十二檔變速器設計【三軸式十二擋手動變速器】

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哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 I 摘 要 變 速 器 用 來 改 變 發(fā) 動 機 傳 到 驅 動 輪 上 的 轉 矩 和 轉 速 ， 是 汽 車 總 成 部 件 中 的 重 要 組 成 部 分 ， 是 主 要 的 傳 動 系 統(tǒng) 。 變 速 器 的 結 構 要 求 對 汽 車 的 動 力 性 、 燃 料 經(jīng) 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 。 本 文 設 計 研 究 了 三 軸 式 十 二 擋 手 動 變 速 器 ， 其 目 的 是 基 于 機 械 原 理 、 機 械 設 計 、 AutoCAD 等 知 識 的 熟 練 運 用 和 掌 握 ， 并 利 用 Auto CAD 軟 件 繪 制 裝 配 圖 和 零 件 圖 等 五 項 內 容 。 同 時 運 用 汽 車 構 造 、 汽 車 設 計 、 材 料 力 學 、 互 換 性 測 量 等 學 科 知 識 對 三 軸 式 十 二 檔 變 速 器 進 行 設 計 。 首 先 ， 本 文 將 概 述 變 速 器 的 現(xiàn) 狀 和 發(fā) 展 趨 勢 ， 介 紹 變 速 器 領 域 的 最 新 發(fā) 展 狀 況 。 其 次 ， 工 作 原 理 做 了 闡 述 ， 對 不 同 的 變 速 器 傳 動 方 案 進 行 比 較 ， 選 擇 合 理 的 結 構 方 案 進 行 設 計 。 再 次 ， 對 變 速 器 的 各 擋 齒 輪 和 軸 以 及 軸 承 做 了 詳 細 的 設 計 計 算 ， 并 進 行 了 受 力 分 析 、 強 度 和 剛 度 校 核 計 算 ,并 為 為 這 些 元 件 選 擇 合 適 的 工 程 材 料 及 熱 處 理 方 法 。 對 一 些 標 準 件 進 行 了 選 型 以 及 變 速 器 的 傳 動 方 案 設 計 。 簡 單 講 述 了 變 速 器 中 各 部 件 材 料 的 選 擇 。 最 后 ， 本 文 將 對 變 速 器 換 檔 過 程 中 的 重 要 部 件 —同 步 器 以 及 操 縱 機 構 進 行 闡 述 ， 講 述 同 步 器 的 類 型 、 工 作 原 理 、 設 計 方 法 以 及 重 要 參 數(shù) 。 關 鍵 詞 ： 變 速 器 ； 傳 動 比 ； 參 數(shù) ； 設 計 計 算 ； 校 核 ； 齒 輪 ； 軸 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 II ABSTRACT Transmission to change the engine reached on the driving wheel torque and speed, Automotive transmission parts in the automobile assembly of an important part of the main drive system. Transmission of the power structure of the vehicle, economy, manipulation of the reliability and portability, the smooth drive and have a direct impact on efficiency. This design study of the three-axis 12-speed manual transmission, the purpose is based on mechanical principles, mechanical design, AutoCAD and other knowledge and mastery of the use of skilled and using Auto CAD software, drawing assembly drawings and parts diagrams of five elements. At the same time the use of vehicle construction, automotive design, material mechanics, interchangeability of measurement knowledge of the subjects on the three-axis gearbox design file 12. At first, I will give a summary of the current situation and the tendency of development of the vehicle transmission, and introduce the latest development state in the field of the transmission. The second, I will compare the transmitting scheme of different transmission, and choose a better structure scheme. Next, I will do some mechanic analyses, strength, stiffness check of the shafts and gears, which are the important parts of the transmission, and choose appropriate materials and heat treatment. At last, I will introduce the operation mechanism and the