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編號：
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
題 目： 機械式六檔變速器設(shè)計
學(xué) 院： 機電工程學(xué)院
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名： 劉京華
學(xué) 號： 1000110124
指導(dǎo)教師單位： 桂林電子科技大學(xué)
姓 名： 彭曉楠
職 稱： 副教授
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設(shè)計 ¨工程技術(shù)研究 ¨軟件開發(fā)
2014年1月3日
一、選題的依據(jù)及意義
作為汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，變速器對整車的動力性與經(jīng)濟性、操縱的可靠性與輕便性、傳動的平穩(wěn)性與效率都有著較為直接的影響。雖然傳統(tǒng)機械式的手動變速器具有換檔沖擊大，體積大，操縱麻煩等諸多缺點，但仍以其傳動效率高、生產(chǎn)制造工藝成熟以及成本低等特點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車上。
本課題以機械式六檔變速器為載體，完成機械式六檔變速器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。合理的設(shè)計和布置變速器，使發(fā)動機的功率得到最合理的利用，從而提高汽車的動力性能和經(jīng)濟性。
二、課題任務(wù)
（一）本課題的主要工作內(nèi)容有以下幾點：
1、收集關(guān)于機械式六檔變速器產(chǎn)品的相關(guān)知識，了解現(xiàn)有機械式六檔變速器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)；
2、熟悉機械式六檔變速器的工作原理及過程；
3、查閱相關(guān)資料，熟悉機械產(chǎn)品設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械零件的加工工藝、工程力學(xué)、工程制圖等與本畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)的知識；
4、熟練掌握計算機輔助設(shè)計軟件；
5、對機械式六檔變速器設(shè)計方案進行詳細規(guī)劃及分析，反復(fù)對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化；
6、利用計算機及相關(guān)軟件完成機械式六檔變速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
7、利用計算機及相關(guān)軟件完成機械式六檔變速器相關(guān)機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析；
8、完成機械式六檔變速器相關(guān)零件材料的選用及其工藝分析；
9、利用計算機及相關(guān)軟件完成機械式六檔變速器產(chǎn)品零件及裝配部件的3D和2D工程圖的繪制；
（二）畢業(yè)設(shè)計（論文）的要求與數(shù)據(jù)
本畢業(yè)設(shè)計課題需要掌握機械產(chǎn)品設(shè)計、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械零件加工工藝、工程力學(xué)、工程制圖等相關(guān)知識及計算機輔助設(shè)計技能。本課題需要提交的數(shù)據(jù)資料及要求主要有以下幾點：
1、設(shè)計方案的規(guī)劃及分析對比必須在畢業(yè)設(shè)計說明書中體現(xiàn)出來；
2、機械式六檔變速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，提交合理、完整的3D模型；
3、機械式六檔變速器相關(guān)機構(gòu)的各種參數(shù)計算和分析（齒輪強度的計算與校核、齒輪彎曲強度計算、齒輪接觸應(yīng)力計算、軸的受力分析、剛度校核、強度校核等），并提供結(jié)果；
4、零部件裝配正確合理，并提供干涉分析結(jié)果；
5、2D工程圖要整潔規(guī)范，必須符合國家標準，并提交規(guī)范完整圖紙；
6、機構(gòu)運動仿真及零件拆、裝過程視頻動畫分辨率不小于720*480 px，并提交AVI格式視頻文件；
7、外文資料翻譯和畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）的內(nèi)容及字符要符合“畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書”的要求；
8、畢業(yè)設(shè)計說明書的格式必須符合 “2014年畢業(yè)設(shè)計說明書統(tǒng)一格式”的要求；
9、各個文件資料所需填寫的時間必須符合“2014年畢業(yè)設(shè)計(論文)管理辦法”的要求；
10、答辯PPT課件能清晰體現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計課題的設(shè)計思路，版面生動、簡潔；
三、準備情況（查閱過的文獻資料及現(xiàn)有設(shè)備、實驗條件等）
（一）應(yīng)查閱的文獻資料
[1] 銘卓. UG NX6模具設(shè)計實例詳解[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2009
[2] 陳錫棟，周小玉.實用模具技術(shù)手冊[M]，機械工業(yè)出版社,2001.7
[3] 陳萬林.實用塑料注射模設(shè)計與制造[M]，機械工業(yè)出版社2000.10
[4] 郁文娟. 塑料產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計基礎(chǔ)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007
[5] 付宏生，劉京華.注塑制品與注塑模具設(shè)計[M]，化學(xué)工業(yè)出版社,2003.7
[6] BRYDSON, J. A. Plastics Materials (7th ed.) Plastics_Materials_7E[M]，2001
（二）所需主要儀器設(shè)備及條件如下：
1、計算機一臺。
2、CAD設(shè)計軟件（UG或Solidworks）。
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師（簽字）：
2013年12月 日
開題小組意見
開題小組組長（簽字）：
2014年1 月 日
院（系、部）意見
主管院長（系、部主任）簽字：
2014年1月 日
2014年機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)進度計劃表
學(xué)生姓名：劉京華 學(xué)號：1000110124
序號
起止日期
計劃完成內(nèi)容
實際完成內(nèi)容
檢查日期
檢查人簽名
1
2013.12.17—12.23
收集關(guān)于機械式六檔變速器產(chǎn)品的相關(guān)知識，了解現(xiàn)有機械式六檔變速器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)
2
2013.12.24—12.30
熟悉機械式六檔變速器的工作原理及過程
3
2013.12.31-2014.1.6
完成開題報告
4
2014.1.7-1.13
完成與課題相關(guān)，不少于四萬字符的指定英文資料翻譯（附英文原文）
5
3.4-3.10
系統(tǒng)方案設(shè)計并比較、優(yōu)化，確定最終方案
6
3.11-3.17
主要零部件結(jié)構(gòu)計，參數(shù)計算、理論分析，并進行方案論證
7
3.18-3.24
