兩軸式五檔手動(dòng)變速箱變速器設(shè)計(jì)

摘要變速器作為汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響汽車(chē)的實(shí)際使用。變速器是用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在不同的行駛工況下，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)在最有利工況范圍內(nèi)工作。傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器雖然存在很多缺點(diǎn)，例如占用空間大、操作不便等，但是由于其具備成本低，制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前仍廣泛用于現(xiàn)代轎車(chē)上。本論文對(duì)變速器研究主要包括以下幾個(gè)方面：（1）確定手動(dòng)變速器的總體方案設(shè)計(jì)，包括變速器的選型、軸的選型等；（2）查閱資料，根據(jù)前人得出的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)齒輪、同步器等相關(guān)參數(shù)的確定；（3）使用AutoCAD、SolidWorks建模；（4）使用ANSYS進(jìn)行有限元分析。關(guān)鍵詞：手動(dòng)變速器SolidWorks建模有限元分析ABSTRACT(三號(hào)TimesNewRoman加粗居中)Asanimportantpartofautomobiletransmissionsystem,thedesignoftransmissiondirectlyaffectstheactualuseofautomobile.Thetransmissionisusedtochangethetorqueandspeedthattheenginetransmitstothedrivingwheel.Thepurposeistomakethevehicleobtaindifferenttractionandspeedunderdifferentdrivingconditions,andmaketheengineworkinthemostfavorableconditions.Althoughthetraditionalmechanicaltransmissionhasmanydisadvantages,suchaslargespace,inconvenientoperation,etc.,itisstillwidelyusedinmoderncarsbecauseofitslowcost,simplemanufacturingandotheradvantages.Inthispaper,thetransmissionresearchmainlyincludesthefollowingaspects:(1)determinetheoverallschemedesignofmanualtransmission,includingtheselectionoftransmissionandshaft;(2)consultthedata,confirmtherelevantparametersofgearandsynchronizeaccordingtotheempiricalformulaobtainedbypredecessors;(3)AutoCADandSolidWorksareusedformodeling;(4)ANSISisusedforfiniteelementanalysis.KEYWORDS:ManualtransmissionSolidWorksmodelingfiniteelementanalysisiiiiii目錄TOC\o"1-3"\h\u28825摘要2881ABSTRACT11572第1章緒論 第1章緒論1.1研究背景及意義道路運(yùn)輸是人類(lèi)最先應(yīng)用的運(yùn)輸方式。道路運(yùn)輸工具隨著人類(lèi)文明的發(fā)展，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演變過(guò)程。遠(yuǎn)古時(shí)期，用木棒作為工具，由人來(lái)背負(fù)貨物；進(jìn)入畜牧?xí)r代，馱獸成為人類(lèi)主要的運(yùn)輸工具；人類(lèi)發(fā)明的重要交通工具——橇，其為人類(lèi)文明做出巨大貢獻(xiàn)。車(chē)的出現(xiàn)正源于橇，從世界上第一輛汽車(chē)誕生發(fā)展至今，已有一百余年之久。自打汽車(chē)問(wèn)世以來(lái)，尤其是經(jīng)歷了汽車(chē)大批量生產(chǎn)和汽車(chē)行業(yè)飛速發(fā)展，汽車(chē)為世界經(jīng)濟(jì)的騰飛和人類(lèi)進(jìn)入現(xiàn)代生活做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，掀起一場(chǎng)劃時(shí)代的革命[1]。在當(dāng)今社會(huì)，汽車(chē)更是不可或缺的交通工具。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，目前全球處于使用狀態(tài)的各類(lèi)用途汽車(chē)總保有量已突破10億輛。自1970年以來(lái)，全球汽車(chē)數(shù)量幾乎每隔15年翻一番。目前，美國(guó)是最大的汽車(chē)擁有國(guó)，其汽車(chē)注冊(cè)量達(dá)到2.4億輛；中國(guó)次之，汽車(chē)擁有量為7800萬(wàn)輛；日本緊隨其后，汽車(chē)擁有量為7400萬(wàn)輛。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年，全球汽車(chē)平均擁有量為1:6.75，即每6.75個(gè)人就擁有一輛汽車(chē)，這個(gè)數(shù)據(jù)在美國(guó)為1:1.3，而在中國(guó)為1:17.2。數(shù)據(jù)還顯示去年全球新增汽車(chē)為3600萬(wàn)輛，比前年增長(zhǎng)3.6％，是十年來(lái)增長(zhǎng)最快的一年。自從汽車(chē)采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置，變速器就成為重要組成部分。因汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)本身無(wú)法解決動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間存在的矛盾，所以就在傳動(dòng)系中設(shè)置了變速器和主減速器，以達(dá)到減速增扭的目的。變速器的功用主要有以下幾點(diǎn)[3]：改變汽車(chē)傳動(dòng)比，面對(duì)不同路況時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處在最佳工作范圍內(nèi)工作；實(shí)現(xiàn)汽車(chē)倒退行駛；設(shè)置空擋，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)怠速等功能。根據(jù)資料顯示，目前使用最為廣泛的仍然是傳統(tǒng)的機(jī)械式的變速器，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，體積大、操作麻煩也是其顯著的缺點(diǎn)，如果能克服上述缺點(diǎn)，其具有一定的發(fā)展空間。所以對(duì)手動(dòng)變速器的研究還是很有意義的。目前，國(guó)內(nèi)變速器主要采用齒輪機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，加之關(guān)于齒輪設(shè)計(jì)出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，使齒輪機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)方面得到普遍應(yīng)用。