synchronizer, which plays an important role in changing gear. I will give an account of the type, operation, design procedure and major parameter of the synchronizer. At the supplement, I will write some thing like formula, tableau graph and so on. It may be helpful for the future design. Key words: Transmission； Transmission Ratio； Parameters； Design and Calculation； Checking； Shaft； Gear 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 1 目 錄 摘 要 .........................................................I ABSTRACT......................................................II 第 1 章 緒 論 ..................................................1 1.1 汽車變速器概述 ...........................................1 1.2 國內外研究狀況和發(fā)展方向 .................................1 第 2 章 傳動方案及零部件結構分析 ................................3 2.1 變速器的基本設計要求 .....................................3 2.2 變速器傳動機構分析和方案的設計 ...........................3 2.2.1 雙 中 間 軸 特 點 分 析 ....................................4 2.2.2 倒 擋 布 置 方 案 分 析 ....................................4 2.2.3 傳 動 機 構 布 置 其 他 問 題 的 分 析 ..........................6 2.3 零部件結構方案分析 ........................................6 2.3.1 齒 輪 形 式 ...........................................6 2.3.2 變 速 器 軸 ...........................................6 2.3.3 變 速 器 軸 承 的 選 擇 ...................................7 2.3.4 換 檔 機 構 ...........................................7 2.3.5 防 止 自 動 脫 擋 的 結 構 設 計 .............................8 2.4 本章小結 .................................................10 第 3 章 變速器齒輪參數(shù)選擇及齒數(shù)分配 ..........................11 3.1 汽車主要技術參數(shù) ..........................................11 3.2 變速器擋數(shù)和傳動比的確定 ................................11 3.2.1 主 減 速 比 的 確 定 .....................................11 3.2.2 變 速 器 最 低 擋 傳 動 比 的 確 定 ..........................12 3.2.3 變 速 器 擋 數(shù) 和 傳 動 比 范 圍 的 確 定 .......................13 3.2.4 變 速 器 其 他 各 擋 傳 動 比 的 確 定 ........................13 3.3 中心距 A 的確定 ...........................................14 3.4 變速器齒輪參數(shù)的選擇 ....................................15 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 2 3.4.1 模 數(shù) 和 齒 寬 選 擇 .....................................15 3.4.2 齒 形 、 壓 力 角 a .....................................15 3.4.3 齒 寬 b .............................................15 3.4.4 齒 頂 高 系 數(shù) ........................................16 3.4.5 齒 輪 的 修 正 ........................................16 3.5 變速器各擋齒輪齒數(shù)的分配 .................................17 3.5.1 確 定 一 擋 齒 輪 的 齒 數(shù) ................................17 3.5.2 確 定 二 擋 齒 輪 的 齒 數(shù) ................................18 第 4 章 齒輪與軸的設計計算 .....................................21 