機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計
8
3.25-3.31
相關(guān)零件材料的選用及其工藝分析
(本表同時作為指導(dǎo)教師對學(xué)生的16次考勤記錄)
2014年機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計進度計劃表（續(xù)）
學(xué)生姓名：劉京華 學(xué)號：1000110124
序號
起止日期
計劃完成內(nèi)容
實際完成內(nèi)容
檢查日期
檢查人簽名
9
4.01-4.07
零件三維數(shù)字模型設(shè)計
10
4.08-4.14
裝配三維數(shù)字模型設(shè)計
11
4.15-4.21
機構(gòu)運動仿真及零件拆、裝過程視頻動畫
12
4.22-4.28
繪制二維零件圖
13
4.29-5.05
繪制二維裝配圖
14
5.06-5.12
完成設(shè)計說明書和答辯PPT課件
15
5.13-5.19
設(shè)計資料的檢查和修改
16
5.20-5.26
完成畢業(yè)設(shè)計，提交論文
任務(wù)下達時間：2013年12月17日 (本表同時作為指導(dǎo)教師對學(xué)生的16次考勤記錄)
第 1 頁 共 2 頁
編號： 畢業(yè)設(shè)計（論文）說 明 書 題 目： 機械式六檔 變速器 設(shè)計 院 （系）： 機電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 劉京華 學(xué) 號： 1000110124 指導(dǎo)教師： 彭曉楠 職 稱： 副教授 題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設(shè)計 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 2014 年 5 月 26 日 II 摘 要 變速器是汽車中非常 重要 的 組成 部分。雖然機械式變速器換檔時沖擊比較大，操縱 繁瑣，但其傳動效率高、生產(chǎn)制造簡單以及成本低，所以仍廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代汽車上。 在 變速器 中 增加一個檔位 ，由于變速器 相鄰 檔 之 間的傳動比變化更 小，所以 汽車 換擋時的 沖擊較小。 本文根據(jù)市場上的五檔汽車，設(shè)計一個機械式六檔變速器， 依據(jù)機械設(shè)計基 本原理和方法 主要設(shè)計變速器的傳動機構(gòu) 、同步器和換擋操縱機構(gòu)等 ,然后對齒輪和軸 進行校核。 關(guān)鍵詞： 變速器，六檔，機械式 III Abstract Transmission is a very important component in automobile. Although the impact of the mechanical transmission is relatively large and has complex manipulation, but the transmission is efficient and simple and also has a low manufacturing cost, so it is still widely used in modern vehicles. An increase in the transmission gear, because the transmission ration between adjacent transimission gear become smaller, so the impact of the shift become smaller when the car change the gears. Based on the five-speed car on the market, the article designs a mechanical six-speed transmission according to the mechanical design of the basic principles and methods.The design contains transmission main mechanism design, synchronizer and shift control mechanism, etc., and then check the gear and shaft. KeyWords: Transmission; six-speed; mechanical IV 目錄 引言 . 1 1 變速器設(shè)計方案分析 . 2 1.1 傳動結(jié)構(gòu)的分析與選擇 . 2 1.2 換擋結(jié)構(gòu)的分析與選擇 . 3 1.3 倒檔結(jié)構(gòu)布置 . 5 1.4 換擋操縱結(jié)構(gòu) . 6 1.5 其他 零部件分析和選擇 . 9 2 變速器主要參數(shù)的選擇 . 10 2.1 主要輸入?yún)?shù) . 10 2.2 變速器 傳動比的選擇 . 10 2.3 中心距初步計算 . 12 2.4 齒輪參數(shù)選擇 . 12 2.5齒輪齒數(shù)的分配 . 13 3 變速器主要零部件的設(shè)計與計算 . 17 3.1齒輪的幾何尺寸設(shè)計計算 . 17 3.2 齒輪損壞的形式及原因 . 19 3.3 齒輪的材料選擇和處理工藝 . 20 3.4 變速器齒輪強度計算 . 20 3.5 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核 . 22 3.6 花鍵 . 24 4 同步器設(shè)計與計算 . 26 4.1 同步器結(jié)構(gòu) . 26 4.2 同步器工作原理 . 27 4.3 同步器主要尺寸確定 . 28 4.4 同步器主要參數(shù)確定 . 30 5 變速器的潤滑和密封 . 32 5.1 潤滑 . 32 5.2 密封 . 32 結(jié)論 . 33 謝 辭 . 34 參考文獻 . 35 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 1頁 共 36頁 引言 車在不同使用場合有不同的要求，采用往復(fù)活塞式內(nèi)燃機為動力的汽車，其在實際 工況下所要求的性能與發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性之間存在著較大的矛盾。例如，受到載 運量、道路坡度、路面質(zhì)量、交通狀況等條件的影響，汽車所需的牽引力和車速需要在 較大范圍內(nèi)變化，以適應(yīng)各種使用要求；此外，汽車還需要能倒向行駛，發(fā)動機本身是 不可能倒轉(zhuǎn)的，只有靠變速箱的倒擋齒輪來實現(xiàn)。上述發(fā)動機牽引力、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向與汽 車牽引力、車速、行駛方向等之間的矛盾，單靠發(fā)動機本身是難以解決的，車用變速器 應(yīng)運而生，它與發(fā)動機匹配，通過多擋位切換，可以使驅(qū)動輪的扭矩 增大到發(fā)動機扭矩 的若干倍，同時又可使其轉(zhuǎn)速減小到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的幾分之一 。 變速器是汽車非常重要配置，它對汽車的操控性、舒適性以及燃油經(jīng)濟性都起到很 重要的作用，它占汽車制造成本的 7%。隨著我國汽車消費者對汽車認識的不斷提升， 變速器已經(jīng)開始影響消費者的購車觀念。在過去的幾十年我國主要致力于研究開發(fā)發(fā)動 機技術(shù)，而變速器已是現(xiàn)在的研發(fā)熱點?，F(xiàn)在市場上主要的幾種變速器是手自一體變速 器（ AMT）、自動變速器（ AT）、無級變速變速器（ CVT）和雙離合變速器（ DCT），它們各 有優(yōu)缺點。 AT 的節(jié)能效果差一些，但是舒適性好， 元器件可靠性高，其生產(chǎn)歷史長， 使用范圍大。 CVT 適合小型車， AMT 在換檔時會有短暫的中斷，舒適性差一些。 