然而隨著時(shí)代發(fā)展，對(duì)汽車(chē)也有了更高的要求，例如輕量化，但是傳統(tǒng)手動(dòng)變速器使用的齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初衷是為了能夠可靠的工作，在當(dāng)今發(fā)展形勢(shì)下，已不能滿足輕量化的要求，因此，有必要對(duì)動(dòng)變速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其傳承傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)并且滿足新的使用需求。為了使變速器具有良好的工作性能，在設(shè)計(jì)時(shí)一般有以下要求[1][4]：正確選擇檔位數(shù)和傳動(dòng)比，達(dá)到最優(yōu)匹配；操作簡(jiǎn)單、迅速省力；傳動(dòng)效率高，工作可靠；體積小、質(zhì)量輕；使用壽命長(zhǎng)等。近年來(lái)，汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步突飛猛進(jìn)，道路車(chē)輛密度不斷增大，對(duì)汽車(chē)變速器性能的要求不斷提高，為此，汽車(chē)工程師傾注大量心血在變速器的設(shè)計(jì)研究中，使變速器技術(shù)得到飛速發(fā)展。我國(guó)采用的很多技術(shù)中不乏借鑒了國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)，所以研究國(guó)外汽車(chē)變速器的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)我國(guó)行業(yè)發(fā)展具有重要意義。全球范圍內(nèi)，六擋手動(dòng)變速器在短時(shí)間內(nèi)有較快的發(fā)展，于2016-2017年間達(dá)到30％的市場(chǎng)份額。其中美國(guó)、德國(guó)、日本，分別在2011年、2006年、2011年超過(guò)50％市場(chǎng)份額[5]。目前，變速器設(shè)計(jì)面臨著幾大問(wèn)題：綠色節(jié)能，環(huán)保低排放、高效實(shí)用，一定是變速器甚至汽車(chē)行業(yè)所要面臨的總要問(wèn)題；為什么自動(dòng)變速器發(fā)展如此迅速，是因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單。所以，在設(shè)計(jì)變速器時(shí)，既要保證操作簡(jiǎn)易，又要保證駕駛樂(lè)趣不會(huì)因此喪失，這是一個(gè)不能忽視的問(wèn)題；設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，效率更高始終都是變速器設(shè)計(jì)要到達(dá)到的目的。手動(dòng)變速器在中國(guó)乃至全世界的市場(chǎng)份額下降是必然的，但這并不代表手動(dòng)變速器就是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仍然具有發(fā)展空間。換句話說(shuō)，只有生產(chǎn)技術(shù)、工藝落后的手動(dòng)變速器產(chǎn)業(yè)才是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，這樣的產(chǎn)業(yè)也終將被先進(jìn)的自動(dòng)變速器產(chǎn)業(yè)所替代[5]。選擇這樣一個(gè)題目來(lái)研究，可以使學(xué)生充分調(diào)動(dòng)本科四年所學(xué)，并將這些理論知識(shí)和實(shí)際情況相結(jié)合。通過(guò)這次設(shè)計(jì)實(shí)踐，熟悉圖紙，加強(qiáng)制圖、讀圖的能力，實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)操的過(guò)渡，為畢業(yè)后的具體工作做準(zhǔn)備。1.2國(guó)內(nèi)外變速器研究現(xiàn)狀中國(guó)汽車(chē)連續(xù)兩年突破2000萬(wàn)輛產(chǎn)量大關(guān)，變速器產(chǎn)業(yè)也隨之得到迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的手動(dòng)變速器（MT）方面，由于長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，其設(shè)計(jì)原理和生產(chǎn)工藝、技術(shù)較為成熟，技術(shù)難度相比于自動(dòng)變速器較低，而中國(guó)國(guó)內(nèi)廠家本身具備手動(dòng)變速器的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，因此引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)后，消化理解比較容易，在此基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，做到立足于本土生產(chǎn)，基本滿足了整車(chē)廠商的配套需求，并已實(shí)現(xiàn)出口；技術(shù)方面，近幾年來(lái)，部分廠商已經(jīng)能夠根據(jù)中國(guó)國(guó)情實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新，并且國(guó)內(nèi)大部分市場(chǎng)份額由國(guó)內(nèi)廠商占據(jù)。雖然MT仍占據(jù)著市場(chǎng)份額的主導(dǎo)地位，但其領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)受到了強(qiáng)有力的沖擊。不僅如此，MT在很多方面都受到了前所未有的挑戰(zhàn)，例如：技術(shù)、成本及技術(shù)先進(jìn)性等方面。在未來(lái)，手動(dòng)變速器（MT)市場(chǎng)霸主的地位是否會(huì)被替代，其技術(shù)發(fā)展該往何方，這是值得整個(gè)變速器行業(yè)，乃至汽車(chē)行業(yè)深思和探究的問(wèn)題［5］。變速器是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的“心臟”，對(duì)整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性有至關(guān)重要的影響。對(duì)比國(guó)外變速器研究發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)一汽集團(tuán)最具代表性，其在乘用車(chē)、商用車(chē)、客車(chē)各領(lǐng)域變速器的發(fā)展都能夠代表中國(guó)變速器行業(yè)目前的水平。在乘用車(chē)領(lǐng)域，除了手動(dòng)變速器以外，6AT、AMT、7DCT作為研究重點(diǎn)，其發(fā)展具有下以幾個(gè)趨勢(shì)：手動(dòng)變速器作為基礎(chǔ)，自動(dòng)變速器作為研究重點(diǎn)；重點(diǎn)提升變速器的制造水平和能力；重點(diǎn)發(fā)展DCT、AMT，在恰當(dāng)時(shí)候發(fā)展AT；產(chǎn)品平臺(tái)系列化、適用范圍更廣闊。在商用車(chē)領(lǐng)域，手動(dòng)變速器檔位覆蓋5-12檔，扭矩覆蓋520-2100N·m。同步器結(jié)構(gòu)包括單中間軸同步器、雙中間軸同步器，其發(fā)展具有以下幾個(gè)趨勢(shì)：結(jié)合細(xì)分化的國(guó)內(nèi)載貨汽車(chē)市場(chǎng)，豐富產(chǎn)品平臺(tái)；重點(diǎn)開(kāi)發(fā)重型變速器，向著多檔化、緊湊化、輕量化方向發(fā)展；優(yōu)先開(kāi)發(fā)AMT，適時(shí)發(fā)展DCT、AT；采用新工藝和新材料，降低油耗和排放，提高傳動(dòng)效率，提升經(jīng)濟(jì)性。在客車(chē)領(lǐng)域，手動(dòng)變速器檔位覆蓋２－６檔，滿足６－１３ｍ客車(chē)使用，混合動(dòng)力５A(chǔ)MT為自主開(kāi)發(fā)，裝備于大連、長(zhǎng)春、昆明等地公交車(chē)，其發(fā)展具有以下幾個(gè)趨勢(shì)：重點(diǎn)開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力AMT，降低油耗；新型摩擦材料及優(yōu)化的同步器設(shè)計(jì)將用于手動(dòng)變速器，提高舒適性，降低污染排放，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高安全性［6］。