4.1 齒輪設計與計算 ..........................................21 4.1.1 齒 輪 材 料 的 選 擇 原 則 ................................21 4.1.2 輪 齒 強 度 校 核 ......................................21 4.2 變速器軸的軸徑和軸長設計計算 .............................23 4.2.1 各 軸 的 轉 矩 和 轉 速 計 算 ..............................24 4.2.2 變 速 器 軸 的 強 度 校 核 ................................24 4.2.3 軸 的 撓 度 校 核 .......................................26 4.3 軸承的選擇與校核 ........................................28 4.3.1 一 軸 軸 承 的 選 擇 與 校 核 ..............................28 4.3.2 二 軸 軸 承 的 選 擇 與 校 核 ..............................29 4.3.3 中 間 軸 軸 承 的 選 擇 與 校 核 ............................30 第 5 章 同步器和操縱機構的設計及格選用 .........................32 5.1 同步器的設計 ............................................32 5.1.1 鎖 銷 式 同 步 器 .......................................32 5.1.2 鎖 環(huán) 式 同 步 器 ......................................33 5.1.3 同 步 器 主 要 尺 寸 的 確 定 ..............................34 5.1.4 同 步 器 主 要 參 數(shù) 的 確 定 ..............................37 5.2 變速器操縱機構的設計 ....................................39 5.2.1 變 速 器 操 縱 機 構 的 要 求 及 分 類 .......................40 5.2.2 變 速 器 操 縱 機 構 分 析 ................................41 5.3 變速器箱體的設計 ........................................42 5.4 本章小結 ................................................43 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 3 結 論 ........................................................44 致 謝 ......................................................45 參考文獻 ......................................................46 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒 論 1.1 汽車變速器概述 變 速 器 用 于 改 變 發(fā) 動 機 曲 軸 的 轉 矩 和 轉 速 ， 以 適 應 汽 車 在 起 步 、 加 速 、 行 駛 以 及 克 服 各 種 道 路 障 礙 等 不 同 行 駛 條 件 下 ， 滿 足 驅 動 車 輪 牽 引 力 及 車 速 不 同 要 求 的 需 要 。 隨 著 汽 車 工 業(yè) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 今 后 要 求 汽 車 車 型 的 多 樣 化 、 個 性 化 、 智 能 化 已 成 為 汽 車 的 發(fā) 展 趨 勢 。 但 變 速 器 設 計 一 直 是 汽 車 設 計 中 最 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 ， 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(jīng) 濟 性 指 標 。 變 速 器 能 使 汽 車 以 非 常 低 的 穩(wěn) 定 車 速 行 駛 ， 而 這 種 低 的 車 速 只 靠 內 燃 機 的 最 低 穩(wěn) 定 車 速 是 難 以 達 到 的 。 變 速 器 的 倒 擋 使 汽 車 能 倒 退 行 駛 ； 其 空 擋 使 汽 車 在 啟 動 發(fā) 動 機 、 停 車 和 滑 行 時 能 長 時 間 將 發(fā) 動 機 和 傳 動 系 分 離 。 變 速 器 的 結 構 除 了 對 汽 車 的 動 力 性 、 經(jīng) 濟 性 有 影 響 同 時 對 汽 車 操 縱 的 可 靠 性 與 輕 便 性 、 傳 動 的 平 穩(wěn) 性 與 效 率 等 都 有 直 接 影 響 。 變 速 器 與 主 減 速 器 及 發(fā) 動 機 的 參 數(shù) 做 優(yōu) 化 匹 配 ， 可 得 到 良 好 的 動 力 性 與 經(jīng) 濟 性 ； 采 用 自 鎖 及 互 鎖 裝 置 ， 倒 擋 安 全 裝 置 ， 其 他 結 構 措 施 ， 可 使 操 縱 可 靠 ， 不 產 生 跳 擋 、 亂 擋 、 自 動 脫 擋 和 誤 掛 倒 擋 ； 采 用 同 步 器 可 使 換 擋 輕 便 ， 無 沖 擊 及 噪 聲 ； 采 用 斜 齒 輪 、 修 形 及 參 數(shù) 優(yōu) 化 等 措 施 可 使 齒 輪 傳 動 平 穩(wěn) 、 噪 聲 低 ， 不 同 的 傳 動 比 還 可 以 使 在 其 不 同 路 面 提 高 汽 車 的 動 力 性 和 經(jīng) 濟 性 ， 使 汽 車 和 發(fā) 動 機 有 良 好 的 匹 配 性 。 