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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 目的意義
21世紀(jì)，汽車工業(yè)成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，汽車企業(yè)對各系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)需求旺盛。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，車型的多樣化、個(gè)性化已經(jīng)成為汽車發(fā)展的趨勢。而變速器設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)之一，變速器在汽車傳動(dòng)系中扮演著至關(guān)重要的角色。它是用來改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。因此它的性能影響到汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)?？梢哉f，變速器是伴隨著汽車工業(yè)出現(xiàn)的必然產(chǎn)物，是汽車上的必需品。在完成了最基本的傳動(dòng)功能之外，我們對變速器的要求也是越來越高，汽車的性能、使用壽命、能源消耗、振動(dòng)噪聲等在很大程度上取決于變速器的性能。由此可見，對汽車的變速器進(jìn)行研究具有十分重要的意義。
變速器在汽車傳動(dòng)系中扮演著至關(guān)重要的角色。它是用來改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳到驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，目的是在各種行駛工況下，使汽車獲得不同的牽引力和速度，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在最有利的工況范圍內(nèi)工作。因此它的性能影響到汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在完成了最基本的傳動(dòng)功能之外，我們對變速器的要求也是越來越高，汽車的性能、使用壽命、能源消耗、振動(dòng)噪聲等在很大程度上取決于變速器的性能。由此可見，對汽車的變速器進(jìn)行研究具有十分重要的意義。
變速器由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)組成，對變速器設(shè)計(jì)的基本要求如下：
1、車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。
2、設(shè)置空擋，用來切斷發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力向驅(qū)動(dòng)輪的傳輸。
3、設(shè)置倒擋，使汽車能倒退行駛。
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。
除此之外，變速器還應(yīng)當(dāng)滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小、制造成本低、維修方便等要求。
滿足汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，這與變速器的擋數(shù)、傳動(dòng)比范圍和各擋傳動(dòng)比有關(guān)。汽車工作的道路條件越復(fù)雜、比功率越小，變速器的傳動(dòng)比范圍越大。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
我國的汽車及各種車輛的零部件產(chǎn)品在性能和質(zhì)量上和發(fā)達(dá)國家存在著一定的差距，其中一個(gè)重要原因就是設(shè)計(jì)手段落后，發(fā)達(dá)國家在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)上早已進(jìn)入了分析設(shè)計(jì)階段，他們利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，采用機(jī)械CAD系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行建模、分析、仿真、干涉檢查，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，大大地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率，減少了試驗(yàn)費(fèi)用，縮短了產(chǎn)品更新周期。
目前，國內(nèi)外普遍研究和采用電控自動(dòng)變速器，這種變速器具有更好的駕駛性能、良好的行駛性能、以及更高的行車安全性[3]。但是駕駛員失去了駕駛樂趣，不能更好的體驗(yàn)駕駛所帶來的樂趣。機(jī)械式手動(dòng)變速器具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)效率高、制造成本底和工作可靠，具有良好的駕駛樂趣等優(yōu)點(diǎn)，故在不同形式的汽車上得到廣泛應(yīng)用。在檔位的設(shè)置方面，國外對其操縱的方便性和檔位數(shù)等方面的要求愈來愈高[2]。
1.3 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題
本設(shè)計(jì)的變速器是在北京現(xiàn)代變速器的參數(shù)基礎(chǔ)上，在給定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及最高車速、主減速比等條件下，主要完成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并繪制出變速器裝配圖及主要零件的零件圖。
1、對變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析與選擇。
通過比較兩軸和中間軸式變速器各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及所設(shè)計(jì)車輛的特點(diǎn)，確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置形式。
2、變速器主要參數(shù)的選擇
變速器主要參數(shù)的選擇：檔數(shù)、傳動(dòng)比、中心距、齒輪參數(shù)等。
3、變速器齒輪強(qiáng)度的校核
變速器齒輪強(qiáng)度的校核主要對變速器的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。
4、軸的基本尺寸的確定及強(qiáng)度計(jì)算與校核。
5、軸承,同步器的選擇。
