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目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第 1章 緒 論 1
1.1 概述選題的目的及意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況 1
1.3 變速器的設(shè)計(jì)思想 3
1.4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4
第 2章 變速器結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì) 5
2.1兩軸式和三軸式變速器 5
2.1.1變速器的徑向尺寸 5
2.1.2變速器的壽命 5
2.1.3變速器的效率 6
2.2齒輪安排 6
2.2.1整車總布置 6
2.2.2駕駛員的使用習(xí)慣 6
2.2.3提高平均傳動(dòng)效率 6
2.2.4改善齒輪受載狀況 7
2.3換檔結(jié)構(gòu)方式 7
2.3.1滑動(dòng)齒輪換檔 7
2.3.2嚙合套換檔 7
2.3.3同步器換檔 7
2.4倒檔的結(jié)構(gòu)方案及倒檔軸的位置 8
2.5變速器最低檔傳動(dòng)比的確定 8
2.6中心距的確定 10
2.7變速器的傳動(dòng)方案及相關(guān)參數(shù) 11
第3章 變速器齒輪的設(shè)計(jì) 12
3.1齒輪傳動(dòng)的失效形式 12
3.1.1齒輪折斷 12
3.1.2齒面點(diǎn)蝕 12
3.1.3齒面膠合 13
3.2 變速器齒輪設(shè)計(jì)步驟 13
3.2.1模數(shù)的選取 13
3.2.2壓力角 14
3.2.3螺旋角 14
3.2.4齒寬b 15
3.2.5變位系數(shù)的選擇原則 15
3.3各檔齒輪齒數(shù)的分配 17
3.3.1確定一檔齒輪的齒數(shù) 17
3.3.2對(duì)中心距進(jìn)行修正 18
3.3.3確定常嚙合傳動(dòng)齒輪副的齒數(shù) 18
3.3.4確定其他各檔的齒數(shù) 18
3.3.5確定倒檔齒輪齒數(shù) 19
3.3.6齒數(shù)和螺旋角具體計(jì)算如下 19
3.4 齒輪的材料及其選擇原則 21
3.4.1常用的齒輪材料 21
3.4.2齒輪材料的選擇原則 22
3.5圓柱齒輪強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法 23
3.5.1接觸強(qiáng)度計(jì)算 23
3.5.2彎曲強(qiáng)度計(jì)算 24
第4章 變速器軸的設(shè)計(jì) 29
4.1軸的設(shè)計(jì) 29
4.1.1軸的功用及其設(shè)計(jì)要求 29
4.1.2軸的尺寸 29
4.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
4.1.4接合器設(shè)計(jì) 31
4.2軸的受力分析與校核計(jì)算 31
4.2.1軸的受力分析 31
4.2.2軸的強(qiáng)度計(jì)算 34
4.2.3軸的剛度計(jì)算 37
第5章 同步器設(shè)計(jì) 40
5.1慣性式同步器 40
5.2同步器工作原理 42
5.3同步器的主要參數(shù)的確定 43
5.3.1摩擦系數(shù) 43
5.3.2同步環(huán)主要尺寸的確定 44
5.3.3鎖止角 45
5.3.4同步時(shí)間t 45
第6章 變速器操縱機(jī)構(gòu) 46
6.1操縱機(jī)構(gòu)的功用 46
6.2 換檔位置圖 46
6.3變速桿的布置 47
6.3.1直接操縱手動(dòng)換擋變速器 47
6.3.2遠(yuǎn)距離操縱手動(dòng)換擋變速器 47
6.4鎖止裝置 47
6.4.1互鎖裝置 47
6.4.2自鎖裝置 49
6.4.3倒檔鎖裝置 49
結(jié) 論 51
參考文獻(xiàn) 52
致 謝 53
附 錄 54
附錄A 英文文獻(xiàn) 54
附錄B 文獻(xiàn)翻譯 58
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選題的目的及意義
現(xiàn)代汽車上廣泛采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍很小，而復(fù)雜的使用條件要求汽車的驅(qū)動(dòng)力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。為解決這一矛盾，在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置了變速器，用來(lái)改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，以適應(yīng)經(jīng)常變化的行駛條件，如起步、加速、上坡等，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍下工作；在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下，使汽車能倒退行駛；利用空擋，中斷動(dòng)力傳遞，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)、怠速，并便于變速器換擋或進(jìn)行動(dòng)力輸出。變速器設(shè)計(jì)的目的就是為了滿足上述的要求，使汽車在特定的工況下穩(wěn)定的工作。
變速器除了要能滿足一定的使用要求外，還要保證使其和汽車能有很好的匹配性，可以提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在有利的工況范圍內(nèi)工作提高汽車的使用壽命、降低能源消耗、減少汽車的使用噪聲等。這就要求設(shè)計(jì)人員依據(jù)汽車的技術(shù)參數(shù)，合理的選擇變速器的參數(shù)，使所設(shè)計(jì)的變速器能和整車具有很好的匹配性。
對(duì)變速器的要求。除一般便于制造、使用、維修以及質(zhì)量輕、尺寸緊湊外，主要還有以下幾點(diǎn)：
1）保證汽車有必要的動(dòng)力性和經(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)置倒檔，使汽車能倒退行駛。
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。汽車行駛過(guò)程中，變速器不得有跳擋，亂擋以及換擋沖擊等現(xiàn)象發(fā)生。
7）變速器應(yīng)當(dāng)有高的工作效率。
8）變速器的工作噪聲低。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況
現(xiàn)代汽車工業(yè)的飛速發(fā)展以及人們對(duì)汽車的要求不斷的變化，機(jī)械式變速器不能滿足人們的需要。從40年代初，美國(guó)成功研制出兩擋的液力-機(jī)械變速器以來(lái)，自動(dòng)變速器技術(shù)得到了迅速發(fā)展。80年代，美國(guó)已將液力自動(dòng)變速器作為轎車的標(biāo)準(zhǔn)裝備。1983年時(shí)，美國(guó)通用汽車公司的自動(dòng)變速器裝車率已經(jīng)達(dá)到了94%。近些年來(lái)，由于電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)變速器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。自動(dòng)變速器與機(jī)械式變速器相比，具有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì)：提高發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的使用壽命；提高汽車的通過(guò)性；具有良好的自適應(yīng)性；操縱更加方便。
目前，國(guó)內(nèi)變速器廠商都朝無(wú)級(jí)變速器和自動(dòng)變速器方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有好幾款轎車已經(jīng)應(yīng)用上無(wú)級(jí)變速器，而重型汽車則采用多中間軸的形式，將低速檔和高速檔區(qū)分開(kāi)。
