)家里，汽車(chē)已形成了一種文化，即所謂的“汽車(chē)文化”，這種文化影響著人們的生活，改變著人們的觀念。總之，汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展水平直接代表著一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的實(shí)力。汽車(chē)工業(yè)在一個(gè)國(guó)家的發(fā)展經(jīng)歷著不同的階段，據(jù)目前國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，家用經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)的比重占消費(fèi)總數(shù)的20%，據(jù)國(guó)外同期經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)的比重45%測(cè)算，中國(guó)未來(lái)10年，經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)至少應(yīng)翻一番。因此設(shè)計(jì)一種適合我國(guó)國(guó)情的經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)的變速器具有十分重要的意義，而且也符合全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的要求，小排量低排放的經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)肯定是未來(lái)汽車(chē)的主力。變速器設(shè)計(jì)一直是汽車(chē)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一，它是用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，因此它的性能影響到汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。從汽車(chē)誕生時(shí)起，汽車(chē)變速器在汽車(chē)傳動(dòng)系中扮演者至關(guān)重要的角色?，F(xiàn)在的汽車(chē)上廣泛采用活塞式內(nèi)燃機(jī)，起轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小，而復(fù)雜的使用條件則要求汽車(chē)的牽引力和車(chē)速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。例如在高速路上車(chē)速贏能達(dá)到100KM/H，而在市區(qū)內(nèi)，車(chē)速通常在50km/h左右；空車(chē)在平直路面上行駛時(shí)，行駛的阻力很小，而當(dāng)滿載上坡時(shí)，行駛阻力便很大。為了解決這一矛盾，在傳動(dòng)系中設(shè)置了變速器。變速器的作用表現(xiàn)位：改變汽車(chē)的傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的范圍，是車(chē)輛適應(yīng)各種變化的工況，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最理想的工況（動(dòng)力性教高且經(jīng)濟(jì)性較好）下工作；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向不變的情況下，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的倒退行駛；實(shí)現(xiàn)空擋，中斷發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給車(chē)輪的動(dòng)力，以便發(fā)動(dòng)機(jī)能夠啟動(dòng)，怠速。由此可見(jiàn)，變速器的存在具有必然性，隨著科技的告訴發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的性能要求越來(lái)越高，汽車(chē)的性能，使用壽命，能源消耗，震動(dòng)噪聲等在很大程度上取決于變速器的性能，因此必須重視對(duì)變速器的研究。按傳動(dòng)比的變化方式劃分，變速器可分為有級(jí)式，無(wú)級(jí)式，綜合式3種；按操縱方式劃分，可分為強(qiáng)制操縱式，自動(dòng)操縱式和半自動(dòng)操縱式3種。近年來(lái)，隨著車(chē)輛技術(shù)的進(jìn)步和車(chē)輛密度的加大，對(duì)變速的性能要求也越來(lái)越高。眾多的汽車(chē)工程師在改進(jìn)汽車(chē)變速器的性能的研究中傾注了大量的心血，使變速器得到飛速的發(fā)展。隨著城市車(chē)輛密度的加大，自動(dòng)變速器已逐漸成為汽車(chē)的必備裝備，而不僅僅是豪華的標(biāo)志。因?yàn)橛辛俗詣?dòng)變速器，改變車(chē)速變得輕松自如，角度變化而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)而且不必頻繁地踩踏板。如今，幾乎所有的現(xiàn)代汽車(chē)廠家都生產(chǎn)配備自動(dòng)變速器的汽車(chē)，原因之一是自動(dòng)變速器可以幫助發(fā)動(dòng)機(jī)降低對(duì)環(huán)境的污染。自動(dòng)變速器可實(shí)現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)速比，即使發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，也能保障車(chē)輛隨駕駛者的意愿正常行駛，油耗降低了，污染也就受到控制。雖然自動(dòng)變速器不斷地演變進(jìn)步，但始終有缺點(diǎn)，即車(chē)速的反應(yīng)與踏板的動(dòng)作之間總有一定的差距，駕駛中缺乏直覺(jué)的印象。近年，保時(shí)捷公司又發(fā)明了一種“手控／自動(dòng)變速器”，憑靠一組復(fù)雜的電子裝置，可以使駕車(chē)者在自動(dòng)與手動(dòng)變速之間任意選擇。例如，在市內(nèi)行駛時(shí)，由于需要頻繁地變換速度，使用自動(dòng)變速器便顯得非常方便；而一旦來(lái)到高速公路或其它開(kāi)闊的地方，則又可將自動(dòng)變速的功能關(guān)掉，轉(zhuǎn)為由手控制，以此來(lái)領(lǐng)略駕車(chē)中的多種樂(lè)趣。這一點(diǎn)已逐漸成為高檔車(chē)的特性。
目前手動(dòng)變速器依然在汽車(chē)界應(yīng)用非常廣泛，自動(dòng)變速器是個(gè)趨勢(shì)，但手動(dòng)變速器確是駕駛樂(lè)趣的極大體現(xiàn)者。而本設(shè)計(jì)的目的就是以我國(guó)現(xiàn)今汽車(chē)的發(fā)展情況探討開(kāi)發(fā)一種適合我國(guó)國(guó)情、滿足家庭使用的中小型、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)動(dòng)的一種變速器。要求設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用，設(shè)計(jì)出的變速器具有較高的安全性、可靠性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性，滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)性家庭用車(chē)的消費(fèi)群體，并在方案實(shí)施上具有一定的可行性。
1.2 選題的主要研究?jī)?nèi)容