1.4 本章小結(jié)
本次設(shè)計(jì)主要是查閱機(jī)械式變速器設(shè)計(jì)的相關(guān)文件，結(jié)合書中關(guān)于變速器設(shè)計(jì)的相關(guān)知識，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。通過對相關(guān)資料的查閱對機(jī)械式變速器有一個(gè)整體的認(rèn)識。
第2章 變速器結(jié)構(gòu)方案的確定
2.1 變速器傳動(dòng)方案的確定
機(jī)械式變速器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置方案主要有兩種：兩軸式變速器和中間軸式變速器。
與中間軸式變速器比較，兩軸式變速器因軸和軸承數(shù)少，所以有結(jié)構(gòu)簡單、輪廓尺寸小和容易布置等優(yōu)點(diǎn)，此外，各中間擋位因只經(jīng)一對齒輪傳動(dòng)動(dòng)力，故傳動(dòng)效率高同時(shí)噪聲也低。因兩軸式變速器不能設(shè)置直接擋，所以在高擋工作時(shí)齒輪和軸承均承載，不僅工作噪聲增大，且易損壞。還有，受結(jié)構(gòu)限制，兩軸式變速器的一擋速比不可能設(shè)計(jì)的很大。對于前進(jìn)擋，兩軸式變速器輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反；而中間軸式變速器與輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。
由于此次設(shè)計(jì)的北京現(xiàn)代途勝變速器驅(qū)動(dòng)形式屬于發(fā)動(dòng)機(jī)前置前輪驅(qū)動(dòng)，所以選擇兩軸式變速器。兩軸式變速器因軸與軸承數(shù)少，所以有結(jié)構(gòu)簡單、論過尺寸小和容易布置等優(yōu)點(diǎn)，此外，各中間檔位因只經(jīng)一對齒輪傳遞動(dòng)力，故傳動(dòng)效率高同時(shí)噪聲也低。變速器輸出軸與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器采用弧齒錐齒輪或準(zhǔn)雙曲面齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則采用斜齒圓柱齒輪。變速器的一檔或倒檔因傳動(dòng)比大，工作時(shí)在齒輪上作用的力也增大，并導(dǎo)致變速器軸產(chǎn)生較大的撓度和轉(zhuǎn)角，使工作齒輪嚙合狀態(tài)變壞，最終表現(xiàn)出輪齒磨損加快和工作噪聲增加。為此，應(yīng)該布置在靠近軸的支撐處，以便改善上述不良狀況，然后按照從低檔到高擋的順序布置各檔齒輪，這樣做既能使軸有足夠大的剛性，又能保證容易裝配。常用檔位的齒輪因接觸應(yīng)力過高而易造成表面點(diǎn)蝕損壞。將高擋布置在靠近軸的兩端支撐中部區(qū)域較為合理，在該區(qū)域因軸的變形而引起的齒輪偏轉(zhuǎn)較小，齒輪可保持較好的嚙合狀態(tài)，以減少偏載并提高齒輪壽命。
2.2 倒擋布置方案
與前進(jìn)擋位比較，倒檔使用流程不高，而且都是在停車狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)換倒擋，故多數(shù)方案均采用直齒滑動(dòng)齒輪方式換倒擋。為實(shí)現(xiàn)倒擋傳動(dòng)，有些方案利用在中間軸和第二軸上的齒輪傳動(dòng)路線中加入一個(gè)中間傳動(dòng)齒輪的方案。圖2.1b方案的優(yōu)點(diǎn)是倒檔利用了一檔齒輪，縮短了中間軸的長度。但換檔時(shí)有兩對齒輪同時(shí)進(jìn)入嚙合，使換檔困難；此前方案能獲得較大的倒檔傳動(dòng)比，缺點(diǎn)是換檔程序不合理；圖2.1e所示方案是將一、倒檔齒輪做成一體，將其齒寬加長；
圖2.1 倒檔布置方案
2.3零部件結(jié)構(gòu)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。直齒圓柱齒輪主要用于一檔、倒檔齒輪，與直齒圓柱齒輪相比，斜齒圓柱齒輪有使用壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)除了倒檔其他選用斜齒輪。
變速器齒輪可以與軸設(shè)計(jì)為一體或與軸分開，然后用花鍵、過盈配合或者滑動(dòng)支承等方式之一與軸連接。
齒輪尺寸小又與軸分開，其內(nèi)徑直徑到齒根圓處的厚度（圖2.2）影響齒輪強(qiáng)度[6]。要求尺寸應(yīng)該大于或等于輪齒危險(xiǎn)斷面處的厚度。為了使齒輪裝在軸上以后，保持足夠大的穩(wěn)定性，齒輪輪轂部分的寬度尺寸，在結(jié)構(gòu)允許條件下應(yīng)盡可能取大些，至少滿足尺寸要求：
（2.1）
——花鍵內(nèi)徑。
為了減小質(zhì)量，輪輻處厚度應(yīng)在滿足強(qiáng)度條件下設(shè)計(jì)得薄些。圖2.1中的尺寸可取為花鍵內(nèi)徑的1.25～1.40倍。
圖2.2 變速器齒輪尺寸控制圖
齒輪表面粗糙度數(shù)值降低，則噪聲減少，齒面磨損速度減慢，提高了齒輪壽命。變速器齒輪齒面的表面粗糙度應(yīng)在μm范圍內(nèi)選用。要求齒輪制造精度不低于7級。
2.3.2變速器軸
變速器軸多數(shù)情況下經(jīng)軸承安裝在殼體的軸承孔內(nèi)。當(dāng)變速器中心距小，在殼體的同一端面布置兩個(gè)滾動(dòng)軸承有困難時(shí)，輸出軸可以直接壓入殼體孔中，并固定不動(dòng)。
用移動(dòng)齒輪方式實(shí)現(xiàn)換檔的齒輪與軸之間，應(yīng)選用矩形花鍵連接，以保證良好的定心和滑動(dòng)靈活，而且定心外徑及矩形花鍵齒側(cè)的磨削比漸開線花鍵要容易[7]。兩軸式變速器輸入軸和中間軸式變速器中間軸上的高檔齒輪，通過軸與齒輪內(nèi)孔之間的過盈配合和鍵固定在軸上。兩軸式變速器的輸出軸和中間軸式變速器的第二軸上的常嚙合齒輪副的齒輪與軸之間，常設(shè)置有滾針軸承、滑動(dòng)軸承，少數(shù)情況下齒輪直接裝在軸上。此時(shí)，軸的表面粗糙度不應(yīng)低與μm，硬度不低于58～63HRC。因漸開線花鍵定位性能良好，承載能力大且漸開線花鍵的齒短，小徑相對增大能提高軸的剛度，所以軸與同步器上的軸套常用漸開線花鍵連接。
2.3.3變速器軸承選擇
變速器軸承常采用圓柱滾子軸承、球軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承、滑動(dòng)軸套等。
滾針軸承、滑動(dòng)軸承套主要用在齒輪與軸不是固定連接，并要求兩者有相對運(yùn)動(dòng)的地方[8]。
變速器中采用圓錐滾子軸承有直徑較小、寬度較大因而容量大、可承受高負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)。
由于本設(shè)計(jì)的變速器為兩軸變速器，所以設(shè)計(jì)中變速器輸入軸、輸出軸的前、后軸承按直徑系列均選用圓柱滾子軸承。
2.4變速器操縱機(jī)構(gòu)布置方案