DCT 結(jié) 合了手動變速器的燃油經(jīng)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。 在我國，據(jù)調(diào)查 2008 年手動變速器的市場比重為 74%，占據(jù)較大的市場份額。雖 然自動變速器市場占有率會不斷的增加，但是由于手動變速器的燃油經(jīng)濟性、節(jié)能性、 技術(shù)的高度成熟以及它給駕駛者帶來的全方位的駕駛樂趣決定了其在變速器市場上不 可取代的地位。 目前，國內(nèi) 機械式 變速器主要采用齒輪傳動機構(gòu)傳遞動力。齒 輪是手動變速器的主 要傳動部件，由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長、工作可靠和維修方便等特點，在 運動和動力的傳遞等方面得到了非常普遍的應(yīng)用，并且有關(guān)齒輪的設(shè)計方法也已經(jīng)有了 相應(yīng)的規(guī)范和標準。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 2頁 共 36頁 1 變速器設(shè)計方案分析 變速器設(shè)計方案主要有傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計、換擋結(jié)構(gòu)設(shè)計、倒檔結(jié)構(gòu)設(shè)計 和換擋操縱機 構(gòu)等 設(shè)計 。這些都是變速器中的重要的組成部分。 1.1 傳動結(jié)構(gòu)的分析與選擇 變速器傳動布置方案主要 有兩種： 兩軸式 布置和 三軸式 布置。變速器的傳動布置方 案對變速器的傳動 效率、尺寸結(jié)構(gòu)、傳動比有直接影響。 1.1.1 兩軸式變速器 圖 1.1 二軸結(jié)構(gòu) 如圖 1.1是一個兩軸 式 變速器的傳動布置方案。兩軸式布置方案的變速器 的主要特 點是 結(jié)構(gòu)簡單、 空間 尺寸小 。 發(fā)動機 前置 且 前輪 驅(qū)動的轎車 ， 這種布置使汽車 傳動系統(tǒng) 緊湊、操縱性 能好并且 可使汽 車重量 降低 6%10%。 如圖 1.1所示 。兩軸式變速器 是沒有 直接擋，所以汽車在高擋運行時，齒輪和軸承都有承載，因此產(chǎn)生的噪聲較大，也 加 大 了 齒輪磨損，這是它的缺點。另外，變速器的低擋傳動比上限也受到較大限制。兩軸式 變速器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，空間緊湊，缺點是沒有直接檔、低檔傳動比小。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 3頁 共 36頁 1.1.2 三軸式變速器 圖 1.2 三軸式結(jié)構(gòu) 如圖 1.2是三軸式變速器的示意圖。 從圖中我們可以看到，變速器的第一軸（接發(fā) 動機的軸） 常嚙合齒輪與第二軸 （至差速器的軸）的各擋齒輪分別與中間軸上 相應(yīng) 的齒 輪相互嚙合，并且 第一、第二軸同心。 如果將第一、第二軸直接連起來時稱為直接擋。 使用直接檔時，齒輪、軸承及中間軸均不承受載荷，第一、第二軸之間直接傳遞動力。 所以 ， 掛 直接擋 時，變速器傳遞效率高，齒輪磨損和噪音也比較小，這是三軸式變速器 的一個 優(yōu)點。 在其他檔位時需要 經(jīng)過 中間軸的兩對齒輪傳遞動力，所以 在齒輪中心距（ 第 二軸與中間的中心距 ） 比較小的情況下依然 可以獲得 比較大 傳動比，這是三軸式變速器 的另 外 一 個 優(yōu)點。 但是它 其缺點是：除直接擋外其他各擋 需要經(jīng)過中間軸，傳動效率有 所 下降。 為了汽車在高速運行時有較高的效率，減少噪聲，在低速運行時有較大傳動比，所 以綜合二軸式變速器和三軸式變速器的優(yōu)點和缺點，在本設(shè)計中使用三軸式布置方案。 1.2 換擋結(jié)構(gòu)的分析與選擇 常用的換擋結(jié)構(gòu)有 同步器、嚙合套和直齒滑動齒輪 三種。 1.2.1 直齒滑動齒輪換檔 直齒輪滑動換擋結(jié)構(gòu)制造方便，結(jié)構(gòu)簡單。但是這種結(jié)構(gòu)缺點比較多：汽車運行時 各檔的齒輪有不同的角 度 速度，使用用滑動直齒齒輪換檔，會在齒輪 端面產(chǎn)生 較大沖擊， 并 有 巨大的噪聲，另外這種結(jié)構(gòu)齒輪端面容易磨損，導(dǎo)致變速器容易損壞。 換檔 時 產(chǎn)生 沖擊和噪聲使乘坐體驗大大地 降低。 要克服上述特點要求 駕駛員用 較熟練的駕駛 技術(shù) （如恰當?shù)乜刂齐x合器），使齒輪換檔時產(chǎn)生 沖擊 較小 。 所以，這種直齒輪滑動換擋結(jié) 結(jié)構(gòu)簡單，但 是在現(xiàn)代汽車中已經(jīng)很少使用 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 4頁 共 36頁 1.2.2 嚙合套換檔 變速器輸出 軸齒輪和 中間軸齒輪 是常嚙合的，因此 可 以使用 嚙合套 來換檔。變速器 中的齒輪 不再 參與 換檔， 齒輪端面與換擋機構(gòu)沒有接觸 ， 所以齒輪不像直齒滑動齒輪換 擋那樣齒輪容易損壞。 但 是由于嚙合換擋時，輸出軸的轉(zhuǎn)速與即將被嚙合的齒輪的轉(zhuǎn)速 不相同，在換擋時會產(chǎn)生較大換檔沖擊。對汽車安全性和乘坐體驗仍有影響。同時，依 然要求駕駛員有比較熟練的駕駛技術(shù) 。 1.2.3 同步器換檔 圖 1.3 同步器 如圖 1.3同步器在嚙合套和嚙合齒輪之間增加了一個同步環(huán) （即鎖環(huán)） 。在換擋時， 在換擋撥叉的作用下 ， 嚙合套和同步環(huán)一起移向被嚙合齒輪。在嚙合套與齒輪嚙合之前， 同步環(huán)的錐面先與齒輪上的錐面接觸，在換擋撥叉的作用力下，同步環(huán)錐面與齒輪上的 錐面產(chǎn)生摩擦力，使輸出軸的轉(zhuǎn)速與 被嚙合齒輪的轉(zhuǎn)速相同。這樣在嚙合時，嚙合齒之 間的沖擊減少，這樣在換擋時就沒有較大的換擋沖擊。 雖然同步器的 結(jié)構(gòu) 比較復(fù)雜，制造的精度 高， 并且 軸向尺寸大 ， 但由于它能 夠在換 擋時操作輕便、迅速，并且換擋 沖擊 小 、無噪聲 ，并且在駕駛時換擋技術(shù)要求不高，從 而有顯著 提高汽車的加速性 能 、 與汽車駕駛安全性，亦可以 延長齒輪 使用壽命，故在現(xiàn) 代汽車上得到廣泛地使用。 在本設(shè)計中，所有的換擋結(jié)構(gòu)都是使用同步器換擋。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 5頁 共 36頁 1.3 倒檔結(jié)構(gòu)布置 圖 1.4倒檔 布置 在汽車倒檔時，輸出軸的轉(zhuǎn)動方向與前進檔的方向是相反的，所以在倒檔齒輪之間 放一個惰輪，改變輸出軸上的齒輪轉(zhuǎn)動方向。 所謂“惰輪”是兩個不互相接觸的傳動齒 輪中間起傳遞作用的齒輪，同時跟這兩個齒輪嚙合，用來改變被動齒輪的轉(zhuǎn)動方向，使 之與主動齒輪相同。它的作用只是改變轉(zhuǎn)向并不能改變傳動比。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 6頁 共 36頁 1.4 換擋操縱結(jié)構(gòu) 圖 1.5 操縱器 如圖 1.5 所示是變速器的操縱機構(gòu)。主要由撥叉、撥叉軸和變速桿組成。變速器的 操縱機構(gòu)主要有兩種：直接操縱式和遠距離操縱式。一般的汽車的變速器安放在駕駛員 位置附近，這樣變速桿可以放在駕駛員附近，駕駛員可以直接操縱變速器。另外有些汽 車的駕駛員座位遠離變速器，這時通過在變速桿和換擋撥叉間加幾個傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)遠 距離操作變速器。 另外，在設(shè)計變速器時還要考慮幾個問題。一是 操縱結(jié)構(gòu)中應(yīng)該 設(shè)置自鎖裝置，以 防變速器 自動換擋或者掛檔后脫檔。二 是操縱結(jié)構(gòu)中應(yīng)該設(shè)置互鎖裝置，防止變速器同 時掛上兩個檔位，導(dǎo)致變速器損壞。 