本課題的主要內(nèi)容是研制開(kāi)發(fā)前輪驅(qū)動(dòng)轎車(chē)變速器的方案和各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，計(jì)算和校對(duì)。結(jié)合國(guó)外汽車(chē)設(shè)計(jì)的一些先進(jìn)技術(shù)和國(guó)內(nèi)專家們做過(guò)的一些工作，對(duì)前驅(qū)動(dòng)轎車(chē)變速器的設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)的方法和較為合理的理論，本文主要預(yù)計(jì)做的工作包括以下內(nèi)容：
根據(jù)所開(kāi)發(fā)車(chē)型的關(guān)鍵所在，要全面考慮所有方面，包括可行性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性、操縱穩(wěn)定性、平順性、動(dòng)力性、高速性等一系列問(wèn)題，才能使你開(kāi)發(fā)出的車(chē)在市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力，才能被人們所接受。
總體方案出臺(tái)后，就要對(duì)變速器進(jìn)行總體布置，確定各系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)各系統(tǒng)性能的需要開(kāi)始設(shè)計(jì)各系統(tǒng)。
傳動(dòng)系統(tǒng)的布置和組成取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、布置位置和車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)形式。因?yàn)樵撥?chē)型采用前置前驅(qū)動(dòng)形式，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)離合器和變速器并直接帶動(dòng)前橋，這樣傳動(dòng)系省去了一根傳動(dòng)軸，同時(shí)離合器和變速器可以與發(fā)動(dòng)機(jī)制成一體，從而使總體結(jié)構(gòu)非常緊湊，這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于等速萬(wàn)向節(jié)的設(shè)計(jì)與選取.本文對(duì)此加以探討，給出合理的設(shè)計(jì)原則。
變速器用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在原地起步，爬坡，轉(zhuǎn)彎，加速等各種行駛工況下，使汽車(chē)獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)再最有利工況范圍內(nèi)工作。變速器設(shè)有空擋和倒擋。需要時(shí)變速器還有動(dòng)力輸出功能。變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成。
第2章 變速器總體方案設(shè)計(jì)
2.1 變速器的設(shè)計(jì)要求
汽車(chē)傳動(dòng)系是汽車(chē)的核心組成部分。其任務(wù)是調(diào)節(jié)、變換發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，將動(dòng)力有效而經(jīng)濟(jì)地傳至驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，以滿足汽車(chē)的使用要求。變速器是完成傳動(dòng)系任務(wù)的重要部件，也是決定整車(chē)性能的主要部件之一。變速器的結(jié)構(gòu)要求對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性、換檔操縱的可靠性與輕便性、傳動(dòng)平穩(wěn)性與效率等都有直接的影響。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，轎車(chē)變速器的設(shè)計(jì)趨勢(shì)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(chē)變速器的設(shè)計(jì)工作開(kāi)始之前，首先要根據(jù)變速器運(yùn)用的實(shí)際場(chǎng)合來(lái)對(duì)一些主要參數(shù)做出選擇。主要參數(shù)包括中心距、變速器軸向尺寸、軸的直徑、齒輪參數(shù)、各檔齒輪的齒數(shù)等。
（1）正確選擇變速器的檔位數(shù)和傳動(dòng)比，使之與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)優(yōu)化匹配，以保證汽車(chē)具有良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性；
（2）設(shè)置空擋，用來(lái)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力向驅(qū)動(dòng)輪的傳輸；
（3）設(shè)置倒擋，使汽車(chē)能倒退行駛；
（4）設(shè)置動(dòng)力輸出裝置，需要時(shí)能進(jìn)行功率輸出；
（5）換擋迅速、省力、方便；
（6）工作可靠；
（7）變速器應(yīng)有高的工作效率；
（8）變速器的工作噪聲低。
除此之外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小、制造成本低、拆裝容易、維修方便等要求。
2.2 變速器的現(xiàn)狀與發(fā)展方向
變速器作為傳遞動(dòng)力和改變車(chē)速的主要裝置，國(guó)內(nèi)外對(duì)其操縱的方便性和檔位數(shù)等方面的要求愈來(lái)愈高，目前，4檔特別是5檔變速器的用量已日漸增多。同時(shí)，6檔變速器的裝車(chē)量也在上升。電子控制式自動(dòng)變速器是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。它是在機(jī)械變速器的基礎(chǔ)上，通過(guò)運(yùn)用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔、自動(dòng)控制離合器及油門(mén)動(dòng)作的一種先進(jìn)的變速裝置。它能以模擬控制與數(shù)字控制兩種方式作用。能連續(xù)不斷地把車(chē)量的實(shí)際行駛狀況與希望實(shí)現(xiàn)的狀況進(jìn)行比較，如果兩者不吻合，該控制器就會(huì)命令操縱機(jī)構(gòu)，改變變速器的檔位、離合器的分離與接合以及油門(mén)的開(kāi)度。通過(guò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇最佳檔位和最佳換檔時(shí)間，電控變速器可直接改善整車(chē)的操縱性，并使車(chē)輛在經(jīng)濟(jì)性最佳的范圍內(nèi)行駛。隨著電子設(shè)備廣泛的應(yīng)用，電控發(fā)動(dòng)機(jī)的類(lèi)型也越來(lái)越多。目前國(guó)內(nèi)外轎車(chē)的電控自動(dòng)變速器，主要有三種操縱方式，即電子控制氣動(dòng)操縱、電子控制液壓操縱、電子控制馬達(dá)操縱。
2.3 變速器的設(shè)計(jì)內(nèi)容
1、對(duì)變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與選擇
通過(guò)比較兩軸和中間軸式變速器各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及所設(shè)計(jì)車(chē)輛的特點(diǎn)，確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置形式。
2、變速器主要參數(shù)的選擇
變速器主要參數(shù)的選擇：檔數(shù)、傳動(dòng)比、中心距、齒輪參數(shù)等。
3、變速器齒輪強(qiáng)度的校核
變速器齒輪強(qiáng)度的校核主要對(duì)變速器的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