汽車行駛的速度是不斷變化的，這就要求汽車的變速器的變速比要盡量多，這就是無(wú)級(jí)變速(Continuously Variable Transmission簡(jiǎn)稱"CVT") 。盡管傳統(tǒng)的齒輪變速箱并不理想，但其以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、功率大三大顯著優(yōu)點(diǎn)依然占領(lǐng)著汽車變速箱的主流地位。
在跨越了三個(gè)世紀(jì)的一百多年后的今天，汽車還沒(méi)有使用上滿意的無(wú)級(jí)變速箱。這是汽車的無(wú)奈和缺憾。但是,人們始終沒(méi)有放棄尋找實(shí)現(xiàn)理想汽車變速器的努力,各大汽車廠商對(duì)無(wú)級(jí)變速器(CVT)表現(xiàn)了極大的熱情，極度重視CVT在汽車領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。這是世界范圍尚未根本解決的難題，也是汽車變速器的研究的終極目標(biāo)。
圍繞汽車變速箱四個(gè)研究方向，各國(guó)汽車變速器專家展開(kāi)了激烈的角逐。
1．摩擦傳動(dòng)CVT
金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱(VDT-CVT)的傳動(dòng)功率已能達(dá)到轎車實(shí)用的要求，裝備金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱的轎車已達(dá)100多萬(wàn)輛。據(jù)報(bào)道：大排量6缸內(nèi)燃機(jī)（2.8L）的奧迪A6轎車上裝備的金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱Multitronic CVT ，能傳動(dòng)142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。這是真正意義的無(wú)級(jí)變速器。
另一種摩擦傳動(dòng)CVT(名為Extroid CVT)是滾輪轉(zhuǎn)盤(pán)式。日產(chǎn)把它裝在概念車XVL上首次于去年?yáng)|京車展展示，新款公爵(Cedric)車也裝用這種CVT?？膳c3L以上排量的大馬力內(nèi)燃機(jī)(XVL的引擎輸出為330Nm/194kw)搭配使用，可謂汽車變速箱發(fā)展史上又一重要進(jìn)步。
從V形橡膠帶CVT到V型金屬帶CVT再到滾輪轉(zhuǎn)盤(pán)式CVT，摩擦傳動(dòng)CVT的研究已持續(xù)了整整一個(gè)世紀(jì)，盡管摩擦傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到很高的水平，也已經(jīng)裝備上汽車達(dá)到了實(shí)用的水平。但齒輪變速箱依然占據(jù)著半壁河山，這至少說(shuō)明了四個(gè)問(wèn)題：
（1）無(wú)級(jí)變速（CVT）是汽車變速箱始終追逐的目標(biāo)。
（2）摩擦傳動(dòng)CVT實(shí)現(xiàn)大功率的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)是極為困難的。
（3）摩擦傳動(dòng)CVT傳動(dòng)效率低是必然的。
（4）摩擦傳動(dòng)CVT的效率，功率無(wú)法與齒輪變速相比。
2．液力傳動(dòng)
人們經(jīng)常把液力自動(dòng)變速器（AT）和無(wú)級(jí)變速器（CVT）兩個(gè)概念混為一談。實(shí)際上這兩種變速器工作原理完全不同。液力自動(dòng)變速器免除了手動(dòng)變速器繁雜的換檔和腳踩離合器踏板的頻繁操作，使開(kāi)車變得簡(jiǎn)單、省力。但是, 液力自動(dòng)變速器（AT）不是無(wú)級(jí)變速，是有級(jí)變速的自動(dòng)控制，沒(méi)有從根本上滿足汽車對(duì)變速器的要求。從原始橡膠帶無(wú)級(jí)變速箱到現(xiàn)代金屬鏈無(wú)級(jí)變速箱、滾輪轉(zhuǎn)盤(pán)式CVT，百年大回轉(zhuǎn)說(shuō)明：無(wú)級(jí)變速箱是汽車變速箱的最終歸屬，液力自動(dòng)變速器只不過(guò)是一種過(guò)渡產(chǎn)品。
3．電控機(jī)械式自動(dòng)變速器
電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmission簡(jiǎn)稱"AMT")和液力自動(dòng)變速器（AT）一樣，不是無(wú)級(jí)變速器，是有級(jí)變速器的自動(dòng)換檔控制。其特點(diǎn)是機(jī)械傳動(dòng)部分沿用了傳統(tǒng)的有級(jí)變速箱，但控制參量太多，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制相當(dāng)困難。
4．齒輪無(wú)級(jí)變速器
齒輪無(wú)級(jí)變速器（Gear Continuously Variable Transmission）這是一種全新的設(shè)計(jì)思想，是利用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)高效率、大功率的無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。
據(jù)最新消息：一種"齒輪無(wú)級(jí)變速裝置"(Gear Continuously Variable Transmission簡(jiǎn)稱"G-CVT")已經(jīng)試制成功，并已經(jīng)進(jìn)行了多次樣機(jī)試驗(yàn)。"齒輪無(wú)級(jí)變速裝置"結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，只有不足20種非標(biāo)零件，51個(gè)零件，生產(chǎn)成本甚至低于手動(dòng)變速箱。預(yù)計(jì)今年進(jìn)行裝車試驗(yàn)。
齒輪無(wú)級(jí)變速器的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：
（1）傳動(dòng)功率大，200KW的傳動(dòng)功率是很容易達(dá)到的；
（2）傳動(dòng)效率高，90%以上的傳動(dòng)效率是很容易達(dá)到的；
（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大幅度降低生產(chǎn)成本，相當(dāng)于自動(dòng)變速箱的1/10；
（4）對(duì)汽車而言，提高傳動(dòng)效率，節(jié)油20%；
（5）發(fā)動(dòng)機(jī)在理想狀態(tài)下工作，燃料燃燒完全，排放干凈，極大的減少了對(duì)環(huán)境的污染。
1.3 變速器的設(shè)計(jì)思想
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的載貨汽車的基本參數(shù)，及發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，設(shè)計(jì)能夠匹配各項(xiàng)的新型后驅(qū)動(dòng)變速器。
新型后驅(qū)動(dòng)變速器應(yīng)滿足：
（1）發(fā)動(dòng)機(jī)排量5.42升；
（2）五個(gè)前進(jìn)擋，一個(gè)倒檔；
（3）輸入、輸出軸保證兩點(diǎn)支承；
（4）采用同步器，保證可靠平穩(wěn)換擋；
（5）齒輪、軸及軸承滿足使用要求。
1.4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
中間軸式變速器主要用于后輪驅(qū)動(dòng)變速器，所以，根據(jù)實(shí)際汽車發(fā)動(dòng)機(jī)匹配所需，本文計(jì)劃對(duì)適用于后驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)固定中間軸式變速器作為總的布置方案。
1.確定合適的布置結(jié)構(gòu)
變速器中各檔齒輪按照檔位先后順序在軸上排列；各檔的換擋方式；齒輪與軸的配套方案；軸承支承位置等結(jié)構(gòu)。
2.進(jìn)行主要參數(shù)的選擇
確定變速器的檔位數(shù)；各檔傳動(dòng)比；中心距；軸向長(zhǎng)度等。
3.進(jìn)行主要零部件及其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