三是設(shè)置倒檔 安全機構(gòu)，防止汽車在高速運行時， 駕駛員不小心掛上倒檔。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 7頁 共 36頁 1.4.1 自鎖結(jié)構(gòu) 圖 1.6 自鎖結(jié)構(gòu) 如圖 1.6所示，自鎖結(jié)構(gòu)由自鎖彈簧、自鎖鋼球、和撥叉軸上的凹槽組成。當換擋 時，撥叉軸在換擋撥叉的作用力下移動，自鎖鋼球向上運動 。掛好檔之后，鋼球在彈簧 的作用力下壓在撥叉軸的另一個凹槽中，鎖住撥叉軸，防止撥叉軸移動。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 8頁 共 36頁 1.4.2 互鎖結(jié)構(gòu) 圖 1.7互鎖結(jié)構(gòu) 圖 1.8 自鎖與互鎖 如圖 1.7和圖 1.8 所示，互鎖結(jié)構(gòu)由互鎖鋼球、互鎖銷和撥叉軸上的凹槽組成。在 換擋時，撥叉軸在換擋撥叉的作用力下移動，互鎖鋼球和互鎖銷隨著移動。掛好檔之后， 互鎖鋼球和互鎖銷會把其他的撥叉軸鎖住，這樣其他撥叉軸就不能移動。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 9頁 共 36頁 1.5 其他 零部件分析和選擇 變速器的主要零部件有齒輪、軸和軸承。 1.5.1 齒輪 雖然斜齒圓柱齒輪在傳動時產(chǎn)生軸向力，并且加工比直齒圓柱齒輪加工復(fù)雜。但是 與直齒輪傳動相比較，斜齒輪的嚙合性能好，傳動比較平穩(wěn)，噪聲小，重合度大，大大 降低了每對齒輪的載荷，提高了齒輪的承載能力和壽命。另外，斜齒輪不產(chǎn)生根切的最 少齒數(shù)也較小 【 1】 。因為斜齒輪的這些優(yōu)點，斜齒輪在變速器中得到廣泛應(yīng)用。直齒圓柱 齒輪僅用于變速器的一檔和倒檔。 所以在本設(shè)計中，一檔和倒檔都是使用直齒圓柱齒輪，其他各檔都是使用斜齒圓柱 齒輪。 1.5.2 軸 機械式 變速器 的 軸在工作時 要承受轉(zhuǎn)矩和 彎矩， 如果軸有比較明顯的 變形將 會 影響 齒輪正常嚙合 傳動 ， 并且產(chǎn)生 噪聲， 會 降低 軸和齒輪的 使用壽命。 在設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)形狀 時， 除 了要保證軸的強度和剛度外，還要綜合 考慮齒輪、 軸承 及 同步器 等 零部件的安裝。 另外與軸的制造 工藝也有密切 聯(lián)系 2。 第一軸一般和齒輪做一個齒輪軸，軸的 長度 由 離合器總成的軸向尺寸 確定 。第一軸 上的花鍵尺寸應(yīng)該和離合器從動盤上的的內(nèi)花鍵尺寸相適應(yīng)。 為了方便 齒輪 、軸承和同步器的 安裝， 第二軸設(shè)計成階梯軸。另外依據(jù)軸 受力 情況 和 合理 地利用材料來看，將第二軸設(shè)計成階梯軸也是合理的 。 但是第二軸上的 各 個截面 尺寸不能相差太大 。 為了方便 各檔齒輪 的軸向定位 和階梯軸的設(shè)計 ， 齒輪上的軸向定位 都是使用彈性擋圈。另外 第二軸 上安裝同步器的花鍵轂的花鍵都是使用矩形花鍵。 為了方便變速器的安裝，減少不必要的零部件，變速器的中間設(shè)計為齒輪軸的階梯 軸。 1.5.3 軸承 作 高速旋轉(zhuǎn)運動的機械式變速器軸支承在箱體上或者其他部位 以及齒輪與軸不做 固定連接處 都應(yīng)該 安裝軸承。 一軸、二軸和中間軸支撐在箱體上，軸上有斜齒輪，所以 可以使用角接觸軸承。角接觸軸承可以同時承受徑向載荷以及軸向載荷，也可以單獨承 受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作 2。 在輸出軸上，齒輪并不隨軸一起轉(zhuǎn)動，所以 使用滾針軸承。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 10 頁 共 36頁 2 變速器主要參數(shù)的選擇 以 汽車發(fā)動機的輸出參數(shù)作為變速器的輸入?yún)?shù)，然后計算 變速器的傳動比。 最后 依據(jù)傳動比選擇中心距和齒輪的參數(shù)等。 2.1 主要輸入?yún)?shù) 在本設(shè)計中，變速器的主要輸入?yún)?shù)依據(jù)目前市場熱銷的汽車來選擇。主要的設(shè)計 參數(shù)如表 2.1所示。 表 2.1 變速器主要輸入?yún)?shù) 2.2 變速器 傳動比 的選擇 在本節(jié)內(nèi)容中主要討論了機械式變速器的傳動比范圍，然后計算機械式變速器的各 檔的傳動比。 2.2.1 傳動比范圍 機械師 變速器的傳動比范圍是指變速器最低檔 的 傳動比與最高檔 的 轉(zhuǎn)動比的比值。 一般情況下最高檔是直接檔，其 傳動比為 1，在本文設(shè)計中，最高檔的傳動比也是設(shè)置 為 1；有的機械式 變速器 的 最高檔是超速檔， 其 傳動比為 0.7 0.8。影響 汽車 最低檔 的 傳動比 的因素有： 在 發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 時所要求的汽車最大爬坡能力、 驅(qū)動輪與路面間的摩擦力 、主減速比和驅(qū)動輪的 滾動半徑以及所要求的最低穩(wěn)定行駛車 速等?，F(xiàn)代 轎車的傳動比范圍 一般 在 3.0 4.5 之間，輕型貨車 的傳動比 在 5.0 8.0 之 間， 商用車 的傳動比 則更大。 本文設(shè)計變速器是安裝在現(xiàn)代轎車上的，所以其傳動比范 圍在 3.0 4.5之間。 2.2.2 一檔傳動比計算 在 選擇 變速器一檔的傳動比時，要綜合考慮 汽車 的最大爬坡度、車輪與路面的摩擦 力、 汽車的最低穩(wěn)定車速以及主減速比和車輪的 半徑 。 汽車 在使 用一檔 爬陡坡時 ， 車速 一般 不 會很 高，空氣阻力可忽略 不計，那么發(fā)動機提供的 最大驅(qū)動力 主要 用于克服輪胎 與路面間的滾動阻力及爬坡阻力。故有 主減速比 4.11 最高時速（ km/h） 210 輪胎型號 215/60 R16 發(fā)動機型號 EA888 最大扭矩 (N m) 250 最大功率 (kw) 118 最大功率轉(zhuǎn)速 4500-6200rpm 馬力（ ps） 161 整車質(zhì)量（ kg） 1500 滿載質(zhì)量（ kg） 2040 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 11 頁 共 36頁 01 ( +) （ 2-1） 即 i1 (max+) 0 （ 2-2） 在上式中 -發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩； 0-主減速比； i1-一檔傳動比； -傳動效率（在本設(shè)計中，傳動效率為 96%） ； -最大爬坡度 （在本設(shè)計中，最大爬坡度為 20 ）； r-輪胎 半徑 f-滾動阻力系數(shù) 下面計算輪胎半徑。根據(jù)輪胎的型號 215/60 R16， 215是指輪胎 橫截面寬度為 215 毫米， 55是指 高寬比為 55%， R表示 子午線輪胎結(jié)構(gòu)， 16是指 輪輞直徑為 16英寸 。 另 外， 1英寸約等于 25.4 毫米 。所以可以得到輪胎的半徑為 + 根據(jù)變速器的主要輸入?yún)?shù)（表 2.1）和公式 2.2 可以計算出變速器的一檔傳動比 為： i1 9 2.2.3 其他各檔傳動比的計算 在傳統(tǒng)的機械式變速器中 各檔傳動比 之間一般是 按照等比級數(shù)來分配 ,用 等比級數(shù) 分配傳動比 方法可以使發(fā)動機在接近外特性的最大功率附近 運轉(zhuǎn) ,增大 汽車后備功率 ， 提高汽車的爬坡性能 3。 按等公比原則來分配傳動比，所以各檔的傳動比是一個等比數(shù)列。即： i1/i2 = i2/i3= =q 等比級數(shù) 分配各檔傳動比只 是理論上的傳動比分配 原則 ,而在 實際 設(shè)計 中由于齒輪 齒數(shù)只能是整數(shù) ,實際 的傳動比的會與 理論值 有點 偏離 。另外按照等比級數(shù)來分配各檔 傳動比主要 目的是在于改善汽車的性能 ,充分發(fā)揮發(fā)動機的動力 。 