4、軸的基本尺寸的確定及強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)于軸的強(qiáng)度計(jì)算則是對(duì)軸的剛度和強(qiáng)度分別進(jìn)行校核。
2.4 變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置方案
2.4.1變速器傳動(dòng)方案分析與選擇
機(jī)械式變速器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、制造成本底和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。機(jī)械式變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)上。與中間軸式變速器相比，它具有軸和軸承數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輪廓尺寸小、易布置等優(yōu)點(diǎn)。此外，各中間檔因只經(jīng)一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)，故傳動(dòng)效率高，同時(shí)噪聲小。但兩軸式變速器不能設(shè)置直接檔，所以在工作時(shí)齒輪和軸承均承載，工作噪聲增大且易損壞，受結(jié)構(gòu)限制其一檔速比不能設(shè)計(jì)的很大。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，發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)直接輸出動(dòng)力。
而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(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)上。其特點(diǎn)是：變速器一軸后端與常嚙合齒輪做成一體絕大多數(shù)方案的第二軸與一軸在同一條直線上，經(jīng)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(shí)噪聲低，齒輪、軸承的磨損減少。
對(duì)不同類(lèi)型的汽車(chē)，具有不同的傳動(dòng)系檔位數(shù)，其原因在于它們的使用條件不同、對(duì)整車(chē)性能要求不同、汽車(chē)本身的比功率不同[5]。而傳動(dòng)系的檔位數(shù)與汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性有著密切的聯(lián)系。就動(dòng)力性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率附近高功率的機(jī)會(huì)，提高了汽車(chē)的加速和爬坡能力。就燃油經(jīng)濟(jì)性而言，檔位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)生產(chǎn)率，降低運(yùn)輸成木。不過(guò)，增加檔數(shù)會(huì)使變速器機(jī)構(gòu)復(fù)雜和質(zhì)量增加，軸向尺寸增大、成本提高、操縱復(fù)雜。
綜上所述，此次設(shè)計(jì)變速器是驅(qū)動(dòng)形式屬于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)，且可布置變速器的空間較小，對(duì)變速器的要求較高，要求運(yùn)行噪聲小，設(shè)計(jì)車(chē)速高，故選用二軸式變速器作為傳動(dòng)方案。選擇5檔變速器，并且五檔為超速檔。大體結(jié)構(gòu)可參考如圖2.1所示的結(jié)構(gòu)。
圖2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)布置示意圖
2.4.2倒檔布置方案
常見(jiàn)的倒檔布置方案如圖2.2所示。圖2.2b方案的優(yōu)點(diǎn)是倒檔利用了一檔齒輪，縮短了中間軸的長(zhǎng)度。但換檔時(shí)有兩對(duì)齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換檔困難；圖2.2c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2.2d方案對(duì)2.2c的缺點(diǎn)做了修改；圖2.2e所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長(zhǎng)；圖2.2f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。
圖2.2 倒檔的布置方案
綜合考慮以上因素，為了換檔輕便，減小噪聲，倒檔傳動(dòng)采用圖2.2f所示方案。
2.5 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2.2（f）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、圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承。
第3章 變速器主要零件的結(jié)構(gòu)方案分析
3.1變速器齒輪
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(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)全部選用斜齒輪。
變速器齒輪可以與軸設(shè)計(jì)為一體或與軸分開(kāi)，然后用花鍵、過(guò)盈配合或者滑動(dòng)支承等方式之一與軸連接。
齒輪尺寸小又與軸分開(kāi)，其內(nèi)徑直徑到齒根圓處的厚度（圖3.1）影響齒輪強(qiáng)度。要求尺寸應(yīng)該大于或等于輪齒危險(xiǎn)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(jié)構(gòu)允許條件下應(yīng)盡可能取大些，至少滿足尺寸要求：
（3.1）
式中 ——花鍵內(nèi)徑。
為了減小質(zhì)量，輪輻處厚度應(yīng)在滿足強(qiáng)度條件下設(shè)計(jì)得薄些。尺寸可取為花鍵內(nèi)徑的1.25～1.40倍。
圖3.1 變速器齒輪尺寸控制圖
齒輪表面粗糙度數(shù)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(yīng)在μm范圍內(nèi)選用。要求齒輪制造精度不低于7級(jí)。
3.2 軸
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)。
用移動(dòng)齒輪方式實(shí)現(xiàn)換檔的齒輪與軸之間，應(yīng)選用矩形花鍵連接，以保證良好的定心和滑動(dòng)靈活，而且定心外徑及矩形花鍵齒側(cè)的磨削比漸開(kāi)線花鍵要容易。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(guò)軸與齒輪內(nèi)孔之間的過(guò)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(shè)置有滾針軸承、滑動(dòng)軸承，少數(shù)情況下齒輪直接裝在軸上。此時(shí)，軸的表面粗糙度不應(yīng)低與μm，硬度不低于58～63HRC。因漸開(kāi)線花鍵定位性能良好，承載能力大且漸開(kāi)線花鍵的齒短，小徑相對(duì)增大能提高軸的剛度，所以軸與同步器上的軸套常用漸開(kāi)線花鍵連接。
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。
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(kāi)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(wèn)題。
3.3 軸承
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、輸出軸的前、后軸承按直徑系列均選用圓錐滾子軸承。
3.4操縱機(jī)構(gòu)布置方案