1.2 國內外研究狀況和發(fā)展方向 變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的總要組成部分，其技術的發(fā)展，是衡量汽 車技術水平的一項重要依據(jù)。2l 世紀能源與環(huán)境、先進的制造技術、新 型材料技術、信息與控制技術等是科學技術發(fā)展的重要領域，這些領域的 科技進步推動了變速器技術的發(fā)展。目前國內外的變速器主要向著多檔位 方向發(fā)展，多檔位變速器在實際中所占的比例越來越大，目前有一部分重 型載貨汽車上使用的是多檔變速器。變速器作為汽車傳動系統(tǒng)的總要組成 部分，其技術的發(fā)展，是衡量汽車技術水平的一項重要依據(jù)。21 世紀能 源與環(huán)境、先進的制造技術、新型材料技術、信息與控制技術等是科學技 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 2 術發(fā)展的重要領域，這些領域的科技進步推動了變速器技術的發(fā)展。 根據(jù)前進檔數(shù)分為：三檔變速器，四檔變速器，五檔變速器，多檔變 速器。 根據(jù)軸的形式分為：同定軸式，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剛于發(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。目前自動變速器得到了廣泛的應用。 變速器技術的發(fā)展動向如下： (1)節(jié)能與環(huán)境保護。變速器的節(jié)能與環(huán)境保護既包括傳動系本身的 節(jié)能與環(huán)境保護，也包括發(fā)動機的節(jié)能與保護。因此研究高效率的傳動副 來節(jié)約能源，采用零污染的工作介質或潤滑油來避免環(huán)境污染，根據(jù)發(fā)動 機的特性和行駛工況來設計變速器，使發(fā)動機工作在最佳狀態(tài)，以保證汽 車在最高傳動效率和最低污染物排放區(qū)運行： (2)應用新型材料。材料科學域技術是 21 世紀重點發(fā)展的科學技術領 域。各種新型材料在變速器種的應用已經(jīng)推動了汽車技術的發(fā)展和性能的 提高。陶瓷材料、高分子聚合物、納米材料、梯度材料、表面渡膜技術等 獨特的性能特點，將對變速器的性能產生重要的影晌： (3)高性能、低成本、微型化。高性能、高效、精密、低噪聲、長壽 命、重量輕、體積小、低成本一直以來是變速器的發(fā)展方向； (4)智能化、集成化。變速器智能化、集成化是信息、電子集成技術 和控制技術．與變速器技術的結合。其特點是根據(jù)發(fā)動機的特性和汽車的 行駛工況，通過計算機智能控制，實現(xiàn)對變速器傳動比的實時控制，使發(fā) 動機工作在最佳狀態(tài)。將變速器智能化，并且普及到大眾化的汽車上。這 樣的汽車可以依據(jù)駕車者的性情、路面的狀況、車身的負荷乃至周邊環(huán)境 等多種因素，挑選最適合的功能，實現(xiàn)智能化駕駛，以充分發(fā)揮車輛的性 能，降低油耗，確保安全。變速器的發(fā)展使汽車好像有了人的智慧，甚至 比人更善于思索，它根據(jù)外界路面的變化，經(jīng)過計算，代替人作出準確聰 明的決斷。 隨著科技的發(fā)展和汽車工業(yè)的不斷向前進步，汽車多檔變速器會越來 越多的得到使用。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 3 第 2 章 傳動方案及零部件結構分析 變速器用來改變發(fā)動機傳到驅動輪上的轉矩和轉速，目的是在原地起 步、爬坡、轉彎、加速等各種工況下，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。變速器設有倒檔，使汽車獲得 倒退行駛能力。變速器設有空檔，可在發(fā)動機起動、汽車滑行或停車時使 發(fā)動機的動力停止向驅動輪工作。 2.1 變速器的基本設計要求 在 本 次 設 計 中 ， 由 于 是 對 傳 統(tǒng) 的 變 速 器 進 行 改 進 性 設 計 ， ， 在 給 定 的 發(fā) 動 機 最 大 轉 矩 、 轉 速 及 最 高 車 速 、 發(fā) 動 機 標 定 功 率 等 條 件 下 ， 主 要 完 成 變 速 器 機 構 的 設 計 ， 并 繪 制 出 變 速 器 裝 配 圖 及 主 要 零 件 的 零 件 圖 。 在 本 設 計 中 主 要 設 計 是 帶 有 主 副 變 速 箱 的 三 軸 式 十 二 檔 變 速 器 。 ， 主 箱 是 三 軸 式 六 檔 的 變 速 器 ， 齒 輪 全 部 為 斜 齒 輪 ， 采 用 慣 性 鎖 環(huán) 式 同 步 器 ， 最 高 檔 位 為 直 接 檔 1。 副 箱 采 用 一 對 直 接 檔 齒 輪 傳 動 和 一 對 減 速 檔 齒 輪 傳 動 并 采 用 鎖 銷 式 同 步 器 來 改 變 傳 動 比 。 從 而 使 掛 入 副 箱 減 速 檔 時 或 得 通 過 減 速 齒 輪 后 的 六 個 減 速 檔 位 。 對 于 變 速 器 的 要 求 ： (l)保證汽車有必要的動力性和經(jīng)濟性； (2)設置空檔，用來切斷發(fā)動機的動力傳輸； (3)設置倒梢，使汽車能倒退行駛； (4)設置動力輸出裝置； (5)換檔迅速、省力、方便； (6)工作可靠。變速器不得有跳檔、亂檔及換檔沖擊等現(xiàn)象發(fā)生； (7)變速器應有高的工作效率； (8)變速器的工作噪聲低。 除 此 以 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 ， 滿 足 汽 車 有 必 要 的 動 力 性 和 經(jīng) 濟 性 指 標 。 