根據(jù)汽車使用條件的需要，駕駛員利用操縱機(jī)構(gòu)完成選檔和實(shí)現(xiàn)換檔或退到空檔。變速器操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足如下主要要求[9]：換檔時(shí)只能掛入一個(gè)檔位，換檔后應(yīng)使齒輪在全齒長上嚙合，防止自動(dòng)脫檔或自動(dòng)掛檔，防止誤掛倒檔，換檔輕便。
變速器操縱機(jī)構(gòu)通常裝在頂蓋或側(cè)蓋內(nèi)，也有少數(shù)是分開的。變速器操縱機(jī)構(gòu)操縱輸入軸上的滑動(dòng)齒輪、嚙合套或同步器得到所需不同檔位。
用于機(jī)械式變速器的操縱機(jī)構(gòu)，常見的是由變速桿、撥塊、撥叉、變速叉軸及互鎖、自鎖和倒檔裝置等主要零件組成，并依靠駕駛員手力完成選檔、換檔或推到空檔工作，稱為手動(dòng)換檔變速器。
1、直接操縱式手動(dòng)換檔變速器
當(dāng)變速器布置在駕駛員座椅附近時(shí)，可將變速桿直接安裝在變速器上，并依靠駕駛員手力和通過變速桿直接完成換檔功能的手動(dòng)換檔變速器，稱為直接操縱變速器。這種操縱方案結(jié)構(gòu)最簡單，已得到廣泛應(yīng)用。近年來 ，單軌式操縱機(jī)構(gòu)應(yīng)用較多，其優(yōu)點(diǎn)是減少了變速叉軸，各檔同用一組自鎖裝置，因而使操縱機(jī)構(gòu)簡化，但它要求各檔換檔行程相等。
2、換擋機(jī)構(gòu)
變速器換檔機(jī)構(gòu)有直齒滑動(dòng)齒輪、嚙合套和同步器換檔三種形式。
常嚙合齒輪可用移動(dòng)嚙合套換檔。因承受換檔沖擊載荷的接合齒齒數(shù)多，嚙合套不會過早被損壞，但不能消除換檔沖擊。目前這種換檔方法只在某些要求不高的檔位及重型貨車變速器上應(yīng)用。
使用同步器能保證換檔迅速、無沖擊、無噪聲，而與操作技術(shù)的熟練程度無關(guān)，從而提高了汽車的加速性、燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛安全性。同上述兩種換檔方法比較，雖然它有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、軸向尺寸大等缺點(diǎn)，但仍然得到廣泛應(yīng)用。利用同步器或嚙合套換檔，其換檔行程要比滑動(dòng)齒輪換檔行程小。
通過比較，考慮汽車的操縱性能，本設(shè)計(jì)除倒檔外其他檔位均選用同步器換檔。
3、防脫檔設(shè)計(jì)
互鎖裝置是保證移動(dòng)某一變速叉軸時(shí)，其它變速叉軸互被鎖住，該機(jī)構(gòu)的作用是防止同時(shí)掛入兩檔，而使掛檔出現(xiàn)重大故障。常見的互鎖機(jī)構(gòu)有：
（1）互鎖銷式
如圖2.3是汽車上用得最廣泛的一種機(jī)構(gòu)，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。
如圖2.3，a為空檔位置，此時(shí)任一叉軸可自由移動(dòng)。圖2.3，b、c、d為某一叉軸在工作位置，而其它叉軸被鎖住。
圖2.3 互鎖銷式互鎖機(jī)構(gòu)
（2）擺動(dòng)鎖塊式
如圖2.4為擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu)工作示意圖，鎖塊用同心軸螺釘安裝在殼體上，并可繞螺釘軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)，操縱桿的撥頭置于鎖塊槽內(nèi)，此時(shí)，鎖塊的一個(gè)或兩個(gè)突起部分A檔住其它兩個(gè)變速叉軸槽，保證換檔時(shí)不能同時(shí)掛入兩檔。
（3）轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式
如圖2.5為與上述鎖塊機(jī)構(gòu)原理相似的轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式互鎖裝置。操縱桿撥頭置于鉗口中，鉗形板可繞A軸轉(zhuǎn)動(dòng)。選檔時(shí)操縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)鉗形板選入某一變速叉軸槽內(nèi)，此時(shí)鉗形板的一個(gè)或兩個(gè)鉗爪抓住其它兩個(gè)變速叉，保證互鎖作用[11]。
圖2.4 擺動(dòng)鎖塊式互鎖機(jī)構(gòu) 圖2.5 轉(zhuǎn)動(dòng)鉗口式互鎖機(jī)構(gòu)
操縱機(jī)構(gòu)還應(yīng)設(shè)有保證不能誤掛倒檔的機(jī)構(gòu)。通常是在倒檔叉或叉頭上裝有彈簧機(jī)構(gòu)，使司機(jī)在換檔時(shí)因有彈簧力作用，產(chǎn)生明顯的手感。
鎖止機(jī)構(gòu)還包括自鎖、倒檔鎖兩個(gè)機(jī)構(gòu)。
倒檔鎖的作用是使駕駛員必須對變速桿施加更大的力，方能掛入倒檔，起到提醒注意的作用，以防誤掛倒檔，造成安全事故。
自鎖機(jī)構(gòu)的作用是將滑桿鎖定在一定位置，保證齒輪全齒長參加嚙合，并防止自動(dòng)脫檔和掛檔。自鎖機(jī)構(gòu)有球形鎖定機(jī)構(gòu)與桿形鎖定機(jī)構(gòu)兩種類型。
2.5本章小結(jié)
本章主要是研究了變速器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操控機(jī)構(gòu)的類型，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對本次設(shè)計(jì)的車型以及性能要求選取一種最為適合的傳動(dòng)和操控方案。
第3章 變速器主要參數(shù)的選擇
3. 1變速器各檔傳動(dòng)比的確定
項(xiàng)目
參數(shù)值
發(fā)動(dòng)機(jī)功率：
104KW
最高車速:
173Km/h
轉(zhuǎn)矩：
188N·M
總質(zhì)量：
2123Kg
轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速：
4000r/min
車輪：
215/65 R16
功率轉(zhuǎn)速：
6000r/min
根據(jù)變速器（二軸式）設(shè)計(jì)所選擇的乘用車車基本參數(shù)如下表
表3.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)
1、 變速器擋位選擇
增加變速器的擋數(shù)能改善汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。擋數(shù)越多，變速器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，并且是尺寸輪廓和質(zhì)量加大。同時(shí)操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，而且在使用時(shí)換擋頻率也增高。