3.4.1概述
根據(jù)汽車(chē)使用條件的需要，駕駛員利用操縱機(jī)構(gòu)完成選檔和實(shí)現(xiàn)換檔或退到空檔。變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求[9]：換檔時(shí)只能掛入一個(gè)檔位，換檔后應(yīng)使齒輪在全齒長(zhǎng)上嚙合，防止自動(dòng)脫檔或自動(dòng)掛檔，防止誤掛倒檔，換檔輕便。
變速器操縱機(jī)構(gòu)通常裝在頂蓋或側(cè)蓋內(nèi)，也有少數(shù)是分開(kāi)的。變速器操縱機(jī)構(gòu)操縱第二軸上的滑動(dòng)齒輪、嚙合套或同步器得到所需不同檔位。
用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見(jiàn)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(dòng)換檔變速器。
直接操縱式手動(dòng)換檔變速器當(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(guò)變速桿直接完成換檔功能的手動(dòng)換檔變速器，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(lái) ，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，各檔同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，但它要求各檔換檔行程相等。
3.4.2典型的操縱機(jī)構(gòu)以及鎖止裝置
圖3.2 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、換檔機(jī)構(gòu)
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。
采用軸向滑動(dòng)直齒齒輪換檔，會(huì)在輪齒端面產(chǎn)生沖擊，齒輪端部磨損加劇并過(guò)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(dòng)嚙合套換檔。因承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，嚙合套不會(huì)過(guò)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(chē)變速器上應(yīng)用。
使用同步器能保證換檔迅速、無(wú)沖擊、無(wú)噪聲，而與操作技術(shù)的熟練程度無(wú)關(guān)，從而提高了汽車(chē)的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換檔方法比較，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檔，其換檔行程要比滑動(dòng)齒輪換檔行程小。
通過(guò)比較，考慮汽車(chē)的操縱性能，本設(shè)計(jì)全部檔位均選用同步器換檔。
2、防脫檔設(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)掛入兩檔，而使掛檔出現(xiàn)重大故障。常見(jiàn)的互鎖機(jī)構(gòu)有：
（1）互鎖銷(xiāo)式
圖3.3是汽車(chē)上用得最廣泛的一種機(jī)構(gòu)，互鎖銷(xiāo)和頂銷(xiāo)裝在變速叉軸之間，用銷(xiāo)子的長(zhǎng)度和凹槽來(lái)保證互鎖。
圖3.3，a為空檔位置，此時(shí)任一叉軸可自由移動(dòng)。圖3.3，b、c、d為某一叉軸在工作位置，而其它叉軸被鎖住。
圖3.3 互鎖銷(xiāo)式互鎖機(jī)構(gòu)
（2）擺動(dòng)鎖塊式
圖3.4為擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)，操縱桿的撥頭置于鎖塊槽內(nèi)，此時(shí)，鎖塊的一個(gè)或兩個(gè)突起部分A檔住其它兩個(gè)變速叉軸槽，保證換檔時(shí)不能同時(shí)掛入兩檔。
（3）轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式
圖3.5為與上述鎖塊機(jī)構(gòu)原理相似的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)。選檔時(shí)操縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)鉗形板選入某一變速叉軸槽內(nèi)，此時(shí)鉗形板的一個(gè)或兩個(gè)鉗爪抓住其它兩個(gè)變速叉，保證互鎖作用。
操縱機(jī)構(gòu)還應(yīng)設(shè)有保證不能誤掛倒檔的機(jī)構(gòu)。通常是在倒檔叉或叉頭上裝有彈簧機(jī)構(gòu)，使司機(jī)在換檔時(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、倒檔鎖兩個(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
圖3.4 擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu) 圖3.5轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式互鎖機(jī)構(gòu)
脫檔和掛檔。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(lèi)型。
倒檔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(shè)計(jì)屬于前置前輪驅(qū)動(dòng)的轎車(chē)，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(lái)實(shí)現(xiàn)自鎖，通過(guò)互鎖銷(xiāo)實(shí)現(xiàn)互鎖。倒檔鎖采用限位彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)，使駕駛員有感覺(jué)，防止誤掛倒檔。
3.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了變速器齒輪，軸及軸承的選擇。并且對(duì)操縱機(jī)構(gòu)做了詳細(xì)的介紹。說(shuō)明了常用的鎖止機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理。
第4章 變速器主要參數(shù)的選擇
本次變速器設(shè)計(jì)的主要參數(shù)如下表所示。
表4.1 主要參數(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率
74kw
車(chē)輪型號(hào)
195/65R15
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩
145N·m
最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速
6000r/min
最大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速
3800r/min
最高車(chē)速
189km/h
總質(zhì)量
1712kg
整備質(zhì)量
1162kg
4.1檔數(shù)
近年來(lái)，為了降低油耗，變速器的檔數(shù)有增加的趨勢(shì)。目前，乘用車(chē)一般用4～5個(gè)檔位的變速器。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大的乘用車(chē)變速器多用5個(gè)檔。商用車(chē)變速器采用4～5個(gè)檔或多檔。載質(zhì)量在2.0～3.5t的貨車(chē)采用五檔變速器，載質(zhì)量在4.0～8.0t的貨車(chē)采用六檔變速器。多檔變速器多用于總質(zhì)量大些的貨車(chē)和越野汽車(chē)上。
4.2傳動(dòng)比范圍
