中型货车变速器设计(三轴式).docx

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湖南大学毕业设计论文第54页

中型货车变速器设计（三轴式）

摘要

三轴式变速器由于具有体积小、原理简单、工作可靠、操纵方便等优点，故在大多数汽车中广泛应用。

本次设计的目的主要是基于对机械原理、机械设计、AutoCAD等知识的熟练运用和掌握，同时运用汽车构造、汽车设计、材料力学、互换性测量等学科知识，对三轴式变速器的各部件进行设计。

首先，本文将概述汽车变速器的现状和发展趋势，介绍变速器领域的最新发展状况。

其次，本文将对不同的变速器传动方案进行比较，选择合理的结构方案进行设计。

再次，本文重点对变速器的两种重要部件—轴和齿轮进行受力分析,强度、刚度的校核计算，以及为这些元件选择合适的工程材料及热处理方法。

最后，本文将对变速器换档过程中的重要部件—同步器以及操纵机构进行阐述，讲述同步器的类型、工作原理、设计方法以及重要参数。

在附录中，本文还将给出进行计算的必要公式、表格及图形，供参考之用。

关键词：

变速器，同步器，轴，齿轮

DesignThree-shaftTransmissionforMedium-dutyTruck

Author:

LiBijun

Tutor:

LeiZhengbao

Abstract

Three-shafttransmissioniswidelyusedmostvehicleforitsparticularadvantages,suchassmalldimension,simplytheory,goodstability,convenientlyoperation.Thepurposeofmypaperisbasedontheskillfulofusingmechanictheory,mechanicdesign,AutoCAD.Meanwhile,mypaperisincorporatedstructureofvehicle,designofvehicle,mechanicofmaterials,andsurveyofinterchangeability.Iwilldesignthepartsofthree-shafttransmission.

Atfirst,Iwillgiveasummaryofthecurrentsituationandthetendencyofdevelopmentofthevehicletransmission,andintroducethelatestdevelopmentstateinthefieldofthetransmission.

Thesecond,Iwillcomparethetransmittingschemeofdifferenttransmission,andchooseabetterstructurescheme.

Next,Iwilldosomemechanicanalyses,strength,stiffnesscheckoftheshaftsandgears,whicharetheimportantpartsofthetransmission,andchooseappropriatematerialsandheattreatment.

Atlast,Iwillintroducetheoperationmechanismandthesynchronizer,whichplaysanimportantroleinchanginggear.Iwillgiveanaccountofthetype,operation,designprocedureandmajorparameterofthesynchronizer.

Atthesupplement,Iwillwritesomethinglikeformula,tableaugraphandsoon.Itmaybehelpfulforthefuturedesign.

Keywords:

Transmission,Synchronizer,Shaft,Gear

目录

1绪论…………………………………………………………1

1.1变速器的设计意义及背景…………………………………………………1

1.2变速器的现状及发展趋势…………………………………………………2

1.3变速器的设计方法和研究内容……………………………………………5

2变速器结构方案的设计……………………………………6

2.1两轴式和三轴式变速器……………………………………………………6

2.2齿轮安排……………………………………………………………………7

2.3换档结构方式………………………………………………………………8

2.4倒档的结构方案及倒档轴的位置………………………………………...8

3变速器轴的设计………………………………………….10

3.1轴的设计…………………………………………………………………..10

3.2轴的受力分析与校核计算……………………………………………….13

4变速器齿轮的设计……………………………………….21

4.1齿轮传动的失效形式…………………………………………………….21

4.2变速器齿轮设计步骤……………………………………………………22

4.3各档齿轮齿数的分配……………………………………………………..26

4.4齿轮的材料及其选择原则………………………………………………31

4.5圆柱齿轮强度的简化计算方法………………………………………….33

5同步器设计……………………………………………….39

5.1惯性式同步器…………………………………………………………….39

5.2同步器工作原理………………………………………………………….42

5.3同步器的主要参数的确定……………………………………………….42

6变速器操纵机构………………………………………….46

6.1操纵机构的功用………………………………………………………….46

6.2换档位置图………………………………………………………………46

6.3变速杆的布置…………………………………………………………….46

6.4锁止装置………………………………………………………………….47

结论………………………………………………………….51

致谢………………………………………………………….52

参考文献…………………………………………………….53

附录………………………………………………………….54

1绪论

1.1变速器的设计背景及目的

现代汽车的动力设置，几乎都采用往复活塞式内燃机。

它具有体积小，质量轻，工作可靠，使用方便等优点。

但其性能与汽车的动力性和经济性之间存在着较大的矛盾。

大家知道，汽车需要克服作用在它上面的阻力，才能起步和正常的行驶。

即使在平坦的柏油路上，汽车以低速等速直线行驶，也需要克服约占汽车总质量1.5%的滚动阻力。

例如，NJ130汽车，满载时总质量为5360kg，其滚动阻力为800N左右。

若需要满载汽车在坡度为9%的道路上等速上坡行驶，仅上坡阻力就达4824N。

如果用发动机直接带动汽车驱动轮，则发动机需要发出2050N·m.的扭矩。

而NJ130汽车发动机的最大扭矩只有205N·m，此时，所产生的最大牵引力为482N，和上坡阻力相差10倍之多。

显然，如此小的牵引力，不仅不能上坡行驶，即使在平坦的道路上也不能行驶。

另一方面，NJ130汽车发动机，最大功率为51.5kW，此时曲轴的转速为2800r/min。

如发动机和车轮直接相连，则对应于该转速所换算的汽车速度，竟达到458km/h.。

显然，这样高的车速是不能实现的。

上述发动机的扭矩、转速与汽车的牵引力、车速要求之间的矛盾，靠现代汽车的内燃机本身是无法解决的。

为此，在汽车传动系中设置了变速器和主减速器。

既可使驱动车轮的扭矩增大为发动机扭矩的若干倍，同时又可使其转速减小到发动机转速的若干分之一。

此外，汽车的使用条件颇为复杂，变化很大。

如汽车的载货量、道路坡度、路面好坏以及交通情况等。

这就要求汽车的牵引力和车速具有较大的变化范围，以及适应使用的需要。

当汽车在平坦的道路上，以高速行驶时，可挂入变速器的高速档；而在不平的路上或爬较大的坡道时，则应挂入变速器的低速档。

根据汽车的使用条件，选择合适的变速器档位，不仅是汽车动力性的要求，而且也是汽车燃料经济性的要求。

例如，汽车在同样的载货量、道路、车速等条件下行时，往往可挂入较高的变速器档位，也可挂入较低的档位工作。

此时只是发动机的节气门开度和转速或大或小而已，可是发动机在不同的工况下，燃料的消耗量是不一样的。

一般变速器具有四个或更多的档位，驾驶员可根据情况选择合适的档位，使发动机燃料消耗量减小。

汽车在某些情况下，如进出停车场或车库，或在较窄的路上掉头等需要倒向行驶。

然而，汽车发动机不能倒转工作，因此在变速器设立倒档。

此外，变速器还设有空档，可中断动力传递，以满足汽车暂时停止行驶和对发动机检查调整的需要。

对变速器的要求。

除一般便于制造、使用、维修以及质量轻、尺寸紧凑外，主要还有以下几点：

1）保证汽车有必要的动力性和经济性。

2）设置空挡，用来切断发动机动力向驱动轮的传输。

3）设置倒档，使汽车能倒退行驶。

4）设置动力输出装置，需要时能进行功率输出。

5）换挡迅速，省力，方便。

6）工作可靠。

汽车行驶过程中，变速器不得有跳挡，乱挡以及换挡冲击等现象发生。

7）变速器应当有高的工作效率。

8）变速器的工作噪声低。

1.2国内外研究状况及成果

现代汽车工业的飞速发展以及人们对汽车的要求不断的变化，机械式变速器不能满足人们的需要。

从40年代初，美国成功研制出两挡的液力-机械变速器以来，自动变速器技术得到了迅速发展。

80年代，美国已将液力自动变速器作为轿车的标准装备。

1983年时，美国通用汽车公司的自动变速器装车率已经达到了94%。

近些年来，由于电子技术和电子计算机技术的发展，自动变速器技术已经达到了相当高的水平。

自动变速器与机械式变速器相比，具有许多不可比拟的优势：

提高发动机和传动系的使用寿命；提高汽车的通过性；具有良好的自适应性；操纵更加方便。

目前，国内变速器厂商都朝无级变速器和自动变速器方向发展，国内现已有好几款轿车已经应用上无级变速器，而重型汽车则采用多中间轴的形式，将低速档和高速档区分开。

汽车行驶的速度是不断变化的，这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多，这就是无级变速（ContinuouslyVariableTransmission简称"CVT"）。