在最低擋傳動(dòng)比不變的條件下，增加變速器的當(dāng)屬會是變速器相鄰的低擋與高擋之間傳動(dòng)比比值減小，是換擋工作容易進(jìn)行。要求相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值在1.8以下,該制約小換擋工作越容易進(jìn)行。要求高擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值要比低擋區(qū)相鄰擋位之間的傳動(dòng)比比值小。
近年來為了降低油耗，變速器的擋數(shù)有增加的趨勢。目前轎車一般用4-5個(gè)擋位，級別高的轎車變速器多用5個(gè)擋，貨車變速器采用4-5個(gè)擋位或多擋。裝載質(zhì)量在2-3.5T的貨車采用5擋變速器，裝載質(zhì)量在4-8T的貨車采用6擋變速器。多擋變速器多用于重型貨車和越野車。選用的是5擋變速器。
2、傳動(dòng)比范圍確定
變速器的傳動(dòng)比范圍是指變速器最低擋傳動(dòng)比與最高擋轉(zhuǎn)動(dòng)比的比值。傳動(dòng)比范圍的確定與選定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，汽車的最高車速和使用條件等因素有關(guān)。
目前轎車的傳動(dòng)比范圍在3-4之間，輕型貨車在5-6之間，其他貨車則更大。
轎車的傳動(dòng)比范圍為3.6：1
3、各擋傳動(dòng)比的確定
（3.1）
—最高車速，=173km/h
r —車輪半徑，r= 0.29n—功率轉(zhuǎn)速 ，n=4000r/min
—主減速器傳動(dòng)比 —最高擋傳動(dòng)比
==4.64
4、最低檔傳動(dòng)比的計(jì)算
按最大爬坡度設(shè)計(jì)，滿足最大通過能力條件，即用一檔通過要求最大坡角坡道時(shí)，驅(qū)動(dòng)力應(yīng)大于或等于此時(shí)的滾動(dòng)阻力和上坡阻力（加速阻力為零，空氣阻力忽略不計(jì)）用公式表示為：
（3.2）
式中：為為車輛總質(zhì)量（N），為坡道面滾動(dòng)阻力系數(shù)（瀝青路面中=0.01～0.02），為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩（Nm），為傳動(dòng)效率（0.85～0.90），為最大爬坡度（一般轎車要求爬上30%的坡，大約16.7°）。
由上式可得：==3.58
滿足不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)條件，即用一檔發(fā)出最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪不產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。
公式表示為： （3.3）
即： （3.4）
式中：為驅(qū)動(dòng)輪的地面法向反力，=；取0.75。
所以一檔傳動(dòng)比的選擇范圍是
（3.5）
式中：—常數(shù)，也就是各擋之間的公比；因此，各擋的傳動(dòng)比為
，∴
所以各擋傳動(dòng)比與Ι擋傳動(dòng)比的關(guān)系為
， ， ，，
3.2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
（3.6）
式中：—變速器中心距（mm）；
—中心距系數(shù)，乘用車：=8.9～9.3，商用車：=8.6～9.6，取8.9 ；
—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N.m）；—變速器一擋傳動(dòng)比，=4；
—變速器傳動(dòng)效率，取96% ；—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，=188N.m 。
則，==79.84（mm）
取中心距=79.84mm。
乘用車變速器的中心距在65~80之間變化。
3.3齒輪參數(shù)
1、模數(shù)
對貨車，減小質(zhì)量比減小噪聲更重要，故齒輪應(yīng)該選用大些的模數(shù)；從工藝方面考慮，各擋齒輪應(yīng)該選用一種模數(shù)。
嚙合套和同步器的接合齒多數(shù)采用漸開線。由于工藝上的原因，同一變速器中的接合齒模數(shù)相同。其取值范圍是：乘用車和總質(zhì)量在1.8～14.0t的貨車為2.0～3.5mm；總質(zhì)量大于14.0t的貨車為3.5～5.0mm。選取較小的模數(shù)值可使齒數(shù)增多。表3.2 汽車變速器齒輪法向模數(shù)
車型
乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)排量V/L
貨車的最大總質(zhì)量/t
1.0＞V≤1.6
1.6＜V≤2.5
6.0＜≤14.0
＞14.0
模數(shù)/mm
2.25～2.75
2.75～3.00
3.50～4.50
4.50～6.00
表3.3 汽車變速器常用齒輪模數(shù)
一系列
1.00
1.25
1.5
2.00
2.50
3.00
4.00
5.00
6.00
二系列
1.75
2.25
2.75
3.25
3.50
3.75
4.50
5.50
—
根據(jù)表3.2及3.3，齒輪的模數(shù)定為3mm，嚙合套和同步器的模數(shù)定為3mm。
2、壓力角 為20°；螺旋角轎車變速器螺旋角：18°～26°
3、齒寬
直齒，為齒寬系數(shù)，取為4.5～8.0，取6.0；
斜齒，取為6.0～8.5，取7。
3.4各擋齒輪齒數(shù)的分配
1-一軸一擋齒輪 2-二軸一擋齒輪 3-一軸二檔齒輪 4-二軸二擋齒輪
5-一軸軸三擋齒輪 6-二軸三擋齒輪 7-一軸四檔齒輪 8-二軸四檔齒輪
9-一軸五檔齒輪 10-二軸五檔齒輪 11-一軸倒檔 12-二軸倒檔齒輪13-倒檔齒輪
圖3.1變速器傳動(dòng)示意圖
如圖3.1所示為變速器的傳動(dòng)示意圖。在初選中心距、齒輪模數(shù)和螺旋角以后，可根據(jù)變速器的擋數(shù)、傳動(dòng)比和傳動(dòng)方案來分配各擋齒輪的齒數(shù)。
圖3.2變位系數(shù)的選擇原則
1、確定一擋齒輪的齒數(shù)
取模數(shù)=3 螺旋角= 齒寬系數(shù)=7
（3.7）
∴z1=35 z2=15
2、對中心距進(jìn)行修正
mm
3、變位系數(shù)的確定
對一擋齒輪進(jìn)行角度變位：
∴
嚙合角 = =21.23
變位系數(shù)之和 ===0.02
4、計(jì)算分度圓直徑
分度圓直徑 mm
mm
5、計(jì)算分度圓直徑
齒根高 =3.69 mm
齒頂高 =3.03 mm
節(jié)圓直徑 mm
=47.9 mm
齒頂圓直徑 mm
mm
齒根圓直徑 mm
mm
6、確定其它各擋的齒數(shù)
1、二檔齒輪 模數(shù)3， 取 20 ， 齒寬=7
∴
∴
∴
查表得
二檔齒輪基本尺寸
分度圓直徑
齒頂高 =4.62 mm
齒根高 =0.697 mm
節(jié)圓直徑 mm
mm
齒頂圓直徑 mm
mm
齒根圓直徑 mm
mm
7、確定三擋齒輪的齒數(shù)
三檔齒輪 模數(shù)3， 取 20 ， 齒寬=7