2.2 變速器傳動機構分析和方案的設計 目 前 ， 汽 車 上 采 用 的 變 速 器 結 構 形 式 是 多 種 多 樣 的 ， 這 是 由 于 各 國 汽 車 的 使 用 、 制 造 、 修 理 等 條 件 不 同 ， 也 是 由 于 各 種 類 型 汽 車 的 使 用 要 求 不 同 所 決 定 的 。 盡 管 如 此 ， 一 般 變 速 器 的 結 構 形 式 ， 仍 具 有 很 多 共 同 點 。 各 種 機 構 形 式 都 有 其 各 自 的 優(yōu) 缺 點 ， 這 些 優(yōu) 缺 點 隨 主 觀 和 客 觀 條 件 的 變 化 而 變 化 。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 4 機 械 式 變 速 器 具 有 結 構 簡 單 、 傳 動 效 率 高 、 制 造 成 本 低 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 。 機 械 式 變 速 器 ， 具 有 高 的 傳 動 效 率 （ η =0.96～ 0.98） ， 因 此 在 各 類 車 上 得 到 廣 泛 的 應 用 。 通 常 ， 有 級 變 速 器 具 有 三 個 、 四 個 、 五 個 前 進 擋 ； 重 型 載 貨 汽 車 和 重 型 越 野 車 則 采 用 多 擋 變 速 器 ， 其 前 進 擋 位 數(shù) 多 大 6～ 16 個 甚 至 20 個 。 變 速 器 擋 位 的 增 多 可 提 高 發(fā) 動 機 的 功 率 利 用 率 、 汽 車 的 燃 料 經(jīng) 濟 性 和 平 均 車 速 ， 從 而 可 提 高 汽 車 的 運 輸 效 率 ， 降 低 運 輸 成 本 。 但 擋 位 數(shù) 的 增 多 也 使 變 速 器 的 尺 寸 及 質 量 增 大 ， 結 構 復 雜 ， 制 造 成 本 提 高 ， 操 縱 也 復 雜 。 某 些 轎 車 和 貨 車 的 變 速 器 ， 采 用 僅 在 良 好 的 路 面 和 空 載 行 駛 時 才 使 用 的 超 速 擋 。 采 用 傳 動 比 小 于 1（ 約 為 0.7～ 0.8） 的 超 速 擋 ， 可 充 分 地 利 用 發(fā) 動 機 功 率 ， 降 低 單 位 行 駛 里 程 的 發(fā) 動 機 曲 軸 總 轉 數(shù) ， 因 而 會 減 少 發(fā) 動 機 的 磨 損 ， 降 低 燃 料 消 耗 。 機 械 式 變 速 器 的 傳 動 效 率 與 所 選 用 的 傳 動 方 案 有 關 ， 包 括 齒 輪 副 的 數(shù) 目 、 齒 輪 的 轉 速 、 傳 遞 的 功 率 、 潤 滑 系 統(tǒng) 的 有 效 性 、 齒 輪 及 軸 以 及 殼 體 等 零 件 的 制 造 精 度 、 剛 度 等 。 綜 上 所 述 ， 由 于 本 次 設 計 的 為 重 型 貨 車 變 速 器 ， 布 置 形 式 采 用 發(fā) 動 機 前 置 后 輪 驅 動 ， 變 速 器 布 置 的 空 間 較 大 ， 對 變 速 器 的 結 構 要 求 較 高 ， 要 求 運 行 時 噪 聲 要 小 ， 故 選 用 雙 中 間 軸 十 二 檔 變 速 檔 ， 并 且 五 檔 為 直 接 檔 1 ， 六 檔 為 超 速 檔 。 2.2.1 雙中間軸特點分析 1.由 于 雙 中 間 軸 ， 使 中 間 軸 上 多 個 齒 輪 傳 遞 輸 出 的 力 大 小 相 等 ， 方 向 相 反 ， 從 而 使 輸 出 軸 只 受 扭 矩 而 不 受 彎 矩 ， 可 在 設 計 時 減 小 軸 頸 和 齒 輪 直 徑 ， 從 而 減 小 中 心 距 。 體 積 小 ， 質 量 輕 ， 降 低 噪 音 ， 提 高 壽 命 。 2.主 軸 及 齒 輪 浮 動 安 裝 ， 主 軸 齒 輪 與 二 軸 之 間 可 以 沒 有 滾 針 軸 承 ， 減 小 發(fā) 熱 故 障 ， 提 高 工 作 可 靠 性 和 性 價 比 。 3.雙 中 間 軸 一 般 檔 數(shù) 較 多 ， 有 利 于 提 高 加 速 性 。 2.2.2 倒擋布置方案分析 倒 檔 齒 輪 的 結 構 及 其 軸 的 位 置 ， 應 與 變 速 器 的 整 體 結 構 方 案 同 時 考 慮 。 在 結 構 布 置 上 ， 要 注 意 在 不 掛 入 倒 檔 時 ， 不 能 與 第 二 軸 齒 輪 有 嚙 合 情 況 。 換 倒 檔 時 能 順 利 換 入 倒 檔 ， 而 不 和 其 它 齒 輪 發(fā) 生 干 涉 。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 5 與 前 進 擋 位 比 較 ， 倒 擋 使 用 率 不 高 ， 而 且 都 是 在 停 車 狀 態(tài) 下 實 現(xiàn) 換 倒 擋 ， 故 多 數(shù) 方 案 采 用 直 齒 滑 動 齒 輪 方 式 換 倒 擋 。 為 實 現(xiàn) 倒 擋 傳 動 ， 有 些 方 案 利 用 在 中 間 軸 和 第 二 軸 上 的 齒 輪 傳 動 路 線 中 ， 加 入 一 個 中 間 傳 動 齒 輪 的 方 案 。 前 者 雖 然 結 構 簡 單 ， 但 是 中 間 傳 動 齒 輪 的 輪 齒 ， 是 在 最 不 利 的 正 ， 負 交 替 對 稱 變 化 的 彎 曲 應 力 狀 態(tài) 下 工 作 ， 而 后 者 是 在 較 為 有 利 的 單 向 循 環(huán) 彎 曲 應 力 狀 態(tài) 下 工 作 ， 并 使 倒 擋 傳 動 比 略 有 增 加 。 圖2-1 倒擋布置方案 圖 2-2 為 常 見 的 倒 擋 布 置 方 案 。 圖 2-2b 所 示 方 案 的 優(yōu) 點 是 換 倒 擋 時 利 用 了 中 間 軸 上 的 一 擋 齒 輪 ， 因 而 縮 短 了 中 間 軸 的 長 度 。 