齒輪參數(shù)；各檔齒輪齒數(shù)分配；輪齒強(qiáng)度計(jì)算；軸的設(shè)計(jì)及校核；軸承的設(shè)計(jì)及校核；同步器主要參數(shù)的選??；操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。
4.繪制圖紙
根據(jù)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)CAD完成裝配圖及零件圖的繪制。
第2章 變速器結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)
目前，汽車上采用的變速器結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，這是由于各國(guó)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(jié)構(gòu)形式，仍具有很多共同點(diǎn)。各種機(jī)構(gòu)形式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，這些優(yōu)缺點(diǎn)隨主觀和客觀條件的變化而變化。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入實(shí)際，收集資料，調(diào)查研究，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，并盡可能地考慮到產(chǎn)品的系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，最后確定較合適的方案。
2.1兩軸式和三軸式變速器
現(xiàn)代汽車大多數(shù)采用三軸式變速器。兩軸式變速器只用于發(fā)動(dòng)機(jī)前置、前輪驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)后置、后輪驅(qū)動(dòng)的轎車上。究竟采用哪種形式，除了汽車總布置的要求外，主要考慮以下三個(gè)方面：
2.1.1變速器的徑向尺寸
兩軸式變速器的前進(jìn)檔均由一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力。當(dāng)需要大的傳動(dòng)比時(shí)，需將主動(dòng)齒輪做得小些，而將從動(dòng)齒輪做得大些，因此兩軸的中心距和變速器殼體的相關(guān)尺寸也必然增大。而三軸式變速器由兩對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力，在同樣傳動(dòng)比的情況下，可將大齒輪的徑向尺寸做得小些，因此中心距及變速器殼的相關(guān)尺寸均可減小。
2.1.2變速器的壽命
兩軸式變速器的低檔齒輪幅大小相差懸殊，小齒輪工作循環(huán)次數(shù)比大齒輪要高得多，因此小齒輪的壽命比大齒輪的壽命短。三軸式變速器各前進(jìn)檔（除直接檔），均為常嚙合斜齒輪傳動(dòng)，大小齒輪的徑向尺寸相差較小，工作循環(huán)次數(shù)和壽命也比較接近，用直齒輪工作時(shí)，因第一軸與第二軸直接連接在一起，齒輪只是空轉(zhuǎn)，并不傳遞動(dòng)力，故不影響齒輪的壽命。
2.1.3變速器的效率
兩軸式變速器雖然可以由等于1的傳動(dòng)比，但仍要經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪傳遞動(dòng)力，因此用功率損失。而三軸式變速器可將輸入軸和輸出軸直接相連，得到直接檔，這種動(dòng)力傳遞方式幾乎無(wú)功率損失，且噪聲較小。
轎車、尤其是微型汽車，采用兩軸式變速器比較多，這樣可將變速器和主傳動(dòng)器組成一個(gè)整體，使傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)緊湊，汽車得到較大的有效空間，便于汽車的總體布置。因此，近年來(lái)在歐洲的轎車中采用的比較多。
2.2齒輪安排
各齒輪副的相對(duì)安裝位置對(duì)于整個(gè)變速器的結(jié)構(gòu)布置有很大的影響。各檔位置的安排應(yīng)考慮以下四個(gè)方面：
2.2.1整車總布置
根據(jù)整車的總布置，對(duì)變速器輸入軸和輸出軸的相對(duì)位置和變速器的輪廓形狀以及換檔機(jī)構(gòu)提出要求。
2.2.2駕駛員的使用習(xí)慣
有人認(rèn)為人們習(xí)慣于按檔的高低順序，由左到右或由右到左排列來(lái)?yè)Q檔。但是也有人認(rèn)為應(yīng)該將常用檔位放在中間位置。值得注意的是倒檔，雖然他是平常換檔序列之外的一個(gè)特殊檔位，然而卻是決定序列組合方案的重要環(huán)節(jié)。按習(xí)慣，倒檔最好與序列不接合。否則，從安全角度考慮，將倒檔與一檔放在一起較好。
在五檔變速其中，倒檔與序列接合與不接合兩者比較，前者在結(jié)構(gòu)上可省去一個(gè)撥叉和一根變速滑桿，后者的布置適當(dāng)，則可使變速器的軸向長(zhǎng)度縮短。
2.2.3提高平均傳動(dòng)效率
為提高平均傳動(dòng)效率，在三軸式變速器中，普遍采用具有直接檔的傳動(dòng)方案，并盡可能地將使用時(shí)間最多的檔位設(shè)計(jì)成直接檔。
2.2.4改善齒輪受載狀況
各檔齒輪在變速器中的位置安排，應(yīng)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(guò)多。變速器齒輪主要是因接觸應(yīng)力過(guò)高而造成表面點(diǎn)蝕損壞，因此將高檔齒輪安排在離兩支撐較遠(yuǎn)處較好。該處因軸的變形而引起齒輪的偏轉(zhuǎn)角較小，故齒輪的偏載也小。
2.3換檔結(jié)構(gòu)方式
目前汽車上的機(jī)械式變速器采用的換檔結(jié)構(gòu)形式有三種：
2.3.1滑動(dòng)齒輪換檔
通常是采用滑動(dòng)直齒輪進(jìn)行換檔，但也有采用滑動(dòng)斜齒輪換檔的?；瑒?dòng)直齒輪換檔的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、容易制造。缺點(diǎn)是換檔使齒面承受很大的沖擊，會(huì)導(dǎo)致齒輪過(guò)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。
2.3.2嚙合套換檔
用接合套換檔，可將構(gòu)成某傳動(dòng)比的一對(duì)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(jié)合齒，用來(lái)與嚙合套向嚙合。這種結(jié)構(gòu)具有斜齒輪的傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了滑動(dòng)齒輪換檔時(shí)沖擊力集中在1~2個(gè)輪齒上的缺陷。因?yàn)樵趽Q檔時(shí)，有嚙合套以及相嚙合的結(jié)合齒上所有的輪齒共同承擔(dān)所受到的沖擊，所以嚙合套和結(jié)合齒的輪齒所受的沖擊損傷和磨損較小。它的缺點(diǎn)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。
2.3.3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(jié)合齒在換檔時(shí)引起的沖擊及零件的損壞。并且具有操縱輕便，經(jīng)濟(jì)性和縮短換檔時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，從而改善了汽車的加速性，經(jīng)濟(jì)性和山區(qū)行使的安全性。其缺點(diǎn)是零件增多，結(jié)構(gòu)復(fù)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(lái)由于同步器的廣泛使用，受命問(wèn)題已解決。
上述三種換檔方案，可同時(shí)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(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的滑動(dòng)直齒輪或嚙合套的形式。對(duì)于常用的檔位則采用同步器或嚙合套。
2.4倒檔的結(jié)構(gòu)方案及倒檔軸的位置
倒檔齒輪的結(jié)構(gòu)及其軸的位置，應(yīng)與變速器的整體結(jié)構(gòu)方案同時(shí)考慮。在結(jié)構(gòu)布置上，要注意在不掛入倒檔時(shí)，不能與第二軸齒輪有嚙合情況。換倒檔時(shí)能順利換入倒檔，而不和其它齒輪發(fā)生干涉。