尽管传统的齿轮变速箱并不理想，但其以结构简单、效率高、功率大三大显着优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。

在跨越了三个世纪的一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无级变速箱。

这是汽车的无奈和缺憾。

但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力,各大汽车厂商对无级变速器（CVT）表现了极大的热情，极度重视CVT在汽车领域的实用化进程。

这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器的研究的终极目标。

围绕汽车变速箱四个研究方向，各国汽车变速器专家展开了激烈的角逐。

1．摩擦传动CVT

金属带式无级变速箱（VDT-CVT）的传动功率已能达到轿车实用的要求，装备金属带式无级变速箱的轿车已达100多万辆。

据报道：

大排量6缸内燃机（2.8L）的奥迪A6轿车上装备的金属带式无级变速箱MultitronicCVT，能传动142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。

这是真正意义的无级变速器。

另一种摩擦传动CVT（名为ExtroidCVT）是滚轮转盘式。

日产把它装在概念车XVL上首次于去年东京车展展示，新款公爵（Cedric）车也装用这种CVT。

可与3L以上排量的大马力内燃机（XVL的引擎输出为330Nm/194kw）搭配使用，可谓汽车变速箱发展史上又一重要进步。

从V形橡胶带CVT到V型金属带CVT再到滚轮转盘式CVT，摩擦传动CVT的研究已持续了整整一个世纪，尽管摩擦传动无级变速器的发展已经达到很高的水平，也已经装备上汽车达到了实用的水平。

但齿轮变速箱依然占据着半壁河山，这至少说明了四个问题：

（1）无级变速（CVT）是汽车变速箱始终追逐的目标。

（2）摩擦传动CVT实现大功率的无级变速传动是极为困难的。

（3）摩擦传动CVT传动效率低是必然的。

（4）摩擦传动CVT的效率，功率无法与齿轮变速相比。

2．液力传动

人们经常把液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）两个概念混为一谈。

实际上这两种变速器工作原理完全不同。

液力自动变速器免除了手动变速器繁杂的换档和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变得简单、省力。

但是,液力自动变速器（AT）不是无级变速，是有级变速的自动控制，没有从根本上满足汽车对变速器的要求。

从原始橡胶带无级变速箱到现代金属链无级变速箱、滚轮转盘式CVT，百年大回转说明：

无级变速箱是汽车变速箱的最终归属，液力自动变速器只不过是一种过渡产品。

3．电控机械式自动变速器

电控机械式自动变速器（AutomatedMechanicalTransmission简称"AMT"）和液力自动变速器（AT）一样，不是无级变速器，是有级变速器的自动换档控制。

其特点是机械传动部分沿用了传统的有级变速箱，但控制参量太多，实现自动控制相当困难。

4．齿轮无级变速器

齿轮无级变速器（GearContinuouslyVariableTransmission）这是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。

据最新消息：

一种"齿轮无级变速装置"（GearContinuouslyVariableTransmission简称"G-CVT"）已经试制成功，并已经进行了多次样机试验。

"齿轮无级变速装置"结构相当简单，只有不足20种非标零件，51个零件，生产成本甚至低于手动变速箱。

预计今年进行装车试验。

齿轮无级变速器的优势表现为：

（1）传动功率大，200KW的传动功率是很容易达到的；

（2）传动效率高，90%以上的传动效率是很容易达到的；

（3）结构简单，大幅度降低生产成本，相当于自动变速箱的1/10；

（4）对汽车而言，提高传动效率，节油20%；

（5）发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减少了对环境的污染。

1.3变速器的设计方法和研究内容

在本次设计中，由于是对传统的变速器进行改进性设计，我们在设计中参考了东风汽车有限公司生产的EQ1090E和一汽集团的CA10两种类型的中型货车的变速器，采用了锁环式同步器与锁销式同步器相结合的换档方式。

在设计中，我们除了对汽车变速器的结构进行了合理的布置外，还运用了材料力学、机械原理、机械设计等知识，对变速器的重要零件—轴和齿轮进行受力分析，强度、刚度的校核，以及为这些零件选择合理的工程材料和热处理方法，同时也为变速器选择合理的同步器和操纵机构。