∴
∴
∴
==-0.436
∴
分度圓直徑
齒頂高 =1.43 mm
齒根高 =05.03 mm
節(jié)圓直徑 mm
mm
齒頂圓直徑 =89.06 mm
=79.48 mm
齒根圓直徑 =76.14 mm
=66.57 mm
8、確定四擋齒輪的齒數(shù)
四檔齒輪 模數(shù)3， 取 20 ， 齒寬=7
∴
∴
嚙合角 = =21.23
==0.016
分度圓直徑
齒頂高 =3.3 mm
齒根高 =3.7 mm
節(jié)圓直徑 mm
mm
齒頂圓直徑 =76.84 mm
mm
齒根圓直徑 mm
=81.986 mm
9、確定五擋齒輪的齒數(shù)
五檔齒輪 模數(shù)3， 取 20 ， 齒寬=7
∴
嚙合角= =21.23
== 0.016
分度圓直徑
齒頂高 =3.3 mm
齒根高 =3.7 mm
節(jié)圓直徑 mm
mm
齒頂圓直徑 =64.07 mm
mm
齒根圓直徑 mm
=94.76 mm
10、確定倒擋齒輪齒數(shù)（直齒）
倒擋齒輪選用的模數(shù)與一擋相同，倒擋齒輪的齒數(shù)一般在21～23之間，初選=21
為了保證齒輪12和13的齒頂圓之間應(yīng)保持有0.5mm以上的間隙
∴
mm
mm
分度圓直徑 mm
mm
mm
齒頂圓直徑 mm
mm
mm
齒根圓直徑 mm
mm
mm
3.5變速器輪齒強(qiáng)度計(jì)算
發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩為188N m，最高轉(zhuǎn)速6000r/min，齒輪傳動(dòng)效率99%，離合器傳動(dòng)效率99%，軸承傳動(dòng)效率96%。
輸入軸 ==188×99%×96%=179N.m
輸出軸 一擋=179×0.96×0.99×35/15=396N.m
二擋=179×0.96×0.99×30/19=268N.m
三擋=179×0.96×0.99×27/24=191N.m
四擋=179×0.96×0.99×22/28=133N.m
五擋=179×0.96×0.99×18/32s=96N.m
倒擋 =179×0.96×0.99×3.3.82=649 N.m
3.5.1齒輪彎曲強(qiáng)度計(jì)算
1、直齒輪彎曲應(yīng)力
圖3.3 齒形系數(shù)圖
（3.7）
式中：—彎曲應(yīng)力（MPa）；
—計(jì)算載荷（N.mm）；
—應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.65；
—摩擦力影響系數(shù)，主、從動(dòng)齒輪在嚙合點(diǎn)上的摩擦力方向不同，對彎曲應(yīng)力的影響也不同；主動(dòng)齒輪=1.1，從動(dòng)齒輪=0.9；
—齒寬（mm）；
—模數(shù)；
—齒形系數(shù)，如圖4.1。
當(dāng)計(jì)算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，一、倒擋直齒輪許用彎曲應(yīng)力在400～850MPa，貨車可取下限，承受雙向交變載荷作用的倒擋齒輪的許用應(yīng)力應(yīng)取下限。
2、斜齒輪彎曲應(yīng)力
（3.8）
式中：—計(jì)算載荷（N·mm）；
—法向模數(shù)（mm）；
—齒數(shù)；
—斜齒輪螺旋角（°）；
—應(yīng)力集中系數(shù)，=1.50；
—齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖中查得；
—齒寬系數(shù)=7.0
—重合度影響系數(shù)，=2.0。
當(dāng)計(jì)算載荷取作用到變速器第一軸上的最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，對乘用車常嚙合齒輪和高擋齒輪，許用應(yīng)力在180～350MPa范圍，對貨車為100～250MPa。
1、計(jì)算一擋齒輪1，2的彎曲應(yīng)力
=35，=15，
主動(dòng)齒輪 =194.91MPa<180～350MPa
從動(dòng)齒輪 =103.69MPa<180～350MPa
2、計(jì)算二擋齒輪3，4的彎曲應(yīng)力
=30，=19，
主動(dòng)齒輪 =193.99MPa<180～350MPa
從動(dòng)齒輪 =115.77MPa<180～350MPa
3、計(jì)算三擋齒輪5，6的彎曲應(yīng)力
=27，=24，
主動(dòng)齒輪 =144.71MPa<180～350MPa
從動(dòng)齒輪 =128.63MPa<180～350MPa
4、計(jì)算四擋齒輪7，8的彎曲應(yīng)力
=22，=28，
主動(dòng)齒輪 =121.60MPa<180～350MPa
從動(dòng)齒輪 =165.59MPa<180～350MPa
5、計(jì)算五擋齒輪9，10的彎曲應(yīng)力
=18，=32，
主動(dòng)齒輪 =209.72MPa<180～350MPa
從動(dòng)齒輪 =105.29MPa<180～350MPa
6、 計(jì)算倒檔齒輪11，12，13的 彎曲應(yīng)力校核
=11， =21， =42， =2. 75
主動(dòng)齒輪=1.1，從動(dòng)齒輪=0.9；
=841.12MPa<400～850MPa
=580.32MPa<400～850MPa
=429.62MPa<400～850MPa
3.5.2齒輪接觸應(yīng)力校核σj
（3.9）
式中：—輪齒的接觸應(yīng)力（MPa）；
—計(jì)算載荷（N.mm）；
—節(jié)圓直徑(mm)；
—節(jié)點(diǎn)處壓力角（20°），—齒輪螺旋角（20°）；
—齒輪材料的彈性模量（MPa）；
—齒輪接觸的實(shí)際寬度(mm)；
、—主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑(mm)，直齒輪、，斜齒輪、；
、—主、從動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑(mm)。
將作用在變速器第一軸上的載荷作為計(jì)算載荷時(shí)，變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力見表3.4。
表3.4 變速器齒輪的許用接觸應(yīng)力
齒輪
滲碳齒輪
液體碳氮共滲齒輪
一擋和倒擋
1900～2000
950～1000
常嚙合齒輪和高擋
1300～1400
650～700
1、計(jì)算一擋齒輪1，2的接觸應(yīng)力
=396N.m =179N.m =20 mm
節(jié)圓直徑：mm，
mm
=30.58
=54.37
主動(dòng)齒輪
=3208MPa
=2797MPa
2、計(jì)算二擋齒輪3，4的接觸應(yīng)力
=268N.m，=179.m =20 mm
節(jié)圓直徑：mm，
mm
=32.95
=52.02
主動(dòng)齒輪 =3278MPa
=3193MPa
3、計(jì)算三擋齒輪5，6的接觸應(yīng)力
=191N.m =179N.m =20 mm
節(jié)圓直徑： mm，
mm