變速器傳動(dòng)比范圍是指變速器最高檔與最低檔傳動(dòng)比的比值。最高檔通常是直接檔，傳動(dòng)比為1.0；有的變速器最高檔是超速檔，傳動(dòng)比為0.7～0.8。影響最低檔傳動(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(chē)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(chē)速等。目前乘用車(chē)的傳動(dòng)比范圍在3.0～4.5之間，總質(zhì)量輕些的商用車(chē)在5.0～8.0之間，其它商用車(chē)則更大。
傳動(dòng)比范圍的選擇要求：
1、相鄰檔位之間的傳動(dòng)比比值在1.8以下。
2、高檔區(qū)相鄰檔位之間的傳動(dòng)比比值要比低檔區(qū)相鄰檔位之間的比值小。
因此，本次設(shè)計(jì)的轎車(chē)變速器為5檔變速器，最高檔傳動(dòng)比初定為0.8左右
4.3各檔傳動(dòng)比的確定
（1）主減速器傳動(dòng)比的確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車(chē)行駛速度之間的關(guān)系式為：
（4.1）
式中 ——汽車(chē)行駛速度（km/h）；
——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；
——車(chē)輪滾動(dòng)半徑（m）；
——變速器傳動(dòng)比；
——主減速器傳動(dòng)比。
由上文可知最高車(chē)速==189km/h；最高檔為超速檔，傳動(dòng)比=0.75；車(chē)輪滾動(dòng)半徑由所選用的輪胎規(guī)格195/65R15得到=317.25（mm）；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速==3800（r/min）；由公式（4.1）得到主減速器傳動(dòng)比計(jì)算公式：
（2）最低檔傳動(dòng)比計(jì)算：
按最大爬坡度設(shè)計(jì)，滿足最大通過(guò)能力條件，即用一檔通過(guò)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：
（4.2）
式中 G ——車(chē)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(chē)輪滾動(dòng)半徑；
——最大爬坡度（一般轎車(chē)要求能爬上30%的坡，大約）
由公式（4.2）得：
（4.3）
已知：m=1712kg；；；r=0.31725m； N·m；；g=9.8m/s2；，把以上數(shù)據(jù)代入（4.3）式：
滿足不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)條件。即用一檔發(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：
（4.4）
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（4.4）式得：
同時(shí)也應(yīng)該滿足汽車(chē)最低穩(wěn)定車(chē)速的要求，則有
（4.5）
所以，一檔轉(zhuǎn)動(dòng)比的選擇范圍是：
初選一檔傳動(dòng)比為3.8。
（3）各檔傳動(dòng)比的選定：
變速器的Ⅰ檔傳動(dòng)比應(yīng)根據(jù)上述條件確定。變速器的最高檔一般為直接檔，有時(shí)用超速擋，在本設(shè)計(jì)中最高檔即為超速擋。中間檔的傳動(dòng)比理論上按公比為（其中n為檔位數(shù)）的幾何級(jí)數(shù)排列，實(shí)際上與理論值略有出入，因齒數(shù)為整數(shù)且常用檔位間的公比宜小些，另外還要考慮與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的合理匹配。
（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[1]：
（4.6）
式中 ——變速器中心距（mm）；
——中心距系數(shù)，乘用車(chē)=8.9~9.3；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)距為145（N·m）；
——變速器一檔傳動(dòng)比為3.778；
——變速器傳動(dòng)效率，取96%。
（8.9~9.3）=（8.9-9.3）7.925=71.83~75. 07mm
轎車(chē)變速器的中心距在60～80mm范圍內(nèi)變化。初取A=78mm。
（5）變速器的外形尺寸：
變速器殼體的尺寸要盡可能小，同時(shí)質(zhì)量也要小，并具有足夠的剛度，用來(lái)保證軸和軸承工作時(shí)不會(huì)歪斜。變速器橫向斷面尺寸應(yīng)保證能布置下齒輪，而且設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意到殼體側(cè)面的內(nèi)壁與轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪齒頂之間留有5～8mm的間隙，否則由于增加了潤(rùn)滑油的液壓阻力，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲和使變速器過(guò)熱。齒輪齒頂?shù)阶兯倨鞯撞恐g要留有不小于15mm的間隙。
為了加強(qiáng)變速器殼體的剛度，在殼體上應(yīng)設(shè)計(jì)有加強(qiáng)肋。加強(qiáng)肋的方向與軸支承處的作用力方向有關(guān)。變速器殼壁不應(yīng)該有不利于吸收齒輪振動(dòng)和噪聲的大平面。采用壓鑄鋁合金殼體時(shí)，可以設(shè)計(jì)一些三角形的交叉肋條，用來(lái)增加殼體剛度和降低總成噪聲。
為了注油和放油，在變速器殼體上設(shè)計(jì)有注油孔和放油孔。注油孔位置應(yīng)設(shè)計(jì)在潤(rùn)滑油所在平面處，同時(shí)利用它作為檢查油面高度的檢查孔。放油孔應(yīng)設(shè)計(jì)在殼體的最低處。放油鏍塞采用永久磁性鏍塞，可以吸住存留于潤(rùn)滑油內(nèi)的金屬顆粒。為了使從第一軸或第二軸后支承的軸承間隙處流出的潤(rùn)滑油再流回變速器殼體內(nèi)，常在變速器殼體前或后端面的兩軸承孔之間開(kāi)設(shè)回油孔。為了保持變速器內(nèi)部為大氣壓力，在變速器頂部裝有通氣塞。
為了減小質(zhì)量，變速器殼體采用壓鑄鋁合金鑄造時(shí)，壁后取3.5～4mm 。采用鑄鐵殼體時(shí)，壁厚取5～6mm。增加變速器殼體壁厚，雖然能提高殼體的剛度和強(qiáng)度，但會(huì)使質(zhì)量加大，并使消耗的材料增加，提高了成本。變速器的橫向外形尺寸，可以根據(jù)齒輪直徑以及倒檔中間齒輪和換檔機(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(chē)變速器殼體的軸向尺寸可參考下列公式選用：
mm
初選長(zhǎng)度為255mm。
4.4齒輪參數(shù)的選擇
（1）模數(shù)
選取齒輪模數(shù)時(shí)一般要遵守的原則是：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)減少齒寬；從工藝方面考慮，各檔齒輪應(yīng)該選用一種模數(shù)；從強(qiáng)度方面考慮，各檔齒輪應(yīng)有不同的模數(shù)。對(duì)于轎車(chē)，減少工作噪聲較為重要，因此模數(shù)應(yīng)選得小些；對(duì)于貨車(chē)，減小質(zhì)量比減小噪聲更重要，因此模數(shù)應(yīng)選得大些；變速器抵擋齒輪應(yīng)該選用大些的模數(shù)，其它檔位的齒輪選用另一種模數(shù)。在少數(shù)情況下，汽車(chē)變速器的各檔齒輪均選用相同模數(shù)。
表4.2 汽車(chē)變速器齒輪的法向模數(shù)
車(chē) 型
乘用車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)排量V/L
貨車(chē)的最大總質(zhì)量/t
1.0
14
模數(shù)
/mm