手動(dòng)變速器的許多研究技術(shù)都集中在降低成本和體積的新型制造方法上。最新的技術(shù)例如，新的Ford/Getrag6擋變速器中存在激光焊接沖壓剛滑動(dòng)齒輪選擇器軸套，用來(lái)替代前一代變速器的鋼鐵撥叉，這種設(shè)計(jì)方案可以減少對(duì)內(nèi)部的傷害。EMI是一種由雷諾公司提出的在5擋副軸圓型變速器設(shè)計(jì)中提出的，齒輪盤(pán)片的激光和摩擦焊接同時(shí)保證了所需機(jī)器設(shè)計(jì)空間的降低[7]。國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)CVT和AMT加速產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，著手開(kāi)始研發(fā)雙離合變速器，但博格華納公司和舍弗勒公司掌握著雙離合變速器的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)DCT的路任重而道遠(yuǎn)[8]。國(guó)外KlausMichaelis等人進(jìn)行了關(guān)于汽車(chē)變速器系統(tǒng)的功率損失組成的理論分析和試驗(yàn)研究，研宄了不同類(lèi)型軸承的功率損失的大小，測(cè)試了齒輪在不同浸油深度和潤(rùn)滑油粘度下功率損失的變化形式，為變速器傳動(dòng)效率的研究提供了參考[9]。Changenet.C.等人利用熱網(wǎng)絡(luò)方法搭建了一個(gè)可以預(yù)測(cè)六速手動(dòng)變速箱功率損耗的模型，考慮了齒輪嚙合損失，軸承、油封等摩擦損失，能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)變速器的功率損失做粗略的估計(jì)[10]。德國(guó)的ClemensSchlegel等根據(jù)文獻(xiàn)和制造商提供的零件功率損失算法，建立了一個(gè)7速雙離合變速器的功率損失模型，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果十分吻合[11]。根據(jù)變速器在全球的使用情況，可把全球市場(chǎng)分為北美、歐洲和日本市場(chǎng)，自動(dòng)變速器在北美市場(chǎng)很受歡迎，手動(dòng)變速器在歐洲市場(chǎng)占很大比重，而日本人更加青睞無(wú)級(jí)變速器。近幾年，歐洲企業(yè)基于自動(dòng)變速器開(kāi)發(fā)出雙離合變速器，并且依靠現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備做到批量生產(chǎn)。越來(lái)越多的車(chē)企采用這種變速器，雙離合變速器的市場(chǎng)份額會(huì)越來(lái)越大。在北美，美國(guó)人對(duì)自動(dòng)變速器情有獨(dú)鐘，美國(guó)人致力于研究自動(dòng)變速器，開(kāi)發(fā)其性能，研發(fā)出了經(jīng)濟(jì)性更好的6速變速器，在將來(lái)，北美市場(chǎng)上手動(dòng)變速器的份額越來(lái)越小，六速變速器也將代替四速變速器。在日本，無(wú)級(jí)變速器和液力式變速器因更加符合日本國(guó)情而廣受好評(píng)[12]。1.3研究?jī)?nèi)容擬解決的主要問(wèn)題研究變速器的組成、結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)；確定變速器的結(jié)構(gòu)；確定尺寸參數(shù)，以及材料的選取，滿足最終的需要；完成設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)，包括主要部件的選型及其主要參數(shù)的選定；對(duì)總體結(jié)構(gòu)及主要零件進(jìn)行圖紙制圖；利用電腦制圖軟件對(duì)總體及主要零件進(jìn)行二維制圖；利用電腦制圖軟件制作變速器三維模型。第2章手動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)型式和方案選擇2.1手動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)型式手動(dòng)變速器也稱(chēng)作定軸式變速器，它主要由變速器殼體、變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速操縱機(jī)構(gòu)和換檔裝置等四大部分組成。變速器殼體是變速器內(nèi)部零件安裝的基礎(chǔ)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是變速器的核心，傳動(dòng)比的改變通過(guò)齒輪嚙合位置的改變實(shí)現(xiàn)，來(lái)改變傳遞的轉(zhuǎn)矩以及方向；操縱機(jī)構(gòu)和換檔裝置用來(lái)實(shí)現(xiàn)換檔。通?？砂凑展ぷ鬏S的數(shù)量，將手動(dòng)變速器分為三軸式變速器和兩軸式變速器。2.1.1三軸式變速器第一軸；2-第一軸常嚙合傳動(dòng)齒輪；3-第一軸齒輪接合齒圈；4、9-接合套；5-四擋齒輪接合齒圈；6-第二軸四檔齒輪；7-第二軸三檔齒輪；8-三檔齒輪接合齒圈；10-二擋齒輪接合齒圈；11-第二軸二檔齒輪；12-第二軸一、倒檔滑動(dòng)齒輪；13-變速器殼體；14-第二軸；15-中間軸；16-倒檔軸；17、19-倒檔中間齒輪；18-中間軸一、倒檔齒輪；20-中間軸二檔齒輪；21-中間軸三檔齒輪；22-中間軸四檔齒輪；23-中間軸常嚙合齒輪；24、25-花鍵轂；26-第一軸軸承蓋；27-軸承蓋回油螺紋；28-通氣塞；29-車(chē)速里程表傳動(dòng)齒輪；30-中央制動(dòng)器底座圖2-1東風(fēng)EQ1091E型汽車(chē)變速器結(jié)構(gòu)圖三軸式變速器有三根軸，分別是：輸入軸、輸出軸、中間軸。輸入軸作為動(dòng)力輸入，輸出軸為動(dòng)力輸出。輸入軸和輸出軸的軸線在同一直線上，兩根軸同心，通過(guò)軸承相連，中間軸的軸線和它們的軸線相平行。輸入軸和中間軸上的齒輪相嚙合，形成一對(duì)齒輪副，中間軸和輸出軸上的齒輪相嚙合，形成一對(duì)齒輪副。每一個(gè)檔位都需要兩對(duì)齒輪，并且輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。圖2-1是東風(fēng)EQ1091E型輕型載貨汽車(chē)汽車(chē)變速器結(jié)構(gòu)[13]。2.1.2兩軸式變速器1-輸入軸；2-輸入軸一檔齒輪；3-輸入軸二檔齒輪；4-輸入軸三檔齒輪；5、10、16-同步器；6-輸入軸四檔齒輪；7-輸入軸五檔齒輪；8-輸入軸倒擋齒輪；9-輸出軸倒擋齒輪；11-輸出軸五檔齒輪；12-輸出軸四檔齒輪；13-輸出軸；14-輸出軸三檔齒輪；15-輸出軸二檔齒輪；17-輸出軸一檔齒輪；18-主減速器錐齒輪；19-倒檔軸；20-倒檔軸倒擋齒輪圖2-2奧迪100型轎車(chē)變速器結(jié)構(gòu)圖相比于三軸式變速器，兩軸式變速器沒(méi)有中間軸，輸入軸和輸出軸的軸線平行，加之倒檔軸、各檔齒輪及變速器殼體，共同組成了兩軸式變速器。輸入軸作為動(dòng)力輸入，中間經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪副傳遞，再由輸出軸輸出動(dòng)力。由于動(dòng)力輸入后只經(jīng)過(guò)一對(duì)齒輪副，所以輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。兩軸式變速器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的效率相比三軸式變速器要低，因?yàn)闆](méi)有直接檔，但是兩軸式變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，容易布置在汽車(chē)?yán)?，多用在轎車(chē)上。圖2-2是奧迪100型轎車(chē)變速器結(jié)構(gòu)圖[14]。