另外現(xiàn)代 的汽車研究理論認為傳動比之間的比值越小 汽車 越省油 ,換擋也將會 更加 容易。在汽車實際行駛過程中，多數(shù)時間汽車是處在高檔位 ,高檔 之間的 換擋頻率也比 低檔 之間換擋頻率要高 很多 ,所以 ,在設(shè)計時 高檔傳動比 之間的 比值應(yīng)該要小于低檔 4。 現(xiàn)在先根據(jù)等比級數(shù)分配各檔傳動比的原則粗略計算其他各檔傳動比，最后根據(jù)齒 輪的齒數(shù)計算實際的傳動。 在本設(shè)計中，最高檔六檔的傳動比為 1。各檔之間的傳動比公比 q為： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 12 頁 共 36頁 q 1 6 5 由此得到其他各檔傳動比： i2=3.00 i3=2.28 i4=1.73 i5=1.32 在傳統(tǒng)的變速器中倒檔齒輪的傳動比與一檔的傳動相近，所以在本設(shè)計中倒檔傳動 比取與 3.90. 變速器各檔傳動比如下表 ： 表 2.2 傳動比 2.3 中心距 初步計算 在三軸 式變速器 中 ， 變速器中心距 A是 指 中間軸與 第二軸 之間的 軸線 距離距 A。中 心距 是 三軸式變速器的一個重要參數(shù)，它的大小不僅對變速器的結(jié)構(gòu)尺寸有影響，而且 它 對齒輪的接觸強度有 重要影響。變速器的中心距越小，齒輪 的接觸壓力越大，齒輪壽 命 就越短。所以最小的中心距要保證輪齒 的接觸強度。 另外還要考慮軸在箱體上的安裝。 為了方便安裝軸，中心距應(yīng)該設(shè)計大一點。在考慮箱體的強度時，最好也是將中心設(shè)計 大一點。現(xiàn)在先根據(jù)對實際生產(chǎn)的變速器的統(tǒng)計而得到的經(jīng)驗公式初選： A max03 （ 2-3） 在上面的公式中 A-中心距 KA-中心距系數(shù)。（ 對轎車， KA=8.99.3。在本設(shè)計中 KA=9.0） 所以得到初選中心距為 88.15mm 2.4 齒輪參數(shù) 選擇 在本節(jié)中主要齒輪的模數(shù)、齒輪齒形、壓力角和螺旋角等。這些都是齒輪的重要參 數(shù)。 2.4.1 齒輪模數(shù) 齒輪 的 模數(shù) 是由輪齒的彎曲疲勞強度或者在最大載荷作用下的靜強度確定的 。選擇 齒輪 模數(shù) 時應(yīng)該 考慮到適當增大齒輪齒寬而減小齒輪模數(shù)時可以 降低 變速器的噪聲，然 而為了減小變速器的重量，則可以通過 增大 齒輪模數(shù)和 減小 齒輪 齒寬和中心距 實現(xiàn) 。 對 于轎車而言 降低噪聲很重要，而對 于貨汽車則應(yīng)該減小變速器的重量 5。 對于 機械式 變 倒檔 一檔 二檔 三檔 四檔 五檔 六檔 傳動比 3.90 3.96 3.00 2.28 1.73 1.32 1.00 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 13 頁 共 36頁 速器齒輪 應(yīng) 采用小模數(shù) ,多齒數(shù)來獲得 2 3 的重合系 數(shù)和 良好的 運行平穩(wěn)性和較小的 噪聲 ,且可增加接觸壽命。 機械式變速器低檔齒輪模數(shù)應(yīng)該比高檔的齒輪 大一點 。 一般機械式變速器齒輪模數(shù)可以 根據(jù)經(jīng)驗公式求得 ： (0 0 )3 （ 2-4） 其中 0 N 所以 2.97mm。另外選擇的模數(shù)應(yīng)該符合 國標 GB1357-1987 規(guī) 定并滿足強度要求 。所以在本設(shè)計中模數(shù)初選結(jié)果如下表 2.3所示。 表 2.3模數(shù) 2.4.2 齒輪齒形、壓力角 和斜齒輪螺旋角 的選擇 斜齒輪 在傳遞轉(zhuǎn)矩時，會產(chǎn)生軸向力并 作用到軸承上。 在 設(shè)計 變速器 時應(yīng) 盡量使 中 間軸上工作的兩對 斜齒輪 產(chǎn)生 的軸向力相互抵消，以降低軸承載荷 ，提高軸承 的使用壽 命。所以 ， 中間軸上 不同檔位 的齒輪的螺旋角應(yīng)該是相同的。但是為了簡化 工藝 和設(shè)計 ， 中間軸上 的斜 齒 輪的螺旋方向都取為右旋，那么 第一 軸和第二軸上的斜齒輪則 取為左旋。 另外，一檔和倒檔設(shè)計為直齒。 機械式變速器中的齒輪都使用 漸開線齒廓。國家 標準 規(guī)定的齒輪標準壓力 角是 20。 增大 壓力角 會 使 齒根圓齒厚和節(jié)圓處漸開線曲率半徑增大，所以 齒輪 的彎曲強度與接觸 強度得到提高，但是不根切的最少齒數(shù)變小 ，重合度減小，噪聲 也會隨之增大。所以在 本設(shè)計中使用國家標準壓力角 20。 斜齒輪的 螺旋角 也要選擇合適。斜齒輪的螺旋角 太小時 ，發(fā)揮不了斜齒輪的優(yōu)點。 當斜齒輪的螺旋角 太大是，斜齒輪產(chǎn)生的 軸向 力又非常大，將會降低軸承的壽命 。 另外， 增大 齒輪的 螺旋角 會使齒輪嚙合時 重合 系數(shù)增大，工作平穩(wěn)、噪聲減小 ， 齒 輪的強度也 會得到 提高，但 是 當螺旋角 30 時，雖然 齒輪的接觸強度將會 提 高，但是齒輪的 彎曲 強度則會突 然下降 6。所以，考慮到提高低檔齒輪的彎曲強度 ， 螺旋角不能太 大。 所以 本設(shè)計中的 斜齒輪的 螺旋角在 8 20之間選擇。 2.5 齒輪齒數(shù)的分配 在初 步選擇 中心距、齒輪模數(shù)和 斜齒輪的螺旋角之后，可根據(jù)機械 變速器的檔數(shù)、 傳動比 和傳動方案來分配 各檔齒輪的齒數(shù) 26。本文設(shè)計的機械式 變速器的傳動方案如下 圖 2.1 所示， 另外應(yīng)該注意的是，各檔齒輪間 的齒數(shù)比應(yīng)盡量 不是整數(shù)，以使齒面磨 損均勻。 倒檔 一檔 二檔 三檔 四檔 五檔 六檔 模數(shù) (mm) 3.0 3.5 3.0 3.0 3.0 3.0 3.0 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 14 頁 共 36頁 圖 2.1結(jié)構(gòu)簡圖 2.5.1 一檔齒輪齒數(shù) 一檔齒輪的傳動比： 1 211 112 （ 2-5） 如果 z11和 z12的齒數(shù)確定， z1和 z2就可以算出來了。為了計算 z11和 z12，可以先求 出它們的齒數(shù)之和 zh。 2 （ 2-6） 代入數(shù)據(jù)后計算得 zh=50.37，取整后 zh=50。 zh取整之后，對中心距修正得 A=87.5mm。 下面對 z11和 z12這一對齒輪的 齒數(shù)進行 分配。 為了使一檔的傳動比大一些， 中間軸 上的一檔小齒輪的齒數(shù) 盡可能取小些。 在 一檔傳動比 i1已經(jīng)確定 的情況下， 中間軸上的 一檔小齒輪的齒數(shù)取小一些， 使 z11/z12的值盡可能大，這樣 第一軸 上的 常嚙合齒輪的齒 數(shù) 會 多些，以便 在第一軸的內(nèi)腔設(shè)置 第二軸的前軸 承并保證第一軸 軸有足夠的厚度。 另 外，中間軸上 一檔齒輪的最少齒數(shù) 還 要受中間軸的軸徑大小限制，也就是 受 中間軸的剛 度 限制。 所以要對軸的尺寸和 齒輪 的齒數(shù) 統(tǒng)一考慮 。在本設(shè)計中取中間軸上一檔齒輪 z11 的齒數(shù)為 17。 z12=zh-z11=50-17=33。 2.5.2 常嚙合傳動齒輪副的齒數(shù) 常嚙合齒輪的傳動比為： z2 1 1 12 11 （ 2-7） 另外常嚙合齒輪的中心距與一檔齒輪的中心距相等 。所以得到 A (1+2)2 （ 2-8） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 15 頁 共 36頁 先初選螺旋角 1=20。算得 z1=18.12， z2=38.32。然后對齒數(shù)取整。得 z1=18， z2=38。 對齒數(shù)取整后，對螺旋角修正得 1=19 28。 2.5.2 其他檔的齒輪的齒數(shù) 二檔中兩對嚙合的斜齒輪滿足下面兩個等式： 2 29 110 （ 2-9） A (9+9)2 （ 2-10） 另外斜齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時，要產(chǎn)生軸向力并作用到軸承上。