2.25~2.75
2.75~3.00
3.50~4.50
4.50~6.00
轎車(chē)模數(shù)的選取以發(fā)動(dòng)機(jī)排量作為依據(jù)，由表2.2選取各檔模數(shù)為左右，由于轎車(chē)對(duì)降低噪聲和振動(dòng)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(shí)，重合度較大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲較低；壓力角較大時(shí)，可提高輪齒的抗彎強(qiáng)度和表面接觸強(qiáng)度。
對(duì)于轎車(chē)，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(chē)，為提高齒輪強(qiáng)度，應(yīng)選用22.5°或25°等大些的壓力角。
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。
另外還應(yīng)該指出，國(guó)外有些企業(yè)生產(chǎn)的乘用車(chē)變速器齒輪采用的壓力角不一致，即高檔齒輪采用小些的壓力角以減少噪聲；而低檔和倒檔齒輪采用較大的壓力角，以增加強(qiáng)度。必須指出的是齒輪采用小壓力角和小模數(shù)時(shí)，除必須采用較大的齒頂高系數(shù)外，還應(yīng)該采用大圓弧齒根，這樣可以提高彎曲強(qiáng)度在30%以上。
（3）螺旋角
齒輪的螺旋角對(duì)齒輪工作噪聲、輪齒的強(qiáng)度和軸向力有影響。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)證明，隨著螺旋角的增大，齒的強(qiáng)度相應(yīng)提高，但當(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)，并不希望用過(guò)大的螺旋角；而從提高高檔齒輪的接觸強(qiáng)度著眼，應(yīng)當(dāng)選用較大的螺旋角。
（4）齒寬
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。
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，齒寬減小使斜齒輪傳動(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。齒寬較小又會(huì)使齒輪的工作應(yīng)力增加。選用較大的齒寬，工作中會(huì)因軸的變形導(dǎo)致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻造成偏載，導(dǎo)致承載能力降低，并在齒寬方向磨損不均勻。
通常根據(jù)齒輪模數(shù)的大小來(lái)選定齒寬：
斜齒，取為6.0～8.5。
（5）齒頂高系數(shù)
齒頂高系數(shù)對(duì)重合度、輪齒強(qiáng)度、工作噪聲、輪齒相對(duì)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(guò)齒頂高系數(shù)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(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。
4.5各檔齒輪齒數(shù)的分配以及傳動(dòng)比的計(jì)算
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(lái)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。
（1）一檔齒數(shù)及傳動(dòng)比的確定
一檔傳動(dòng)比為：
取整得43。轎車(chē)取9，則。則一檔傳動(dòng)比為：
（2）對(duì)中心距A進(jìn)行修正
（4.7）
取整得mm，為標(biāo)準(zhǔn)中心矩。
（3）二檔齒數(shù)及傳動(dòng)比的確定
已知：=80mm，=2.147，=2.75，；將數(shù)據(jù)代入上兩式，齒數(shù)取整得：，，所以二檔傳動(dòng)比為：
（4）計(jì)算三檔齒輪齒數(shù)及傳動(dòng)比
已知：=80mm，=1.512，=2.5，；將數(shù)據(jù)代入上兩式，齒數(shù)取整得：，，所以三檔傳動(dòng)比為：
（5）計(jì)算四檔齒輪齒數(shù)及傳動(dòng)比
已知：=80mm，=1.065，=2，；將數(shù)據(jù)代入上兩式，齒數(shù)取整得：，，所以四檔傳動(dòng)比為：
（6）計(jì)算五檔齒輪齒數(shù)及傳動(dòng)比
已知：=80mm，=0.75，=1.75，；將數(shù)據(jù)代入上兩式，齒數(shù)取整得：，，所以五檔傳動(dòng)比為：
（7）計(jì)算倒檔齒輪齒數(shù)及傳動(dòng)比
則倒檔傳動(dòng)比
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
（8）計(jì)算各檔齒輪變位系數(shù)
一檔：
法面模數(shù)
=3.5
端面模數(shù)
==≈3.83
法面壓力角
=25°
端面壓力角
=arctg=≈27.4°
理論中心距
A==3.83=82.34 mm
中心距變動(dòng)系數(shù)
===-0.6109
===-0.6109=-0.0284
則總變位系數(shù)=-0.6670
根據(jù)齒數(shù)比==3.777，按線圖分配變位系數(shù)得=0.2，則
=－=-0.6670－0.2=0.8670
二檔：
法面模數(shù)
=2.75
端面模數(shù)
==≈3.03mm
法面壓力角
=20°
端面壓力角
=arctg=≈21.52°
理論中心距
A==3.03=80.295mm
中心距變動(dòng)系數(shù)
===－0.0973
===－0.0973=－0.00367
總變位系數(shù)=－0.1462
根據(jù)齒數(shù)比==2.118，按線圖分配變位系數(shù)得=0.2134，則
=－=－0.1462－0.2134=－0.3596
按上述方法同理可算出三檔：=0.0198，=-0.2984；四檔：=0.5902，=0.6013；
五檔： =0.9325，=1.0282
表4.3 斜齒圓柱齒輪的幾何尺寸 (mm)
端面模數(shù)
3.84
3.83
3.03
3.03
2.74
2.74
2.25
2.25
1.95
1.95
端面壓力角
27.1
27.1
21.8
21.8
21.7
21.7
22.3
21.8
22.0
22.0
螺旋角
24.11
24.11
25
25
23.58
23.58
27.30
27.30
26
26
分度圓直徑
34.5
130.4
51.6
109.2
68.4
93.0
76.6
77.2
70.1
83.7
齒頂高
4.045
0.311
3.330
1.754
2.529
1.733
3.008
3.789
3.042
3.209
齒根高
3.675
7.410
2.851
4.427
3.075
3.871
1.319
0.179
0.556
0.388
齒全高
7.72
7.72
6.181
6.181
5.604
5.604
4.327
3.968
3.598
3.598
齒頂圓直徑
42.6
131.1
58.2
112.7
73.4
96.5
82.7
84.8
76.1
90.1
中心距
80
80
80
80
80
基圓直徑
30.7
116.1
47.9
101.3
63.5
86.4
70.9
71.6
64.9
77.6
變位系數(shù)
0.2
-0.8670
0.2134
-0.3596
0.0198
-0.2984
0.5902
0.6013
0.9325
1.0282
4.6 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5章 變速器齒輪及軸的強(qiáng)度校核
5.1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(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