2.2手動(dòng)變速器的方案選擇2.2.1兩軸式變速器與三軸式變速器的比較（1）變速器尺寸兩軸式變速器的所有前進(jìn)擋在傳動(dòng)時(shí)都只需要一對(duì)齒輪，對(duì)于一檔，要滿足其大傳動(dòng)比的性能要求，主齒輪做的小些，而從動(dòng)齒輪做的大些，但是這樣增大了兩根軸的中心距，使得變速器的橫向尺寸增加。而對(duì)于三軸式變速器，在傳遞動(dòng)力時(shí)，需要兩對(duì)齒輪，在相同傳動(dòng)比的情況下，可適當(dāng)減小大齒輪半徑，減小兩軸的中心距，使得變速器橫向尺寸減小，但是，輸入軸和輸出軸的軸心必須要在同一直線上，只能通過(guò)軸承將兩軸相連，造成變速器徑向尺寸增大。（2）變速器壽命兩軸式變速器只有一對(duì)齒輪，兩個(gè)齒輪徑向尺寸相差較大，傳動(dòng)比較大時(shí)，小齒輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)比大齒輪多得多，因此小齒輪更容易磨損，壽命比大齒輪短。三軸式變速器除直接檔外的各個(gè)前進(jìn)擋都需要兩對(duì)齒輪完成動(dòng)力傳遞，它們徑向尺寸相差較小，所轉(zhuǎn)圈數(shù)更加接近，壽命相差不大；在直接檔工作時(shí)，其他嚙合齒輪只是空轉(zhuǎn)，并沒(méi)有傳遞動(dòng)力，對(duì)齒輪的壽命沒(méi)有影響。（3）變速器傳動(dòng)效率三軸式變速器有直接檔，傳動(dòng)比為1，其將輸出軸直接與輸入軸相連，不經(jīng)過(guò)齒輪，功率幾乎沒(méi)有損耗。兩軸式變速器沒(méi)有直接檔，動(dòng)力傳遞需經(jīng)過(guò)齒輪，有一定的動(dòng)力損失。兩軸式變速器通常裝配在轎車(chē)上，用于前置前輪驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，一般與驅(qū)動(dòng)橋、前橋合稱(chēng)為手動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)橋。而三軸式變速器多用于商用車(chē)，例如重型卡車(chē)等。本文選取兩軸式變速器。2.2.2換檔機(jī)構(gòu)的形式選擇手動(dòng)變速器的換擋機(jī)構(gòu)包括同步器、嚙合套、直齒滑動(dòng)齒輪。同步器換擋用同步器能保證迅速、無(wú)沖擊、無(wú)噪聲換檔，而與操作技術(shù)的熟練程度無(wú)關(guān)，從而提高汽車(chē)的加速性、經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性等一系列性能，故現(xiàn)代汽車(chē)大多數(shù)采用這種換檔形式，同其他兩種換檔方式相比較，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。（2）嚙合套換擋由于變速器第二軸齒輪與中間軸齒輪處于常嚙合狀態(tài)，所以可用移動(dòng)嚙合套換檔。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型車(chē)變速器上應(yīng)用，這是重型車(chē)換檔機(jī)構(gòu)連接件之間的角速度差小，因此采用嚙合套換檔，并且還能降低制造成本及減小變速器長(zhǎng)度。（3）直齒滑動(dòng)齒輪這種結(jié)構(gòu)形式制造容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是有很多缺點(diǎn)，例如：噪聲大、容易打齒，這種方式大多用在倒擋上。綜上所述，雖然同步器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造要求高等問(wèn)題，但由于其能夠輕便無(wú)噪聲無(wú)沖擊換擋，對(duì)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性，燃油性有很大幫助，加之現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)換擋的要求，本文選用同步器換擋機(jī)構(gòu)。2.2.3主要零部件的形式選擇（1）齒輪形式手動(dòng)變速器采用的傳動(dòng)齒輪有兩種形式，分別為直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪。與直齒圓柱齒輪比較，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長(zhǎng)，工作時(shí)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)；本文針對(duì)轎車(chē)設(shè)計(jì)變速器，因此傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)要求滿足高速大轉(zhuǎn)矩、低噪音、傳動(dòng)平穩(wěn)、耐沖擊以及疲勞強(qiáng)度高的特點(diǎn)，因此對(duì)五個(gè)前進(jìn)檔齒輪副采用漸開(kāi)線斜齒圓柱齒輪，倒擋齒輪副采用直齒圓柱齒輪。軸承形式手動(dòng)變速器軸上支承形式多采用滾動(dòng)軸承，包括向心球軸承、滾針軸承和圓錐滾子軸承等。為適應(yīng)汽車(chē)變速器向著增大其單位質(zhì)量的傳遞功率、增強(qiáng)其承載能力、具有更高的可靠性、更長(zhǎng)的壽命和更好的性能等方向發(fā)展，變速器采用圓錐滾子軸承的日益增多。因?yàn)榕c其他軸承相比，圓錐滾子軸承的直徑小、寬度大、接觸線長(zhǎng)，因而容量大，可以承受高負(fù)荷。本文選用圓錐滾子軸承形式。2.3變速器操縱機(jī)構(gòu)汽車(chē)在行駛過(guò)程中，駕駛員根據(jù)實(shí)際路況、車(chē)輛行駛情況等條件進(jìn)行檔位的變換，使用變速器的操縱機(jī)構(gòu)完成。操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：進(jìn)行檔位變換時(shí)，每次只能掛入一個(gè)檔位；檔位變換完成后必須保證齒輪完全嚙合；防止脫檔、亂檔、誤掛擋的出現(xiàn)。撥叉、變速桿等形式在機(jī)械式變速器中較為常見(jiàn)，其動(dòng)力來(lái)源與駕駛員的手動(dòng)。采用這種形式的的變速器一般稱(chēng)之為手動(dòng)換擋變速器。本設(shè)計(jì)采用的正式這種形式。對(duì)于手動(dòng)換擋的汽車(chē)，一般將變速器放置在駕駛位置的座椅下方附近，這樣能夠直接在變速器上伸出變速桿，且駕駛員能夠通過(guò)手力直接進(jìn)行換檔變速。這種方案結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，并得到了廣泛的應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)也是采用這種形式。變速器要滿足以下要求：（1）要有鎖止裝置，其中包括互鎖、自鎖和倒檔鎖裝置。互鎖裝置是保證防止同時(shí)掛上兩個(gè)檔位，原理是：移動(dòng)某一變速叉軸時(shí)，其他變速桿叉軸互被鎖止?；ユi裝置的結(jié)構(gòu)主要有：鎖銷(xiāo)式和鎖球式。自鎖裝置的作用是防止因汽車(chē)振動(dòng)或有軸向作用力而導(dǎo)致脫檔，是通過(guò)自鎖裝置中的彈簧將鋼球壓入叉軸中實(shí)現(xiàn)的。倒擋鎖的作用是在防止駕駛員在汽車(chē)前進(jìn)時(shí)誤掛倒擋，能在駕駛員掛倒檔時(shí)給駕駛員明顯手感，以起到提醒作用。（2）換檔過(guò)程省力，順滑，減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度。（3）應(yīng)使駕駛員在換檔過(guò)程中有明顯手感。2.4變速器殼體變速器殼體的尺寸和質(zhì)量要盡可能小，并具剛度達(dá)到要求，用來(lái)保證軸和軸承工作時(shí)不會(huì)偏離其工作位置。變速器橫向斷面尺寸應(yīng)保證能放置齒輪，而且設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)在殼體側(cè)面的內(nèi)壁與轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪齒頂之間預(yù)留有5～8mm的間隙，由于增加了潤(rùn)滑油的液壓阻力，可能會(huì)導(dǎo)致使變速器過(guò)熱，出現(xiàn)膨脹。齒輪齒頂?shù)阶兯倨鞯撞恐g要留有不小于15mm的間隙。