=44.98
=39.98
主動(dòng)齒輪 =1985MPa
=2175MPa
4、計(jì)算四擋齒輪7，8的接觸應(yīng)力
=133N.m =179N.m =20 mm
節(jié)圓直徑：mm，
mm
=47.58
=37.38
主動(dòng)齒輪 =1459MPa
=1419MPa
5、計(jì)算五擋齒輪9，10的接觸應(yīng)力
=96N.m =179N.m =20 mm
節(jié)圓直徑：mm，
mm
=54.37
=30.42
主動(dòng)齒輪 =1422MPa
=1830MPa
6、計(jì)算倒擋直尺齒輪11，12，13的接觸應(yīng)力
=179N.m 96N.m 649N.m
mm
mm
mm
=8.98
=4.73
=9.41
=1883MPa<1900～2000MPa
=1875MPa<1900～2000MPa
=1850MPa<1900～2000MPa
注：以上校核都在小于1900~2000范圍內(nèi)符合要求。
7、計(jì)算各檔齒輪的受力
（1）一擋齒輪1， 2的圓周力、
mm，mm
=179N.m, =396N.m
（2）二擋齒輪3，4的受力
=179N·m, =268N·m
N
（3）三擋齒輪5，6的受力
=179N·m, =191N·m
N
（4）四擋齒輪7，8的受力
=179N·m, =133N·m
N
（5）五擋齒輪9，10的受力
=179N·m, =96·m
N
8、變速器齒輪的材料及熱處理
（1）滿足工作條件的要求
不同的工作條件，對齒輪傳動(dòng)有不同的要求，故對齒輪材料亦有不同的要求。但是對于一般動(dòng)力傳輸齒輪，要求其材料具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，而且齒面硬，齒芯軟。
（2）合理選擇材料配對
如對硬度≤350HBS的軟齒面齒輪，為使兩輪壽命接近，小齒輪材料硬度應(yīng)略高于大齒輪，且使兩輪硬度差在30～50HBS左右。為提高抗膠合性能，大、小輪應(yīng)采用不同鋼號材料。
（3）考慮加工工藝及熱處理工藝
變速器齒輪滲碳層深度推薦采用下列值：
時(shí)滲碳層深度0.8～1.2
時(shí)滲碳層深度0.9～1.3
時(shí)滲碳層深度1.0～1.3
表面硬度HRC58～63；心部硬度HRC33～48
對于氰化齒輪，氰化層深度不應(yīng)小于0.2；表面硬度HRC48～53。
對于大模數(shù)的重型汽車變速器齒輪，可采用25CrMnMO，20CrNiMO，12Cr3A等鋼材，這些低碳合金鋼都需隨后的滲碳、淬火處理，以提高表面硬度，細(xì)化材料晶面粒。
3.6本章小結(jié)
本章對各擋齒輪進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算與強(qiáng)度校核，保證各擋齒輪均滿足使用要求。為防止根切現(xiàn)象的發(fā)生對變?yōu)橄禂?shù)的選擇上進(jìn)行了反復(fù)的驗(yàn)算，保證后期設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行。同時(shí)對齒輪的工藝性提出了要求。
第4章 變速器軸設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
4.1變速器軸設(shè)計(jì)計(jì)算
倒擋軸為壓入殼體孔中并固定不動(dòng)的光軸。變速器第二軸視結(jié)構(gòu)不同，可采用滲碳、高頻、氰化等熱處理方法。對于只有滑動(dòng)齒輪工作的第二軸可以采用氰化處理，但對于有常嚙合齒輪工作的輸入軸應(yīng)采用滲碳或高頻處理[14]。輸入軸上的軸頸常用做
滾針的滾道，要求有相當(dāng)高的硬度和表面光潔度，硬度應(yīng)在HRC58～63，面光潔度不低于▽8。
對于做為軸向推力支承或齒輪壓緊端面的軸的端面，光潔度不應(yīng)低于▽7，并規(guī)定其端面擺差。一根軸上的同心直徑應(yīng)可控制其不同心度[16]。
對于采用高頻或滲碳鋼的軸，螺紋部分不應(yīng)淬硬，以免產(chǎn)生裂紋。
對于階梯軸來說，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量保證工藝簡單，階梯應(yīng)盡可能少[17]。
在已知中間軸式變速器中心距時(shí)，軸的最大直徑和支承距離的比值可在以下范圍內(nèi)選?。簩斎胼S=0.16～0.18：對輸出軸0.18～0.21。
輸入軸花鍵部分直徑（mm）可按式下面公式初選
式中：—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，=4.0～4.6；
—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N.m）。
輸出軸最高檔花鍵部分直徑=22.9～26.3mm取25mm；輸入軸最大直徑=35.93～47.9mm取40mm。輸出軸：；輸入軸：；mm，mm，mm
4.2變速器軸校核
4.2.1軸的剛度計(jì)算
若軸在垂直面內(nèi)撓度為，在水平面內(nèi)撓度為和轉(zhuǎn)角為δ，可分別用下列式計(jì)算 （4.1） （4.2） （4.3）
式中：—齒輪齒寬中間平面上的徑向力（N）；
—齒輪齒寬中間平面上的圓周力（N）；
—彈性模量（MPa），=2.1×105MPa；
—慣性矩（mm4），對于實(shí)心軸，；—軸的直徑（mm），花鍵處按平均直徑計(jì)算；
、—齒輪上的作用力距支座、的距離（mm）；
—支座間的距離（mm）。
軸的全撓度為mm。
軸在垂直面和水平面內(nèi)撓度的允許值為=0.05～0.10mm，=0.10～0.15mm。齒輪所在平面的轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過0.002rad[18]。
1、輸入軸的剛度
一檔：N軸頸=25mm，=22.875mm，=230.25mm，N =2.1×105N
二檔：=2286N，軸頸=25mm，=65.875mm，=230.25mm，N
=2.1×105N
三檔：N軸頸=25mm，=93.875mm，=230.25mm，N =2.1×105N
四檔：N軸頸=25mm，=136.875mm，=230.25mm，N =2.1×105N
五檔：N軸頸=25mm，=164.875mm，=230.25mm，N =2.1×105N
2、輸出軸的剛度
一檔：=2895N，軸頸mm，=22.875mm，=230.25mm，N
=2.1×105N
二檔：=2167.5N，軸頸mm，=65.875mm，=230.25mm，N
=2.1×105N
三檔：=1717N，軸頸mm，=93.875mm，=230.25mm，N
=2.1×105N
四檔：=1472N，軸頸mm，=136.875mm，=230.25mm，N
=2.1×105N
五檔：=1305N，軸頸mm，=164.875mm，=230.25mm，N
=2.1×105N
4.2.2軸的強(qiáng)度計(jì)算
1、輸入軸強(qiáng)度計(jì)算
=179N.m，=22.875mm，=25mm,=230.25mm
=7087.88N.m，=2745N.m，=2579.78N.m
22.75552.