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(duì)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(wú)法磨齒的齒輪[18]。
由于一對(duì)齒輪一直參與傳動(dòng)，磨損較大，齒輪所受沖擊載荷作用也大，抗彎強(qiáng)度要求比較高。應(yīng)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。
5.2變速器齒輪的材料及熱處理
變速器齒輪的損壞形式主要有：輪齒斷裂、齒面疲勞剝落（點(diǎn)蝕）、移動(dòng)換擋齒輪端部破壞以及齒面膠合。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)，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，提高齒面硬度，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。
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(duì)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(wú)法磨齒的齒輪[12]。
現(xiàn)代汽車(chē)變速器齒輪大都采用滲碳合金鋼制造，使輪齒表層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)考慮到其機(jī)械加工性能及制造成本。
國(guó)產(chǎn)汽車(chē)變速器齒輪的常用材料是20CrMnTi（過(guò)去的鋼號(hào)是18CrMnTi），也是采用20Mn2TiB，20MnVB，20MnMoB的。對(duì)于大模數(shù)的重型汽車(chē)變速器齒輪，可采用25CrMnMo，20CrNiMo，12Cr3A等鋼材，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：
≤3.5 滲碳層深度0.8～1.2 mm；
3.5＜＜5 滲碳層深度0.9～1.0 mm；
≥5 滲碳層深度1.0～1.6 mm 。
滲碳齒輪在淬火、回火后要求齒輪的表面硬度為HRC58～63，心部硬度為HRC33。
5.3變速器齒輪彎曲強(qiáng)度校核
齒輪彎曲強(qiáng)度校核（斜齒輪）
（5.1）
式中 ——圓周力（N），；
——計(jì)算載荷（N·mm）；
——節(jié)圓直徑（mm）， ，為法向模數(shù)（mm）；
——斜齒輪螺旋角（°）；
——應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；
——齒面寬（mm）；
——法向齒距，；
——齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在齒形系數(shù)圖5.1中查得；
——重合度影響系數(shù)，=2.0。
圖5.1 齒形系數(shù)圖
將上述有關(guān)參數(shù)據(jù)代入公式（5.1），整理得到
（5.2）
1、計(jì)算各齒輪傳遞的軸的轉(zhuǎn)矩
Ⅰ軸 ==145×0.98×0.96=136.416N·m
Ⅱ軸 一擋
＝136.416×0.96×0.98×3.778
＝484.869N·m
二擋
＝136.416×0.96×0.98×2.118＝271.824N·m
三擋
＝136.416×0.96×0.98×1.360
＝172.543N·m
四擋
＝136.416×0.96×0.98×1.029
＝132.06N·m
五擋
＝136.416×0.96×0.98×0.814
＝104.469N·m
（1）一檔齒輪校核
主動(dòng)齒輪：
已知： N·mm；；；mm；；；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.78，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
從動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.182，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
（2）二檔齒輪校核
主動(dòng)齒輪：
已知： N·mm；；；mm；
；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.168，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
從動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.175，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
（3）三檔齒輪校核
主動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.148，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
從動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.154，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
（4）四檔齒輪的校核
主動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.176，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
從動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.178，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
N·mm
（5）五檔齒輪的校核
主動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.195，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
從動(dòng)齒輪：
已知：N·mm；；；mm；； ；，查齒形系數(shù)圖5.1得：y=0.154，把以上數(shù)據(jù)代入（5.2）式，得：
MPa
對(duì)于轎車(chē)當(dāng)計(jì)算載荷取變速器輸入軸最大轉(zhuǎn)距時(shí)，其許用應(yīng)力不超過(guò)180~350MPa，以上各檔均合適。
5.4齒輪接觸應(yīng)力校核
（5.3）
式中 ——輪齒接觸應(yīng)力（MPa）；
——齒面上的法向力（N），；
——圓周力（N），；
——計(jì)算載荷（N·mm）；為節(jié)圓直徑（mm）；
——節(jié)點(diǎn)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(shí)際寬度（mm）；
，——主從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm），直齒輪，斜齒輪，；
、——主從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑（mm）。
將作用在變速器第一軸上的載荷作為作用載荷時(shí)，變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力[]見(jiàn)表5.2：
表5.2 變速器齒輪許用接觸應(yīng)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
變速器齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度與芯部的高韌性相結(jié)合能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力。對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸處理以后，輪齒產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，齒輪彎曲疲勞壽命可成倍提高，接觸疲勞壽命也有明顯改善。