在轎車和其它輕型汽車中，經(jīng)常只采用一個(gè)倒檔齒輪，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。載貨汽車由于需要較大的倒檔傳動(dòng)比，則多采用由兩個(gè)齒輪組成的齒輪組。為縮短變速器的軸向尺寸充分利用空間。但一檔和倒檔需各用一根變速滑桿，這比通常的換檔機(jī)構(gòu)多用一根變速滑桿和撥叉，使變速器的上蓋結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
倒檔齒輪安排在變速器的左側(cè)或右側(cè)，關(guān)系到操縱桿撥動(dòng)的方向和倒檔軸的受力狀況。掛倒檔時(shí)，操縱桿向左側(cè)撥動(dòng)，比較符合習(xí)慣要求。但此時(shí)倒檔齒輪需安排在右側(cè)，這是倒檔軸的軸向承受較大的作用力。反之，操縱桿向右側(cè)，雖不符合習(xí)慣，但可以減輕倒檔軸的負(fù)荷。
2.5變速器最低檔傳動(dòng)比的確定
在選擇最低檔傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)根據(jù)汽車最大爬坡度、驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑等來(lái)綜合考慮、確定。
汽車爬坡時(shí)車速不高，空氣阻力可忽略，則最大驅(qū)動(dòng)力用于克服輪胎與路面間的滾動(dòng)阻力及爬坡阻力[4]。故有
則由最大爬坡度要求的變速器1檔傳動(dòng)比為
(2.1) 式中：為汽車總質(zhì)量，Kg；
為重力加速度，m/s2；
為道路最大阻力系數(shù)，；
為驅(qū)動(dòng)車輪的滾動(dòng)半徑，mm；
查劉惟信《汽車設(shè)計(jì)》48頁(yè)，滾動(dòng)半徑 =0.509m；
為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，mm；
為主減速比，；
為汽車傳動(dòng)系的傳動(dòng)效率，。
將各數(shù)據(jù)代入式(3.1)中得
根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件
可求得變速器一檔傳動(dòng)比為
(2.2)式中：為汽車滿載靜止與水平路面時(shí)驅(qū)動(dòng)橋給地面的載荷，.4N；
為道路的附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取～。
其他參數(shù)同式(3.1)。將各數(shù)據(jù)代入式(3.2)得
通過(guò)以上計(jì)算可得到6.70＜＜8.94，在本設(shè)計(jì)中，取
2.6中心距的確定
初選中心距時(shí)，可根據(jù)下述經(jīng)驗(yàn)公式
(2-3)
式中：—變速器中心距（mm）；
—中心距系數(shù)，商用車：=8.6～9.6；
—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N.m）；
—變速器一擋傳動(dòng)比，=7.1；
—變速器傳動(dòng)效率，取96% ；
—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，=353N.m 。
則，
=
=115.24～128.64（mm）
初選中心距=125mm。
本設(shè)計(jì)是根據(jù)東風(fēng)中型貨車EQ1090E車型而開(kāi)展的，設(shè)計(jì)中所采用的相關(guān)參數(shù)均來(lái)源于此種車型：
表2.2 設(shè)計(jì)基本參數(shù)表
項(xiàng)目
參數(shù)值
車型
東風(fēng)EQ1090E
發(fā)動(dòng)機(jī)
東風(fēng)EQ6100-1
額定功率（kw/r/min）
99/3000
最大扭矩(N·m/n)
353/1200～1600
額定總質(zhì)量（kg）
9200
車長(zhǎng)/寬/高（mm）
69100/2470/2455
最高車速（km/h）
90
最大爬坡度
28%
輪胎
9．00-20
2.7變速器的傳動(dòng)方案
圖2.1變速器傳動(dòng)方案圖
第3章 變速器齒輪的設(shè)計(jì)
3.1齒輪傳動(dòng)的失效形式
汽車變速器的齒輪都是裝載經(jīng)過(guò)精確加工而且封閉嚴(yán)密的變速箱里，屬于閉式齒輪傳動(dòng)。它與開(kāi)式或半開(kāi)式齒輪傳動(dòng)相比，潤(rùn)滑及防護(hù)等條件都要好得多。一般地說(shuō)，齒輪傳動(dòng)的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失效形式又是多種多樣的，較為常見(jiàn)的有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合等形式。至于齒輪的其它部分（如齒圈、輪輻、輪轂等），除了對(duì)齒輪的質(zhì)量大小需要嚴(yán)格限制外，通常指按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，所定的尺寸對(duì)強(qiáng)度及剛度來(lái)說(shuō)均較富裕，實(shí)踐中也極少失效。
3.1.1齒輪折斷
輪齒折斷有多種形式，在正常工況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷，因?yàn)檩嘄X受載時(shí)，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過(guò)渡部分的截面突變及加工刀痕等引起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)收載后，齒根處就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展，致使輪齒疲勞折斷。
此外，在輪齒受到突然過(guò)載時(shí)，也可能出現(xiàn)過(guò)載折斷或剪斷；在輪齒經(jīng)過(guò)嚴(yán)重磨損后齒后過(guò)分減薄時(shí)，也會(huì)在正常載荷作用下發(fā)生折斷[2]。
在斜齒輪傳動(dòng)中，輪齒工作面上的接觸線為一斜線，輪齒受載后，如有載荷集中時(shí)，就會(huì)發(fā)生局部折斷。如制造及安裝不良或軸的彎曲變形過(guò)大，輪齒局部受載過(guò)大時(shí)，即使是直齒輪，也會(huì)發(fā)生局部折斷。
為了提高輪齒的抗折斷能力，可采取下列措施：1）用增大齒根過(guò)渡圓角半徑及消除加工刀痕的方法來(lái)減小齒根應(yīng)力集中；2）增大軸及支撐的剛度，使輪齒接觸線上受載較為均勻；3）采用合適的熱處理方法使齒芯材料具有足夠的韌性；4）采用噴丸、滾壓等工藝措施對(duì)齒根表層進(jìn)行強(qiáng)化處理。
3.1.2齒面點(diǎn)蝕
點(diǎn)蝕是齒面疲勞損傷的現(xiàn)象之一。在潤(rùn)滑良好的閉式齒輪傳動(dòng)中，常見(jiàn)的失效形式多為點(diǎn)蝕。所謂點(diǎn)蝕就是齒面材料在變化著的接觸應(yīng)力作用下，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象。齒面上最初出現(xiàn)的點(diǎn)蝕僅為針狀大小的麻點(diǎn)，如工作條件未加改善，麻點(diǎn)就會(huì)逐步擴(kuò)大，甚至數(shù)點(diǎn)連成一片，最后形成了明顯的齒面損傷。
輪齒在嚙合過(guò)程中，齒面間的相對(duì)滑動(dòng)起著形成潤(rùn)滑膜的作用，而且相對(duì)滑動(dòng)速度越高，潤(rùn)滑也就越好。當(dāng)輪齒在靠近接線處嚙合時(shí)，由于相對(duì)滑動(dòng)速度低，形成油膜的條件差，潤(rùn)滑不良，摩擦力較大，特別是直齒輪傳動(dòng)中，通常這時(shí)只有一對(duì)齒嚙合，輪齒受力也最大，因此，點(diǎn)時(shí)也就首先出現(xiàn)在靠近節(jié)線的齒根面上，然后再向其它部位擴(kuò)展。從相對(duì)意義上來(lái)說(shuō)，也就是靠近節(jié)線處的齒根面抵抗點(diǎn)蝕的能力最差。
提高接觸強(qiáng)度的措施，一方面是合理選擇齒輪參數(shù)，使接觸應(yīng)力降低；另一方面是提高齒面硬度，如采用需用應(yīng)力大的鋼材等。
3.1.3齒面膠合