168.25
水平
圖4.1輸入軸受力彎矩圖
（1） 求H面內(nèi)支反力、和彎矩
(4.4)
(4.5)
（2）求V面內(nèi)支反力、和彎矩
(4.6)
2、輸出軸強(qiáng)度計(jì)算
=396N.m，=22.875mm，=25mm,=230.25mm
=7475.46N.m，=2895N.m，=2720.84N.m
17.75
168.25
水平
·17.75
168.25
豎直
7581.99
水平
豎直
168048.56
78025.97
322
合成
150293
20873.90
圖4.2輸入軸受力彎矩圖
（1）求H面內(nèi)支反力、和彎矩
（2）求V面內(nèi)支反力、和彎矩
由以上兩式可得
N.mm
以上經(jīng)校核均合格。
4.3軸承初選與校核
1、初選軸承型號
由工作條件和軸頸直徑初選一軸軸承型號30204，30205，30206，轉(zhuǎn)速=5600r/min，查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐》該軸承的=30500N，=28200N，=0.35。
2、計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
=0.35。查《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》，則=0.4，查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐》。
，為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》。（1.2～1.8）取=1.2
3、計(jì)算軸承的基本額定壽命
，為壽命系數(shù)，對球軸承=3；對滾子軸承=10/3。
4、輸入軸軸承校核
（1）初選軸承型號
由工作條件和軸頸直徑初選二軸軸承型號30205，查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐》該軸承的=37000N，=32200N，=0.37。
（2）計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
=0.37則查《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》，則=0.4，查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐》=1.6
為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》
（1.2～1.8）取=1.2
水平
=132000N
=132000N
=132000N
圖4.4 受力分析圖
（3）計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
=857.81N=904.69N
e查〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉書；=0.4，=1.6，，分別查〈機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)〉和〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉。為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)，見〈機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)〉。
（1.2～1.8）取=1.2
=1.2（0.4×2745+1.6×2579.78）=6270.78N
（4）計(jì)算軸承的基本額定壽命
，為壽命系數(shù)，對球軸承=3；對滾子軸承=10/3
5、 輸出軸軸承1校核
（1）初選軸承型號
由工作條件和軸頸直徑初選中間軸軸承型號30206，查〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉該軸承的=50500N，
=43200N
（2）計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
=0.37則查《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》，則=0.4，查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐》=1.6
為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》
（1.2～1.8）取=1.2
水平
=132000N
=132000N
=132000N
圖4.3.1受力分析圖
（3）計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
=857.81N=904.69N
e查〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉書；=0.4，=1.6，，分別查〈機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)〉和〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉。為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)，見〈機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)〉。（1.2～1.8）取=1.2
=857.81N=904.69N
（4）計(jì)算軸承的基本額定壽命
，為壽命系數(shù)，對球軸承=3；對滾子軸承=10/3
6、 輸出軸軸承2校核
（1）初選軸承型號
由工作條件和軸頸直徑初選中間軸軸承型號30204，查〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉該軸承的=28200N，=30500N
（2）計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
=0.42則查《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》，則=0.4，查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐》=1.7
為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)》
（1.2～1.8）取=1.2
水平
=132000N
=132000N
=132000N
圖 4.3.2 受力分析圖
（3）計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷
=857.81N=904.69N
e查〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉書；=0.4，=1.6，，分別查〈機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)〉和〈機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐〉。為考慮載荷性質(zhì)引入的載荷系數(shù)，見〈機(jī)械設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)〉。（1.2～1.8）取=1.2
=1.2（0.4×1746.77+1.7×545.52）=1952.04N
（4）計(jì)算軸承的基本額定壽命
，為壽命系數(shù)，對球軸承=3；對滾子軸承=10/3
經(jīng)校核所選軸承均合格
4.4同步器的設(shè)計(jì)
1、 同步器的設(shè)計(jì)選用
同步器使變速器換檔輕便、迅速，無沖擊，無噪聲，且可延長齒輪使用壽命，提高汽車的加速性能并節(jié)省燃油，故轎車變速器除倒檔、貨車除一檔、倒檔外，其他檔位多裝用。要求其轉(zhuǎn)矩容量大，性能穩(wěn)定、耐用。
同步器有常壓式、慣性式和慣性增力式三種。常壓式同步器雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是不能保證嚙合件在同步狀態(tài)下?lián)Q檔的缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)不再使用。得到廣泛使用的是慣性式同步器。