為了提高變速器殼體的剛度，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)。不利于吸收齒輪振動(dòng)和噪聲的大平面不應(yīng)該出現(xiàn)在變速器殼壁上。對(duì)加強(qiáng)肋的形狀，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。為了放油，在變速器殼體上設(shè)計(jì)有放油孔。放油孔應(yīng)設(shè)計(jì)在殼體的最低處。為了吸住存留于潤(rùn)滑油內(nèi)的金屬顆粒，放油鏍塞需采用永久磁性鏍塞。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)，在變速器殼體前或后端面的兩軸承孔之間常開(kāi)設(shè)回油孔。2.5本章小結(jié)本章介紹了機(jī)械式變數(shù)器的分類(lèi)：三軸式變速器和兩軸式變速器，并且闡述了三軸式變速器和兩軸式變速器的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，從變速器的尺寸、壽命和傳動(dòng)效率三個(gè)方面比較了三軸式和兩軸式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了本次設(shè)計(jì)采用兩軸式變速器。同時(shí)也對(duì)變速器的換檔機(jī)構(gòu)和主要零部件的形式做了選擇及對(duì)變速器操縱結(jié)構(gòu)和變速器殼體進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。第3章手動(dòng)變速器主要零件參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)一款與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的變速器，需要考慮的因素有變速器檔位數(shù)、各檔傳動(dòng)比等。汽車(chē)的基本參數(shù)以表3-1為例。表3-1汽車(chē)的基本參數(shù)3.1變速器的檔位數(shù)變速器的的檔位數(shù)直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等。檔位數(shù)多，使發(fā)動(dòng)機(jī)有更多機(jī)會(huì)在最大功率附近工作，改善汽車(chē)的爬坡能力，縮短加速時(shí)間。第二，檔位數(shù)多，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在低油耗轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作的機(jī)會(huì)增加，降低油耗，汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高，檔位多，相鄰的高低檔直接傳動(dòng)比小，換擋沖擊小，易于實(shí)現(xiàn)換擋。要求相鄰檔位傳動(dòng)比比值在1.8以下，該值越小，換擋越容易進(jìn)行。但是檔位越多，使得變速器結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，質(zhì)量和體積也就越大[13]。變速器的檔位數(shù)要根據(jù)汽車(chē)類(lèi)型與用途來(lái)確定。大多數(shù)轎車(chē)采用五檔式變速器，也有少數(shù)高級(jí)轎車(chē)采用六檔式變速器。商用車(chē)中，輕型卡車(chē)大多采用五檔變速器，重型卡車(chē)的變速器檔位數(shù)可達(dá)六個(gè)以上。本文是設(shè)計(jì)配備轎車(chē)使用的變速器，所以采用五檔式。3.2變速器的傳動(dòng)比3.2.1變速器的傳動(dòng)比范圍變速器的傳動(dòng)比范圍是指變速器最低擋傳動(dòng)比與最高擋傳動(dòng)比的比值。影響傳動(dòng)比范圍確定的因素有：發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽車(chē)的最高車(chē)速、最低穩(wěn)定車(chē)速和使用條件(如要求的汽車(chē)爬坡能力)等。?目前轎車(chē)的傳動(dòng)比范圍在3.0-4.5之間選取，輕型貨車(chē)的傳動(dòng)比范圍在5.0-8.0之間選取，其他貨車(chē)的傳動(dòng)比范圍更大。3.2.2一檔和最高檔傳動(dòng)比的計(jì)算（1）一檔傳動(dòng)比根據(jù)汽車(chē)的最大爬坡度確定一檔傳動(dòng)比，汽車(chē)在爬坡時(shí)速度較低，所遇到的空氣阻力可忽略不計(jì)，加速阻力也可忽略。汽車(chē)所受阻力只有來(lái)自輪胎與地面的滾動(dòng)阻力和坡度阻力，所以汽車(chē)的最大驅(qū)動(dòng)力只要大于或等于滾動(dòng)阻力和坡度阻力之和即可[15]，故有： （3-1）即：上式中：R-驅(qū)動(dòng)輪滾動(dòng)半徑，值為300mm；-主減速器傳動(dòng)比；m-汽車(chē)最大總質(zhì)量；-路面最大坡度；-發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；-驅(qū)動(dòng)輪與地面的滾動(dòng)阻力系數(shù)（粗糙路面取0.02，松軟路面取0.05）；-傳動(dòng)效率，機(jī)械式變速器的傳動(dòng)效率一般大于90％，取96％；-一檔傳動(dòng)比。計(jì)算得到。（2）五檔傳動(dòng)比汽車(chē)掛五檔行駛時(shí)可達(dá)到最大車(chē)速，確定五檔傳動(dòng)比，可用下面公式： （3-2） 上式中：-汽車(chē)能達(dá)到的最大速度；T-汽車(chē)最大速度時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩；-主減速器的傳動(dòng)比；-驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑；-驅(qū)動(dòng)輪與地面的滾動(dòng)阻力系數(shù)；-汽車(chē)總質(zhì)量；-空氣阻力系數(shù)；汽車(chē)正投影面積。計(jì)算得到。3.2.3其余各檔傳動(dòng)比（1）二、三、四檔傳動(dòng)比機(jī)械式變速器中間各檔傳動(dòng)比分配通常按照比級(jí)數(shù)來(lái)分配，等比級(jí)數(shù)分配傳動(dòng)比可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，扭矩更接近外特性曲線，增加汽車(chē)后備功率，提高了其爬坡能力。將各檔按照等比數(shù)列排列，等比級(jí)數(shù)為，即： （3-3）計(jì)算得到，，。按照等比級(jí)數(shù)分配傳動(dòng)比只是理論上的做法，在實(shí)際應(yīng)用中，齒輪齒數(shù)通常為整數(shù)，導(dǎo)致實(shí)際傳動(dòng)比大小和理論值有一定偏差。之所以采用等比級(jí)數(shù)分配，是因?yàn)槟軌蚴拱l(fā)動(dòng)機(jī)在外特性最大功率附近工作，增加汽車(chē)后備功率，改善汽車(chē)動(dòng)力性。（2）倒擋傳動(dòng)比沒(méi)有直接公式計(jì)算到檔傳動(dòng)比，只能參照同類(lèi)型汽車(chē)的變速器確定。通常倒擋傳動(dòng)比取得比一檔傳動(dòng)比大些，且滿足驅(qū)動(dòng)輪和地面的附著條件。取。表3-2變速器傳動(dòng)比檔位一檔二檔三檔四檔五檔倒擋傳動(dòng)比3.452.361.641.140.83.53.3齒輪相關(guān)參數(shù)的計(jì)算和選擇3.3.1齒輪的設(shè)計(jì)要求齒輪傳動(dòng)作為機(jī)械傳動(dòng)中最為廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)形式之一，同樣應(yīng)用在手動(dòng)變速器中。在變速器中，齒輪的作用是傳遞來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作情況是不斷變化的，變速器齒輪的運(yùn)行情況也隨之復(fù)雜起來(lái)。在實(shí)際工作過(guò)程中，齒面受到載荷變形、誤差等因素影響，導(dǎo)致齒輪運(yùn)行不平穩(wěn)，同時(shí)造成振動(dòng)和噪聲增加。