但 換 擋 時 有 兩 對 齒 輪 同 時 進 入 嚙 合 ， 使 換 擋 困 難 。 圖 2-2c 所 示 方 案 能 獲 得 較 大 的 倒 擋 傳 動 比 ， 缺 點 是 換 擋 程 序 不 合 理 。 圖 2-2d 所 示 方 案 針 對 前 者 的 缺 點 做 了 修 改 ， 因 而 取 代 了 圖 2-2c 所 示 方 案 。 圖 2-2e 所 示 方 案 是 將 中 間 軸 上 的 一 ， 倒 擋 齒 輪 做 成 一 體 ， 將 其 齒 寬 加 長 。 圖 2-2f 所 示 方 案 適 用 于 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 度 ， 有 的 貨 車 倒 擋 傳 動 采 用 圖 2-2g 所 示 方 案 。 其 缺 點 是 一 ， 倒 擋 須 各 用 一 根 變 速 器 撥 叉 軸 ， 致 使 變 速 器 上 蓋 中 的 操 縱 機 構 復 雜 一 些 。 綜 上 所 述 本 次 設 計 選 擇 第 6 種 倒 擋 布 置 方 案 。 因 為 變 速 器 在 一 擋 和 倒 擋 工 作 時 有 較 大 的 力 ， 所 以 無 論 是 兩 軸 式 變 速 器 還 是 中 間 軸 式 變 速 器 的 低 檔 與 倒 擋 ， 都 應 當 布 置 在 靠 近 軸 的 支 承 處 ， 以 減 少 軸 的 變 形 ， 保 證 齒 輪 重 合 度 下 降 不 多 ， 然 后 按 照 從 低 擋 到 高 擋 順 序 布 置 各 擋 齒 輪 ， 這 樣 做 既 能 使 軸 有 足 夠 大 的 剛 性 ， 又 能 保 證 容 易 裝 配 。 倒 擋 的 傳 動 比 雖 然 與 一 擋 的 傳 動 比 接 近 ， 但 因 為 使 用 倒 擋 的 時 間 非 常 短 ， 從 這 點 出 發(fā) 有 些 方 案 將 一 擋 布 置 在 靠 近 軸 的 支 承 處 ， 然 后 再 布 置 倒 擋 。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 6 此 時 在 倒 擋 工 作 時 ， 齒 輪 磨 損 與 噪 聲 在 短 時 間 內 略 有 增 加 ， 與 此 同 時 在 一 擋 工 作 時 齒 輪 的 磨 損 與 噪 聲 有 所 減 少 。 除 此 以 外 ， 倒 擋 的 中 間 齒 輪 位 于 變 速 器 的 左 側 或 右 側 對 倒 擋 軸 的 受 力 狀 況 有 影 響 ， 與 此 同 時 為 防 止 意 外 掛 入 倒 擋 ， 一 般 在 掛 倒 擋 時 設 有 一 個 掛 倒 擋 時 需 克 服 彈 簧 所 產 生 的 力 ， 用 來 提 醒 駕 駛 員 注 意 2.2.3 傳動機構布置其他問題的分析 各 檔 齒 輪 在 變 速 器 中 的 位 置 安 排 ， 應 考 慮 齒 輪 的 受 載 狀 況 。 承 受 載 荷 大 的 低 檔 齒 輪 ， 一 般 安 置 在 離 軸 承 較 近 的 地 方 ， 以 較 小 軸 的 變 形 ， 使 齒 輪 的 重 疊 系 數(shù) 不 致 下 降 過 多 。 變 速 器 齒 輪 主 要 是 因 接 觸 應 力 過 高 而 造 成 表 面 點 蝕 損 壞 ， 因 此 將 高 檔 齒 輪 安 排 在 離 兩 支 撐 較 遠 處 較 好 。 該 處 因 軸 的 變 形 而 引 起 齒 輪 的 偏 轉 角 較 小 ， 故 齒 輪 的 偏 載 也 小 。 在 三 軸 式 變 速 器 中 ， 普 遍 采 用 具 有 直 接 檔 的 傳 動 方 案 ， 并 盡 可 能 地 將 使 用 時 間 最 多 的 檔 位 設 計 成 直 接 檔 。 能 夠 更 充 分 的 利 用 發(fā) 動 機 的 功 率 ， 使 汽 車 行 駛 時 所 需 發(fā) 動 機 曲 軸 的 總 轉 數(shù) 減 少 ， 因 而 有 助 于 減 少 發(fā) 動 機 磨 損 和 降 低 燃 料 消 耗 。 2.3 零部件結構方案分析 2.3.1 齒輪形式 變速器用齒輪有直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪兩種。與直齒圓柱齒輪 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，但是 考慮到設計過程的復雜性，以及現(xiàn)在通用的多檔變速器多為直齒輪，如圖 2-2。所以本設計各檔均選用直齒輪。 2.3.2 變速器軸 變 速 器 在 工 作 是 承 受 力 扭 矩 、 彎 矩 ， 因 此 應 具 備 足 夠 的 強 度 和 剛 度 。 軸 的 鋼 的 不 足 ， 在 負 荷 作 用 下 ， 軸 會 產 生 過 大 的 變 形 ， 影 響 齒 輪 的 正 常 嚙 合 ， 產 生 過 大 的 噪 聲 ， 并 會 降 低 齒 輪 的 使 用 壽 命 。 這 一 點 很 重 要 ， 與 其 它 零 件 的 設 計 不 同 。 設 計 變 速 器 軸 時 主 要 考 慮 以 下 幾 個 問 題 ： 軸 的 結 構 形 狀 ， 軸 直 徑 、 長 度 、 軸 的 強 的 和 剛 度 ， 軸 上 花 鍵 型 式 和 尺 寸 。 軸 的 結 構 主 要 依 據(jù) 變 速 器 結 構 布 置 的 要 求 ， 并 考 慮 加 工 工 藝 ， 裝 配 工 藝 而 最 后 確 定 。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 7 圖 2-2 常見的十二檔變速器 2.3.3 變速器軸承的選擇 變 速 器 軸 承 常 采 用 深 溝 球 軸 承 、 圓 柱 滾 子 軸 承 圓 錐 滾 子 軸 承 、 滾 針 軸 承 、 滑 動 軸 套 等 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 。 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 三 軸 式 變 速 器 ， 變 速 器 的 第 二 軸 前 端 支 承 在 第 一 軸 常 嚙 合 齒 輪 的 內 腔 中 ， 內 腔 尺 寸 足 夠 時 可 布 置 圓 柱 滾 子 軸 承 ， 若 空 間 不 足 則 采 用 滾 針 軸 承 。 