在設(shè)計變速器斜齒輪時， 應(yīng)該使同時工作的兩對齒輪的軸向力相互抵消。為了使兩個軸向力平衡必須滿足下面等 式： tan1 9 2( 1+2) ( + 9 10 ) （ 2-11） 聯(lián)立上面三個方程解得 :z9=32.86,z10=24.12,取整后得 z9=33,z10=24， 螺旋角 =12 16。 依照同樣的方法可以計算其他檔的齒輪的齒數(shù)和螺旋角。求得的結(jié)果如下： 三檔齒輪：齒數(shù) z7=30 齒數(shù) z8=27 螺旋角 =12 16 四檔齒輪：齒數(shù) z5=26 齒數(shù) z6=31 螺旋角 =16 16 五檔齒輪：齒數(shù) z3=22 齒數(shù) z4=34 螺旋角 =16 16 2.5.3 齒輪的齒寬 齒輪的 齒寬 對變速器的軸向尺寸、傳動平穩(wěn)性和齒輪壽命 情況 都有影響。齒輪的 齒 寬減小 將 影響 到變速器的傳動平穩(wěn)，小的齒寬加大了齒輪應(yīng)力。但是為了 減小 變速器的 軸向尺寸以及減小變速器質(zhì) 量， 宜 采用小的齒寬。 當 齒輪 的齒寬度較大 ,齒輪的 承載能 力會提高。但是當 齒輪 承載后 ,由于軸的撓曲 變形和齒輪的形狀誤差等 因素 ,會造成齒寬 方向的受力不均 ,所以齒輪的 齒寬 也 不宜過大。 這些都應(yīng)該綜合考慮。 在本設(shè)計中根據(jù)下面的經(jīng)驗公式來計算齒輪齒寬。 b （ 2-12） 其中 kc是齒寬系數(shù)（直齒輪取 4.5 8.0，斜齒輪取 6.0 8.5） 。為了簡化制造工藝和設(shè) 計，齒寬都取 b=26mm。 2.5.4 倒檔的齒輪的齒數(shù) 倒檔的傳動比跟一檔的傳動比非常接近，所以中間軸上的倒檔齒輪取 z14=17。然后 根據(jù)倒檔的傳動比： 倒 z13 14 2 1 （ 2-13） 可以求得 z13=31. 由于惰輪只是用于轉(zhuǎn)換輸出軸的轉(zhuǎn)向，所以本設(shè)計中惰輪的齒數(shù) z 惰 =23。 根據(jù)倒檔上三個齒輪的齒數(shù)，可以計算出中間軸與倒檔軸的中心距： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 16 頁 共 36頁 A 12(14 +惰 ) （ 2.14） 代入數(shù)據(jù)算得 A=60mm 同理得輸出軸與倒檔軸的中心距： A 12(13 +惰 ) （ 2.15） 代入數(shù)據(jù)算得 A=81mm 綜合上面的計算可以得到變速器中所有齒輪的齒數(shù)和螺旋角 。如下表 2.4所示。 表 2.4 齒數(shù)和螺旋角 根據(jù)齒輪的實際齒數(shù)可以修正變速器的傳動比，修正結(jié)果如下表： 表 2.5 修正傳動比 齒輪 齒數(shù) 螺旋角 齒輪 1 18 19 28 齒輪 2 38 19 28 齒輪 3 22 16 16 齒輪 4 34 16 16 齒輪 5 26 16 16 齒輪 6 31 16 16 齒輪 7 27 12 16 齒輪 8 30 12 16 齒輪 9 33 12 16 齒輪 10 24 12 16 齒輪 11 33 0 齒輪 12 17 0 齒輪 13 31 0 齒輪 14 17 0 惰輪 23 0 一檔 二檔 三檔 四檔 五檔 六檔 倒檔 傳動比 3.99 2.83 2.28 1.78 1.33 1.00 3.75 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 17 頁 共 36頁 3 變速器主要零部件的設(shè)計與計算 變速器需要設(shè)計的主要零部 件有齒輪的幾何尺寸、齒輪的校核、軸的設(shè)計、軸的 校核、花鍵的設(shè)計和 花鍵的校核等。 3.1 齒輪的幾何尺寸設(shè)計計算 機械式 變速器 的 齒輪均為漸開線齒輪。漸開線齒輪除了能滿足傳動平穩(wěn)、傳動比 恒 定不變等 基本要求 之外，還具有 互換性好、中心距具有可分離性及切齒刀具制造容易等 優(yōu)點。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 7 下面表 3.1是齒輪的幾何尺寸計算公式 表 3.1 齒輪計算公式 其中 h*an是法面齒頂高系數(shù)， c*n是法面頂隙系數(shù)。 是螺旋角 名稱 符號 計算公式 基圓柱螺旋角 b tan b = tan cos t 端面模數(shù) mt mt=mn/cos 端面壓力角 at tan at= tan an/cos 法面齒距 pn pn= mn 端面齒距 pt pt=pn/cos 法面基圓齒距 Pbn pbn=pncos n 分度圓直徑 d d=zmt 基圓直徑 db db=dcos t 齒頂高 ha ha=mn h*an 齒根高 hf hf= mn(h*an+ c*n) 齒頂圓直徑 da da=d+2ha 齒根圓直徑 df df=d-2hf 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 18 頁 共 36頁 根據(jù)表 1.3的計算公式計算各個齒輪的幾何尺寸 。如表 3.2和表 3.3所示 表 3.2 齒輪幾何尺寸 -1 名稱 齒輪 1 齒輪 2 齒輪 3 齒輪 4 齒輪 5 齒輪 6 齒輪 7 齒數(shù) 18 37 22 34 26 30 30 法面模數(shù) (mm) 3 3 3 3 3 3 3 螺旋角 (deg) 19.46 19.46 16.26 16.26 16.26 16.26 12.27 基圓柱螺旋角 (deg) 18.75 18.75 15.52 15.52 15.52 15.52 11.61 端面模數(shù) (mm) 3.19 3.19 3.19 3.19 3.19 3.19 3.19 端面壓力角 (deg) 22.11 22.11 21.72 21.72 21.72 21.72 21.34 法面齒距 (mm) 9.42 9.42 9.42 9.42 9.42 9.42 9.42 端面齒距 (mm) 10.00 10.00 9.81 9.81 9.81 9.81 9.64 法面基圓齒距 (mm) 8.86 8.86 8.86 8.86 8.86 8.86 8.86 分度圓直徑 (mm) 57.27 111.72 68.75 106.25 81.25 93.75 92.10 基圓直徑 (mm) 53.06 109.06 60.86 98.70 75.48 87.09 85.79 齒頂高 (mm) 3 3 3 3 3 3 3 齒根高 (mm) 3.75 3.75 3.75 3.75 3.75 3.75 3.75 齒頂圓直徑 (mm) 63.27 123.72 74.75 112.25 84.25 99.75 98.10 齒根圓直徑 (mm) 49.77 110.23 61.25 98.75 73.75 86.25 84.60 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 19 頁 共 36頁 表 3.3齒輪幾何尺寸 -2 3.2 齒輪損壞的形式及原因 機械式 變速器 的齒輪 損壞形式主要有：輪齒折斷、齒面疲勞剝落、移動換檔齒輪端 部破壞以及齒面膠合 8。 輪齒折斷 主要發(fā)生在下面的幾種情況 ：輪齒受到的沖擊載荷 太大，導(dǎo)致輪齒彎曲折 斷； 在 齒輪的 嚙合過程中，輪齒根部 會 產(chǎn)生彎曲應(yīng)力， 另外在輪齒過渡圓角處又會產(chǎn)生 應(yīng)力 集中，所以當齒輪受到太 大的載荷作用 時，輪齒 根部的彎曲應(yīng)力超過 了 材料的許用 應(yīng)力，輪齒就會斷裂。這種由于 齒輪 強度不夠而產(chǎn)生的 輪齒 斷裂， 在機械式變速器中這 種斷裂 情況 是較 少發(fā)生。在變速器中 常見的 輪齒斷裂情況主要是因為 在重復(fù)載荷 的 作用 下使齒根受拉面的最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn) 了疲勞裂縫而逐漸擴大到一定深度后導(dǎo)致 折斷，其破 壞斷面在疲勞裂縫部分 是呈光滑表面，而突然斷裂的斷面 呈粗粒狀表面。變速器 中 低檔 的 小齒輪由于載荷 較 大而齒數(shù) 較 少、齒根較弱，其主要破壞形式就是這種彎曲疲勞斷裂。 