在设计的初期，我们专门去东风公司的特约维修站参观汽车的整体构造尤其是变速器的各部件的功用；在设计的第二阶段，通过参考以上提及的两种类型的变速器，对变速器进行整体结构布置，校核轴和齿轮的强度、刚度，选择材料和热处理方法；在第三阶段的主要任务是绘制变速器的装配图和重要的零件图，确定个零件的精度等级及其它参数；最后，是对整体论文的编写整理整个设计过程中的各种资料，以及对前期设计中的错误做出修改。

2变速器结构方案的设计

目前，汽车上采用的变速器结构形式是多种多样的，这是由于各国汽车的使用、制造、修理等条件不同，也是由于各种类型汽车的使用要求不同所决定的。

尽管如此，一般变速器的结构形式，仍具有很多共同点。

各种机构形式都有其各自的优缺点，这些优缺点随主观和客观条件的变化而变化。

因此，设计人员应深入实际，收集资料，调查研究，对结构进行分析比较，并尽可能地考虑到产品的系列化、通用化和标准化，最后确定较合适的方案。

2.1两轴式和三轴式变速器

现代汽车大多数采用三轴式变速器。

两轴式变速器只用于发动机前置、前轮驱动或发动机后置、后轮驱动的轿车上。

究竟采用哪种形式，除了汽车总布置的要求外，主要考虑以下三个方面：

2.1.1变速器的径向尺寸

两轴式变速器的前进档均由一对齿轮传递动力。

当需要大的传动比时，需将主动齿轮做得小些，而将从动齿轮做得大些，因此两轴的中心距和变速器壳体的相关尺寸也必然增大。

而三轴式变速器由两对齿轮传递动力，在同样传动比的情况下，可将大齿轮的径向尺寸做得小些，因此中心距及变速器壳的相关尺寸均可减小。

2.1.2变速器的寿命

两轴式变速器的低档齿轮幅大小相差悬殊，小齿轮工作循环次数比大齿轮要高得多，因此小齿轮的寿命比大齿轮的寿命短。

三轴式变速器各前进档（除直接档），均为常啮合斜齿轮传动，大小齿轮的径向尺寸相差较小，工作循环次数和寿命也比较接近，用直齿轮工作时，因第一轴与第二轴直接连接在一起，齿轮只是空转，并不传递动力，故不影响齿轮的寿命。