對(duì)于高速重載的齒輪傳中，齒面間的壓力大，瞬時(shí)溫度高，潤(rùn)滑效果差，當(dāng)瞬時(shí)溫度過(guò)高時(shí)，相嚙合的兩齒面就會(huì)粘在一起，由于此時(shí)兩齒面又在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，向粘結(jié)的部位即使撕破，于是在齒面上演相對(duì)滑動(dòng)的方向形成傷痕，成為膠合。
加強(qiáng)潤(rùn)滑措施，采用抗膠合能力強(qiáng)的潤(rùn)滑油，在潤(rùn)滑油中加入極壓添加劑等，均可防止或減輕齒面的膠合。
3.2 變速器齒輪設(shè)計(jì)步驟
齒輪設(shè)計(jì)主要是對(duì)齒輪參數(shù)的選取
3.2.1模數(shù)的選取
遵循的一般原則：為了減少噪聲應(yīng)合理減小模數(shù)，增加齒寬；為使質(zhì)量小，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)選用同一種模數(shù)，而從強(qiáng)度方面考慮，各檔齒數(shù)應(yīng)有不同的模數(shù)。減少轎車齒輪工作噪聲有較為重要的意義，因此齒輪的模數(shù)應(yīng)選??；對(duì)貨車，減小質(zhì)量比噪聲更重要，故齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)。
低檔齒輪應(yīng)選大些的模數(shù)，其他檔位選另一種模數(shù)。少數(shù)情況下汽車變速器各檔齒輪均選用相同的模數(shù)。
嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)采用漸開(kāi)線齒輪。由于工藝上的原應(yīng)，同一變速器的接合齒模數(shù)相同。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多，有利換檔。
3.2.2壓力角
壓力角較小時(shí)，重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低；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)轎車，為加大重合度已降低噪聲，取小些；對(duì)貨車，為提高齒輪承載力，取大些。變速器齒輪用20°,嚙合套或同步器的接合齒壓力角用30°。
3.2.3螺旋角
斜齒輪在變速器中得到廣泛的應(yīng)用。選斜齒輪的螺旋角，要注意它對(duì)齒輪工作噪聲齒輪的強(qiáng)度和軸向力的影響。從提高低檔齒輪的抗彎強(qiáng)度出發(fā)，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)選用較大螺旋角。
斜齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，要產(chǎn)生軸向力并作用到軸承上。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求中間軸上同時(shí)工作的兩對(duì)齒輪產(chǎn)生軸向力平衡，以減少軸承負(fù)荷，提高軸承壽命。因此，中間軸上的不同擋位齒輪的螺旋角應(yīng)該是不一樣的。為使工藝簡(jiǎn)便，在中間軸軸向力不大時(shí)，可將螺旋角設(shè)計(jì)成一樣的，或者僅取為兩種螺旋角。中間軸上全部齒輪的螺旋方向應(yīng)一律取為右旋，則第一、第二軸上的斜齒輪應(yīng)取為左旋。軸向力經(jīng)軸承蓋作用到殼體上。一擋和倒擋設(shè)計(jì)為直齒時(shí)，在這些擋位上工作，中間軸上的軸向力不能抵消(但因?yàn)檫@些擋位使用得少，所以也是允許的)，而此時(shí)第二軸則沒(méi)有軸向力作用。
根據(jù)圖4.1可知，欲使中間軸上兩個(gè)斜齒輪的軸向力平衡，須滿足下述條件
； （3.1）
由于T=，為使兩軸向力平衡，必須滿足
（3.2）
式中：Fa1，F(xiàn)a2為軸向力，F(xiàn)n1，F(xiàn)n2為圓周力r1，r2為節(jié)圓半徑；T為中間軸傳遞的轉(zhuǎn)矩。
圖3.1中間軸軸向力的平衡
最后可用調(diào)整螺旋角的方法，使各對(duì)嚙合齒輪因模數(shù)或齒數(shù)和不同等原因而造成的中心距不等現(xiàn)象得以消除。
斜齒輪螺旋角可在下面提供的范圍內(nèi)選用：
兩軸式變速器為 20°～30°；
中間軸式變速器為 22°～34°；
貨車變速器：18°～34°。
3.2.4齒寬b
應(yīng)注意齒寬對(duì)變速器的軸向尺寸，齒輪工作平穩(wěn)性，齒輪強(qiáng)度和齒輪工作時(shí)受力的均勻程度均有影響。
考慮到盡可能的減少質(zhì)量和縮短變速器的軸向尺寸，應(yīng)該選用較小的齒寬。減少齒寬會(huì)使斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)被削弱，還會(huì)使工作應(yīng)力增加。使用寬些的齒寬，工作時(shí)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并在齒寬方向磨損不均勻。
通常跟據(jù)齒輪模數(shù)mn的大小來(lái)選定齒寬。
直齒：b=KCmn, KC為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0
斜齒：b= KCmn，KC取6.0～8.5
第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)，KC可取大些，使接觸線長(zhǎng)度增加、接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)平穩(wěn)性和齒輪壽命。
3.2.5變位系數(shù)的選擇原則
齒輪的變位是齒輪設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。采用變位齒輪，除為了避免齒輪產(chǎn)生根切和配湊中心距以外，它還影響齒輪的強(qiáng)度，使用平穩(wěn)性，耐磨性、抗膠合能力及齒輪的嚙合噪聲。
變位齒輪主要有兩類：高度變位和角度變位。高度變位齒輪副的一對(duì)嚙合齒輪的變位系數(shù)的和為零。高度變位可增加小齒輪的齒根強(qiáng)度，使它達(dá)到和大齒輪強(qiáng)度想接近的程度。高度變位齒輪副的缺點(diǎn)是不能同時(shí)增加一對(duì)齒輪的強(qiáng)度，也很難降低噪聲。角度變位齒輪副的變位系數(shù)之和不等于零。角度變位既具有高度變位的優(yōu)點(diǎn)，有避免了其缺點(diǎn)。
有幾對(duì)齒輪安裝在中間軸和第二軸上組合并構(gòu)成的變速器，會(huì)因保證各檔傳動(dòng)比的需要，使各相互嚙合齒輪副的齒數(shù)和不同。為保證各對(duì)齒輪有相同的中心距，此時(shí)應(yīng)對(duì)齒輪進(jìn)行變位。當(dāng)齒數(shù)和多的齒輪副采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪傳動(dòng)或高度變位時(shí)，則對(duì)齒數(shù)和少些的齒輪副應(yīng)采用正角度變位。由于角度變位可獲得良好的嚙合性能及傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)，故采用的較多。對(duì)斜齒輪傳動(dòng)，還可通過(guò)選擇合適的螺旋角來(lái)達(dá)到中心距相同的要求。
變速器齒輪是在承受循環(huán)負(fù)荷的條件下工作，有時(shí)還承受沖擊負(fù)荷。對(duì)于高檔齒輪，其主要損壞形勢(shì)是齒面疲勞剝落，因此應(yīng)按保證最大接觸強(qiáng)度和抗膠合及耐磨損最有利的原則選擇變位系數(shù)。為提高接觸強(qiáng)度，應(yīng)使總變位系數(shù)盡可能取大一些，這樣兩齒輪的齒輪漸開(kāi)線離基圓較遠(yuǎn)，以增大齒廓曲率半徑，減小接觸應(yīng)力。對(duì)于低檔齒輪，由于小齒輪的齒根強(qiáng)度較低，加之傳遞載荷較大，小齒輪可能出現(xiàn)齒根彎曲斷裂的現(xiàn)象。
總變位系數(shù)越小，一對(duì)齒輪齒根總厚度越薄，齒根越弱，抗彎強(qiáng)度越低。但是由于輪齒的剛度較小，易于吸收沖擊振動(dòng)，故噪聲要小些。
根據(jù)上述理由，為降低噪聲，對(duì)于變速器中除去一、二檔和倒檔以外的其它各檔齒輪的總變位系數(shù)要選用較小的一些數(shù)值，以便獲得低噪聲傳動(dòng)。
齒輪可與軸設(shè)計(jì)為一體或分開(kāi)，然后用花鍵，過(guò)盈配合或滑動(dòng)支承等方式與軸連接。
圖3.2變速器齒輪控制圖