慣性式同步器能做到換擋時(shí)，在兩換擋元件之間的角速度達(dá)到完全相等之前不允許換擋，因而能很好的完成同步器的功能和實(shí)現(xiàn)對同步器的基本要求。
按結(jié)構(gòu)分，慣性式同步器有鎖銷式、滑塊式、鎖環(huán)式、多片式和多錐式幾種。雖然它們的結(jié)構(gòu)不同，但是它們都有摩擦元件、鎖止元件和彈性元件。
2、 鎖環(huán)式同步器
1、4-鎖環(huán)（同步錐環(huán)）；2-滑塊 3-彈簧圈；5、8-齒輪；6-嚙合套座；7-嚙合套
圖4.4 鎖環(huán)式同步器
如圖4.4所示，鎖環(huán)式同步器工作可靠、耐用，因摩擦錐面半徑受限，其轉(zhuǎn)矩容量不大，適于輕型以下汽車，廣泛應(yīng)用于轎車及輕型客、貨汽車。在其嚙合套外花鍵上的三個(gè)軸向槽中放著可沿槽移動(dòng)的滑塊，它們由兩個(gè)彈簧圈壓向嚙合套并以其中部的凸起定位于嚙合套中間的內(nèi)環(huán)槽中?；瑝K兩端伸入鎖環(huán)缺口，缺口比滑塊寬一個(gè)接合齒寬。換檔時(shí)，嚙合套帶動(dòng)滑塊推動(dòng)鎖環(huán)與被接合齒輪的錐面相靠，轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的摩擦力矩使鎖環(huán)相對于嚙合套及滑塊轉(zhuǎn)過一個(gè)角度并由滑塊定位，恰使嚙合套齒端與鎖環(huán)齒端以鎖止斜面相抵，如圖4.5a所示，此時(shí)換檔力經(jīng)鎖止斜面使鎖環(huán)進(jìn)一步壓緊，錐面間的摩擦力矩進(jìn)一步增大，產(chǎn)生滑磨。選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，使在換檔力作用下鎖止面上產(chǎn)生的迫使鎖環(huán)回正的脫鎖力矩小于錐面間的摩擦力矩，可阻止同步前掛檔。當(dāng)錐面間的摩擦力矩克服了被接合部分的慣性力矩后，轉(zhuǎn)速差及摩擦力矩消失，脫檔力矩迫使鎖環(huán)回正，如圖4.5b所示，鎖止斜面脫開，嚙合套克服滑塊的彈簧力而越過鎖環(huán)與齒輪的接合齒同步嚙合，保證無沖擊掛檔。
(a) 同步器鎖止位置 (b) 同步器換檔位置
1-鎖環(huán)；2-嚙合套；3-嚙合套上接合齒；4-滑塊
圖4.5 鎖環(huán)式同步器工作原理
3、 鎖銷式同步器
1、4-同步錐環(huán)；2-鎖銷；3-嚙合套；5-嚙合齒座；6-定位銷
圖4.6 鎖銷式同步器
如圖4.6所示，鎖銷式同步器的同步過程與鎖環(huán)式類似，但鎖止元件是三個(gè)鎖銷及相配的鎖銷孔倒角，另外三個(gè)以彈簧及鋼球定位的定位銷。作為彈性元件的三個(gè)彈簧及相應(yīng)的定位鋼球是裝在嚙合套的鉆孔中，使嚙合套等在空檔時(shí)保持中間位置。摩擦元件是鉚在鎖銷兩端的同步錐環(huán)及與之相配并固定在齒輪上的內(nèi)錐面。其摩擦錐面徑向尺寸大，轉(zhuǎn)矩容量大，廣泛用于中、重型汽車上。
本設(shè)計(jì)的變速器匹配的車型屬于微型車，故采用鎖環(huán)式同步器。
4、 鎖環(huán)式同步器主要尺寸的確定
（1）接近尺寸。同步器換檔第一階段中間，在摩擦錐環(huán)側(cè)面壓在摩擦錐盤側(cè)邊的同時(shí)，且嚙合套相對鎖銷作軸向移動(dòng)前，滑動(dòng)齒套接合齒與錐環(huán)接合齒倒角之間的軸向距離，稱為接近尺寸。尺寸應(yīng)大于零，取=0.2～0.3mm。
（2）分度尺寸。鎖銷中部倒角與銷孔的倒角互相抵觸時(shí)，滑動(dòng)齒套接合齒與摩擦錐環(huán)接合齒中心線間的距離，稱為分度尺寸。尺寸應(yīng)等于1/4接合齒齒距。尺寸和是保證同步器處于正確嚙合鎖止位置的重要尺寸，應(yīng)予以控制。
（3）鎖銷轉(zhuǎn)動(dòng)距離。鎖銷在滑動(dòng)齒套鎖銷孔中的轉(zhuǎn)動(dòng)距離影響分度尺寸。鎖銷直徑、鎖銷轉(zhuǎn)動(dòng)距離與銷孔直徑之間的關(guān)系如下
=+2 (4.8)
鎖銷轉(zhuǎn)動(dòng)距離與接合齒齒距的關(guān)系如下
(4.9)
式中 為鎖銷軸向移動(dòng)后的外半徑（即摩擦錐環(huán)外半徑）；
為接合齒分度圓半徑。
（4）鎖銷端隙。鎖銷端隙系指鎖銷端面與摩擦錐環(huán)端面之間的間隙，同時(shí)，滑動(dòng)齒套端面與摩擦錐環(huán)端面之間的間隙為，要求＞。若＜，則換檔時(shí)，在摩擦錐面尚未接觸時(shí)，滑動(dòng)齒套接合齒的鎖止面已位于接觸位置，即接近尺寸＜0，此刻因摩擦錐環(huán)浮動(dòng)，摩擦面處無摩擦力矩作用，致使同步器失去鎖止作用。為保證＞0，應(yīng)使＞，通常取=0.5mm左右。摩擦錐環(huán)端面與齒輪接合齒端面應(yīng)留有間隙，并可稱之為后備行程。
預(yù)留后備行程的原因是摩擦錐環(huán)的摩擦錐面會因摩擦而磨損，并在下來的換檔時(shí)，摩擦錐環(huán)要向齒輪方向增加少量移動(dòng)。隨著磨損的增加，這種移動(dòng)量也逐漸增多，導(dǎo)致間隙逐漸減少，直至為零；此后，兩摩擦錐面間會在這種狀態(tài)下出現(xiàn)間隙和失去摩擦力矩。而此刻，若摩擦錐環(huán)上的摩擦錐面還未達(dá)到許用磨損的范圍，同步器也會因失去摩擦力矩而不能實(shí)現(xiàn)摩擦錐環(huán)等零件與齒輪同步后換檔，故屬于因設(shè)計(jì)不當(dāng)而影響同步器壽命。一般應(yīng)取=1.2～2.0mm。
在空檔位置，摩擦錐環(huán)錐面的軸向間隙應(yīng)保持在0.2～0.5mm。
5、 同步器主要參數(shù)的確定
（1）摩擦因數(shù)
汽車在行駛過程中換檔，特別是在高檔區(qū)換檔次數(shù)較多，意味著同步器工作頻繁。同步器是在同步環(huán)與連接齒輪之間存在角速度差的條件下工作，要求同步環(huán)有足夠的使用壽命，應(yīng)當(dāng)選用耐磨性能良好的材料。為了獲得較大的摩擦力矩，又要求用摩擦因數(shù)大而且性能穩(wěn)定的材料制作同步環(huán)。另一方面，同步器在油中工作，使摩擦因數(shù)減小，這就為設(shè)計(jì)工作帶來困難。
同步環(huán)常選用能保證具有足夠高的強(qiáng)度和硬度、耐磨性能良好的黃銅合金制造，如錳黃銅、鋁黃銅和錫黃銅等。早期用青銅合金制造的同步環(huán)，因使用壽命短已遭淘汰。由黃銅合金與鋼材構(gòu)成的摩擦副，在油中工作的摩擦因數(shù)取為0.1。
摩擦因數(shù)除與選用的材料有關(guān)外，還與工作面的表面粗糙度、潤滑油種類和溫度等因數(shù)有關(guān)。作為與同步環(huán)錐面接觸的齒輪上的錐面部分與齒輪做成一體，用低碳合金鋼制成。對錐面的表面粗糙度要求較高，用來保證在使用過程中摩擦因數(shù)變化小。若錐面的表面粗糙度值大，則在使用初期容易損害同步環(huán)錐面。
摩擦因數(shù)對換檔齒輪和軸的角速度能迅速達(dá)到相同有重要作用。摩擦因數(shù)大，則換檔省力或縮短同步時(shí)間；摩擦因數(shù)小則反之，甚至失去同步作用。為此，在同步環(huán)錐面處制有破壞油膜的細(xì)牙螺紋槽及與螺紋槽垂直的泄油槽，用來保證摩擦面之間有足夠的摩擦因數(shù)。
2、同步環(huán)主要尺寸的確定
（1）同步環(huán)錐面上的螺紋槽。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。但頂部寬度過窄會影響接觸面壓強(qiáng)，使磨損加快。實(shí)驗(yàn)還證明：螺紋的齒頂寬對的影響很大，隨齒頂?shù)哪p而降低，換檔費(fèi)力，故齒頂寬不易過大。螺紋槽設(shè)計(jì)得大些，可使被刮下來的油存在于螺紋之間的間隙中，但螺距增大又會使接觸面減少，增加磨損速度。通常軸向泄油槽為6～12個(gè)，槽寬3～4mm。
（2）錐面半錐角。摩擦錐面半錐角越小，摩擦力矩越大。但過小則摩擦錐面將產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，避免自鎖的條件是。一般取=6?！?。。=6。時(shí)，摩擦力矩較大，但在錐面的表面粗糙度控制不嚴(yán)時(shí)，則有粘著和咬住的傾向；在=7。市就很少出現(xiàn)咬住現(xiàn)象。
（3）摩擦錐面平均半徑。設(shè)計(jì)得越大，則摩擦力矩越大。往往受結(jié)構(gòu)限制，包括變速器中心距及相關(guān)零件的尺寸和布置的限制，以及取大以后