在齒輪具有一定工作時(shí)間后，就容易產(chǎn)生疲勞斷裂，齒面點(diǎn)蝕，磨損等不同形式的損傷。因此，設(shè)計(jì)齒輪時(shí)要滿足以下要求：一是保證齒輪平穩(wěn)工作，振動(dòng)和噪聲處于可接受范圍內(nèi)；二是齒輪要具有足夠的強(qiáng)度，輪齒在工作中不折斷，在滿足強(qiáng)度的條件下，盡可能使齒輪重量輕，尺寸小。3.3.2齒輪基本參數(shù)的確定齒輪的組要參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒形角、齒頂高系數(shù)、齒寬、齒輪中心距等。（1）齒數(shù)變速器齒輪在選定齒數(shù)時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)因素[16]：盡可能滿足汽車(chē)動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性及變速器各檔傳動(dòng)比的要求。變速器一檔主動(dòng)齒輪一般是所有齒中最小的齒，并且要避免根切，另外齒根圓也需大于所在軸的直徑。對(duì)于相嚙合的齒輪，它們的齒數(shù)不應(yīng)有公因數(shù)。齒數(shù)的選擇要滿足汽車(chē)的要求。（2）模數(shù)齒輪模數(shù)是決定齒輪大小和幾何參數(shù)的重要因素，模數(shù)越大，齒輪越大，齒輪的抗彎曲強(qiáng)度越大，噪聲越大，為了減少噪聲，可以選擇較小的模數(shù)，增加齒寬。齒輪的模數(shù)選擇不但要考慮齒輪設(shè)計(jì)加工的基本原則，也要綜合考慮汽車(chē)在應(yīng)用過(guò)程中所希望達(dá)到的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少工作過(guò)程中的沖擊產(chǎn)生噪音，應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)減少模數(shù)，增加寬度。同時(shí)從加工工藝來(lái)看，各種齒輪應(yīng)當(dāng)盡可能的采用同一種模數(shù)。對(duì)于轎車(chē)，減小整體的質(zhì)量比較重要，這又要求選擇一些較大的模數(shù)?；谝陨戏治?，初步選取模數(shù)時(shí)，可參考同類(lèi)型的變速器確定，也可使用經(jīng)驗(yàn)公式：對(duì)于一檔和倒擋： （3-4）上式中：-發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；-一擋傳動(dòng)比；-傳動(dòng)效率，一般取=0.96；-齒輪模數(shù)系數(shù)，一般取=0.27-0.37。根據(jù)參考文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，一般小型轎車(chē)取。在設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，模數(shù)m必須為標(biāo)準(zhǔn)值[17]，如表3-3所示。表3-3國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)選取齒輪模數(shù)m=2.75。（3）斜齒輪螺旋角斜齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。齒輪的螺旋角取值過(guò)小，斜齒輪的優(yōu)點(diǎn)無(wú)法發(fā)揮出來(lái)，螺旋角取值過(guò)大，軸向力增加，使軸承的載荷增大，降低壽命[18]。變速器齒輪螺旋角選取范圍一般在20°-40°之間，對(duì)于轎車(chē)來(lái)說(shuō)，其變速器齒輪轉(zhuǎn)速快，扭矩小并且要求噪聲小，因此可選用較大的螺旋角。為適當(dāng)減小中間軸上的軸向力，各檔齒輪選取的螺旋角通常不一樣，滿足下列公式： （3-5）上式中：-輸出軸上常嚙合齒輪；-輸出軸上各檔嚙合齒輪；-輸出軸齒輪節(jié)圓半徑；-輸出軸各檔齒輪節(jié)圓半徑。螺旋角的方向有左旋和右旋之分，輸入軸上的各檔齒輪和輸出軸上的常嚙合齒輪使用左旋，輸出軸上的各檔齒輪使用右旋，這樣可以使輸入軸上的軸向力作用在殼體上，輸出軸上的軸向力，幾乎全部抵消。表3-4各檔齒輪螺旋角選擇檔位一檔二檔三檔四檔五檔螺旋角23°23°22°22°25°（4）齒輪中心距齒輪中心距直接影響變速器的整體尺寸和重量?？筛鶕?jù)已有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行選取，即：對(duì)于轎車(chē)： （3-6）對(duì)于貨車(chē)： （3-7）根據(jù)公式3-8得，。汽車(chē)在良好路面上行駛時(shí)，中心距應(yīng)取最小值。確定中心距時(shí)，也要考慮齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、變位系數(shù)及螺旋角等參數(shù)。中心距過(guò)小會(huì)導(dǎo)致零件布置困難，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致變速器尺寸和重量增加。選取齒輪中心距。（5）齒形角通常選用20°的齒形角，同時(shí)也選用14.5°、16.5°、22.5°等其他角度齒形角。齒形角減小，導(dǎo)致漸開(kāi)線在節(jié)圓處曲率半徑及齒根圓齒厚減小，同時(shí)齒輪的彎曲強(qiáng)度也會(huì)減小，但是齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中的噪聲降低。對(duì)于轎車(chē)而言，變速器齒輪轉(zhuǎn)速高，承受載荷小，并且要求噪聲小以提高舒適性，因此選用較小的齒形角。但是同一個(gè)變速器上，檔位不同，所選齒形角也不同，低檔要承受較大載荷，所以選用較大的齒形角；高檔承受小載荷，所以選用較小的齒形角。實(shí)際上國(guó)家有明確的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定壓力角為20°。本設(shè)計(jì)選用20°的齒形角。（6）齒寬齒寬較大時(shí)，齒輪承載能力提高。在實(shí)際工作中，齒輪受載荷會(huì)產(chǎn)生齒向誤差，造成齒寬方向受力不均勻，使齒輪更易磨損，因此在選取齒寬時(shí)不宜過(guò)大。可以根據(jù)以下公式選取齒寬： （3-8）上式中：-齒輪的齒寬系數(shù)，直齒輪的選取范圍為4.5-7.5，斜齒輪的選取范圍為6.5-8.5；-法向模數(shù)。本設(shè)計(jì)取值為7。（7）齒頂高系數(shù)齒輪可根據(jù)齒頂高系數(shù)分為長(zhǎng)齒齒輪、短齒齒輪、正常齒輪。齒頂高系數(shù)小于1的齒輪稱(chēng)為短齒齒輪，大于1的稱(chēng)為長(zhǎng)齒齒輪。長(zhǎng)齒齒輪不僅增加齒輪的強(qiáng)度和動(dòng)載荷，還能降低噪聲和振動(dòng)，但是這種齒輪相對(duì)滑動(dòng)速度較大，齒面易磨損，與其相嚙合的齒輪容易產(chǎn)生根切等問(wèn)題，所以長(zhǎng)齒齒輪只應(yīng)用在少數(shù)變速器上，大多數(shù)變速器采用的是齒頂高系數(shù)為1的正常齒輪。3.3.3各檔齒輪齒數(shù)初選了變速器的檔位數(shù)、傳動(dòng)比、中心距、模數(shù)、螺旋角后，即可對(duì)各檔齒輪的齒數(shù)進(jìn)行分配。但要注意各檔嚙合齒輪齒數(shù)不能有公因數(shù)，以避免齒輪磨損不均勻。圖3-1五檔變速器傳動(dòng)示意圖（1）一檔齒輪齒數(shù)一擋傳動(dòng)比： （3-9）一檔齒輪齒數(shù)和： （3-10）結(jié)合上式，經(jīng)過(guò)計(jì)算取整得：，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與文獻(xiàn)，為保證圓整后的傳動(dòng)誤差較小，取，。通過(guò)實(shí)際的計(jì)算出齒輪的齒數(shù)之后，由于數(shù)值進(jìn)行了取整，導(dǎo)致了中心距發(fā)生了稍微的變化，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)根據(jù)齒數(shù)和齒輪變位系數(shù)重新算出中心距：一檔傳動(dòng)比為：一檔齒輪螺旋角精確值為：（2）二檔齒輪齒數(shù)二檔齒輪傳動(dòng)比： （3-11）二檔齒輪齒數(shù)和： （3-12）結(jié)合上式，經(jīng)計(jì)算取整得：，。