齒輪尺寸小又與軸分開(kāi)時(shí)，其內(nèi)孔直徑到齒根圓處的厚度b(圖4.2)影響齒輪強(qiáng)度，要求尺寸b應(yīng)該大于或等于輪齒危險(xiǎn)斷面處的厚度。為了使齒輪裝到軸上以后保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部分寬度尺寸C，在結(jié)構(gòu)允許條件下應(yīng)盡可能取大些，至少滿足尺寸C=(1．2～1．4)d2，d2為花鍵內(nèi)徑。為了減小質(zhì)量，輪輻處厚度δ應(yīng)在滿足強(qiáng)度的條件下設(shè)計(jì)得薄些。圖4.2中尺寸D1，可取為花鍵內(nèi)徑的1．25～1．40倍。
齒輪表面粗糙度數(shù)值降低，則噪聲減小，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。汽車齒輪齒面的表面粗糙度應(yīng)在0．80～0．40m范圍內(nèi)選用。
3.3各檔齒輪齒數(shù)的分配
在初選中心距，齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的檔數(shù)，傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來(lái)分配各檔齒輪的齒數(shù)。以本次設(shè)計(jì)五檔變速器為例，說(shuō)明分配齒數(shù)的方法。盡可能使各檔齒輪的齒數(shù)比應(yīng)該不是整數(shù)。
3.3.1確定一檔齒輪的齒數(shù)
一檔傳動(dòng)比：
i1=(z23z12)/(z2z18) (3.3)
如果z12z18齒數(shù)確定了，則z23與z2的傳動(dòng)比可求出。為了求z12z18的齒數(shù)，先求其齒數(shù)和Zh；
直齒Zh=2A/m
斜齒Zh=2Acosb/Mn
計(jì)算后取整，然后進(jìn)行大小齒輪齒數(shù)的分配。中間軸上的一檔小齒輪的齒數(shù)盡可能取小些，以便使z12/z18的傳動(dòng)比大些，在i1已定的情況下，z23/z2的傳動(dòng)比可分配小些，使第一軸常嚙合齒輪的齒數(shù)多些，以便在其內(nèi)腔設(shè)置第二軸的前軸承并保證輪軸有足夠的厚度?？紤]到殼體上的第一軸軸孔尺寸的限制和裝配的可能性，該齒輪齒數(shù)又不宜取多。
中間軸上小齒輪的最少齒數(shù)，還受中間軸軸徑尺寸的限制，即受剛度的限制。在選定時(shí)，對(duì)軸的尺寸及齒輪齒數(shù)都要統(tǒng)一考慮。轎車中間軸式變速器一檔傳動(dòng)比i1=3.5～3.8時(shí)，中間軸上一檔齒輪數(shù)可在15～17間取，貨車在2～17間取。
3.3.2對(duì)中心距進(jìn)行修正
因?yàn)橛?jì)算齒數(shù)和zh后，經(jīng)過(guò)取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)zh和齒輪變位系數(shù)新計(jì)算中心距，在以修正后的中心距作為各檔齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。
3.3.3確定常嚙合傳動(dòng)齒輪副的齒數(shù)
求出傳動(dòng)比z23/z2=i1z18/z12，而常嚙合傳動(dòng)齒輪中心距和一檔齒輪的中心距相等，即：
A=mn(z2+z23)/2cos (3.4)
解方程式（3-3）和式（3-4）求z2與z23,求出的z2，z23都應(yīng)取整數(shù)；然后核算一檔傳動(dòng)比與原傳動(dòng)比相差多少，如相差較大，只要調(diào)整一下齒數(shù)即可；最后根據(jù)所確定的齒數(shù)，按式（3-2）算出精確的螺旋角值。
3.3.4確定其他各檔的齒數(shù)
若二檔齒輪是直齒輪，模數(shù)與一檔齒輪相同時(shí)，則得：
i2=z23z7/z2z21 (3.5)
A=m(z7+z21)/2 (3.6)
解兩方程式求出z7,z21。用取整后z7,z21的計(jì)算中心距，若與中心距A有偏差，通過(guò)齒輪變位來(lái)調(diào)整。
二檔齒輪是斜齒輪，螺旋角與常嚙合齒輪的不同時(shí)，由式(3-5)得
Z7/z21=i2z2/z23,而
A=Mn(z7+z21)/2cos
此外，從抵消或減少中間軸上的軸向力出發(fā)，還必須滿足下列關(guān)系式
tan/tan=z2(1+z7/z21)/(z2+z23) (3.7)
聯(lián)解上述三個(gè)方程式，可求出z7,z21和三個(gè)參數(shù)。但借此方程組比較麻煩，可采用比較方便的試湊法，即先選定螺旋角，解式(3-6)和（3-7)式，求出z7,z21，再把z7,z21及代入式(3-4)中，檢查是否滿足或近似滿足軸向力平衡的關(guān)系。如相差太大，則要調(diào)整螺旋角，重復(fù)上述過(guò)程，直至符合設(shè)計(jì)要求為止。其他各檔齒輪的齒數(shù)用同一方法確定。
3.3.5確定倒檔齒輪齒數(shù)
倒檔齒輪選用的模數(shù)往往與一檔相同。圖3-3所是倒檔齒輪z10的齒數(shù)，一般在21-23之間，初選z10后，可計(jì)算出中間軸與倒檔軸的中心距A’；
A’=m(z18+z17)/2
為保證倒檔齒輪的嚙合和不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，齒輪18和19的齒頂圓之間應(yīng)保持在以上的間隙，則齒輪9的齒頂圓直徑應(yīng)為：
De18/2+0.5+De19/2=A’;De19=2A’-De18-1
根據(jù)求得的De19，再選擇適當(dāng)?shù)凝X數(shù)及采用變位齒輪，使齒頂圓De19符合上式。最后計(jì)算倒檔軸與第二軸的中心距。
3.3.6齒數(shù)和螺旋角具體計(jì)算如下
初取中心矩A=125，直齒輪的模數(shù)m=4.5,
則Zh==55.56,取整Zh=56.
又貨車的z18在12～17之間選用[7]，
選用z18=13,z12=Zh－z18=56－13=43,
修正A=4.5×56/2=126mm
=2.21; 126=
由以上兩式，再取螺旋角為25°，求得： z2=19,z23=42.
二檔齒輪的齒數(shù)和螺旋角的計(jì)算：
A=，,
由以上三個(gè)方程，解得： z11=39,z20=20,=20.73°。
三檔齒輪的齒數(shù)和螺旋角的計(jì)算：
A=，，
由以上三個(gè)方程解得; z7=31,z21=28,=21.14°
四檔齒輪的齒數(shù)和螺旋角：
A=，，
由以上三個(gè)方程解得: z6=25,z22=36,=24.95°
倒檔齒輪齒數(shù)的確定：
初選z19=22, =78.75mm。
De18/2+0.5+De19/2=A’;De19=2A’-De18-1
修正中間軸與倒檔軸之間的距離 mm.
綜上所述，本次設(shè)計(jì)變速器的齒輪參數(shù)如表3.1。
表3.1齒輪參數(shù)
齒輪編號(hào)
齒數(shù)
分度圓直徑
模 數(shù)
螺旋角
齒寬
2
19
79
3.75
25
26
6
25
103.4
3.75
24.95
30
7
31
132.95
4
21.14
28
11
39
166.8
4
20.73
30
12
43
193.9
4.5
0
28
17
21
94.5
4.5
0
22
18
13
58.5
4.5
0
50
19
22
99
4.5
0
26
20
20
85.56
4
20.73
30
21
28
119.45
4
21.14
30
22
36
148.96
3.75
24.95
30
23
42
173.4
3.75
25
28
變速器各檔傳動(dòng)比：
一檔傳動(dòng)比：=
二檔傳動(dòng)比：
三檔傳動(dòng)比：
四檔傳動(dòng)比：
五檔傳動(dòng)比：
倒檔傳動(dòng)比：
3.4齒輪的材料及其選擇原則
由齒輪的失效形式可知，設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)是齒面具有較高的抗磨損、抗點(diǎn)蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力。因此，對(duì)齒輪材料性能的基本要求為：齒面要硬，齒芯要韌。
3.4.1常用的齒輪材料
3.4.1.1鋼
剛才的韌性較好，耐沖擊，還可通過(guò)熱處理或化學(xué)處理來(lái)改善其力學(xué)性能及提高齒面的硬度，故最適合用來(lái)制造齒輪。
①鍛鋼
除尺寸過(guò)大或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜只宜鑄造者外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量再0.15%～0.6%的碳鋼或合金鋼。