2.1.3变速器的效率

两轴式变速器虽然可以由等于1的传动比，但仍要经过一对齿轮传递动力，因此用功率损失。

而三轴式变速器可将输入轴和输出轴直接相连，得到直接档，这种动力传递方式几乎无功率损失，且噪声较小。

轿车、尤其是微型汽车，采用两轴式变速器比较多，这样可将变速器和主传动器组成一个整体，使传动系的结构紧凑，汽车得到较大的有效空间，便于汽车的总体布置。

因此，近年来在欧洲的轿车中采用的比较多。

2.2齿轮安排

各齿轮副的相对安装位置对于整个变速器的结构布置有很大的影响。

各档位置的安排应考虑以下四个方面：

2.2.1整车总布置

根据整车的总布置，对变速器输入轴和输出轴的相对位置和变速器的轮廓形状以及换档机构提出要求。

2.2.2驾驶员的使用习惯

有人认为人们习惯于按档的高低顺序，由左到右或由右到左排列来换档。

但是也有人认为应该将常用档位放在中间位置。

值得注意的是倒档，虽然他是平常换档序列之外的一个特殊档位，然而却是决定序列组合方案的重要环节。

按习惯，倒档最好与序列不接合。

否则，从安全角度考虑，将倒档与一档放在一起较好。

在五档变速其中，倒档与序列接合与不接合两者比较，前者在结构上可省去一个拨叉和一根变速滑杆，后者的布置适当，则可使变速器的轴向长度缩短。

2.2.3提高平均传动效率

为提高平均传动效率，在三轴式变速器中，普遍采用具有直接档的传动方案，并尽可能地将使用时间最多的档位设计成直接档。

2.2.4改善齿轮受载状况

各档齿轮在变速器中的位置安排，应考虑齿轮的受载状况。

承受载荷大的低档齿轮，一般安置在离轴承较近的地方，以较小轴的变形，使齿轮的重叠系数不致下降过多。

变速器齿轮主要是因接触应力过高而造成表面点蚀损坏，因此将高档齿轮安排在离两支撑较远处较好。

该处因轴的变形而引起齿轮的偏转角较小，故齿轮的偏载也小。

2.3换档结构方式

目前汽车上的机械式变速器采用的换档结构形式有三种：

2.3.1滑动齿轮换档

通常是采用滑动直齿轮进行换档，但也有采用滑动斜齿轮换档的。

滑动直齿轮换档的优点是结构简单、紧凑、容易制造。

缺点是换档使齿面承受很大的冲击，会导致齿轮过早损坏，并且直齿轮工作噪声大，所以这种换档方式一般仅用在倒档上。

2.3.2啮合套换档

用接合套换档，可将构成某传动比的一对齿轮，制成常啮合斜齿轮。

而斜齿轮上另外有一部分做成直的结合齿，用来与啮合套向啮合。

这种结构具有斜齿轮的传动优点，同时克服了滑动齿轮换档时冲击力集中在1~2个轮齿上的缺陷。

因为在换档时，有啮合套以及相啮合的结合齿上所有的轮齿共同承担所受到的冲击，所以啮合套和结合齿的轮齿所受的冲击损伤和磨损较小。

它的缺点是增大了变速器的轴向尺寸，未能彻底消除齿轮端面所受到的冲击。

2.3.3同步器换档

现在大多数汽车的变速器都采用同步器。

使用同步器可减轻结合齿在换档时引起的冲击及零件的损坏。

并且具有操纵轻便，经济性和缩短换档时间等优点，从而改善了汽车的加速性，经济性和山区行使的安全性。

其缺点是零件增多，结构复杂，轴向尺寸增加，制造要求高，同步环磨损大，寿命低。

但是近年来由于同步器的广泛使用，受命问题已解决。

上述三种换档方案，可同时用在同一变速器中的不同档位上。

一般考虑原则是不常用的倒档和一档采用结构较简单的滑动直齿轮或啮合套的形式。

对于常用的档位则采用同步器或啮合套。

2.4倒档的结构方案及倒档轴的位置

倒档齿轮的结构及其轴的位置，应与变速器的整体结构方案同时考虑。

在结构布置上，要注意在不挂入倒档时，不能与第二轴齿轮有啮合情况。

换倒档时能顺利换入倒档，而不和其它齿轮发生干涉。

在轿车和其它轻型汽车中，经常只采用一个倒档齿轮，结构较简单。

载货汽车由于需要较大的倒档传动比，则多采用由两个齿轮组成的齿轮组。

为缩短变速器的轴向尺寸充分利用空间。

但一档和倒档需各用一根变速滑杆，这比通常的换档机构多用一根变速滑杆和拨叉，使变速器的上盖结构变得复杂。

倒档齿轮安排在变速器的左侧或右侧，关系到操纵杆拨动的方向和倒档轴的受力状况。

挂倒档时，操纵杆向左侧拨动，比较符合习惯要求。

但此时倒档齿轮需安排在右侧，这是倒档轴的轴向承受较大的作用力。

反之，操纵杆向右侧，虽不符合习惯，但可以减轻倒档轴的负荷。

3变速器轴的设计

3.1轴的设计

3.1.1轴的功用及其设计要求

变速器在工作是承受力扭矩、弯矩，因此应具备足够的强度和刚度。

轴的钢的不足，在负荷作用下，轴会产生过大的变形，影响齿轮的正常啮合，产生过大的噪声，并会降低齿轮的使用寿命。

这一点很重要，与其它零件的设计不同。

设计变速器轴时主要考虑以下几个问题：

轴的结构形状，轴直径、长度、轴的强的和刚度，轴上花键型式和尺寸。

轴的结构主要依据变速器结构布置的要求，并考虑加工工艺，装配工艺而最后确定。

3.1.2轴的尺寸

轴的直径与支承跨度长度之间关系可按下式选取：

第一轴及中间轴：

=0.16～0.18（3-1）

第二轴：

=0.18～0.21（3-2）

第二轴及中间轴最大轴径：

（3-3）

第一轴最细处：

（3-4）

第一轴花键部分直径：

（3-5）

式中：

－发动机最大扭矩，

　　　－变速器中心距，

有相关手册查得：

＝353

中心距经验公式：

（）

取中心距=126.2

3.1.3轴的结构设计

轴的结构形状应保证齿轮、同步器部件及轴承等安装、固定。

并与工艺要求有密切关系。

在三轴式变速器中，第一轴通常和齿轮做成一体，前端支承在发动机飞轮内腔的轴承上。

其直径根据前轴承内径确定。

公差一般选。

第一轴