齒面點蝕是變速器中 高 速 檔齒輪齒面接觸疲勞的破壞形式。 齒輪的齒面長期在脈動 的接觸應(yīng)力作用下，會 產(chǎn)生大量與齒面成尖角的小裂縫。 齒輪在 嚙合時由于齒面 之間的 相互擠壓，使填滿了潤滑油的裂縫內(nèi)油壓增高，導(dǎo)致裂縫的進一步加大 ，最后 在齒面 產(chǎn) 生剝落，使齒面上形成許多小 點，即所謂點蝕 9。 齒輪的 點蝕使 齒輪齒形誤差加大進而 名稱 齒輪 8 齒輪 9 齒輪 10 齒輪 11 齒輪 12 齒輪 13 齒輪 14 齒數(shù) 27 33 24 33 17 31 17 法面模數(shù) (mm) 3 3 3 3.5 3.5 3 3 螺旋角 (deg) 12.27 12.27 12.27 基圓柱螺旋角 (deg) 11.61 11.61 11.61 端面模數(shù) (mm) 3.19 3.19 3.19 端面壓力角 (deg) 21.34 21.34 21.34 法面齒距 (mm) 9.42 9.42 9.42 10.99 10.99 9.42 9.42 端面齒距 (mm) 9.64 9.64 9.64 法面基圓齒距 (mm) 8.86 8.86 8.86 10.33 10.33 8.85 8.85 分度圓直徑 (mm) 82.89 101.31 73.68 115.5 59.5 93051 69 基圓直徑 (mm) 77.21 94.36 68.63 107.93 55.60 86.90 47.65 齒頂高 (mm) 3 3 3 3.5 3.5 3 3 齒根高 (mm) 3.75 3.75 3.75 4.36 4.36 3.75 3.75 齒頂圓直徑 (mm) 88.89 107.31 79.68 122.5 66.5 99 57 齒根圓直徑 (mm) 75.39 93.81 66.18 106.75 50.75 85.5 43.5 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 20 頁 共 36頁 產(chǎn)生 動載荷，甚至可能引起 齒輪輪齒折斷。一般 是靠近節(jié)圓根部 的齒面處點蝕比靠近節(jié) 圓頂部 的點蝕嚴重；主動小齒輪 比 被動大齒輪 點蝕 嚴重。 對于高速重載齒輪，由于齒面 間的相對滑動速度快、接觸壓力大，在齒輪接觸區(qū)產(chǎn) 生高溫進而破壞掉齒面間的潤滑油膜 ，使 兩個齒輪的 齒面直接接觸。在局部高溫、高壓 下 的條件下， 齒面 熔焊粘連 在一起 ，齒面沿滑動方向形成撕傷痕跡的損壞形式稱為齒面 膠合。在一般的汽車 機械式變速器中，產(chǎn)生膠合損壞的現(xiàn)象時很少見的 。 加 大 齒輪的輪齒根部齒厚，增 大 齒輪 齒根圓角半徑，采用高齒，提高 齒輪重合度， 增加同時 輪齒 嚙合 對數(shù)，提高輪齒柔度，采用優(yōu)質(zhì)材料等， 這些方法 都是提高 齒輪 輪齒 彎曲強度的 重要 措施。合理選擇齒輪參數(shù)，增大齒廓曲率半徑，降低接觸應(yīng)力， 提高齒 面硬度等，可以 提高齒面的接觸強度。采用黏度大、耐高溫、耐高壓的潤滑油， 可以 提 高油膜強度，提高齒面硬度， 或者 選擇適當?shù)凝X面表面處理和鍍層等，是防止齒面膠合 的措施。 3.3 齒輪的材料選擇和處理工藝 變速器齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼 制造，它表層的 硬度 高，芯部的韌性大 ， 能大大提 高齒輪的耐磨性、 抗彎曲疲勞和接觸疲勞的能力 10。在選用 齒輪的鋼材和 熱處理 工藝 時， 對 齒輪的 切削加工性能及 制造 成本也應(yīng) 綜合 考慮。 另外 ， 通過 對齒輪進行強力噴丸處 理 后，能提高齒輪彎曲疲勞壽命及接觸疲勞壽命 。齒輪在熱處理之后 可以 進行磨齒，能消 除齒輪熱處理產(chǎn)生的 變形； 經(jīng)過 磨齒 后得 齒輪 其 精度高于熱處理前剃齒和擠齒齒輪精度， 提高齒輪傳動平穩(wěn)性和效率；在同樣載荷 的條件下， 經(jīng)過 磨齒的 齒輪 彎曲疲勞壽命比剃 齒的要高。 目前 國內(nèi)汽車變速器齒輪 的 材料主要用 20CrMnTi、 20Mn2TiB、 16MnCr5、 20MnCr5、 25MnCr5 等鋼材，這些低碳合金鋼都需 要進行 滲碳、淬火處理，以提高表面硬度 細化材 料晶粒 11。為消除內(nèi)應(yīng)力 ，還要進行回火 處理 。滲碳 處理 齒輪表面硬度為 58 63HRC， 芯部硬度為 33 48HRC。 在本設(shè)計 中 齒輪的 材料選用 20CrMnTi。 3.4 變速器齒輪強度計算 和 其他 的 機械行業(yè)相比，不同用途 的汽車機械式變速器齒輪使用條件基本上是相同 的。另外， 變速器齒輪 使 用的 制造 材料、熱處理方法、加工方法、精度級別、支承方式 也 基本相同。一般的機械式 變速器齒輪用低碳鋼制作，采用剃齒和磨齒 進行 精加工，齒 輪表 面使用 滲碳淬火熱處理工藝，齒輪精度不低于 7 級 等 。因此， 使用比 計算通用齒 輪 強度公式更為簡化的計算公式來計算汽車變速器的 齒輪，一樣可以獲得比較 準確的結(jié) 果。因此本設(shè)計中使用簡化的計算公式來計算 變速器齒輪強度 3.4.1 變速器齒輪彎曲疲勞 w計算 （ 3-1） 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 21 頁 共 36頁 式中 w-彎曲應(yīng)力 (Mpa); Ft-圓周力（ N） ,t 2 ; Tg-計算載荷 （ Nm） ，取 T 2 ; d-分度 圓直徑 (mm)， d=mz； K -應(yīng)力集中系數(shù) ，可以近似取 1.65； Kf-摩擦力影響系數(shù)，主動齒輪取 1.1，從動齒輪取 0.9； b-齒寬（ mm）； t-端面齒距 (mm)； y-齒形系數(shù) ,取 0.133； K -重合度影響系數(shù)，取 2.0。 將有關(guān)參數(shù)代入上式，得到齒輪的彎曲應(yīng)力為 12 2g 2 （ 3-2） 通過上面的方法計算齒輪的彎曲應(yīng)力。結(jié)果如下表 3.4： 表 3.4 彎曲應(yīng)力 一檔 二檔 三檔 四檔 五檔 常嚙合齒 倒檔 彎曲應(yīng)力（ Mpa） 191.74 168.64 152.16 129.95 115.10 208.27 178.32 對于汽車變速器 齒輪的許用應(yīng)力在 250Mpa左右， 各檔的彎曲應(yīng)力都在許用應(yīng)力之 內(nèi)，滿足設(shè)計要求。 3.4.2 變速器輪齒接觸應(yīng)力 j計算 輪齒接觸應(yīng)力計算的簡化公式如下 j 0 8 (1 + 1 ) （ 3-3） 式中 j-齒輪接觸應(yīng)力（ MPa）； F-齒面上的法向力（ N）； F ； FT-圓周力（ N） , t 2 ； Tg-計算載荷（ Nm） ，取 T 2 ; d-分度圓直徑 E-材料的彈性模量（ MPa），取 E=200000MPa 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 22 頁 共 36頁 b-齒輪的實際齒寬（ mm），取 b=26mm； z、 b-主、從動齒輪節(jié)點處的曲率半徑 (mm) 在直齒輪中 、 （ rz、 rb為主、從動齒輪節(jié)圓半徑（ mm） ）。 在斜齒輪中 22 、 r2 （ rz、 rb為主、從動齒輪節(jié)圓半徑（ mm） ）。 將各參數(shù)代入公式，整理后得到接觸應(yīng)力為： 0 8 emax(1 + 1 ) （ 3-4） 將各檔齒輪的參數(shù)代入上面公式，計算出各檔齒輪的接觸應(yīng)力如下表： 表 3.5 接觸應(yīng)力 滲碳齒輪的許用接觸應(yīng)力 1300 1400Mpa，通過上面的計算，各檔齒輪都滿足要求。 3.5 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 與校核 中間軸式變速器有三根軸，三根軸應(yīng)該同步設(shè)計，以滿足安裝軸上齒輪以及同步器 的需要， 軸的初取最小直徑取 30 設(shè)計，所有的齒輪寬度取為 26mm。 然后根據(jù)實際裝配 情況設(shè)計軸。 