制造齒輪的鍛鋼可分為：
經(jīng)熱處理后切齒的齒輪所用的鍛鋼 度與強(qiáng)度、速度及精度都要求不高的齒輪，應(yīng)采用軟齒面（硬度≤350HBS）以便切齒，并使刀具不致迅速磨損變鈍。因此，應(yīng)將齒輪毛坯經(jīng)過(guò)?；ㄕ穑┗蛘{(diào)質(zhì)處理后切齒。切制后即為成品。其精度一般為8級(jí)，精切時(shí)可達(dá)7級(jí)。這類齒輪制造簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)率高。
需進(jìn)行精加工的齒輪所用的鍛鋼 高速、重載及精密機(jī)器（如精密機(jī)床、航空發(fā)動(dòng)機(jī)）所用的主要傳動(dòng)齒輪，除要求材料性能外，輪齒具有高強(qiáng)度及齒面的高硬度（如58～65HRC）外，還應(yīng)進(jìn)行磨齒等精加工。
合金鋼材根據(jù)所含金屬的成分及性能，可分別是材料的韌性、耐沖擊、耐磨及抗膠合的性能等獲得提高，也可通過(guò)熱處理或化學(xué)熱處理改善材料的力學(xué)性能及提高齒面的硬度。所以對(duì)于及時(shí)高速、重載，又要求尺寸小、質(zhì)量輕的航空齒輪，就都用性能優(yōu)良的合金鋼來(lái)制造。
②鑄鋼
鑄鋼的耐磨性及強(qiáng)度均較好，但應(yīng)經(jīng)過(guò)退火及常化處理，必要時(shí)也可進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。鑄鋼常用于尺寸較大的齒輪。
3.4.1.2鑄鐵
灰鑄鐵性質(zhì)較脆，抗沖擊及耐磨性均較差，但抗膠合及抗點(diǎn)蝕的能力較好?；诣T鐵齒輪常用于工作平穩(wěn)，速度較低，功率不大的場(chǎng)合。
3.4.1.3非金屬材料
對(duì)于高速、輕載及精度不高的齒輪傳動(dòng)，為了降低噪聲，常用非金屬材料（日夾布塑膠、尼龍等）作小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。為使大齒輪具有足夠的抗磨損及抗點(diǎn)蝕的能力，齒面的硬度應(yīng)為250～350 HBS。
3.4.2齒輪材料的選擇原則
齒輪材料的種類很多，在選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素也很多，下述幾點(diǎn)可供選擇材料時(shí)參考；
(1)齒輪材料必須滿足工作條件的要求。例如，用于飛行器上的齒輪，要滿足質(zhì)量輕、傳動(dòng)功率達(dá)和可靠性高的要求，因此必須選擇力學(xué)性能高的合金鋼；礦山機(jī)械鐘的齒輪傳動(dòng)，一般功率很大、工作速度較低、周圍環(huán)境中粉塵行量極高，因此往往選擇鑄鋼或鑄鐵等材料；家用及辦公用的機(jī)械的功率很小，但要求傳動(dòng)平穩(wěn)、低噪聲或無(wú)噪聲、以及能再少潤(rùn)滑貨物潤(rùn)滑狀態(tài)下正常工作，因此常選用工程塑料作為齒輪材料?？傊ぷ鳁l件的要求是選擇齒輪材料時(shí)首先應(yīng)考慮的因素。
(2)應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝。大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而要求不高時(shí)，可選用圓鋼作毛坯。
齒輪表面硬化的方法有：滲碳、氮化和表面淬火。采用滲碳工藝時(shí)，應(yīng)選用低碳鋼或低碳合金鋼作齒輪材料；氮化鋼和調(diào)質(zhì)鋼能采用氮化工藝；采用表面淬火時(shí)，對(duì)材料沒(méi)有特別的要求。
(3)正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度從幾下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。
(4)合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。
(5)飛行器中的齒輪傳動(dòng)，要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強(qiáng)度合金鋼。
金屬制的軟齒面，配對(duì)兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為30～50HBS或更多。當(dāng)小齒輪與大齒輪的齒面具有較大的硬度差（如小齒輪齒面為淬火并磨制，大齒輪齒面為?；蛘{(diào)質(zhì)），從而提高了大齒輪齒面的疲勞極限。因此，當(dāng)配對(duì)的兩齒輪齒面具有較大的硬度差時(shí)，大齒輪的解除疲勞許用盈利可提高約20%，但應(yīng)注意硬度高的齒面，粗糙度值也要相應(yīng)地減小。
3.5圓柱齒輪強(qiáng)度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法
變速器齒輪多數(shù)采用滲碳合金鋼，其表層的高硬度和芯部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性及抗彎曲疲勞的能力。在選用鋼材及熱處理時(shí)，對(duì)切削加工性能及成本也應(yīng)考慮。值得指出的是，對(duì)齒輪進(jìn)行強(qiáng)力噴丸處理之后，齒輪彎曲疲勞壽命和解除疲勞壽命都能提高。齒輪在熱處理之后進(jìn)行磨齒，能消除齒輪熱處理的變形；磨齒齒輪精度高于熱處理前剃齒和擠齒齒輪精度，使得傳動(dòng)平穩(wěn)、效率提高；在同樣符合的條件下，磨齒的彎曲疲勞壽命比剃齒的要高[5]。
3.5.1接觸強(qiáng)度計(jì)算
用下列公式計(jì)算接觸強(qiáng)應(yīng)力
MPa （3.8）
式中：——法面內(nèi)基圓周切向力，；
——端面內(nèi)分度圓切向力，；
——計(jì)算扭矩，N·mm；
——節(jié)圓直徑；
——節(jié)圓壓力角；
——螺旋角；
——齒輪材料彈性模量，2×；
——齒輪接觸實(shí)際寬度；
，——主動(dòng)及被動(dòng)齒輪節(jié)圓處齒廓曲率半徑，其中：
， ；
、 ——主動(dòng)及被動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑。
3.5.2彎曲強(qiáng)度計(jì)算
直齒輪用下式計(jì)算彎曲應(yīng)力
MPa （3.9）
斜齒輪用下列公式計(jì)算
MPa （3.10）
式中：——圓周力，，;
——應(yīng)力集中系數(shù)，直齒輪取1.65，斜齒輪取1.5；
——摩擦力影響系數(shù)，主動(dòng)齒輪取1.1，被動(dòng)齒輪取0.9；
——端面周節(jié)，；
——法面周節(jié)；；
——重合度影響系數(shù)，=2。
許用應(yīng)力為400～850MPa（直齒輪）；180～350MPa（轎車斜齒輪）；100～250MPa （貨車斜齒輪）。
3.5.3各個(gè)齒輪的強(qiáng)度[12]具體計(jì)算如下：
（1） 變速器第一軸齒輪(齒輪2)；
端面內(nèi)分度圓切向力：
= = 4468.355N
法面內(nèi)基圓周切向力：
==5246.5N
=16.5 ， =21.5
接觸強(qiáng)度 ： =261.6MPa
彎曲強(qiáng)度： ==87.57MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
（2）中間軸常嚙合齒輪（齒輪23）；
齒輪23與齒輪2嚙合其接觸強(qiáng)度相等 =261.6MPa
彎曲強(qiáng)度： ==73MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
（3）中間軸一檔齒輪（齒輪18）；
端面內(nèi)分度圓切向力： ==13245.7N
法面內(nèi)基圓周切向力： =14095.8N
=10 =33.16
接觸強(qiáng)度： =447.6MPa
彎曲強(qiáng)度： ==379.8MPa
選用40Mn調(diào)質(zhì)加表面淬火處理。
（4）第二軸一檔齒輪（齒輪12）；
齒輪12與齒輪18嚙合其接觸強(qiáng)度相等=447.6MPa
彎曲應(yīng)力==286.2MPa
選用40Mn調(diào)質(zhì)加表面淬火處理。
（5）中間軸二檔齒輪（齒輪20）；
端面內(nèi)分度圓切向力==9055.8N
法面內(nèi)基圓周切向力==10306.6N
=16.7 =32.6
接觸強(qiáng)度=318.5 MPa