1、 一檔齒輪接觸應(yīng)力校核
（1）一擋主動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
= 0.418
=1329.801143＜[]
（2）一擋從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
=0.418
=1323.135431＜[]
2、 二擋主從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
（1）二擋主動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
= 0.418
=958.7645712＜[]
（2）二擋從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
=0.418
=953.9586648＜[]
3、三擋主從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
（1）三擋主動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
= 0.418
=819.2942094＜[]
（2）三擋從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
=0.418
=815.1874457＜[]
4、四擋主從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
（1）四擋從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
= 0.418
=700.0522232＜[]
（2）四擋從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
=0.418
=696.5431674＜[]
5、 五擋主動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
（1）五擋主動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
= 0.418
=644.8566928＜[]
（2）五擋從動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力
=0.418
=0.418
=641.6243081＜[]
5.5軸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
變速器軸在工作時(shí)承受轉(zhuǎn)矩、彎矩，因此應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度。軸的剛度不足，在負(fù)荷的作用下，軸會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，影響齒輪的經(jīng)常嚙合，產(chǎn)生過(guò)大的噪聲，并會(huì)降低齒輪的使用壽命。設(shè)計(jì)變速器時(shí)主要考慮的問(wèn)題有： 軸的結(jié)構(gòu)形狀、軸的直徑、長(zhǎng)度、軸的強(qiáng)度和剛度等。
在已知兩軸式變速器中心距時(shí)，軸的最大直徑和支承距離的比值可在以下范圍內(nèi)選?。簩?duì)輸入軸，=0.16～0.18；對(duì)輸出軸，0.18～0.21。
輸入軸花鍵部分直徑（mm）可按下式初選取：
（5.4）
式中 ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，=4.0～4.6；
——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N.m）。
輸入軸花鍵部分直徑為
=21.04～23.64mm
初選輸入、輸出軸支承之間的長(zhǎng)度=255mm。
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件確定軸的最小直徑為
（5.5）
式中 d——軸的最小直徑（mm）；
——軸的許用剪應(yīng)力（MPa）；
P——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率（kw）；
n——發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）。
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入（5.5）式，得：
mm
所以，選擇軸的最小直徑為25mm。
5.6軸的強(qiáng)度驗(yàn)算
5.6.1軸的剛度的計(jì)算
對(duì)齒輪工作影響最大的是軸在垂直面內(nèi)產(chǎn)生的撓度和軸在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。前者使齒輪中心距發(fā)生變化，破壞了齒輪的正確嚙合；后者使齒輪相互歪斜，致使沿齒長(zhǎng)方向的壓力分布不均勻。初步確定軸的尺寸以后，可對(duì)軸進(jìn)行剛度和強(qiáng)度驗(yàn)算。
軸的撓度和轉(zhuǎn)角可按《材料力學(xué)》的有關(guān)公式計(jì)算。計(jì)算時(shí)，僅計(jì)算齒輪所在位置處軸的撓度和轉(zhuǎn)角。第一軸常嚙合齒輪副，因距離支承點(diǎn)近，負(fù)荷又小，通常撓度不大，故可以不必計(jì)算。如圖5.3所示：
圖5.3 變速器軸的撓度和轉(zhuǎn)角
若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉(zhuǎn)角為，可分別用下式計(jì)算
（5.6）
（5.7）
（5.8）
式中 ——齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）；
——齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）；
——彈性模量（MPa），=2.1×105 MPa；
——慣性矩（mm4），對(duì)于實(shí)心軸，；
——軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計(jì)算；
、——齒輪上的作用力距支座A、B的距離（mm）；
——支座間的距離（mm）。
軸的全撓度為mm。
軸在垂直面和水平面內(nèi)撓度的允許值為=0.05～0.10mm，=0.10～0.15mm。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過(guò)0.002rad。
1、 計(jì)算變速器上個(gè)齒輪的圓周力、切向力、軸向力
輸入軸：
2、 變速器輸入軸的剛度計(jì)算
（1）一檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=43mm；b=171mm；L=214mm；d=28mm，則有
mm
mm
mm
（2）二檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=99mm；b=114.5mm；L=214mm；d=46mm，則有
mm
mmmm
（3）三檔工作時(shí)的計(jì)算
已知a=77；b=136.5mm；L=214mm；d=42mm，則有
=mm
mmmm
由于四、五檔距離支撐處只有20mm左右，而且受力相對(duì)于其它各檔的受力比較小，所以其撓度和轉(zhuǎn)角相對(duì)于一、二、檔可以忽略。
3、 變速器輸出軸的剛度計(jì)算
（1）一檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=61mm；b=162mm；L=223mm；d=40mm，則有
mm
mm
mm
（2）二檔工作時(shí)的計(jì)算
已知：a=106mm；b=117mm；L=223mm；d=34mm，則有
mm
mm
（3）三檔工作時(shí)的計(jì)算
已知a=69；b=154mm；L=223mm；d=34mm，則有
=mm
mmmm
由于四、五檔距離支撐處只有20mm左右，而且受力相對(duì)于其它各檔的受力比較小，所以其撓度和轉(zhuǎn)角相對(duì)于一、二、檔可以忽略。
5.6.2