第 二 軸 后 端 常 采 用 深 溝 球 軸 承 ， 用 來 承 受 軸 向 力 和 徑 向 力 。 根 據(jù) 載 貨 汽 車 的 軸 承 承 受 高 扭 矩 和 高 負 荷 且 有 一 定 軸 向 力 故 中 間 軸 前 、 后 軸 承 ， 按 直 徑 系 列 一 般 選 用 圓 柱 滾 子 軸 承 或 圓 錐 滾 子 軸 承 。 軸 承 的 直 徑 根 據(jù) 變 速 器 中 心 距 確 定 ， 并 要 保 證 殼 體 后 壁 兩 軸 承 孔 之 間 的 距 離 不 小 于 6～ 20mm。 2.3.4 換檔機構 目 前 汽 車 上 的 機 械 式 變 速 器 采 用 的 換 檔 結 構 形 式 有 三 種 ： 1. 滑 動 齒 輪 換 檔 ： 通 常 是 采 用 滑 動 直 齒 輪 進 行 換 檔 ， 但 也 有 采 用 滑 動 斜 齒 輪 換 檔 的 。 滑 動 直 齒 輪 換 檔 的 優(yōu) 點 是 結 構 簡 單 、 緊 湊 、 容 易 制 造 。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 8 缺 點 是 換 檔 使 齒 面 承 受 很 大 的 沖 擊 ， 會 導 致 齒 輪 過 早 損 壞 ， 并 且 直 齒 輪 工 作 噪 聲 大 ， 所 以 這 種 換 檔 方 式 一 般 僅 用 在 倒 檔 上 。 2. 嚙 合 套 換 檔 ： 用 接 合 套 換 檔 ， 可 將 構 成 某 傳 動 比 的 一 對 齒 輪 ， 制 成 常 嚙 合 斜 齒 輪 。 而 斜 齒 輪 上 另 外 有 一 部 分 做 成 直 的 結 合 齒 ， 用 來 與 嚙 合 套 向 嚙 合 。 這 種 結 構 具 有 斜 齒 輪 的 傳 動 優(yōu) 點 ， 同 時 克 服 了 滑 動 齒 輪 換 檔 時 沖 擊 力 集 中 在 1-2 個 輪 齒 上 的 缺 陷 。 因 為 在 換 檔 時 ， 有 嚙 合 套 以 及 相 嚙 合 的 結 合 齒 上 所 有 的 輪 齒 共 同 承 擔 所 受 到 的 沖 擊 ， 所 以 嚙 合 套 和 結 合 齒 的 輪 齒 所 受 的 沖 擊 損 傷 和 磨 損 較 小 。 它 的 缺 點 是 增 大 了 變 速 器 的 軸 向 尺 寸 ， 未 能 徹 底 消 除 齒 輪 端 面 所 受 到 的 沖 擊 。 3. 同 步 器 換 檔 ： 現(xiàn) 在 大 多 數(shù) 汽 車 的 變 速 器 都 采 用 同 步 器 。 使 用 同 步 器 可 減 輕 結 合 齒 在 換 檔 時 引 起 的 沖 擊 及 零 件 的 損 壞 。 并 且 具 有 操 縱 輕 便 ， 經(jīng) 濟 性 和 縮 短 換 檔 時 間 等 優(yōu) 點 ， 從 而 改 善 了 汽 車 的 加 速 性 ， 經(jīng) 濟 性 和 山 區(qū) 行 使 的 安 全 性 。 其 缺 點 是 零 件 增 多 ， 結 構 復 雜 ， 軸 向 尺 寸 增 加 ， 制 造 要 求 高 ， 同 步 環(huán) 磨 損 大 ， 壽 命 低 。 但 是 近 年 來 由 于 同 步 器 的 廣 泛 使 用 ， 受 命 問 題 已 解 決 。 上 述 三 種 換 檔 方 案 ， 可 同 時 用 在 同 一 變 速 器 中 的 不 同 檔 位 上 。 一 般 考 慮 原 則 是 不 常 用 的 倒 檔 和 一 檔 采 用 結 構 較 簡 單 的 滑 動 直 齒 輪 或 嚙 合 套 的 形 式 。 對 于 常 用 的 檔 位 則 采 用 同 步 器 或 嚙 合 套 。 2.3.5 防止自動脫擋的結構設計 自 動 脫 擋 是 變 速 器 的 主 要 故 障 之 一 。 由 于 接 合 齒 磨 損 、 變 速 器 剛 度 不 足 以 及 振 動 等 原 因 ， 都 會 導 致 自 動 脫 擋 。 為 解 決 這 個 問 題 ， 除 工 藝 上 采 取 措 施 以 外 ， 目 前 在 結 構 上 采 取 措 施 且 行 之 有 效 的 方 案 有 以 下 幾 種 ： 1、互鎖銷式 圖 2-3 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 2-3，a 為空檔位置，此時任一叉軸可自由移動。圖 2-3，b，c，d 為某一叉軸在工作位置，而其他叉軸被鎖住。 圖 2-3 互鎖銷式工作原理 2、擺動鎖塊式 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 9 圖 2-4 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 檔住其他兩個變速叉軸槽，保證換檔時不能 同時掛入兩檔。 3、轉動鉗口式 圖 2-5 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。上海 SH-130 型載重汽車的變速器互鎖機構就采用這種型式。 圖 2-4 擺動鎖塊式互鎖機構 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 10 圖 2-5 轉動鉗口式互鎖機構 2.4 本章小結 本 章 首 先 先 確 定 了 設 計 變 速 器 所 需 的 汽 車 主 要 參 數(shù) 以 及 傳 動 機 構 形 式 的 選 擇 并 依 據(jù) 變 速 器 幾 種 常 見 的 傳 動 機 構 布 置 方 案 ， 對 兩 軸 式 和 中 間 軸 式 的 變 速 器 的 結 構 特 點 作 了 簡 要 說 明 ， 分 析 了 各 種 方 案 的 優(yōu) 缺 點 ， 同 時 介 紹 了 幾 種 常 見 的 倒 擋 機 構 布 置 方 案 ， 闡 述 了 各 種 方 案 的 優(yōu) 缺 點 并 對 倒 檔 布 置 形 式 做 出 了 選 擇 。 