彎曲強(qiáng)度==162.8MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
（6）第二軸二檔齒輪（齒輪11）；
齒輪11與齒輪20嚙合，其接觸強(qiáng)度相等=318.5MPa
彎曲強(qiáng)度==138.6MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
（7）中間軸三檔齒輪（齒輪21）；
端面內(nèi)分度圓切向力==7400N
法面內(nèi)基圓周切向力==7436.0N
=23.48 =26.1
接觸強(qiáng)度= 265.5MPa
彎曲強(qiáng)度== 113.2MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
（8）第二軸三檔齒輪（齒輪7）；
齒輪7與齒輪21嚙合，其接觸強(qiáng)度相等=265.5MPa
彎曲強(qiáng)度==113.2MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
（9）中間軸四檔齒輪（齒輪22）；
端面內(nèi)分度圓切向力==5201.5N
法面內(nèi)基圓周切向力==6105.1N
=31.0 =21.5
接觸強(qiáng)度=225MPa
彎曲強(qiáng)度==76.2MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
（10）第二軸四檔齒輪（齒輪6）；
齒輪6與齒輪22相嚙合，其接觸強(qiáng)度相等=225MPa
彎曲強(qiáng)度==78.9MPa
選用鋼正火加表面淬火處理。
3.6 本章小結(jié)
本章主要對(duì)新型后驅(qū)動(dòng)變速器齒輪的設(shè)計(jì)及校核，計(jì)算了傳動(dòng)比、中心距，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選擇了變速器齒輪的參數(shù)。依據(jù)所選擇的參數(shù)首先分配了一檔齒輪的齒數(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)中心距進(jìn)行了修正，以修正后的中心距再分配其他各檔齒輪的齒數(shù)，在分配的過(guò)程中經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)整，最終確定了各檔齒輪的齒數(shù)和主要參數(shù)，作為變速器齒輪幾何尺寸和齒輪應(yīng)力計(jì)算的依據(jù)。
第4章 變速器軸的設(shè)計(jì)
4.1軸的設(shè)計(jì)
4.1.1軸的功用及其設(shè)計(jì)要求
變速器在工作是承受力扭矩、彎矩，因此應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度。軸的鋼的不足，在負(fù)荷作用下，軸會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的變形，影響齒輪的正常嚙合，產(chǎn)生過(guò)大的噪聲，并會(huì)降低齒輪的使用壽命。這一點(diǎn)很重要，與其它零件的設(shè)計(jì)不同。
設(shè)計(jì)變速器軸時(shí)主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：軸的結(jié)構(gòu)形狀，軸直徑、長(zhǎng)度、軸的強(qiáng)的和剛度，軸上花鍵型式和尺寸。
軸的結(jié)構(gòu)主要依據(jù)變速器結(jié)構(gòu)布置的要求，并考慮加工工藝，裝配工藝而最后確定。
4.1.2軸的尺寸
軸的直徑與支承跨度長(zhǎng)度之間關(guān)系可按下式選取[1]：
第一軸及中間軸：=0.16～0.18 （4.1）
第二軸： =0.18～0.21 （4.2）
第二軸及中間軸最大軸徑： （4.3）
第一軸最細(xì)處： （4.4）
第一軸花鍵部分直徑 ： （4.5）
式中：－發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，
－變速器中心距，
4.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)保證齒輪、同步器部件及軸承等安裝、固定。并與工藝要求有密切關(guān)系。
在三軸式變速器中，第一軸通常和齒輪做成一體，前端支承在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪內(nèi)腔的軸承上。其直徑根據(jù)前軸承內(nèi)徑確定。公差一般選。第一軸花鍵尺寸與離合器從動(dòng)盤(pán)轂內(nèi)花鍵統(tǒng)一考慮。第一軸的長(zhǎng)度根據(jù)離合器總稱軸向尺寸確定。確定第一軸后徑時(shí)，希望軸承外徑比第一軸上常嚙合齒圈外徑大，便于裝拆第一軸。
第二軸前頸通過(guò)軸承安裝在第一軸常嚙合齒圈的內(nèi)腔里，它受齒輪徑向尺寸的限制，前軸頸上安裝長(zhǎng)或短圓柱滾子軸承或滾針軸承或散滾針軸承。第二軸安裝同步器齒轂的花鍵采用漸開(kāi)線花鍵，漸開(kāi)線花鍵固定連接的精度要求比矩形花鍵低，定位性能好，承載能力大，花鍵齒短，其小徑相應(yīng)增大，可提高軸的剛度。選用漸開(kāi)線花鍵是以大徑定心更合適。第二軸各檔齒輪與軸之間有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，無(wú)論裝滾針軸承、襯套還是鋼件對(duì)鋼件直接接觸，軸的表面粗糙度均要求很高，不應(yīng)低于0.8。表面硬度不應(yīng)低于HRC58～63。在一般情況下軸上還應(yīng)開(kāi)螺旋油槽，以保證充分潤(rùn)滑。在低檔時(shí)，齒輪須軸向滑動(dòng)掛擋（有些變速器）齒輪處，軸上花鍵采用矩形花鍵，因?yàn)閽鞊鯐r(shí)，齒輪須軸向滑動(dòng)，要求定中心好滑動(dòng)靈活。所以除要求定中心的外徑磨削外，一般鍵齒側(cè)面也需要磨削，而矩形花鍵鍵側(cè)面磨削比漸開(kāi)線花鍵容易。
第二軸制成階梯式，便于齒輪安裝，從受力和合理使用材料看，這也是需要的。各截面尺寸要避免相差懸殊，軸上供磨削用的砂輪越程槽產(chǎn)生應(yīng)力集中，易造成軸折斷。輕型汽車變速器各檔位常用彈性擋圈軸向定位，彈性擋圈定位簡(jiǎn)單，但拆裝不方便，并且與旋轉(zhuǎn)件端面有相對(duì)摩擦，同時(shí)彈性擋圈亦不能傳遞很大的軸向力，這是很不利的。因此只在輕型汽車上采用。第二軸尾端螺紋不應(yīng)淬硬。
輕型汽車（尤其是轎車）為了縮短傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度，常常將第二軸做得很長(zhǎng)，在長(zhǎng)的后體設(shè)有輔助支承。有些變速器低檔、倒檔或超速檔傳動(dòng)往往不只在后體上。
變速器中間軸有旋轉(zhuǎn)式和固定式兩種：
固定式中間軸是根光軸，近期支撐作用，其剛度由安裝在軸上的寶塔齒輪結(jié)構(gòu)保證。軸和寶塔齒輪之間用滾針軸承、或短圓柱滾子軸承。軸常輕壓于殼體中。因此光軸有兩種配合公差的軸徑。固定式中間軸用鎖片或雙頭螺柱固定。輕型汽車的中心距較小，殼體上無(wú)足夠位置設(shè)置滾動(dòng)軸承和軸承蓋。因而多采用固定式中間軸。
旋轉(zhuǎn)式中間軸支承在前后兩個(gè)滾動(dòng)軸承上，一般軸向力常由后軸承承受。由于中間軸上一檔齒輪尺寸較小，常和軸做成一體，成為中間齒輪軸，而高檔齒輪則通過(guò)鍵或過(guò)盈配合與中間軸結(jié)合，以便齒輪損壞后更換。如結(jié)構(gòu)尺寸允許，應(yīng)盡量用旋轉(zhuǎn)式中間軸而不用固定式中間軸。
我這次設(shè)計(jì)的中型貨車的變速器就是采用的旋轉(zhuǎn)式中間軸。中間軸的前軸承運(yùn)用圓柱滾子軸承，從前之后依次是常嚙合齒輪，四檔齒輪，三檔齒輪，二檔齒輪，一檔齒輪由于尺寸較小，就與中間軸制成一體，并且中間軸一檔也和倒檔齒輪嚙合，后軸承使用球軸承，軸后端用螺紋鎖緊，再加后軸承改其定位密封作用。
4.1.4接合器設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)接合器時(shí)主要考慮三個(gè)問(wèn)題：接合器強(qiáng)度、尺寸；換檔方便，不允許自行脫檔等。
接合器參數(shù)選擇,接合器采用漸開(kāi)線齒線，齒形參數(shù)應(yīng)盡量按漸開(kāi)線花鍵標(biāo)準(zhǔn)選取。花鍵模數(shù)依使用條件、傳遞的最大扭矩與同類汽車比較選取。近似公式如下：