二檔傳動(dòng)比為：二檔齒輪螺旋角精確值為：（3）三檔齒輪齒數(shù)三檔齒輪傳動(dòng)比： （3-13） 三檔齒輪齒數(shù)和： （3-14）結(jié)合上式，經(jīng)計(jì)算取整得：，。三檔傳動(dòng)比為：三檔齒輪螺旋角精確值為：（4）四檔齒輪齒數(shù)四檔齒輪傳動(dòng)比： （3-15）四檔齒輪齒數(shù)和： （3-16）結(jié)合上式，經(jīng)計(jì)算取整得：，。四檔傳動(dòng)比為：四檔齒輪螺旋角精確值為：（5）五檔齒輪齒數(shù)五檔齒輪傳動(dòng)比： （3-17）五檔齒輪齒數(shù)和： （3-18）結(jié)合上式，經(jīng)計(jì)算取整得：，。五檔齒輪傳動(dòng)比為：五檔齒輪螺旋角為：（6）倒檔齒輪齒數(shù)圖3-2倒檔機(jī)構(gòu)示意圖惰輪齒數(shù)通常在21-23間選取，選取。倒檔傳動(dòng)比為： （3-19）主動(dòng)輪和從動(dòng)輪嚙合并不存在與倒檔齒輪中，中心距要小于兩軸的中心距。 （3-20），經(jīng)計(jì)算選取得：，。倒檔齒輪傳動(dòng)比為： 總結(jié)如下：表3-5變速器各檔傳動(dòng)比檔位一檔二檔三檔四檔五檔倒檔傳動(dòng)比3.62.421.671.180.813.72表3-6變速器各檔位齒輪齒數(shù)檔位主動(dòng)輪從動(dòng)輪一檔齒輪1137二檔齒輪1434三檔齒輪1830四檔齒輪2226五檔齒輪2621與主動(dòng)輪嚙合的倒檔齒輪1122與從動(dòng)輪嚙合的倒擋齒輪22413.4齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算3.4.1齒輪的幾何尺寸計(jì)算機(jī)械式變速器使用漸開(kāi)線圓柱齒輪，包括漸開(kāi)線圓柱直齒輪和漸開(kāi)線圓柱斜齒輪。其優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)平穩(wěn)，工作安全可靠等。該手動(dòng)變速器的五個(gè)前進(jìn)檔位運(yùn)用斜齒輪，倒檔使用直齒輪，主要幾何尺寸計(jì)算公式如下：端面模數(shù)： （3-21） 分度圓直徑： （3-22）基圓直徑： （3-23）齒頂圓直徑： （3-24）齒根圓直徑： （3-25）變位系數(shù)之和： （3-26）上式中：-齒輪法向模數(shù)；-斜齒輪螺旋角；-齒輪齒數(shù)；-齒頂高；-齒根高；-齒輪法向壓力角；-齒輪端面壓力角。由以上公式計(jì)算得幾何尺寸，結(jié)果如表3-7所示表3-7齒輪的幾何尺寸參數(shù)一檔二檔三檔四檔五檔齒數(shù)11371434183022262621法向模數(shù)2.752.752.752.752.752.752.752.752.752.75端面模數(shù)2.992.99壓力角20°20°螺旋角23.5623.5623.5623.5623.5523.5523.5523.5525.725.7分度圓直徑3311142102549066788054基圓直徑30.7103.34095508461737450齒根圓直徑28.71103.8537.3894.5246.19174.63361.7670.874.1958.28齒頂圓直徑36.38114.5248.71105.8556.24584.68672.680.5183.6568.74齒寬19.2519.25齒頂高2.1453.5753.3551.9252.2833.9383.32.261.982.2變位系數(shù)0.47-0.050.41-0.110.420.20.480.10.250.333.4.2齒輪的主要失效形式齒輪折斷和齒面點(diǎn)蝕而損壞是汽車(chē)變速器傳動(dòng)齒輪主要的損壞形式[19]。（1）齒輪折斷齒輪折斷有兩種情況，一種是受到多次重復(fù)載荷的作用，齒輪容易產(chǎn)生疲勞裂縫，當(dāng)此裂縫擴(kuò)展到一定深度時(shí)，齒輪折斷。另一種是齒輪突然受到過(guò)大載荷，超出其能承受的載荷極限，齒輪斷裂。為避免齒輪折斷，可以增大齒根部齒厚；加大齒輪根部過(guò)渡圓角的半徑等，以提高齒輪的彎曲強(qiáng)度。（2）齒面點(diǎn)蝕齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中受到載荷，齒面長(zhǎng)期受到接觸應(yīng)力的作用，使得齒面出現(xiàn)細(xì)微的裂紋，裂紋擴(kuò)展后導(dǎo)致齒面產(chǎn)生因表層脫落的小坑，這種現(xiàn)象叫做齒面點(diǎn)蝕。提高齒面接觸強(qiáng)度有以下措施：一是選擇合理齒輪參數(shù)，減小接觸應(yīng)力；二是提高齒面的強(qiáng)度。3.4.3變速器齒輪材料選擇變速器齒輪材料要滿足以下要求：（1）抗彎曲強(qiáng)度以及沖擊韌性強(qiáng)；（2）齒面耐磨性和硬度要達(dá)到要求；（3）易達(dá)到加工要求的精度；（4）抗膠合能力強(qiáng)。變速器齒輪大多采用滲碳合金鋼，不僅可以提高齒輪耐磨性，還能滿足抗彎曲和接觸強(qiáng)度。目前國(guó)內(nèi)變速器主要采用的材料有、、、、等。選擇滿足性能要求的材料時(shí)，還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)成本。本文采用作為變速器齒輪材料，同時(shí)進(jìn)行滲碳淬火。3.4.4變速器齒輪強(qiáng)度校核（1）計(jì)算各檔轉(zhuǎn)矩本次設(shè)計(jì)的中型貨車(chē)所產(chǎn)生的最大扭矩為，在計(jì)算中，齒輪和離合器的傳動(dòng)效率取值為99％，其中軸承的效率取值為96％。輸入軸：；輸出軸一檔：；輸出軸二檔：；輸出軸三檔：；輸出軸四檔：；輸出軸五檔：（2）齒面接觸強(qiáng)度校核設(shè)齒面接觸應(yīng)力，其公式為： （3-27） （3-28）上式中：-齒面法向力（N）；-齒輪的圓周力，；-載荷,;-節(jié)圓直徑（mm）;-彈性模量（MPa），??；-齒輪實(shí)際工作齒寬（mm）；-在齒輪節(jié)點(diǎn)主、從動(dòng)齒輪的曲率半徑（mm），對(duì)于直齒輪，對(duì)于斜齒輪，為主、從動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑（mm）。各參數(shù)代入整理得接觸應(yīng)力公式為： （3-29）計(jì)算得到的接觸應(yīng)力應(yīng)小于需用接觸應(yīng)力，如大于，則齒輪容易發(fā)生疲勞損壞，接觸應(yīng)力視材料而定。對(duì)于滲碳齒輪，一檔和倒擋齒輪接觸應(yīng)力不大于1900MPa，其他檔位齒輪接觸應(yīng)力不大于1300MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到各檔位齒輪齒面接觸強(qiáng)度符合要求。（3）齒輪彎曲強(qiáng)度校核設(shè)齒輪的彎曲應(yīng)力為，其公式為： （3-30）上式中：-圓周力（N），；-作用在齒輪上的載荷；-齒輪的節(jié)圓直徑，；-應(yīng)力集中系數(shù)，取；-重合度系數(shù)，??；-齒寬（mm）；-齒形系數(shù)，取。3.5軸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.5.1軸的設(shè)計(jì)要求變速器軸在工作過(guò)程中承受轉(zhuǎn)矩和彎矩，因此，軸要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，若剛度不足，齒輪在載荷作用下產(chǎn)生變形，無(wú)法正常嚙合，從而產(chǎn)生噪聲，降低齒輪壽命。通常軸的設(shè)計(jì)遵循以下原則[20]：（1）根據(jù)軸的工作條件等合理選材；（2）提高軸的強(qiáng)度和剛度；（3）軸應(yīng)便于加工、檢修；（4）軸上零件定位準(zhǔn)確。3.5.2初選軸尺寸本文采用兩軸式變速器。軸的長(zhǎng)度和直徑之間的關(guān)系如下公式所示：輸入軸： 輸出軸： 初選軸直徑可用以下公式：最粗處： ；最細(xì)處： ；上式中：-發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；-變速器中心距（mm）。