在 變 速 器 零 部 件 的 結 構 選 擇 部 分 中 ， 對 變 速 器 齒 輪 、 軸 、 換 擋 機 構 的 形 式 和 變 速 器 防 止 自 動 脫 擋 的 結 構 進 行 了 分 析 和 說 明 。 最 后 結 合 本 次 設 計 所 依 據(jù) 車 輛 的 主 要 技 術 參 數(shù) ， 選 擇 了 本 設 計 的 傳 動 機 構 布 置 方 案 和 零 、 部 件 的 結 構 形 式 ， 作 為 以 后 變 速 器 設 計 的 基 礎 。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 11 第 3 章 變速器齒輪參數(shù)選擇及齒數(shù)分配 3.1 汽車主要技術參數(shù) 型號 陜西陜汽 發(fā)動機額定功率(kw) 193 外廓尺寸(mm)(長 ×寬×高) 11916×2500×3162 發(fā)動機最大轉矩(N.m) (3000～3500r/min) 646 輪距(前)(mm) 1939 前(kg) 13000 輪距(后)(mm) 1800 滿載軸荷 后(kg) 16000 軸距(mm) 前-中（4000） 中-后（1350） 主減速器減速比 8.6 最高車速(km/h) 90 載質量(kg) 14000 最大爬坡度(%) 16.7 整車整備質量(kg) 15000 輪胎規(guī)格 11.00-20 滿載總重(kg) 29000 3.2 變速器擋數(shù)和傳動比的確定 3.2.1 主減速比的確定 (3.1)037.irnuga? 式 中 ： ——汽 車 行 駛 速 度 （km/h） ；au ——發(fā) 動 機 轉 速 （r/min） ；n ——車 輪 滾 動 半 徑 （m） ；r ——變 速 器 傳 動 比 ；gi ——主 減 速 器 傳 動 比 。0i 已 知 ： 最 高 車 速 = =90 km/h； 最 高 檔 為 超 速 檔 ， 傳 動 比maxuv 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 12 =0.78；車 輪 滾 動 半 徑 由 所 選 用 的 輪 胎 規(guī) 格 得 到 =533(mm)；gi 1.02R?r 發(fā) 動 機 轉 速 = =3000（r/min） ；由公式（3.1）得 到 主 減 速 器 傳 動 比 計np 算 公 式 08.6i? 3.2.2 變速器最低擋傳動比的確定 在 選 擇 最 低 擋 傳 動 比 時 ， 應 根 據(jù) 汽 車 最 大 爬 坡 度 、 驅 動 車 輪 和 地 面 的 附 著 力 、 汽 車 的 最 低 穩(wěn) 定 車 速 以 及 主 減 速 比 和 驅 動 車 輪 的 滾 動 半 徑 等 來 綜 合 考 慮 來 確 定 。 汽 車 爬 坡 時 車 速 不 高 ， 空 氣 阻 力 可 忽 略 ， 則 最 大 驅 動 力 用 于 克 服 輪 胎 與 路 面 間 的 滾 動 阻 力 及 爬 坡 阻 力 [10]。 故 有 (3.2)??maxaxmax01max sinco???gfgriTTge ??? 則 由 最 大 爬 坡 度 要 求 的 變 速 器 1 擋 傳 動 比 為 ： (3.3) Tergifi?0maxax1 )( 式 中 ： －汽 車 總 質 量 ，m=29000 Kg；m －重 力 加 速 度 ， m/s2；8.9? －道 路 附 著 系 數(shù) ， ；f f －驅 動 車 輪 的 滾 動 半 徑 ， =533mm；r －發(fā) 動 機 最 大 轉 矩 ， =646NmmaxeT －主 減 速 比 ， =8.6；0i －汽 車 傳 動 系 的 傳 動 效 率 ， 。T?96.0?T? 將 各 數(shù) 據(jù) 代 入 式 (3.3)中 得 ： 18.49gi? 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 13 根 據(jù) 驅 動 車 輪 與 路 面 的 附 著 條 件 ： ??201maxGriTTge? 可 求 得 變 速 器 一 擋 傳 動 比 為 ： 式 中 ： －汽 車 滿 載 靜 止 與 水 平 路 面 時 驅 動 橋 給 地 面 的 載 荷 ，2G Kg；150? －道 路 的 附 著 系 數(shù) ， 計 算 時 取 ～ ；?5.0??6 =12.18TergiGi?0max21? 所以取一檔傳動比為 12.1 3.2.3 變速器擋數(shù)和傳動比范圍的確定 變 速 器 的 檔 位 數(shù) 根 據(jù) 不 同 種 類 車 的 用 途 以 及 為 了 降 低 油 耗 ， 變 速 器 的 檔 數(shù) 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(shù) 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 重 型 貨 車 變 速 器 為 12 檔 變 速 器 。 3.2.4 變速器其他各擋傳動比的確定 變 速 器 的 擋 為 直 接 擋 ， 其 傳 動 比 為 1.0， 中 間 擋 的 傳 動 比 理 論 上 按 公 比 (其 中 n 為 擋 位 數(shù) )的 幾 何 級 數(shù) 排 列 ， 實 際 上 與 理11minax???gngiq 論 值 略 有 出 入 。 將 各 數(shù) 代 入 式 中 得 ： q=1.28 則 變 速 器 其 他 各 擋 的 傳 動 比 為 12.gi?94 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院畢業(yè)設計 14 37.1gi?45.6gi3872.1gi?89.64gi102 gi?12.78 主副箱傳動比為 61127.4.6ggii 3.3 中心距 A 的確定 對 中 間 軸 式 變 速 器 ， 是 將 中 間 軸 與 第 二 軸 之 間 的 距 離 稱 為 變 速 器 中 心 距 ； 它 是 一 個 基 本 參 數(shù) ， 其 大 小 不 僅 對 變 速 器