3.5.1 軸的剛度驗算 對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。 確定軸的尺寸以后，可對軸進行剛度和強度驗算。欲求中間軸式變速器第一軸的支 點反作用力，必須先求第二軸的支點反力 ，因為第二軸是架在第一軸上的 。檔位不同， 不僅齒輪上的圓周力、徑向力和軸向力 不同，而且力到支點的距離也有變化，所以應(yīng)當 對每個檔位都進行驗算 。作用在第一軸上的轉(zhuǎn)矩應(yīng)取 發(fā)動機最大扭矩 Tmax。 軸的撓度和 轉(zhuǎn)角計算時僅計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 點近、負荷又小，通常撓度不大，故可以不必計算。 軸在垂直面內(nèi)的撓度為 fc ，在水平面內(nèi)撓度為 fs 和轉(zhuǎn)角，可分別用下式 計算 12: 223 （ 3-5） 223 （ 3-6） ()3 （ 3-7） 式中 Ft-齒輪 的徑向力 （ N） Fr-齒輪的圓周 力 （ N） E-彈性模量 (MPa)，取 E=2.1 105 Mpa 一檔 二檔 三檔 四檔 五檔 常嚙合齒 倒檔 接觸應(yīng)力 （ MPa） 555.85 387.70 533.39 429.05 521.72 528.14 619.30 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 23 頁 共 36頁 I-慣性矩（ mm4），對于實心軸， I d464 ； d-軸的直徑（ mm）。 a、 b-齒輪上的作用力矩支座 A、 B的距離（ mm）； L-支座間的距離（ mm）。 軸的全撓度 f 2 +2 0 。 （ 3-8） 齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)該超過 0.002rad。 根據(jù)上面的計算公式可以得到在各檔工作時，輸出軸和中間軸的撓度和轉(zhuǎn)角。如下 表 1.6所示。 表 3.6軸的撓度和轉(zhuǎn)角 通過分析上面的分析得到各檔工作時，各軸的剛度滿足要求。 3.5.2 軸的強度驗算 變速器上的軸收到彎矩和扭矩，所以按彎扭合成來校核軸。 因為一檔的齒輪的受力 最大，所以只校驗一檔時的軸強度即可。 一檔上使用的是直齒輪， 齒輪嚙合的圓周力 Ft、徑向力 Fr以及軸向力 Fa按下面的公 式計算 7: 2 （ 3-9） （ 3-10） cos （ 3-11） T-轉(zhuǎn)矩 (N m) d-節(jié)員直徑 (mm) -壓 力 角 ( ) 計算軸的彎扭合成強度，先做出軸的計算簡圖，然后分別按水平面和垂直面計算各 力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別做出水平面上的彎矩 MH和垂直面上的彎矩 Mv。然后按 照下面的公式計算彎矩。 M 2 +2 （ 3-12） 式中 ,M-軸所受的彎矩， N mm； MH-軸的水平方向彎矩， N mm； MV-軸的垂直方向彎矩 ， N mm； 一檔 二檔 三檔 四檔 五檔 倒檔 撓度 （ mm） 輸出軸 0.043 0.096 0.10 0.059 0.068 0.082 中間軸 0.084 0.12 0.11 0.094 0.17 0.78 轉(zhuǎn)角 （ rad） 輸出軸 0.0001 0.0004 0.0001 0.00013 0.0002 0.00018 中間軸 0.0002 0.0001 0.0004 0.00017 0.0003 0.0003 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 24 頁 共 36頁 已知軸的彎矩和扭矩之后，可針對某些危險的截面做彎扭合成強度校核計算。計算 公式為： 2+()2 （ 3-13） 式中 , -軸的計算應(yīng)力， Mpa； M-軸所受的彎矩， N mm； T-軸所受的扭矩， N mm； W-軸的抗彎截面系數(shù)， mm3； -折合系數(shù)； 因為軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力都是對稱循環(huán)應(yīng)力，所以取折合系數(shù) =1。軸的抗彎截 面系數(shù) W可以按下面的公式計算： W d332 （ 3-14） 式中， d是軸的直徑。 根據(jù)上面的計算方法，計算的 結(jié)果為：輸出軸的應(yīng)力為 172Mpa，中間軸的應(yīng)力為 187Mpa。 所以軸的強度滿足要求。 3.6 花鍵 輸出軸上的同步器周向定位是用矩形花鍵定位。下面進行花鍵的設(shè)計和校核。 3.6.1 花鍵的設(shè)計 根據(jù)軸的實際情況，在五六檔處和倒檔上連接同步器的花鍵小徑 d=26mm，大徑 D=30mm,花鍵齒數(shù) z=6，齒寬 B=6mm。在三四檔和一二檔上連接同步器的花鍵小徑 d=34mm， 大徑 D=38mm，花鍵齒數(shù) z=6，齒寬 B=6mm。 3.6.2 花鍵的校核 花鍵的主要失效形式是工作面被壓潰（靜連接）或工作面過度磨損（動連接）。因 此，靜連接通常按工作面上的擠壓應(yīng)力進行強度計算，動 連接則按工作面上的壓力進行 條件性的強度計算 7。 本設(shè)計中同步器與花鍵是靜連接 ，花鍵的強度按下面的公式計算 7： 2 103 （ 3-15） 式中： -載荷分布不均系數(shù)，取 =0.7，； z-花鍵的齒數(shù)； l-齒的工作長度（ mm）； h-花鍵齒側(cè)面的工作高度（ mm）； dm-花鍵的平均直徑 (mm); p-花鍵連接的許用壓力（ MPa） ,取 p=140MPa； 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 25 頁 共 36頁 代入數(shù)據(jù)計算得到四個花鍵強度如下表： 表 1.7 花鍵強度 五六檔花鍵 三四檔花鍵 一二檔花鍵 倒檔花鍵 強度（ MPa） 65.25 74.43 88.56 94.12 通過分析上面的分析花鍵 滿足 設(shè)計 要求。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 26 頁 共 36頁 4 同步器設(shè)計與計算 同步器的設(shè)計主要有同步器的尺寸和同步器的參數(shù)選擇等。 4.1 同步器結(jié)構(gòu) 同步器結(jié)構(gòu)如下圖 4.1所示 圖 4.1 同步器 1,4-同步環(huán)； 3-滑塊； 5-嚙合套座； 6-花鍵轂； 7-嚙合套； 8-輸入軸； 同步器主要由同步環(huán)、滑塊、花鍵轂和嚙合套組成。同步器工作可靠、耐用，在現(xiàn) 代汽車機械式變速器中得到廣泛使用。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 27 頁 共 36頁 4.2 同步器工作原理 同步器 的工作原理是利用被接合件的慣性防止同步前掛檔。 同步器掛檔過程可以分 為三個階段 13。第一階段，在 變速器換檔撥叉的推動下， 嚙合套 離開中間位置作軸向移 動，使摩擦元件的兩摩擦表面相接觸，慣性力矩引起的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的摩擦力矩使鎖止元 件轉(zhuǎn)至鎖止位置，完成鎖止過程，以阻止同步前掛檔，這時摩擦力矩大于脫鎖力矩，使 鎖止可靠 。如圖 4.2；第二階段，在繼續(xù)施加的軸向力作用下，經(jīng)鎖止面?zhèn)髦聊Σ帘砻?的正壓力不斷加大，使摩擦副在滑磨過程中的兩摩擦表面的角速度逐漸接近，當摩擦力 矩克服了被接合部分的慣性力矩后，兩摩擦表面間的轉(zhuǎn)速差及摩擦力矩均消失，完成同 步過程；第三階段，摩擦力矩消失后，軸向力仍作用在鎖止元件上，鎖止面正壓力的切 向分力產(chǎn)生的脫鎖力矩使鎖止元件倒轉(zhuǎn)某個角度，使兩鎖止面脫離接觸，完成脫鎖過程， 讓同步器順利地 同步 ，如圖 4.2。 所示 圖 4.2 同步器嚙合過程 a-同步器鎖止； b-同 步器換擋 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書用紙 第 28 頁 共 36頁 4.3 同步器主要尺寸確定 （ 1）接近尺寸 同步器換檔 的 第一階段中間，在滑