3.5.3軸的強(qiáng)度和剛度計(jì)算對(duì)軸進(jìn)行剛度和強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，首先分析軸的受力和各支承反力；其次，因?yàn)椴煌瑱n位下軸受到的力和支撐反力都不一樣，所以需要對(duì)不同檔位下的軸的強(qiáng)度和剛度分別計(jì)算。齒輪圓周力： （3-31）齒輪徑向力： （3-32）齒輪軸向力： （3-33）上式中：-傳動(dòng)比；-齒輪的節(jié)圓半徑（mm）；-齒形角（壓力角）；-斜齒輪螺旋角；-發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩。變速器軸的強(qiáng)度校核要同時(shí)考慮彎矩和扭矩的作用，利用徑向力計(jì)算出軸的垂直彎矩，利用圓周力計(jì)算出水平彎矩，再由圓周力和徑向力計(jì)算出轉(zhuǎn)矩，由彎矩和轉(zhuǎn)矩聯(lián)合作用下的軸的應(yīng)力（MPa）為： （3-34）上式中：-軸受到的轉(zhuǎn)矩，；-軸在受力處的斷面直徑，若受力端為花鍵，則取內(nèi)徑，（mm）；-抗彎曲截面系數(shù)，；-水平彎矩，；-垂直彎矩，；-許用應(yīng)力，取。對(duì)于軸的剛度校核，需要計(jì)算出軸在某處受力產(chǎn)生的撓度與轉(zhuǎn)角，對(duì)于輸出軸，由于常嚙合齒輪離軸較近，此處產(chǎn)生的撓度和轉(zhuǎn)角可以不用考慮，只用計(jì)算輸入軸主動(dòng)齒輪和輸出軸從動(dòng)齒輪位置上的撓度和轉(zhuǎn)角。設(shè)軸在垂直面上的撓度為，在水平上的撓度為以及轉(zhuǎn)角位，按照下面公式計(jì)算： （3-35） （3-36） （3-37）上式中：-齒輪上的徑向力（N）；-齒輪上的圓周力（N）；-材料的彈性模量，?。?面積慣性矩，對(duì)于空心軸，，對(duì)于實(shí)心軸；-軸在受力端面的直徑（mm），若受力端為花鍵，則取平均值，（mm）；-軸的總跨度（mm）；-軸上作用力離A、B支座的距離（mm）。上式中，軸上有花鍵，其計(jì)算直徑取內(nèi)徑的1.1倍，軸在垂直方向上的撓度許用值；而水平方向上的撓度許用值；軸的彎曲轉(zhuǎn)角小于等于0.002rad。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的軸，在滿足上述條件后，還需進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度的驗(yàn)算，軸的扭轉(zhuǎn)角要小于許用值。軸長(zhǎng)為L(zhǎng)的扭轉(zhuǎn)角在轉(zhuǎn)矩M的作用下為： （3-38）則單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角為： （3-39）上式中：-轉(zhuǎn)矩，；-軸長(zhǎng)，（m）；-軸的極慣性矩，，對(duì)于實(shí)心軸，對(duì)于空心軸；彈性模量，對(duì)于鋼材。3.6本章小結(jié)本章工作可分為三個(gè)部分。第一部分確定了變速器的檔位數(shù)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算出各檔傳動(dòng)比。第二部分首先簡(jiǎn)單介紹了齒輪的相關(guān)參數(shù)并做出選擇，其次根據(jù)各檔傳動(dòng)比計(jì)算出各檔齒輪齒數(shù)，最后對(duì)齒輪幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并校核無(wú)誤。第三部分是對(duì)變速器軸的設(shè)計(jì)，包括軸尺寸的選取及軸的強(qiáng)度、剛度校核。第4章同步器的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1同步器的功用與分類(lèi)目前機(jī)械式變速器均使用同步器換擋（倒檔除外）代替以前的滑動(dòng)齒輪換擋。同步器的主要功用是使接合套迅速和要嚙合的齒圈同步，使換檔平穩(wěn)，同時(shí)避免換擋時(shí)較大的沖擊，提高變速器工作壽命。同步器常見(jiàn)的有常壓式，慣性式和自增力式。目前慣性式同步器在汽車(chē)上使用最為廣泛。結(jié)合套和齒圈接觸面的摩擦力是慣性式同步器實(shí)現(xiàn)同步的方式，同步器常用的類(lèi)型有鎖環(huán)式慣性同步器和鎖銷(xiāo)式慣性同步器兩種，在轎車(chē)和輕型貨車(chē)上廣泛使用的是鎖環(huán)式慣性同步器，而鎖銷(xiāo)式慣性同步器主要應(yīng)用在中型和重型汽車(chē)上。本文設(shè)計(jì)的是轎車(chē)變速器，所以選用選用鎖環(huán)式慣性同步器。4.2鎖環(huán)式慣性同步器結(jié)構(gòu)及工作原理4.2.1鎖環(huán)式慣性同步器結(jié)構(gòu)圖4-1為鎖環(huán)式慣性同步器的結(jié)構(gòu)圖，其中4-1（a）為剖視圖，4-1（b）為分解圖。輸入軸；2-輸入軸齒輪；3-花鍵轂；4、10-接合齒圈；5、9-同步環(huán)；6-滑塊；7-接合套；8-彈簧圈；11-輸出軸常嚙合齒輪；12-輸出軸；13-滑塊凸起；14-滑塊槽；15-缺口圖4-1鎖環(huán)式慣性同步器的結(jié)構(gòu)同步器由同步環(huán)5、9，接合套齒座3、滑塊6、卡簧8和接合套7組成。花鍵轂3固定在輸入軸上，和輸入軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊6共3個(gè)，和接合套7裝在花鍵轂3上面，并且可以軸向運(yùn)動(dòng)。彈簧圈8共2個(gè)，滑塊被緊緊地貼在接合套7上，齒輪接合齒圈10、4利用其的外錐面插進(jìn)同步環(huán)5、9的內(nèi)錐面內(nèi)，兩個(gè)錐面間有相對(duì)的滑動(dòng)，三個(gè)滑塊插入同步環(huán)5、9上的3個(gè)缺口中，并且滑塊的寬帶與一個(gè)接合齒的寬度之和恰好為缺口的寬度，這樣同步環(huán)5、9與結(jié)合套有一定的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是最多只能轉(zhuǎn)半個(gè)齒的寬度，最終，同步環(huán)和結(jié)合套一下轉(zhuǎn)動(dòng)。4.2.2鎖環(huán)式慣性同步器工作原理圖4-2鎖環(huán)式慣性同步器工作原理如圖4-2，鎖環(huán)式慣性同步器的工作原理是：換檔時(shí)，沿軸向作用在嚙合套上的換檔力，推嚙合套并帶動(dòng)定位銷(xiāo)和鎖環(huán)移動(dòng)，直至鎖環(huán)錐面與被接合齒輪上的錐面接觸為止。之后，因作用在錐面上的法向力與兩錐面之間存在角速度差，致使在錐面上作用有摩擦力矩，它使鎖環(huán)相對(duì)嚙合套和滑塊轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，并滑塊予以定位。接下來(lái)，嚙合套的齒端與鎖環(huán)齒端的鎖止面接觸（圖6-2b），使嚙合套的移動(dòng)受阻，同步器在鎖止?fàn)顟B(tài)，換檔的第一階段結(jié)束。換檔力將鎖環(huán)繼續(xù)壓靠在錐面上，并使摩擦力矩增大，與此同時(shí)在鎖止面處作用有與之方向相反的撥環(huán)力矩。齒輪與鎖環(huán)的角速度逐漸靠近，在角速度相等的瞬間，同步過(guò)程結(jié)束，完成換檔過(guò)程的第二階段工作。之后，摩擦力矩隨之消失，而撥環(huán)力矩使鎖環(huán)回位，兩鎖止面分開(kāi)，同步器解除鎖止?fàn)顟B(tài)，接合套上的接合齒在換檔力的作用下通過(guò)鎖環(huán)去與齒輪上的接合齒嚙合（圖6-2d），完成同步換檔。4.3鎖環(huán)式慣性同步器的設(shè)計(jì)4.3.1同步環(huán)主要參數(shù)的確定（1）同步環(huán)內(nèi)錐面的螺紋槽如果螺紋槽螺線的頂部設(shè)計(jì)得窄些，則刮去存在于摩擦錐面之間的油膜效果好。但頂部寬度過(guò)窄會(huì)影響接觸面壓強(qiáng)，使磨損加快[21]。試驗(yàn)還證明：螺紋的齒頂寬對(duì)摩擦因數(shù)的影響很大，摩擦因數(shù)隨齒頂寬度的減小而減小，造成換擋費(fèi)力，故齒頂寬不易過(guò)大。螺紋槽設(shè)計(jì)得大些，可使被刮下來(lái)的油存于螺紋之間的間隙中，但螺距增大又會(huì)使接觸面減少，增加磨損速度。圖4-3（a）中給出的尺寸適用于輕、中型汽車(chē)；圖4-